技术领域
[0001] 本
发明涉及一种海洋温差能俘获技术装备，具体地说，涉及一种海洋温差能俘获热机、用于制造该海洋温差能俘获机的方法及以该海洋温差能俘获热机所构建的海洋剖面运动平台。
背景技术
[0002] 在公开号为CN105952691A的
专利文献中公开了一种温差能驱动海洋剖面运动系统，即海洋剖面运动平台，其包括密封腔体及浮
力控制回路；如其
附图所示结构，沿液压油在一个升降循环运动过程中的行进方向，该
浮力控制回路包括通过油路依序连接成回路结构的海洋温差能俘获热机，
蓄能器16，排
水体积随所存储液压油的油量而变化的外储液器10，及置于密封腔体内的内储液器8；其中，外储液器10采用外油囊进行构建，而内储液器8采用内油囊进行构建；如图1所示，其所采用的海洋温差能俘获热机包括
相变腔体01及置于该相变腔体01内的相变液压油囊04、固液
相变材料02与密封液体03，相变液压油囊04置于位于密封腔体外的相变腔体01内，且相变处液压油囊04被密封液体03所包覆，以在工作过程能利用固液相变材料02基于海洋温差能而驱使相变处液压油囊04体积变化，而驱使液压油在浮力控制回路中循环运动，从而驱使外油囊的排水体积变化，从而控制该海洋剖面运动平台的整体浮力，以能利用海洋温差能进行升降驱动，而对海洋进行探测。
[0003] 此外，在公开号为CN108708836A的专利文献，所公开的温差能俘获热机的结构也与上述专利文献的相同，在工作过程中，利用油囊、软管、水等将相变材料02与液压油05隔离，但也均存在以下技术问题：如图2所示，
海水07的热量经过相变腔体01的腔壁后再传给相变材料02，对于，相变腔体01可采用金属等导热材料进行制造而有效地确保
传热的响应速度与效率，而对于相变材料02，其通常为导热率非常低的材料，中央区域内相变材料往往难以及时获得
热能进行相变，导致响应速度慢，低导热率和相变速率会减慢
能量的获取速率和单位时间内仪器的工作次数。
[0004] 为了解决上述问题，目前常用的解决方案为在相变材料内添加
活性炭等导热率稿的材料，缩短相变所需时间。但是随着时间的积累，刚开始在相变材料中均匀分布的活性炭会慢慢沉淀，而失去原有的效果，使得性能不稳定。
发明内容
[0005] 本发明的主要目的是提供一种结构改进的海洋温差能俘获热机，以提高相变材料在使用过程中能量俘获速度，且性能稳定；
[0006] 本发明的第二目的是提供一种用于制造上述海洋温差能俘获热机的方法；
[0007] 本发明的第三目的是提供一种以上述海洋温差能俘获热机所构建的海洋剖面运动平台。
[0008] 为了实现上述主要目的，本发明提供的海海洋温差能俘获热机包括水密的导热腔体，容纳于导热腔体的内腔内的相变材料，位于导热腔体内的体积可变油腔，及位于相变材料与体积可变油腔之间以隔离二者的密封液体；体积可变油腔具有与外部油路连接的油路
接口；在导热腔体的内腔固设有
泡沫金属体，泡沫金属体的孔隙构成多孔状态容纳腔，用于容纳相变材料或相变材料与密封液体；在泡沫金属体与油腔的腔体之间存有体积可变隔离腔，与多孔状态容纳腔连通，至少用于容纳密封液体。
[0009] 基于以上技术方案，通过在导热腔体内固设有泡沫金属体，以利用其孔隙所构成的多孔状态容纳腔容纳相变材料，从而为
温度在横截面方向上的传递提供传导率高于相变材料的骨架，并将相变材料分隔成相互连通但横截面较小的条状结构，有效地提高热传递的速度，从而提高相变材料在使用过程中能量俘获速度，且由于泡沫金属体结构与性能问题，有效确保海洋温差能俘获性能的
稳定性。
[0010] 具体的方案为泡沫金属体的外周面与导热腔体的内壁面导热地固连。进一步提高传热速度。
