CN113306690A - 一种利用海洋温差能辅助供油的浮力调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用海洋温差能辅助供油的浮力调节系统，用于水下滑翔机，包括换热器、蓄能器、蓄能单向阀、凝固单向阀、排油电磁阀、回油电磁阀、内部皮囊、液压缸、油箱、低压过滤器、高压柱塞泵、高压单向阀、高压电磁阀、外部皮囊；所述蓄能器、蓄能单向阀、凝固单向阀、排油电磁阀、回油电磁阀、内部皮囊、液压缸、油箱、低压过滤器、高压柱塞泵、高压单向阀、高压电磁阀位于水下滑翔机耐压壳体内部，所述换热器和所述外部皮囊位于水下滑翔机耐压壳体外部以承受海水压力。

Description

一种利用海洋温差能辅助供油的浮力调节系统

技术领域

本发明涉及液压系统领域，具体地说是一种可以运用于大深度水下滑翔机的利用海洋温差能辅助供油的浮力调节系统。

背景技术

水下滑翔机是一种依靠浮力驱动自身完成剖面运动的无人水下潜航器，浮力调节系统使其核心部件之一，也是其能耗最大的部分。根据能量来源，目前主要有电池电能驱动水下滑翔机和海洋温差能驱动水下滑翔机两种。

电能水下滑翔机是目前商用水下滑翔机的主要类型，通过水下滑翔机自身搭载的电池来满足滑翔机各部分的能耗需求。其工作原理如下：水下滑翔机在制造时预先通过气泵将耐压壳体内部压强调整到小于大气压，通常为0.7atm左右，这样使得水下滑翔机在水面时可利用耐压壳体内外的压力差将外皮囊的液压油吸到内油箱，实现负压回油，从而使水下滑翔机浮力减小至预设值，实现下潜功能。当水下滑翔机下潜到目标深度时，电能浮力驱动系统依靠高压柱塞泵将液压油加压，以克服海水压力将液压油输送到外皮囊中。由于高压柱塞泵吸油能力较差，因此，实际电能浮力驱动系统一般先利用吸油能力强的初级齿轮泵将液压油从安装在耐压壳体内部的油箱吸出增压后输送给高压柱塞泵，再由高压柱塞泵将液压油输送到安装在耐压壳体外部的外皮囊中，使水下滑翔机浮力增大至预设值，实现上浮功能；这种工作方式使得水下滑翔机工作范围理论上可达到全海深。但由于搭载电池数量有限，电能水下滑翔机的续航能力等受到很大限制。利用海洋温差能驱动使滑翔机摆脱了电池能量限制，温差能水下滑翔机的温差能浮力驱动系统通过利用海洋表层温水与海洋深层冷水之间的温度差使相变材料发生体积改变，提供压力，完成浮力调节，驱动水下滑翔机运动，可以大大降低能量消耗。但由于相变材料产生的压力有限，因此满足温差能水下滑翔机连续运行条件的海水深度比较小，一般在1000米以内。因此，目前大深度水下滑翔机通常是依靠电能驱动，海洋温差能并不能得到有效利用。最大程度地利用海洋温差能来降低大深度水下滑翔机整体电量消耗，是提高续航能力、可靠性等性能的潜在技术途径。

发明内容

本发明的目的是为了解决大深度海洋环境下，温差能浮力驱动系统无法达到工作要求，海洋温差能无法得到有效利用的问题。提出一种用于大深度水下滑翔机的利用海洋温差能辅助供油的浮力调节系统，利用海洋温差能给高压柱塞泵供油，从而减少电能水下滑翔机的能量消耗，增大续航里程。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用海洋温差能辅助供油的浮力调节系统，用于水下滑翔机，包括换热器、蓄能器、蓄能单向阀、凝固单向阀、排油电磁阀、回油电磁阀、内部皮囊、液压缸、油箱、低压过滤器、高压柱塞泵、高压单向阀、高压电磁阀、外部皮囊；所述蓄能器、蓄能单向阀、凝固单向阀、排油电磁阀、回油电磁阀、内部皮囊、液压缸、油箱、低压过滤器、高压柱塞泵、高压单向阀、高压电磁阀位于水下滑翔机耐压壳体内部，所述换热器和所述外部皮囊位于水下滑翔机耐压壳体外部以承受海水压力；

