水下滑翔机温差能驱动装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911295338.3 (22)申请日 2019.12.16 (71)申请人 西北工业大学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号 (72)发明人 王鹏罗益严宋保维王新晶 胡欲立杜晓旭 (74)专利代理机构 西北工业大学专利中心 61204 代理人 陈星 (51)Int.Cl. B63G 8/22(2006.01) F03G 7/05(2006.01) (54)发明名称 一种水下滑翔机温差能驱动装置 (57)摘要 本发明提出的一种水下滑翔机温差能驱动 装置， 通过。

2、换热器内相变工质， 合理的利用滑翔 机在工作过程中外部水温随深度变化的特点， 采 集环境中的热能来完成机械能的转换； 通过进排 水改变滑翔机的重浮力， 为水下滑翔机提供长时 间续航的驱动力， 保证滑翔机在航行过程中的稳 定性和水动力特性。 主壳体为回转体结构， 两端 部通过密封法兰进行密封， 尾部设有浮力调节机 构， 内部采用圆柱体形式布局。 换热器采用传热 强化结构， 在内部加装传热铜片， 提高换热器的 传热效率和相变工质的体积变化率， 能够更加高 效的利用海洋温差能。 驱动装置具有良好的拓展 性， 除应用在水下滑翔机上， 还可推广应用于水 下温差能浮标、 水下温差能沉浮探测装置中。 权利要。

3、求书1页 说明书4页 附图2页 CN 110979609 A 2020.04.10 CN 110979609 A 1.一种水下滑翔机温差能驱动装置， 包括三通管接头、 换热器前端连接板、 液压管接 头、 前端盖、 前螺柱、 壳体、 前端纵向肋板、 后螺柱、 内囊固定板、 内囊、 后端盖、 外囊、 浸水舱 盖、 换热器后端连接板、 外囊密封盖、 后端纵向肋板、 三通电磁控制阀、 储能器固定板、 换热 器和主壳体， 其特征在于:所述壳体、 前端盖、 后端盖组合成密封舱， 储能器固定板位于密封 舱中间部位， 前端盖与储能器固定板通过前螺柱和两块前端纵向肋板连接， 储能器位于前 端盖与储能器固定板之间。

4、， 前端纵向肋板同时起到支撑储能器的作用； 后端盖与储能器固 定板之间通过后螺柱和后端纵向肋板连接， 三通电磁控制阀固定在后端纵向肋板上， 内囊 与内囊固定板连接并与后端纵向肋板固连； 内囊出口与三通接头连接， 一路至前端盖上的 三通接头， 另一路连接外囊上的三通接头； 外囊固定在后端盖上通过螺母紧固和外囊密封 盖进行密封， 外囊上的三通接头分别与内囊三通接头和三通电磁控制阀出口连接； 浸水舱 盖与壳体连接用于保护外囊； 所述换热器为两个结构相同的部件， 两个换热器对称设置在密封舱体侧下方， 换热器 与密封舱体端部、 浸水舱盖通过换热器前端连接板和换热器后端连接板连接； 换热器通过 端部的三通。

5、接头和液压软管接头与前端盖内的三通接头连接， 组成闭合液压管路； 所述换 热器包括后密封盖、 密封圈、 耐压圆筒、 传热铜片、 螺母、 双通接头、 前密封盖、 铝柱， 耐压圆 筒两端分别与前密封盖、 后密封盖通过螺栓连接， 连接处采用密封圈密封； 前密封盖中间开 有换热器液体出口， 双通接头与前密封盖通过螺母紧固， 双通接头外接液压软管与装置内 部液压系统进行连接； 传热铜片与铝柱固连位于耐压圆筒内部； 所述主壳体包括液压软管、 浮力调节机构、 储能器、 相变工质、 隔离膜、 液压油、 第一单 向阀、 第二单向阀、 和第三单向阀； 所述主壳体为中空回转体结构， 两端部采用密封法兰进 行密封， 。

