氣體微流量節(jié)流器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種氣體微流量節(jié)流器，包括氣體入口、節(jié)流芯體和氣體出口；其中，節(jié)流芯體內(nèi)設(shè)置有貫穿節(jié)流芯體的毛細(xì)管流道，所述毛細(xì)管流道連通氣體入口和氣體出口，氣體從氣體入口進(jìn)入節(jié)流芯體經(jīng)節(jié)流作用后從氣體出口流出微流量的推進(jìn)劑。本發(fā)明還包括空腔和隔板；所述空腔和隔板設(shè)置在所述節(jié)流芯體內(nèi)，隔板上設(shè)置有連通相鄰空腔的小孔；所述毛細(xì)管流道通過(guò)連接小孔或空腔連通氣體入口和氣體出口。本發(fā)明利用一種節(jié)流芯體毛坯材料，可根據(jù)需要制作成多種形狀和尺寸的節(jié)流流道，實(shí)現(xiàn)不同的節(jié)流效果，從而有效減小毛坯材料的規(guī)格；本發(fā)明中節(jié)流芯體內(nèi)部的毛細(xì)管流道與節(jié)流芯體外表面為一體結(jié)構(gòu)，節(jié)流芯體內(nèi)部流道形成后不易被破壞。
【專利說(shuō)明】氣體微流量節(jié)流器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電推進(jìn)和冷氣推進(jìn)，具體地，涉及一種氣體微流量節(jié)流器。

【背景技術(shù)】
[0002]衛(wèi)星、深空探測(cè)器等航天器使用的電推進(jìn)、微推力冷氣推進(jìn)等需要微流量的氣體推進(jìn)劑，一般是將氣瓶中的壓力較高(如16MPa)的氣體降壓、調(diào)節(jié)流量，變?yōu)橥屏ζ魉璧奈⒘髁繗怏w(如推力80mN、比沖1600s的霍爾推力器，陽(yáng)極推進(jìn)劑流量為4.8mg/s,陰極推進(jìn)劑流量為0.3mg/s)。一般降壓的工作由壓力調(diào)節(jié)模塊實(shí)現(xiàn)，該模塊將氣瓶中的較高壓力變?yōu)檩^低、較穩(wěn)定的壓力(如0.2MPa)。調(diào)節(jié)流量的工作由流量調(diào)節(jié)模塊實(shí)現(xiàn)，該模塊將壓力調(diào)節(jié)模塊輸出的較穩(wěn)定壓力的推進(jìn)劑節(jié)流，調(diào)節(jié)為微流量的推進(jìn)劑，并通過(guò)某種方法在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)微流量大小，以適應(yīng)推力器的不同需求。
[0003]流量調(diào)節(jié)模塊一般由控制推進(jìn)劑通斷的閥門(mén)(電磁閥、自鎖閥等)和流量控制器等組成。流量控制器是實(shí)現(xiàn)微流量氣體供應(yīng)和調(diào)節(jié)的關(guān)鍵組件，具有節(jié)流和一定的流量調(diào)節(jié)能力，一般由微流量節(jié)流器和溫控器件(如加熱器、加熱帶等)組成。微流量節(jié)流器是流量調(diào)節(jié)模塊的主要功能器件。
[0004]目前國(guó)內(nèi)外常用的冷氣推進(jìn)、電推進(jìn)等空間推進(jìn)系統(tǒng)的微流量氣體流量控制器按節(jié)流芯體的節(jié)流方式可分為固定結(jié)構(gòu)節(jié)流和可變結(jié)構(gòu)節(jié)流。固定結(jié)構(gòu)節(jié)流是指用固定結(jié)構(gòu)形成固定結(jié)構(gòu)的流道，實(shí)現(xiàn)氣體節(jié)流，輸出微流量氣體，具體有:
[0005](I)金屬多孔材料，通過(guò)金屬多孔材料形成的微小通道實(shí)現(xiàn)氣體節(jié)流，金屬多孔材料一般由金屬粉末壓制并燒結(jié)而成。該類節(jié)流器體積小巧，可利用加熱方法實(shí)現(xiàn)大范圍流量調(diào)節(jié)，但制備節(jié)流芯體時(shí)對(duì)金屬粉末粒度、粒度一致性、壓制和燒結(jié)工藝要求較高，同一批制備的金屬多孔材料芯體的流量一致性較差，且金屬多空材料存在掉渣的隱患，可能會(huì)影響到推進(jìn)系統(tǒng)甚至航天器的安全；
