CN108725846B - 感应加热的液体蒸发型微推进器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种感应加热的液体蒸发型微推进器及其制备方法。微推进器包括腔体层、上盖片、基底、金属加热盘、上PCB板、下PCB板、励磁线圈Ⅰ和励磁线圈Ⅱ；其中，腔体层上制作的结构包括微流道、收缩口、加热蒸发腔和拉瓦尔喷口；具体为一种利用电磁感应加热液体，使液体在加热腔内汽化，腔内的压力增大，高压气体从微喷嘴高速喷出产生推力，进而使微推进器获得相反方向的驱动力。微推进器对于实现微卫星的位置保持、姿态控制、引力补偿、轨道调整等方面起着极其重要的作用，属于航空、航天、微推进技术和微机械领域。
Description
技术领域
本发明是一种感应加热的液体蒸发型微推进器，具体为一种利用电磁感应加热液体，使液体在加热腔内汽化，腔内的压力增大，高压气体从微喷嘴高速喷出产生推力，进而使微推进器获得相反方向的驱动力。微推进器对于实现微卫星的位置保持、姿态控制、引力补偿、轨道调整等方面起着极其重要的作用，属于航空、航天、微推进技术和微机械领域。
背景技术
目前，液体蒸发型微推进器的加热方式主要为电阻加热。2000年，美国加利福尼亚大学研究的MEMS液体蒸发型微推进器，采用电阻丝从蒸发腔外部对腔内液体进行加热。2001年，清华大学制作并测试了一种液体蒸发微推进器，其微加热器由Ti制作的电阻丝组成，并有外部导线与液体蒸发腔内的电阻丝相连。2012年，印度理工学院研制了一种基于硅微加工的液体蒸发微推进器，采用两个位于蒸发强外侧的电阻加热器，通过硅向蒸发腔内的液体加热。2015年，新加坡南阳理工大学采用陶瓷烧结方法研制了一种电阻加热的液体蒸发微推进器。虽然液体蒸发型微推进器具有结构简单、驱动电压低等优点，但是，目前研究的液体蒸发型微推进器的推力小，且响应速度慢，这是由于这些微推进器都采用了薄膜电阻丝加热的加热方式。该方式的缺点表现为：①为减少热量耗散，加热丝一般位于加热蒸发腔内部与被加热液体直接接触。因此，需要从加热腔内引出导线与外部电源连接，其结构和制作工艺相对复杂。②现有微推进器中使液体蒸发的薄膜电阻丝加热器加热面积小，加热功率较小。
发明内容
本发明的目的在于克服传统电阻丝加热式液体蒸发型微推进器的推力小、响应速度慢等缺点，而提出将感应加热应用于液体蒸发型微推进器中，简化微推进器结构和制作工艺。本发明的微加热盘被密封在加热蒸发腔内，两个励磁线圈分别位于加热蒸发腔的外部上、下两侧。当给励磁线圈接通高频交变电流时，线圈产生交变磁场，在交变磁场的作用下，微加热盘内产生电涡流，电涡流产生焦耳热，使加热腔内液体汽化，气体膨胀导致腔内的压力增大，进而将气体从侧面喷嘴高速喷出，微推进器获得相反方向的驱动力。
1.感应加热的液体蒸发型微推进器，其特征在于：包括腔体层、上盖片、基底、金属加热盘、上PCB板、下PCB板、励磁线圈Ⅰ和励磁线圈Ⅱ；其中，腔体层上制作的结构包括微流道、收缩口、加热蒸发腔和拉瓦尔喷口；
所述微流道与拉瓦尔喷口深度相同，为150μm-300μm，宽度为80μm-300μm；
所述进液口加工在上盖片上，贯穿整个上盖片；
所述微流道中设计半圆状收缩口，距离加热蒸发腔进口800μm-1500μm，收缩口处的微流道宽度为30μm-50μm，防止液体向进液口回流，收缩口另一侧通过微流道与加热蒸发腔相连；
所述加热蒸发腔为圆形腔体结构，其通过微流道与进液口相连通，加热蒸发腔的另一侧与拉瓦尔喷口相连通；
