CN104298257A - 气体微流量节流器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体微流量节流器，包括气体入口、节流芯体和气体出口；其中，节流芯体内设置有贯穿节流芯体的毛细管流道，所述毛细管流道连通气体入口和气体出口，气体从气体入口进入节流芯体经节流作用后从气体出口流出微流量的推进剂。本发明还包括空腔和隔板；所述空腔和隔板设置在所述节流芯体内，隔板上设置有连通相邻空腔的小孔；所述毛细管流道通过连接小孔或空腔连通气体入口和气体出口。本发明利用一种节流芯体毛坯材料，可根据需要制作成多种形状和尺寸的节流流道，实现不同的节流效果，从而有效减小毛坯材料的规格；本发明中节流芯体内部的毛细管流道与节流芯体外表面为一体结构，节流芯体内部流道形成后不易被破坏。

Description

气体微流量节流器

技术领域

本发明涉及电推进和冷气推进，具体地，涉及一种气体微流量节流器。

背景技术

卫星、深空探测器等航天器使用的电推进、微推力冷气推进等需要微流量的气体推进剂，一般是将气瓶中的压力较高(如16MPa)的气体降压、调节流量，变为推力器所需的微流量气体(如推力80mN、比冲1600s的霍尔推力器，阳极推进剂流量为4.8mg/s，阴极推进剂流量为0.3mg/s)。一般降压的工作由压力调节模块实现，该模块将气瓶中的较高压力变为较低、较稳定的压力(如0.2MPa)。调节流量的工作由流量调节模块实现，该模块将压力调节模块输出的较稳定压力的推进剂节流，调节为微流量的推进剂，并通过某种方法在一定范围内调节微流量大小，以适应推力器的不同需求。

流量调节模块一般由控制推进剂通断的阀门(电磁阀、自锁阀等)和流量控制器等组成。流量控制器是实现微流量气体供应和调节的关键组件，具有节流和一定的流量调节能力，一般由微流量节流器和温控器件(如加热器、加热带等)组成。微流量节流器是流量调节模块的主要功能器件。

目前国内外常用的冷气推进、电推进等空间推进系统的微流量气体流量控制器按节流芯体的节流方式可分为固定结构节流和可变结构节流。固定结构节流是指用固定结构形成固定结构的流道，实现气体节流，输出微流量气体，具体有：

(1)金属多孔材料，通过金属多孔材料形成的微小通道实现气体节流，金属多孔材料一般由金属粉末压制并烧结而成。该类节流器体积小巧，可利用加热方法实现大范围流量调节，但制备节流芯体时对金属粉末粒度、粒度一致性、压制和烧结工艺要求较高，同一批制备的金属多孔材料芯体的流量一致性较差，且金属多空材料存在掉渣的隐患，可能会影响到推进系统甚至航天器的安全；

(2)节流孔板，通过一个或多个串联的、有微米量级直径小孔的孔板实现气体节流，孔板一般为金属材料。该类节流芯体一般需要多个孔板串联而成，具有一定的装配难度且工序较多，实现较小流量时，孔板数量较多，孔径很小，节流芯体体积较大。采用节流孔板的节流芯体热容较大，因此难以采用加热方法实现大范围调节流量；

(3)金属毛细管，利用毛细管形成微流道，实现气体节流，通过控制毛细管的孔径和长度，实现所需的气体节流。该类节流器的金属毛细管标准化产品多，可降低成本。金属毛细管热容量很小，可利用电能直接加热毛细管以实现流量调节。但毛细管与接头焊接工艺较为复杂，实现较小流量时，金属毛细管长度会较长，导致布局较为困难。为了固定毛细管需要采用比毛细管质量大得多的结构部件。在需要利用电能加热毛细管以调节流量时，毛细管的绝缘和固定也较为困难；

(4)金属刻蚀微流道，利用化学刻蚀工艺在金属板表面形成的微沟道，然后由多块金属板叠加，两块相邻的金属板表面的微沟道即形成微流道，实现气体节流，其本质与毛细管相同，均为微流道节流。该类节流芯体的微流道集成在结构上，系统集成性好，但需要专用的化学刻蚀设备，且热容量较大，难以利用电能加热的原理实现较大范围流量调节。

