專利名稱：海洋溫差能驅(qū)動的水下運載器浮沉裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種水下運載器浮沉裝置，特別是一種海洋溫差能驅(qū)動的水下運載器浮沉裝置，屬于海洋水下工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
海洋中的海水在日照的作用下，大量吸熱，形成不同溫度的海水層，沿著海水的深度依次分布。部分種類工質(zhì)的體積將隨著所處環(huán)境溫度的變化而膨脹或收縮。這種工質(zhì)容積的變化，如果能夠引起海洋中潛行的水下運載器體積變化，就會造成運載器水中浮力的增減和運載器的升降沉浮。借助于運載器的水平翼和尾翼的協(xié)同作用，可以依次獲得運載器的前進(jìn)驅(qū)進(jìn)力。部分烷烴化合物在攝氏10度到20度之間，將發(fā)生固液相變，因而引起本身容積的明顯變化，烷烴化合物作為海洋溫差能驅(qū)動的水下運載器的相變工質(zhì)，裝填于運載器的動力裝置中，以獲得海洋熱能作為驅(qū)動力。但是，烷烴化合物的遇冷凝固和體積縮小，會造成動力裝置管道的堵塞或氣缸活塞部件的阻滯，必定切斷動力裝置工作的連續(xù)性。根據(jù)國內(nèi)外的文獻(xiàn)報道，相變工質(zhì)的換熱部件是采用設(shè)置在運載器體外的圓柱體型空心圓筒，將相變工質(zhì)引入氣缸活塞組件，以傳遞工質(zhì)的體積變化。但是，此類部件都不能解決動力裝置管道堵塞和氣缸活塞部件阻滯、以至阻斷動力裝置連續(xù)工作的困難；其次，各種海洋溫差能驅(qū)動的運載器使用的外膽，都是采用懸置于運載器體外孤立的圓桶型皮囊，以利用相變工質(zhì)的容積變化引起的外膽體積改變，形成驅(qū)動力。但是，以海洋溫差能為來源所獲的運載器的前進(jìn)驅(qū)動功率是十分微小的。孤立懸置的外膽必定大幅度增加運載器前進(jìn)的阻力，極大地降低運載器的速度。

實用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供一種海洋溫差能驅(qū)動的水下運載器浮沉裝置。該裝置可以保證水下運載器的機動性、可靠性、工作連續(xù)性和水動力特性優(yōu)良。本實用新型的技術(shù)方案是裝置中用來使相變工質(zhì)與海水換熱的換熱缸，布置在運載器本體中的首尾部，以利于相變工質(zhì)的吸熱和放熱；在換熱缸中設(shè)置一片彈性橡膠膜以隔斷相變工質(zhì)和傳遞液體，無論相變工質(zhì)的物相如何變化，總能夠?qū)⒈旧淼娜莘e變化以壓力的形式傳遞出來，形成運載器的驅(qū)動力；裝置中的外膽是環(huán)繞在運載器殼體中部的環(huán)狀皮囊，其外輪廓與運載器的外表面光滑連接，渾然一體，即使外膽容積明顯變化，也不至于引起運載器外型水動力性能的顯著變化，達(dá)到提高運載器運行性能的目的。本實用新型裝置包括換熱缸、法蘭、異戊橡膠膜、出流單向閥、進(jìn)流單向閥、蓄能器、活塞、內(nèi)膽、外膽、三通閥、相變工質(zhì)、傳遞液體、儲能氣體、連接管。兩個換熱缸分別放置在水下運載器的首尾兩端。換熱缸的外殼由橢球形面體和圓柱形筒體兩部分組成，其橢球形面體部分就是運載器殼體的首尾部。法蘭焊接在運載器殼體首尾的兩個橢球形面與其本身的圓柱形面光滑連接的相貫線內(nèi)側(cè)。異戊橡膠膜固定在法蘭上，將換熱缸分割成兩個空間。橢球形體內(nèi)填充相變工質(zhì)，圓柱形筒體內(nèi)填充傳遞液體。相變工質(zhì)通過該橢球形面與海水進(jìn)行內(nèi)外熱交換。