CN104156020A - 一种微流量精确控制装置 - Google Patents

Abstract

一种微流量精确控制装置，包括接头组件(1)、孔板(2)、端盖板(3)、温控组件(4)；所述的孔板(2)为圆盘形状，圆盘表面加工若干小孔，小孔之间通过刻蚀形成通道，端盖板(3)为中心设置小孔的圆盘形状，两个端盖板(3)焊接在孔板(2)的圆盘两侧，端盖板(3)的中心孔与孔板(2)上位于中心的小孔连通，孔板(2)上的小孔从中间小孔开始通过刻蚀的通道一一串联，最终通向中间小孔；两个接头组件(1)分别与上述两个端盖板(3)连接；温控组件(4)包括加热器和测温传感器，加热器和测温传感器封装在一个环形的壳体内，二者之间填充绝缘材料；两个温控组件分别安装在两个端盖板(3)的两侧。

Description

一种微流量精确控制装置

技术领域

本发明属于航天器空间推进技术领域，特别涉及一种微流量精确控制装置，适用于航天器电推进贮供子系统氙气微流量高精度的精确调节与控制。

背景技术

DFH-3B卫星平台采用电推进分系统执行南北位保及动量轮卸载等空间任务，相对于常规的化学推进系统，电推进系统提出了推进剂微流量高精度控制需求，其流量一般为mg/s量级，控制精度为±3％。

目前常规的流量控制手段主要为小孔节流，对于电推进系统这种mg/s级的流量控制水平，其等效孔径为nm级水平，一方面机械加工无法实现；另一方面含有这种尺度小孔的产品对多余物非常敏感，目前尚无有效的多余物控制及防护措施；同时系统中的压力和温度等控制量一般均有一定的波动，将会带来较大的流量输出偏差，因此常规的小孔节流技术无法适用于当前的航天器电推进系统高精度微流量精确控制需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种微流量精确控制装置。

本发明的技术解决方案是：一种微流量精确控制装置，包括接头组件、孔板、端盖板、温控组件；所述的孔板为圆盘形状，圆盘表面加工若干小孔，小孔之间通过刻蚀形成通道，端盖板为中心设置小孔的圆盘形状，两个端盖板焊接在孔板的圆盘两侧，端盖板的中心孔与孔板上位于中心的小孔连通，孔板上的小孔从中间小孔开始通过刻蚀的通道一一串联，最终通向中间小孔；两个接头组件分别与上述两个端盖板连接；温控组件包括加热器和测温传感器，加热器和测温传感器封装在一个环形的壳体内，二者之间填充绝缘材料；两个温控组件分别安装在两个端盖板的两侧。

所述孔板上的小孔的直径50μm～100μm。

当孔板的个数为两个时，两个孔板之间及两侧分别焊接端盖板。

所述的接头组件与端盖板中心孔相通的中心通道内置过滤器。

所述的温控组件与端盖板之间平面接触，采用内连接钢箔以点焊的方式固定连接。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明提出了一种微流量精确控制装置，该装置首先将加热器和测温传感器封装在同一个不锈钢壳体内，形成温控组件，使得组件体积小，结构紧凑，可以与微流量精确控制装置的其余零组件在外形上完全匹配，安装方便，通过采用温度闭环控制策略以热节流的方式实现微流量高精度精确控制，有效解决了输出流量精度受温度和压力波动的影响问题。

(2)本发明流量控制器结构采用采用机械加工方法即可实现，其通径在一般在50μm～100μm范围，这就降低了产品对多余物的敏感程度，在单机和系统级均可使用现有的多余物控制措施进行防护，并且该微流量控制装置没有活动零件，不存在“自污染”的可能。

(3)本发明流量控制器从介质流通路径的角度讲属于“单孔”结构，但又不同于通常意义的“单孔”结构，它是在很小的面积上集成有大量通道和孔的多层结构，通过焊接将通道封闭起来，形成流阻非常大的介质通道，工作介质流过这种多层结构形成复杂但不很狭窄的流体通路时，其速度连续发生变化，能量不断降低，从而达到节流目的，输出流量最终满足预定要求。

(4)本发明的流量控制器其出、入口均内置过滤器，可有效防止外来多余物进入该装置内部，同时该装置内部设计上无活动部件，不会发生由于活动部件之间的摩擦现象而带来的产品“自污染”问题，非常适合应用于高精度微小流量控制器需求的领域。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明流量控制器示意图；

