CN113460275A - 一种自控式水下浮力调节装置及水下滑翔机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自控式水下浮力调节装置，包括记忆合金容器、耐压容器、连接管路和液阀：所述记忆合金容器具有双程记忆效应，且其内部具有第一腔体；所述耐压容器的内部设有可变形的隔膜，所述隔膜将所述耐压容器内部分隔为第二腔体和第三腔体；所述第一腔体和第二腔体中填充有液体，所述连接管路连通所述第一腔体和第二腔体；所述第三腔体中填充有气体；所述液阀设于所述连接管路上，用于控制所述连接管路的通断。本发明还公开了一种水下滑翔机。这种自控式水下浮力调节装置及水下滑翔机可以极大的简化和轻量化整体结构和尺寸，耗能极低，能有效延长使用时间和航行距离。

Description

一种自控式水下浮力调节装置及水下滑翔机

技术领域

本发明涉及水下探测技术领域，尤其涉及一种自控式水下浮力调节装置及水下滑翔机。

背景技术

现如今，世界各大国家对于海洋的开发越来越重视，在勘探开发海洋资源、科学考察还是国防方面，合适的水下探测器具有重要的辅助作用。其中水下无人探测器能够极大程度上避免人员伤亡，因此得到了广泛的应用，在众多水下无人探测器中，一种将浮标、潜标技术与水下机器人技术相结合的水下滑翔机为近些年的研究重点。

水下滑翔机一般利用内置的调节机构来调整中心位置和净浮力，以控制自身的运动状态，在水流中，其能够自主地完成下潜和上浮运动，由于其耗电量少，航程长，搭配不同的传感器后能够高效地完成大范围海域数据采集，具有重要的应用意义。

然而，现有的水下滑翔机在浮力调节方面仍然存在着一些缺陷，例如采用电驱油泵的方案中，整套系统包括电机、传动系统、油泵、油囊、油箱、传感器、各种阀等组件，结构和工作都较为复杂，自身重量和耗电量大，不利于长时间远距离水下工作。此外，另一种耗电量较少的方案为利用石蜡等温敏相变材料吸收海水温差能在液体和固体之间相变，从而推动传输液体以改变外部弹性皮囊体积，但这种方案整体体积较大，且若水下滑翔机需要去往海底更深位置时，低温和高水压对皮囊的材质都提出了很高的要求，难以找到合适的材质足以应对这种环境。

发明内容

为了克服现有技术的一些不足，本发明的目的在于提供一种自控式水下浮力调节装置及水下滑翔机，其可以极大的简化和轻量化整体结构和尺寸，耗能极低，能有效延长使用时间和航行距离。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种自控式水下浮力调节装置，包括记忆合金容器、耐压容器、连接管路和液阀：

所述记忆合金容器具有双程记忆效应，且其内部具有第一腔体；

所述耐压容器的内部设有可变形的隔膜，所述隔膜将所述耐压容器内部分隔为第二腔体和第三腔体；

所述第一腔体和第二腔体中填充有液体，所述连接管路连通所述第一腔体和第二腔体；所述第三腔体中填充有气体；

所述液阀设于所述连接管路上，用于控制所述连接管路的通断。

进一步地，还包括阀控制器，所述阀控制器与所述液阀电连接；所述阀控制器能够发出开启指令或关闭指令，所述液阀能够接收所述开启指令或关闭指令，从而进行打开或关闭动作。

进一步地，还包括与所述阀控制器电连接的温度传感器，所述温度传感器检测所述记忆合金容器实时的温度数据；所述阀控制器采集所述温度数据。

进一步地，当所述温度数据高于预设的最高温度阈值时，所述阀控制器发出开启指令以使得所述液阀开启。

进一步地，还包括与所述阀控制器电连接的应变传感器，所述应变传感器检测所述记忆合金容器实时的应变数据；所述阀控制器采集所述应变数据，当所述应变数据的大小稳定且所述液阀处于开启状态时，所述阀控制器发出所述关闭指令使得所述液阀关闭。

