CN105822609B - 一种带调速阀的温差能驱动海洋剖面运动及发电*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带调速阀的温差能驱动海洋剖面运动及发电***,包括:相变腔体;设置在相变腔体内相变液压油囊;通过出油路与相变液压油囊连接的蓄能器;通过带有顺序阀、换向阀的进油路与蓄能器连接的外油囊;通过带有顺序阀、换向阀的第一回油路与所述外油囊连接的内油囊;所述相变液压油囊通过带有单向阀的第二回油路与内油囊连接;第一回油路上的换向阀、进油路上的顺序阀受控于外油囊;第一回油路上的顺序阀受控于蓄能器;进油路上的换向阀受控于内油囊;以及发电装置。本发明利用海水的温差能自行上浮下沉;本发明设计精巧,不需要任何电磁阀进行控制,不耗电能,且能发电,无需外部控制,提高了设备的寿命及可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及海洋剖面运动及发电***,尤其是一种带调速阀的温差能驱动海洋剖面运动及发电***。
背景技术
海洋剖面运动设备是人们研究和探测海洋的重要工具。对于需要长期持续地在海洋中工作的监测设备,传统上都是采用锂电池的供电方式,然而锂电池的能耗有相当一部分用于设备的驱动与控制,极大的降低了剖面运动设备的使用寿命。目前已经有应用温差能驱动及发电***,其对设备运动的控制靠电磁阀来完成,然而电磁阀几十瓦的能耗对于这种在海洋中长期值守的剖面运动设备来说依然过大。另一方面,充足的海洋观测数据是人们深入认识海洋的必要条件,传统上的剖面监测设备受电池电量的限制无法提高剖面运动次数。最后,剖面监测设备的运动一般都由单片机进行电气控制,一旦发生问题便会导致设备故障,降低了设备的可靠性。
发明内容
本发明的目的是针对现有海洋剖面运动***在控制方式以及能耗上的缺陷,提出一种结构简洁、运行可靠的带有发电装置的节能型温差能驱动海洋剖面运动***。
一种带调速阀的温差能驱动海洋剖面运动及发电***,包括:
盛放有固液相变材料和密封液体的相变腔体;
设置在相变腔体内被密封液体包覆的相变液压油囊;
通过带有单向阀的出油路与所述相变液压油囊连接的蓄能器;
通过带有顺序阀、换向阀的进油路与所述蓄能器连接的外油囊;
通过带有顺序阀、换向阀的第一回油路与所述外油囊连接的内油囊;
所述相变液压油囊通过带有单向阀的第二回油路与内油囊连接;
所述外油囊和相变腔体设于一密封腔外,其余部件和油路均设于该密封腔内;
所述第一回油路上的换向阀、进油路上的顺序阀受控于所述外油囊;
所述第一回油路上的顺序阀受控于所述蓄能器;所述进油路上的换向阀受控于内油囊;
以及发电装置。
本发明的技术方案中,***内自带发电装置,节省外接供电,适用性更强。
作为优选,所述发电装置包括:
通过依次带有三个换向阀、马达和单向阀的发电进油路与所述蓄能器连接的辅助油囊;
与马达输出端连接的发电单元;
所述辅助油囊通过带有单向阀的油路与所述相变液压油囊连接;
所述发电进油路上的两个换向阀受控于所述外油囊,剩余一个换向阀受控于所述内油囊。
作为优选,所述进油路上设有节流阀,所述第一回油路上也设有节流阀;所述马达入口的发电进油路上设有调速阀。
作为优选,所述发电单元包括与马达依次设置的发电机、DC-DC模块、充电管理模块和锂电池组。
本发明中:
受內油囊控制的发电进油路上的换向阀为常闭阀门,仅在內油囊压力大于该换向阀的弹簧弹力时断开;受內油囊控制的进油路上的顺序阀为常开阀门,仅在內油囊压力大于该顺序阀的压力时闭合;