[0011] 更具体的方案为泡沫金属体与导热腔体的内壁面以过渡
焊接方式或成型加工方式固连成一体结构。
[0012] 优选的方案为导热腔体为油缸，在油缸内可活动地置有用于将油缸的内腔分隔成体积可变油腔与用于容纳泡沫金属体的容纳腔；在相变材料完全融化时，泡沫金属体与
活塞之间存有间隙；在油缸内置有弹性复位件，弹性复位件的复位力用于迫使活塞靠近泡沫金属体。
[0013] 进一步的方案为弹性复位件置于体积可变油腔内；弹性复位件为
压缩弹簧，
压缩弹簧的一端抵压在活塞上，另一端抵压在体积可变油腔的腔底面上。
[0014] 优选的方案为在导热腔体内置有被密封液体所包围的油囊，油囊的内腔构成体积可变油腔。
[0015] 优选的方案为导热腔体包括筒状缸体，水密且可拆卸地套装在筒状缸体的上敞口端上的上密封端盖，及水密且可拆卸地套装在筒状缸体的下敞口端上的下密封端盖；上密封端盖的中央区域设有填装孔，在填装孔上套装有密封堵头；在下密封端盖上设有构成油路接口的过油孔；密封液体为水，相变材料为正十六烷。
[0016] 为了实现上述第二目的，本发明提供用于制造上述海洋温差能俘获热机的方法包括以下步骤：
[0017] 备料步骤，按照设备规格准备导热腔体、泡沫金属体、相变材料、密封液体；导热腔体包括筒状缸体，水密且可拆卸地套装在筒状缸体的上敞口端上的上密封端盖，及水密且可拆卸地套装在筒状缸体的下敞口端上的下密封端盖；上密封端盖的中央区域设有填装孔，在填装孔上套装有密封堵头；在下密封端盖上设有构成油路接口的过油孔；
[0018] 焊接步骤，以筒状缸体与泡沫金属体为
母材，在两者间放入
铝基Al-Cu-Mg金属玻璃，以氩气作为保护气体，采用钎焊的方式，使铝基金属玻璃融化，将母材固连成一体结构，且使泡沫金属体位于筒状缸体的邻近上敞口端；
[0019] 组装步骤，在筒状缸体邻近下敞口端的腔室内装入用于构建体积可变油腔的构件，以从筒状缸体的内腔中分隔出与泡沫金属体相隔离的体积可变油腔，并在下敞口端上安装下密封端盖；在上敞口端上安装上密封端盖；
[0020] 罐装步骤，通过填装孔，依序往筒状缸体的内腔灌入设计目标量的密封液体与液态的相变材料，再利用密封堵头密封填装孔。
[0021] 为了实现上述第二目的，本发明提供用于制造上述海洋温差能俘获热机的方法包括以下步骤：
[0022] 备料步骤，按照设备规格准备导热腔体、泡沫金属原材料、相变材料、密封液体；导热腔体包括筒状缸体，水密且可拆卸地套装在筒状缸体的上敞口端上的上密封端盖，及水密且可拆卸地套装在筒状缸体的下敞口端上的下密封端盖；上密封端盖的中央区域设有填装孔，在填装孔上套装有密封堵头；在下密封端盖上设有构成油路接口的过油孔；
[0023] 焊接步骤，在筒状缸体的邻近上敞口端的部分腔室内倒入泡沫金属原材料，在
真空或保护气氛中加热预定时长，至泡沫金属原材料发泡成直接固接在筒状缸体内的泡沫金属体；
[0024] 组装步骤，在筒状缸体邻近下敞口端的腔室内装入用于构建体积可变油腔的构件，以从筒状缸体的内腔中分隔出与泡沫金属体相隔离的体积可变油腔，并在下敞口端上安装下密封端盖；在上敞口端上安装上密封端盖；
[0025] 罐装步骤，通过填装孔，依序往筒状缸体的内腔灌入设计目标量的密封液体与液态的相变材料，再利用密封堵头密封填装孔。
[0026] 为了实现上述第三目的，本发明提供的海洋剖面运动平台包括密封腔体及浮力控制回路；浮力控制回路包括通过油路依序连接成回路结构的海洋温差能俘获热机，蓄能器，排水体积随所存储液压油的油量而变化的外储液器，及置于密封腔体内的内储液器；外储液器具有置于密封腔体外的排水单元；前述海洋温差能俘获热机为上述任一项技术方案所描述的海洋温差能俘获热机。
