CN109895981B - 一种浮力调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将金属/海水电池生成的气体用于潜水器浮力调节的装置。本装置主要包括金属/海水电池系统和浮力罐调节系统。金属/海水电池系统包括金属/海水电池组与电池控制系统；金属/海水电池组生成的气体是浮力来源，属于浮力生成系统；电路控制设备通过控制金属/海水电池组的输出功率而控制金属/海水电池组产生气体的速率，从而控制浮力调节的速率，其属于浮力速率调节系统。浮力罐调节系统主要由浮力罐主体、气体收集口、气体排出孔及阀门组成。浮力罐的气体收集口正对金属/海水电池组的气泡排出口，方便气体的收集。排气口阀门通过控制收集气体的体积来控制浮力的大小，阀门开关由潜水器控制。本发明利用金属/海水电池的气体产物为浮力材料，达到“变废为宝”的目的；本装置不仅为水下设备提供浮力调节，还提供可观的电能。

Description

一种浮力调节系统

技术领域

本发明属于水下机械装置领域，具体而言涉及到一种水下浮力调节装置。本装置采用金属/海水电池放电产生的气体为浮力材料，依靠发电功率控制浮力调节速率，依靠气体体积控制浮力调节大小。

背景技术

浮力调节系统是潜水器的重要子系统之一。潜水器在水下工作时，会因取样、布放设备、海水密度变化等造成潜水器的重力和浮力的变化，为确保潜水器具有相对稳定的作业状态，需要对其浮力微调，达到重力与浮力的平衡。现阶段使用的深海浮力调节系统，无论是第一代的油压浮力调节系统还是第二代海水浮力调节系统都必须采用耐高压可调压载水舱。随着潜水器下潜深度和作业能力的增加，载水舱的壁厚和体积相应增加，造成其加工难度和制备成本的增加。虽然高压气瓶浮力调节系统可以有效解决耐压载水舱的技术困难，但高压空气装置深海工作时能耗大，且只能单向浮力调节，只能完成简单的预定任务。故降低能耗和解决只能单向浮力调节为气体浮力调节系统的关键。

金属/海水电池在放电的过程中会产生一定量的气体，且气体生成速率与电池放电功率相关，电池放电功率越大，生成气体越快。金属/海水电池系统为开放系统，无需耐高压设备保护，自身的成本低廉，结构简单，技术难度相对较低，可全海深工作，非常适合于深海浮力微调系统。浮力大小可通过浮力罐阀门控制气体体积而控制，浮力罐为开放式结构，结构简单，无需高压设备，成本低廉，耗能少。因此，将金属/海水电池系统与可调控气体体积的浮力罐结合，不仅能有效调节潜水器浮力，还为潜水器提供可观的电能。

发明内容

本发明针对传统高压气瓶浮力调节系统深海工作高能耗和只能单向调节的弊端，提供金属/海水电池和浮力可调节的浮力罐组合的方法，设计出浮力方向与大小可调，不仅能耗小还能为潜水器提供可观电能的浮力调节系统。

本发明专利包括如下技术方案：

一种应用于水下的浮力调节装置，包括金属/海水电池组和浮力罐；浮力罐置于金属/海水电池组上方，并与金属/海水电池组固接，浮力罐为一下端开口的容器，金属/海水电池组中单电池的排气孔设置于单电池的上方，浮力罐的下开口端位于排气孔的正上方。

于浮力罐上部设有排气口，排气口处设有排气阀。

所述浮力罐的下开口端为浮力罐的气体收集口，所述浮力罐的固定位置可保证其气体收集口可在竖直方向上覆盖电池组中所有排气孔。所述气体收集口的宽度大于或等于电池组中距离最远的两个排气孔的直线距离。

所述浮力罐罐体的重量和容积比为0.03-0.5kg/L；所述浮力罐容积与电池组额定输出功率的比为5-5000L/kW。

所述浮力调节装置还包括控制系统，所述控制系统用于调节电池系统对外输出功率大小同时控制浮力罐排气阀的开启和关闭，即浮力罐排气阀门电源供给条件的控制；金属/海水电池组的功能主要是提供气体和对外输出电能。