受外油囊控制的两个换向阀中一个为常闭阀门,一个是常开阀门,仅在外油囊压力满足某一区间(小于该常闭阀门的弹簧力,大于该常开阀门的弹簧力)时,两者同时闭合;受外油囊控制的第一回油路上的换向阀为常闭阀门,仅在外油囊压力大于该换向阀的弹簧弹力时断开;
受蓄能器控制的第一回油路上的顺序阀为常开阀门,仅在蓄能器的压力大于该顺序阀的弹簧压力时闭合。
本发明中,阀门闭合是指油液可以流通此阀,阀门断开是指油液不可以流通此阀;常开、常闭是指阀在只受弹簧力作用时的状态,常闭是指油液可以流通此阀,常开是指油液无法流通此阀。
***运动过程中,自上而下假设具有上限位点、匀速下降点、匀速上升点和下限位点;同时根据需要设置发电区间上限和发电区间下限。
对于运行***:
在设备运行过程中,设备在上限位点处,第一回油路上的顺序阀在蓄能器控制下闭合,在到达下限位点时断开;第一回油路上的换向阀在运动***下降到匀速下降点时断开,在运动***上升到匀速下降点时闭合;进油路上的顺序阀在运动***下降到匀速上升点时闭合,上升到匀速上升点时断开;进油路上的换向阀在上限位点到匀速下降点过程中断开,在下限位点时闭合;
对于发电装置部分:
设备下降时,辅助油囊压力较大,受辅助油囊控制的换向阀断开,发电进油路断开;设备上升时,辅助油囊压力较小,受辅助油囊控制的液控换向阀闭合,上升到发电区间(如图12所示)下限时,外油囊控制的常闭阀门闭合(在发电区间下限之下时,外油囊压力大于此阀弹簧力,此阀一直被断开),上升到发电区间上限时,外油囊控制的常开阀门断开(在发电区间上限之下时,外油囊压力大于此阀弹簧力,此阀一直被闭合)。
作为优选,所述固液相变材料选用相变温度为18.2℃的正十六烷或者相变温度为18±2℃的温度敏感性水凝胶。其相变温度处于上层海水与底层海水温度之间固液相变时体积变化8%-10%,相变材料为正十六烷时,密封液体选用水,相变材料凝固收缩时由水填补凝固所产生的空间,正十六烷密度小于水,因此相变液压油囊安装在相变腔体的下侧;相变材料为温敏性水凝胶时,密封液体选用凝固点为-9.6℃的正十二烷,相变材料凝固收缩时由正十二烷填补凝固所产生的空间,温敏性水凝胶密度大于正十二烷,因此相变液压油囊安装在相变腔体的上侧。作为更进一步优选,所述固液相变材料选用相变温度为18.2℃的正十六烷;密封液体选用水。
本发明中,进油路上的顺序阀、换向阀和该油路上的节流阀各自控制功能相互独立,其在进油路上的连接顺序无严格要求,可根据实际需要确定;同样的,第一回油路上的顺序阀、换向阀和该油路上的节流阀连接顺序也无严格要求;发电进油路中三个换向阀顺序也无严格要求;以满足功能实现为准。
作为优选,所述进油路上、第一回油路上的顺序阀均为外控式顺序阀,均受外设的液压控制;所述进油路上、第一回油路上、发电进油路中的换向阀均可采用液控截止式换向阀。顺序阀的外控压力较大,能到几十MPa,液控截止式换向阀的控制压力一般在几bar到几MPa但是能承受几十MPa的压力,可根据需要进行选择和设定。
作为优选,所述进油路上、第一回油路上、发电进油路顺序阀、换向阀、的弹簧预压缩量均可调。且均在设备布放前根据布放的水深范围调节好。
作为优选,所述内油囊外包围有密封腔体,密封腔体内壁与内油囊外壁之间充有氮气,氮气压力随内油囊体积而变化。氮气的充气量满足:外油囊的油液进入内油囊后,内油囊的压力大于第一换向阀的弹簧力;内油囊油液被相变液压油囊吸收完成后,内油囊的压力小于第一换向阀的弹簧力。
