一种温差能水下热滑翔机的自适应型驱动装置的制作方法

1.本发明属于温差能水下热滑翔机领域，具体涉及到的是一种随温度自适应响应的动力驱动装置。
技术背景
2.海洋中蕴含着极其丰富的生物资源、矿物资源、化学资源和动力资源等，这些海洋资源对于维系人类社会的生存和发展起到巨大的作用。随着人们对海洋探索的不断深入，催生了水下探测机器人的发展。其中，温差能水下热滑翔机凭借其结构简单、能耗经济性高、成本低及使用寿命长等优势，在海洋环境探测、海洋资源开发以及海洋国防安全等方面具有广泛的应用前景。
3.温差能水下热滑翔机是一种利用相变材料相态变化过程中伴随的体积变化响应实时动态调节自身浮力以实现下沉、巡航工作及上浮回收等功能的海洋科考机器设备。常见的温差能水下热滑翔机的动力系统主要由机身、储热管阵列、橡胶管及外皮囊等构成。其中，储热管阵列作为重要的驱动装置，其内部相变材料的熔化和凝固速率直接决定了温差能水下热滑翔机的巡航时间、回收速度以及水面滞留时间。为了满足日益多样化的科考需求，新一代温差能水下热滑翔机需要增加储热管以适应更大深度以及更长时间的探测任务。然而，相变材料熔化时间的延长将导致温差能水下热滑翔机的回收时间以及在浅水层和水面停留时间的延长，这必然将增加其与水面航行器（如渔船、货轮等）相撞损毁和保密性研究资料外泄的风险。因而，迫切需要发展新型相变传热强化技术以求在不影响储热管阵列中相变材料凝固进程的同时大幅度缩短其熔化进程。
4.目前，温差能水下热滑翔机领域现有的相变传热强化技术主要还是添加导热肋片以及选用添加高传导介质的复合相变材料等方法。然而，这些技术对储热管阵列中相变传热过程的强化作用十分有限，但是却进一步增大了整个系统的重量，严重削弱了温差能水下热滑翔机的下潜深度、巡航时间及回收速度等工作性质。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种利用随温度变化自适应激发形变响应的形状记忆结构在海水温度升高时长期维持储热筒内相变材料高效接触熔化模式的温差能水下热滑翔机的自适应型驱动装置，该发明在不影响水下热滑翔机自身重量的前提下通过加快相变材料的熔化速率极大地提升了巡航驱动速度，进而在维持下潜深度不变的条件下缩短了在浅水层和水面的停留时间。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种温差能水下热滑翔机的自适应型驱动装置，其特征在于：包括储热筒、传热支架、导热杆、自适应驱动支架、弹性多孔薄膜、橡胶管、相变材料及传动液；在所述储热筒与橡胶管间填充所述相变材料，所述橡胶管中充满所述传动液；所述传热支架沿所述储热筒的轴向布置，所述导热杆沿所述储热筒的径向布置；所述自适应驱动支架嵌套在所述橡胶
管表面，所述自适应驱动支架的两端连接在所述传热支架上，所述储热筒、传热支架、导热杆及自适应驱动支架形成变形的立体传热网络，当温度升高后，所述自适应驱动支架径向膨胀驱动固态相变材料迫近所述储热筒，同时将所述储热筒附近的液态相变材料挤压到所述橡胶管周围，而当温度下降后，所述自适应驱动支架会沿径向快速收缩恢复原形；所述弹性多孔薄膜套在所述自适应驱动支架上，固相的所述相变材料位于所述弹性多孔薄膜与储热筒之间，液相的所述相变材料可从所述弹性多孔薄膜渗透至弹性多孔薄膜与橡胶管之间；所述相变材料熔化时，体积膨胀挤压所述橡胶管表面，驱动内部传动液外流；而所述相变材料凝固时，体积收缩释放所述橡胶管的表面压力，使得传动液回流。
7.所述传热支架在所述储热筒内沿轴向等间距布置，每个所述传热支架均为轮辐式结构，其外环连接所述储热筒的内壁面，所述传热支架内环箍在所述橡胶管外部，内外环之间通过细长型圆柱辐条连接固定。所述导热杆被固定在所述传热支架的内环上，并在所述储热筒内沿径向呈均匀圆形阵列布局。当所述储热筒受热时，所述传热支架和导热杆共同构建了径向和轴向的复杂传热网络，将热量及时得扩散到相变材料中。而且，通过加快所述传热支架和导热杆附近相变材料的熔化进程，从而为所述储热筒周围液态相变材料向中心所述橡胶管流动提供通道。除此之外，所述传热支架和导热杆还能起到限制所述橡胶管的作用，防止所述橡胶管由于液态相变材料挤压力的施加或释放而在所述储热筒中无序移动。