图3为本发明孔板示意图；

图4为本发明端盖板示意图；

图5为本发明接头组件示意图；

图6为计算网络回路示意图；

图7为容腔—阻性元件流动结构图；

图8为本发明温控组件示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明装置包括流量控制器11和温控组件4，其中流量控制器包括接头组件1、孔板2和端盖板3；如图2所示，所述的孔板2采用不锈钢板为圆盘形状，圆盘表面通过激光打孔的方法加工若干小孔，小孔的直径50μm～100μm，偏差±0.2μm；小孔之间通过刻蚀方式形成通道，如图3所示，端盖板3同样由不锈钢板加工成与孔板2外径相同的圆盘状，中心打小孔，两个端盖板3扩散焊接的方式焊接在孔板2的圆盘两侧，端盖板3的中心孔与孔板2上位于中心的小孔连通，孔板2上的小孔从中间小孔开始通过刻蚀的通道一一串联，最终通向中间小孔；如图4所示，接头组件1采用不锈钢棒加工，内置过滤器，以电子束焊接的方式与端盖板3连接，两个接头组件1分别与上述两个端盖板3连接。温控组件4如图8所示，包括加热器41和测温传感器42，加热器41和测温传感器42封装在一个环形的不锈钢壳体内，二者之间填充绝缘材料实现可靠隔离与绝缘；加热器41和测温传感器42独立工作，导线各自引出。其中加热器41的作用是为流量控制器11提供热源，进而改变其通道内介质的粘度和密度，测温传感器42通过对流量控制器11的本体温度进行测量，并将测量值反馈给中心控制器形成温度闭环负反馈控制系统，从而将温度控制的预定的范围内，最终实现介质的高精度微流量精确控制。加热器采用电热合金丝绕制而成，测温传感器为铂电阻PT100。加热器41和温度传感器42同端一体化封装结构，可以有效消除由于热惯性带来的测温滞后问题。温控组件4安装在流量控制器本体的两端，接触方式为平面接触，采用内连接钢箔5以电焊的方式与流量控制器本体固定连接。

当孔板2的数量为2个时，采用如图1所示的连接方式，两个孔板2之间及两侧分别焊接端盖板3，最终形成层孔板结构微流量控制装置。

至于孔板2上小孔的数量主要依据微流量控制装置的流量要求确定。主要可以采用下述步骤进行计算：

首先，气体在流道内的流动过程可视为气体从进口到出口流经一系列串联的阻性元件(节流孔)及容性元件(容腔)的过程。因此，可将图2所示流道内介质的流动简化为图5所示的由节流孔(对应孔板2中的小孔)和容腔(对应孔板2中两个相邻节流孔之间的刻蚀通道)组成的气体流动网络回路。这样便可借助各已知元件的流量关系式计算得到迷宫流道的压差与流量的关系即流阻特性。

其中，各流体元件的数学特征模型分别如下：

A.节流孔质量流量计算公式

$G=C_{d}A\sqrt{k}\frac{P_u}{\sqrt{{\mathrm{RT}}_u}}\mathrm{\φ}\left(\frac{P_d}{P_u}\right)$

其中：

$\mathrm{\φ}\left(\frac{P_d}{P_u}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\left(\frac{2}{k-1}\right)[{\left(\frac{P_d}{P_u}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{P_d}{P_u}\right)}^{\frac{k+1}{k}}]}& \left(\frac{P_d}{P_u}\right)>P_{\mathrm{cr}}\\ \sqrt{{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}}& \left(\frac{P_d}{P_u}\right)\≤P_{\mathrm{cr}}\end{array}\right.$

$P_{\mathrm{cr}}={\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k}{k-1}}$

式中，G为质量流量，P_u，P_d分别为节流孔上下游的气体压力，P_cr为临界压力比C_d为流量系数A为节流孔面积T_u为上游气体温度R为气体常数k为气体绝热指数。

B.容腔的热力学模型

此处气体状态变化服从理想气体状态方程，从而有

$\left[\begin{array}{cc}V\·{\left(\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂p}\right)}_T& V\·{\left(\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂T}\right)}_p\\ m\·{\left(\frac{\∂h}{\∂p}\right)}_T-V& m\·{\left(\frac{\∂h}{\∂T}\right)}_p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}\\ \frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}\frac{{\mathrm{dm}}_i}{\mathrm{dt}}-\mathrm{\ρ}\·\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}\\ \mathrm{\Σ}\frac{{\mathrm{dm}}_i}{\mathrm{dt}}\·h_i-\mathrm{\Σ}\frac{{\mathrm{dm}}_i}{\mathrm{dt}}\·h+\mathrm{\δQ}\end{array}\right]$

其中，p为压力，V为体积，T为温度，ρ为气体的密度，m为容腔内气体的质量，m_i为流入或流出容腔的质量(i＝1表示流入，i＝-1表示流出)，h为容腔内气体的总焓，h_i为流入或流出容腔的总焓，Q为与外界交换的热量。