附图说明
[0027] 图1为现有海洋温差能俘获热机的结构示意图；
[0028] 图2为置于海水中的现有海洋温差俘获热机在横截面上的热传递轨迹示意图；
[0029] 图3为本发明海洋剖面运动
实施例的结构示意图；
[0030] 图4为本发明海洋温差能俘获热机实施例的结构示意图；
[0031] 图5为图4中的A局部放大图；
[0032] 图6为置于海水中的本发明海洋温差俘获热机实施例在横截面上的热传递轨迹示意图。
具体实施方式
[0033] 在下述实施例中，主要是对海洋剖面运动平台的海洋温差能俘获热机的结构进行改进说明，对于剖面运动平台中的其他功能单元的结构参照现有产品进行设计。
[0034] 实施例
[0035] 参见图3，本发明剖面运动平台基于海洋温差能进行工作，具体包括密封腔体100、浮力控制回路、控制单元、发电单元及用于对浮力控制回路与控制单元的正常工作供给
电能的蓄电单元，蓄电模
块为锂
电池的充电
电池组18进行构建，充电电池组18不仅用于对控制单元、浮力控制回路上的
阀进行供电，还用于对探测仪器等其他负载进行供电；浮力控制回路的大部分结构、发电单元、蓄电单元与控制单元均布设在密封腔体100内。发电单元包括
液压马达15及发
电机16，产生的
电流通过电源控制板17处理给电池组充电。
[0036] 浮力控制回路包括通过油路依序连接成回路结构的海洋温差能俘获热机3，蓄能器20，排水体积随所存储液压油的油量而变化的外储液器11，及置于密封腔体100内的内储液器14。其中，外储液器11的排水单元与海洋温差能俘获热机3置于密封腔体外100而暴露在海水中，其他元件及油路均设置在密封腔体100内。其中，外储液器11与内储液器14均采用油缸进行构建，也可采用油囊进行构建。
[0037] 在该浮力控制回路中，在海洋温差能俘获热机3与蓄能器20间的油路23c上
串联有只允许液压油流向蓄能器20的
单向阀22；在蓄能器20与外储液器11间的油路23e上串联有电磁换向阀12；外储液器11与内储液器14间的油路23b上串联有电磁换向阀13；内储液14与海洋温差能俘获热机3间的油路23a上串联有只允许液压油流向海洋温差能俘获热机3的单向阀21。
[0038] 参见图4至图6，海洋温差能俘获热机3包括水密的导热腔体4，容纳于导热腔体4的内腔内的相变材料30，位于导热腔体内的体积可变油腔31，固设在导热腔体4的泡沫金属体32，及位于相变材料30与体积可变油腔31之间以隔离二者的密封液体33。
[0039] 如图4及图5所示，导热腔体4包括筒状缸体40，水密且可拆卸地套装在筒状缸体40的上敞口端上的上密封端盖41，水密且可拆卸地套装在筒状缸体40的下敞口端上的下密封端盖42，及可活动地置于筒状缸体40内的活塞46。在体积可变油腔31内置有压缩弹簧47，该压缩弹簧47的一端抵压在活塞46上，另一端抵压在体积可变油腔31的腔底面上，具体为另一端抵压在下密封端盖42上，其构成本实施例中复位力用于迫使活塞46靠近泡沫金属体32的弹性复位件；对于弹性复位件，还可以采用一对同极相对布置的永磁
铁块进行构建。
[0040] 上密封端盖41与筒状缸体40的内壁面之间采用
螺纹可拆卸结构进行固连，并在二者
侧壁面之间套装有密封用
密封圈480，在上密封端盖41的中央区域设有填装孔43，在填装孔43上套装有密封堵头44。下密封端盖42与筒状缸体40的内壁面之间采用螺纹可拆卸结构进行固连，并在二者侧壁面之间套装有密封用密封圈481，在下密封端盖42上设有过油孔45，金属
密封件490与过油孔45
