CN110329467B - 一种冷热水循环控制的相变浮力调节装置 - Google Patents

一种冷热水循环控制的相变浮力调节装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种冷热水循环控制的相变浮力调节装置。本发明包括：用于通过相变材料体积变化产生浮力的浮力发生单元和用于调节相变材料温度的相变温度控制单元，所述相变温度控制单元包括置于浮力发生单元内部的内部换热系统和与内部换热系统相连的置于浮力发生单元外部的冷却系统和加热系统，冷却系统和加热系统共用所述内部换热系统，完成冷却水循环或加热水循环。本发明具有充分的换热面积，加热系统和冷却系统共用内部换热装置，简化系统结构，扩大了相变容器内石蜡的体积占比。冷却水采用与外部环境换热的方式实现冷却，系统不必自带冷却水箱，同时也解决了现有技术中直接取用海水时冷却管极易被杂质堵塞的问题。

Description

一种冷热水循环控制的相变浮力调节装置
技术领域
本发明涉及一种浮力调节装置，尤其涉及一种冷热水循环控制的相变浮力调节装置。
背景技术
浮力调节系统是水下潜器的重要子系统，通过调节净浮力来改变潜器在水中的作业姿态，并实现上升、下降和悬浮。然而常见的温度相变浮力调节系统采用活塞的形式提供排水量以产生浮力，利用海洋温跃层的温差能调节浮力。该方式活塞与套筒间存在相对滑动，套筒锈蚀、间隙过大等都有可能导致浮力调节系统失效，危害到潜器的安全。例如，公开号为CN206797675U的一种温度主动控制的相变浮力引擎就是采用的活塞式外壳。其公开了冷却和加热是单独的两套系统，加热丝直接加热容易导致局部温度过高产生石蜡蒸汽，从而影响浮力、调节精度，同时由于石蜡导热性能差，上述浮力调节系统采用的纯电加热方式响应速度慢，浮力调节速度慢不适用高机动性的潜器。公开号为CN109751179SA的一种相变浮力引擎装置，加热装置和冷却装置均置于浮力发生单元内部，直接取用海水冷却，但是由于海中浮游生物和泥沙过多，容易导致冷却管极易被这些杂质堵塞。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种冷热水循环控制的相变浮力调节装置。本发明的目的在于为相变浮力调节系统设计一种柔性结构外壳并提供更高效的温度调节方案。本发明采用的技术手段如下：
一种冷热水循环控制的相变浮力调节装置，包括：用于通过相变材料体积变化产生浮力的浮力发生单元和用于调节相变材料温度的相变温度控制单元，所述相变温度控制单元包括置于浮力发生单元内部的内部换热系统和与内部换热系统相连的置于浮力发生单元外部的冷却系统和加热系统，冷却系统和加热系统共用所述内部换热系统，完成冷却水循环或加热水循环。
进一步地，所述浮力发生单元包括基座、外壳、压紧法兰，所述外壳固定在基座上，其间通过压紧法兰紧固，实现基座处的密封，外壳内部填充相变材料，所述外壳为柔性材料。
进一步地，所述外壳材料为硅橡胶。
进一步地，所述冷却系统和加热系统通过循环系统与内部换热装置相连，所述循环系统包括出水两位三通阀、进水两位三通阀、循环水泵和连接其的水循环管路，所述进水两位三通阀一端连接在内部换热装置上，另一端通过进水两位三通阀连接在冷却系统和加热系统的进水口上，所述出水两位三通阀一端连接在冷却系统和加热系统的出水口上，另一端通过循环水泵与内部换热装置相连。
进一步地，所述内部换热装置与基座接触处通过金属焊接密封。
进一步地，所述加热系统包括相连的电源、开关和电热丝，还包括加热水箱，所述电热丝伸入加热水箱内部，加热水箱的进水口、出水口分别通过循环水管路连接在进水两位三通阀和出水两位三通阀上。
进一步地，冷却系统包括外部换热装置，外部换热装置的进水口、出水口分别通过循环水管路连接在进水两位三通阀和出水两位三通阀上。
进一步地，所述外壳内部设有伸入其中的温度传感器，所述温度传感器用于实时监控相变材料的温度，其与外部温控系统相连，所述温控系统还与加热系统的开关，循环系统的循环水泵相连。
本发明具有充分的换热面积，加热系统和冷却系统共用内部换热装置，简化系统结构，扩大了相变容器内石蜡的体积占比。冷却水采用与外部环境换热的方式实现冷却，系统不必自带冷却水箱，同时也解决了现有技术中直接取用海水时冷却管极易被杂质堵塞的问题。加热系统的水箱可以预热，有利于实现石蜡的快速加热，有效的提高相变浮力系统的响应速度。循环系统利用两个两位三通阀将内部换热单元切换至加热系统，即可实现实现石蜡的快速升温进而实现石蜡相变的快速响应。用硅橡胶作为浮力发生装置外壳，保证体积变化的功能同时降低密封点数量，提高系统可靠性。同时，该设计优化了活塞式体积变化容器的结构，提高浮力调节系统单位体积的工作能力。与现有技术相比，本发明降低了系统的复杂程度，对零件的加工精度和配合精度要求降低，缩短制造周期并易于维护。
基于上述理由本发明可在水下机器人领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种冷热水循环控制的相变浮力调节装置结构示意图。