[0006](2)節(jié)流孔板，通過(guò)一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的、有微米量級(jí)直徑小孔的孔板實(shí)現(xiàn)氣體節(jié)流，孔板一般為金屬材料。該類節(jié)流芯體一般需要多個(gè)孔板串聯(lián)而成，具有一定的裝配難度且工序較多，實(shí)現(xiàn)較小流量時(shí)，孔板數(shù)量較多，孔徑很小，節(jié)流芯體體積較大。采用節(jié)流孔板的節(jié)流芯體熱容較大，因此難以采用加熱方法實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)節(jié)流量；
[0007](3)金屬毛細(xì)管，利用毛細(xì)管形成微流道，實(shí)現(xiàn)氣體節(jié)流，通過(guò)控制毛細(xì)管的孔徑和長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)所需的氣體節(jié)流。該類節(jié)流器的金屬毛細(xì)管標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品多，可降低成本。金屬毛細(xì)管熱容量很小，可利用電能直接加熱毛細(xì)管以實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。但毛細(xì)管與接頭焊接工藝較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)較小流量時(shí)，金屬毛細(xì)管長(zhǎng)度會(huì)較長(zhǎng)，導(dǎo)致布局較為困難。為了固定毛細(xì)管需要采用比毛細(xì)管質(zhì)量大得多的結(jié)構(gòu)部件。在需要利用電能加熱毛細(xì)管以調(diào)節(jié)流量時(shí)，毛細(xì)管的絕緣和固定也較為困難；
[0008](4)金屬刻蝕微流道，利用化學(xué)刻蝕工藝在金屬板表面形成的微溝道，然后由多塊金屬板疊加，兩塊相鄰的金屬板表面的微溝道即形成微流道，實(shí)現(xiàn)氣體節(jié)流，其本質(zhì)與毛細(xì)管相同，均為微流道節(jié)流。該類節(jié)流芯體的微流道集成在結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)集成性好，但需要專用的化學(xué)刻蝕設(shè)備，且熱容量較大，難以利用電能加熱的原理實(shí)現(xiàn)較大范圍流量調(diào)節(jié)。
[0009]可變結(jié)構(gòu)節(jié)流是指利用活動(dòng)部件,調(diào)節(jié)氣體流道的大小，從而實(shí)現(xiàn)氣體節(jié)流，輸出微流量氣體，如比例流量閥等，該類節(jié)流方式節(jié)流調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)零流量、響應(yīng)速度快，但器件設(shè)計(jì)難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制要求高。
[0010]由于固定結(jié)構(gòu)節(jié)流技術(shù)較為簡(jiǎn)單，目前空間應(yīng)用的微流量節(jié)流器大都采用該技術(shù)。通過(guò)上述分析可以看出，現(xiàn)有的固定結(jié)構(gòu)節(jié)流方式均存在一些缺點(diǎn)，如:
[0011](I)金屬多孔材料節(jié)流方式:采用燒結(jié)而成的金屬多孔材料內(nèi)部的微細(xì)流道進(jìn)行節(jié)流，芯體成型工藝復(fù)雜，一致性差，用于節(jié)流的內(nèi)芯存在掉渣隱患，內(nèi)芯掉渣不但影響本身的流阻，而且對(duì)下游組件和工作帶來(lái)不利影響；
[0012](2)節(jié)流孔板節(jié)流方式:采用分布有微小孔的孔板進(jìn)行節(jié)流，為了達(dá)到較大的節(jié)流效果，一般需要多個(gè)孔板串聯(lián)，裝配難度較大且工序較多，難以采用電能加熱的方法大范圍調(diào)節(jié)流量；