6、尾部设有浮力调节机构； 内囊与换热器之间、 储能器与电磁控制阀之间、 换热器与 储能器之间分别设置有单向阀， 以防止液压油逆流， 相变工质位于换热器内后端部， 中间采 用隔离膜和水将相变工质与前部分的液压油隔离， 在相变工质发生相态变化时， 可改变换 热器内部液压油的体积， 从而改变浸水舱的外囊体积， 引起主壳体浮力的变化。 2.根据权利要求1所述的水下滑翔机温差能驱动装置， 其特征在于:所述传热铜片为四 叶片结构， 传热铜片与铝柱焊接， 铝柱端部与后密封盖过盈配合。 3.根据权利要求1所述的水下滑翔机温差能驱动装置， 其特征在于:所述相变材料为正 十六烷； 内部循环液体为液压油； 中部隔离材。

7、料为隔离膜和水。 4.根据权利要求1所述的水下滑翔机温差能驱动装置， 其特征在于:所述外囊、 内囊、 储 能器均采用耐压橡胶材质， 油囊为变体积压力油囊， 内外部通过带接头耐压橡胶软管固连 用于液体循环。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110979609 A 2 一种水下滑翔机温差能驱动装置 技术领域 0001 本发明涉及一种海洋温差能浮力调节装置， 具体地说， 涉及一种水下滑翔机重浮 力调节的驱动装置。 背景技术 0002 水下滑翔机是一种将浮标技术与水下航行器技术结合的新型水下航行器， 其最大 的特点是具有长续航能力， 适合搭载特定的传感器对水域进行比较全面的监测与测量。 其 与传统的。

8、水下航行器不同的是， 水下滑翔机没有推进器， 它是利用净浮力和姿态调整获取 推进力， 能耗极小， 所以具有效率高、 续航能力强的特点。 0003 温差能水下滑翔机是一种使用可再生清洁能源的新型水下航行器， 依靠吸收水下 表层与深层的温度差获取推进滑翔机航行的动力能源， 具有长时间续航、 巡航范围广、 成本 低、 自制性高的特点， 能够高效的完成水下环境监测、 信息采集任务。 温差能驱动装置是温 差能滑翔机的唯一驱动装置， 使用的是固-液相态变化的热机原理， 利用液体在凝固时体积 缩小， 固体在熔化时体积膨胀所产生的压力， 进行能量的存储， 将环境中的热能转化为提供 滑翔机驱动力的机械能。 00。

9、04 相变工质是一种随温度变化而改变物质状态并能提供潜热的物质， 能够吸收或释 放大量的潜热， 将成为节能环保的最佳绿色环保载体。 当水下滑翔机在水中航行时， 随着航 行深度的改变， 环境温度在5到25之间变化， 当相变工质的熔点在此温度范围内， 相变 工质实现固态与液态之间的转变， 实现体积变化。 0005 在发明专利CN107697251A中公开了 “一种用于水下滑翔机的混合驱动浮力调节装 置” ， 该调节装置同时利用温差能以及双向齿轮泵作为驱动， 拓宽其滑翔机的工作范围、 工 作时长。 调节装置中使用的换热器采用橡胶管双管结构， 橡胶管内充有流动液体， 利用橡胶 管的膨胀收缩实现流体的循。

10、环。 该调节装置在结构设计上要求较高， 增加了双向齿轮泵的 复杂控制， 单在相变工质传热效率上不高。 发明内容 0006 为了避免现有技术存在的不足， 本发明提出一种水下滑翔机温差能驱动装置； 该 温差能驱动装置通过相变工质， 合理的利用滑翔机在工作过程中外部水温随深度变化的特 点， 采集环境中的热能来完成机械能的转换， 为水下滑翔机提供长时间续航的驱动力， 保证 滑翔机在航行过程中的稳定性和水动力特性。 0007 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括三通管接头、 换热器前端连接 板、 液压管接头、 前端盖、 前螺柱、 壳体、 前端纵向肋板、 后螺柱、 内囊固定板、 内囊、 后端盖、 。