活塞安裝在蓄能器內(nèi)，將蓄能器分割成兩個空間，封閉部分填充著儲能氣體；與連接管連通的空間容納傳遞液體。兩個換熱缸的圓柱形部分通過連接管相連。換熱缸的圓柱形部分還通過連接管分別與內(nèi)膽、外膽及蓄能器相連。外膽是環(huán)繞在運載器殼體中部的環(huán)狀皮囊，環(huán)狀皮囊的外輪廓與運載器殼體光滑連接。進(jìn)流單向閥安裝在換熱缸與內(nèi)膽之間的連接管上；出流單向閥安裝在換熱缸與蓄能器之間的連接管上。三通閥安裝在內(nèi)膽、外膽和蓄能器之間的連接管上。初始時刻，管道及內(nèi)膽、外膽中都充有乙二醇。出流單向閥、進(jìn)流單向閥及三通閥都處于關(guān)閉狀態(tài)。運載器浮于海面與表層暖水處于穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。換熱缸中的相變工質(zhì)完全為液態(tài)，此時蓄能器中的氮氣被壓縮。通過程序控制三通閥的B-C端連通，外膽在海水的壓力作用下將其中傳遞液體壓入內(nèi)膽。隨著外膽體積減小，水下運載器開始下潛，關(guān)閉三通閥。隨著水下運載器下潛，周圍環(huán)境海水溫度逐漸下降，換熱缸的相變工質(zhì)開始釋放熱量。當(dāng)水下運載器的周圍海水溫度低于相變工質(zhì)的相變溫度時，相變工質(zhì)開始凝固，體積收縮。此時，換熱缸中的壓力下降，進(jìn)流單向閥開啟，三通閥的A-C端連通，蓄能器中傳輸液體在高壓氮氣的作用下流入外膽。隨著外膽體積增大，恒定質(zhì)量的水下運載器總體積增大，水下運載器開始上浮，關(guān)閉三通閥。在水下運載器進(jìn)入暖水區(qū)之前，相變工質(zhì)完全凝固，體積達(dá)到最小。隨著水下運載器上浮，周圍環(huán)境海水溫度逐漸上升，當(dāng)水下運載器周圍的海水溫度高于相變工質(zhì)的相變溫度時，相變工質(zhì)從海水中吸收熱量、開始融化，體積膨脹。此時,相變工質(zhì)產(chǎn)生很大壓力，該壓力通過異戊橡膠膜作用于傳遞液體，出流單向閥開啟，傳遞液體再次被壓入蓄能器中，蓄能器中的氮氣被壓縮。當(dāng)水下運載器再次下潛進(jìn)入冷水區(qū)之前，相變工質(zhì)完全融化，體積達(dá)到最大，完成一個熱力循環(huán)。本實用新型的有益效果本實用新型提供的是一種水下運載器浮沉裝置，利用運載器的首尾殼體作為相變工質(zhì)的存儲空間，并且選用異戊橡膠膜隔離相變工質(zhì)與傳遞液體，不會使相變工質(zhì)凝固時阻塞管道；外膽與運載器殼體渾然一體，減小運載器阻力，保證水下運載器的機動性、可靠性、工作連續(xù)性和水動力特性優(yōu)良。對于海洋科學(xué)的深入研究和軍事海洋技術(shù)的提升，都具有明顯的好處，并可造成不容忽視的經(jīng)濟效益和社會效益。

圖1是本實用新型水下運載器浮沉裝置原理圖。圖2是本實用新型水下運載器浮沉裝置換熱缸和外膽的布置圖。圖中，I是換熱缸；2是法蘭；3是異戊橡膠膜；4是運載器殼體；5是出流單向閥；6是進(jìn)流單向閥；7是畜能器；8是活塞；9是內(nèi)膽；10是外膽；11是二通閥；12是相變工質(zhì)；13是傳遞液體；14是儲能氣體；15是連接管。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施作進(jìn)一步描述。如圖1圖2所示，本裝置包括換熱缸1、法蘭2、異戊橡膠膜3、出流單向閥5、進(jìn)流單向閥6、蓄能器7、活塞8、內(nèi)膽9、外膽10、三通閥11、相變工質(zhì)12、傳遞液體13、儲能氣體14、連接管15。兩個換熱缸I分別放置在水下運載器的首尾兩端。