一种时序协同多点放电的相变动力装置及动态复用方法与流程

本发明涉及动力推动，具体而言，涉及一种时序协同多点放电的相变动力装置及动态复用方法。

背景技术：

1、二氧化碳相变推动技术是利用液态二氧化碳在受热激发后迅速气化膨胀做功的一种物理推动技术，具有储能密度高、做功过程清洁、无明火、安全性好等突出优点，在森林消防、应急救援等领域具有广阔的应用前景。该技术的工作原理是：将液态二氧化碳密封于相变容器中，通过外部能量输入使液态二氧化碳瞬间气化，体积迅速膨胀数百倍，产生高压气体推动负载将其推动激发。

2、目前，液态二氧化碳相变激发的能量输入方式主要有化学加热和电加热两类。化学加热方式是通过电引信点燃发热剂，利用燃烧放热加热液态二氧化碳使其气化，能够满足激发的迅速性要求，但发热剂为一次性消耗品，每次激发后需重新换装，勤务性和快速反应性较差；电加热方式采用电加热棒对液态二氧化碳进行预加热至超临界状态后点燃燃气进行激发，或者采用电加热结构对液相二氧化碳直接加热进行激发，电加热方式存在零部件多、激发流程复杂、依赖消耗品等问题，而且电加热方法受限于热传导效率，难以实现毫秒级的快速激发，对于要求快速响应的推动应用场景而言响应速度不足。

3、公开号为cn115405438a的中国专利申请公开了一种结合二氧化碳相变的动力装置及其工作方法，包括液态二氧化碳储存室、燃气发生室、安装联结体，所述液态二氧化碳储存室安装于燃气发生室内，燃气发生室安装于安装联结体内，所述液态二氧化碳储存室内安装有加热装置并储存有液态二氧化碳，所述燃气发生室内设置有装药和点火具，所述安装联结体的一端具有开口。该专利采用了燃气与液态二氧化碳相结合的方法，可有效地降低燃气带来的热量同时较快时间内完成超临界态二氧化碳的升温，以较少的液态二氧化碳和较少的装药量，有效地实现了推动。但是，该专利中电加热本身速率较慢，主要依赖于燃气燃烧提供主要热源，整体上仍涉及化学反应过程。单纯的电阻加热方式受限于液态二氧化碳较低的热导率，加热速率缓慢，通常需要数秒甚至数十秒才能完成相变，难以满足快速响应的要求，此外，在单次激发后，需要将装置拆开补充装药，无法实现负载的连续推动，影响推动效率。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种响应速度快、能量转换效率高、成本可控且能够在短时间内实现连续推动的二氧化碳相变相变动力装置。

2、本发明公开了一种时序协同多点放电的相变动力装置，包括：

3、充电机；

4、高压脉冲放电机，所述高压脉冲放电机的一端与所述充电机连接，所述高压脉冲放电机的另一端通过电能分配模块与可复用电激发头连接；

5、可复用电激发头，所述可复用电激发头的一端与所述高压脉冲放电机连接，所述可复用电激发头的另一端伸入二氧化碳相变管中；所述可复用电激发头包括沿径向依次布置的两个以上的电极，两个以上的电极按照由内到外的顺序依次放电，使等离子体通道在不同电极之间形成由内向外的动态迁移路径；

6、二氧化碳相变管，所述二氧化碳相变管内部设置有用于容纳液态二氧化碳的腔室，所述二氧化碳相变管远离可复用电激发头的一端通过阀门与筒体连接；

7、二氧化碳储液罐及二氧化碳充液装置，所述二氧化碳充液装置的一端与所述二氧化碳储液罐相连，所述二氧化碳充液装置的另一端与所述二氧化碳相变管相连通，用于向二氧化碳相变管中补充液态二氧化碳；

8、综合控制模块，所述综合控制模块分别与所述充电机、所述高压脉冲放电机和所述二氧化碳充液装置电气连接。

9、进一步的，所述可复用电激发头包括中心针电极、内环电极和外环电极，所述中心针电极、所述内环电极和所述外环电极同轴设置且相互绝缘。

10、进一步的，所述中心针电极的材质为钨铜合金，所述内环电极的材质为钼合金，所述外环电极的材质为钨合金。

11、进一步的，所述高压脉冲放电机有两台，包括第一高压脉冲放电机和第二高压脉冲放电机，所述第一高压脉冲放电机和所述第二高压脉冲放电机并联设置且均与所述充电机连接；所述电能分配模块包括高压电子开关阵列和时序控制器，所述高压电子开关阵列的输入端分别与所述第一高压脉冲放电机和所述第二高压脉冲放电机连接，所述高压电子开关阵列的输出端分别与若干可复用电激发头连接，所述时序控制器与所述综合控制模块通信连接；所述综合控制模块控制所述第一高压脉冲放电机和所述第二高压脉冲放电机交替工作，所述第一高压脉冲放电机放电时所述第二高压脉冲放电机处于充电状态，所述第二高压脉冲放电机放电时所述第一高压脉冲放电机处于充电状态。。