所述换热器为圆柱体外形，换热器外层为金属管壳，内部填充相变材料与液压油，换热器内设置有能够沿换热器轴线方向移动的活塞；所述活塞将相变材料与液压油分隔开；

所述换热器通过油管依次与蓄能单向阀、蓄能器连接，构成蓄能工作油路；

所述内部皮囊通过油管依次与凝固单向阀、换热器连接构成凝固工作油路；

所述蓄能器通过油管依次与排油电磁阀、液压缸、油箱、低压过滤器、高压柱塞泵、高压单向阀、外部皮囊连接，构成释能排油工作油路；

所述外部皮囊通过油管依次与高压电磁阀、油箱，液压缸、回油电磁阀、内部皮囊连接，构成回油工作油路。

进一步的，所述蓄能单向阀处于换热器与蓄能器液压管路之间，用于防止在水下滑翔机下潜深度增加，海水温度降低，相变材料体积收缩后，蓄能器中的液压油回流至换热器中。

进一步的，所述凝固单向阀处于内部皮囊与换热器之间，用于防止换热器中的液压油回流至内部皮囊；高压单向阀处于高压柱塞泵与外部皮囊之间，用于防止液压油回流至高压柱塞泵出口并起保护作用，低压过滤器用于防止液压油中的杂质微粒进入高压柱塞泵造成磨损。

进一步的，所述排油电磁阀、回油电磁阀、高压电磁阀均为两位两通常闭式电磁阀，排油电磁阀通电能够导通蓄能器与液压缸，实现蓄能器储存的高压液压油释放到液压缸，推动液压缸杆运动；回油电磁阀通电能够导通液压缸与内部皮囊，实现液压缸中的液压油经过回油电磁阀释放到内部皮囊，完成液压缸泄压；高压电磁阀通电能够导通外部皮囊和油箱，实现外部皮囊中储存的高压液压油经过高压电磁阀释放到油箱中。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明可以同时使用海洋温差能和电池电能两种能源，通过温差能为浮力系统供油，降低浮力驱动系统的电能消耗，降低了对单一电池电能的依赖，增加了续航力、自持力，尤其可以使大深度水下滑翔机具备使用温差能的能力；

2.本发明将温差能驱动浮力系统和电能驱动浮力系统进行融合改进，实现了一套浮力驱动系统由两种能源驱动，对原有两种浮力系统改动小，技术成熟度与可靠性高，易于改造或实施。

3.本发明相比单一的温差能驱动浮力系统，由于主要依靠电能，所以稳定性更高、适用范围更广。

4.本发明利用海洋温差能为高压柱塞泵辅助供油，解决了高压柱塞泵自吸能力弱的问题，提高了柱塞泵的工作效率。

附图说明

图1是本发明的液压系统的原理示意图；

图2是本发明的工作原理示意图；

图3是蓄能工作油路工作过程示意图；

图4是释能排油工作油路工作过程示意图；

图5是回油工作油路工作过程示意图；

图6是凝固工作油路工作过程示意图；

附图标记：1-换热器，1a-换热器活塞，1b-换热器耐压外壳，2-蓄能单向阀，3-蓄能器，4-排油电磁阀，5-回油电磁阀，6-内部皮囊，7-凝固单向阀，8-液压缸，8a-液压杠杆，9-油箱，9a-油箱活塞，10-低压过滤器，11-高压柱塞泵，12-高压单向阀，13-高压电磁阀，14-外部皮囊。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例提供一种用于大深度水下滑翔机的利用海洋温差能辅助供油的浮力调节系统，其主要包括换热器1、蓄能单向阀2、蓄能器3、排油电磁阀4、回油电磁阀5、内部皮囊6、凝固单向阀7、液压缸8、油箱9、低压过滤器10、高压柱塞泵11、高压单向阀12、高压电磁阀13、外部皮囊14。