11、外囊、 浸水舱盖、 换热器后端连接板、 外囊密封盖、 后端纵向肋板、 三通电磁控制阀、 储能器 固定板、 换热器和主壳体， 其特征在于所述壳体、 前端盖、 后端盖组合成密封舱， 储能器固定 板位于密封舱中间部位， 前端盖与储能器固定板通过前螺柱和两块前端纵向肋板连接， 储 能器位于前端盖与储能器固定板之间， 前端纵向肋板同时起到支撑储能器的作用； 后端盖 说明书 1/4 页 3 CN 110979609 A 3 与储能器固定板之间通过后螺柱和后端纵向肋板连接， 三通电磁控制阀固定在后端纵向肋 板上， 内囊与内囊固定板连接并与后端纵向肋板固连； 内囊出口与三通接头连接， 一路至前 端盖上的三通接。

12、头， 另一路连接外囊上的三通接头； 外囊固定在后端盖上通过螺母紧固和 外囊密封盖进行密封， 外囊上的三通接头分别与内囊三通接头和三通电磁控制阀出口连 接； 浸水舱盖与壳体连接用于保护外囊； 0008 所述换热器为两个结构相同的部件， 两个换热器对称设置在密封舱体侧下方， 换 热器与密封舱体端部、 浸水舱盖通过换热器前端连接板和换热器后端连接板连接； 换热器 通过端部的三通接头和液压软管接头与前端盖内的三通接头连接， 组成闭合液压管路； 所 述换热器包括后密封盖、 密封圈、 耐压圆筒、 传热铜片、 螺母、 双通接头、 前密封盖、 铝柱， 耐 压圆筒两端分别与前密封盖、 后密封盖通过螺栓连接， 连。

13、接处采用密封圈密封； 前密封盖中 间开有换热器液体出口， 双通接头与前密封盖通过螺母紧固， 双通接头外接液压软管与装 置内部液压系统进行连接； 传热铜片与铝柱固连位于耐压圆筒内部； 0009 所述主壳体包括液压软管、 浮力调节机构、 储能器、 相变工质、 隔离膜、 液压油、 第 一单向阀、 第二单向阀、 和第三单向阀； 所述主壳体为中空回转体结构， 两端部采用密封法 兰进行密封， 尾部设有浮力调节机构； 内囊与换热器之间、 储能器与电磁控制阀之间、 换热 器与储能器之间分别设置有单向阀， 以防止液压油逆流， 相变工质位于换热器内后端部， 中 间采用隔离膜和水将相变工质与前部分的液压油隔离， 在。

14、相变工质发生相态变化时， 可改 变换热器内部液压油的体积， 从而改变浸水舱的外囊体积， 引起主壳体浮力的变化。 0010 所述传热铜片为四叶片结构， 传热铜片与铝柱焊接， 铝柱端部与后密封盖过盈配 合。 0011 所述相变材料为正十六烷； 内部循环液体为液压油； 中部隔离材料为隔离膜和水。 0012 所述外囊、 内囊、 储能器均采用耐压橡胶材质， 油囊为变体积压力油囊， 内外部通 过带接头耐压橡胶软管固连用于液体循环。 0013 有益效果 0014 本发明提出的一种水下滑翔机温差能驱动装置， 采用回转体结构， 内部元器件分 布紧密， 能够更好的适应回转体外形的水下滑翔机， 能承受深水压力。 在。

