CN109533254A - 水下聚光热压往复式喷水推进器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下聚光热压往复式喷水推进器，主要包括聚光元件，真空集热管，气缸，光伏电池片，电机，电磁阀，控制器。聚光元件聚光用于集热和发电。真空集热管中注有工质，工质受热逐渐气化，达到一定压力后进入气缸中膨胀做功，气缸中的海水经过渐缩喷管加速向后喷出,使推进器向前航行。所述真空集热管至少包括2个分区，通过回压回热电磁阀相互联通实现热压回复，加热和冷却过程分别在不同分区同时进行。光伏电池片为电机、电磁阀和控制器供电。电机使真空集热管旋转，交替进行加热、冷却。压力控制电磁阀安装在真空集热管与气缸的连接管道上，控制工质做功的初始压力。本发明充分利用太阳能，无需额外携带能源即可实现长期水下航行。

Description

水下聚光热压往复式喷水推进器

技术领域

本发明属于水下推进系统领域，涉及一种太阳能聚光集热，使工质膨胀压出水做功的装置，具体涉及到一种水下聚光热压往复式喷水推进器。

背景技术

随着对海洋的探索开发越来越多，推动了各类水下航行设备的发展。目前水下航行在推进方式上主要分为传统螺旋桨推进、喷水推进、仿生结构推进等几种。螺旋桨推进具有效率低及航速受限的缺点，喷水推进具有良好的操纵性、隐蔽性，能达到高航速。就驱动能源而言，各类推进器大多是由携带的电池提供的电能。专利CN103523192A公布了一种采用喷水推进技术的水下航行器，利用水泵吸水及压水，从不同喷射口喷出产生推力及控制转向，结构简单紧凑；专利CN104906800A公布了一种压电喷水推进系统及安装此系统的玩具船，其体积小巧，通过改变压电陶瓷上的输出电压产生不同的推力，控制方便。

传统的喷水推进装置以电池作为唯一能量来源，而利用电池所能携带的能量有限，显然不利于进行水下长期远距离航行。在中低纬度的大洋上，太阳能是丰富易得的能源，即使在水下20米深处，晴朗天气条件下的能量密度也能达到120W/㎡，这时利用太阳能聚光真空管集热能达到足够高的温度。而且对于光伏发电所利用的太阳光谱中的蓝光，在海水中的衰减最慢，这也有利于聚光并用光伏电池发电。因此本发明提出了利用聚光元件收集太阳能作为动力源与控制器电源的方案。

发明内容

为了使水下喷水推进器结构简化，降低密封要求，并能充分利用太阳能，无需另外携带电源，适合于远洋长期航行，本发明提供了一种水下聚光热压往复式喷水推进器。

水下聚光热压往复式喷水推进器包括聚光元件，真空集热管，压力控制电磁阀，电机，回压回热电磁阀，气缸，渐缩喷管，单向阀，进水管道，光伏电池片，控制器和各连接管道。聚光元件汇聚太阳光分别给真空集热管加热和光伏电池片发电。真空集热管中注有工质，工质受热逐渐气化，达到一定压力后进入气缸中膨胀做功，气缸中海水被推入渐缩喷管，加速向后喷出，使推进器向前航行。

所述聚光元件为透射式聚光元件，具体可以是用折射率高于水的透明材料制作的菲涅尔镜或用折射率低于水的透明材料根据凹透镜光学原理制作的透镜，形状可以是平面状或曲面状，如圆柱面。

所述真空集热管至少包括2个分区，置于推进器前端，沿周向均匀分布，各分区内注有低沸点工质，真空集热管由电机带动旋转，当真空集热管某一分区被加热时，其他分区被冷却，加热和冷却过程同时进行，缩短了做功周期；在受热的真空集热管分区和被冷却的真空集热管分区之间，通过回压回热电磁阀连接，实现压力与热量回收，提高了能量利用率；在轴向上真空集热管与气缸通过压力控制电磁阀相连。进一步地，真空集热管的结构由外向内包括真空层和工质层，工质层横截面的圆周方向的尺寸远大于径向；所述低沸点工质要求沸点高于航行水域最高水温，并且汽化潜热相对小。

所述气缸与渐缩喷管相连，气缸壁具有较高的导热系数，工质在气缸中膨胀做功，推动活塞进而将气缸中海水推入渐缩喷管；工质做功完毕，主要通过气缸壁及活塞进行冷却。

所述渐缩喷管与气缸连通，海水在渐缩喷管内将压能转化为动能，加速喷出。

所述单向阀安装在渐缩喷管出口和进水管道上，使得工质做功时，海水只能沿喷管出口喷出；在气缸冷却时，海水只能沿进水管道进入气缸。

所述进水管道与渐缩喷管连通，进水管道进水口的朝向与水下航行器的运动方向一致，在海水通过进水管道进入气缸时，能使水下航行器受到与运动方向一致的作用力。

所述光伏电池片为薄层结构，固定在气缸外表面，通过导线连接压力控制电磁阀、电机、回压回热电磁阀和控制器。

所述压力控制电磁阀的数量与真空集热管的分区数量相同且一一对应，压力控制电磁阀由控制器控制，控制器根据真空集热管各分区内工质的压强，来控制压力控制电磁阀的开与关；当受热的真空集热管分区内工质的压强达到一个阈值，对应的压力控制电磁阀打开。

