一种应用在潜水器上的叠氮化钠热解驱动式浮力调节系统

摘要

本发明提供一种应用在潜水器上的叠氮化钠热解驱动式浮力调节系统，包括压载舱，所述压载舱的一侧固定连接有空心球状的壳体，所述壳体的内腔中设置有一个空心球状的产气室，所述产气室的外壁和壳体的内壁形成的加热室中加入生石灰、铁粉、铝粉及二氧化碳气体；所述产气室内加入固体粉末状的叠氮化钠；所述产气室的腔壁上装有排气管一，所述排气管一穿过加热室的腔壁后其末端与设置在所述压载舱中的高压气囊连通；所述压载舱的体壁上还连通有导液管，所述导液管的末端直接置于海水中或连通有油囊。本发明通过采用热解叠氮化钠作为本水下浮力调节系统动力源，相较于火药加热对反应容器和截止阀的冲击更小，有助于提高潜水器稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及潜水器的技术领域，具体而言，尤其涉及一种应用在潜水器上的叠氮化钠热解驱动式浮力调节系统。

背景技术

潜水器及其他水下设备是科学考察，军事探测的重要装备，这些设备需要在不同深度的海水中展开工作，因此需要用到水下浮力调节系统。现有的水下浮力调节系统主要有油囊式、压载舱式、高压气瓶式、抛载式、机械传动式等结构形式。

油囊式浮力调节系统，是通过用高压油泵将潜水器内部油箱的液压油泵出到潜水器外部油囊中改变油囊体积的方式，使整个潜水器设备体积增大而整个潜水器总质量不变，从而调节潜水器下潜深度。

压载舱式浮力调节系统，利用高压海水泵将海水泵入或泵出压载舱，在潜水器排水体积不变的情况下通过改变潜水器的整体重量来调节潜水器下潜深度。但海水存在一定腐蚀性，会腐蚀海水泵降低海水泵使用寿命，且该系统依赖于高压海水泵技术。

以上两种系统工作核心元件为泵和电机，且电机和泵由于耐压不足，需采用耐压罩密封处理，增加了系统的成本和重量。

高压气瓶式浮力调节系统，其工作原理与压载舱类似，通过改变压载舱内海水重量调节系统深度，差别是该系统动力源采用高压气体。该调节系统需要携带高压气瓶占用体积较大，当前市场的高压气瓶最高压力只能达到150bar左右，故高压气瓶式浮力调节系统潜深度最深只能为1400米左右，满足不了对深海考察的需求。

现有分解叠氮化钠产气技术，加热方式为通过炸药爆炸加热，此种方式的问题在于爆炸产生的冲击波过于强烈、声音大、升热速度过快不可控，同时潜水器的稳定性也受到一定程度的影响，尤其不适用于在海底科考及军事探测领域上的应用。

发明内容

根据上述提出现有潜水器的浮力调节系统存在的成本高、重量大、下潜深度受限及稳定性差的技术问题，本发明提供利用生石灰、铁粉、铝粉、二氧化碳气体和海水发生化学反应产生高温气体分解叠氮化钠粉末，利用叠氮化钠分解后产生的高压氮气将压载舱内的海水排出舱体外，或将压载舱内的液压油压进油囊内，进而改变浮力调节系统的重量或体积的方式实现潜水器的上浮或下潜的一种应用在潜水器上的叠氮化钠热解驱动式浮力调节系统。

本发明采用的技术手段如下：包括压载舱，所述压载舱的一侧固定连接有多个空心球状的壳体，每个所述壳体的内腔中都设置有一个空心球状的产气室，所述产气室的外壁和壳体的内壁形成的加热室中加入质量比为48-50％的生石灰、1-3％的铁粉、2-4％的铝粉及47％的二氧化碳气体，所述加热室的外壁上装有进水管，每根所述进水管中都装有电动截止阀一；所述产气室内加入固体粉末状的叠氮化钠；所述产气室的腔壁上装有排气管一，所述排气管一穿过加热室的腔壁后其末端与设置在所述压载舱中的高压气囊连通，所述高压气囊的另一端连通有可伸缩的软管，所述软管的另一端与电动截止阀二的一个端口连接，所述电动截止阀二的另一个端口连接有排气管二，所述排气管二的另一端穿过压载舱的体壁后露出在压载舱的外部；所述压载舱的体壁上还连通有导液管，所述导液管中装有电动截止阀三，所述导液管的末端直接置于海水中或连通有油囊。