流量计算方法简介如下：

由于计算网络由一系列阻性元件和容性元件(容腔)组成，不能直接根据给定的网络回路进、出口的气体参数，求出容腔中的气体压力和通过流动网络回路的气体流量，故必须采用迭代法求解。

根据质量守恒定律，通过每个节流孔的流量是相同的，亦即流入与流出每个容腔的质量流量应满足流量平衡关系，故采用容腔的流量平衡残差修正压力的算法进行迭代计算：

(1)首先假设各容腔中的压力初始值；

(2)根据初始压力计算出各节流孔的质量流量；

(3)求出流入与流出每个容腔的质量流量残差；

(4)根据残差对各容腔的压力分布进行修正，迭代计算直至最后各元件的流量残差在允许的范围内。

各容腔的压力修正计算方法如下：

如图6所示，有容腔i-1，i，i+1，从容腔i-1流入容腔i的流量记为G1，从容腔i流出的流量记为G2。对于给定的迷宫流道，其几何参数一定，各节流孔的质量流量取决与和该元件相连的两个容腔的压力，由此可以得出：

G₁＝G₁(p_i-1，p_i)(1)

G₂＝G₂(p_i，p_i+1)(2)

取微分得： ${\mathrm{dG}}_1=\frac{{\∂G}_1}{\∂p_{i-1}}d{p}_{i-1}+\frac{{\∂G}_1}{\∂p_i}\mathrm{dp}---\left(3\right)$

${\mathrm{dG}}_2=\frac{{\∂G}_2}{\∂p_i}d{p}_i+\frac{{\∂G}_2}{\∂p_{i+1}}{\mathrm{dp}}_{i+1}---\left(4\right)$

$d(G_1-G_2)=\frac{{\∂G}_1}{{\∂p}_{i-1}}{\mathrm{dp}}_{i-1}+(\frac{{\∂G}_1}{{\∂p}_i}-\frac{{\∂G}_2}{{\∂p}_i}){\mathrm{dp}}_i-\frac{{\∂G}_2}{\∂p_{i+1}}d{p}_{i+1}---\left(5\right)$

令dG_i＝-d(G₁-G₂)(6)

于是有 $\frac{\∂G_1}{{\∂p}_{i-1}}{\mathrm{dp}}_{i-1}+(\frac{{\∂G}_1}{\∂p_i}-\frac{{\∂G}_2}{{\∂p}_i}){\mathrm{dp}}_i-\frac{{\∂G}_2}{\∂p_{i+1}}{\mathrm{dp}}_{i+1}=-d{G}_1---\left(7\right)$

对迷宫流道中每个容腔都有(7)式成立，由已知容腔的流量偏差dGi，联立求解由式(7)组成的方程组，便可求出各个容腔所需的压力修正值dpi。式(7)中各阻性元件流量对容腔压力的偏导数均采用数值计算求得，即对每个阻性元件的流量给一小的变化，求出与该元件相邻的两个容腔的压力变化值，该阻性元件的流量变化值与容腔压力的变化值之商即为相应的流量对容腔压力的偏导数值。

其次在采用上述方法进行流阻计算时，需做以下假设：

各腔室压力均匀分布；

各腔室的温度相等。

采用上述迭代法即可得出流量与孔径、孔数等多层孔板结构参数之间的定量关系。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种微流量精确控制装置，其特征在于：包括接头组件(1)、孔板(2)、端盖板(3)、温控组件(4)；所述的孔板(2)为圆盘形状，圆盘表面加工若干小孔，小孔之间通过刻蚀形成通道，端盖板(3)为中心设置小孔的圆盘形状，两个端盖板(3)焊接在孔板(2)的圆盘两侧，端盖板(3)的中心孔与孔板(2)上位于中心的小孔连通，孔板(2)上的小孔从中间小孔开始通过刻蚀的通道一一串联，最终通向中间小孔；两个接头组件(1)分别与上述两个端盖板(3)连接；温控组件(4)包括加热器和测温传感器，加热器和测温传感器封装在一个环形的壳体内，二者之间填充绝缘材料；两个温控组件分别安装在两个端盖板(3)的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种微流量精确控制装置，其特征在于：所述孔板(2)上的小孔的直径50μm～100μm。

3.根据权利要求1所述的一种微流量精确控制装置，其特征在于：当孔板(2)的个数为两个时，两个孔板之间及两侧分别焊接端盖板(3)。

4.根据权利要求1或3所述的一种微流量精确控制装置，其特征在于：所述的接头组件(1)与端盖板(3)中心孔相通的中心通道内置过滤器。

5.根据权利要求1所述的一种微流量精确控制装置，其特征在于：所述的温控组件(4)与端盖板(3)之间平面接触，采用内连接钢箔(11)以点焊的方式固定连接。