[0013](3)毛細(xì)管節(jié)流方式:采用內(nèi)徑很小、長(zhǎng)度較長(zhǎng)的毛細(xì)管內(nèi)部流道形成的流阻進(jìn)行節(jié)流，毛細(xì)管焊接工藝復(fù)雜，且毛細(xì)管采用電加熱調(diào)節(jié)流量時(shí)，絕緣和安裝布局較為困難；
[0014](4)金屬刻蝕微流道節(jié)流方式:節(jié)流原理同毛細(xì)管，但流阻是通過(guò)在金屬基板上刻蝕出來(lái)的微流道實(shí)現(xiàn)，微流道加工需要采用化學(xué)刻蝕設(shè)備，工藝復(fù)雜，結(jié)構(gòu)熱容量大，難以采用電能加熱的原理實(shí)現(xiàn)較大范圍流量調(diào)節(jié)。
[0015]激光內(nèi)雕技術(shù)是用一定波長(zhǎng)的激光打入水晶、玻璃、亞克力等透明材料的內(nèi)部并在某點(diǎn)聚焦，激光的能量使聚焦點(diǎn)處的材料發(fā)生細(xì)微的氣化形成氣泡，隨著激光聚焦點(diǎn)的不斷移動(dòng)，在材料內(nèi)部形成連續(xù)的多個(gè)氣泡，組成一定形狀的一種加工工藝。激光內(nèi)雕在材料內(nèi)部產(chǎn)生的氣泡尺寸可達(dá)數(shù)十微米，可用于制作微流量控制器所需的幾十至上百微米的微小孔、微流道和腔體。通過(guò)不同形狀和尺寸的微小孔、微流道、腔體及其組合，可以實(shí)現(xiàn)不同的微流量氣體節(jié)流需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種氣體微流量節(jié)流器。激光內(nèi)雕在材料內(nèi)部產(chǎn)生的氣泡尺寸可達(dá)數(shù)十微米，可用于制作微流量控制器所需的幾十至上百微米的微小孔、微流道和腔體。通過(guò)不同形狀和尺寸的微小孔、微流道、腔體及其組合，可以實(shí)現(xiàn)不同的微流量氣體節(jié)流需求。
[0017]根據(jù)本發(fā)明提供的氣體微流量節(jié)流器，包括氣體入口、節(jié)流芯體和氣體出口 ；其中，節(jié)流芯體內(nèi)設(shè)置有貫穿節(jié)流芯體的毛細(xì)管流道，所述毛細(xì)管流道連通氣體入口和氣體出口，氣體從氣體入口進(jìn)入節(jié)流芯體經(jīng)節(jié)流作用后從氣體出口流出微流量的推進(jìn)劑。
[0018]優(yōu)選地，還包括空腔和隔板；所述空腔和隔板設(shè)置在所述節(jié)流芯體內(nèi)，隔板上設(shè)置有連通相鄰空腔的小孔；所述毛細(xì)管流道通過(guò)連接小孔或/和空腔連通氣體入口和氣體出□。
[0019]優(yōu)選地,所述節(jié)流芯體采用水晶、玻璃或亞克力制成。
[0020]優(yōu)選地，所述過(guò)濾器設(shè)置在氣體入口和/或氣體出口中，氣體經(jīng)氣體入口中的過(guò)濾器進(jìn)入節(jié)流芯體，經(jīng)氣體出口中的過(guò)濾器流出。
[0021]優(yōu)選地，所述毛細(xì)管流道的數(shù)量為若干個(gè)，每個(gè)隔板上的小孔的數(shù)量為若干個(gè)。
[0022]優(yōu)選地，毛細(xì)管流道、孔板和空腔均采用激光內(nèi)雕技術(shù)加工而成。
[0023]優(yōu)選地，毛細(xì)管流道的橫截面為方形、圓形、矩形、梯形或菱形；毛細(xì)管流道的形狀為曲線、折線或直線；空腔形狀為長(zhǎng)方體、正方體或圓柱體
[0024]優(yōu)選地，氣體出口的數(shù)量為多個(gè)，多個(gè)氣體出口分別通過(guò)毛細(xì)管流道連通空腔。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0026]1、本發(fā)明利用一種節(jié)流芯體毛坯材料，可根據(jù)需要制作成多種形狀和尺寸的節(jié)流流道，實(shí)現(xiàn)不同的節(jié)流效果，從而有效減小毛坯材料的規(guī)格；
