复合能源的水下滑翔器及其驱动方法技术

本发明专利技术公开了一种复合能源的水下滑翔器，它包括由依次联结的导流罩、燃料电池冷却腔、热机冷却腔、热机工作腔和密封底盘构成的总密封腔；所述燃料电池冷却腔和热机冷却腔均为带有单密封夹层的筒状壳体，夹层内灌装有冷却介质；所述热机工作腔为双密封夹层的壳体，所述外夹层中设置有保温材料，所述内夹层中设置有温敏材料和换热器；所述总密封腔内固定有方型支架，所述磁罗盘仪和控制电路板固定在方型支架的前端，所述方型支架的后端依次地设置有扭转姿态调整机构、俯仰姿态调整机构、含有质子交换膜燃料电池的电驱动装置和温差驱动装置；本发明专利技术中还公开了实现本发明专利技术水下滑翔器在近海和深海时的电驱动和温差驱动两种航行驱动方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机电一体化装置，尤其是涉及一种利用复合能源驱动的水下推进设备。
技术介绍
水下滑翔器是一种通过改变自身浮力和同时调整航行姿态来获得滑翔运动的一种新型水下机器人。它可携带各种传感器进行大范围长时序地深海测量，并且可以通过卫星定期将所获数据送回基站，因此它已成为了海洋环境监测的重要工具。目前水下滑翔器的动力能源主要有两种一种是采用电能，例如采用锂电池或碱性电池，如由Washington大学Eriksen等人研制的Seaglider水下滑翔器、由Scripps海洋研究所Sherman等人研制的Spray水下滑翔器和Webb实验室所研制的Slocum(电动)水下滑翔器均采用电池作为能源驱动。电驱动水下滑翔器虽然具有较高的工作可靠性，但也具有非常明显的缺点航行时间和距离均要受到电池容量的约束；工作在深海环境下，有时会因工作介质由于压力变化而析出气泡而发生柱塞泵“气锁”失效；电池的功率密度低，相对更换电池的成本较高。另一种是采用环境温差能作为动力的温差水下滑翔器，如Webb实验室所研制的Slocum(温差)，但由于温敏材料本身物理属性的限制，使其只能工作于深海环境下，而且还要受到纬度、气候以及洋流等因素造成的水域温差不足致使航行海域受限的制约，使其发展也受到了一定地制约。
技术实现思路
本专利技术为了实现对水下滑翔器能源利用技术的突破，提供了一种，实现了水下滑翔器既可以在近海利用质子交换膜燃料电池(在以下文字表述中简称为PEMFC)作为液压柱塞泵的动力源实现电驱动滑翔，也可以通过PEMFC热电联供的方式，在PEMFC为滑翔器内的用电器提供电能的同时，通过增加余热回收设备将PEMFC产生的热量供给温差热机，依靠PEMFC的余热来驱动水下滑翔器实现温差滑翔，这样不仅提高了PEMFC燃料的利用率，而且由于PEMFC的余热温度高于自然表层水温，使温差热机的工作性能也得到了明显地改善，从根本上解决了温差水下滑翔器航行海域受限的制约。本专利技术复合能源的水下滑翔器克服了电能与温差能水下滑翔器的单一驱动模式的缺点，扩大了水下滑翔器的应用范围，增强了工作的可靠性。本专利技术复合能源的水下滑翔器是通过以下技术方案予以实现的。它包括设置在总密封腔内的磁罗盘仪、控制电路板和液压柱塞泵，所述总密封腔由依次联结的导流罩、燃料电池冷却腔、热机冷却腔、热机工作腔和密封底盘组成；所述总密封腔的前端联结有头盖，所述总密封腔的后端依次联结有尾舱和尾舵，从而构成主体；所述燃料电池冷却腔和热机冷却腔均为带有单密封夹层的筒状壳体，夹层内灌装有冷却介质；所述热机工作腔为双密封夹层的壳体，所述外夹层中设置有保温材料，所述内夹层中设置有温敏材料和换热器；所述总密封腔内固定有方型支架，所述磁罗盘仪和控制电路板固定在方型支架