螺纹连接并基于密封
垫圈等密封件进行密封配合，而将油管
491与体积可变油腔31连接，体积可变油腔31具有与外部油路连接的油路接口。油管491与图3中的油路23c与油路23a连通。
[0041] 其中，活塞46用于将筒状缸体40的内腔分隔成前述体积可变油腔31与用于容纳泡沫金属体32的容纳腔，该容纳腔被泡沫金属体32所填充后剩余的腔室用于容纳相变材料30与密封液体33，其中，泡沫金属体32的孔隙构成多孔状态容纳腔，在相变材料30完全融化时用于容纳相变材料30，即在本实施例中，利用相变材料30完全包围泡沫金属体32，而在相变材料30完全
固化收缩时，用于相变材料30与部分密封液体33。
[0042] 对于体积可变油腔31的具体结构，可采用在导热腔体4内置有被密封液体33所包围的油囊，该油囊的油口与油管491的端口套装固连而连通，以替代上述活塞46，而利用该油囊的内腔构建本实施例中的体积可变油腔31。
[0043] 在本实施例中，筒状缸体40、上密封端盖41与下密封端盖42均采用耐海水
腐蚀高强度金属制作，例如
钛材料进行制造；泡沫金属体32可以为泡沫金属铝、泡沫金属
铜等常用导热率高的泡沫金属，在本实施例中，泡沫金属体32为金属高温发泡制成；油管491采用钛管进行构建。对于泡沫金属体32与筒状本体40之间的固连方式，可采用
现有技术中常用的泡沫金属与致密金属进行复合连接的技术方案，例如，胶粘连接方法、缝合连接方法、焊接方法等形式。相比于缝合连接的方式强度低且存在粘接剂的老化现象严重问题的问题，及胶合连接的方式比较复杂与连接强度低的问题，本实施例优选取焊接的方式对泡沫金属体32和筒状缸体40进行连接，对于焊接方式，相比于，具体为直接焊接不易固连圆形结构，本实施例优选为过渡焊接方式；此外，可采用直接在筒状缸体40内利用泡沫金属原材料进行高温发泡而获取泡沫金属体32，即在本实施例中，泡沫金属体32与导热腔体4的内壁面优选以过渡焊接方式或成型加工方式固连成一体结构。
[0044] 对于过渡焊接方式，本实施例基于下述步骤制造本发明海洋温差能俘获热机3：
[0045] 备料步骤S11，按照设备规格准备导热腔体4、泡沫金属体32、相变材料30、密封液体33。
[0046] 焊接步骤S12，以筒状缸体40与泡沫金属体32为母材，在两者间放入圆筒状铝基Al-Cu-Mg金属玻璃，以氩气作为保护气体，在最高560°的
环境温度下，采用钎焊的方式，使铝基金属玻璃融化，将母材固连成一体结构，且使泡沫金属体32位于筒状缸体40的邻近上敞口端。
[0047] 组装步骤S13，在筒状缸体40邻近下敞口端的腔室内装入用于构建体积可变油腔的构件，以从筒状缸体40的内腔中分隔出与泡沫金属体32相隔离的体积可变油腔31，并在下敞口端上安装下密封端盖42；在上敞口端上安装上密封端盖41。其中，用于构建体积可变油腔的构件可以为活塞46或者油囊。
[0048] 罐装步骤S14，通过填装孔43，依序往筒状缸体40的内腔灌入设计目标量的密封液体33与液态的相变材料30，再利用密封堵头44密封填装孔。
[0049] 对于成型加工方式，本实施例基于下述步骤制造本发明海洋温差能俘获热机3，在该成型加工方式中，要求筒状缸体40的熔点高于泡沫金属原材料的熔点：
[0050] 备料步骤S21，按照设备规格准备导热腔体4、泡沫金属原材料、相变材料30、密封液体33。
[0051] 焊接步骤S22，在筒状缸体40的邻近上敞口端的部分腔室内倒入泡沫金属原材料，在真空或保护气氛中加热预定时长，至泡沫金属原材料发泡成直接固接在筒状缸体40内的泡沫金属体32。
