CN109958487A - 一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于液力机械领域的一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器；其中主端面密封安装于壳体的一端；壳体内设有由光热转换液体形成的液柱；主端面、壳体和液柱围成一个闭合的主空腔；主电磁波发射器设置于主端面外；当主电磁波发射器打开时，液柱在主空腔内产生蒸汽；液柱随着主电磁波发射器的开关在壳体内呈活塞式运动。本发明利用光热转化实现蒸发的液体将光能高效转化为热能，使壳体内的液体快速蒸发，同时蒸汽在壳体空腔内不断积聚压力升高推动液柱运动，当入射电磁波不再照射液柱端面时，蒸汽在液柱端面冷凝，液柱向后运动并使壳体内液体得到补充，提高了执行器使用持续耐久度，并且可实现液柱活塞式往复运动。
Description
技术领域
本发明属于液力机械技术领域，具体涉及一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器。
背景技术
蒸发过程在日常生活中随处可见，广泛应用于船舶动力、发电、海水淡化、化工生产等领域。目前现有蒸汽驱动方式中，主要是通过液体蒸发沸腾后产生的蒸汽推动透平回转运动，实现由热能向旋转动能转化，透平回转运动带动发电机发电或带动涡轮机械实现位移运动。在这些转化过程中往往伴随着化石燃料燃烧，对环境污染严重。另外，以往基于光热效应产生的蒸汽大多消散在空气中，难以回收，并且不能实现液体运动和控制等功能。
针对这一问题，急需一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式往复运动，将光能转化为动能，并且能够实现流体开关控制功能的新型执行器装置；而且具有广泛的适用范围，能够在各种恶劣条件下使用，为液体输运，机构运动控制以及流体开关控制研究提供了新方法。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器，其特征在于，包括：主端面、壳体、主空腔、液柱和主电磁波发射器；其中壳体为中空圆柱或中空圆台，主端面密封安装于壳体的一端；壳体内设有由光热转换液体形成的液柱；主端面、壳体和液柱围成一个闭合的主空腔；主电磁波发射器设置于主端面外；当主电磁波发射器打开时，液柱在主空腔内产生蒸汽；液柱随着主电磁波发射器的开关在壳体内呈活塞式运动。
所述壳体内设有由光热转化液体形成液柱的长度需大于入射电磁波的透射长度，入射电磁波的能量完全被光热转换液体吸收转化为热能产生蒸汽；所述入射电磁波由主电磁波发射器发射。
所述壳体的最大内径小于液柱的毛细长度以保证主空腔的密闭性和液柱的稳定存在，壳体由透明材料或非透明材料制成。
所述光热转换液体具有高效电磁波吸收特性，将主电磁波发射器发出的电磁波所包含的电磁能转化为热能并产生蒸汽，光热转换液体为纳米流体、水或易挥发有机物液体中的一种或几种复合材料；其中纳米流体中分散的纳米颗粒为金属、合金或非金属无机物颗粒中的一种或几种的复合材料。
所述光热转换液体吸收电磁波的方式可以为本征吸收与等离激元共振效应吸收中的一种或两种。
所述主电磁波发射器发出的电磁波为：固定波长激光波、紫外光波、可见光波、红外光波或微波。
所述主端面为由透明材料制成的聚焦透镜或透光平面镜，由透明材料包括有机材料或无机材料，其中，有机材料可以为聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯或聚烯烃中的一种或多种，无机材料可以为石英、玻璃或陶瓷中的一种或多种。
在所述壳体的另一端外密封安装有副端面，且副端面、壳体和液柱围成一个新的独立闭合的副空腔；在副端面外设置有副电磁波发射器。
所述壳体未安装主端面一侧上开有连接孔，支管路固接于壳体外且正对连接孔；支管路与需要控制的液体管路相连；支管路内流动有流体；流体为一种与光热转化液体不互溶的液体。