15、内部使用纵向肋 板， 一方面起到支撑结构的作用， 另一方面能够固定内部器件。 0015 本发明驱动装置使用相变工质， 合理的利用滑翔机在工作过程中外部水温随深度 变化的特点， 采集环境中的热能完成机械能的转换， 为水下滑翔机提供源源不断的驱动力。 0016 本发明驱动装置在换热器结构上加强了传热效率上的设计， 采用传热铜片， 更好 的将换热器壳体表面吸收到的热量传递到位于换热器中心的相变工质处， 解决相变工质相 变不充分的问题， 提高其换热器的体积变化量和变化速率， 提升驱动装置的稳定性和机动 性。 0017 本发明驱动装置的换热器内部的液体部分， 使用水和隔离膜进行对液压油和相变 工质正十六。

16、烷的隔离， 相比于橡胶管双管结构， 在传热效率上有很好的改善， 相比于活塞结 构， 减小了在体积变化过程中产生的摩擦阻力。 0018 本发明驱动装置具有良好的拓展性， 除应用在水下滑翔机上， 还可推广应用到水 下温差能浮标、 水下温差能沉浮探测装置中。 说明书 2/4 页 4 CN 110979609 A 4 附图说明 0019 下面结合附图和实施方式对本发明一种水下滑翔机温差能驱动装置作进一步详 细说明。 0020 图1为本发明水下滑翔机温差能驱动装置轴测图。 0021 图2为本发明水下滑翔机温差能驱动装置的换热器结构示意图。 0022 图3为本发明水下滑翔机温差能驱动装置的换热器横截面示意。

17、图。 0023 图4为本发明水下滑翔机温差能驱动装置工作原理示意图。 0024 图中 0025 1.三通管接头 2.换热器前端连接板 3.液压管接头 4.前端盖 5.前螺柱 6.壳体 7.前端纵向肋板 8.后螺柱 9.内囊固定板 10.内囊 11.后端盖 12.外囊 13.浸水舱盖 14.换热器后端连接板 15.外囊密封盖 16.后端纵向肋板 17.三通电磁控制阀 18.储能器 固定板 19.换热器 20.储能器 21.后密封盖 22.密封圈 23.耐压圆筒 24.传热铜片 25. 螺母 26.双通接头 27.前密封盖 28.铝柱 29.第一单向阀 30.液压软管 31.浮力调节机 构 32.。

18、第二单向阀 33.相变工质 34.第三单向阀 35.隔离膜 36.液压油 37.主壳体 具体实施方式 0026 本实施例一种水下滑翔机温差能驱动装置。 0027 参阅图14， 本实施例水下滑翔机温差能驱动装置由三通管接头1、 换热器前端连 接板2、 液压管接头3、 前端盖4、 前螺柱5、 壳体6、 前端纵向肋板7、 后螺柱8、 内囊固定板9、 内 囊10、 后端盖11、 外囊12、 浸水舱盖13、 换热器后端连接板14、 外囊密封盖15、 后端纵向肋板 16、 三通电磁控制阀17、 储能器固定板18、 换热器19和主壳体37组成。 其中， 壳体6、 前端盖4、 后端盖11组成密封舱。 壳体与前。

19、端盖4通过螺栓进行连接， 由双O型圈进行径向密封。 储能器 固定板18位于密封舱中间部位， 前端盖4与储能器固定板18通过前螺柱5和两块前端纵向肋 板7连接， 储能器20位于前端盖4与储能器固定板18之间， 前端纵向肋板7同时起到支撑储能 器20的作用； 后端盖11与储能器固定板18之间通过后螺柱8和后端纵向肋板16连接， 三通电 磁控制阀17固定在后端纵向肋板16上， 内囊10与内囊固定板9连接， 并与后端纵向肋板16固 连； 内囊10出口与三通接头连接， 一路至前端盖4上的三通接头， 另一路连接外囊12上的三 通接头； 外囊12固定在后端盖11上， 通过螺母紧固和外囊密封盖15进行密封， 。

