CN114309028B - 一种适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统及其应用。所述适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统包括：封闭腔体，以及位于封闭腔体内部的物料输送机构；所述物料输送机构包括：样品盒、用于带动样品盒转动的旋转电机、以及分布在样品盒两侧且用于实验样品的夹持和运输的前推杆直线运动模组和后推杆直线运动模组。

Description

一种适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统及其应用

技术领域

本发明属于材料科学研究领域，涉及空间材料科学技术领域，更具体地，涉及一种可应用于静电悬浮装置的释放回收系统及其应用。

背景技术

静电悬浮技术是一种新型的材料研究手段，广泛应用于地面材料基础科学研究领域，主要包括：晶体生长过程界面稳定性及缺陷形成机理研究、材料非平衡态及相变过程研究、熔体物性精确测量等。将静电悬浮技术与空间材料实验平台相结合，对于开展新材料探索、天地差异性对比、材料合成机理研究等工作具有重要价值。

样品释放回收是静电悬浮装置使用过程中的关键环节，目前已知的静电悬浮装置中，通常使用单推杆输料方式，例如专利文件CN104569033A公开的设计类型，这种输料结构需要沿重力方向放置，无法适用地面横向安装的环境，尤其在微重力条件下，样品无法通过单推杆运送到指定位置。

另一方面，地面静电悬浮装置，更多采用人工方式回收样品。而在轨飞行的情况下，如果采用人工方式，将给宇航员增加大量的操作负担，降低实验效率，浪费实验资源。

此外，静电悬浮实验过程中会产生大量失控样品，地面静电装置可以在开放环境中对失控样品进行清理，无需考虑样品漂浮的问题。然而，在轨飞行的情况下，废样会在开放环境中随机飘动，一旦被宇航员吸入，会威胁宇航员生命安全，造成无法估量的损失。

基于以上原因，现有的静电悬浮系统无法满足空间应用的需求。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统，尤其适用于空间失重环境中。

本发明中，所述的实验样品释放回收系统，包括：封闭腔体，以及位于封闭腔体内部的物料输送机构。

本发明中，所述物料输送机构包括：样品盒、用于带动样品盒转动的旋转电机、以及分布在样品盒两侧且用于实验样品的夹持和运输的前推杆直线运动模组和后推杆直线运动模组。作为一个示例，物料输送机构包括：样品盒、旋转电机(一台)、前推杆直线运动模组和后推杆直线运动模组。实验过程中，由旋转电机带动样品盒转动，选择实验样品。两台直线运动模组相对分布在样品盒两侧，分别带动前后两根推杆运动，将样品夹出样品盒，运送到指定的实验区域，进行悬浮控制。

优选地，所述样品盒包括：盒体、具有轮盘结构的样品池和盖板；所述具有轮盘结构的样品池上设置多个圆柱孔槽，用于安放试验样品。其中，样品盒中样品池采用轮盘结构，通过多个圆柱孔槽(通孔结构)安放实验样品。更优选，样品盒与旋转电机之间采用滑槽联轴器的形式，可实现快速拆装更换。

优选的，所述前推杆直线运动模组包括：前推杆和控制前推杆直线运动的样品释放电机；所述后推杆直线运动模组包括：后推杆和控制后推杆直线运动的样品回收电机。

优选的，所述旋转电机和直线模组的电机(样品释放电机和样品回收电机)采用带有绝对值反馈功能的伺服电机，或者采用带旋转变压器的步进电机。

优选的，所述实验样品释放回收系统还包括位于封闭腔体内部且设置在前推杆直线运动模组和后推杆直线运动模组之间的静电悬浮装置；所述静电悬浮装置包含侧电极、前电极、后电极，且侧电极、前电极和后电极之间的空间为样品悬浮区域。

更优选地，控制前推杆直线运动模组和后推杆直线运动模组，通过前推杆和后推杆夹持住圆柱孔槽中的实验样品同时将实验样品的运输至静电悬浮装置的样品悬浮区域。

本发明中，所述前推杆通过接地电刷与封闭腔体连接；所述后推杆通过高压电刷与后电极相连，以保持电势；通过后推杆与实验样品接触，传递电荷，从而使实验样品获得电场力作用，实现电场控制。也就是说，前后推杆直线运动模组均安装电刷机构，前推杆通过电刷与腔体连接，具备电荷释放功能，防止微重力环境中，样品发生静电吸附，无法与推杆分离。后推杆通过电刷与后电极相连，保持电势，通过后推杆与样品接触，传递电荷，从而使样品获得电场力作用，实现电场控制。

