專利名稱：利用低溫工質(zhì)膨脹作功的微系統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的可用于驅(qū)動(dòng)微電子機(jī)械系統(tǒng)尤其是脫離基地工作的微飛行器、微運(yùn)動(dòng)裝置的利用低溫工質(zhì)膨脹作功的微系統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)裝置。
近幾年來(lái)自然科學(xué)與工程技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)是朝微型化邁進(jìn)，人們的注意力逐漸從宏觀物體轉(zhuǎn)向那些發(fā)生在小尺度的現(xiàn)象及其相應(yīng)器件上(劉靜，微米/納米尺度傳熱學(xué)，北京科學(xué)出版社，2000)，其中，微電子機(jī)械系統(tǒng)(microelectromechanical systems---MEMS)尤其取得了巨大成功并正被拓展應(yīng)用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域，它集電子與機(jī)械元件于一身，采用批量加工方法制成。由于現(xiàn)代制造與應(yīng)用技術(shù)的持續(xù)進(jìn)展，“微機(jī)械”的尺寸正以超乎尋常的速度降低，而同時(shí)其性能卻得到了保持甚至更好。借助于微機(jī)械加工技術(shù)，人們制造了許多極微小的機(jī)械器件，如尺寸小于1mm的壓力傳感器、流動(dòng)傳感器和加速計(jì)，具有類似尺寸的換熱器、空氣透平、微型燃燒室和電子馬達(dá)，以及制作在一個(gè)硅片上的一整套氣體膠版復(fù)制器、微飛行器、微動(dòng)力系統(tǒng)等，這些微系統(tǒng)在多個(gè)領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景。
在所有的微電子機(jī)械系統(tǒng)中，無(wú)一例外地要用到其基能源驅(qū)動(dòng)裝置。然而令人遺憾的是，在發(fā)展MEMS系統(tǒng)的同時(shí)，高效MEMS基能源研制方面的進(jìn)展十分緩慢。高效基能源驅(qū)動(dòng)裝置在一些微系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合占有至關(guān)重要的地位，比如對(duì)于脫離基地執(zhí)行任務(wù)的微型飛行器、微動(dòng)力系統(tǒng)而言，其所采用的供能裝置應(yīng)具備輸出功率盡可能高、使用時(shí)間盡可能長(zhǎng)的特點(diǎn)，而同時(shí)為減小能量消耗和運(yùn)動(dòng)阻力，其體積和重量則應(yīng)盡可能小?？梢哉J(rèn)為，高效基能源驅(qū)動(dòng)裝置是MEMS充分實(shí)現(xiàn)其功能，進(jìn)入實(shí)用和擴(kuò)大應(yīng)用范圍的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，幾種比較有前景的基能源驅(qū)動(dòng)裝置有(1)微燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；(2)微型燃料電池；(3)微型太陽(yáng)能電池；及(4)薄膜鋰電池等(解晶瑩，劉路，MEMS基能源技術(shù)的研究和現(xiàn)狀，2000年微系統(tǒng)技術(shù)研討會(huì)資料，上海)。