8.所述自适应驱动支架呈中空直圆柱网状结构，且能够随温度变化触发结构形变响应。所述自适应驱动支架的两端与所述传热支架连接形成传热通路，当温度升高后，所述自适应驱动支架径向膨胀；而当温度下降后，所述自适应驱动支架会沿径向快速收缩恢复原形。基于这一响应机制，所述自适应驱动支架在受热膨胀时会持续驱动固态相变材料迫近所述储热筒，同时将所述储热筒附近的液态相变材料排挤到所述橡胶管周围以挤压其内部的传动液循环，进而通过长期地维持稳定、高效的接触熔化来提升自适应驱动能力。
9.所述弹性多孔薄膜具有超弹性和高渗透性，能够在反复拉伸后恢复原形。随着所述储热筒温度的变化，所述弹性多孔薄膜能够跟随所述自适应驱动支架一起膨胀和收缩。基于这一功能，所述弹性多孔薄膜能随所述自适应驱动支架共同挤压所述相变材料，增大了所述自适应驱动支架与相变材料的接触熔化传热效率，同时为液态的相变材料提供了渗透通道。
10.所述储热筒、导热杆和传热支架均由高热导率耐腐蚀固体材料制成，包含但不限于铜、航空铝合金等。
11.所述自适应驱动支架选用随温度变化具有形状记忆功能的材料，包含但不限于镍钛基和铜基形状记忆合金。
12.所述弹性多孔薄膜选用柔性高分子材料，包含但不限于聚酰胺类、聚丙烯类以及聚四氟乙烯类。
13.所述相变材料包含但不限于石蜡类、氯代十二烷等。
14.本发明提出的温差能水下热滑翔机的自适应型驱动装置与现有的温差能驱动技术相比具有明显的优势。首先，本发明利用了传热支架和导热杆的合理组合构建了径向和轴向的复杂传热网络，将热量及时的在相变材料中扩散开来，同时加快传热支架和导热杆附近相变材料的熔化进程，为储热筒周围液态相变材料向中心橡胶管流动提供通道。与传
统驱动装置相比，这一设计不仅有效改善了储热筒内相变材料的均温性，而且加快了液态相变材料向中心橡胶管表面迁移的进程。更重要的是，本发明利用能够随温度变化自适应响应的自适应驱动支架的径向膨胀特性，给储热筒中部固态相变材料施加额外的径向压力，以维持相变材料长期、稳定、高效的接触熔化，突破了传统固液相变被动传热强化技术效率低下的技术瓶颈，实现了长期维持快速熔化速率的目的，进而为温差能水下热滑翔机的热驱动装置设计优化提供了一种非常有潜力的技术方案。
15.有益效果本发明提出的温差能水下热滑翔机的自适应型驱动装置通过合理布置传热支架和导热杆构建了复杂的高效传热网络，提高了热量在相变材料中的扩散速率，加快了传热支架和导热杆附近相变材料的熔化进程，为液态相变材料向中心迁移提供通道。此外，本发明利用自适应驱动支架受热时的径向膨胀特性在相变材料上施加了额外的径向压力，进而维持长期稳定的半主动式接触熔化模式。基于这一工作机理，本发明解决了传统温差能水下热滑翔机相变材料熔化速率不断下降的难题，突破了传统的固液相变被动传热强化方法效果有限的技术瓶颈，达到熔化过程长期维持快速熔化速率的目的，为温差能水下热滑翔机的长航时、高效率和高可靠性使用提供了一种行之有效的解决方案。
附图说明
16.图1温差能水下热滑翔机的自适应型驱动装置示意图；图2自适应型驱动装置的内部传热网络图；图3自适应驱动支架不同状态下的结构示意图，其中：（a）低于变态温度，（b）高于变态温度；图4自适应型驱动装置的工作原理图，其中：（a）加热前，（b）加热后；图5温差能水下热滑翔机驱动装置的性能对比，其中：（a）传统驱动装置，（b）自适应驱动装置。
17.图中： 1、传热支架，2、储热筒，3、橡胶管，4、导热杆，5、上端盖，6、下端盖、7、自适应驱动支架，8、弹性多孔薄膜，9、固态相变材料，10、液态相变材料，11、立体传热网络，12、三明治型加热模式。
具体实施方案