所述电机带动真空集热管旋转，使真空集热管各分区交替被加热、冷却；电机由控制器控制，在任一压力控制电磁阀打开时启动，直到将真空集热管的某一分区重新旋转至正上方时停止。

所述回压回热电磁阀由控制器控制，在电机停止运转的同时，回压回热电磁阀打开，延时关闭；回压回热电磁阀打开时，位于下方的真空集热管分区内的工质为气态，相比于上方真空集热管分区内的液态工质具有更高的压力与温度，在压差作用下实现回压回热。

整个喷水推进器，除控制器及电机隔绝海水外，采用开放式结构，降低了水下密封要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明将水下聚光热利用与聚光光伏发电相结合，分别提供推进动力与控制系统电源，充分利用了大洋上丰富的太阳能资源，水下长期航行过程中，无需进行燃料或电池的补充；同时利用光伏电池发电可以为增加各种自动控制装置，如浮潜、导航，提供电能；

2.本发明整体上为开放式结构，不用隔绝海水，降低了水下密封要求,并且减小了水下航行的阻力面积，从而减小航行阻力；

3.真空集热管至少包括2部分，使加热、冷却过程能在真空集热管不同部分同时进行,而且通过回压回热电磁阀,实现回压及部分回热，大幅提高了推进器效率，缩短了每次加热时长与做功时间间隔；

4.真空集热管工质层横截面的圆周方向尺寸远大于径向，在接收表面的面积一定时体积更小。

附图说明

图1为本发明主要结构示意图；

图2为本发明主要结构的左视图；

图3为本发明主要结构的主视剖面图；

图4为本发明的回压回热结构示意图；

图5为本发明两气缸后置时的结构示意图；

其中，1、聚光元件；2、真空集热管；3、真空集热管与气缸连接管道；4、压力控制电磁阀；5、电机；6、回压回热电磁阀；7、气缸；8、渐缩喷管；9、单向阀；10、进水管道；11、光伏电池片；12、回压回热管道；13、控制器；14、工质；2-1、工质层；2-2、真空层；7-1、活塞。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1～3所示，水下聚光热压往复式喷水推进器主要包括聚光元件1、真空集热管(2A,2B)、压力控制电磁阀(4A，4B)、电机5、回压回热电磁阀6、气缸7、渐缩喷管8、单向阀9、进水管道10、光伏电池片11、控制器13和各连接管道。聚光元件1为圆柱面菲涅尔透镜，汇聚光线加热真空集热管2，同时为光伏电池片11提供汇聚光源。真空集热管2由电机5带动旋转，使真空集热管的分区2A、2B被交替加热、冷却；在受热的真空集热管分区2A和被冷却的真空集热管分区2B之间，连接有回压回热电磁阀6，在轴向上真空集热管分区2A、2B分别通过压力控制电磁阀4A、4B与气缸7相连。气缸7与渐缩喷管8相连。薄层结构的光伏电池片11固定在气缸7外表面上，向电机5、压力控制电磁阀4、回压回热电磁阀6、控制器13供电。电机5的启停及压力控制电磁阀4，回压回热电磁阀6的开关由控制器13控制。

压力控制电磁阀4A、4B与真空集热管分区2A、2B一一对应，控制器13根据真空集热管分区2A，2B内工质14的压强来控制压力控制电磁阀4A、4B的开与关；触发压力控制电磁阀4打开的压强和气缸7的容积满足一定关系，可以使低沸点工质14在完成做功时的压强约为2atm。所述电机5为步进电机，由控制器13控制，在任一压力控制电磁阀4打开时启动，在真空集热管分区2A或2B被重新旋转至正上方时停止。所述回压回热电磁阀6由控制器13控制，在电机5停止运转的同时，回压回热电磁阀6打开，延时关闭。

参看附图4，真空集热管各分区2A(或2B)包括工质层2A-1(或2B-1)和真空层2A-2(或2B-2)，在工质层2A-1及2B-1内均注入了低沸点工质14。

参看附图3和4，初始时刻，真空集热管工质层2A-1及2B-1内压强为1atm，压力控制电磁阀4A、4B及回压回热电磁阀6均处于关闭状态，电机5未启动，活塞7-1位于气缸7最前端，假设真空集热管分区2A处于分区2B的正上方。阳光经聚光元件1汇聚，光伏电池片11开始发电，工质层2A-1内低沸点工质14被加热，温度升高逐渐气化；当工质层2A-1内压强达到10atm时，压力控制电磁阀4A打开，同时电机5启动，高压气态工质14进入气缸7膨胀做功，推动活塞7-1，气缸7内海水从渐缩喷管8高速向后喷出，使推进器向前航行；当工质14膨胀结束时，活塞7-1位于气缸7末端，气缸7内工质14压力约2atm；电机5带动真空集热管2旋转，当真空集热管分区2B被旋转至正上方时，电机5停止运转，同时回压回热电磁阀6打开并延时关闭，在热的真空集热管分区2A与冷的分区2B之间实现回压与回热过程。

