CN117262426A - 一种基于微重力环境的流体输运装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于微重力环境的流体输运装置，包括带微流道导流槽的表面张力储液罐和密封顶盖，顶盖上开设有流道口，流道口内部设计有键槽，通过溅射工艺在底板上沉积一层叉指电极阵列，随后将电极板与流道内壁的键槽配合，电极板上的叉指电极阵列的引脚端与高电压低电流的直流电源相连，通过调控电压的大小进而控制罐内介电液体的供液流量。本装置用于太空微重力环境下介电液体(如润滑油)的可控有效供给，将电液动力驱动电极集成于表面张力储液罐内，并在储液罐内表面上设计圆周分布的微流道凹槽，在失重的情况下，利用表面张力实现液体的自动汇集，有效实现空间流体管理，并通过驱动电极的电场作用，使介电液体形成定向流动。

Description

一种基于微重力环境的流体输运装置

技术领域

本申请涉及微重力环境下的微流体空间管理领域，具体涉及一种基于微重力环境的流体输运装置。

背景技术

众所周知，在微重力环境下的流体行为与地表上大有不同，目前空间流体管理技术主要应用于航天部件的散热冷却。轴承是航天器中转向、驱动等功能的关键部件，航天器中良好的轴承润滑对轴承高可靠和健康长寿命运行意义重大，目前传统的航天器轴承润滑方式多为被动供油[孙小波,王枫,葛世军,张弘毅,王子君.航天长寿命轴承润滑技术[J].轴承,2012(03):60-64.]，此类方法无法满足润滑油的定量供给，且可靠性不高，或是需要一系列复杂的的刚性油路，这严重限制了航天器进一步轻质化发展。针对传统卫星轴承润滑系统存在质量重、体积大和管路复杂等问题，本发明提出基于微流控技术的新型润滑油微量驱动控制技术，发展轻质卫星轴承的润滑油可控供液方法，以实现润滑油微量高效、可靠输运。

如何保证在微重力的环境下实现为航天器轴承主动输运定量的润滑油，是当前研究亟待破解的难题。微泵按照结构可分为机械式和非机械式，压电式微泵是基于压电晶体的逆压电效应，将电效应转换成振动膜运动[Mindlin R.D..High frequency vibrationsof crystal plates[J].Quarterly of Applied Mathematics,1961,19(1).]，气动式微泵采用压缩空气为动力，通过薄膜的往复变形造成容积变化[Huang C W,Huang S B,Lee GB.Pneumatic micropumps with serially connected actuation chambers[J].Journalof micromechanics and microengineering,2006,16(11):2265.]，以上机械泵均是通过活动部件的运动使泵腔体积发生周期性变化来驱动液体，在长期工作的情况下易出现疲劳和磨损等问题。电渗泵和磁流体泵适合于驱动有较高电导率的液体，表面张力微泵是基于表面张力的作用驱动液体流动，但其无法保证准确的驱动流量和足够的驱动压力。润滑油本身具有较低的电导率和较高的粘度，且在失重环境下润滑油在储油腔内的流动行为难以预测，在较低充液率的情况下不能保证储油腔内的润滑油能够汇集于瓶口，造成供液停滞的现象，普通润滑装置难以满足太空环境中对航天器轴承微量润滑的需求，因此，如何设计一种高效简单的润滑油自动供液装置是本领域人员函待解决的问题。

发明内容

鉴于传统航天器轴承润滑系统质量大、结构复杂、可控性差等问题，本发明的目的在于提出一种能够实现稳定供液的航天器轴承润滑油主动输运装置，能根据实际需求通过改变工作电压的大小，控制供液流量，并能够借助于变换电压极性或切断供电的方式实现润滑油流向的改变或停止。

本申请提供了一种基于微重力环境的流体输运装置，包括：内壁贯通底部和开口设置有导流槽的储液罐，所述导流槽均匀布设于储液罐周向内壁上；以及设置于储液罐内的EHD驱动组件，所述EHD驱动组件设有支撑柱、电极板、宽电极、窄电极和电极引线，所述支撑柱外周上设有轴向的插槽，所述电极板固定于插槽上，所述电极板上分别设有宽电极和窄电极组成的叉指电极阵列，各所述电极板上的宽电极和窄电极分别设有电极引线连接；以及布置于所述储液罐开口端的顶盖，所述顶盖中心设有流道口，所述流道口的内壁对应电极板设有键槽，电极板与键槽对应连接；所述顶盖设有连接端。