作为优选,所述辅助油囊外包围有密封腔体,密封腔体内壁与辅助油囊外壁之间充有氮气,氮气压力随辅助油囊体积而变化。氮气的充气量满足:相变液压油囊从辅助油囊和内油囊吸液彻底后,辅助油囊压力等于此时内油囊压力(此举是保证辅助油囊与内油囊皆能为相变液压油囊供油),且从辅助油囊进入相变液压油囊的油液量等于发电时从蓄能器进入辅助油囊的油液量。
作为优选,所述第一回油路上的顺序阀的弹簧力设定值略低于固液相变材料完全融化后蓄能器的压力(若弹簧力设定值太低,则蓄能器压力很低时设备便下沉,会导致设备在最低点处蓄能器无法给外油囊充液;若弹簧力设定值太高,则蓄能器压力打不开该油路上的顺序阀,设备无法运动);所述第一回油路上的换向阀的弹簧力设定值略大于设备剖面运动最高点处外油囊的压力值(弹簧力这样设置可以使最高点处该油路上的换向阀打开,设备下降几米后弹簧力等于直至小于外油囊压力,该油路上的换向阀逐渐关闭)。所述进油路上的顺序阀的弹簧力设定值略小于设备剖面运动最低点处外油囊的压力值(弹簧力这样设置可使在最低点处外油囊压力大于该顺序阀的弹簧力,该顺序阀导通。同时若设备不下降到接近最低点,该顺序阀不通,设备继续下降),所述进油路上的换向阀的弹簧力设定值略高于固液相变材料完全冷凝收缩后内油囊的压力值(弹簧力这样设置可确保固液相变材料几乎完全冷凝,内油囊及辅助油囊油液最大限度进入相变液压油囊,为下一循环相变材料融化产生高压准备条件)。
作为优选,内油囊控制的发电进油路上的换向阀弹簧力设定值大小在固液相变材料完全冷凝收缩后内油囊的压力值与外油囊的油液最大限度进入内油囊后内油囊压力值之间;作为进一步优选,内油囊控制的发电进油路上的换向阀弹簧力设定值为固液相变材料完全冷凝收缩后内油囊的压力值与外油囊的油液最大限度进入内油囊后内油囊压力值之均值(因为设备下降时内油囊压力较高,因此在设备下降阶段此阀断开;设备上升时内油囊压力最低,因此上升阶段此阀导通)。作为优选,发电进油路上由外油囊控制的两个换向阀中位机能相反,且两者弹簧力设定值不相同,因此外油囊压力在上述两弹簧力设定值之间时两阀同时导通,其他压力时一通一闭。上述三个液控截止式换向阀全部导通即设备在上升阶段且处于某一深度区间之内时,主油路导通且开始发电。
由于回油路上压差较小,因此回油路上节流阀为普通节流阀;进油路上压差较高,作为优选,所述节流阀为精密节流阀。
本发明中,相变液压油囊与蓄能器内均为液压油。蓄能器可选择隔膜式蓄能器或者囊式蓄能器。其中密封液体与液压油之间由液压油囊隔断,相变液压油囊通过密封圈安装在相变腔体上,其密封方式为静密封与传统的活塞式的动密封相比具有更好的密封性能。
本发明中,相变液压油囊安装在相变腔体内,相变腔体内的空余部分装满固液相变材料与密封液体,外油囊、相变腔体暴露在海水中,其他零件及管路密封在密封腔之内;在出油路和进油路,相变液压油囊通过单向阀连接蓄能器,蓄能器与进油路的顺序阀连接,进油路上顺序阀与液控截止式换向阀连接,液控截止式换向阀通过精密节流阀与外油囊连接;在发电进油路,蓄能器通过三个液控截止式换向阀连接调速阀,调速阀连接定量马达,马达的油液通过单向阀回辅助油囊;在第一回油路和第二回油路,外油囊通过节流阀与外控式顺序阀连接,外控式顺序阀通过液控截止换向阀连接内油囊,内油囊通过带有单向阀的第二回油路与相变液压油囊相连;在发电回油路中,辅助油囊通过单向阀连接相变液压油囊;在控制油路:蓄能器连接回油路上外控式顺序阀的控制腔,外油囊的油口连接进油路上外控式顺序阀的控制腔、回油路上液控截止式换向阀的控制腔与发电进油路上2个液控截止式换向阀控制腔,内油囊油口连接进油路液控截止式换向阀的控制腔与发电进油路上1个液控截止式换向阀控制腔。
