CN202828056U - 海洋温差能驱动的水下运载器浮沉装置 - Google Patents
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Abstract
海洋温差能驱动的水下运载器浮沉装置，属于海洋水下工程技术领域。该装置包括换热缸、法兰、异戊橡胶膜、出流单向阀、进流单向阀、蓄能器、活塞、内胆、外胆、三通阀、相变工质、传递液体、储能气体、连接管。本实用新型的换热缸置于运载器首尾部，利用运载器的首尾壳体作为相变工质的存储空间，并且选用异戊橡胶膜隔离相变工质与传递液体，相变工质的容积变化以压力的形式传递出来，形成运载器的驱动力，不会使相变工质凝固时阻塞管道；外胆环绕在运载器壳体中部，与运载器壳体浑然一体，减小运载器阻力，保证水下运载器的机动性、可靠性、工作连续性和水动力特性优良。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种水下运载器浮沉装置，特别是一种海洋温差能驱动的水下运载器浮沉装置，属于海洋水下工程技术领域。
背景技术
海洋中的海水在日照的作用下，大量吸热，形成不同温度的海水层，沿着海水的深度依次分布。部分种类工质的体积将随着所处环境温度的变化而膨胀或收缩。这种工质容积的变化，如果能够引起海洋中潜行的水下运载器体积变化，就会造成运载器水中浮力的增减和运载器的升降沉浮。借助于运载器的水平翼和尾翼的协同作用，可以依次获得运载器的前进驱进力。
部分烷烃化合物在摄氏10度到20度之间，将发生固液相变，因而引起本身容积的明显变化，烷烃化合物作为海洋温差能驱动的水下运载器的相变工质，装填于运载器的动力装置中，以获得海洋热能作为驱动力。但是，烷烃化合物的遇冷凝固和体积缩小，会造成动力装置管道的堵塞或气缸活塞部件的阻滞，必定切断动力装置工作的连续性。
根据国内外的文献报道，相变工质的换热部件是采用设置在运载器体外的圆柱体型空心圆筒，将相变工质引入气缸活塞组件，以传递工质的体积变化。但是，此类部件都不能解决动力装置管道堵塞和气缸活塞部件阻滞、以至阻断动力装置连续工作的困难；其次，各种海洋温差能驱动的运载器使用的外胆，都是采用悬置于运载器体外孤立的圆桶型皮囊，以利用相变工质的容积变化引起的外胆体积改变，形成驱动力。但是，以海洋温差能为来源所获的运载器的前进驱动功率是十分微小的。孤立悬置的外胆必定大幅度增加运载器前进的阻力，极大地降低运载器的速度。
实用新型内容
为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种海洋温差能驱动的水下运载器浮沉装置。该装置可以保证水下运载器的机动性、可靠性、工作连续性和水动力特性优良。
本实用新型的技术方案是装置中用来使相变工质与海水换热的换热缸，布置在运载器本体中的首尾部，以利于相变工质的吸热和放热；在换热缸中设置一片弹性橡胶膜以隔断相变工质和传递液体，无论相变工质的物相如何变化，总能够将本身的容积变化以压力的形式传递出来，形成运载器的驱动力；装置中的外胆是环绕在运载器壳体中部的环状皮囊，其外轮廓与运载器的外表面光滑连接，浑然一体，即使外胆容积明显变化，也不至于引起运载器外型水动力性能的显著变化，达到提高运载器运行性能的目的。
本实用新型装置包括换热缸、法兰、异戊橡胶膜、出流单向阀、进流单向阀、蓄能器、活塞、内胆、外胆、三通阀、相变工质、传递液体、储能气体、连接管。
两个换热缸分别放置在水下运载器的首尾两端。换热缸的外壳由椭球形面体和圆柱形筒体两部分组成，其椭球形面体部分就是运载器壳体的首尾部。法兰焊接在运载器壳体首尾的两个椭球形面与其本身的圆柱形面光滑连接的相贯线内侧。异戊橡胶膜固定在法兰上，将换热缸分割成两个空间。椭球形体内填充相变工质，圆柱形筒体内填充传递液体。相变工质通过该椭球形面与海水进行内外热交换。活塞安装在蓄能器内，将蓄能器分割成两个空间，封闭部分填充着储能气体；与连接管连通的空间容纳传递液体。
