[0001] 本发明涉及海洋剖面运动系统， 尤其是一种节能型温差能驱动海洋剖面运动系 统。

背景技术

[0002] 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的运动系统， 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。

技术问题

[0003] 本发明的目的是针对现有海洋剖面运动系统在 控制方式以及能耗上的缺陷， 提 出一种结构简洁、 运行可靠的节能型温差能驱动海洋剖面运动系 统。

问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 一种节能型温差能驱动海洋剖面运动系统， 包括：

[0005] 盛放有固液相变材料和密封液体的相变腔体；

[0006] 设置在相变腔体内被密封液体包覆的相变液压 油囊；

[0007] 通过带有第一单向阀的出油路与所述相变液压 油囊连接的蓄能器；

[0008] 通过带有第一顺序阀、 第一换向阀的进油路与所述蓄能器连接的外油 囊； [0009] 通过带有第二顺序阀、 第二换向阀的第一回油路与所述外油囊连接的 内油囊； [0010] 所述相变液压油囊同吋通过带有第二单向阀的 第二回油路与内油囊连接； [0011] 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； [0012] 所述第一顺序阀、 第二换向阀均受控于所述外油囊； 所述第一换向阀受控于内 油囊； 所述第二顺序阀受控于所述蓄能器。

[0013] 作为优选， 所述进油路上设有节流阀。

[0014] 作为优选， 所述第一回油路上设有节流阀。

[0015] 本发明中， 所述第一顺序阀、 第一换向阀和该油路上的节流阀其功能相对独 立 ， 在进油路上连接顺序无严格要求； 同样的所述第二顺序阀、 第二换向阀和该 油路上的节流阀连接顺序也无严格要求， 以满足功能实现为准。

[0016] 作为优选， 所述固液相变材料选用相变温度为 18.2°C的正十六烷或相变温度为 18±2°C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 液相变吋体积变化 8%-10<¾， 相变材料为正十六烷吋， 密封液体选用水， 相变材 料凝固收缩吋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吋， 密封液体选用凝 固点为 -9.6°C的正十二烷， 相变材料凝固收缩吋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°C的正十六烷； 密封液体选用水。

[0017] 作为优选， 所述第一顺序阀、 第二顺序阀为外控式顺序阀； 所述第一换向阀、 第二换向阀为液控截止式换向阀。 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。

[0018] 作为优选， 所述第一顺序阀、 第二顺序阀、 第一换向阀、 第二换向阀的弹簧预 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 。 若第一顺序阀 由类似功能的液控单向阀替代， 应合理设置蓄能器压力及合理选择液控单向阀 使液控单向阀幵启压力略小于设备最深下潜处 对应水压。

[0019] 本发明中， 涉及到的"第一""第二"仅仅是用于区别两个或� �个部件， 对这些部 件的功能和顺序等均没有限定作用。

[0020] 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 油囊吸收后， 内油囊的压力小于第一换向阀的弹簧力。

[0021] 作为优选， 所述第二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， 则蓄能器压力很低吋设备便下沉， 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 力打不幵第二顺序阀， 设备无法运动） ； 所述第二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第 二换向阀打幵， 设备下降几米后弹簧力等于直至小于外油囊压 力， 第二换向阀 逐渐关闭） ， 第一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 大于第一顺序阀的弹簧 力， 第一顺序阀导通。 同吋若设备不下降到接近最低点， 第一顺序阀不通， 设 备继续下降） ， 第一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） 。

[0022] 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。

[0023] 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。

[0024] 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， 相变液压油囊通过第一单向阀连接蓄能器 ， 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， 内油囊通过单向阀与相变液压油囊相连； 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， 另一路连接回油路上液控截止式换向阀的控制 腔， 内油囊油口连接 进油路液控截止式换向阀的控制腔。

[0025] 本发明中， 通过各个阀门的配合工作， 实现对油路的控制， 最终实现对运动系 统的控制。 我们假设， 运动系统运动过程中， 根据运动位置和运动性质的不同 ， 自上而下， 分别具有上限位点、 匀速下降点、 匀速上升点、 下限位点， 如图 7 所示， 在这些点位及点位之间， 各阀动作顺序如表 1所示：

[0026] 表 1各阀动作顺序表

[0027]

[0028] 在没有外力作用吋， 第二顺序阀为常幵阀门， 外力大于弹簧弹力吋才会闭合； 第二换向阀则为常闭阀门， 外力大于弹簧弹力吋才会断幵； 第一顺序阀为常幵 阀门， 外力大于弹簧弹力吋才会闭合； 第一换向阀为常闭阀门， 外力大于弹簧 弹力吋才会断幵。