所述拉瓦尔喷口进口宽度与微流道宽度相同，最窄处宽度为30μm-80μm且距离出口处800μm-1000μm，拉瓦尔喷口出口宽度为200μm-500μm；
所述励磁线圈Ⅰ加工在上PCB板上，励磁线圈Ⅱ加工在下PCB板上；
所述励磁线圈Ⅰ和励磁线圈Ⅱ同心，且与金属加热盘同心；
所述金属加热盘制作在基底上表面，
所述加热蒸发腔通过进液口和微流道填充液体；
微推进器通过进液口和微流道向加热蒸发腔内输送液体；同时，对励磁线圈Ⅰ和励磁线圈Ⅱ中通入交变电流，电流方向均为顺时针或逆时针，励磁线圈Ⅰ和励磁线圈Ⅱ周围产生叠加增强的交变磁场；金属加热盘在交变磁场中，其内部就会产生涡流，涡流产生焦耳热，使金属加热盘温度升高，加热蒸发腔内的液体与金属加热盘直接接触，由于热传导的效应，液体被金属加热盘加热，使加热蒸发腔内液体汽化成气体；气体体积变大，其腔体内压力升高，加热蒸发腔内气体在压力的作用下，通过拉瓦尔喷口喷出，从而微推进器获得相反方向的驱动力。
2.根据权利要求1所述的微推进器，其特征在于：所述励磁线圈Ⅰ和励磁线圈Ⅱ形状为多边形或圆形平面螺旋线圈，匝数为5匝到30匝。
3.根据权利要求1所述的微推进器，其特征在于：所述加热蒸发腔的直径为 2000μm-5000μm，深度为150μm-300μm。
4.制作如权利要求1-3任意一项所述微推进器的方法，其特征在于，具体工艺流程如下所示：
1)用激光切割机切割出陶瓷块，作为腔体层；
2)在腔体层上用激光切割机切出进液口、收缩口、微流道、加热蒸发腔和拉瓦尔喷口；
3)在上盖片上用激光切割机切出进液口；
4)用去离子水清洗基底，然后在采用电镀工艺电镀出一个金属圆盘，制成金属加热盘；
5)使用石蜡涂覆在基底上表面，将腔体层贴在基底上表面的石蜡层上，然后再将腔体层上表面涂覆石蜡；
6)把上盖片的下表面与腔体层的上表面进行对齐形成陶瓷叠层，将上述加工好的带有进液口、微流道、加热蒸发腔与拉瓦尔喷口的腔体层与上盖片、基底烧结成一个整体，然后与加工出励磁线圈Ⅰ的上PCB板和加工出励磁线圈Ⅱ的下PCB板组装，制成感应加热的液体蒸发式微推进器。
本发明可以获得如下有益效果和特点：1)由于激励线圈位于加热蒸发腔外部，其线径大小和匝数不受腔体尺寸的限制，采用上下两个线圈同时供电的结构，相对薄膜电阻丝加热方式，其供电能力得到极大的提升。2)传统电阻加热的热气泡驱动采用的薄膜电阻丝是一维线结构，而基于微平面感应加热的微加热盘是二维面结构，加热面积和加热能力提高数倍。3)基于感应加热机理的液体蒸发型微推进器，其供电电源与位于加热蒸发腔内的微加热盘无物理接触，便于密封，简化了制作工艺，降低了制作难度，具有结构简单、成本低和便于集成等优点。
附图说明
图1：本发明微推进器整体外观视图；
图2：本发明微推进器分解外观视图；
图3：本发明微推进器剖面视图；
图4：本发明微推进器腔体层外观视图；
图5：本发明微推进器腔体层微通道形状结构图；
图6：本发明微推进器上盖片外观视图；
图7：本发明微推进器上PCB板外观视图；
图8：本发明微推进器下PCB板上表面外观视图；
图9：本发明微推进器下PCB板下表面外观视图；
图10：本发明微推进器工作原理示意图；
图11：本发明微喷射器所用陶瓷块切割形状示意图；
图12：本发明微推进器实施工艺过程图一；
图13：本发明微推进器实施工艺过程图二；
图14：本发明微推进器实施工艺过程图三；
图15：本发明微推进器实施工艺过程图四；
图16：本发明微推进器实施工艺过程图五；