进一步地，还包括与所述阀控制器电连接的液压传感器，所述液压传感器检测所述第一腔体中实时的液压数据；所述阀控制器采集所述液压数据，当所述液压数据高于预设的最高液压阈值且液阀处于关闭状态时，所述阀控制器发出开启指令以使得所述液阀开启；当所述液压数据低于预设的最低液压阈值且液阀处于开启状态时，所述阀控制器发出关闭指令以使得所述液阀关闭。

进一步地，当所述液阀处于关闭状态、所述温度数据低于预设的最低温度阈值，所述阀控制器发出开启指令以使得所述液阀开启。

进一步地，所述记忆合金容器与所述耐压容器相互独立且首尾通过所述连接管路相连；或，

所述记忆合金容器呈环形，并套设于所述耐压容器外。

进一步地，所述记忆合金容器为球形、椭球形、圆柱形或球形和圆柱形的组合外形。

一种水下滑翔机，包括所述的自控式水下浮力调节装置。

本发明中的记忆合金容器具有双程形状记忆效应，其能在温度高时恢复高温相形状，温度低时又能恢复低温相形状，因此记忆合金容器通过自身的特殊材质即可以实现体积的变化，以控制浮力的大小，从而实现沉浮的高度调节。

为了与记忆合金容器配合以更好地实现记忆合金容器的体积控制，本发明中还配备了耐压容器、连接管路和液阀。当位于水表面温度较高的位置时，记忆合金受热开始收缩，第一腔体的压力增大，使得第一腔体内的液体通过连接管路流向第二腔体，第二腔体中液体增大使得隔膜向第三腔体变形压缩，第三腔体中的气体压力增大，收缩变形结束后，记忆合金容器的体积变小至稳定状态，浮力也变小至稳定的较小值，液阀关闭避免液体回流；当下沉至水底温度降低的位置时，需要增加浮力，此时打开液阀，由于第三腔体中的气体在较高温度时受到压缩，压力较大，因此当打开液阀之后，第三腔体中的气体会推动隔膜向第二腔体变形，从而使得第二腔体中的液体流向第一腔体使其内部压力增大，记忆合金容器在内部压力高压的作用下膨胀增大，浮力也随之增加，进而避免下沉深度过深。此处巧妙利用了记忆合金容器在收缩阶段时对第三腔体的压缩，用第三腔体中的压缩气体来推动液体可以回流至第一腔体中，从而平衡记忆合金容器的内外液压，使得记忆合金容器恢复低温膨胀的能力，无需额外设备来输入膨胀变形所需的能量。

可以看出，本发明中的自控式水下浮力调节装置避免了现有技术中的复杂传动结构和油路驱动结构，通过记忆合金容器自身的双程记忆效应、三个腔体的液体和气体合理配置与液阀，以非常简单的整体结构即可实现浮力的控制，有利于大幅降低重量和尺寸；此外，仅有液阀的开关相关控制需要耗电，无需配备额外的油泵或气泵类的结构，耗能大幅降低，在需要长时间、长距离使用时，优势将非常明显。

附图说明

图1为本发明的一种自控式水下浮力调节装置的第一种结构示意图；

图2为本发明的一种自控式水下浮力调节装置的第一种结构框图；

图3为本发明的一种自控式水下浮力调节装置的第二种结构框图；

图4为本发明的一种自控式水下浮力调节装置的第二种结构示意图；

图中，1－记忆合金容器，11－第一腔体，2－耐压容器，21－第二腔体，22－第三腔体，3－连接管路，4－液阀，5－气阀。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上，或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1至4示出了本发明的一种自控式水下浮力调节装置，包括记忆合金容器1、耐压容器2、连接管路3和液阀4：

所述记忆合金容器1具有双程记忆效应，且其内部具有第一腔体11；本发明中的自控式水下浮力调节装置，原理上是利用相关容器的体积膨胀或缩小来实现对浮力的控制，但是并未采用现有技术中皮囊配套的结构，而是采用了记忆合金容器1，具有双程形状记忆效应的记忆合金外壳能在温度高时恢复高温相形状，温度低时又能恢复低温相形状，因此记忆合金容器1通过自身的特殊材质即可以实现体积的变化，以控制浮力的大小，从而实现沉浮的高度调节。