本发明中,涉及到的“第一”“第二”仅仅是用于区别两个或多个部件或者油路,对这些部件或油路的功能和顺序等均没有限定作用。
与现有技术相比,本发明的优势如下:
本发明中固液相变材料通过深水低温区的凝固收缩与浅水高温区的融化膨胀为***提供动力来源,蓄能器储存能量并在液压阀的控制下进行能量的释放,液压阀的控制完全采用***内部油压及外部水压所产生的外油囊油压,不需电力控制,同时由于材料融化产生的蓄能器高压至设定值时设备自动下沉,材料冷凝导致的内油囊低压至设定值后设备自动上浮,完全根据自身状况运动不需要进行人为设定,充分利用了温差能,最大限度提高了单日运动次数。除此之外设备还可以在上浮过程的某个深度区间内利用剩余的蓄能器能量发电,通过调速阀的使用使得所发电压稳定便于储存。本发明设计精巧,温差能利用率高,不需要任何电磁阀进行控制,无需耗电且能发电,无需外部人为控制,提高了设备的寿命及可靠性。
附图说明
图1为本发明的带有发电装置的节能型温差能驱动海洋剖面运动***示意图。
图2为处于运动范围最上位时***状态示意图。
图3为从外油囊吸液时***状态示意图。
图4为从外油囊吸液完毕后***匀速下沉状态示意图。
图5为下降到发电区间时***状态示意图。
图6为下降脱离发电区间时***状态示意图。
图7为下降到最低点时***状态示意图。
图8为给外油囊充液时***状态示意图。
图9为上浮至匀速上升点后***状态示意图。
图10为匀速上浮至发电区间时***状态示意图。
图11为上浮脱离发电区间时***状态示意图
图12为设备在海中布置方式示意图。
上述附图中:
1、相变腔体;2、固液相变材料;3、相变液压油囊;4、密封液体;5、辅助油囊的密封腔;6、辅助油囊;7、单向阀;8、单向阀;9、内油囊的密封腔体;10、内油囊;11、单向阀;12、外油囊;13、永磁同步直流发电机;14、联轴器;15、液压马达;16、调速阀;17、截止式换向阀;18、截止式换向阀;19、截止式换向阀;20、外控式顺序阀;21a、发电进油路;21b、发电回油路;22、单向阀;23、蓄能器;24、液压油;25、截止式换向阀;26、节流阀;27、节流阀;28、外控式顺序阀;29、截止式换向阀;30a、第一回油路;30b、第二回油路;31、出油路;32、进油路。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照图1,本发明的一种带有发电装置的节能型温差能驱动海洋剖面运动***包括:相变腔体1、相变液压油囊3、辅助油囊密封腔5、辅助油囊6、单向阀7、单向阀8、内油囊密封腔体9、内油囊10、单向阀11、外油囊12、永磁同步直流发电机13、联轴器14、液压马达15、调速阀16、截止式换向阀17、截止式换向阀18、截止式换向阀19、外控式顺序阀20、单向阀22、蓄能器23、截止式换向阀25、节流阀26、节流阀27、外控式顺序阀28、截止式换向阀29;以及将这些部件连接的油路:出油路31、进油路32、第一回油路30a、第二回油路30b、发电进油路21a、发电回油路21b和多条控制油路。