其中，微燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的制作是微制造技術(shù)中極富挑戰(zhàn)性的嘗試之一。此方面，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Waitz等(Waitz I.A.，G.Gauba，and Y.S.Tzeng，Combustors for micro-gas turbineengines，ASME J.of Fluid Engineering，vol.120，pp.109-117，1998；微燃?xì)馔钙接萌紵?，美?guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)會(huì)刊流體力學(xué)學(xué)報(bào)，第120卷，109-117頁(yè)，1998)新近研制了一種針對(duì)微燃?xì)馔钙降娜紵?。其初衷在于若能成功設(shè)計(jì)出一種能產(chǎn)生10-100W電能，而體積僅在1cm3以下且每小時(shí)消耗的噴氣燃料僅約7g的微燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)，則其將擁有10倍于現(xiàn)行最好的電池所能提供的能量密度。但該類裝置的研制上存在很多不足之處，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)的微加工十分困難，其內(nèi)燃料的供應(yīng)十分復(fù)雜，并且其較大的比表面積會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生較高的附加能量損失，特別困難的地方還在于所選用材料必須具有適應(yīng)惡劣環(huán)境的優(yōu)異的機(jī)械、熱學(xué)及化學(xué)性質(zhì)，目前主要采用難熔的結(jié)構(gòu)陶瓷如氮化硅(Si3N4)及碳化硅(SiC)等，以避免因燃燒而引起高溫融化，而這類難熔結(jié)構(gòu)陶瓷的微加工十分困難。正是這些不足限制了微燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。于是，研究者們又轉(zhuǎn)而尋求其他方式的微型動(dòng)力系統(tǒng)，如微型燃料電池、微型太陽(yáng)能電池、薄膜鋰電池等。但存在的缺陷是要么輸出功率偏小，要么工作時(shí)間不夠長(zhǎng)，所以仍處于發(fā)展階段。
利用高壓氮?dú)庾鲃?dòng)力的思想實(shí)際上很早就被提出，但這種想法直到最近才被付諸實(shí)施。美國(guó)兩個(gè)研究組新近成功地實(shí)現(xiàn)了利用液氮作動(dòng)力的實(shí)驗(yàn)性無(wú)污染機(jī)動(dòng)車[C.Knowlen，A.T.Mattick，A.P.Bruckner，A.Hertzberg，High efficiency energy systems for liquid nitrogenautomobiles，SAE Technical Paper Series 981898，F(xiàn)uture Transportation Technology Conferenceand Exposition，Costa Mesa，CA，Aug.11-13，1998(液氮汽車的高效能量系統(tǒng)，汽車學(xué)會(huì)系列技術(shù)論文981898號(hào)，未來(lái)運(yùn)輸技術(shù)及展示會(huì)議，加州，Costa Mesa，8月11-13，1998)；C.A.Ordonez，Liquid nitrogen fueled，closed Brayton cycle cryogenic heat engine，EnergyConversion & Management，vol.41，pp.331-341，2000(利用液氮作燃料的閉式Brayton循環(huán)低溫?zé)釞C(jī)，能源轉(zhuǎn)換與管理，第41卷，頁(yè)碼331-341，2000)]，其動(dòng)力來(lái)自于液氮轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的過(guò)程中，冰冷的液氮沸點(diǎn)為-196℃，受熱于外界空氣后轉(zhuǎn)變成蒸汽，這個(gè)過(guò)程所釋放出來(lái)的壓力便能驅(qū)動(dòng)車輛。其核心結(jié)構(gòu)主要包括液氮容器即杜瓦瓶、用于氮?dú)馀c空氣進(jìn)行熱交換的復(fù)合換熱器及動(dòng)力輸出裝置等，但機(jī)構(gòu)相當(dāng)龐大、復(fù)雜。