18.下面结合附图对该装置做更进一步的详细阐述。
19.图1为温差能水下热滑翔机的自适应驱动装置示意图，包括了传热支架1，储热筒2，橡胶管 3，导热杆4，上端盖5，下端盖6，自适应驱动支架7、弹性多孔薄膜8，固态相变材料9。其中，上端盖5为密封端，而下端盖6设置有传动液出口与外部装置联通，该传动液出口与橡胶管3连通并密封，防止传动液进入储热筒2。固态相变材料9被填充在储热筒2与橡胶管3之间，而橡胶管3中充满传动液。传热支架1在储热筒2内沿轴向等间距布置，导热杆4在储热筒2内沿径向呈均匀圆形阵列布局，导热杆4的连接在传热支架1上。收缩状态下的自适应驱动支架7嵌套在中心的橡胶管3表面，并在两端与传热支架1连接固定。弹性多孔薄膜8嵌套在自适应驱动支架7上，并可在自适应驱动支架7受热下膨胀，降温下收缩。储热筒2、传热支架1、导热杆4及自适应驱动7支架形成变形的立体传热网络11。
20.在一个实施例中，传热支架1均为轮辐式结构，包括外环、内环以及连接外环和内环之间的辐条，外环连接储热筒2的内壁面，内环固定在橡胶管3外部。导热杆4被固定传热支架的内环上，当储热筒2受热时，热量经储热筒依次传递给径向的传热支架1和轴向的导热杆4，储热筒2与传热支架1及导热杆4共同构建了径向和轴向的传热网络，同时为储热筒2周围液态相变材料向中心橡胶管3流动提供通道。除此之外，传热支架1和导热杆4还能起到限制橡胶管3的作用，防止橡胶管3由于液态相变材料10挤压力的施加或释放而在储热筒2中无序移动。
21.图2为自适应型驱动装置的内部传热网络图，实线箭头指示热量传递方向。本发明的立体传热网络11主要由储热筒2、传热支架1、导热杆4及自适应驱动支架7构建而成。当储热筒2表面受热，热量通过立体传热网络11快速传递至储热筒2内部的各个位置，同时通过自适应驱动支架7和传热支架1组建的热通路将热量输送到固态相变材料9的另一侧，从而形成对固态相变材料9的三明治型加热模式12。
22.图3为自适应驱动支架7不同状态下的结构示意图。当自适应驱动支架7的温度低于其变态温度时，自适应驱动支架7处于紧缩状态，如图3a所示；而当自适应驱动支架7受热且温度高于其变态温度后，自适应驱动支架7开始径向膨胀，最终状态如图3b所示。
23.图4为自适应型驱动装置工作原理图。当储热筒2表面受热温度升高，一部分热量传递至固态相变材料9中，使得储热筒2内壁面附近的固态相变材料9吸热并开始熔化；一部分热量通过图2所示的立体传热网络11快速传递至储热筒2的各个部位，同时激发对储热筒2中心固态相变材料9的三明治型加热模式12，同时自适应驱动支架7开始径向膨胀，拉伸弹性多孔薄膜8，共同驱使固态相变材料9迫近储热筒2的内壁面以维持长期、稳定且高效的接触熔化，外层熔化的液态相变材料10沿图2所示通道迁移至橡胶管3表面，同时，自适应驱动支架7表面熔化的液态相变材料10一部分沿着传热支架1和导热杆4附近相变材料融化后形成的运输通道迁移，另一部分渗透过弹性多孔薄膜8，一起汇合至橡胶管3表面，进而压迫其内部传动液激发驱动能力。需要说明的是，图4中的实心箭头表示固态相变材料9受自适应驱动支架7挤压的移动方向，空心箭头表示液态相变材料10向中心橡胶管3表面迁移的方向。
24.图5为温差能水下热滑翔机驱动装置的性能对比。图5(a)所示的传统驱动装置中，相变材料的体积变化率由于熔化后期熔化速率下降会逐渐衰减。针对温差能水下热滑翔机而言，相变材料的体积变化率直接影响了其巡航速度，因而这将导致温差能水下热滑翔机的回收航速下降，并延长了其在浅水层和水面的停留时间，这必然将增加其与水面航行器（如渔船、货轮等）相撞损毁和保密性研究资料外泄的风险。图5(b)所示的本发明自适应驱动装置中，相变材料的体积变化率一直维持在较高的水平，这将使得温差能水下热滑翔机的回收航速一直维持较高的水平，同时也将缩短温差能水下热滑翔机在浅水层和水面的停留时间，进而提高温差能水下热滑翔机可靠性、安全性以及保密性。