本发明的有益效果在于：
(1)利用光热转化实现蒸发的液体将光能高效转化为热能，使壳体内的液体快速蒸发，同时蒸汽在壳体空腔内不断积聚压力升高推动液柱运动，当入射电磁波不再照射液柱端面时，蒸汽在液柱端面冷凝，液柱向后运动并使壳体内液体得到补充，提高了执行器使用持续耐久度，并且可实现液柱活塞式往复运动。
(2)使用光热转化液体的本征吸收或等离激元共振效应吸收光能，直接转换为热能使液体蒸发，提高了光热转化效率。
(3)本发明使用光能作为能量来源，清洁无污染，对环境友好，具有节能减排的作用。
(4)本发明中聚焦透镜将入射电磁波聚焦，提高能量密度，提高了壳体内部液体的温度，能量利用效率大幅度提高。
(5)本发明可以通过合适的结构设计，将本发明改装成液体开关阀门、信号发生器等功能。
(6)本发明中光热转化实现蒸发的液体可以封闭在壳体中，受外界影响很小，可以在各种恶劣环境中使用，具有广泛的应用范围。
附图说明
图1为本发明一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器实施例1的斜视示意图；
图2为本发明实施例1的剖视图；
图3为本发明实施例1当主电磁波发射器开启时的剖视图；
图4为本发明实施例1当副电磁波发射器开启时的剖视图；
图5为本发明实施例1的液柱周期性位移随时间变化曲线；
图6为本发明实施例2的斜视示意图；
图7为本发明实施例2的剖视图；
图8为本发明实施例2当主电磁波发射器开启时的剖视图；
图9为本发明实施例2当主电磁波发射器关闭时的剖视图；
其中：1-主端面，2-壳体，3-主空腔，4-液柱，5-副端面，6-副空腔，7-支管路，8-流体，9-主电磁波发射器，10-副电磁波发射器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1～图5所示的本发明实施例1，包括：主端面1、壳体2、主空腔3、液柱4和主电磁波发射器9；其中壳体2为中空圆柱或中空圆台，主端面1密封安装于壳体2的一端；壳体2内设有由光热转换液体形成的液柱4；主端面1、壳体2和液柱4围成一个闭合的主空腔3；主电磁波发射器9设置于主端面1外；当主电磁波发射器9打开时，液柱4在主空腔3内产生蒸汽；液柱4随着主电磁波发射器9的开关在壳体2内呈活塞式运动；
壳体2的最大内径小于液柱4的毛细长度以保证主空腔3的密闭性和液柱4的稳定存在；
执行器的壳体2由透明材料或非透明材料制成，需要有一定的强度以满足可承受光热转换材料产生的温度，保证工作时壳体2不变形和破裂；同时需要耐受液体和蒸汽的温度，保证在光热转换液体被电磁波照射蒸发产生具有一定温度和压力的蒸汽后，壳体2可以减小蒸汽热量和质量损失；
壳体2中由光热转化液体形成液柱4的长度需大于入射电磁波的透射长度，入射电磁波的能量完全被光热转换液体吸收转化为热能产生蒸汽；随着光热转换液体吸收系数的增高，入射电磁波透射长度减小且液柱运动位移和运动速度也增大；
壳体2的内表面采用疏水处理，光热转化液体在内表面上的接触角大于90°；用疏水处理壳体2的内表面可以减小光热转换液体在壳体2中运动的阻力，提高位移距离以及反应灵敏度；
光热转换液体具有高效电磁波吸收特性，将主电磁波发射器9发出的电磁波所包含的电磁能转化为热能并产生蒸汽，光热转换液体为纳米流体、水或易挥发有机物液体中的一种或几种复合材料；其中纳米流体中分散的纳米颗粒为金属、合金或非金属无机物颗粒中的一种或几种的复合材料；
主电磁波发射器9发出的电磁波为：固定波长激光波、紫外光波、可见光波、红外光波或微波，液柱4中的光热转换液体吸收电磁波的方式可以为本征吸收与等离激元共振效应吸收中的一种或两种；
主端面1为由透明材料制成的聚焦透镜或透光平面镜，由透明材料包括有机材料或无机材料，其中，有机材料可以为聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯或聚烯烃中的一种或多种，无机材料可以为石英、玻璃或陶瓷中的一种或多种；