图中：1.上PCB板，2.励磁线圈Ⅰ，3.引脚Ⅰ，4.引脚Ⅱ，5.上盖片， 6.腔体层，7.拉瓦尔微喷口，8.加热蒸发腔，9.金属加热盘，10.基底，11.励磁线圈Ⅱ，12.下PCB板，13.收缩口，14.微流道，15.进液口，16.引脚Ⅲ， 17.引脚Ⅳ，18.液体，19.气体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明采用如下技术方案：
感应加热的液体蒸发型微推进器，包括腔体层6、上盖片5、基底10、金属加热盘9、上PCB板1、下PCB板12、励磁线圈Ⅰ2和励磁线圈Ⅱ11；其中，腔体层6上制作的结构包括微流道14、收缩口13、加热蒸发腔8和拉瓦尔喷口 7。
所述微流道14与拉瓦尔喷口7深度相同，为150μm-300μm，宽度为80μm -300μm；
所述上盖片5、腔体层6和基底10为氧化锆陶瓷块；
所述圆形进液口15加工在上盖片5上，直径为1200μm-1500μm，贯穿整个上盖片5；
所述微流道14中设计半圆状收缩口13，距离加热蒸发腔8进口800μm -1500μm，收缩口处的微流道宽度为30μm-50μm，防止液体向进液口15回流，收缩口13另一侧通过微流道14与蒸发腔8相连；
所述加热蒸发腔8的直径为2000μm-5000μm，深度为150μm-300μm；
所述蒸发腔8为圆形腔体结构，其通过微流道14与进液口15相连通，蒸发腔8的另一侧与拉瓦尔微喷口7相连通；
所述拉瓦尔喷口7进口宽度与微流道14宽度相同，最窄处宽度为30μm -80μm且距离出口处800μm-1000μm，拉瓦尔喷口7出口宽度为200μm-500μm；
所述励磁线圈Ⅰ2加工在上PCB板1上，励磁线圈Ⅱ11加工在下PCB板12 上；
所述励磁线圈Ⅰ2和励磁线圈Ⅱ11同心，形状为多边形或圆形平面螺旋线圈，匝数为5匝到30匝，且与金属加热盘9同心；
所述微加热盘9制作在基底10上表面，直径1500μm-3000μm，厚度为 5μm-20μm，材料为铁、镍或坡莫合金；
所述加热蒸发腔8通过进液口15和微流道14填充液体。
本发明微推进器工作原理，如附图10所示：
微推进器通过进液口15和微流道14向微腔体8内输送液体18。同时，对励磁线圈Ⅰ2和励磁线圈Ⅱ11中通入交变电流，电流方向均为顺时针(或逆时针)，励磁线圈Ⅰ2和励磁线圈Ⅱ11周围产生叠加增强的交变磁场。金属加热盘 9在交变磁场中，其内部就会产生涡流，涡流产生焦耳热，使加热盘9温度迅速升高，加热蒸发腔8内的液体18与加热盘9直接接触，由于热传导的效应，液体18被加热盘9加热，使加热腔8内液体18汽化成气体19。气体19体积迅速变大，其腔体内压力迅速升高，蒸发腔8内气体19在高压的作用下，通过拉瓦尔口7高速喷出，从而微推进器获得相反方向的驱动力。
本发明中的腔体层6，可以由氧化锆陶瓷块，通过激光切割机切割，再由高温烧结陶瓷工艺加工制作，具体工艺流程如下所示：
(a)附图11，用激光切割机切割出陶瓷块；
(b)附图12，在腔体层6上用激光切割机切出进液口15、收缩口13、微流道14、加热蒸发腔8和拉瓦尔微喷口7；
(c)附图13，在上盖片5上用激光切割机切出圆形进液口15；
(d)附图14，用去离子水清洗基底10，然后在采用电镀工艺电镀出一个金属圆盘，材料为铁、镍或坡莫合金，厚度为5μm-20μm，制成加热盘14；
(e)附图15，使用石蜡涂覆在基底10上表面，将腔体层6贴在基底10上表面的石蜡层上，然后再将腔体层6上表面涂覆石蜡；