两个换热缸的圆柱形部分通过连接管相连。换热缸的圆柱形部分还通过连接管分别与内胆、外胆及蓄能器相连。外胆是环绕在运载器壳体中部的环状皮囊，环状皮囊的外轮廓与运载器壳体光滑连接。进流单向阀安装在换热缸与内胆之间的连接管上；出流单向阀安装在换热缸与蓄能器之间的连接管上。三通阀安装在内胆、外胆和蓄能器之间的连接管上。
初始时刻，管道及内胆、外胆中都充有乙二醇。出流单向阀、进流单向阀及三通阀都处于关闭状态。运载器浮于海面与表层暖水处于稳定的热平衡状态。换热缸中的相变工质完全为液态，此时蓄能器中的氮气被压缩。
通过程序控制三通阀的B-C端连通，外胆在海水的压力作用下将其中传递液体压入内胆。随着外胆体积减小，水下运载器开始下潜，关闭三通阀。随着水下运载器下潜，周围环境海水温度逐渐下降，换热缸的相变工质开始释放热量。当水下运载器的周围海水温度低于相变工质的相变温度时，相变工质开始凝固，体积收缩。此时，换热缸中的压力下降，进流单向阀开启，三通阀的A-C端连通，蓄能器中传输液体在高压氮气的作用下流入外胆。随着外胆体积增大，恒定质量的水下运载器总体积增大，水下运载器开始上浮，关闭三通阀。在水下运载器进入暖水区之前，相变工质完全凝固，体积达到最小。
随着水下运载器上浮，周围环境海水温度逐渐上升，当水下运载器周围的海水温度高于相变工质的相变温度时，相变工质从海水中吸收热量、开始融化，体积膨胀。此时，相变工质产生很大压力，该压力通过异戊橡胶膜作用于传递液体，出流单向阀开启，传递液体再次被压入蓄能器中，蓄能器中的氮气被压缩。当水下运载器再次下潜进入冷水区之前，相变工质完全融化，体积达到最大，完成一个热力循环。
本实用新型的有益效果：本实用新型提供的是一种水下运载器浮沉装置，利用运载器的首尾壳体作为相变工质的存储空间，并且选用异戊橡胶膜隔离相变工质与传递液体，不会使相变工质凝固时阻塞管道；外胆与运载器壳体浑然一体，减小运载器阻力，保证水下运载器的机动性、可靠性、工作连续性和水动力特性优良。对于海洋科学的深入研究和军事海洋技术的提升，都具有明显的好处，并可造成不容忽视的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本实用新型水下运载器浮沉装置原理图。
图2是本实用新型水下运载器浮沉装置换热缸和外胆的布置图。
图中，1是换热缸；2是法兰；3是异戊橡胶膜；4是运载器壳体；5是出流单向阀；6是进流单向阀；7是蓄能器；8是活塞；9是内胆；10是外胆；11是三通阀；12是相变工质；13是传递液体；14是储能气体；15是连接管。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施作进一步描述。
如图1图2所示，本装置包括换热缸1、法兰2、异戊橡胶膜3、出流单向阀5、进流单向阀6、蓄能器7、活塞8、内胆9、外胆10、三通阀11、相变工质12、传递液体13、储能气体14、连接管15。
两个换热缸1分别放置在水下运载器的首尾两端。换热缸1的外壳由椭球形面体和圆柱形筒体两部分组成，其椭球形面体部分就是运载器壳体4的首尾部。法兰2焊接在运载器壳体4首尾的两个椭球形面与运载器壳体4的圆柱形面光滑连接的相贯线内侧。异戊橡胶膜3固定在法兰2上，将换热缸1分割成两个空间。椭球形体内填充相变工质12，圆柱形筒体内填充传递液体13。相变工质12通过该椭球形面与海水进行内外热交换。运载器壳体4的首尾端椭球形面由铜质薄板制作，以提高换热效率。活塞8安装在蓄能器7内，将蓄能器分割成两个空间，封闭部分填充着储能气体14；与连接管15连通的空间容纳传递液体13。相变工质12采用正十六烷，储能气体14采用氮气，传递液体13采用乙二醇。活塞8的圆柱面镶嵌着四氟乙烯材质的活塞环。四氟乙烯活塞环不需要润滑油的润滑和冷却，免除了对传递液体13的污染和侵害。