所述耐压容器2内部设有可变形的隔膜，所述隔膜将所述耐压容器内部分隔为第二腔体21和第三腔体22，第二腔体21和第三腔体22相互独立和隔离，但是两者的体积由于隔膜的可变形性而能够发生改变；

所述第一腔体11和第二腔体21中填充有液体，所述连接管路3连通所述第一腔体11和第二腔体21；所述第三腔体22中填充有气体；在第一腔体11和第二腔体21中填充液体主要是利用了液体的不可压缩性，其在受到外压时，体积基本不会发生变化；而第三腔体22中填充的气体主要利用了气体的可压缩性，从而为隔膜提供变形空间，且气体被压缩后起到蓄能的作用，在记忆合金处于低温的深海底时，能够利用这些积蓄的压缩能反推液体流回第一腔体11中，使得记忆压缩合金膨胀，从而增大浮力。第一腔体和第二腔体中除了包含液体之外，还可以在其中充填空心的玻璃或陶瓷等材质的小球，这些小球漂浮在液体中，形成能够自由流动的液固混合流体，这类的液固混合物也具有良好的不可压缩性，同时能降低液固混合流体的整体密度，以降低整体重量和提升固有浮力。耐压容器体外还连接有通向外接的气阀5，以便注入或放出气体，调节内部的气压。

所述液阀4设于所述连接管路3上，用于控制所述连接管路3的通断。为了与记忆合金容器1配合以更好地实现记忆合金容器1的体积控制，本发明中还配备了耐压容器2、连接管路3和液阀4。当位于水表面温度较高的位置时，记忆合金受热开始收缩，第一腔体11的压力增大，使得第一腔体11内的液体通过连接管路3流向第二腔体21，第二腔体21中液体增大使得隔膜向第三腔体22变形压缩，第三腔体22中的气体压力增大，收缩变形结束后，记忆合金容器1的体积变小至稳定状态，浮力也变小至稳定的较小值，液阀4关闭避免液体回流；当下沉至水底温度降低的位置时，需要增加浮力，此时打开液阀4，由于第三腔体22中的气体在较高温度时受到压缩，压力较大，因此当打开液阀4之后，第三腔体22中的气体会推动隔膜向第二腔体21变形，从而使得第二腔体21中的液体流向第一腔体11引起内部压力增大，记忆合金容器1在内部压力高压的作用下膨胀增大，浮力也随之增加，进而避免下沉深度过深。此处巧妙利用了记忆合金容器1在收缩阶段时对第三腔体22的压缩，用第三腔体22中的压缩气体来推动液体可以回流至第一腔体11中，从而平衡记忆合金容器1的内外液压，使得记忆合金容器1恢复低温膨胀的能力，无需额外设备来输入膨胀变形所需的能量。其中，本实施例中的记忆合金容器1在高温时的体积小于在低温时的体积，高温和低温是相对于其变形温度而言的。记忆合金容器1发生收缩的具体温度取决于采用的记忆合金种类，本领域技术人员可以根据需要选用合适的记忆合金种类，能够满足高温收缩，低温膨胀即可。此外，本实施例还设有电池作为电源。

为了更好地实现液阀4的开启和关闭，本实施例优选还包括阀控制器，所述阀控制器与所述液阀4电连接，液阀4优选为电磁阀；所述阀控制器能够发出开启指令或关闭指令，所述液阀4能够接收所述开启指令或关闭指令，从而进行打开或关闭动作。阀控制器能够更好地判断当前情况，从而决定是否需要开启或者关闭电磁阀。

阀控制器判断是否应该打开或关闭电磁阀的依据可以有多种，本实施例优选将温度数据作为判断依据之一，因此设置了与所述阀控制器电连接的温度传感器，所述温度传感器检测所述记忆合金容器1实时的温度数据；所述阀控制器采集所述温度数据。