图1中,相变腔体1为两个。相变液压油囊3安装在相变腔体1内,相变腔体1内的空余部分装满固液相变材料2与密封液体4,相变液压油囊3被密封液体4包围,外油囊12、相变腔体1暴露在海水中,其他零件及管路密封在密封腔体之内;
本发明中,外控式顺序阀和截止式换向阀均采用液控式结构,通过外设的液体压力变化实现对其工作状态的控制。
各部件和各油路之间的关系如下:
下面的出油路31、进油路32、第一回油路30a、第二回油路30b构成运动***的主油路:
出油路31:相变液压油囊3通过单向阀22连接蓄能器23;
进油路32:蓄能器23连接外控式顺序阀20,外控式顺序阀20与液控截止式换向阀25连接,液控截止式换向阀25通过精密节流阀26连接外油囊12;外控式顺序阀20与液控截止式换向阀25、精密节流阀26在进油路32上的的相对顺序不需要严格控制,可根据需要调整;
第一回油路30a:外油囊12通过节流阀27与外控式顺序阀28连接,外控式顺序阀28通过液控截止换向阀29连接内油囊10;节流阀27、外控式顺序阀28、液控截止换向阀29在第一回油路30a上的相对安装顺序没有严格限制,可根据需要调整;
第二回油路30b:内油囊10通过单向阀8与相变液压油囊3相连;
下面介绍发电装置的主要油路:
发电进油路21a:蓄能器23依次连接3个液控截止式换向阀19、液控截止式换向阀18、液控截止式换向阀17,液控截止式换向阀17通过调速阀16连接液压马达15;液控截止式换向阀19、液控截止式换向阀18、液控截止式换向阀17在发电进油路21a上的相对安装位置可根据需要调整,不需要严格按照图1布置;液压马达15通过单向阀11与辅助油囊6相连;
发电回油路21b:同时辅助油囊6通过带有单向阀7的发电回油路21b与相变液压油囊3相连,该油路直接与运动***中的第二回油路30b直接连接,也可单独设置;
上述涉及到的油路,比如进油路32、发电进油路21a可同时通过一条管路与进油路32连接,也可单独设置管路;
控制油路:蓄能器23连接第一回油路30a上外控式顺序阀28的控制腔,实现对外控式顺序阀28的控制。外油囊12分别连接进油路32上外控式顺序阀20的控制腔、第一回油路30a上液控截止式换向阀29的控制腔、发电进油路21a上两个液控截止式换向阀17、液控截止式换向阀18的控制腔,实现对外控式顺序阀20、液控截止式换向阀29、液控截止式换向阀17、液控截止式换向阀18的控制。内油囊10一路连接进油路32上液控截止式换向阀25的控制腔,另一路连接发电进油路21a上液控截止式换向阀19的控制腔,实现对液控截止式换向阀25、液控截止式换向阀19的控制。
定量马达15通过联轴器14连接永磁同步直流发电机13,产生的电能通过DC-DC模块及充电管理模块(电路)储存进锂电池组。
其中:
固液相变材料选用相变温度为18.2℃的正十六烷,其相变温度处于上层海水与底层海水温度之间,其固相密度835Kg/m3,液相密度为770.1Kg/m3,固液相变时体积变化8%,密封液体选用水,相变材料凝固时由水填补凝固所产生的空间;
密封液体与液压油之间由液压油囊隔断,液压油囊通过密封圈安装在相变腔上,其密封方式为静密封,与传统的活塞式的动密封相比具有更好的密封性能。
第一回油路30a上外控式顺序阀28、第一回油路30a上液控截止换向阀29、进油路32上外控式顺序阀20、进油路上液控截止式换向阀25、发电进油路21a上的液控截止式换向阀19、液控截止式换向阀18、液控截止式换向阀17弹簧预压缩量可调,且均在设备布放前根据布放的水深范围调节好。