技术特征：
1.一种温差能水下热滑翔机的自适应型驱动装置，其特征在于：包括储热筒、传热支架、导热杆、自适应驱动支架、弹性多孔薄膜、橡胶管、相变材料及传动液；在所述储热筒与橡胶管间填充所述相变材料，所述橡胶管中充满所述传动液；所述传热支架沿所述储热筒的轴向布置，所述导热杆沿所述储热筒的径向布置；所述自适应驱动支架嵌套在所述橡胶管表面，所述自适应驱动支架的两端连接在所述传热支架上，所述储热筒、传热支架、导热杆及自适应驱动支架形成变形的立体传热网络，当温度升高后，所述自适应驱动支架径向膨胀驱动固态相变材料迫近所述储热筒，同时将所述储热筒附近的液态相变材料挤压到所述橡胶管周围，而当温度下降后，所述自适应驱动支架会沿径向快速收缩恢复原形；所述弹性多孔薄膜套在所述自适应驱动支架上，固相的所述相变材料位于所述弹性多孔薄膜与储热筒之间，液相的所述相变材料可从所述弹性多孔薄膜渗透至弹性多孔薄膜与橡胶管之间；所述相变材料熔化时，体积膨胀挤压所述橡胶管表面，驱动内部传动液外流；而所述相变材料凝固时，体积收缩释放所述橡胶管的表面压力，使得传动液回流。2.根据权利要求1所述的温差能水下热滑翔机的自适应驱动装置，其特征在于：所述传热支架在所述储热筒内沿轴向等间距布置，每个所述传热支架均为轮辐式结构，包括外环、内环以及连接外环和内环之间的辐条，外环连接所述储热筒内壁面，所述传热支架内环箍在所述橡胶管外部；所述导热杆被固定在所述传热支架的内环上；当所述储热筒受热时，热量经储热筒依次传递给径向的所述传热支架和轴向的所述导热杆，储热筒与传热支架及导热杆共同构建了径向和轴向的传热网络，同时为所述储热筒周围液态相变材料向中心所述橡胶管流动提供通道。3.根据权利要求2所述的温差能水下热滑翔机的自适应驱动装置，其特征在于：所述导热杆在所述储热筒内沿径向呈均匀圆形阵列布局。4.根据权利要求1所述的温差能水下热滑翔机的自适应驱动装置，其特征在于：所述自适应驱动支架呈中空直圆柱网状结构。5.根据权利要求1所述的温差能水下热滑翔机的自适应驱动装置，其特征在于：所述储热筒、导热杆和传热支架均由高热导率耐腐蚀固体材料制成。6.根据权利要求5所述的温差能水下热滑翔机的自适应驱动装置，其特征在于：高热导率耐腐蚀固体材料包含但不限于铜及航空铝合金。7.根据权利要求5所述的温差能水下热滑翔机的自适应驱动装置，其特征在于：所述自适应驱动支架选用随温度变化具有形状记忆功能的材料。8.根据权利要求7所述的温差能水下热滑翔机的自适应驱动装置，其特征在于：具有形状记忆功能的材料包含但不限于镍钛基和铜基形状记忆合金。9.根据权利要求7所述的温差能水下热滑翔机的自适应驱动装置，其特征在于：所述弹性多孔薄膜选用柔性高分子材料，包含但不限于聚酰胺类、聚丙烯类以及聚四氟乙烯类。10.根据权利要求7所述的温差能水下热滑翔机的自适应驱动装置，其特征在于：所述相变材料包含但不限于石蜡类及氯代十二烷。

技术总结
本发明公开了一种温差能水下热滑翔机的自适应型驱动装置，包括储热筒、传热支架、导热杆、自适应驱动支架、弹性多孔薄膜、橡胶管、相变材料及传动液；所述储热筒与橡胶管间填充相变材料；所述橡胶管中充满传动液；所述传热支架在储热筒内沿轴向等间距布置；所述导热杆两端与所述传热支架连接形成传热通路；所述弹性多孔薄膜包裹在所述自适应驱动支架表面并将其与相变材料隔开。与传统的温差能水下热滑翔机驱动装置相比，本发明有效解决了相变材料熔化速率不断下降导致的驱动能力衰减难题，能够大幅缩减温差能水下热滑翔机在浅水层和水面的停留时间，进而为适应现代化海洋科考需求提供了一种高可靠、高效率且使用寿命长的技术方案。案。案。


技术研发人员：陈永平 黄永平 王佳典 吴哲 沙浩男 姜东岳 翟昊 张程宾
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇三研究所
技术研发日：2022.12.05
技术公布日：2023/5/26