12、进一步的，所述充电机采用pwm动态充电策略，在其中一台高压脉冲放电机放电时以2倍额定功率向另一台高压脉冲放电机的储能电容充电。

13、进一步的，所述二氧化碳充液装置包括充液管路、充液分配阀、充液泵和充液计量器；所述充液管路的一端与所述二氧化碳储液罐连接，所述充液管路的另一端通过所述充液分配阀与所述二氧化碳相变管连接；所述充液泵设置在所述充液管路上，用于将所述二氧化碳储液罐中的液态二氧化碳泵送至二氧化碳相变管中；所述充液计量器设置在所述充液管路上；所述综合控制模块分别与所述充液分配阀、所述充液泵和所述充液计量器电连接。

14、进一步的，所述二氧化碳充液装置还包括泄压阀、压力传感器和缓冲回收腔；所述泄压阀的一端与所述二氧化碳相变管连接，所述泄压阀的另一端与所述缓冲回收腔连接；所述压力传感器设置在所述二氧化碳相变管上；所述综合控制模块分别与所述泄压阀和所述压力传感器电连接，所述综合控制模块能够接收所述压力传感器的检测值，并根据检测值开启或关闭所述泄压阀。

15、本发明还公开了一种时序协同多点放电的相变动力装置的动态复用方法，所述动态复用方法应用于上所述的时序协同多点放电的相变动力装置，包括以下步骤：

16、激发完成后，所述压力传感器检测二氧化碳相变管内的压力，并将压力信号反馈至综合控制模块；

17、所述综合控制模块判断所述二氧化碳相变管内的压力是否大于充液安全阈值，若压力大于充液安全阈值，控制泄压阀开启，排出所述二氧化碳相变管中的残余气态二氧化碳至缓冲回收腔；

18、当所述压力传感器检测到所述二氧化碳相变管内的压力降至充液安全阈值以下时，所述综合控制模块控制所述泄压阀关闭，并控制充液分配阀开启，同时控制充液泵启动，所述充液泵启动瞬间形成负压抽吸效应，引导残余气态二氧化碳定向排出，之后向二氧化碳相变管中补充液态二氧化碳；

19、充液计量器实时计量充入所述二氧化碳相变管的液态二氧化碳量，当达到设定充液量时，所述综合控制模块控制所述充液分配阀关闭；

20、启动可复用电激发头，完成复用推动激发。

21、进一步的，所述复用方法包括齐推控制模式，所述齐推控制模式包括：

22、所述综合控制模块控制充电机以pwm动态充电策略向第一高压脉冲放电机和第二高压脉冲放电机的储能电容交替补能；

23、在第一时间点，控制所述第一高压脉冲放电机通过电能分配模块向第一可复用电激发头放电，激发第一二氧化碳相变管中的液态二氧化碳相变产生高压气体，以推动第一负载；

24、在第二时间点，控制所述第二高压脉冲放电机通过所述电能分配模块向第二可复用电激发头放电，激发第二二氧化碳相变管中的液态二氧化碳相变产生高压气体，以推动第二负载；

25、所述第一时间点与所述第二时间点的时间间隔小于100ms。

26、进一步的，所述复用方法包括原位连续推动控制模式，所述原位连续推动控制模式包括：

27、所述综合控制模块控制所述高压脉冲放电机通过所述电能分配模块向可复用电激发头放电，完成首次推动；

28、随后执行泄压和补液步骤，完成对二氧化碳相变管的泄压和补液；

29、补液完成后，所述综合控制模块控制所述高压脉冲放电机再次通过所述电能分配模块向所述可复用电激发头放电，完成第二次推动；

30、两次推动在同一位置完成，两次推动之间的间隔时间小于2s。

31、相对于现有技术，本发明所述的时序协同多点放电的相变动力装置及动态复用方法具有以下优势：

32、1、本发明通过高压脉冲放电机向可复用电激发头提供瞬时高功率电能输入，极大地提高放电功率，可在毫秒级时间尺度上释放数百千焦的能量，能够满足推动应用场景对时效性的严格要求；

33、2、采用可复用电激发头，完成一次激发后无需替换零部件即可开始下一次激发，通过同心多环电极结构与时序可控放电序列的配合设置，使等离子体通道动态迁移、能量分散到更大的相变区域，有效降低了单位面积的电极烧蚀率，极大地提升了电极的使用寿命，且每次激发的费用仅为电费而无零部件更换费用，显著提高了经济性、勤务性和快速反应性；

34、3、通过中心针电极、内环电极、外环电极之间配合顺序放电的控制，使等离子体通道自内向外动态迁移，能量以球面波形式向周围的液态二氧化碳介质扩散，有效规避了等离子体自屏蔽效应导致能量集中于单一通道的问题，使得能量利用率从现有单次单点放电的小于30%提升至大于60%，使得同等电能输入下产生更大的相变驱动力；

35、4、通过二氧化碳储液罐和二氧化碳充液装置构成的工质循环供给链路，配合压力传感器和泄压阀实现了液态二氧化碳的快速补充和精准计量，极大地缩短了连续激发的时间间隔，并保证了连续激发时激发条件的稳定性；

36、5、通过一台充电机对应两台以上高压脉冲放电机及其动态充电策略的设置，使其能够驱动多个可复用电激发头在短时间内连续放电，显著提升了相变相变动力装置的齐推能力。