由于第一回油路30a上压差较小,因此第一回油路30a上节流阀27为普通节流阀;进油路32上压差较高,进油路32上的节流阀26为具有很高节流精度的精密节流阀。
对于单向阀7,辅助油囊6压力大于相变液压油囊3内压力时,单向导通,反之断开;对于单向阀8,当内油囊10压力大于相变液压油囊3压力时,单向阀8单向导通,反之断开;对于单向阀11,当发电进油路21a上的阀全部导通且蓄能器23压力大于辅助油囊6内压力时,单向导通,反之断开;对于单向阀22,当相变液压油囊3大于蓄能器23内压力时,单向导通,反之断开。
包裹内油囊的密封腔体9内为氮气,氮气压力随内油囊10体积而变化。设计时,氮气的充气量应保证外油囊12油液进入内油囊10后,内油囊10压力大于进油路32上液控截止式换向阀25的弹簧力;内油囊10油液被相变液压油囊3吸收后,内油囊10压力小于进油路液控截止式换向阀25的弹簧力。
辅助油囊6外包围有密封腔体5,密封腔体5内壁与辅助油囊6外壁之间充有氮气,氮气压力随辅助油囊6体积而变化。氮气的充气量满足:相变液压油囊3从辅助油囊6和内油囊10吸液彻底后,辅助油囊6压力等于此时内油囊10压力(此举是保证辅助油囊6与内油囊10皆能为相变液压油囊3供油),且从辅助油囊6进入相变液压油囊3的油液量等于发电时从蓄能器23进入辅助油囊6的油液量。
第一回油路30a上外控式顺序阀28的弹簧力设定值略微低于相变材料完全融化后蓄能器23的压力,第一回油路30a上液控截止换向阀29的弹簧力设定值略微大于设备剖面运动最高点处(图12中上限位对应位置)外油囊12油液的压力值,进油路32上外控式顺序阀20的弹簧力设定值略小于设备剖面运动最低点处(图12中下限位对应位置)外油囊12油液的压力值,进油路32上液控截止式换向阀25的弹簧力设定值略高于相变材料完全冷凝收缩后内油囊10的压力值。
发电进油路21a上的截止式换向阀19弹簧力设定值为固液相变材料2完全冷凝收缩后内油囊10的压力值与外油囊12的油液最大限度进入内油囊10后内油囊10压力值之均值。发电进油路21a上截止式换向阀18与截止式换向阀17中位机能相反,且截止式换向阀18弹簧力设定值大于截止式换向阀17弹簧力设定值,两者弹簧力设定值的大小由发电区间对应的水深区间压力决定。
本发明中,各阀门的动作顺序如表1所示:
表1各阀动作顺序表
本实施例中,带有发电装置的节能型温差能驱动海洋剖面运动***的工作原理如下:
首先根据所需的运动深度范围将设备进行上下位的物理限制,如图12所示:锚块固定于海底,锚块与浮力材料之间固定有导向缆绳;本发明的带有发电装置的节能型温差能驱动海洋剖面运动***在该缆绳上滑动;按照实际要求设置好上限位点和下限位点。
初始状态时,设备处于正浮力状态且被限位在运动范围的上限。由于设备处于最高位,外油囊12压力低于外控式顺序阀20弹簧力设定值、低于液控截止式换向阀18弹簧力设定值及液控截止式换向阀17的弹簧力设定值,因此外控式顺序阀20处于关闭状态,液控截止式换向阀18处于导通状态,液控截止式换向阀17处于断开状态;由于液控截止式换向阀29的弹簧力设定值略大于处于最高位的外油囊12压力,因此液控截止式换向阀29导通;由于此时内油囊10油液最少,压力低于液控截止式换向阀25弹簧力设定值与液控截止式换向阀19的弹簧力设定值,因此液控截止式换向阀25与液控截止式换向阀19都导通,如图2所示。