[0052] 组装步骤S23，在筒状缸体40邻近下敞口端的腔室内装入用于构建体积可变油腔的构件，以从筒状缸体40的内腔中分隔出与泡沫金属体32相隔离的体积可变油腔31，并在下敞口端上安装下密封端盖42；在上敞口端上安装上密封端盖41。其中，用于构建体积可变油腔的构件可以为活塞46或者油囊。
[0053] 罐装步骤S24，通过填装孔43，依序往筒状缸体40的内腔灌入设计目标量的密封液体33与液态的相变材料30，再利用密封堵头44密封填装孔43。
[0054] 使用过程中，在泡沫金属体32与油腔的腔体之间存有体积可变隔离腔，该可变隔离腔与泡沫金属体32上的多孔状态容纳腔连通，至少用于容纳密封液体33。且在相变材料完全融化时，泡沫金属体32与活塞46之间存有间隙。
[0055] 在本实施例中，密封液体为水或者其他与相变材料不兼容
流体，且密封液体的
密度大于相变材料的密封，以在使用过程中，密封液位于相变材料的上方侧，从而达到密封的效果，由于二者不兼容，在二者均为液体时，相变材料将优先填充泡沫金属体的孔隙。相变材料的相变温度处于4-26摄氏度之间，可以选择正十四烷、正十五烷、正十六烷及三者混合物，或者温度敏感型水凝胶。固液相变材料选用相变温度是18.2摄氏度的正十六烷，密封液体材料33为密度比正十六烷大且二者互不相溶的水，密封液体材料33由于密度大而分布于相变腔的下端部中且完全对活塞46与相变材料进行隔离。对于相变温度是18.2摄氏度的正十六烷，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835千克每立方米，液相密度为770.1千克每立方米，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。
[0056] 如图3所示，该剖面运动平台在循环探测过程，具体步骤包括以下阶段：
[0057] 阶段1，初始阶段：平台位于海面，相变材料30完全融化，体积可变油腔31中的液压油完全进入蓄能器20，蓄能器20充满液压油，并是油压达到最大值。外液压油缸的活塞处于缸的顶部，排水体积最小，产生负浮力，仪器下沉。
[0058] 阶段2，下沉阶段：相变材料30逐渐凝固，海洋温差能俘获热机3从内液压油缸不断吸油，内液压油缸中的活塞逐渐上移，而外液压油缸和蓄能器20保持上一阶段状态，没有变化。
[0059] 阶段3，开始上浮：低温海水使相变材料30凝固收缩，内液压油缸内的液压油进入海洋温差能俘获热机3，相变过程结束后，打开电磁换向阀12，蓄能器20中的液压油进入外液压油缸，流经液压马达15而驱使发电机16发电，此时外液压油缸充满油，蓄能器20内没有油，外液压油缸的活塞移动至底部，排水体积最大，排水量最大，产生正浮力，仪器上浮。
[0060] 阶段4，上浮阶段：相变材料30逐渐融化，海洋温差能俘获热机3中液压油被排出至蓄能器20，外液压油缸保持上一阶段状态，没有变化。
[0061] 阶段5，浮出海面阶段：相变材料30完全融化，海洋温差能俘获热机3中的油完全进入蓄能器20中，外液压油缸保持上一阶段状态，没有变化。
[0062] 阶段6，开始下沉阶段：打开电磁换向阀13，外液压油缸中的油完全进入内液压油缸中，外液压油缸的活塞处于顶部，排水量最小，仪器下沉。此时，内液压油缸充满油，其活塞处于缸的底部。海洋温差能俘获热机3和蓄能器20保持上一阶段状态，没有变化。仪器回到阶段1，开始新一轮循环。
[0063] 如图6所示，基于在导热腔体4的内腔内固设至少用于容纳相变材料30的泡沫金属体32，以利用泡沫金属体32为其孔隙内的相变材料30传热，而提高相变材料融化与固化的速率。