进一步地，所述高压气囊中装有压力传感器一，所述压载舱的外侧体壁上装有压力传感器二，所述压力传感器一和压力传感器二与设置在所述潜水器内部的控制器电连接。

进一步地，所述壳体的外壁上装有带有密封盖的可向所述加热室添加新料的加料管二。

进一步地，所述壳体的外壁上装有带有密封盖的可向所述产气室添加新料的加料管一，所述加料管一穿过加热室后与产气室连通。

进一步地，所述壳体的外壁上涂敷有隔热涂料。

进一步地，多个所述电动截止阀一进水口端的进水管并联后与进水总管连通，所述进水总管中装有将海水中杂质滤除的过滤器一。

进一步地，所述排气管一是由钢管制成的，管壁的外侧焊接装有多排散热筋。

进一步地，所述排气管一的中装有防止叠氮化钠粉末进入到高压气囊中的过滤器二。

进一步地，所述电动截止阀三出口连通的管路中装有过滤器三。

本发明具有以下优点：

1、采用热解叠氮化钠作为水下浮力调节系统的动力源，无需电机和泵驱动，且零件中仅有电动截止阀不耐压，耐压罩体积更小，不仅节约了成本还减轻了系统整体的重量。

2、加热室和产气室均采用球形结构，且采用生石灰、铁粉、铝粉及二氧化碳气体、水作为反应药剂，化学反应产生的高温水蒸气可使产气室均匀受热，有效提高加热效率，使叠氮化钠能快速达到分解温度；同时，该装置相较于电阻丝加热消耗电池能量更少，相较于火药加热对反应容器和截止阀的冲击更小，有助于提高潜水器稳定性和减少噪音；相较于高压气瓶式浮力调节系统，所占用的空间更少，且适用深度更广。

3、本系统既可以排油调节浮力又可以排水调节浮力，且采用排油调节浮力时只需增加外油囊，适用范围广灵活度高。

4、加热室和产气室均设有加料口，使本系统可反复使用，降低成本。

5、高压气囊和压载舱外部安装压力传感器，仅当高压气囊内压力大于外部压力时打开截止阀，防止海水倒灌，腐蚀高压气囊，影响浮力调节精度；同时安装在压载舱外部的压力传感器二15又可将测到的压力值通过控制器换算成该处的深度值，用于潜水器浮力调节工作。

6、加热室外壁涂有隔热涂料，可有效防止热量流失到海水中，热量利用率高。

7、排气管设有过滤器，管体外壁上设有散热筋且浸入油液或海水中，既能过滤高温气体中的杂质又能冷却高温气体，防止高温气体灼烧高压气囊。

基于上述理由，本发明可以在潜水器的领域中广泛应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例的结构示意图。

图2是本发明第二实施例的结构示意图。

图3为本发明的电气原理图。

图中：1、过滤器一；2、电动截止阀一；3、加热室；4、加料管一；5、加料管二；6、产气室；7、过滤器二；8、散热筋；9、排气管一；10、高压气囊；11、电动截止阀二；12、排气管二；13、压载舱；14、压力传感器一；15、压力传感器二；16、控制器；17、电动截止阀三；18、导液管；19、过滤器三；20、油囊。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种应用在潜水器上的叠氮化钠热解驱动式浮力调节系统，如图1、2所示，包括压载舱13，压载舱13的左侧固定连接有三个不同体积大小的空心球状的壳体，在每个壳体的内腔中都设置有一个空心球状的产气室6，在产气室6的外壁和壳体的内壁形成的加热室3中加入质量比为48-50％的生石灰、1-3％的铁粉、2-4％的铝粉及47％的二氧化碳气体，加热室3的外壁上装有进水管，每根进水管中都装有电动截止阀一2；产气室6内加入粉末状的叠氮化钠，产气室6的腔壁上装有用45号钢管制成的排气管一9，排气管一9穿过加热室3的腔壁后其末端与设置在压载舱13中的高压气囊10连通，在高压气囊10中装有可感知其内部压力的压力传感器一14，如图3所示，压力传感器一14与设置在潜水器内部的控制器16电连接；为防止高压气囊10被高温的排气管一9灼伤，在高压气囊10与排气管一9连接的部位应垫装隔热材料。高压气囊10的另一端连通有可伸缩的软管，软管的另一端与电动截止阀二11的一个端口连接，电动截止阀二11的另一个端口连接有排气管二12，排气管二12的另一端穿过压载舱13的体壁后露出在压载舱13的外部；在压载舱13的外侧体壁上装有可感知海水压力的压力传感器二15，控制器16通过该传感器测得的压力值根据海水压力与深度的线性关系，可以换算出潜水器所处海水的深度，如图3所示，压力传感器二15与设置在潜水器内部的控制器16电连接；因电动截止阀二11内的工作介质为叠氮化钠分解后产生的氮气，如排气管二12出口端的海水压力大于入口端的气体压力时，会发生海水倒灌的现象，设置在高压气囊10内的压力传感器一14和设置在压载舱13体壁外侧的压力传感器二15会感知这两处的压力大小，他们将测得的压力值传送到控制器16，控制器16通过比对高压气囊10内和外界海水的压力差来控制电动截止阀二11的开合；具体地，当压力传感器二15测得的压力大于压力传感器一14测得的压力时，电动截止阀二11在控制器16的控制下关闭，以防止海水倒灌；反之，电动截止阀二11则在控制器16的控制下打开，将高压气囊10内的高压氮气排到海中，同时压力传感器二15又可将测到的压力值通过控制器换算成该处的深度值，用于潜水器浮力调节工作。在压载舱13的体壁上还连通有导液管18，导液管18中装有电动截止阀三17，如压载舱13中装载的介质是液压油，如图1所示，导液管18的末端连通有油囊20；如压载舱13中装载的介质是海水，如图2所示，导液管18的末端直接置于海水中。以上所有电动截止阀的阀体均需要用耐压罩进行保护，以防止高压对阀体的损害。