應(yīng)該指出，盡管利用低溫工質(zhì)膨脹作功在一些宏觀上的應(yīng)用已獲成功，如上述將其用作汽車動(dòng)力等，但其實(shí)施于MEMS時(shí)會(huì)帶來(lái)一系列挑戰(zhàn)性課題，比如低溫工質(zhì)是否會(huì)對(duì)MEMS的其它部件造成損壞，以及由于工質(zhì)噴發(fā)所形成的環(huán)境是否會(huì)降低MEMS的工作性能，以及如何以最少的工質(zhì)獲取最大的輸出功率，乃至如何延長(zhǎng)使用時(shí)間等。
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的可用于驅(qū)動(dòng)微電子機(jī)械系統(tǒng)特別是脫離基地工作的微飛行器、微運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的利用低溫工質(zhì)膨脹作功的微系統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)裝置。
本發(fā)明的實(shí)施方案如下本發(fā)明提供的利用低溫工質(zhì)膨脹作功的微系統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，包括盛裝高壓低溫工質(zhì)的微型不銹鋼容器(1)及與其同軸放置的微渦輪(6)，不銹鋼容器(1)由圓形薄壁桶(16)和圓錐形薄壁桶(17)組合而成，其前端設(shè)有端蓋(2)，端蓋(2)上安裝與微型不銹鋼容器(1)內(nèi)腔相通的微管(21)，微管(21)與纏繞在微型不銹鋼容器(1)外壁上的薄壁金屬細(xì)管(3)相連通，微型不銹鋼容器(1)與位于其后端同軸放置的微渦輪(6)之間設(shè)有隔熱片4，纏繞在微型不銹鋼容器(1)外壁上的薄壁金屬細(xì)管(3)的徑向出口與微渦輪(6)的渦輪片的攻角呈2-85度角；纏繞在微型不銹鋼容器(1)外壁上的薄壁金屬細(xì)管(3)為1-5根，其間距為1-2mm，直徑為1-2mm，每根薄壁金屬細(xì)管(3)的徑向出口均與微渦輪(6)的渦輪片的攻角呈2-85度角；所述的微渦輪(6)的材質(zhì)為耐腐蝕、耐沖擊的輕金屬，比如鈦合金；所述的微管(21)與薄壁細(xì)管(3)可為相連通的一體結(jié)構(gòu)；所述的絕熱材料4的材質(zhì)為聚四氟乙烯或泡沫塑料；絕熱材料(4)端部連接在用于保護(hù)微渦輪(6)并將氮蒸汽限制在小空間內(nèi)的金屬薄壁圓環(huán)(5)上，圓環(huán)上開(kāi)有小孔(15)，纏繞在微型不銹鋼容器(1)外壁上的薄壁金屬細(xì)管(3)末端由小孔(15)中穿過(guò)，其徑向出口與微渦輪(6)的渦輪片的攻角呈2-85度角；
所述的微渦輪(6)由一對(duì)微軸承(8)固定支撐，并通過(guò)用以支撐固定微軸承(8)的軸承支架(9)和用以支撐固定微型不銹鋼容器(1)的基底支架(13)焊接或螺釘固定在基底桁架10上，基底支架(13)與基底桁架(10)之間采用地腳螺釘(11)固定。
所述的微型不銹鋼容器(1)的長(zhǎng)度為1-10cm，組成微型不銹鋼容器(1)的圓形薄壁桶(16)的直徑為1-5cm，壁厚為0.1-1mm。
以往用于驅(qū)動(dòng)車輛的液氮容器采用杜瓦瓶，與此不同的是，本發(fā)明所用容器直接采用無(wú)真空隔熱的不銹鋼瓶，這是因?yàn)槲⑿惋w行器要求重量越小越好，且由于不銹鋼瓶直接與大氣接觸，傳熱更好，產(chǎn)生的氮蒸汽壓更高，且大大簡(jiǎn)化了其設(shè)計(jì)與加工。由于脫離基地工作的微飛行器、微動(dòng)力系統(tǒng)等對(duì)動(dòng)力的需求是即時(shí)的，所以，本發(fā)明采用的液氮容器無(wú)需保溫，其恰恰需要外界大氣對(duì)之進(jìn)行迅速而充分的加熱。本發(fā)明的總體特征是微型、輕型。