能量密度低的入射电磁波经由聚焦透镜提升能量密度后照射在液柱4上；能量密度高的电磁波穿过透光平面镜直接照射在液柱4上；
密封方式采用液态胶体密封，如胶水，PDMS等。
在实施例1中，在壳体2的另一端(未安装主端面1)外密封安装有副端面5，且副端面5、壳体2和液柱4围成一个新的独立闭合的副空腔6；此种有两个空腔和端面的安装方式被称为全封闭；在副端面5外设置有副电磁波发射器10；
采用全封闭的安装方式时，先将主端面1与壳体2的一端密封，之后在大气压环境或负压环境中将光热转换液体置入壳体2内部中心，形成一定长度的液柱4，最后用尺寸配合的副端面5与壳体2的另一端密封；
副端面5为由透明材料制成的聚焦透镜或透光平面镜，由透明材料包括有机材料或无机材料，其中，有机材料可以为聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯或聚烯烃中的一种或多种，无机材料可以为石英、玻璃或陶瓷中的一种或多种；
副电磁波发射器10发出的电磁波为：固定波长激光波、紫外光波、可见光波、红外光波或微波。
实施例1的工作原理为：
主电磁波发射器9发射的电磁波穿过壳体2一侧的主端面1后，被光热转换实现蒸发的光热转换液体高效吸收，并且被转化为热量，液柱4自身局部(靠近主端面1的一侧)温度迅速升高，该升温过程效率高，速度快，使光热转换液体快速蒸发，在壳体2中接受入射电磁波照射一侧的主空腔3内不断积聚。
随着主空腔3内压力的升高，高压蒸汽推动液柱4向右运动。此时在另一侧的副空腔6中，由于体积压缩压力不断升高，最终会等于与主空腔3内的压力。
直至主空腔3和副空腔6内的压力相等后，液柱4停止移动。
在主电磁波发射器9停止照射后，高压蒸汽在液柱4的液面冷凝，重新相变成液态；壳体2内主空腔3的压力逐渐减小，导致液柱4向左运动。
入射电磁波也可以由副电磁波发射器10发射，透过另一侧的副端面5照射光热转换实现蒸发的液柱4上，以同样的原理推动液柱4运动，如此往复切换照射位置，最终使液柱4在壳体2中左右活塞式运动。
在实施例1中，液柱4所使用的光热转换液体为金纳米颗粒水胶体；具体制备方法为：
(1)制备金纳米颗粒水胶体：
按比例要求将一定浓度的氯金酸溶液加入至沸腾的去离子水中，搅拌均匀后立即按照体积比7:1加入一定浓度的柠檬酸三钠溶液，在加热条件下搅拌20分钟后在去掉热源，继续搅拌15分钟，便得到粒径为20nm的金纳米颗粒水胶体。
(2)准备壳体2：
一段外径3mm，内径1.8mm，长40mm的石英玻璃管制作执行器的壳体2，将石英玻璃管浸没在体积分数0.1％二氧化硅颗粒和0.5％全氟硅烷的正己烷溶液中，采用提拉—浸渍方法在壳体2的内表面(内壁)附着一层疏水材料。
(3)安装主端面1和副端面5并设置液柱4：
准备两片厚度1mm，直径为3mm的石英玻璃圆片为主端面1和副端面5；使用UV无影胶水将主端面1和疏水处理后的壳体2一侧管口密封；之后在壳体2的中心注入一定体积的金纳米颗粒水胶体，形成长度为20mm的液柱4；最后用UV无影胶水和副端面5将壳体2另一侧管口密封，结合主电磁波发射器9和副电磁波发射器10，即制成实施例1，其中主空腔3和副空腔6是两个不连通的空腔。
(4)安装和工作：
将壳体2水平固定，主电磁波发射器9和副电磁波发射器10均发射527nm的激光；用主电磁波发射器9发射的激光从左侧水平照射主端面1，金纳米颗粒水胶体中的金纳米颗粒吸收入射的光能并转换成热能，热能耗散在周围水介质中，水的温度不断升高并快速蒸发成蒸汽，蒸汽在主空腔3内不断积聚；当压力足够大时，蒸汽将推动液柱4向右运动；
当主电磁波发射器9静止照射后，主空腔3内的蒸汽和形成液柱4的金纳米颗粒水胶体温度降低，水蒸汽在液柱4左侧端面冷凝，主空腔3内压力减小，在主副空腔压差作用下，液柱向左运动。
同理，当波长为527nm的副电磁波发射器10发射的激光从右侧水平照射副端面5后，副空腔6内压力上升，液柱4向左运动；
周期性改变激光的发射位置，实现蒸汽驱动液柱4在壳体2内做活塞式运动。