可变结构节流是指利用活动部件，调节气体流道的大小，从而实现气体节流，输出微流量气体，如比例流量阀等，该类节流方式节流调节能力强、可实现零流量、响应速度快，但器件设计难度大、结构复杂、控制要求高。

由于固定结构节流技术较为简单，目前空间应用的微流量节流器大都采用该技术。通过上述分析可以看出，现有的固定结构节流方式均存在一些缺点，如：

(1)金属多孔材料节流方式：采用烧结而成的金属多孔材料内部的微细流道进行节流，芯体成型工艺复杂，一致性差，用于节流的内芯存在掉渣隐患，内芯掉渣不但影响本身的流阻，而且对下游组件和工作带来不利影响；

(2)节流孔板节流方式：采用分布有微小孔的孔板进行节流，为了达到较大的节流效果，一般需要多个孔板串联，装配难度较大且工序较多，难以采用电能加热的方法大范围调节流量；

(3)毛细管节流方式：采用内径很小、长度较长的毛细管内部流道形成的流阻进行节流，毛细管焊接工艺复杂，且毛细管采用电加热调节流量时，绝缘和安装布局较为困难；

(4)金属刻蚀微流道节流方式：节流原理同毛细管，但流阻是通过在金属基板上刻蚀出来的微流道实现，微流道加工需要采用化学刻蚀设备，工艺复杂，结构热容量大，难以采用电能加热的原理实现较大范围流量调节。

激光内雕技术是用一定波长的激光打入水晶、玻璃、亚克力等透明材料的内部并在某点聚焦，激光的能量使聚焦点处的材料发生细微的气化形成气泡，随着激光聚焦点的不断移动，在材料内部形成连续的多个气泡，组成一定形状的一种加工工艺。激光内雕在材料内部产生的气泡尺寸可达数十微米，可用于制作微流量控制器所需的几十至上百微米的微小孔、微流道和腔体。通过不同形状和尺寸的微小孔、微流道、腔体及其组合，可以实现不同的微流量气体节流需求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种气体微流量节流器。激光内雕在材料内部产生的气泡尺寸可达数十微米，可用于制作微流量控制器所需的几十至上百微米的微小孔、微流道和腔体。通过不同形状和尺寸的微小孔、微流道、腔体及其组合，可以实现不同的微流量气体节流需求。

根据本发明提供的气体微流量节流器，包括气体入口、节流芯体和气体出口；其中，节流芯体内设置有贯穿节流芯体的毛细管流道，所述毛细管流道连通气体入口和气体出口，气体从气体入口进入节流芯体经节流作用后从气体出口流出微流量的推进剂。

优选地，还包括空腔和隔板；所述空腔和隔板设置在所述节流芯体内，隔板上设置有连通相邻空腔的小孔；所述毛细管流道通过连接小孔或/和空腔连通气体入口和气体出口。

优选地，所述节流芯体采用水晶、玻璃或亚克力制成。

优选地，所述过滤器设置在气体入口和/或气体出口中，气体经气体入口中的过滤器进入节流芯体，经气体出口中的过滤器流出。

优选地，所述毛细管流道的数量为若干个，每个隔板上的小孔的数量为若干个。

优选地，毛细管流道、孔板和空腔均采用激光内雕技术加工而成。

优选地，毛细管流道的横截面为方形、圆形、矩形、梯形或菱形；毛细管流道的形状为曲线、折线或直线；空腔形状为长方体、正方体或圆柱体

优选地，气体出口的数量为多个，多个气体出口分别通过毛细管流道连通空腔。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明利用一种节流芯体毛坯材料，可根据需要制作成多种形状和尺寸的节流流道，实现不同的节流效果，从而有效减小毛坯材料的规格；

2、本发明中节流芯体内部的毛细管流道与节流芯体外表面为一体结构，节流芯体内部流道形成后不易被破坏且同种毛细管流道结构性能一致性好；

3、本发明中一个芯体可实现多个不同类型的节流通道，如毛细管、孔板或毛细管和孔板的结合，以及1条、2条或多条节流通道，可同时满足下游多个组件的微推进剂流量需求；

4、本发明结构简单外形小巧，材料稳定性好；

5、本发明可采用加热方法实现较大范围流量调节；

6、本发明流道内部情况可见，便于检查加工质量和多余物。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中毛细管流道节流芯体的结构示意图；