一般說(shuō)來(lái)，氮呈惰性，很難與其他物質(zhì)反應(yīng)，且無(wú)毒性，因而使用方便。為了獲得動(dòng)力，將大量的液氮加壓灌裝到不銹鋼容器中，一般灌裝的液氮壓力可達(dá)5、6個(gè)大氣壓甚至更高，而一旦將容器取出放到環(huán)境中，則由于外界空氣溫度要比液氮溫度(-196℃)高得多，因而對(duì)液氮容器加熱，促使其內(nèi)部液氮汽化，進(jìn)一步提高了其內(nèi)部的壓強(qiáng)，從而增大輸出功。所以，本方法的原理是通過(guò)預(yù)先作功獲得液氮后再利用外界大氣的加熱來(lái)輸出功的，因而利用了一切可以利用的能量來(lái)源。液氮的灌裝在低溫下進(jìn)行，加壓并與MEMS連接后即可開(kāi)始工作，受外界的大溫差加熱，不銹鋼容器內(nèi)部分液氮轉(zhuǎn)為蒸汽，具有相當(dāng)高的壓強(qiáng)，于是這部分高壓蒸汽將由纏繞在微型不銹鋼容器(1)外壁上的薄壁金屬細(xì)管(3)的徑向出口噴出，沖擊微渦輪(6)的渦輪葉片，驅(qū)動(dòng)微渦輪乃至整個(gè)微系統(tǒng)；微型不銹鋼容器(1)內(nèi)的液氮蒸汽進(jìn)行劇烈的膨脹作功，由此實(shí)現(xiàn)持續(xù)的動(dòng)力輸出。
通過(guò)選擇不同的低溫工質(zhì)流體及對(duì)該工質(zhì)予以加壓等預(yù)處理后，可實(shí)現(xiàn)不同的輸出功率。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可與幾乎所有微電子機(jī)械系統(tǒng)配套使用，功率范圍廣，使用方便，而且價(jià)格十分便宜，能較好地滿足不同微電子機(jī)械系統(tǒng)的要求。本發(fā)明最顯著的一個(gè)特點(diǎn)是利用壓縮封裝在微小空間內(nèi)的低溫工質(zhì)液體受大氣加熱發(fā)生汽化而釋放后可獲得很高的膨脹功來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工質(zhì)灌裝方便，無(wú)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對(duì)材料的限制較少，且制作相對(duì)容易因而價(jià)格趨于低廉，而且性能可滿足要求，與以往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴的微燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)所實(shí)現(xiàn)的功能相當(dāng)甚至更好，并可直接與現(xiàn)有MEMS尤其是微型飛行器、微動(dòng)力系統(tǒng)配套使用，其輸出功率及工作時(shí)間長(zhǎng)短可根據(jù)需要加以設(shè)計(jì)，因而適宜于不同的微電子機(jī)械系統(tǒng)。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步描述本發(fā)明

圖1a為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1b為盛裝高壓低溫工質(zhì)的微型不銹鋼容器(1)的橫截面示意圖；圖1c為微渦輪(6)的渦輪軸(7)及微軸承(8)橫截面示意圖；圖2為本發(fā)明的分解示意圖；圖3為基底桁架(10)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為微渦輪(6)的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中微型不銹鋼容器1端蓋2 薄壁金屬細(xì)管3隔熱片4薄壁金屬圓環(huán)5 微渦輪6渦輪軸7微軸承8軸承支架9基底桁架10 地腳螺釘11 高壓低溫工質(zhì)12基底支架13 焊接點(diǎn)14 小孔15圓形薄壁桶16 圓錐形薄壁桶17 微管21由圖可知，本發(fā)明提供的利用低溫工質(zhì)膨脹作功的微系統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，包括盛裝高壓低溫工質(zhì)(12)的微型不銹鋼容器(1)及與其同軸放置的微渦輪(6)，微型不銹鋼容器(1)由圓形薄壁桶(16)和圓錐形薄壁桶(17)組合而成，其前端設(shè)有端蓋(2)，端蓋(2)上安裝有與微型不銹鋼容器(1)內(nèi)腔相通的微管(21)，微管(21)與纏繞在微型不銹鋼容器(1)外壁上的薄壁金屬細(xì)管(3)相連通，微型不銹鋼容器(1)與位于其后端同軸放置的微渦輪(6)之間設(shè)有隔熱片4，纏繞在微型不銹鋼容器(1)外壁上的薄壁金屬細(xì)管(3)的徑向出口與微渦輪(6)的渦輪片相對(duì)；纏繞在微型不銹鋼容器(1)外壁上的薄壁金屬細(xì)管(3)為1-5根，每根薄壁金屬細(xì)管(3)的出口均與微渦輪(6)的渦輪片的攻角呈2-85度角；