[0027]2、本發(fā)明中節(jié)流芯體內(nèi)部的毛細(xì)管流道與節(jié)流芯體外表面為一體結(jié)構(gòu)，節(jié)流芯體內(nèi)部流道形成后不易被破壞且同種毛細(xì)管流道結(jié)構(gòu)性能一致性好；
[0028]3、本發(fā)明中一個(gè)芯體可實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同類型的節(jié)流通道，如毛細(xì)管、孔板或毛細(xì)管和孔板的結(jié)合，以及I條、2條或多條節(jié)流通道，可同時(shí)滿足下游多個(gè)組件的微推進(jìn)劑流量需求；
[0029]4、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單外形小巧，材料穩(wěn)定性好；
[0030]5、本發(fā)明可采用加熱方法實(shí)現(xiàn)較大范圍流量調(diào)節(jié)；
[0031]6、本發(fā)明流道內(nèi)部情況可見(jiàn)，便于檢查加工質(zhì)量和多余物。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0033]圖1為本發(fā)明中毛細(xì)管流道節(jié)流芯體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2為本發(fā)明中孔板一空腔流道節(jié)流芯體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖3為本發(fā)明中毛細(xì)管、孔板一空腔組合流道節(jié)流芯體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖4為本發(fā)明中具有一個(gè)氣體入口兩個(gè)氣體出口的微流量節(jié)流器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖中:
[0038]I為氣體入口；
[0039]2為氣體出口 ；
[0040]3為毛細(xì)管流道；
[0041]4為孔板；
[0042]5為空腔；
[0043]6為過(guò)濾器；
[0044]7為小孔。

【具體實(shí)施方式】
[0045]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0046]實(shí)施例1
[0047]在本實(shí)施例中，本發(fā)明提供的氣體微流量節(jié)流器，其節(jié)流芯體內(nèi)部的節(jié)流流道為毛細(xì)管流道3，毛細(xì)管截面、尺寸和形狀可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，并由激光內(nèi)雕技術(shù)加工。毛細(xì)管橫截面可為方形、圓形等，毛細(xì)管形狀可為曲線、折線、直線等。如圖1所示，毛細(xì)管截面為圓形，形狀為正弦曲線。
[0048]實(shí)施例2
[0049]在本實(shí)施例中，本發(fā)明提供的氣體微流量節(jié)流器，其節(jié)流芯體內(nèi)部節(jié)流流道為孔板一空腔形成的流道，孔板4的厚度，孔板4上的小孔數(shù)量、形狀、位置和尺寸，空腔5尺寸和形狀可跟據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，并由激光內(nèi)雕技術(shù)加工。孔板小孔至少為I個(gè)，形狀可為方形、圓形等，孔板4至少為I個(gè)，空腔5至少為2個(gè)，空腔5形狀可為長(zhǎng)方體、圓柱體等。如圖2所示，本發(fā)明提供的的氣體微流量節(jié)流器具有四個(gè)孔板4和三個(gè)空腔5，靠近氣體入口和出口的兩個(gè)孔板4具有一個(gè)小孔,中間兩個(gè)孔板4均具有兩個(gè)小孔,且中間兩個(gè)孔板,每個(gè)孔板上兩個(gè)小孔軸線所在的平面與另一個(gè)孔板上兩個(gè)小孔軸線所在的平面互相垂直。
[0050]實(shí)施例3
