CN114542531A - 一种新型换热器及其浮力控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型换热器及其浮力控制系统，属于海洋能源应用技术领域，具体涉及基于温差能的水下滑翔机技术，该新型换热器包括壳体、前端盖、后端盖、连接头、软管、液压油腔和相变材料腔等，基于该新型换热器的浮力控制系统包括储能器、两位三通电磁阀、内油囊和外油囊等。本发明提出的换热器采用套筒式结构，能够有效隔离相变材料与液压油，并且具有良好的密封性能，方便安装与拆卸。此外，本发明提出的浮力控制系统能够充分利用海洋温差能作为动力源，与现有电动力驱动的滑翔机相比，具有航程远、时间久、噪音低等优点。

Description

一种新型换热器及其浮力控制系统
技术领域
本发明属于海洋能源应用技术领域，具体涉及一种新型换热器及其浮力控制系统。
背景技术
水下滑翔机是上世纪90年代发展起来一种适合远距离操作、续航力持久的新型水下无人航行器，其在海洋水文资料探测和军事方面应用相当广泛。水下滑翔机具有使用方便、灵活、可遥控、可重复使用等特点，既可实现水平面测量，也可完成垂直面测量，用于海洋环境监测可有效提高海洋环境的空间和时间观测密度，水下滑翔机在水下的沉浮运动是巧妙地将物体的重力和浮力转化为前进驱动力，只提供很少的能量即可实现长时序和大纵深作业。
目前，国内水下滑翔机的技术已经比较成熟，该设备的驱动装置主要通过电机和液压泵为滑翔机提供动力，例如：一种浮力调节装置及调节方法（CN110667808A）、水下滑翔机浮力驱动装置（CN104229105A）等，上述驱动需要消耗大量的有限资源，能耗量比较大。经过多年研究，发现海水的温差能是一种新型的可再生能源，它是指在海洋表层和海底不同深度的温度不同，如何高效利用温差能驱动水下滑翔机工作成为目前该领域的重要技术问题，温差能水下滑翔机的研究开发具有重要意义，已经成为当今浮力驱动装置发展的趋势。但是目前这种温差能水下滑翔机处于研制阶段，能源利用率不够高，技术不够成熟，还需要进行相关的技术攻克。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种新型换热器及其浮力控制系统，其换热器能够充分利用海水的温差能，将温差能高效的转换成机械能，其浮力控制系统基于换热器适时控制外油囊的体积，实现水下滑翔机工作状态的改变。
为了实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型换热器包括壳体、前端盖、后端盖、连接头和软管，其中：所述壳体为等径薄壁圆筒，壳体的一端可拆卸的安装有所述前端盖，壳体的另一端可拆卸的安装有所述后端盖；所述连接头可拆卸的安装在后端盖上，且与壳体同轴布置；所述软管的两端分别套装在前端盖和连接头上；所述软管内壁与前端盖内壁以及连接头内壁之间形成用于容纳液压油的液压油腔；所述软管外壁与壳体内壁之间形成用于容纳相变材料的相变材料腔。
优选的，所述壳体前端与前端盖之间采用前螺钉连接，所述壳体后端与后端盖之间采用后螺钉连接。
优选的，所述前端盖上均匀设置有多个用于连通相变材料腔的通孔，所述前端盖与壳体之间设置有前密封圈，所述前端盖与软管之间设置有前安装环。
优选的，所述后端盖与连接头之间采用安装螺钉连接。
优选的，所述连接头与壳体之间设置有后密封圈，所述连接头与软管之间设置有后安装环，所述连接头的中部设置有用于连通液压油腔的油孔。