所述的微渦輪(6)的材質(zhì)為耐腐蝕、耐沖擊的輕金屬，比如鈦合金；所述的微管(21)與薄壁細(xì)管(3)為相連通的一體結(jié)構(gòu)；所述的絕熱材料4的材質(zhì)為聚四氟乙烯或泡沫塑料；絕熱材料(4)端部連接在用于保護(hù)微渦輪(6)并將氮蒸汽限制在小空間內(nèi)的薄壁金屬圓環(huán)(5)上，圓環(huán)上開(kāi)有小孔(15)，纏繞在微型不銹鋼容器(1)外壁上的薄壁金屬細(xì)管(3)的末端由(15)穿過(guò)，與微渦輪(6)的渦輪片的攻角呈2-85度角；所述的微渦輪(6)由一對(duì)微軸承(8)固定支撐，并通過(guò)用以支撐固定微軸承(8)軸承支架(9)和用以支撐固定微型不銹鋼容器(1)的基底支架(13)焊接或螺釘固定在基底桁架10上，基底支架(13)與基底桁架(10)之間采用地腳螺釘(11)固定。
微型不銹鋼容器(1)采用耐高壓、耐腐蝕和耐低溫的不銹鋼材料制做，其形狀和結(jié)構(gòu)如圖1a，1b所示，主要部分為圓形薄壁桶(16)，在保證耐壓的情況下采用薄壁，以減輕整套裝置的重量，其壁厚一般0.1-1mm，圓形薄壁桶(16)外徑尺寸依據(jù)所驅(qū)動(dòng)MEMS的要求可在1～5cm范圍；其端部設(shè)置的微管(21)的外徑與薄壁金屬細(xì)管(3)大致相同，為1-5mm，圓形薄壁桶(16)和圓錐形薄壁桶(17)及端部之間光滑過(guò)渡，這樣的結(jié)構(gòu)一方面是出于能耐受高壓的考慮，另一方面其流線形結(jié)構(gòu)保證了在用于驅(qū)動(dòng)微型飛行器時(shí)能相當(dāng)有效地減少空氣阻力；微型不銹鋼容器(1)的長(zhǎng)度可根據(jù)所驅(qū)動(dòng)MEMS的工作需求確定，一般應(yīng)小于1-10cm；薄壁金屬細(xì)管(3)和圓形薄壁桶(16)的長(zhǎng)度可由此進(jìn)行調(diào)節(jié)，顯然，圓形薄壁桶(16)和圓錐形薄壁桶(17)越長(zhǎng)，所灌裝的液氮量越多，輸出功也越多，但微管(21)的長(zhǎng)度不能太短，應(yīng)保證一定長(zhǎng)度，以確保由此噴發(fā)出的主要為氮蒸汽而非液氮或液氮-氮蒸汽的兩相混合物，從而獲得盡可能多的輸出功，因?yàn)橐旱獓娚渌a(chǎn)生的動(dòng)量顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氮蒸汽，而且，一定的微管(21)的長(zhǎng)度還使得外界對(duì)該部分流體能進(jìn)行更好的加熱，從而最大限度地使得聚集在管口處的液體變?yōu)檎羝且旱?。為確保最后沖擊微渦輪(6)渦輪葉片的流體是氮蒸汽，薄壁金屬細(xì)管(3)作為氮蒸汽的噴射流道，按圖1a所示纏繞在微型不銹鋼容器(1)外表面，其末端開(kāi)口焊接固定在用于保護(hù)微渦輪(6)的薄壁金屬圓環(huán)(5)的內(nèi)側(cè)，以這種方式作成的薄壁金屬細(xì)管(3)足夠長(zhǎng)到能保證到達(dá)最后噴口的流體完全轉(zhuǎn)化為蒸汽，這是因?yàn)樵谌绱碎L(zhǎng)程內(nèi)的外界加熱已足夠?qū)⒁旱優(yōu)檎羝?即使從小口徑薄壁管噴出的仍為液氮)，而且沿程的加熱還大大地提升了氮蒸汽的壓力，這種釋放到外界大氣的高壓(甚至超高壓)的氮蒸汽將以相當(dāng)可觀的動(dòng)量沖擊渦輪葉片，從而獲得較大的輸出功，以滿足微型飛行器或微動(dòng)力系統(tǒng)的能量需求。另外，平行繞制在不銹鋼瓶外壁的薄壁金屬細(xì)管(3)之間應(yīng)保持一定間距(一般為1-2mm)，以便外界大氣也能與微型不銹鋼容器(1)有充分接觸，從而較好地加熱微型不銹鋼容器(1)內(nèi)的高壓低溫工質(zhì)(12)蒸發(fā)，并加壓。所以，本發(fā)明的裝置充分地利用外界環(huán)境的作功行為，其突出點(diǎn)在于預(yù)先通過(guò)作功獲得高壓低溫工質(zhì)(12)，再利用該工質(zhì)與外界環(huán)境之間的巨大溫差而造成的作功行為，來(lái)獲取能量，這對(duì)于脫離基地工作而不易補(bǔ)充能量的微電子機(jī)械系統(tǒng)具有十分重要的意義。