液压系统工作油路包括蓄能工作油路、凝固工作油路、释能排油工作油路、回油工作油路四条工作油路。蓄能工作油路由换热器1、蓄能单向阀2、蓄能器3依次连接组成；凝固工作油路由内部皮囊6、凝固单向阀7、换热器1依次连接组成；释能排油工作油路由蓄能器3、排油电磁阀4、液压缸8、油箱9、低压过滤器10、高压柱塞泵11、高压单向阀12、外部皮囊14依次连接组成；回油工作油路由外部皮囊14、高压电磁阀13、油箱9、液压缸8、回油电磁阀5、内部皮囊6依次连接组成。

换热器1为圆柱体外形，换热器耐压外壳1b为金属管壳，内部填充相变材料与液压油，并通过可沿换热器轴线方向移动的换热器活塞1a将相变材料与液压油分隔开。换热器1经耐压壳体与壳体内液压油路连通。在不同温度下，相变材料发生不同程度的热胀冷缩，从而改变换热器内液压油的体积。

排油电磁阀4、回油电磁阀5、高压电磁阀13为两位两通常闭式电磁阀。排油电磁阀4用于控制蓄能器3与液压缸8间液压油路的通断，回油电磁阀5用于控制液压缸8与内部皮囊6间液压油路的通断，高压电磁阀13用于控制外部皮囊14与油箱9间液压油路的通断。

蓄能单向阀2处于换热器1与蓄能器3之间的液压油路中，可阻止蓄能器3中的油液回流至换热器1。凝固单向阀7处于内部皮囊6与换热器1之间的液压油路中，可阻止换热器1中的油液回流至内部皮囊6。高压单向阀12位于高压柱塞泵11与外部皮囊14之间的液压油路中，可阻止外部皮囊14中的油液回流至高压柱塞泵11。

本发明的工作原理示意图如图2所示：水下滑翔机初始漂浮于海面，此时外部皮囊14内充满油，外部皮囊14膨胀体积增大；由于外部皮囊14与海水接触，水下滑翔机整体浮力大于重力，水下滑翔机漂浮于海面。当水下滑翔机处于上浮转下潜阶段，水下滑翔机位于水面准备下潜，回油工作油路工作，外部皮囊14内油量减少，体积收缩，水下滑翔机整体浮力变小，此时水下滑翔机处于负浮力状态，开始下潜。当水下滑翔机处于下潜滑翔阶段时，随着水下滑翔机下潜深度不断增加，海水温度不断降低，当海水温度达到相变材料熔点之后，相变材料开始凝固，体积收缩，凝固工作油路工作。当水下滑翔机下潜至指定深度后，水下滑翔机进入下潜转上浮阶段，此时在温差能与电能的复合驱动下，释能排油工作油路工作，外部皮囊14内油量增加，体积膨胀，水下滑翔机由负浮力变为正浮力状态，开始上浮。当水下滑翔机处于上浮滑翔阶段时，随着水下滑翔机下潜深度不断减小，海水温度不断增加，当海水温度高于相变材料熔点后，相变材料不断融化，体积增加，此时蓄能工作油路工作，收集储存海洋温差能。

图3是蓄能工作油路工作过程示意图，此时水下滑翔机处于上浮滑翔阶段，随着水下滑翔机下潜深度不断减小，海水温度不断增加，当海水温度高于相变材料熔点后，相变材料不断融化，体积增加，由换热器活塞1a推动换热器1内的液压油经蓄能单向阀2流入蓄能器3中，蓄能器3内压力不断升高，直至相变材料完全融化。

图4是释能排油工作油路工作过程示意图，此时水下滑翔机处于下潜转上浮阶段，排油电磁阀4上电开启，释能排油工作油路导通，蓄能器3中储存的高压液压油经排油电磁阀4流入液压缸8中，液压油推动液压缸杆8a向下移动并推动油箱导向体9a向下移动向外排油，经低压过滤器10流至高压柱塞泵11入口，为高压柱塞泵11提供具有一定压力的液压油，防止由于水下滑翔机耐压壳体内部的负压和高压柱塞泵11自吸能力差等原因造成的高压柱塞泵11吸空现象，高压柱塞泵11将液压油泵出后经高压单向阀12流入外部皮囊14。