液柱5左右端面运动位移的切换频率如图5所示。
在实施例1的工作过程中，
入射的电磁波穿过执行器壳体2一侧的端面后被光热转换实现蒸发的液体高效吸收，并且被转化为热量，液柱4自身局部温度迅速升高，该升温过程效率高，速度快，使液体快速蒸发，在壳体中接受入射电磁波照射一侧的空腔内不断积聚。随着该空腔压力升高，高压蒸汽推动液柱向前运动。由于另一侧的空腔内的体积压缩压力不断升高，直至两侧压力相等后，液柱停止移动。
随后入射电磁波停止照射，高压蒸汽在液柱4的液面冷凝，重新相变成液态，壳体2内之前被照射的空腔压力减小，液柱向后运动；入射电磁波可以透过另一侧端面照射光热转换实现蒸发的液体，以同样的原理推动液柱运动，如此往复切换照射位置，最终使液柱在壳体中前后活塞式运动。
如图6～图9所示的本发明实施例2，未描述部分与实施例1相同；
在实施例2中，在未安装主端面1一侧的壳体2上开有连接孔，支管路7固接于壳体2外且正对连接孔；支管路7与需要控制的液体管路相连；支管路7内流动有流体8，流体8由连接孔流至壳体2后，再由壳体2未安装主端面1的一侧流出；
流体8为一种与光热转化液体不互溶的液体；
实施例2的工作原理为：
在自然状态下，流体8由支管路7流经壳体2侧壁的连接孔流入壳体2后，从壳体2未封闭的一侧流出。
主电磁波发射器9发射的电磁波穿过壳体2一侧的主端面1(壳体2端面封闭一侧的聚焦透镜或透光平面镜)后，被光热转换实现蒸发的光热转换液体高效吸收，并且被转化为热量，液柱4自身局部(靠近主端面1的一侧)温度迅速升高，该升温过程效率高，速度快，使光热转换液体快速蒸发，在壳体2中接受入射电磁波照射一侧的主空腔3内不断积聚。
随着主空腔3内压力的升高，高压蒸汽推动液柱4向右运动。
当液柱4停留位置正好位于壳体2侧壁的连接孔处时，液柱4将连接孔密封，使支管路7中的流体8无法正常流通，实现控制流体8流动通断的功能。
在主电磁波发射器9停止照射后，高压蒸汽在液柱4的液面冷凝，重新相变成液态；壳体2内主空腔3的压力逐渐减小，导致液柱4向左运动；流体8继续正常流动。
在实施例2中，液柱4所使用的光热转换液体为金纳米颗粒水胶体；具体制备方法为：
(1)制备金纳米颗粒水胶体：
按比例要求将一定浓度的氯金酸溶液加入至沸腾的去离子水中，搅拌均匀后立即按照体积比7:1加入一定浓度的柠檬酸三钠溶液，在加热条件下搅拌20分钟后在去掉热源，继续搅拌15分钟，便得到粒径为20nm的金纳米颗粒水胶体。
(2)准备壳体2并安装支管路7；
一段外径3mm，内径1.8mm，长50mm的石英玻璃管制作执行器壳的体2，一个外径2.5mm，内径1.5mm的石英玻璃管制作执行器的支管路7；先在壳体2的侧壁一体化加工出一个直径1.5mm的连接孔，并在连接孔上垂直粘结支管路7，制成T型的三通管；
(3)T型的三通管(壳体2和支管路7)的内表面处理：
将上述石英玻璃管浸没在体积分数0.1％二氧化硅颗粒和0.5％全氟硅烷的正己烷溶液中，采用提拉—浸渍方法在T型的三通管的石英玻璃管内壁附着一层疏水材料。
(4)安装主端面1并设置液柱4：
准备一片厚度1mm，直径为3mm的石英玻璃圆片为主端面1；使用UV无影胶水将主端面1和疏水处理后的壳体2一侧管口密封；之后在壳体2中与主端面1距离10mm处注入一定体积的金纳米颗粒水胶体，形成液柱4长度为20mm，结合主激光发生器9，即制成实施例2。
(5)安装和工作：
将实施例2中的支管路7与需要控制的液体管路连接，T型的三通管中流动的流体8需要与水不互溶。
将装置水平固定，支管路7内的液体将沿箭头方向流动。用波长为527nm激光10从左侧主端面1水平照射执行器，金纳米颗粒水胶体中的金纳米颗粒吸收入射的光能并转换成热能，热能耗散在周围水介质中，水的温度不断升高并快速蒸发成蒸汽，在壳体左侧的主空腔3内不断积聚。
当压力足够大时，蒸汽将推动液柱4向右运动。液柱4将支管路7密封，支管路7中的流体8停止流动。