本发明中，封闭腔体设置了带有过滤功能的进气端口与带有过滤功能的废样盒，气体通过进气口进入实验区域(静电悬浮装置区域，尤其是样品悬浮区域)，通过废样盒流出，整个腔体形成单一的气流通道，利用气流的输运作用将失控的实验样品带入废样盒中。

所述侧电极包含4个高压电极；所述的封闭腔体含有6个高压电接口(分别对应4个高压电极，前电极和后电极)，整个封闭腔体可作为整体部件安装接入密封腔体中。

优选的，所述废样盒包含进样口、内部通道和滤网板通气孔；所述废样盒的内部通道采用迷宫结构，防止废样返流进入实验区域。

优选的，6个高压电极(4个高压电极、前电极和后电极)具有弹性触点功能。

优选的，所述实验样品释放回收系统还包含电机驱动装置，用于控制旋转电机、样品释放电机和样品回收电机的运动。

另一方面，本发明还提供了一种适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统在空间失重环境中的应用。

附图说明

图1为本发明一实施形态的样品释放回收系统框线图。

图2为图1的样品释放过程示意图。

图3为图1的样品回收过程示意图。

图4为本发明一实施形态的样品释放回收系统结构示意图。

图5为图4中的样品盒的结构示意图。

图6为旋转电机联轴器结构示意图。

图7为释放回收系统腔体内部气流路径示意图。

图8为废样盒防返流迷宫结构示意图。

图9为高压触点结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在一个实施例中，如图1所示，实验样品释放回收系统包括：电机驱动装置和轴心机构两部分，电机驱动装置1为用于控制轴心机构内部的电机运动的设备，是一个独立的单元。轴心机构主要结构包括：旋转电机、样品盒、前推杆直线模组(包含样品释放电机和前推杆)、后推杆直线模组(包含样品回收电机和后推杆)、前电极、后电极、侧电极(4个)、电刷(接地电刷和高压电刷)、进气滤网、出气滤网、废样盒。其中，样品回收电机和样品释放电机包含在模组内部。实验样品释放回收系统包括三种运行工况：(1)样品释放、(2)样品回收、(3)废样清理。

样品释放过程如图2所示，总共包含六个步骤。第一步，夹持样品(1)，控制前推杆直线模组中前推杆与后推杆直线模组中后推杆相对运动，进入样品盒夹住实验样品。第二步，协同推进(2)，在前推杆与后推杆夹住样品后，同步运动，将实验样品(以下简称样品)运输至后电极内部(静电悬浮装置的样品悬浮区域)。第三步，前杆复位(3)，前推杆恢复到初始位置。第四步，接触带电(4)，系统打开高压电，使得后电极与后推杆带上高压电。第五步，推送分离(5)，用后推杆撞击实验样品，将电荷传递给实验样品，并将实验样品推入控制区域。第六步，悬浮控制(6)，通过位控算法，调控各个电极(侧电极、前电极和后电极)的电压，控制实验样品位置。

样品回收过程如图3所示，总共包含三个步骤。第一步，稳定中心(1)，通过电场控制，使样品稳定在电场中心。第二步，电场引导(2)，在电场力作用下，将样品送入前电极通道。第三步，样品回收(3)，高压电关闭，后推杆运动进入前电极通道，将样品送入样品盒中。

在一个实际应用实施例中，通过图4所示的样品释放回收系统，实现了样品自动释放回收功能。其中，静电悬浮装置还包括多个视窗盖板，用于观察实验样品的状态。测试中使用的样品尺寸例如为Φ2～5mm，样品回收直线电机的行程为90mm，所用的电机为步进电机，最大输送距离90mm。整套系统三部电机均由电机驱动装置通过既定程序控制转速和转动方向，电机驱动装置的输出电压例如为24V，电机最大转速为500r/min，该转速可根据实验需求通过控制程序进行调节，样品输送实验使用的转速为120r/min。地面测试样品种类包括聚酰亚胺颗粒、聚苯乙烯颗粒、碳颗粒、铝颗粒，控制电压-10kV～10kV，均实现图2和图3所述过程。

在本实例中，如图5所示，样品盒采用滑槽设计，如图6所示，包括盒体、样品池和盖板。其中，盒体和样品池之间通过轴承连接。而且，旋转电机前端采用凸台形联轴结构。样品盒与旋转电机之间形成可拆装的结构形式，根据实验需要更换样品盒。