換熱缸I的外殼由橢球形面體和圓柱形筒體兩部分組成，其橢球形面體部分就是運載器殼體4的首尾部。法蘭2焊接在運載器殼體4首尾的兩個橢球形面與運載器殼體4的圓柱形面光滑連接的相貫線內(nèi)側(cè)。異戊橡膠膜3固定在法蘭2上，將換熱缸I分割成兩個空間。橢球形體內(nèi)填充相變工質(zhì)12，圓柱形筒體內(nèi)填充傳遞液體13。相變工質(zhì)12通過該橢球形面與海水進(jìn)行內(nèi)外熱交換。運載器殼體4的首尾端橢球形面由銅質(zhì)薄板制作，以提高換熱效率。活塞8安裝在蓄能器7內(nèi)，將蓄能器分割成兩個空間，封閉部分填充著儲能氣體14 ;與連接管15連通的空間容納傳遞液體13。相變工質(zhì)12采用正十六烷，儲能氣體14采用氮氣，傳遞液體13采用乙二醇。活塞8的圓柱面鑲嵌著四氟乙烯材質(zhì)的活塞環(huán)。四氟乙烯活塞環(huán)不需要潤滑油的潤滑和冷卻，免除了對傳遞液體13的污染和侵害。兩個換熱缸I的圓柱形部分通過連接管15相連。換熱缸I的圓柱形部分還通過連接管15分別與內(nèi)膽9、外膽10及蓄能器7相連。外膽10是環(huán)繞在運載器殼體4中部的環(huán)狀皮囊，環(huán)狀皮囊的外輪廓與運載器殼體4光滑連接。進(jìn)流單向閥6安裝在換熱缸I與內(nèi)膽9之間的連接管15上；出流單向閥5安裝在換熱缸I與蓄能器7之間的連接管15上。三通閥11安裝在內(nèi)膽9、外膽10和蓄能器7之間的連接管15上。進(jìn)流單向閥6、出流單向閥5和三通閥11均是電磁閥。初始時刻，管道15及內(nèi)膽9、外膽10中都充滿著乙二醇。出流單向閥5、進(jìn)流單向閥6及三通閥11都處于關(guān)閉狀態(tài)。運載器浮于海面與表層暖水處于穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。換熱缸I中的相變工質(zhì)12完全為液態(tài)，此時畜能器7中的氣氣被壓縮。通過程序控制三通閥11的B-C端連通，外膽10在海水的壓力作用下將其中傳遞液體13壓入內(nèi)膽9。隨著外膽10體積減小，水下運載器開始下潛，關(guān)閉三通閥11。隨著水下運載器下潛，周圍環(huán)境海水溫度逐漸下降，換熱缸I的相變工質(zhì)12開始釋放熱量。當(dāng)水下運載器的周圍海水溫度低于相變工質(zhì)12的相變溫度時，相變工質(zhì)12開始凝固，體積收縮。此時，換熱缸I中的壓力下降，進(jìn)流單向閥6開啟，三通閥11的A-C端連通，蓄能器7中傳輸液體在高壓氮氣的作用下流入外膽。隨著外膽10體積增大，恒定質(zhì)量的水下運載器總體積增大，水下運載器開始上浮，關(guān)閉三通閥11。在水下運載器進(jìn)入暖水區(qū)之前，相變工質(zhì)完全凝固，體積達(dá)到最小。隨著水下運載器上浮，周圍環(huán)境海水溫度逐漸上升，當(dāng)水下運載器周圍的海水溫度高于相變工質(zhì)12的相變溫度時，相變工質(zhì)12從海水中吸收熱量、開始融化，體積膨脹。此時，相變工質(zhì)12產(chǎn)生很大壓力，該壓力通過異戊橡膠膜3作用于傳遞液體13，出流單向電5開啟，傳遞液體13再次被壓入蓄能器7中，蓄能器7中的氮氣被壓縮。當(dāng)水下運載器再次下潛進(jìn)入冷水區(qū)之前，相變工質(zhì)完全融化，體積達(dá)到最大，完成一個熱力循環(huán)。