如附图4所示，对回压与回热过程的说明如下。回压回热管道12的最高点高于工质层2B-1内工质14的液面，能防止回压回热电磁阀6打开时工质层2B-1内工质14直接流入工质层2A-1。真空集热管分区2A刚被旋转至下方时，工质层2A-1内的工质14仍处于高温气态，压强约2atm；工质层2B-1内为低温液态工质，压强约1atm；与真空集热管分区2B对应的压力控制电磁阀4B处于关闭状态，回压回热电磁阀6打开后，由于压差作用，工质层2A-1内气态工质14进入工质层2B-1，实现压能与热能的回收。当回压回热电磁阀6关闭，回压与回热过程结束。

当真空集热管2A做功完毕，气缸7内工质14在进行回压回热过程的同时，通过气缸壁及活塞与海水的对流换热实现冷却，冷却过程中，工质逐渐液化，由于压差作用，海水通过进水管道10重新回到气缸，活塞7-1被海水推向气缸7最前端。活塞7-1到达气缸7最前端时,真空集热管2B已经被加热一段时间，由于加热时间比冷却时间长，工质层2B-1内压力不高,压力控制电磁阀4A会在工质层2B-1内压力达到9atm时关闭；随后，当工质层2B-1内压强达到10atm时，压力控制电磁阀4B打开，电机5启动，工质层2B-1内高压气态工质14进入气缸7，推动活塞7-1，气缸7内海水从渐缩喷管8高速向后喷出，使推进器向前航行；当工质14膨胀结束时，活塞7-1位于气缸7末端，工质14压强约2atm；电机5带动真空集热管2旋转，当真空集热管分区2A被旋转至正上方时，电机5停止运转，同时回压回热电磁阀6打开并延时关闭，在热的真空集热管分区2A与冷的真空集热管分区2B之间实现回压与回热。真空集热管分区2A被旋转至正上方后，即重新被加热。在水下聚光热压往复式喷水推进器运行过程中，上述过程重复进行。

附图5为气缸7相对于真空集热管2后置时的结构示意图。气缸7有两个，气缸7A、气缸7B分别通过压力控制电磁阀4A、4B与真空集热管分区2A、2B连接。本发明在气缸7后置时的具体实施方式和附图1～3中所示的气缸7放置在真空集热管2中央时的实施方式一致。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.水下聚光热压往复式喷水推进器，其特征在于：包括聚光元件(1)，真空集热管(2A,2B)，压力控制电磁阀(4A，4B)，电机(5)，回压回热电磁阀(6)，气缸(7)，渐缩喷管(8)，单向阀(9)、进水管道(10)、光伏电池片(11)，控制器(13)和各连接管道；所述聚光元件(1)处于真空集热管(2)和光伏电池片(9)正上方，汇聚太阳光分别给真空集热管(2)加热和光伏电池片(11)发电，聚光元件(1)可以是……；所述真空集热管(2)的工质层(2-1)内注有低沸点工质(14)，真空集热管(2)由电机(5)带动旋转；在轴向上真空集热管(2)通过压力控制电磁阀(4)与气缸(7)相连；所述气缸(7)与渐缩喷管(8)相连，气缸(7)的数量可以是一个或与真空集热管(2)所包括分区的数目相同，气缸(7)相对于真空集热管(2)可以内置或后置；所述单向阀(9)安装在渐缩喷管(8)的出口和进水管道(10)上，用于限制海水的流动方向；所述进水管道(10)与渐缩喷管(8)连通，进水管道(10)进水口的朝向与水下航行器的运动方向一致，在海水通过进水管道进入气缸时，能使水下航行器受到与运动方向一致的作用力；所述光伏电池片(11)为薄层结构，固定在气缸(7)外表面，为电机(5)、压力控制电磁阀(4)、回压回热电磁阀(6)、控制器(13)供电；所述压力控制电磁阀(4A，4B)与真空集热管(2A，2B)一一对应，控制器(13)根据真空集热管(2A，2B)内的工质(14)的压强来控制压力控制电磁阀(4)的开与关；所述电机(5)由控制器(13)控制，在任一压力控制电磁阀(4)打开时启动，直到将真空集热管(2)的某一分区重新旋转至正上方时停止；所述回压回热电磁阀(6)由控制器(13)控制，在电机(5)停止运转的同时，回压回热电磁阀(6)打开，延时关闭。

2.根据权利要求1所述的水下聚光热压往复式喷水推进器，其特征在于：所述真空集热管(2)至少包括2个分区(2A，2B)，通过旋转实现当其某一分区被加热时，其他的分区被冷却，加热和冷却过程同时进行，大大缩短了做功周期；在受热的分区(2A)和被冷却的分区(2B)之间，通过回压回热电磁阀(6)连接，实现压能与热能的回收。