微型不銹鋼容器(1)底部固結(jié)有絕熱輕型材料制做的隔熱片(4)，如材質(zhì)為聚四氟乙烯(或泡沫塑料)的隔熱片(4)，以避免微型不銹鋼容器(1)內(nèi)高壓低溫工質(zhì)對(duì)微渦輪(6)的工作狀態(tài)造成影響；隔熱片(4)上按圖1a所示連接有輕型薄壁金屬圓環(huán)(5)(可采用鋁材或聚四氟乙烯)，薄壁金屬圓環(huán)(5)上沿徑向開(kāi)有打通的小孔(15)，纏繞在微型不銹鋼容器(1)外壁上的薄壁金屬細(xì)管(3)沿此口插入并與薄壁金屬圓環(huán)(5)緊密接觸(通過(guò)焊接密封)，從而氮蒸汽可由此沖擊渦輪(6)的葉片作功。這樣的小孔(15)也可根據(jù)需要為多個(gè)，以便設(shè)置多路氮蒸汽薄壁金屬細(xì)管(3)。應(yīng)該說(shuō)明的是，薄壁金屬細(xì)管(3)與薄壁金屬圓環(huán)(5)間應(yīng)避免有縫隙。薄壁金屬細(xì)管(3)起始端固定在微型不銹鋼容器(1)的端蓋2上。由微型不銹鋼容器(1)輸出的氮蒸汽即可沿此順薄壁金屬細(xì)管(3)流動(dòng)，直至沖擊渦輪(6)的葉片作功。灌裝液氮時(shí)，可將整個(gè)微型不銹鋼容器(1)置于液氮罐內(nèi)，然后將端蓋(2)打開(kāi)，液氮即被加入微型不銹鋼容器(1)，待灌裝完后，將端蓋(2)蓋上，由于端蓋(2)上連有薄壁金屬細(xì)管(3)，因而蒸汽即可由此逸出。此后，將灌滿高壓低溫工質(zhì)(12)的微型不銹鋼容器(1)取出，并迅速連接到基底衍架(10)上，于是，微型不銹鋼容器(1)與微渦輪(6)即由基底衍架(10)聯(lián)成一體。此時(shí)，由于外界大氣的加熱，已使得微型不銹鋼容器(1)內(nèi)的氮蒸汽壓力越來(lái)越大，從而開(kāi)始正常作功。這里，出于方便灌裝液氮的需要，微型不銹鋼容器(1)與基底衍架(10)是可拆卸的，二者之間由地腳螺釘11連接。因而微型不銹鋼容器(1)灌裝液氮的過(guò)程不影響微渦輪(6)的正常工作。根據(jù)微型不銹鋼容器(1)的尺寸，基底衍架(10)上的螺栓位置精確確定，以確保微型不銹鋼容器(1)與微渦輪(6)之間的配合。整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定，外界需要驅(qū)動(dòng)的裝置可直接連接到微渦輪(6)的渦輪軸7上，以獲得輸出功。
薄壁金屬細(xì)管(3)焊接在微型不銹鋼容器(1)的端蓋(2)上，且在端蓋(2)內(nèi)側(cè)是開(kāi)口的，以保證氮蒸汽由此處輸出。端蓋(2)應(yīng)設(shè)計(jì)成能緊密扣蓋在微型不銹鋼容器(1)端口上，且能充分密封，以免氮蒸汽由此處逸出。
在圖3所示基底衍架(10)的上方四個(gè)方框處(14)為微軸承(8)的軸承支架(9)的焊接部位，微渦輪(6)通過(guò)此處的焊接與基底衍架(10)連成一體，且不可拆卸，而下方四個(gè)方框處為固定微型不銹鋼容器(1)的地腳螺釘11(采用輕型合金如鈦合金等作成)，其為可拆卸，以便于微型不銹鋼容器(1)單獨(dú)灌裝高壓低溫工質(zhì)(12)后再迅速連接到基底衍架(10)上?；籽芗?10)上焊接點(diǎn)以及地腳螺釘11的部位可根據(jù)微型不銹鋼容器(1)和微渦輪(6)的尺寸及相互配合而確定，基底桁架(10)的長(zhǎng)度、厚度乃至寬度等可據(jù)需要確定，但以保證輕量和堅(jiān)固性為前提。