權(quán)利要求1.一種海洋溫差能驅(qū)動的水下運載器浮沉裝置，包括換熱缸(I)、法蘭(2)、異戊橡膠膜(3)、出流單向閥(5)、進(jìn)流單向閥(6)、蓄能器(7)、活塞(8)、內(nèi)膽(9)、外膽(10)、三通閥(11 )、相變工質(zhì)(12)、傳遞液體(13)、儲能氣體(14)、連接管(15)，其特征在于兩個換熱缸(I)分別放置在水下運載器的首尾兩端；換熱缸(I)的外殼由橢球形面體和圓柱形筒體兩部分組成，其橢球形面體部分就是運載器殼體(4)的首尾部；法蘭(2)焊接在運載器殼體(4)首尾的兩個橢球形面與運載器殼體(4)的圓柱形面光滑連接的相貫線內(nèi)側(cè)；異戊橡膠膜(3)固定在法蘭(2)上，將換熱缸(I)分割成兩個空間；橢球形體內(nèi)填充相變工質(zhì)(12)，圓柱形筒體內(nèi)填充傳遞液體(13);活塞(8)安裝在蓄能器(7)內(nèi)，將蓄能器分割成兩個空間，封閉部分填充著儲能氣體(14 )，與連接管(15 )連通的空間容納傳遞液體(13 );兩個換熱缸(I)的圓柱形部分通過連接管(15)相連；換熱缸(I)的圓柱形部分還通過連接管(15)分別與內(nèi)膽(9)、外膽(10)及蓄能器(7)相連；外膽(10)是環(huán)繞在運載器殼體(4)中部的環(huán)狀皮囊，環(huán)狀皮囊的外輪廓與運載器殼體(4 )光滑連接；進(jìn)流單向閥(6 )安裝在換熱缸(I)與內(nèi)膽(9)之間的連接管(15)上；出流單向閥(5)安裝在換熱缸(I)與蓄能器(7)之間的連接管(15)上；三通閥(11)安裝在內(nèi)膽(9)、外膽(10)和蓄能器(7)之間的連接管(15)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋溫差能驅(qū)動的水下運載器浮沉裝置，其特征是所述的運載器殼體(4)的首尾端橢球形面由銅質(zhì)薄板制作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋溫差能驅(qū)動的水下運載器浮沉裝置，其特征是所述的相變工質(zhì)(12)采用正十六烷，儲能氣體(14)采用氮氣，傳遞液體(13)采用乙二醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋溫差能驅(qū)動的水下運載器浮沉裝置，其特征是所述的活塞(8)的圓柱面鑲嵌著四氟乙烯材質(zhì)的活塞環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋溫差能驅(qū)動的水下運載器浮沉裝置，其特征是所述的進(jìn)流單向閥(6)、出流單向閥(5)和三通閥(11)均是電磁閥。
專利摘要海洋溫差能驅(qū)動的水下運載器浮沉裝置，屬于海洋水下工程技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括換熱缸、法蘭、異戊橡膠膜、出流單向閥、進(jìn)流單向閥、蓄能器、活塞、內(nèi)膽、外膽、三通閥、相變工質(zhì)、傳遞液體、儲能氣體、連接管。本實用新型的換熱缸置于運載器首尾部，利用運載器的首尾殼體作為相變工質(zhì)的存儲空間，并且選用異戊橡膠膜隔離相變工質(zhì)與傳遞液體，相變工質(zhì)的容積變化以壓力的形式傳遞出來，形成運載器的驅(qū)動力，不會使相變工質(zhì)凝固時阻塞管道；外膽環(huán)繞在運載器殼體中部，與運載器殼體渾然一體，減小運載器阻力，保證水下運載器的機動性、可靠性、工作連續(xù)性和水動力特性優(yōu)良。
文檔編號F03G7/05GK202828056SQ20122043451
公開日2013年3月27日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者馬捷, 劉雁集, 孫啟, 饒廣龍, 楊龍霞 申請人:上海交通大學(xué)