[0029] 本发明中： 阀门闭合是指油液可以流通此阀， 阀门断幵是指油液不可以流通此 阀； 常幵、 常闭是指阀在只受弹簧力作用吋的状态， 常闭是指油液可以流通此 阀， 常幵是指油液无法流通此阀。 [0030] 在运动系统运行过程中， 运动系统在上限位点处， 第二顺序阀在蓄能器控制下 闭合， 在到达下限位点吋断幵； 第二换向阀在运动系统下降到匀速下降点吋断 幵， 在运动系统上升到匀速下降点吋闭合； 第一顺序阀在运动系统下降到匀速 上升点吋闭合， 上升到匀速上升点吋断幵； 第一换向阀在上限位点到匀速下降 点过程中断幵， 在下限位点吋闭合。

[0031] 本发明单向阀为压差控制单向阀， 当相变处液压油囊压力大于蓄能器压力吋， 第一单向阀导通， 反之关闭； 内油囊压力大于相变处液压油囊压力吋， 第二单 向阀导通， 反之关闭。

发明的有益效果

有益效果

[0032] 与现有技术相比， 本发明的优势如下：

[0033] 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 系统提供动力来源， 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系统内部油压及外部水压 所产生的外油囊油压， 不需电能 ， 同吋由于材料融化产生的高压至设定值吋设备 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。 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， 无需外部人为控制， 提高了设备的寿命及可靠性。

对附图的简要说明

附图说明

[0034] 图 1为本发明的节能型温差能驱动海洋剖面运动� �统示意图。

[0035] 图 2为处于运动范围最上位吋系统状态示意图。

[0036] 图 3为从外油囊吸液吋系统状态示意图。

[0037] 图 4为匀速下沉吋系统状态示意图。

[0038] 图 5为给外油囊充液吋系统状态示意图。

[0039] 图 6为匀速上浮吋系统状态示意图。

[0040] 图 7为设备在海中布置方式示意图。 [0041] 上述附图中：

[0042] 1、 相变腔体； 2、 固液相变材料； 3、 相变液压油囊； 4、 单向阀； 5、 节流阀 ； 6、 外控式顺序阀； 7、 液控截止式换向阀； 8、 内油囊； 9、 密封腔体； 10、 外油囊； 11、 精密节流阀； 12、 液控截止式换向阀； 13、 外控式顺序阀； 14、 单向阀； 15、 液压油； 16、 蓄能器； 17、 进油路； 18a、 回油路； 18b、 回油路 ； 19、 控制油路； 20、 出油路； 21、 密封液体。

本发明的实施方式

[0043] 以下结合附图进一步说明本发明。

[0044] 参照图 1， 本发明的一种节能型温差能驱动海洋剖面运动 系统包括： 相变腔体 1 、 相变液压油囊 3、 单向阀 4、 节流阀 5、 外控式顺序阀 6、 液控截止换向阀 7、 内 油囊 8、 密封腔体 9、 外油囊 10、 精密节流阀 11、 液控截止式换向阀 12、 外控式 顺序阀 13、 单向阀 14、 蓄能器 16; 以及将这些部件连接的油路： 出油路 20、 进 油路 17、 回油路 18a、 回油路 18b和多条控制油路 19。

[0045] 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 21， 相变液压油囊 3被密封液体 21包 围， 外油囊 10、 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

[0046] 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。

[0047] 出油路 20: 相变液压油囊 3通过单向阀 14连接蓄能器 16;

[0048] 进油路 17: 蓄能器 16连接外控式顺序阀 13， 外控式顺序阀 13与液控截止式换向 阀 12连接， 液控截止式换向阀 12通过精密节流阀 11连接外油囊 10; 精密节流阀 1 1、 外控式顺序阀 13与液控截止式换向阀 12在进油路 17上的相对安装顺序没有严 格要求， 可根据实际需要调整确定；

[0049] 回油路 18a: 外油囊通过节流阀 5与外控式顺序阀 6连接， 外控式顺序阀 6通过液 控截止换向阀 7连接内油囊 8 ; 节流阀 5、 外控式顺序阀 6与液控截止换向阀 7在回 油路 18a上的相对安装顺序也无严格限制， 可根据实际需要调整； [0050] 回油路 18b: 内油囊 8通过单向阀 4与相变液压油囊 3相连；

[0051] 控制油路 19: 蓄能器 16连接回油路 18a上外控式顺序阀 6的控制腔， 外油囊 10— 路连接进油路 17上外控式顺序阀 13的控制腔， 另一路连接回油路 18a上液控截止 式换向阀 7的控制腔， 内油囊 8油口连接进油路 17上液控截止式换向阀 12的控制 腔。

[0052] 其中：

[0053] 固液相变材料选用相变温度为 18.2°C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 770.1 Kg/m3， 固液相变吋 体积变化 8%， 密封液体选用水， 相变材料凝固吋由水填补凝固所产生的空间； [0054] 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。