当激光10停止照射后，蒸汽和金纳米颗粒水胶体温度降低，水蒸汽在液柱4左侧端面冷凝，主空腔3内压力减小，在压差作用下，液柱4向左运动，连接孔打开，T型的三通管中的流体8恢复正常流动，实现蒸汽驱动液柱控制流体8通断的功能。
Claims (9)
1.一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器，其特征在于，包括：主端面(1)、壳体(2)、主空腔(3)、液柱(4)和主电磁波发射器(9)；其中壳体(2)为中空圆柱或中空圆台，主端面(1)密封安装于壳体(2)的一端；壳体(2)内设有由光热转换液体形成的液柱(4)；主端面(1)、壳体(2)和液柱(4)围成一个闭合的主空腔(3)；主电磁波发射器(9)设置于主端面(1)外；当主电磁波发射器(9)打开时，液柱(4)在主空腔(3)内产生蒸汽；液柱(4)随着主电磁波发射器(9)的开关在壳体(2)内呈活塞式运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器，其特征在于，所述壳体(2)内设有由光热转化液体形成液柱(4)的长度需大于入射电磁波的透射长度，入射电磁波的能量完全被光热转换液体吸收转化为热能产生蒸汽；所述入射电磁波由主电磁波发射器(9)发射。
3.根据权利要求2所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器，其特征在于，所述壳体(2)的最大内径小于液柱(4)的毛细长度以保证主空腔(3)的密闭性和液柱(4)的稳定存在，壳体(2)由透明材料或非透明材料制成。
4.根据权利要求1或2之一所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器，其特征在于，所述光热转换液体具有高效电磁波吸收特性，将主电磁波发射器(9)发出的电磁波所包含的电磁能转化为热能并产生蒸汽，光热转换液体为纳米流体、水或易挥发有机物液体中的一种或几种复合材料；其中纳米流体中分散的纳米颗粒为金属、合金或非金属无机物颗粒中的一种或几种的复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器，其特征在于，所述光热转换液体吸收电磁波的方式可以为本征吸收与等离激元共振效应吸收中的一种或两种。
6.根据权利要求1或2之一所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器，其特征在于，所述主电磁波发射器(9)发出的电磁波为：固定波长激光波、紫外光波、可见光波、红外光波或微波。
7.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器，其特征在于，所述主端面(1)为由透明材料制成的聚焦透镜或透光平面镜，由透明材料包括有机材料或无机材料，其中，有机材料可以为聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯或聚烯烃中的一种或多种，无机材料可以为石英、玻璃或陶瓷中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器，其特征在于，在所述壳体(2)的另一端外密封安装有副端面(5)，且副端面(5)、壳体(2)和液柱(4)围成一个新的独立闭合的副空腔(6)；在副端面(5)外设置有副电磁波发射器(10)。
9.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的蒸汽驱动液柱活塞式运动执行器，其特征在于，所述壳体(2)未安装主端面(1)一侧上开有连接孔，支管路(7)固接于壳体(2)外且正对连接孔；支管路(7)与需要控制的液体管路相连；支管路(7)内流动有流体(8)；流体(8)为一种与光热转化液体不互溶的液体。
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