微渦輪(6)的葉片應(yīng)采用徑向結(jié)構(gòu)，且基底為封閉輪盤(pán)，如圖4所示，以保證從薄壁金屬細(xì)管(3)噴出的氮蒸汽盡可能全部沖擊到渦輪盤(pán)上，從而獲得盡可能大的輸出功。葉片形狀的選擇原則也應(yīng)盡量保證其流道能獲得最大的能量轉(zhuǎn)換效率，作為實(shí)施例，可采用圖4給出的結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，也可采用其它的葉片結(jié)構(gòu)。渦輪輪盤(pán)直徑根據(jù)所驅(qū)動(dòng)MEMS的要求可在0.5-5cm范圍，輪盤(pán)厚度在保證耐沖擊的前提下應(yīng)越薄越好，以減輕重量，其厚度尺寸應(yīng)在≤0.5cm范圍。每一枚葉片尺寸應(yīng)在0.1cm×0.05cm×0.05cm到1cm×0.5cm×0.5cm范圍。一般情況下，空氣中含有水蒸汽，因而由于氮蒸汽的冷卻會(huì)導(dǎo)致水份析出，并且由于小重量原則，葉片材料應(yīng)選用輕型耐腐蝕、耐沖擊的材料，比如鈦合金等。
渦輪盤(pán)背面的渦輪軸(7)，其輸出功用于帶動(dòng)有關(guān)動(dòng)力裝置(如微飛行器風(fēng)扇或螺旋槳、微型車轉(zhuǎn)軸等)，渦輪軸(7)直徑根據(jù)MEMS系統(tǒng)的要求可在0.1-1cm范圍，渦輪軸(7)的軸向長(zhǎng)度可根據(jù)需要設(shè)定。渦輪軸(7)由兩個(gè)微軸承(8)固定，如圖1a所示。兩個(gè)微軸承(8)外壁分別與軸承支架(9)焊接，該金屬軸承支架(9)再焊接固定于基底衍架(10)，由此微渦輪(6)實(shí)際上與基底衍架(10)是連成一體而不可拆卸的。
基底衍架(10)在保證堅(jiān)固的條件下應(yīng)盡可能采用最小重量結(jié)構(gòu)，如為圖3所示的中空型桁架。
使用時(shí)，將高壓低溫工質(zhì)(12)灌裝到微型不銹鋼容器(1)內(nèi)，待微型不銹鋼容器(1)降溫并達(dá)均勻后，對(duì)微型不銹鋼容器(1)內(nèi)低溫工質(zhì)(12)作適當(dāng)加壓，然后蓋上端蓋(2)，取出微型不銹鋼容器(1)并與微型渦輪(6)同軸設(shè)置好，再與微電子機(jī)械系統(tǒng)組裝在一起，由于微型不銹鋼容器(1)內(nèi)低溫工質(zhì)流體(12)受外界空氣的加熱，加之其壓強(qiáng)較高，液體將迅速蒸發(fā)并沿小孔15出的薄壁金屬細(xì)管(3)的徑向出口噴射而出，推動(dòng)微渦輪(6)轉(zhuǎn)動(dòng)，由此驅(qū)動(dòng)微電子機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。若需改變驅(qū)動(dòng)功率，可將不同壓力的低溫工質(zhì)(12)灌裝到微型不銹鋼容器(1)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)設(shè)計(jì)不同直徑的薄壁金屬細(xì)管(3)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由此，即實(shí)現(xiàn)不同驅(qū)動(dòng)功率的要求。一般，還可根據(jù)微電子機(jī)械系統(tǒng)的大小及工作時(shí)間的長(zhǎng)短，選擇設(shè)計(jì)尺寸不同的微型不銹鋼容器(1)。
權(quán)利要求
1.一種利用低溫工質(zhì)膨脹作功的微系統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，包括盛裝高壓低溫工質(zhì)的微型不銹鋼容器(1)及與其同軸放置的微渦輪(6)，不銹鋼容器(1)由圓形薄壁桶(16)和圓錐形薄壁桶(17)組合而成，其前端設(shè)有端蓋(2)，端蓋上安裝有與微型不銹鋼容器(1)內(nèi)腔相通的微管(21)，微管(21)與纏繞在微型不銹鋼容器(1)外壁上的薄壁細(xì)管(3)相連通，微型不銹鋼容器(1)與位于其后端同軸放置的微渦(6)之間設(shè)有隔熱片(4)，纏繞在微型不銹鋼容器(1)外壁上的薄壁細(xì)管(3)的徑向出口與微渦輪(6)的渦輪片的攻角呈2-85度角。
2.按權(quán)利要求1所述的利用低溫工質(zhì)膨脹作功的微系統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于平行纏繞在微型不銹鋼容器(1)外壁上的薄壁細(xì)管(3)為1-5根，其間距為1-2mm，直徑為1-2mm，每根薄壁細(xì)管(3)的出口均與微渦輪(6)的渦輪片的攻角呈2-85度角。