图中：1、水循环管路，2、出水两位三通阀，3、循环水泵，4、加热水箱，5、电热丝，6、电源，7、开关，8、外部冷却装置，9、硅胶材料外壳，10、相变材料，11、温度传感器，12、内部换热装置，13、压紧法兰，14、紧固螺钉，15、基座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例公开了一种冷热水循环控制的相变浮力调节装置，包括：用于通过相变材料10体积变化产生浮力的浮力发生单元和用于调节相变材料10温度的相变温度控制单元，所述相变温度控制单元包括置于浮力发生单元内部的内部换热系统和与内部换热系统相连的置于浮力发生单元外部的冷却系统和加热系统，冷却系统和加热系统共用所述内部换热系统，完成冷却水循环或加热水循环，内部换热装置12的空间结构可以充分保证石蜡与温控系统的换热面积，加热系统中的水箱可以提前预热以提高加热系统的加热速度，实现对石蜡的快速相变控制。
所述浮力发生单元包括基座15、外壳9、压紧法兰13，所述外壳9固定在基座15上，其间通过压紧法兰13和紧固螺钉14紧固，实现基座15处的密封，外壳9内部填充相变材料10，本发明实施例中选用石蜡，浮力发生装置中充满石蜡，以石蜡相变产生的体积变化产生浮力。所述外壳9为柔性材料，本发明实施例中材料选用硅橡胶，避免采用活塞体积变化方式产生的摩擦阻力以及泄漏。
所述冷却系统和加热系统通过循环系统与内部换热装置12相连，所述循环系统包括出水两位三通阀2、进水两位三通阀、循环水泵3和连接其的水循环管路1，所述进水两位三通阀一端连接在内部换热装置12上，另一端通过进水两位三通阀连接在冷却系统和加热系统的进水口上，所述出水两位三通阀2一端连接在冷却系统和加热系统的出水口上，另一端通过循环水泵3与内部换热装置12相连。冷却管中的冷却水通过内部换热装置12将石蜡的热量带走，循环泵为冷却水的循环提供动力，热量通过外部冷却单元8时把热量交换到外部环境中去。
所述内部换热装置12与基座15接触处通过金属焊接密封。本实施例应用的换热管路为具有空间形状的冷却铜管，内部通有传热介质。
所述加热系统包括相连的电源6、开关7和电热丝5，还包括加热水箱4，所述电热丝5伸入加热水箱4内部，加热水箱4的进水口、出水口分别通过循环水管路连接在进水两位三通阀和出水两位三通阀2上，本装置的阀门、和电源6、开关7和电热丝5、加热水箱4等机构均安装在潜器密封舱内部，其防水问题由潜器密封舱解决。
冷却系统包括外部换热装置，外部换热装置的进水口、出水口分别通过循环水管路连接在进水两位三通阀和出水两位三通阀2上。本实施例应用的外部换热装置同内部换热装置12类似，也是具有空间形状的冷却管路，内部通有传热介质，根据实际情况，管路上可加辅助换热单元(翅片)。具体应用时，外部换热装置与海水直接接触。
所述外壳9内部设有伸入其中的温度传感器11，所述温度传感器11用于实时监控相变材料10的温度，温度传感器11测试数据作为加热功率的反馈量，使相变材料10的相变过程控制在较小的温度范围内，达到降低能耗的目的，其与外部温控系统相连，所述温控系统还与加热系统的开关7，循环系统的循环水泵3相连。温度传感器11可以实时监控石蜡温度，其与温控系统协调作用可以快速调节石蜡温度并稳定在某一温度以实现该系统提供稳定的净浮力的功能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种冷热水循环控制的相变浮力调节装置，其特征在于，包括：用于通过相变材料体积变化产生浮力的浮力发生单元和用于调节相变材料温度的相变温度控制单元，所述相变温度控制单元包括置于浮力发生单元内部的内部换热系统和与内部换热系统相连的置于浮力发生单元外部的冷却系统和加热系统，冷却系统和加热系统共用所述内部换热系统，完成冷却水循环或加热水循环；
所述冷却系统和加热系统通过循环系统与内部换热装置相连，所述循环系统包括出水两位三通阀、进水两位三通阀、循环水泵和连接其的水循环管路，所述进水两位三通阀一端连接在内部换热装置上，另一端通过进水两位三通阀连接在冷却系统和加热系统的进水口上，所述出水两位三通阀一端连接在冷却系统和加热系统的出水口上，另一端通过循环水泵与内部换热装置相连；
所述加热系统包括相连的电源、开关和电热丝，还包括加热水箱，所述电热丝伸入加热水箱内部，加热水箱的进水口、出水口分别通过循环水管路连接在进水两位三通阀和出水两位三通阀上；阀门、电源、开关和电热丝、加热水箱均安装在潜器密封舱内部；
冷却系统包括外部换热装置，外部换热装置的进水口、出水口分别通过循环水管路连接在进水两位三通阀和出水两位三通阀上，外部换热装置与海水直接接触。
2.根据权利要求1所述的冷热水循环控制的相变浮力调节装置，其特征在于，所述浮力发生单元包括基座、外壳、压紧法兰，所述外壳固定在基座上，其间通过压紧法兰紧固，实现基座处的密封，外壳内部填充相变材料，所述外壳为柔性材料。
3.根据权利要求2所述的冷热水循环控制的相变浮力调节装置，所述外壳材料为硅橡胶。
4.根据权利要求1所述的冷热水循环控制的相变浮力调节装置，所述内部换热装置与基座接触处通过金属焊接密封。
5.根据权利要求3所述的冷热水循环控制的相变浮力调节装置，所述外壳内部设有伸入其中的温度传感器，所述温度传感器用于实时监控相变材料的温度，其与外部温控系统相连，所述温控系统还与加热系统的开关，循环系统的循环水泵相连。
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