两个换热缸1的圆柱形部分通过连接管15相连。换热缸1的圆柱形部分还通过连接管15分别与内胆9、外胆10及蓄能器7相连。外胆10是环绕在运载器壳体4中部的环状皮囊，环状皮囊的外轮廓与运载器壳体4光滑连接。进流单向阀6安装在换热缸1与内胆9之间的连接管15上；出流单向阀5安装在换热缸1与蓄能器7之间的连接管15上。三通阀11安装在内胆9、外胆10和蓄能器7之间的连接管15上。进流单向阀6、出流单向阀5和三通阀11均是电磁阀。
初始时刻，管道15及内胆9、外胆10中都充满着乙二醇。出流单向阀5、进流单向阀6及三通阀11都处于关闭状态。运载器浮于海面与表层暖水处于稳定的热平衡状态。换热缸1中的相变工质12完全为液态，此时蓄能器7中的氮气被压缩。
通过程序控制三通阀11的B-C端连通，外胆10在海水的压力作用下将其中传递液体13压入内胆9。随着外胆10体积减小，水下运载器开始下潜，关闭三通阀11。随着水下运载器下潜，周围环境海水温度逐渐下降，换热缸1的相变工质12开始释放热量。当水下运载器的周围海水温度低于相变工质12的相变温度时，相变工质12开始凝固，体积收缩。此时，换热缸1中的压力下降，进流单向阀6开启，三通阀11的A-C端连通，蓄能器7中传输液体在高压氮气的作用下流入外胆。随着外胆10体积增大，恒定质量的水下运载器总体积增大，水下运载器开始上浮，关闭三通阀11。在水下运载器进入暖水区之前，相变工质完全凝固，体积达到最小。
随着水下运载器上浮，周围环境海水温度逐渐上升，当水下运载器周围的海水温度高于相变工质12的相变温度时，相变工质12从海水中吸收热量、开始融化，体积膨胀。此时，相变工质12产生很大压力，该压力通过异戊橡胶膜3作用于传递液体13，出流单向电5开启，传递液体13再次被压入蓄能器7中，蓄能器7中的氮气被压缩。当水下运载器再次下潜进入冷水区之前，相变工质完全融化，体积达到最大，完成一个热力循环。
Claims (5)
1.一种海洋温差能驱动的水下运载器浮沉装置，包括换热缸（1）、法兰（2）、异戊橡胶膜（3）、出流单向阀（5）、进流单向阀（6）、蓄能器（7）、活塞（8）、内胆（9）、外胆（10）、三通阀（11）、相变工质（12）、传递液体（13）、储能气体（14）、连接管（15），其特征在于：两个换热缸（1）分别放置在水下运载器的首尾两端；换热缸（1）的外壳由椭球形面体和圆柱形筒体两部分组成，其椭球形面体部分就是运载器壳体（4）的首尾部；法兰（2）焊接在运载器壳体（4）首尾的两个椭球形面与运载器壳体（4）的圆柱形面光滑连接的相贯线内侧；异戊橡胶膜（3）固定在法兰（2）上，将换热缸（1）分割成两个空间；椭球形体内填充相变工质（12），圆柱形筒体内填充传递液体（13）；活塞（8）安装在蓄能器（7）内，将蓄能器分割成两个空间，封闭部分填充着储能气体（14），与连接管（15）连通的空间容纳传递液体（13）；两个换热缸（1）的圆柱形部分通过连接管（15）相连；换热缸（1）的圆柱形部分还通过连接管（15）分别与内胆（9）、外胆（10）及蓄能器（7）相连；外胆（10）是环绕在运载器壳体（4）中部的环状皮囊，环状皮囊的外轮廓与运载器壳体（4）光滑连接；进流单向阀（6）安装在换热缸（1）与内胆（9）之间的连接管（15）上；出流单向阀（5）安装在换热缸（1）与蓄能器（7）之间的连接管（15）上；三通阀（11）安装在内胆（9）、外胆（10）和蓄能器（7）之间的连接管（15）上。
2.根据权利要求1所述的海洋温差能驱动的水下运载器浮沉装置，其特征是所述的运载器壳体（4）的首尾端椭球形面由铜质薄板制作。
3.根据权利要求1所述的海洋温差能驱动的水下运载器浮沉装置，其特征是所述的相变工质（12）采用正十六烷，储能气体（14）采用氮气，传递液体（13）采用乙二醇。
4.根据权利要求1所述的海洋温差能驱动的水下运载器浮沉装置，其特征是所述的活塞（8）的圆柱面镶嵌着四氟乙烯材质的活塞环。
5.根据权利要求1所述的海洋温差能驱动的水下运载器浮沉装置，其特征是所述的进流单向阀（6）、出流单向阀（5）和三通阀（11）均是电磁阀。
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