专利名称：复合能源的水下滑翔器及其驱动方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。
发明内容
本发明为了实现对水下滑翔器能源利用技术的突破，提供了一种复合能源的水下滑翔器及其驱动方法，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。本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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时，温敏材料的热量通过换热器中的冷却介质带入热机冷却腔，最终释放到外部环境中；(2-F)当温敏材料相变为固态时，内皮囊中的传递介质经过第二单向阀(17-2)流入热机工作腔；同时，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；(2-G)磁罗盘仪实时测量滑翔器的俯角，并将该信息反馈给控制电路板；(2-H)判断当前俯角是否等于预设俯角，及水下滑翔器的当前深度等于预设值，否则，返回步骤(2-F)；(2-1)到达预定深度后，第二二通电磁阀打开，蓄能器中的传递介质流入外皮囊，外皮囊体积增大，水下滑翔器上升；(2-J)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，并通过翅膀的水动力作用，获得向前的水平速度；(2-K)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；(2-L)判断当前仰角是否等于预设仰角，及水下滑翔器的当前深度等于预设值，否则，返回步骤(2-J)；(2-M)两个冷却二通电磁阀同时关闭，两个三通电磁阀，其中一个的1、3位，另外一个的2、3位接通，质子交换膜燃料电池的余热通过换热器传导给温敏材料，保温材料可以防止燃料电池的余热流失到外界环境中去；(2-N)温敏材料因受热而发生相变融化，体积膨胀；传递介质从热机工作腔经过第一单向阀流入蓄能器以储备能量；(2-O)当水下滑翔器上浮至水表面便完成一个工作循环。
与现有技术相比，本发明的有益效果是由于采用PEMFC作为水下滑翔器的综合驱动能源，使水下滑翔器具备电能和温差能两种航行驱动模式，因此复合能驱动的水下滑翔器能适应在不同深度下的工作要求，并且由于采用PEMFC作为温差热机的内热源，使PEMFC的燃料利用率得到明显的提高，温差热机的工作性能也得到了明显的改善，从根本上解决了温差水下滑翔器因受自然海域温度分布而致使航行海域受限的制约。本发明中是将PEMFC作为水下滑翔器的综合动力源，既可以通过PEMFC提供电能驱动液压柱塞泵实现在近海的电驱动滑翔模式，也可以通过将PEMFC作为温差热机系统的内热源，利用PEMFC的热电联供系统来实现滑翔器的温差驱动滑翔模式。
图1是本发明复合能源的水下滑翔器组装结构示意图；图2-1是图1所示水下滑翔器前部结构局部放大图；图2-2是图1所示水下滑翔器中部结构局部放大图；图2-3是图1所示水下滑翔器后部结构局部放大图；图3-1和图3-2是本发明水下滑翔器工作在近海环境时电驱动方法的流程图；图4-1、图4-2和图4-3是本发明水下滑翔器工作在深海环境时温差驱动方法的流程图；图5是本发明水下滑翔器扭转姿态调整机构的工作流程图；图6是本发明水下滑翔器的电路控制关系图。
下面是说明书附图中主要部位附图标记的说明4——外皮囊 9——热机工作腔 10——传递介质11——保温材料 12——换热器 13——温敏材料17——单向阀 18——热机冷却腔 19——蓄能器21——翅膀 22——直流伺服电机23——质子交换膜燃料电池24——燃料电池冷却腔 25——方型支架29——氢气瓶30——大行星轮 31——磁罗盘仪36——控制电路板37——小行星轮 39——旋转直流伺服电机40——氧气瓶43——齿条导轨 44——传动齿轮45——俯仰直流伺服电机47——活塞 49-1、49-2——三通电磁阀 55——内皮囊15-1、15-2——第一、二二通电磁阀 42-1、42-2-冷却二通电磁阀50——柱塞泵二通电磁阀具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。