本实施例提供两种在高温时阀控制器判断液阀4应当开启或关闭的实施方式。

其中一种为通过判断温度数据的情况来发出开启指令，并通过判断应变数据的情况来发出关闭指令，具体如下：

当所述温度数据高于预设的最高温度阈值时，所述阀控制器发出开启指令以使得所述液阀4开启，从而使得液体能够从第一腔体11流动至第二腔体21中。其中，最高温度阈值跟采用的记忆合金的变形温度相关，最好低于记忆合金的变形温度，以便在收缩发生之前开启。当液阀4通过上述方案开启后，还应在适当的条件下关闭，本实施例优选通过检测记忆合金容器1的应变情况来判断，因此还设置了与所述阀控制器电连接的应变传感器，所述应变传感器检测所述记忆合金容器1实时的应变数据；所述阀控制器采集所述应变数据，当所述应变数据的大小稳定且所述液阀4处于开启状态时，所述阀控制器发出所述关闭指令使得所述液阀4关闭。应变数据的大小稳定代表着记忆合金的收缩变形过程已经完成，此时需要关闭液阀4以保持记忆合金容器1此时的大小和浮力，使得整个装置处于下沉阶段，即使到了温度较低的水下也不会擅自打开液阀4，直至其它条件满足，才会打开液阀4提高浮力，这种方案有利于下潜至更深的海底。

另一种为仅通过判断液压数据的大小这一种条件，来发出开启指令和关闭指令，具体如下：

还设有与所述阀控制器电连接的液压传感器，所述液压传感器检测所述第一腔体11中实时的液压数据；所述阀控制器采集所述液压数据，当所述液压数据高于预设的最高液压阈值且液阀处于关闭状态时，所述阀控制器发出开启指令以使得所述液阀4开启；当所述液压数据低于预设的最低液压阈值且液阀4处于开启状态时，所述阀控制器发出关闭指令以使得所述液阀4关闭。当记忆合金容器1缩小时，第一腔体11内的压力变大，当缩小到预设的液压阈值之后，即可判断记忆合金容器1的收缩已经到了合理状态，此时需要开启液阀4使得液体可以流入第二腔体21中以降低第一腔体11中的压力，否则会阻碍记忆合金容器1继续缩小，进入第二腔体21的流体会使得隔膜向第三腔体22活动变形，压缩第三腔体22中的气体；当液体流向第二腔体21之后，第一腔体11中的压力降低，此时记忆合金容器1已经完成收缩，

在低温时，整个装置一般处于距离水面较深的位置，此时判断是否应当开启液阀4的方案本实施例优选为：当所述液阀4处于关闭状态时，所述温度数据低于预设的最低温度阈值，所述阀控制器发出开启指令以使得所述液阀4开启，本实施例温度较低即可判断为已经到了足够深的水底，此时应当上浮，因此开启液阀4使得第二腔体21中的流体能够在第三腔体22中的气体的推动下，流向第一腔体11中，平衡记忆合金容器1体内外的压力，使得记忆合金容器1体恢复低温膨胀的能力。优选除了上述条件外，还需要满足其它条件液阀4才会开启，以实现更复杂的操控。例如还需要判断距离水底的深度，当所述液阀4处于关闭状态、所述温度数据低于预设的最低温度阈值，且深度大于预设的深度阈值时，阀控制器才会发出开启指令。深度的探测可以通过声呐等装置来实现，这种方案可以使得整个装置可以下沉至足够深的位置，当用于水下滑翔机时，其可以到达人类难以到达的更深的海底却又不会因为触底而难以上浮，能更好地获取这些位置的地质、水文等宝贵数据。

作为记忆合金容器1与耐压容器2的两种优选连接方案，

如图1所示，第一种为所述记忆合金容器1与所述耐压容器2相互独立且首尾通过所述连接管路3相连；这种连接方式便于在不扩大整体外径的前提下获得更大体积的第一腔体11，其能容载更多的液体，记忆合金容器1收缩和膨胀稳定性更强，在加工时，可以分别加工后再安装，工艺简单。