的前端，所述方型支架的后端依次地设置有扭转姿态调整机构、俯仰姿态调整机构、电驱动装置和温差驱动装置；所述扭转姿态调整机构由相互啮合的大、小行星轮、旋转直流伺服电机、氢气瓶及氧气瓶构成；所述大行星轮固定在方型支架上，所述旋转直流伺服电机、氢气瓶及氧气瓶均固定在第一夹板上，并由轴承部件与方型支架联结，通过旋转氢气瓶和氧气瓶，以改变滑翔器在航行时的扭转角；所述俯仰姿态调整机构由固定在第二夹板(质子交换膜燃料电池的夹板)上的俯仰直流伺服电机、齿轮齿条传动机构和质子交换膜燃料电池构成；所述俯仰直流伺服电机带动所述齿轮使所述质子交换膜燃料电池在所述齿条导轨上移动，以控制滑翔器的重心与浮心的相对位置，以改变滑翔器在航行时的俯仰角；所述电驱动装置是在控制电路板的基础上还包括依次联结的直流伺服电机、螺母丝杠传动副、液压柱塞泵、二通电磁阀和外皮囊，所述液压柱塞泵壳体通过二通电磁阀与所述外皮囊相通，所述直流伺服电机通过螺母丝杠副驱动液压柱塞泵的活塞运动；由两个冷却二通电磁阀控制使质子交换膜燃料电池通过所述燃料电池冷却腔形成冷却回路；所述温差驱动装置是在质子交换膜燃料电池、燃料电池冷却腔、热机工作腔、热机冷却腔和外皮囊的基础上，还包括蓄能器和内皮囊，由两个二通电磁阀控制使质子交换膜燃料电池与燃料电池冷却腔形成冷却回路；由两个三通电磁阀控制使热机工作腔的换热器与热机冷却腔接通；所述热机工作腔连接有二通管接头，并通过橡胶管连接三通管接头的一个端口，所述三通管接头的另外两个端口，一路接于正向导通的第一单向阀的输入端，另一路接于反向导通的第二单向阀的输出端；所述第一单向阀的输出端分为两路一路与蓄能器相通，另一路经第一二通电磁阀连于外皮囊，反向导通的第二单向阀的输入端亦分为两路一路直接接于内皮囊，另一路经过第二二通电磁阀连接于外皮囊。本专利技术复合能源的水下滑翔器，其中，所述质子交换膜燃料电池的电池片加工成环形，各电池片叠加成电池堆后在中央形成通孔，所述方型支架由通孔中穿过，采用齿轮齿条机构来带动燃料电池堆，来实现对水下滑翔器俯仰姿态地调节。所述轴承部件包括固定架和一对角接触球轴承，所述氢气瓶和氧气瓶由所述轴承固定架固定在所述角接触球轴承上，所述角接触球轴承通过轴承挡块安装在方型支架上，采用外行星轮机构来扭转所述氢气瓶和氧气瓶，来实现对水下滑翔器扭转姿态地调节。所述液压柱塞泵由液压柱塞泵直流伺服电机驱动螺母丝杠副传动给活塞，使活塞在液压柱塞泵壳体中作往复运动。所述温敏材料为石蜡类材料，所述传递介质为纯水。本专利技术复合能源的水下滑翔器采用电驱动的方法包括以下步骤(1-A)设定滑翔器浮力略大于重力，控制电路板存储预设的参数；(1-B)控制电驱动装置中的二通电磁阀和直流伺服电机，驱动活塞向上运动，传递介质流出外皮囊，水下滑翔器浮力减少开始下沉，所述二通电磁阀关闭；(1-C)控制电路板控制俯仰姿态调整机构中的俯仰伺服电机，并调整质量块的位置，使水下滑翔器重心前移，产生向下的俯角，并通过翅膀的水动力作用，获得向前的水平速度；(1-D)磁罗盘仪实时测量水下滑翔器的俯角，并将该信息反馈给控制电路板；(1-E)判断所测俯角是否等于预设俯角，及水下滑翔器当前深度是否等于预设值，否则，返回步骤(1-C)；(1-F)控制电路板发出信号打开所述二通电磁阀，控制直流伺服电机反转，所述活塞向下运动，所述传递介质被推进外皮囊，水下滑翔器浮力增加开始上升；(1-G)控制电路板控制俯仰姿态调整机构中的俯仰伺服电机，并调整质量块的位置，使水下滑翔器重心后移，产生向上的仰角；(1-H)磁罗盘仪实时测量滑翔器的仰角，并将该信息反馈给控制电路板；(1-I)判断所测仰角是否等于预设仰角，水下滑翔器当前深度是否等于预设值，否则返回步骤(1-G)；(1-J)当水下滑翔器上浮至水表面便完成一个工作循环。