在一些实施例中，所述导流槽的径向截面呈“V”型，所述“V”型导流槽的角度为30°～60°，深度为1-3mm。

在一些实施例中，所述储液罐内壁粗糙度Sa为0.1-1um。

在一些实施例中，所述叉指电极阵列于电极板的两侧对称设置，且呈梳齿状。

在一些实施例中，所述窄电极宽度不小于0.5mm，且窄电极宽度：宽电极宽度比为1：1.5-3。

在一些实施例中，所述叉指电极阵列的电极极间间距不低于0.1mm，且电极极间间距：电极极对间距比为1：4-6。

在一些实施例中，所述电极板设有6～12块，且相邻电极板之间的夹角为30°～60°。

在一些实施例中，所述电极板上至少10对电极数_，所述叉指电极阵列的长度不大于电极板长度。

在一些实施例中，所述储液罐与顶盖之间采用卯榫结构连接。

在一些实施例中，所述宽电极接高压在电极板外圈，所述窄电极接地在电极板内圈，二者交替布置。

本申请的有益效果：本申请通过设置带微流道导流槽的表面张力储液罐和密封顶盖，顶盖上开设有流道口，流道口内部设计有键槽，通过溅射工艺在底板上沉积一层叉指电极阵列，随后将电极板与流道内壁的键槽配合，电极板上的叉指电极阵列的引脚端与高电压低电流的直流电源相连，通过调控电压的大小进而控制罐内介电液体的供液流量。本装置用于太空微重力环境下介电液体(如润滑油)的可控有效供给，将电液动力驱动电极集成于表面张力储液罐内，并在储液罐内表面上设计圆周分布的微流道凹槽，在失重的情况下，利用表面张力实现液体的自动汇集，有效实现空间流体管理，并通过驱动电极的电场作用，使介电液体形成定向流动。将所用的润滑系统进行了简化，首创性地将润滑油的贮存端和驱动端进行了集成，在保证供油量可控的情况下，极大地避免了整个供液装置的复杂冗余，有利于航天器进一步轻质化发展。本方案充分考虑了在太空环境微重力下的流体行为，通过设计一定角度的导流槽，利用液体自身表面张力的作用，实现对润滑油的流动管理，并在较低充液率的情况下也能为EHD驱动组件提供足够的驱动液体。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

通过阅读对下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中：

图1为本申请一些实施例的一种基于微重力环境的流体输运装置的结构示意图；

图2为本申请一些实施例的一种基于微重力环境的流体输运装置的内部结构示意图；

图3是本发明方案所提及的EHD驱动组件部分结构示意图；

图4是本发明方案所提及的一种基于微重力环境的流体输运装置的剖示意图；

图5是本发明方案所提及的支撑柱示意图；

图6是本发明方案所提及的储液罐示意图；

图7是本发明方案所提及的电极板的叉指电极阵列示意图；

图8是本发明方案所提及的顶盖示意图；

图9是本发明方案所提及的EHD驱动组件的原理示意图。

具体实施方式中的附图标号如下：

储液罐1；导流槽11；EHD驱动组件2；支撑柱21；插槽211；电极板22；宽电极23；窄电极24；电极引线25；叉指电极阵列26；顶盖3；流道口31；键槽32；连接端4。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请实施例的描述中，术语“多个”指的是两个以上(包括两个)，同理，“多组”指的是两组以上(包括两组)，“多片”指的是两片以上(包括两片)。

在本申请实施例的描述中，技术术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

请参照图1-9，本申请一些实施例提供的一种基于微重力环境的流体输运装置，包括：内壁贯通底部和开口设置有导流槽11的储液罐1，所述导流槽11均匀布设于储液罐1周向内壁上；以及设置于储液罐1内的EHD驱动组件2，所述EHD驱动组件2设有支撑柱21、电极板22、宽电极23、窄电极24和电极引线25，所述支撑柱21外周上设有轴向的插槽211，所述电极板22固定于插槽211上，所述电极板22上分别设有宽电极23和窄电极24组成的叉指电极阵列26，各所述电极板22上的宽电极23和窄电极24分别设有电极引线25连接；以及布置于所述储液罐1开口端的顶盖3，所述顶盖3中心设有流道口31，所述流道口31的内壁对应电极板22设有键槽32，电极板22与键槽32一一对应连接；所述顶盖3设有连接端4。

导流槽11的作用就是将不在容器底端的润滑油利用表面张力的作用引入储液罐1底，由于在太空中失重的影响，润滑油不会时刻处于储液罐1底，在航天器加速或变轨时会导致油液分布不确定；然后通过电极板22的驱动作用将润滑油输送到储液罐1口，电极板22和导流槽11都是呈圆周均匀分布的，电极板22数量的提高可以增强润滑油的驱动效果，导流槽11数量的提高可以增大不在储液罐1底的润滑油回流的概率。叉指电极阵列26是靠溅射沉积到极板上的。

在一些实施例中，所述导流槽11的径向截面呈“V”型，所述“V”型导流槽11的角度为30°～60°，深度为1-3mm。

导流槽11是V型槽，夹角是指V的角度，该角度的确定是根据Concus-Finn公式，若固液接触角与导流槽11内角的一半的和小于90°，则在失重的情况下，液体在拉普拉斯压力梯度下会沿着导流槽11作无限长的流动，这为前端的EHD驱动组件2提供连续不断的液流奠定基础。