优选的，还包括储能器、两位三通电磁阀、内油囊、外油囊、第一单向阀、第二单向阀和第三单向阀，其中:所述液压油腔的油孔通过第一油路连通第一单向阀的入口，液压油腔的油孔通过第二油路连通第二单向阀的出口；所述储能器通过第三油路分别连通第一单向阀的出口和第三单向阀的入口；所述两位三通电磁阀的第一开口通过第四油路连接内油囊的入口，内油囊的出口连通第二单向阀的入口，所述两位三通电磁阀的第二开口连接第三单向阀的出口，所述两位三通电磁阀的第三开口连接外油囊。
优选的，浮力控制系统包括如下控制方法：
1）下沉阶段控制方法：控制两位三通电磁阀使内油囊和外油囊连通，外油囊的液压油通过第四油路流入内油囊，外油囊体积收缩、排水体积减小、浮力小于重力，水下滑翔机改变姿态角持续下沉；
2）相变材料凝固阶段控制方法：控制两位三通电磁阀使内油囊和外油囊持续连通，海水的温度随水下滑翔机下潜深度的增加而逐渐降低，当温度降低至相变材料凝固点时，换热器内的相变材料转变为固态，相变材料腔体积减少使液压油腔内部的压强减小，在压力差的作用下，内油囊中的液压油流入到换热器的液压油腔中；
3）上浮阶段控制方法：控制两位三通电磁阀使储能器与外油囊连通，储能器中预充压的液压油持续流入外油囊，外油囊体积膨胀、排水体积增大、浮力大于重力，水下滑翔机改变姿态角持续上升；
4）相变材料融化阶段控制方法：控制两位三通电磁阀使储能器与外油囊持续连通，海水的温度随水下滑翔机下潜深度的减少而逐渐增加，当温度升高至相变材料凝固点时，控制两位三通电磁阀使储能器与外油囊断开，相变材料由固态逐渐转变为液态，相变材料体积增大，相变材料腔向液压油腔施加压力，液压油在压力差的作用下从液压油腔流入储能器，实现储能器的预储能。
优选的，所述下沉阶段控制、相变材料凝固阶段控制、上浮阶段控制和相变材料融化阶段控制循环进行。
本发明的一种新型换热器及其浮力控制系统具有以下有益效果：
（1）本发明采用海洋热能作为动力源，与传统的电力驱动装置相比，具有续航时间长、航海深度大、航程远、环保清洁等优点，采用可再生能源，节省了能耗，有利于环保。
（2）本发明提出的换热器采用双套筒式结构，该结构简单、隔离效果好、相变材料圆周分布，可以增大与外界的接触面积，更好的实现相态转变，提高相变材料的转化效率。同时，也解决了有机溶剂与液压油互溶的技术难题，能够有效隔离相变材料与液压油，并且具有良好的密封性能，方便安装与拆卸。
（3）本发明提出的浮力控制系统及其控制方法，能够高效利用海洋热能，储能器的设置能够实现能量预存、预存能量能够适时改变水下滑翔机的工作状态。
附图说明
图1为本发明的内部结构示意图；
图2为本发明的前端结构示意图；
图3为本发明的后端结构示意图；
图4为本发明的外部结构示意图；
图5为本发明的前端盖结构示意图；
图6为本发明的后端盖结构示意图；
图7为本发明的浮力控制系统结构示意图。
图中，1-壳体、101-前螺钉、102-后螺钉、2-前端盖、201-通孔、202-前密封圈、203-前安装环、3-后端盖、301-安装螺钉、4-连接头、401-后密封圈、402-后安装环、403-油孔、5-软管、6-液压油腔、7-相变材料腔、8-储能器、9-两位三通电磁阀、10-内油囊、11-外油囊、12-第一单向阀、13-第二单向阀、14-第三单向阀。
具体实施方式