在本实例中，为了验证废样清理功能，在腔体中人为增加失控样品，以聚苯乙烯泡沫颗粒作为测试对象，在废样盒后端出口使用抽气装置，本案例中使用的抽气装置端口压力为8.7E+4Pa，抽气量10L/s，气体在轴心机构内部的流通路径如图7所示，各种安装姿态下，失控样品均能够进入到废样盒中。

本案例中的废样盒结构如图8所示，废样盒内具有S型通道，可防止样品外力晃动的情况下，返回腔体内部。本案例中在废样盒内放入φ2～5mm的ZrO₂陶瓷球60颗，手动随机晃动废样盒(晃动方向：上下、左右、前后)，无样品泄漏。

本案例中，轴心机构外部分布六个电极触点，如图9所示，包括一个前电极触点、一个后电极触点、四个侧电极触点，通过触点的搭接方式，实现了轴心机构模块化设计，可将轴心机构作为一个独立单元，与外部高压电控制系统或者其他装置环境耦合使用。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (12)

1.一种适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统，其特征在于，包括：封闭腔体，以及位于封闭腔体内部的物料输送机构；所述物料输送机构包括：样品盒、用于带动样品盒转动的旋转电机、以及分布在样品盒两侧且用于实验样品的夹持和运输的前推杆直线运动模组和后推杆直线运动模组；所述前推杆直线运动模组包括：前推杆和控制前推杆直线运动的样品释放电机；所述后推杆直线运动模组包括：后推杆和控制后推杆直线运动的样品回收电机；

所述实验样品释放回收系统还包括位于封闭腔体内部且设置在前推杆直线运动模组和后推杆直线运动模组之间的静电悬浮装置；所述静电悬浮装置包含侧电极、前电极、后电极，且侧电极、前电极和后电极之间的空间为样品悬浮区域；

所述前推杆通过接地电刷与封闭腔体连接；所述后推杆通过高压电刷与后电极相连，以保持电势；通过后推杆与实验样品接触，传递电荷，从而使实验样品获得电场力作用，实现电场控制。

2.根据权利要求1所述的适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统，其特征在于，所述样品盒包括：盒体、具有轮盘结构的样品池和盖板；所述具有轮盘结构的样品池上设置多个圆柱孔槽，用于安放试验样品。

3.根据权利要求1或2所述的适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统，其特征在于，所述样品盒和旋转电机之间通过滑槽联轴器实现连接。

4.根据权利要求1所述的适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统，其特征在于，所述旋转电机为设置有绝对值反馈功能的伺服电机，或者设置有旋转变压器的步进电机。

5.根据权利要求1所述的适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统，其特征在于，所述样品释放电机为设置有绝对值反馈功能的伺服电机，或者设置有旋转变压器的步进电机；所述样品回收电机为设置有绝对值反馈功能的伺服电机，或者设置有旋转变压器的步进电机。

6.根据权利要求1所述的适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统，其特征在于，控制前推杆直线运动模组和后推杆直线运动模组，通过前推杆和后推杆夹持住圆柱孔槽中的实验样品同时将实验样品的运输至静电悬浮装置的样品悬浮区域。

7.根据权利要求1所述的适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统，其特征在于，所述封闭腔体表面设置带有过滤功能的进气端口和带有过滤功能的废样盒，所述进气端口位于推杆直线运动模组一侧，所述废样盒位于后推杆直线运动模组一侧；通过进气端口通入气体并进入静电悬浮装置的样品悬浮区域，再通过废样盒流出，整个封闭腔体形成单一的气流通道，利用气流的输运作用将失控样品带入废样盒中。

8.根据权利要求1所述的适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统，其特征在于，所述侧电极包含4个高压电极；所述封闭腔体含有6个高压电接口，整个封闭腔体可作为整体部件安装接入密封腔体中。

9.根据权利要求7所述的适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统，其特征在于，所述废样盒包含进样口、内部通道和滤网板通气孔；所述内部通道具有迷宫结构。

10.根据权利要求8所述的适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统，其特征在于，高压电极、前电极和后电极具有弹性触点功能。

11.根据权利要求1所述的适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统，其特征在于，所述实验样品释放回收系统还包含电机驱动装置，用于控制旋转电机、样品释放电机和样品回收电机的运动。

12.一种权利要求1-11中任一项所述的适用于静电悬浮装置的实验样品释放回收系统在空间失重环境中的应用。

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