本发明复合能源的水下滑翔器的结构如图1、图2-1、图2-2和图2-3所示。它包括尾舵1、连接螺钉2、尾舱3、外皮囊4、配重5、密封底盘6、密封螺钉7、O形密封圈8、热机工作腔9、传递介质10、保温材料11、换热器12、温敏材料13、橡胶管14、二通电磁阀15、三通管接头16、单向阀17、热机冷却腔18、蓄能器19、蓄能器支架20、翅膀21、直流伺服电机22、质子交换膜燃料电池23、燃料电池冷却腔24、方型支架25、紧固螺钉26、轴承挡块27、角接触球轴承28、氢气瓶29、大行星轮30、磁罗盘仪31、导流罩32、紧定螺钉33、头盖34、方型支架连接块35、控制电路板36、小行星轮37、轴承固定架38、旋转直流伺服电机39、氧气瓶40、第一夹板41、两个冷却二通电磁阀42-1、42-2、齿条导轨43、传动齿轮44、俯仰直流伺服电机45、螺母丝杠副46、活塞47、液压柱塞泵壳体48、两个三通电磁阀49-1、49-2、柱塞泵二通电磁阀50、方型支架连接板51、蓄能器支架上盖52、阀支架53、内皮囊支架上盖54、内皮囊55和内皮囊支架56。
由密封底盘6连接于热机工作腔9的底部，热机工作腔9的顶部连接于热机冷却腔18的底部，热机冷却腔的顶部连接于燃料电池冷却腔24的底部，燃料电池冷却腔24的顶部连接于导流罩32，各部件之间通过密封螺钉7和O形密封圈8连接，从而构成水下滑翔器的总密封腔。方型支架25通过方型支架连接块35和方型支架连接板51由螺钉固定在滑翔器的壳体之中。在方型支架25上由前至后分别安装了磁罗盘仪31、控制电路板36、扭转姿态调整机构、俯仰姿态调整机构、液压柱塞泵以及柱塞泵二通电磁阀50。其中扭转姿态调整机构由大行星轮30、轴承挡块27、角接触球轴承28、轴承固定架38、第一夹板41、旋转直流伺服电机39、氢气瓶29和氧气瓶40组成。大行星轮30和固定在第一夹板上的旋转直流伺服电机39以及小行星轮37组成了扭转姿态的传动机构。其中，在扭转姿态调整机构中，大行星轮30通过螺钉固定在方型支架25上，氢气瓶29和氧气瓶40通过第一夹板41固定在一起作为扭转质量块，大行星轮30和固定在第一夹板上的旋转直流伺服电机39以及小行星轮37组成了滑翔器扭转姿态的传动机构。扭转质量块由一对轴承固定架38-1、38-2安装在一对角接触球轴承28-1、28-2上，角接触球轴承28再通过轴承挡块27-1、27-2安装在方型支架25上。在俯仰姿态调整机构中，由质子交换膜燃料电池23作为俯仰调整的质量块，俯仰直流伺服电机45以及传动齿轮44固定在质子交换膜燃料电池23的第二夹板上，它们与固定在方型支架25的齿条导轨43组成了俯仰姿态的传动机构。其中质子交换膜燃料电池23的电池片被加工成环形，以便方型支架25由中间穿入。液压柱塞泵由液压柱塞泵直流伺服电机22驱动螺母丝杠副46传动给活塞47，使其在液压柱塞泵壳体48中能作上下往复运动。由柱塞泵二通电磁阀50来控制滑翔器对浮力驱动机构的选择。热机工作腔9设计为带有双夹层的圆柱型密封体，温敏材料13灌装于热机工作腔9的夹层内层。热机工作腔9的夹层外层灌装有保温材料11，热机工作腔9首先连接二通管接头，然后通过橡胶管14连接三通管接头16的一个端口，三通管接头16的另外两个端口，一路接于正向导通的第一单向阀17-1的输入端，另一路接于反向导通的第二单向阀17-2的输出端，第一单向阀17-1的输出端分为两路一路与蓄能器19相通，另一路经第一二通电磁阀15-1连于外皮囊4，反向导通的第二单向阀17-2的输入端亦分为两路一路直接接于内皮囊55，另有一路经过二通电磁阀15-2连接于外皮囊4。内皮囊55由内皮囊支架56支撑并用内皮囊支架上盖54固定。蓄能器19由蓄能器支架20支撑，用蓄能器支架上盖52固定。阀支架53用来固定二通电磁阀15-1、15-2。在密封底盘6的下部装有配重5，用来调整水下滑翔器在水中的浮力与重力的比率。选用具有温度敏感性的石蜡类作为温敏材料13灌装在热机工作腔9的内部夹层，能够在不同温度下实现固态与液态的转变，保温材料11用于对温敏材料13的绝热保温。在内皮囊55、外皮囊4以及液压循环系统内灌装以纯水作为传递介质10。热机冷却腔18和燃料电池冷却腔24都是一种单夹层式的密封壳体，里面灌装以纯水作为冷却介质，分别为温差热机以及燃料电池实现冷却散热。对于温差热机和燃料电池的冷却回路分别由冷却二通电磁阀42-1、42-2和三通电磁阀49-1、49-2来实现控制。