如图4所示，第二种为所述记忆合金容器1呈环形，并套设于所述耐压容器2外。这种结构利用了耐压容器2的外径，因此其节约了轴向方向的空间，以便于设置其它结构，且由于记忆合金容器1的外径较大，其变形所影响的水量更多，浮力变化明显。

本发明还提供一种水下滑翔机，包括上述的自控式水下浮力调节装置，这种水下滑翔机中通过上述的自控式水下浮力调节装置，能以非常简单的整体结构即可实现浮力的控制，有利于大幅降低整体重量和尺寸；此外，浮力调节装置仅有液阀4的开关相关控制需要耗电，无需配备额外的油泵或气泵类的结构，耗能大幅降低，续航能力可以得到进一步的提升，在水下滑翔机需要长时间、大深度和长距离使用时，优势将非常明显，对于构件新一代智能移动海洋观测网、提供海洋环境信息保障具有重要意义，对深海环境监测、资源勘查等也具有重要的意义。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种自控式水下浮力调节装置，其特征在于，包括记忆合金容器、耐压容器、连接管路和液阀：

所述记忆合金容器具有双程记忆效应，且其内部具有第一腔体；

所述耐压容器的内部设有可变形的隔膜，所述隔膜将所述耐压容器内部分隔为第二腔体和第三腔体；

所述第一腔体和第二腔体中填充有液体，所述连接管路连通所述第一腔体和第二腔体；所述第三腔体中填充有气体；

所述液阀设于所述连接管路上，用于控制所述连接管路的通断。

2.如权利要求1所述的自控式水下浮力调节装置，其特征在于，还包括阀控制器，所述阀控制器与所述液阀电连接；所述阀控制器能够发出开启指令或关闭指令，所述液阀能够接收所述开启指令或关闭指令，从而进行打开或关闭动作。

3.如权利要求2所述的自控式水下浮力调节装置，其特征在于，还包括与所述阀控制器电连接的温度传感器，所述温度传感器检测所述记忆合金容器实时的温度数据；所述阀控制器采集所述温度数据。

4.如权利要求3所述的自控式水下浮力调节装置，其特征在于，当所述温度数据高于预设的最高温度阈值时，所述阀控制器发出开启指令以使得所述液阀开启。

5.如权利要求4所述的自控式水下浮力调节装置，其特征在于，还包括与所述阀控制器电连接的应变传感器，所述应变传感器检测所述记忆合金容器实时的应变数据；所述阀控制器采集所述应变数据，当所述应变数据的大小稳定且所述液阀处于开启状态时，所述阀控制器发出所述关闭指令使得所述液阀关闭。

6.如权利要求3所述的自控式水下浮力调节装置，其特征在于，还包括与所述阀控制器电连接的液压传感器，所述液压传感器检测所述第一腔体中实时的液压数据；所述阀控制器采集所述液压数据，当所述液压数据高于预设的最高液压阈值且液阀处于关闭状态时，所述阀控制器发出开启指令以使得所述液阀开启；当所述液压数据低于预设的最低液压阈值且液阀处于开启状态时，所述阀控制器发出关闭指令以使得所述液阀关闭。

7.如权利要求5或6所述的自控式水下浮力调节装置，其特征在于，当所述液阀处于关闭状态、所述温度数据低于预设的最低温度阈值时，所述阀控制器发出开启指令以使得所述液阀开启。

8.如权利要求1所述的自控式水下浮力调节装置，其特征在于，所述记忆合金容器与所述耐压容器相互独立且首尾通过所述连接管路相连；或，

所述记忆合金容器呈环形，并套设于所述耐压容器外。

9.如权利要求1所述的自控式水下浮力调节装置，其特征在于，所述记忆合金容器为球形、椭球形、圆柱形或球形和圆柱形的组合外形。

10.一种水下滑翔机，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的自控式水下浮力调节装置。

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