3.按權(quán)利要求1所述的利用低溫工質(zhì)膨脹作功的微系統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于微渦輪(6)的材質(zhì)為耐腐蝕、耐沖擊的輕金屬。
4.按權(quán)利要求1所述的利用低溫工質(zhì)膨脹作功的微系統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于所述的微管(21)與薄壁細(xì)管(3)為相連通一體的結(jié)構(gòu)。
5.按權(quán)利要求1所述的利用低溫工質(zhì)膨脹作功的微系統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于所述的絕熱材料4的材質(zhì)為聚四氟乙烯或泡沫塑料。
6.按權(quán)利要求5所述的利用低溫工質(zhì)膨脹作功的微系統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于所述的絕熱材料(4)端部連接在用于保護(hù)微渦輪(6)并將氮蒸汽限制在小空間內(nèi)的金屬薄壁圓環(huán)(5)上，圓環(huán)上開(kāi)有小孔(15)，纏繞在微型不銹鋼容器(1)外壁上的薄壁細(xì)管(3)末端由(15)穿過(guò)，其徑向出口與微渦輪(6)的渦輪片的攻角呈2-85度角。
7.按權(quán)利要求5所述的利用低溫工質(zhì)膨脹作功的微系統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于微渦輪(6)由一對(duì)微軸承(8)固定支撐，并通過(guò)用以支撐固定微軸承(8)軸承支架(9)和用以支撐固定微型不銹鋼容器(1)的基底支架(13)焊接或螺釘固定在基底衍架(10)上，基底支架(13)與衍架基底(10)之間采用地腳螺釘(11)固定。
8.按權(quán)利要求3所述的利用低溫工質(zhì)膨脹作功的微系統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于微渦輪(6)的材質(zhì)為鈦合金。
9.按權(quán)利要求1所述的利用低溫工質(zhì)膨脹作功的微系統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于微型不銹鋼容器(1)的長(zhǎng)度為1-10cm，組成微型不銹鋼容器(1)的圓形薄壁桶(16)的直徑為1-5cm，壁厚為0.1-1mm
全文摘要
本發(fā)明涉及利用低溫工質(zhì)膨脹作功的微系統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)裝置,包括:盛裝高壓低溫工質(zhì)的微型不銹鋼容器及與其同軸放置的微渦輪,容器前端設(shè)置的端蓋上安裝與容器內(nèi)腔相通的微管,微管與纏繞在容器外壁上的薄壁細(xì)管相連通,容器與位于其后端同軸放置的微渦之間設(shè)隔熱片,纏繞在容器外壁上的薄壁細(xì)管的徑向出口與微渦輪的渦輪片的攻角呈2－85度角,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工質(zhì)灌裝方便,價(jià)格低廉,適用于驅(qū)動(dòng)微電子機(jī)械系統(tǒng)的飛行運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)F01K25/10GK1355376SQ0013229
公開(kāi)日2002年6月26日 申請(qǐng)日期2000年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月28日
發(fā)明者劉靜, 周一欣, 周遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院低溫技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心