图2为本发明中孔板—空腔流道节流芯体的结构示意图；

图3为本发明中毛细管、孔板—空腔组合流道节流芯体的结构示意图；

图4为本发明中具有一个气体入口两个气体出口的微流量节流器的结构示意图。

图中：

1为气体入口；

2为气体出口；

3为毛细管流道；

4为孔板；

5为空腔；

6为过滤器；

7为小孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

在本实施例中，本发明提供的气体微流量节流器，其节流芯体内部的节流流道为毛细管流道3，毛细管截面、尺寸和形状可根据需要进行设计，并由激光内雕技术加工。毛细管横截面可为方形、圆形等，毛细管形状可为曲线、折线、直线等。如图1所示，毛细管截面为圆形，形状为正弦曲线。

实施例2

在本实施例中，本发明提供的气体微流量节流器，其节流芯体内部节流流道为孔板—空腔形成的流道，孔板4的厚度，孔板4上的小孔数量、形状、位置和尺寸，空腔5尺寸和形状可跟据需要进行设计，并由激光内雕技术加工。孔板小孔至少为1个，形状可为方形、圆形等，孔板4至少为1个，空腔5至少为2个，空腔5形状可为长方体、圆柱体等。如图2所示，本发明提供的的气体微流量节流器具有四个孔板4和三个空腔5，靠近气体入口和出口的两个孔板4具有一个小孔，中间两个孔板4均具有两个小孔，且中间两个孔板，每个孔板上两个小孔轴线所在的平面与另一个孔板上两个小孔轴线所在的平面互相垂直。

实施例3

在本实施例中，如图3所示，本发明提供的气体微流量节流器，其节流芯体内部节流流道为毛细管流道、孔板—空腔形成的组合流道，毛细管流道3的截面、尺寸和形状，孔板4的厚度，孔板4上的小孔7的数量、形状、位置和尺寸，空腔5的尺寸和形状可跟据需要进行设计，并由激光内雕技术加工。

实施例4

在本实施例中，本发明提供的气体微流量节流器，具有一个气体入口和两个气体出口，每个气体出口可输出不同的流量，节流芯体相应具有一个气体入口，两个气体出口。如图4所示，本发明提供的的微流量节流器，相应节流芯体内部流道为毛细管和空腔的组合流道，靠近气体入口处为单流道，在下游连接一个空腔，在空腔下游连接两条毛细管流道，分别流向两个气体出口。气体入口和气体出口上均装有过滤器6，以防止固体颗粒多余物进入节流芯体，造成堵塞等问题。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种气体微流量节流器，其特征在于，包括气体入口、节流芯体和气体出口；其中，节流芯体内设置有贯穿节流芯体的毛细管流道，所述毛细管流道连通气体入口和气体出口，气体从气体入口进入节流芯体经节流作用后从气体出口流出微流量的推进剂。

2.根据权利要求1所述的气体微流量节流器，其特征在于，还包括空腔和隔板；所述空腔和隔板设置在所述节流芯体内，隔板上设置有连通相邻空腔的小孔；所述毛细管流道通过连接小孔或/和空腔连通气体入口和气体出口。

3.根据权利要求1或2所述的气体微流量节流器，其特征在于，所述节流芯体采用水晶、玻璃或亚克力制成。

4.根据权利要求1或2所述的气体微流量节流器，其特征在于，还包括过滤器，所述过滤器设置在气体入口和/或气体出口中，气体经气体入口中的过滤器进入节流芯体，经气体出口中的过滤器流出。

5.根据权利要求2所述的气体微流量节流器，其特征在于，所述毛细管流道的数量为若干个，每个隔板上的小孔的数量为若干个。

6.根据权利要求2所述的气体微流量节流器，其特征在于，毛细管流道、孔板和空腔均采用激光内雕技术加工而成。

7.根据权利要求2所述的气体微流量节流器，其特征在于，毛细管流道的横截面为方形、圆形、矩形、梯形或菱形；毛细管流道的形状为曲线、折线或直线；空腔形状为长方体、正方体或圆柱体

8.根据权利要求2所述的气体微流量节流器，其特征在于，气体出口的数量为多个，多个气体出口分别通过毛细管流道连通空腔。