实施例对本实施例而言，复合能源的水下滑翔器的工作环境条件设定如下工作深度1500M；密封腔材料及尺寸密封底盘6、热机工作腔9、热机冷却腔18、燃料电池冷却腔24以及导流罩32均使用铝合金材料并组成密封腔，其外形尺寸是密封腔总长2500mm，主体外壳直径250mm，壁厚12mm；外皮囊4容积为900毫升；液压柱塞泵密封腔直径90mm，活塞可移动距离150mm；液压柱塞泵壳体48、活塞47、螺母丝杠副46以及柱塞泵密封盖及支撑架均为铝合金材料；直流伺服电机45的工作电压为12V，功率为60W；质子交换膜燃料电池23的额定功率100W，电压12V，有效膜面积32cm2，外形尺寸长98mm，宽60mm，高99mm；其中质子交换膜燃料电池23的电池片被加工成环形，以便方型支架25由中间穿入；蓄能器19采用工作容积为2L、工作压力20Mpa的隔膜蓄能器；电磁阀15、单向阀17的工作压力均为15Mpa；温敏材料13为C16H34(16烷)，固液相变温度16℃，灌装于热机工作腔9内部；传递介质10采用纯水灌装于内皮囊55、外皮囊4以及液压循环系统内；蓄能器19的预充压力为15兆帕，密封壳体内部保持0.7个大气压；在热机冷却腔18、燃料电池冷却腔24以及冷却循环系统内也采用纯水作为冷却介质。本实施例中的电路控制关系如图6所示。
本发明复合能源的水下滑翔器分别工作在近(浅)海或深海环境中采用不同驱动航行模式的工作过程如下一、当水下滑翔器工作在近海环境时，采用电驱动航行模式，如图3-1和图3-2所示。
首先，水下滑翔器漂浮在水面上，浮力略大于重力。控制电路板36发出信号给柱塞泵二通电磁阀50和直流伺服电机22，使得柱塞泵二通电磁阀50打开，同时控制电路板36驱动直流伺服电机22旋转。直流伺服电机22通过螺母丝杠副46驱动活塞47向上运动，由于外皮囊4与液压柱塞泵壳体48相通，进而传递介质10流出外皮囊4，水下滑翔器的浮力减小，开始下沉，此时柱塞泵二通电磁阀50关闭。与此同时，控制电路板36发出信号驱动俯仰直流伺服电机45通过传动齿轮44使作为俯仰姿态调整质量块的质子交换膜燃料电池23在齿条导轨43上前移，因此水下滑翔器重心前移，产生向下的俯仰角，通过翅膀21的水动力作用，获得了向前的水平速度。水下滑翔器的俯仰角大小，由质量块移动的距离来控制，在控制电路板36中预先设定好俯仰角的大小，通过磁罗盘仪31实时测量水下滑翔器的俯仰角，将反馈来的信号输送给控制电路板36，由控制电路板36驱动俯仰直流伺服电机45进行相应调整。
当水下滑翔器到达预定深度时，压力传感器给出反馈信号，控制电路板36给出信号，使得柱塞泵二通电磁阀50打开，同时控制直流伺服电机22反向旋转，柱塞泵壳体48中的活塞47向下运动，传递介质10被推进外皮囊4内，水下滑翔器因为浮力增加而上升。同时控制电路板36发出信号驱动俯仰直流伺服电机45驱动俯仰姿态调整质量块即质子交换膜燃料电池23在齿条导轨43上后移，使水下滑翔器重心后移，产生向上的俯仰角，磁罗盘31将所测得航行姿态角的信号反馈给控制电路板36，以调整对俯仰直流伺服电机45的控制信号。在上升和下降的过程中，水下滑翔器通过携带的传感器记录数据，质子交换膜燃料电池23为水下滑翔器中的电机及传感器、控制电路板提供电能。冷却二通电磁阀42-1、42-2同时打开，质子交换膜燃料电池23与燃料电池冷却腔24形成冷却回路，将余热散出到外界环境中去。
如图5所示，在滑翔器需要改变航向时，旋转直流伺服电机39通过驱动小行星轮37在大行星轮30上滚动，带动以氢气瓶29和氧气瓶40为扭转质量块绕方型支架25作转动。这样通过改变滑翔器在航行时的扭转角，以在翅膀21产生的水动力分力作为向心力，来实现滑翔器在滑翔的过程中改变航向。
二、当水下滑翔器工作在深海环境时，采用PEMFC内温差驱动航行模式，如图4-1、图4-2和图4-3所示。
开始工作时，水下滑翔器处在水表层，其姿态保持水平，蓄能器19内预充一定的压力，该压力稍大于工作深度的压力，密封壳体内部是保持部分真空。温敏材料13完全融化到液态，体积膨胀到最大。打开第一二通电磁阀15-1，外皮囊4内的传递介质进入内皮囊55，此时机体浮力减小，水下滑翔器下沉。此时冷却二通电磁阀42-1、42-2同时打开，质子交换膜燃料电池23与燃料电池冷却腔24形成冷却回路，将余热散出到外界环境中去，三通电磁阀49-1的2、3位，49-2的1、3位接通，使热机工作腔9中的换热器12与热机冷却腔18接通。在下沉过程中随着海水深度的增加水下滑翔器的环境温度也在不断降低，当海水小于温敏材料13的相变温度时，温敏材料13的热量通过换热器12中的冷却介质带入到热机冷却腔18，最终释放到外部环境中去。温敏材料13因放热降温相变为固态，体积收缩，此时作为内皮囊55中的传递介质10经过第二单向阀17-2流入热机工作腔9。同时姿态调整机构作出相应的动作，具体过程与上述电驱动航行模式中的下降过程相同，配合翅膀21获得向前的水平运动。