在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1至图6所示，温差能水下滑翔机换热器装置是滑翔机驱动装置的核心部件。海洋温差能主要是在海水表面和海水不同深度的温度不同，海水表面温度高，越往下温度越低，而换热器内部装有热敏相变材料，换热器正是利用相变材料的热胀冷缩原理进行浮力调节。该换热器包括壳体1、前端盖2、后端盖3、连接头4和软管5，图中，换热器采用双套筒式结构，该结构简单、隔离效果好、相变材料圆周分布，可以增大与外界的接触面积，更好的实现相态转变，提高相变材料的转化效率。同时，也解决了有机溶剂与液压油互溶的技术难题，能够有效隔离相变材料与液压油，并且具有良好的密封性能，方便安装与拆卸。具体的，壳体1为等径薄壁圆筒，壳体1的一端可拆卸的安装有前端盖2，壳体1的另一端可拆卸的安装有后端盖3；连接头4可拆卸的安装在后端盖3上，且与壳体1同轴布置；软管5的两端分别套装在前端盖2和连接头4上；软管5内壁与前端盖2内壁以及连接头4内壁之间形成用于容纳液压油的液压油腔6；软管5外壁与壳体1内壁之间形成用于容纳相变材料的相变材料腔7。
需要说明的是，温差能换热器装置在设计时，需要考虑驱动装置的最大工作水深时受到的环境水压，为了保证滑翔机上浮时，储能器内部的液压油能够流入外囊，储能器内部液体压力需要大于环境水压。为了能够较快的改变浮力上浮，需要将内部压力在工作前充入大于环境水压的压力，以便内部循环需要。而换热器既要承受外部水压，还要为储能器充能时承受压力。为保证换热器的换热效果和降低对滑翔机的水动力性能的影响，本方案中将其设计成为等径薄壁圆筒。
需要说明的是，图2中壳体1前端与前端盖2之间采用前螺钉101连接，壳体1后端与后端盖3之间采用后螺钉102连接。图3中，前端盖2上均匀设置有多个用于连通相变材料腔7的通孔201，本实施例中通孔201的数量为四个，通孔201在相变材料填充后会使用螺钉和密封圈进行密封，前端盖2与壳体1之间设置有前密封圈202，密封圈202为O型密封圈，前端盖2与软管5接触的地方设置有底座，底座上设置有前安装环203，安装环203可以采用橡胶环或金属环，用于增加前端盖2与软管5之间摩擦力，提升连接强度和密封性。图3中，后端盖3与连接头4之间采用安装螺钉301连接，连接头4与壳体1之间设置有后密封圈401，连接头4与软管5接触的地方设置有底座，底座上设置有后安装环402，安装环402可以采用橡胶环或金属环，用于增加连接头4与软管5之间摩擦力，提升连接强度和密封性，连接头4的中部设置有用于连通液压油腔6的油孔403，油孔403通过油管与浮力控制系统连接。
具体的，换热器两端与前后端盖连接件采用螺纹连接，为了保证液体不外漏，加O型密封圈作密封处理；橡胶软管具有合适的弹性，两端固定在前端盖和后端盖连接件的端面，橡胶软管内装有相变材料，金属壳体与橡胶软管之间装有液压油；连接头的一端留有螺纹接口，用高压软管与液体循环回路连接；金属壳体两端采用轴肩结构，内壁设计倒角，方便安装与拆卸。
需要说明的是，相变材料选取要合适，其相变温度和形变量应满足要求，相变温度变化范围应在海水表层和滑翔机能够到达的海底深处温度变化范围内，相态变化过程中体积变化率大概为8%-10%，综上选择正十六烷。本实施例中，根据所使用的温度范围以及工作环境，选择丁晴O型圈作为密封元件。
本实施例中，金属壳体具有良好的导热性和材料力学特性、对海水的耐腐蚀性良好，与前、后端盖采用螺纹连接，表面采用阳极氧化，金属壳体应该能够承受滑翔机所能下潜的最大深度的水压，并能够保证良好的水密性。前端盖、后端盖以及后端盖连接件应具有良好的导热性和防腐蚀，表面采用阳极氧化。