图5是回油工作油路工作过程示意图，此时水下滑翔机处于上浮转下潜阶段，高压电磁阀13、回油电磁阀5上电开启，回油工作油路导通，外部皮囊14中的液压油经高压电磁阀13流入油箱9中，液压油推动油箱活塞9a向上移动，油箱活塞9a推动液压缸杆8a向上移动，将液压缸8内的液压油排出，经回油电磁阀5流入内部皮囊6中。

图6是凝固工作油路工作过程示意图，此时水下滑翔机处于下潜滑翔阶段，随着水下滑翔机下潜深度不断增加，海水温度不断降低，当海水温度达到相变材料熔点之后，相变材料开始凝固，体积收缩，内部皮囊6内液压油经凝固单向阀7流入换热器1中。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用海洋温差能辅助供油的浮力调节系统，用于水下滑翔机，其特征在于，包括换热器、蓄能器、蓄能单向阀、凝固单向阀、排油电磁阀、回油电磁阀、内部皮囊、液压缸、油箱、低压过滤器、高压柱塞泵、高压单向阀、高压电磁阀、外部皮囊；所述蓄能器、蓄能单向阀、凝固单向阀、排油电磁阀、回油电磁阀、内部皮囊、液压缸、油箱、低压过滤器、高压柱塞泵、高压单向阀、高压电磁阀位于水下滑翔机耐压壳体内部，所述换热器和所述外部皮囊位于水下滑翔机耐压壳体外部以承受海水压力；

所述换热器为圆柱体外形，换热器外层为金属管壳，内部填充相变材料与液压油，换热器内设置有能够沿换热器轴线方向移动的活塞；所述活塞将相变材料与液压油分隔开；

所述换热器通过油管依次与蓄能单向阀、蓄能器连接，构成蓄能工作油路；

所述内部皮囊通过油管依次与凝固单向阀、换热器连接构成凝固工作油路；

所述蓄能器通过油管依次与排油电磁阀、液压缸、油箱、低压过滤器、高压柱塞泵、高压单向阀、外部皮囊连接，构成释能排油工作油路；

所述外部皮囊通过油管依次与高压电磁阀、油箱，液压缸、回油电磁阀、内部皮囊连接，构成回油工作油路。

2.根据权利要求1所述一种利用海洋温差能辅助供油的浮力调节系统，用于水下滑翔机，其特征在于，所述蓄能单向阀处于换热器与蓄能器液压管路之间，用于防止在水下滑翔机下潜深度增加，海水温度降低，相变材料体积收缩后，蓄能器中的液压油回流至换热器中。

3.根据权利要求1所述一种利用海洋温差能辅助供油的浮力调节系统，用于水下滑翔机，其特征在于，所述凝固单向阀处于内部皮囊与换热器之间，用于防止换热器中的液压油回流至内部皮囊；高压单向阀处于高压柱塞泵与外部皮囊之间，用于防止液压油回流至高压柱塞泵出口并起保护作用，低压过滤器用于防止液压油中的杂质微粒进入高压柱塞泵造成磨损。

4.根据权利要求1所述一种利用海洋温差能辅助供油的浮力调节系统，用于水下滑翔机，其特征在于，所述排油电磁阀、回油电磁阀、高压电磁阀均为两位两通常闭式电磁阀，排油电磁阀通电能够导通蓄能器与液压缸，实现蓄能器储存的高压液压油释放到液压缸，推动液压缸杆运动；回油电磁阀通电能够导通液压缸与内部皮囊，实现液压缸中的液压油经过回油电磁阀释放到内部皮囊，完成液压缸泄压；高压电磁阀通电能够导通外部皮囊和油箱，实现外部皮囊中储存的高压液压油经过高压电磁阀释放到油箱中。

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