当水下滑翔器下沉到预定深度时，二通电磁阀15-2打开，蓄能器19中的传递介质10流入外皮囊4，外皮囊体积增大，水下滑翔器上升。在上升过程中，冷却二通电磁阀42-1、42-2同时关闭，49-1的1、3位，49-2的2、3位接通，质子交换膜燃料电池23的余热通过换热器12传导给温敏材料13，保温材料11可以防止燃料电池23的余热流失到外界环境中去。因此温敏材料13因受热而发生相变融化，体积膨胀。同时姿态调整机构作出相应的动作，具体过程与电驱动航行模式上升过程相同，配合翅膀21获得向前的水平运动。传递介质10从热机工作腔9经过第一单向阀17-1流入蓄能器19，以储备能量。当水下滑翔器上浮至水表面便完成一个工作循环。
在PEMFC内温差驱动航行模式下水下滑翔器的航向改变完全与电驱动航行模式相同，如图5所示，此处不再赘述。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一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，另一路经过第二二通电磁阀连接于外皮囊。
2.根据权利要求1所述复合能源的水下滑翔器，其特征在于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。
3.根据权利要求1所述复合能源的水下滑翔器，其特征在于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。
4.根据权利要求1所述复合能源的水下滑翔器，其特征在于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。
5.根据权利要求1所述复合能源的水下滑翔器，其特征在于所述温敏材料为石蜡类材料，所述传递介质为纯水。
6.一种利用如权利要求1所述复合能源的水下滑翔器的驱动方法，其特征在于包括以下步骤(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。
7.一种利用如权利要求1所述复合能源的水下滑翔器的驱动方法，其特征在于包括以下步骤(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时，温敏材料的热量通过换热器中的冷却介质带入热机冷却腔，最终释放到外部环境中；(2-F)当温敏材料相变为固态时，内皮囊中的传递介质经过第二单向阀流入热机工作腔；同时，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；(2-G)磁罗盘仪实时测量滑翔器的俯角，并将该信息反馈给控制电路板；(2-H)判断当前俯角是否等于预设俯角，及水下滑翔器的当前深度等于预设值，否则，返回步骤(2-F)；(2-I)到达预定深度后，第二二通电磁阀打开，蓄能器中的传递介质流入外皮囊，外皮囊体积增大，水下滑翔器上升；(2-J)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，并通过翅膀的水动力作用，获得向前的水平速度；(2-K)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；(2-L)判断当前仰角是否等于预设仰角，及水下滑翔器的当前深度等于预设值，否则，返回步骤(2-J)；(2-M)两个冷却二通电磁阀同时关闭，两个三通电磁阀，其中一个的1、3位，另外一个的2、3位接通，质子交换膜燃料电池的余热通过换热器传导给温敏材料，保温材料可以防止燃料电池的余热流失到外界环境中去；(2-N)温敏材料因受热而发生相变融化，体积膨胀；传递介质从热机工作腔经过第一单向阀流入蓄能器以储备能量；(2-O)当水下滑翔器上浮至水表面便完成一个工作循环。
全文摘要
本发明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；本发明中还公开了实现本发明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。
文档编号B63H19/00GK1974319SQ20061013048
公开日2007年6月6日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年12月21日
发明者王树新, 谢春刚, 王延辉, 黄伟, 王晓鸣 申请人:天津大学