[0051]在本實(shí)施例中，如圖3所示，本發(fā)明提供的氣體微流量節(jié)流器，其節(jié)流芯體內(nèi)部節(jié)流流道為毛細(xì)管流道、孔板一空腔形成的組合流道，毛細(xì)管流道3的截面、尺寸和形狀，孔板4的厚度，孔板4上的小孔7的數(shù)量、形狀、位置和尺寸，空腔5的尺寸和形狀可跟據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，并由激光內(nèi)雕技術(shù)加工。
[0052]實(shí)施例4
[0053]在本實(shí)施例中，本發(fā)明提供的氣體微流量節(jié)流器，具有一個(gè)氣體入口和兩個(gè)氣體出口，每個(gè)氣體出口可輸出不同的流量，節(jié)流芯體相應(yīng)具有一個(gè)氣體入口，兩個(gè)氣體出口。如圖4所示，本發(fā)明提供的的微流量節(jié)流器，相應(yīng)節(jié)流芯體內(nèi)部流道為毛細(xì)管和空腔的組合流道，靠近氣體入口處為單流道，在下游連接一個(gè)空腔，在空腔下游連接兩條毛細(xì)管流道，分別流向兩個(gè)氣體出口。氣體入口和氣體出口上均裝有過(guò)濾器6，以防止固體顆粒多余物進(jìn)入節(jié)流芯體，造成堵塞等問(wèn)題。
[0054]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種氣體微流量節(jié)流器，其特征在于，包括氣體入口、節(jié)流芯體和氣體出口 ；其中，節(jié)流芯體內(nèi)設(shè)置有貫穿節(jié)流芯體的毛細(xì)管流道，所述毛細(xì)管流道連通氣體入口和氣體出口，氣體從氣體入口進(jìn)入節(jié)流芯體經(jīng)節(jié)流作用后從氣體出口流出微流量的推進(jìn)劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體微流量節(jié)流器，其特征在于，還包括空腔和隔板；所述空腔和隔板設(shè)置在所述節(jié)流芯體內(nèi)，隔板上設(shè)置有連通相鄰空腔的小孔；所述毛細(xì)管流道通過(guò)連接小孔或/和空腔連通氣體入口和氣體出口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣體微流量節(jié)流器，其特征在于，所述節(jié)流芯體采用水晶、玻璃或亞克力制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣體微流量節(jié)流器，其特征在于，還包括過(guò)濾器，所述過(guò)濾器設(shè)置在氣體入口和/或氣體出口中，氣體經(jīng)氣體入口中的過(guò)濾器進(jìn)入節(jié)流芯體，經(jīng)氣體出口中的過(guò)濾器流出。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體微流量節(jié)流器，其特征在于，所述毛細(xì)管流道的數(shù)量為若干個(gè)，每個(gè)隔板上的小孔的數(shù)量為若干個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體微流量節(jié)流器，其特征在于，毛細(xì)管流道、孔板和空腔均采用激光內(nèi)雕技術(shù)加工而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體微流量節(jié)流器，其特征在于，毛細(xì)管流道的橫截面為方形、圓形、矩形、梯形或菱形；毛細(xì)管流道的形狀為曲線、折線或直線；空腔形狀為長(zhǎng)方體、正方體或圓柱體
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體微流量節(jié)流器，其特征在于，氣體出口的數(shù)量為多個(gè)，多個(gè)氣體出口分別通過(guò)毛細(xì)管流道連通空腔。
【文檔編號(hào)】G05D7/00GK104298257SQ201410494807
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月24日
【發(fā)明者】杭觀榮, 康小錄, 余水淋, 梁偉 申請(qǐng)人:上?？臻g推進(jìn)研究所