金属/海水电池组的单电池电路之间采用串联、并联或串并混联，电池组金属阳极为镁、镁合金、铝、铝合金中的一种，阴极为含有氢析出的活性材料。

所述氢析出的活性材料为泡沫镍或担载有析氢催化剂的泡沫镍。

所述浮力罐排气阀为球阀结构。

所述控制系统封装于充满液压油箱中，由耐高压元器件组成；所述控制系统一路连接电池组，用于调控电池组放电功率；一路连接浮力罐的排气阀门，用于调节浮力罐排气阀开关。

所述浮力调节装置用于一水下设备上，作为水下设备供电系统和浮力系统的辅助装置。尤其适用于水下潜器。

本发明具有以下优点：

本发明利用金属/海水电池自身的特点，其在放电的过程中会产生一定量的气体，且气体生成速率与电池放电功率相关，电池放电功率越大，生成气体越快，浮力调节速率快。金属/海水电池系统为开放系统，无需耐高压设备保护，自身的成本低廉，结构简单，技术难度相对较低，可全海深工作，非常适合于深海浮力微调系统。浮力大小可通过浮力罐中气体体积而控制，浮力罐为开放式结构，结构简单，无需高压设备，成本低廉，耗能少。因此，将金属/海水电池系统与可调控气体体积的浮力罐结合，不仅能有效调节潜水器浮力，还为潜水器提供可观的电能。

附图说明

图1浮力调节系统简单示意图。图中，1为金属/海水电池组，2为电路控制系统，3为电池排气孔，4为气体收集口，5为浮力罐，6为排气系统。

具体实施方案

本实施方案的浮力调节系统的结构如图1所示。本浮力调节系统包括金属/海水电池系统和浮力罐系统。金属/海水电池系统包含金属/海水电池组和电池控制系统，金属/海水电池组的功能主要有提供气体和对外输出电能，电池控制系统的功能为调节电池系统对外输出条件和控制浮力罐排气阀门的开关。金属/海水电池组的单池采用串联方式连接，电池金属阳极为镁合金，阴极为担载有析氢催化剂的泡沫镍，电池壳为绝缘工程高分子材料ABS。电池组由100节镁/海水电池串联，镁/海水电池组的尺寸为500mm×500mm×1500mm，电池组的最大输出功率为10kW，最大输出电流为250A。系统在1000m深的海洋中工作时，浮力调节系统的最大速率约180L/h(镁阳极的库伦效率按60％计算)。电路控制系统为耐高压元器件组成，系统封装于充满液压油的皮囊箱中；电路控制系统一路连接电池组，用于调控电池组放电功率；一路连接浮力罐的液位传感器与排气孔阀门，用于调节阀门开关；一路连接潜水器用电设备总电控，用于对外输出电能。浮力罐的主体材料为改性增强聚酰胺，但不限于此材料，其外形与尺寸与电池组尺寸匹配，整体呈方形，尺寸为500mm×400mm×1500mm，总体积约300L。靠近电池组的集气口为喇叭状，开口角度为120°，里开口宽20mm，外开口宽80mm，长度与电池组长度匹配，便于气体的收集且能有效防止气体的外溢。浮力罐排气孔阀门孔径为5mm，为避免压力对阀门的影响，阀门采用球阀结构。

Claims (8)

1.一种应用于水下的浮力调节装置，其特征在于：包括金属/海水电池组和浮力罐；浮力罐置于金属/海水电池组上方，并与金属/海水电池组固接，浮力罐为一下端开口的容器，金属/海水电池组中单电池的排气孔设置于单电池的上方，浮力罐的下开口端位于排气孔的正上方；所述浮力调节装置还包括控制系统，所述控制系统用于调节电池系统对外输出功率大小同时控制浮力罐排气阀的开启和关闭；

所述浮力罐的下开口端为浮力罐的气体收集口，所述浮力罐的固定位置可保证其气体收集口可在竖直方向上覆盖电池组中所有排气孔的宽度大于或等于电池组中距离最远的两个排气孔的直线距离。

2.根据权利要求1所述浮力调节装置，其特征在于：于浮力罐上部设有排气口，排气口处设有排气阀。

3.根据权利要求1所述浮力调节装置，其特征在于：所述浮力罐罐体的重量和容积比为0.03-0.5 kg/L；所述浮力罐容积与电池组额定输出功率的比为5-5000 L/kW。

4.根据权利要求1-3任一所述浮力调节装置，其特征在于：金属/海水电池组的单电池电路之间采用串联、并联或串并混联，电池组金属阳极为镁、镁合金、铝、铝合金中的一种，阴极为含有氢析出的活性材料。

5.根据权利要求4所述浮力调节装置，其特征在于：所述氢析出的活性材料为泡沫镍或担载有析氢催化剂的泡沫镍。

6.根据权利要求2所述浮力调节装置，其特征在于：所述浮力罐排气阀为球阀结构。

7.根据权利要求1所述浮力调节装置，其特征在于：所述控制系统封装于充满液压油箱中，由耐高压元器件组成；所述控制系统一路连接电池组，用于调控电池组放电功率；一路连接浮力罐的排气阀门，用于调节浮力罐排气阀开关。

8.一种权利要求1-7任一所述浮力调节装置的应用，其特征在于：所述浮力调节装置用于一水下设备上，作为水下设备供电系统和浮力系统的辅助装置。

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