由于浅层海水温度高于材料相变温度,相变材料2融化膨胀升压,因此单向阀22导通,相变液压油囊3中的高压油经单向阀22充液至蓄能器23中,随着相变材料2融化,蓄能器23压力逐渐升高,当压力升高到外控式顺序阀28的设定值时,外控式顺序阀28打开,第一回油路30a导通,外油囊12中的油液进入内油囊10,设备从正浮力状态变为负浮力状态,设备下沉,如图3所示。
随着外油囊12往内油囊10充液,内油囊10压力升高至液控截止式换向阀25的设定弹簧值时,截止式换向阀25关闭;内油囊10压力升高至液控截止式换向阀19的设定弹簧值时,截止式换向阀19关闭;下沉一小段距离后,当外油囊压力大于液控截止式换向阀29的弹簧力设定值时,液控截止式换向阀29关闭,第一回油路30a断开,到达匀速下降点,设备匀速下沉,如图4所示。
随着设备匀速下沉,当到达发电区间(如图12所示)时,液控截止式换向阀17导通,但因液控截止式换向阀19是断开的,因此发电进油路21a依然断开,如图5所示。
随着设备匀速下沉,当下沉脱离发电区间(如图12所示)时,液控截止式换向阀18断开,如图6所示。
设备下沉到最低点时,由于外控式顺序阀20的弹簧力设定值略小于剖面运动最低点处外油囊12油液的压力值,外控式顺序阀20导通,如图7所示。
因为深水区水温低于相变材料2的相变温度,相变材料2冷凝收缩,相变液压油囊3内逐渐产生真空,辅助油囊6与内油囊10的低压油分别通过单向阀7与单向阀8为相变液压油囊3补油,辅助油囊6与内油囊10压力降低,内油囊10油压降至液控截止式换向阀19的弹簧力设定值时,液控截止式换向阀19导通,内油囊10油压降至液控截止式换向阀25的弹簧力设定值时,液控截止式换向阀25导通;因外控式顺序阀20已导通,因此液控截止式换向阀25导通时蓄能器23给外油囊12充液,外油囊12体积增大,设备逐渐上浮;因蓄能器23放油导致压力降低,外控式顺序阀28断开,如图8所示。
上浮小段距离后,当外油囊12压力低于外控式顺序阀20的弹簧设定值时,外控式顺序阀20关闭,进油路关闭,到达匀速上升点,设备匀速上浮,如图9所示。
随着设备匀速上浮,当到达发电区间(如图12所示)时,液控截止式换向阀18导通,因此发电进油路21a导通,高压油推动液压马达15转动,由于蓄能器23油液流出,蓄能器23压力降低,调速阀16通过检测节流口两侧压差自动调节节流口大小,维持流速恒定,马达为定量马达,因此转速恒定,永磁同步直流发电机恒压发电,如图10所示。
当上浮脱离发电区间(如图12所示)时,液控截止式换向阀17断开,发电进油路21a断开,如图11所示。
随着上浮,外油囊12压力降低,上浮经过匀速下降点(如图12所示)后,外油囊12压力小于液控截止式换向阀29的弹簧力时,液控截止式换向阀29导通,由于此时外控式顺序阀28依然关闭,第一回油路30a不通,设备依然上浮直至最上位,如图2所示,至此一个循环完成。
本发明不需要任何电磁阀进行控制,节省了电能;能够利用海水的温差能自行上浮下沉;能够根据海水温度自适应的改变相变时间,相变完成后立即上浮或下沉,极大提高了剖面运动次数;除此之外设备在上浮的某段区间内发电并储存,提高了观测仪器的使用寿命;本发明中的控制全部直接来自液压管路的油压,没有采用传统的压力传感器及电控设备,节省了成本并提高了***的可靠性。
Claims (9)
1.一种带调速阀的温差能驱动海洋剖面运动及发电***,其特征在于:包括:
盛放有固液相变材料和密封液体的相变腔体;
设置在相变腔体内被密封液体包覆的相变液压油囊;
通过带有单向阀的出油路与所述相变液压油囊连接的蓄能器;