(f)附图16，把上盖片5的下表面与腔体层6的上表面进行对齐形成陶瓷叠层，然后，在2MPa的低压下压制陶瓷叠层，并加热至80℃以挤出堆叠过程中过量的有机流体和空气。之后将其放入炉中进行烧烤。温度以2℃/min的速度从室温升至500℃，恒温烧结90分钟。然后，再以6℃/min的速度升温到1500 ℃，进行高温烧结90分钟。最后，将炉子冷却到室温。
本发明将上述加工好的带有进液口15、微流道14、加热蒸发腔8与拉瓦尔喷口7的腔体层6与上盖片5、基底10烧结成一个整体，然后与加工出励磁线圈Ⅰ2的上PCB板1和加工出励磁线圈Ⅱ11的下PCB板12组装，可采用环氧树脂胶黏合的方法进行组装，制成感应加热的液体蒸发式微推进器。
Claims (4)
1.感应加热的液体蒸发型微推进器，其特征在于：包括腔体层、上盖片、基底、金属加热盘、上PCB板、下PCB板、励磁线圈Ⅰ和励磁线圈Ⅱ；其中，腔体层上制作的结构包括微流道、收缩口、加热蒸发腔和拉瓦尔喷口；
所述微流道与拉瓦尔喷口深度相同，为150μm-300μm，宽度为80μm-300μm；
进液口加工在上盖片上，贯穿整个上盖片；
所述微流道中设计半圆状收缩口，距离加热蒸发腔进口800μm-1500μm，收缩口处的微流道宽度为30μm-50μm，防止液体向进液口回流，收缩口另一侧通过微流道与加热蒸发腔相连；
所述加热蒸发腔为圆形腔体结构，其通过微流道与进液口相连通，加热蒸发腔的另一侧与拉瓦尔喷口相连通；
所述拉瓦尔喷口进口宽度与微流道宽度相同，最窄处宽度为30μm-80μm且距离出口处800μm-1000μm，拉瓦尔喷口出口宽度为200μm-500μm；
所述励磁线圈Ⅰ加工在上PCB板上，励磁线圈Ⅱ加工在下PCB板上；
所述励磁线圈Ⅰ和励磁线圈Ⅱ同心，且与金属加热盘同心；
所述金属加热盘制作在基底上表面，
所述加热蒸发腔通过进液口和微流道填充液体；
微推进器通过进液口和微流道向加热蒸发腔内输送液体；同时，对励磁线圈Ⅰ和励磁线圈Ⅱ中通入交变电流，电流方向均为顺时针或逆时针，励磁线圈Ⅰ和励磁线圈Ⅱ周围产生叠加增强的交变磁场；金属加热盘在交变磁场中，其内部就会产生涡流，涡流产生焦耳热，使金属加热盘温度升高，加热蒸发腔内的液体与金属加热盘直接接触，由于热传导的效应，液体被金属加热盘加热，使加热蒸发腔内液体汽化成气体；气体体积变大，其腔体内压力升高，加热蒸发腔内气体在压力的作用下，通过拉瓦尔喷口喷出，从而微推进器获得相反方向的驱动力。
2.根据权利要求1所述的微推进器，其特征在于：所述励磁线圈Ⅰ和励磁线圈Ⅱ形状为多边形或圆形平面螺旋线圈，匝数为5匝到30匝。
3.根据权利要求1所述的微推进器，其特征在于：所述加热蒸发腔的直径为2000μm-5000μm，深度为150μm-300μm。
4.制作如权利要求1-3任意一项所述微推进器的方法，其特征在于，具体工艺流程如下所示：
1)用激光切割机切割出陶瓷块，作为腔体层；
2)在腔体层上用激光切割机切出进液口、收缩口、微流道、加热蒸发腔和拉瓦尔喷口；
3)在上盖片上用激光切割机切出进液口；
4)用去离子水清洗基底，然后在采用电镀工艺电镀出一个金属圆盘，制成金属加热盘；
5)使用石蜡涂覆在基底上表面，将腔体层贴在基底上表面的石蜡层上，然后再将腔体层上表面涂覆石蜡；
6)把上盖片的下表面与腔体层的上表面进行对齐形成陶瓷叠层，将上述加工好的带有进液口、微流道、加热蒸发腔与拉瓦尔喷口的腔体层与上盖片、基底烧结成一个整体，然后与加工出励磁线圈Ⅰ的上PCB板和加工出励磁线圈Ⅱ的下PCB板组装，制成感应加热的液体蒸发式微推进器。
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