如图7所示，浮力控制系统还包括储能器8、两位三通电磁阀9、内油囊10、外油囊11、第一单向阀12、第二单向阀13和第三单向阀14，其中:液压油腔6的油孔403通过第一油路Ⅰ连通第一单向阀12的入口，液压油腔6的油孔403通过第二油路Ⅱ连通第二单向阀13的出口；储能器8通过第三油路Ⅲ分别连通第一单向阀12的出口和第三单向阀14的入口；两位三通电磁阀9的第一开口通过第四油路Ⅳ连接内油囊10的入口，内油囊10的出口连通第二单向阀13的入口，两位三通电磁阀9的第二开口连接第三单向阀14的出口，两位三通电磁阀9的第三开口连接外油囊11。
工作原理的核心就是相变材料通过收集海洋的热能产生热胀冷缩的体积变化，通过压力差作用使液压油腔内的液压油排出或流入，改变滑翔机排水的体积大小，从而改变浮力，实现滑翔机的上升和下沉过程。
具体工作时，下沉阶段控制、相变材料凝固阶段控制、上浮阶段控制和相变材料融化阶段控制循环进行，具体如下：
1）下沉阶段控制方法：控制两位三通电磁阀9使内油囊10和外油囊11连通，外油囊11的液压油通过第四油路Ⅳ流入内油囊10，外油囊11体积收缩、排水体积减小、浮力小于重力，水下滑翔机改变姿态角持续下沉；
2）相变材料凝固阶段控制方法：控制两位三通电磁阀9使内油囊10和外油囊11持续连通，海水的温度随水下滑翔机下潜深度的增加而逐渐降低，当温度降低至相变材料凝固点时，换热器内的相变材料转变为固态，相变材料腔7体积减少使液压油腔6内部的压强减小，在压力差的作用下，内油囊10中的液压油流入到换热器的液压油腔6中；
3）上浮阶段控制方法：控制两位三通电磁阀9使储能器8与外油囊11连通，储能器8中预充压的液压油持续流入外油囊11，外油囊11体积膨胀、排水体积增大、浮力大于重力，水下滑翔机改变姿态角持续上升；
4）相变材料融化阶段控制方法：控制两位三通电磁阀9使储能器8与外油囊11持续连通，海水的温度随水下滑翔机下潜深度的减少而逐渐增加，当温度升高至相变材料凝固点时，控制两位三通电磁阀9使储能器8与外油囊11断开，相变材料由固态逐渐转变为液态，相变材料体积增大，相变材料腔7向液压油腔6施加压力，液压油在压力差的作用下从液压油腔6流入储能器，实现储能器8的预储能。
需要说明的是，浮力控制原理图中，主要分为换热器装置和液压油控制回路两部分，换热器装置内部分为两个腔体，在这两个腔体内分别放置热敏性相变材料和液压油，液压油控制回路主要由内囊、外囊、储能器、单向阀和两位三通电磁阀组成。温差能驱动装置是利用滑翔机在水下运动过程中环境温度的微小变化，通过换热器装置中的热敏性相变材料的固-液相态转化从而改变排水体积的一种动力驱动方式。在滑翔机处于浅水层时，相变材料为液态，当滑翔机深入到水下后，由于温度降低，相变材料由液态转化为固态，释放的能量被储能器存储起来，等待启动上浮时释放。内囊在驱动装置内部，负责外囊体积变化产生的向内部流动的液体。外囊与海水直接接触，其体积的变化直接改变滑翔机排水的变化，进而改变浮力大小。电磁阀主要控制液体在内油馕、外油馕和储能器之间的流通，完成内部液体循环。
最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (8)

1.一种新型换热器，其特征在于，包括壳体（1）、前端盖（2）、后端盖（3）、连接头（4）和软管（5），其中：
所述壳体（1）为等径薄壁圆筒，壳体（1）的一端可拆卸的安装有所述前端盖（2），壳体（1）的另一端可拆卸的安装有所述后端盖（3）；
所述连接头（4）可拆卸的安装在后端盖（3）上，且与壳体（1）同轴布置；
所述软管（5）的两端分别套装在前端盖（2）和连接头（4）上；
所述软管（5）内壁与前端盖（2）内壁以及连接头（4）内壁之间形成用于容纳液压油的液压油腔（6）；
所述软管（5）外壁与壳体（1）内壁之间形成用于容纳相变材料的相变材料腔（7）。