本专利技术复合能源的水下滑翔器采用温差驱动的方法包括以下步骤(2-A)控制电路板预设参数，蓄能器内预充压力、总密封腔内部分真空、温敏材料完全融化到液态；(2-B)打开温差驱动装置中的第一二通电磁阀，外皮囊内的传递介质流入内皮囊，水下滑翔器浮力减小开始下沉；(2-C)所述两个冷却二通电磁阀同时打开，质子交换膜燃料电池与燃料电池冷却腔形成冷却回路，将余热散出到外界环境中；(2-D)所述两个三通电磁阀，其中一个的2、3位，和另外一个的1、3位接通，使热机工作腔中的换热器与热机冷却腔接通；(2-E)当海水温度小于温敏材料的相变温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合能源的水下滑翔器，包括设置在总密封腔内的磁罗盘仪、控制电路板和液压柱塞泵，其特征在于：　　　　所述总密封腔由依次联结的导流罩、燃料电池冷却腔、热机冷却腔、热机工作腔和密封底盘组成；所述总密封腔的前端联结有头盖，所述总密封腔的后端依次联结有尾舱和尾舵，从而构成主体；所述燃料电池冷却腔和热机冷却腔均为带有单密封夹层的筒状壳体，夹层内灌装有冷却介质；所述热机工作腔为双密封夹层的壳体，所述外夹层中设置有保温材料，所述内夹层中设置有温敏材料和换热器；　　　　所述总密封腔内固定有方型支架，所述磁罗盘仪和控制电路板固定在方型支架的前端，所述方型支架的后端依次地设置有扭转姿态调整机构、俯仰姿态调整机构、电驱动装置和温差驱动装置；　　　　所述扭转姿态调整机构由相互啮合的大、小行星轮、旋转直流伺服电机、氢气瓶及氧气瓶构成；所述大行星轮固定在方型支架上，所述旋转直流伺服电机、氢气瓶及氧气瓶均固定在第一夹板上，并由轴承部件与方型支架联结，通过旋转和扭转氢气瓶和氧气瓶，以改变滑翔器在航行时的扭转角；　　　　所述俯仰姿态调整机构由固定在第二夹板上的俯仰直流伺服电机、齿轮齿条传动机构和质子交换膜燃料电池构成；所述俯仰直流伺服电机带动所述齿轮使所述质子交换膜燃料电池在所述齿条导轨上移动，以控制滑翔器的重心与浮心的相对位置，以改变滑翔器在航行时的俯仰角；　　　　所述电驱动装置是在控制电路板的基础上还包括依次联结的直流伺服电机、螺母丝杠传动副、液压柱塞泵、二通电磁阀和外皮囊，所述液压柱塞泵壳体通过二通电磁阀与所述外皮囊相通，所述直流伺服电机通过螺母丝杠副驱动液压柱塞泵的活塞运动；由两个冷却二通电磁阀控制使质子交换膜燃料电池通过所述燃料电池冷却腔形成冷却回路；　　　　所述温差驱动装置是在质子交换膜燃料电池、燃料电池冷却腔、热机工作腔、热机冷却腔和外皮囊的基础上，还包括蓄能器和内皮囊，由两个二通电磁阀控制使质子交换膜燃料电池与燃料电池冷却腔形成冷却回路；由两个三通电磁阀控制使热机工作腔的换热器与热机冷却腔接通；　　　　所述热机工作腔连接有二通管接头，并通过橡胶管连接三通管接头的一个端口，所述三通管接头的另外两个端口，一路接于正向导通的第一单向阀的输入端，另一路接于反向导通的第二单向阀的输出端；所述第一单向阀的输出端分为两路：一路与蓄能器相通，另一路经第一二通电磁阀连于外皮囊，反向导通的第二单向阀的输入端亦分为两路：一路直接接于内皮囊，另一路经...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王树新，谢春刚，王延辉，黄伟，王晓鸣，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]