20、外囊上的三通 接头分别与内囊三通接头和三通电磁控制阀17出口连接； 浸水舱盖13与壳体6通过螺栓进 行连接用于保护外囊。 0028 换热器19为两个结构相同的部件， 两个换热器对称设置在密封舱体侧下方， 换热 器与壳体6两端通过换热器前端连接板2和换热器后端连接板14连接； 换热器19通过端部的 三通接头1和液压软管接头3与前端盖内的三通接头连接， 组成闭合液压管路。 换热器19包 括后密封盖21、 密封圈22、 耐压圆筒23、 传热铜片24、 螺母25、 双通接头26、 前密封盖27、 铝柱 28， 耐压圆筒23两端分别与前密封盖27、 后密封盖21通过螺栓连接， 连接处采用密封圈22进 行。

21、密封。 前密封盖27中间开有换热器液体出口， 双通接头26与前密封盖27通过螺母25紧固， 双通接头外接液压软管6与装置内部液压系统进行连接。 传热铜片24与铝柱28固连位于耐 压圆筒23内部。 换热器内部增加有四叶传热铜片24， 能更好的传递表面热量至换热器中心 的相变工质处。 传热铜片为四叶结构， 传热铜片24与铝柱28焊接固连位于耐压圆筒23内部， 说明书 3/4 页 5 CN 110979609 A 5 铝柱与后密封盖21过盈配合。 0029 主壳体37包括液压软管30、 浮力调节机构31、 储能器20、 相变工质33、 隔离膜35、 液 压油36、 第一单向阀29、 第二单向阀32、。

22、 和第三单向阀34； 所述主壳体37为中空回转体结构， 两端部采用密封法兰进行密封， 尾部设有浮力调节机构31； 内囊与换热器之间使用第一单 向阀29， 储能器与电磁控制阀之间使用第二单向阀32， 换热器与储能器之间使用第三单向 阀34， 防止液压油逆流， 相变工质33位于换热器内后端部， 中间用隔离膜35和水35将相变工 质与前部分的液压油36隔离， 在相变工质33发生相态变化时， 可改变换热器内部液压油的 体积， 从而改变浸水舱的外囊体积， 引起主壳体37浮力的变化。 0030 外囊12、 内囊10、 储能器20采用耐压橡胶材质， 油囊为变体积压力油囊， 内外部通 过带接头耐压橡胶软管用于。

23、液体循环。 0031 本实施例工作循环过程中分为四个阶段:在开始下沉阶段， 三通电磁控制阀打开， 外囊与内囊接通， 液压油流入内囊， 外囊收缩， 驱动装置的排水体积减小。 驱动装置在相变 工质凝固阶段， 外部环境温度降低， 换热器内部相变工质由液态向固态转变， 液压油从内囊 流入换热器。 驱动装置在开始上浮阶段， 电磁阀打开， 储能器与外囊接通， 储能器内部压力 大于设定航行水深的最大压力， 液压油流入外囊后， 外囊膨胀， 滑翔机此时的浮力大于重 力， 滑翔机开始上浮。 驱动装置在相变工质熔化阶段， 外部环境温度升高， 换热器吸热， 材料 开始熔化， 换热器内部的液压油由于压力作用流入储能器，。

24、 换热器内部的相变工质恢复成 液态。 0032 本实施例水下滑翔机温差能驱动装置使用的相变工质为正十六烷， 材料的凝固点 在18， 相变过程的体积变化率在810， 在滑翔机航行过程中， 由于深水域温度只有5 10， 温水层温度在2530范围内， 所以能够满足正十六烷的相态变化。 由于滑翔机航 行过程中需要的重浮力调节需要在400mL， 结合相变材料的体积变化率， 应使换热器内相变 材料的容积为4L， 因此， 设计的单个换热器尺寸为， 长度600mm， 内径70mm， 壁厚5mm， 可以承 受1000米水下压强。 说明书 4/4 页 6 CN 110979609 A 6 图1 图2 说明书附图 1/2 页 7 CN 110979609 A 7 图3 图4 说明书附图 2/2 页 8 CN 110979609 A 8 。