2.根据权利要求1所述的新型换热器，其特征在于，所述壳体（1）前端与前端盖（2）之间采用前螺钉（101）连接，所述壳体（1）后端与后端盖（3）之间采用后螺钉（102）连接。
3.根据权利要求1所述的新型换热器，其特征在于，所述前端盖（2）上均匀设置有多个用于连通相变材料腔（7）的通孔（201），所述前端盖（2）与壳体（1）之间设置有前密封圈（202），所述前端盖（2）与软管（5）之间设置有前安装环（203）。
4.根据权利要求1所述的新型换热器，其特征在于，所述后端盖（3）与连接头（4）之间采用安装螺钉（301）连接。
5.根据权利要求1所述的新型换热器，其特征在于，所述连接头（4）与壳体（1）之间设置有后密封圈（401），所述连接头（4）与软管（5）之间设置有后安装环（402），所述连接头（4）的中部设置有用于连通液压油腔（6）的油孔（403）。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的新型换热器的浮力控制系统，其特征在于，还包括储能器（8）、两位三通电磁阀（9）、内油囊（10）、外油囊（11）、第一单向阀（12）、第二单向阀（13）和第三单向阀（14），其中:
所述液压油腔（6）的油孔（403）通过第一油路（Ⅰ）连通第一单向阀（12）的入口，液压油腔（6）的油孔（403）通过第二油路（Ⅱ）连通第二单向阀（13）的出口；
所述储能器（8）通过第三油路（Ⅲ）分别连通第一单向阀（12）的出口和第三单向阀（14）的入口；
所述两位三通电磁阀（9）的第一开口通过第四油路（Ⅳ）连接内油囊（10）的入口，内油囊（10）的出口连通第二单向阀（13）的入口，所述两位三通电磁阀（9）的第二开口连接第三单向阀（14）的出口，所述两位三通电磁阀（9）的第三开口连接外油囊（11）。
7.根据权利要求6所述的浮力控制系统，其特征在于，包括如下控制方法：
1）下沉阶段控制方法：控制两位三通电磁阀（9）使内油囊（10）和外油囊（11）连通，外油囊（11）的液压油通过第四油路（Ⅳ）流入内油囊（10），外油囊（11）体积收缩、排水体积减小、浮力小于重力，水下滑翔机改变姿态角持续下沉；
2）相变材料凝固阶段控制方法：控制两位三通电磁阀（9）使内油囊（10）和外油囊（11）持续连通，海水的温度随水下滑翔机下潜深度的增加而逐渐降低，当温度降低至相变材料凝固点时，换热器内的相变材料转变为固态，相变材料腔（7）体积减少使液压油腔（6）内部的压强减小，在压力差的作用下，内油囊（10）中的液压油流入到换热器的液压油腔（6）中；
3）上浮阶段控制方法：控制两位三通电磁阀（9）使储能器（8）与外油囊（11）连通，储能器（8）中预充压的液压油持续流入外油囊（11），外油囊（11）体积膨胀、排水体积增大、浮力大于重力，水下滑翔机改变姿态角持续上升；
4）相变材料融化阶段控制方法：控制两位三通电磁阀（9）使储能器（8）与外油囊（11）持续连通，海水的温度随水下滑翔机下潜深度的减少而逐渐增加，当温度升高至相变材料凝固点时，控制两位三通电磁阀（9）使储能器（8）与外油囊（11）断开，相变材料由固态逐渐转变为液态，相变材料体积增大，相变材料腔（7）向液压油腔（6）施加压力，液压油在压力差的作用下从液压油腔（6）流入储能器，实现储能器（8）的预储能。
8.根据权利要求7所述的浮力控制系统，其特征在于，所述下沉阶段控制、相变材料凝固阶段控制、上浮阶段控制和相变材料融化阶段控制循环进行。
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