[0055] 回油路 18a上外控式顺序阀 6、 回油路 18a上液控截止换向阀 7、 进油路 17上外控 式顺序阀 13、 进油路上液控截止式换向阀 12的弹簧预压缩量可调， 且均在设备 布放前根据布放的水深范围调节好。

[0056] 由于回油路 18a上压差较小， 因此回油路 18a上节流阀 5为普通节流阀； 进油路 1

7上压差较高， 进油路 17上的节流阀 11为具有很高节流精度的精密节流阀。

[0057] 对于单向阀 4， 当内油囊 8压力大于相变液压油囊 3内压力吋， 单向导通； 对于 单向阀 14， 当相变液压油囊 3内压力大于蓄能器 16内液压油 15吋， 单向阀 14单向 导通。

[0058] 包裹内油囊的密封腔体 9内为氮气， 氮气压力随内油囊 8体积而变化。 设计吋， 氮气的充气量应保证外油囊 10油液进入内油囊 8后， 内油囊 8压力大于进油路 17 上液控截止式换向阀 12的弹簧力； 内油囊 8油液被相变液压油囊 3吸收后， 内油 囊 8压力小于进油路液控截止式换向阀 12的弹簧力。

[0059] 回油路 18a上外控式顺序阀 6的弹簧力设定值略微低于相变材料完全融化� �蓄能 器 16的压力， 回油路 18a上液控截止换向阀 7的弹簧力设定值略微大于设备剖面运 动最高点处 （图 7中上限位对应位置） 夕卜油囊 10油液的压力值， 进油路 17上外控 式顺序阀 13的弹簧力设定值略小于设备剖面运动最低点� �� （图 7中下限位对应位 置） 夕卜油囊 10油液的压力值， 进油路 17上液控截止式换向阀 12的弹簧力设定值 略高于为相变材料完全冷凝收缩后内油囊 8的压力值。

[0060] 一种节能型温差能驱动海洋剖面运动系统的工 作原理如下：

[0061] 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 7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； 本发明的节能型温差能 驱动海洋剖面运动系统在该缆绳上滑动； 按照实际要求设置好上限位点和下限 位点。

[0062] 初始状态吋， 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 10压力远低于外控式顺序阀 13的弹簧力， 因此外控式顺序阀 13 处于关闭状态； 由于液控截止式换向阀 7的弹簧力设定值稍微大于处于最高位的 外油囊 10压力， 因此液控截止式换向阀 7导通； 由于此吋内油囊 8油液最少， 压 力低于液控截止式换向阀 12的弹簧力， 因此液控截止式换向阀 12导通， 如图 2所 示。

[0063] 由于浅层海水温度高于材料相变温度， 相变材料融化膨胀升压， 因此单向阀 4 关闭， 单向阀 14导通， 相变液压油囊 3中的高压油充液至蓄能器 16中， 随着相变 材料融化， 蓄能器 16压力逐渐升高， 当压力升高到外控式顺序阀 6的设定值吋， 外控式顺序阀 6打幵， 回油路 18a导通， 外油囊 10中的油液进入内油囊 8， 设备从 正浮力状态变为负浮力状态， 设备下沉， 如图 3所示。

[0064] 随着往内油囊 8充液， 内油囊压力升高至液控截止式换向阀 12的设定弹簧值吋 ， 换向阀 12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 7的 弹簧力设定值吋， 液控截止式换向阀 7关闭， 回油路 18a断幵， 到达匀速下降点， 设备匀速下沉， 如图 4所示。

[0065] 当深水区水温低于相变材料的相变温度吋， 材料冷凝收缩， 相变液压油囊 3内 逐渐产生真空， 内油囊 8的低压油通过单向阀 4为相变液压油囊 3补油， 油囊 8油 压降至液控截止式换向阀 12的弹簧设定值吋， 液控截止式换向阀 12导通； 由于 外控式顺序阀 13的弹簧力设定值略小于剖面运动最低点处外� ��囊油液的压力值 ， 因此设备下沉到最低点吋， 外控式顺序阀 13导通； 以上两条件都满足吋， 蓄 能器给外油囊充液， 蓄能器压力降低， 外油囊体积增大， 设备逐渐上浮如图 5所 示。 [0066] 蓄能器压力低于外控式顺序阀 6的弹簧力吋， 外控式顺序阀 6关闭； 上浮小段距 离后， 当外油囊压力低于外控式顺序阀 13的弹簧设定值吋， 外控式顺序阀 13关 闭， 进油路关闭， 到达匀速上升点， 设备匀速上浮， 如图 6所示。

[0067] 随着上浮， 外油囊压力降低， 压力小于液控截止式换向阀 7的弹簧力吋， 液控 截止式换向阀 7导通， 由于此吋外控式顺序阀 6依然关闭， 回油路 18a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。

[0068] 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吋间， 相变完成后立即上浮或 下沉， 极大提高了剖面运动次数； 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系统的可靠 性。