通过带有顺序阀、换向阀的进油路与所述蓄能器连接的外油囊;
通过带有顺序阀、换向阀的第一回油路与所述外油囊连接的内油囊;
所述相变液压油囊通过带有单向阀的第二回油路与内油囊连接;
所述外油囊和相变腔体设于一密封腔外,其余部件和油路均设于该密封腔内;
所述第一回油路上的换向阀、进油路上的顺序阀受控于所述外油囊;所述第一回油路上的顺序阀受控于所述蓄能器;所述进油路上的换向阀受控于内油囊;
以及发电装置;
所述发电装置包括:
通过依次带有三个换向阀、马达和单向阀的发电进油路与所述蓄能器连接的辅助油囊;
与马达输出端连接的发电单元;
所述辅助油囊通过带有单向阀的发电回油路与所述相变液压油囊连接;
所述发电进油路上的两个换向阀受控于所述外油囊,剩余一个换向阀受控于所述内油囊。
2.根据权利要求1所述的带调速阀的温差能驱动海洋剖面运动及发电***,其特征在于:所述进油路上设有节流阀,所述第一回油路上也设有节流阀;所述马达入口的发电进油路上设有调速阀。
3.根据权利要求1所述的带调速阀的温差能驱动海洋剖面运动及发电***,其特征在于:所述发电单元包括与马达依次连接的发电机、DC-DC模块、充电管理模块和锂电池组。
4.根据权利要求1所述的带调速阀的温差能驱动海洋剖面运动及发电***,其特征在于:所述固液相变材料选用相变温度为18.2℃的正十六烷或者相变温度为18±2℃的温度敏感性水凝胶。
5.根据权利要求1所述的带调速阀的温差能驱动海洋剖面运动及发电***,其特征在于,所述顺序阀均为外控式顺序阀;所述换向阀均为液控截止式换向阀;所述顺序阀、换向阀的弹簧预压缩量均可调。
6.根据权利要求1所述的带调速阀的温差能驱动海洋剖面运动及发电***,其特征在于:
所述内油囊外包围有密封腔体,密封腔体内壁与内油囊外壁之间充有氮气,氮气的充气量满足:外油囊的油液进入内油囊后,内油囊的压力大于进油路上的换向阀的弹簧力;内油囊油液被相变液压油囊吸收彻底后,内油囊的压力小于进油路上的换向阀的弹簧力;
所述辅助油囊外包围有密封腔体,密封腔体内壁与辅助油囊外壁之间充有氮气,氮气的充气量满足:相变液压油囊从辅助油囊和内油囊吸液彻底后,辅助油囊压力等于此时内油囊压力,且从辅助油囊进入相变液压油囊的油液量等于发电时从蓄能器进入辅助油囊的油液量。
7.根据权利要求1所述的带调速阀的温差能驱动海洋剖面运动及发电***,其特征在于:
所述第一回油路上:顺序阀的弹簧力设定值略低于固液相变材料完全融化后蓄能器的压力;换向阀的弹簧力设定值略大于设备剖面运动最高点处外油囊的压力值;
所述进油路上:顺序阀的弹簧力设定值略小于设备剖面运动最低点处外油囊的压力值,换向阀的弹簧力设定值略高于固液相变材料完全冷凝收缩后内油囊的压力值;
内油囊控制的发电进油路上的换向阀弹簧力设定值大小在固液相变材料完全冷凝收缩后内油囊的压力值与外油囊的油液最大限度进入内油囊后内油囊压力值之间;
发电进油路上由外油囊控制的两个换向阀中位机能相反,且两者弹簧力设定值不相同。
8.根据权利要求2所述的带调速阀的温差能驱动海洋剖面运动及发电***,其特征在于,进油路上节流阀为精密节流阀。
9.根据权利要求1所述的带调速阀的温差能驱动海洋剖面运动及发电***,其特征在于,相变材料为正十六烷时,密封液体为水,相变材料为温度敏感性水凝胶时,密封液体为正十二烷。
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