作为一种优选的实施方式，所述壳体的外壁上装有带有密封盖的加料管二5，当加热室3中的发生化学反应的物质消耗尽后，可打开密封盖将渣料取出并添加新料。

作为一种优选的实施方式，所述壳体的外壁上装有带有密封盖的加料管一4，加料管一4穿过加热室3后与产气室6连通，当产气室6内的由于叠氮化钠发生化学反应消耗尽后，可打开密封盖取出金属钠并添加新的叠氮化钠。

作为一种优选的实施方式，所述壳体的外壁上涂敷有隔热涂料。

作为一种优选的实施方式，三个所述电动截止阀一2进水口端的三根进水管并联后与进水总管连通，在进水总管中装有将海水中杂质滤除的过滤器一1。

作为一种优选的实施方式，所述排气管一9的外壁上焊接装有五排散热筋8。

作为一种优选的实施方式，所述排气管一9的中装有防止叠氮化钠粉末进入到高压气囊10中的过滤器二7。

作为一种优选的实施方式，与所述电动截止阀三17出口连通的管路中装有过滤器三19。

下面以两个具体的实施例对采用叠氮化钠热解驱动式浮力调节系统的潜水器上浮和下潜的过程进行详述。

实施例1

如图1所示，采用外接油囊式的潜水器

压载舱13内预先充满液压油，每个产气室6内加入适量的质量比为48％的生石灰、2％的铁粉、3％的铝粉、47％的二氧化碳气体。

当潜水器需要增大浮力进行上浮动作时，根据潜水器所处海水中的深度，控制器16发出信号，选择打开哪些或哪个电动截止阀一2，当电动截止阀一2得电打开后，海水在压力作用下进入加热室3与生石灰，铁粉、铝粉及二氧化碳发生化学反应放出大量热量加热产气室6；产气室6内叠氮化钠在高于300℃下受热分解为固体钠和氮气。理论上1g叠氮化钠受热可以产生554ml气体，经计算，在2000m水深即20mpa压力作用下1kg叠氮化钠也可以产生2.77L氮气，氮气通过排气管一9进入高压气囊10；高压气囊10在氮气作用下膨胀。当高压气囊10内气体压力远大于外部海水压力时打开电动截止阀三17，油箱内液压油在压力作用下，经过电动截止阀三17、过滤器三19进入油囊20。油囊20在油液的作用下逐渐膨胀，潜水器浮力增大开始上浮。当潜水器上浮到指定位置电动截止阀三17、电动截止阀一2失电断开，潜水器完成上浮任务。

当潜水器需要减小浮力进行下潜动作时。电动截止阀三17、电动截止阀二11打开，高压气囊10在外界海水压力作用下通过电动截止阀二11向外排放氮气，油囊20在海水压力作用下回流。油囊20体积逐渐减小，潜水器浮力减小进行下潜动作，当潜水器下潜到指定位置，电动截止阀三17、电动截止阀二11失电断开，潜水器完成下潜动作。

实施例2

如图2所示，采用导液管18直接外露于海水中式的潜水器

压载舱13内预先充满液海水，每个产气室6内加入适量的质量比为50％的生石灰、1％的铁粉、2％的铝粉、47％的二氧化碳气体。

当潜水器需要增大浮力进行上浮动作时，根据潜水器所处海水中的深度，控制器16发出信号，选择打开哪些或哪个电动截止阀一2，当电动截止阀一2得电打开后，海水在压力作用下进入加热室3与生石灰，铁粉、铝粉及二氧化碳发生化学反应放出大量热量加热产气室6。产气室6内叠氮化钠受热分解为固体钠和氮气，氮气通过排气管一9进入高压气囊10；高压气囊10在氮气作用下膨胀，当高压气囊10压力远大于海水压力时，电动截止阀三17得电打开，压载舱13内的海水在压力作用下，经过电动截止阀三17、过滤器三19排入大海。压载舱13中海水减少，潜水器重量减小，开始上浮。当潜水器上浮到指定位置后电动截止阀一2、电动截止阀三17失电断开，潜水器完成上浮任务。

当潜水器需要减小压力进行下潜动作时。电动截止阀三17、电动截止阀二11打开，高压气囊10在压力作用下向海水中排出氮气，外部海水在压力作用下进入压载舱13。潜水器重量逐渐增大，潜水器进行下潜动作，当潜水器下潜到指定位置，电动截止阀三17、电动截止阀二11失电断开，潜水器完成下潜任务。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。