导流槽11的角度主要是基于固液接触角考虑的，若固液接触角较小可以相对增大导流槽11夹角，以满足Concus-Finn公式，但导流槽11夹角越小，加工难度越大，槽深度基于壁厚选取。

在一些实施例中，所述储液罐1内壁粗糙度Sa为0.1-1um。

经实验研究，对Sa约为0.183um的树脂材料进行润滑油接触角测试，结果约为12.12°，对Sa约为0.126um的PMMA进行润滑油接触角测试，结果约为12.59°，对Sa约为0.071um的PMMA进行润滑油接触角测试，结果约为10.00°，降低表面粗糙度可以减小固液接触角，对粗糙度的要求限定在1um以内，基于加工经济性考虑，过低的表面粗糙度对固液接触角的降低影响不大，因此将粗糙度的范围控制在0.1um-1um，既满足性能要求又符合经济性。

过高会造成液体在固体壁面的润湿性变差，接触角增大，影响油液在失重情况下的爬升效果，过低则需要更精密的加工方法，增加制造成本。

在一些实施例中，所述叉指电极阵列26于电极板22的两侧对称设置，且呈梳齿状。

在一些实施例中，所述窄电极宽度不小于0.5mm，且窄电极宽度：宽电极宽度比为1：1.5-3，不在该范围的话就不能通过控制电压极性改变流动方向。窄电极宽度为A，宽电极宽度为B。

窄电极宽度最好在0.5mm-1mm范围内，过大的电极宽度或电极间距无法发挥该装置低电压的优势，而制约传统宏观电流体传导泵发展的一个因素就是需要高压(几十千伏)电源来提供强电场。

在一些实施例中，所述叉指电极阵列的电极极间间距不低于0.1mm，且电极极间间距：电极极对间距比为1：4-6。电极极间间距为S，电极极对间距为L。

电极极间间距不应低于0.1mm，否则在微观尺度，非金属固体壁面处双电层的厚度与电极间距相当，双电层对泵内流动的影响不可忽略，需要调整电极结构来避免双电层效应。

基于EHD传导原理，通过设计不对称电极对使得由解离产生的正负离子所受到的库仑力不相等，从而产生一个指向宽电极23方向的合力，若设计的正负电极宽度一致，则不会产生净流动。窄电极24接地，宽电极23接正电。极间间距指电极对正负极之间的间隙大小，极对间距是指一对电极对的宽电极23与相邻的下一对电极对的窄电极24之间的间隙大小，极对间距要大于极间间距，因为极对之间所产生的电场是对流动起削弱作用，所以需要适当增加其间距，电极对的对数决定了整个装置的总长度，增加电极对的对数可以增加驱动元件的泵送性能，但会使得整个装置变得冗长，可根据实际需要确定电极对数。降低极间间距，可以减小驱动流体的阈值电压。

宽电极23和窄电极24为一组电极对，流体的流动方向为窄电极24(接地)→宽电极23(高压)(有效做功区间)，因此最外端的(从储液罐1出口往里数第一个电极)就是宽电极23，最底端由于电极是成对布置的，因此最下面的自然就是窄电极24了。

基于所选择的加工工艺，窄电极24宽度最小可以达到0.5mm，以该数值作为基准，确定其他参数数值，经实验对比验证，所选取的宽电极23宽度、电极极间间距与电极极对间距在测试下能以最低的电压产生最优的泵送性能，减小电极极间间距可以降低所需要的驱动电压，提高驱动电场强度，选择适当的电极极对间距，可以避免因为该距离过小而产生过大阻碍流动的场强，也可避免因为该距离过大而产生过大的流动阻力。采用其他加工工艺制造小于0.5mm的电极，会产生微观尺度效应，无法产生足够的驱动力，综上所述，选取如上参数值。而选用其他参数值可能在一定电压范围内也可以达到驱动效果，但可能需要较高的电压，且流动方向不可控。增加电极板22和电极对的数量是为了提高驱动能力，每一对电极相当于一个微小的动力源，具体数量可根据实际需要进行确定。由于润滑油的流动方向是从低压端流向高压端，且合力方向是指向宽电极23的，所以需要把宽电极23设置在外侧，并接高压端。

在一些实施例中，所述电极板22设有6～12块_，且相邻电极板之间的夹角为30°～60°。

电极板22个数太少不利于增加对润滑油的驱动力，个数太多一方面挤占储液罐储油空间，另一方面易造成极板与极板之间的电场的相互干扰。

在一些实施例中，所述电极板22上至少10对电极数所述电极板上至少10对电极数_，所述叉指电极阵列的长度不大于电极板长度。

具体两侧的对数，取决于储液罐的长度，电极对数越多，所产生的驱动力越大，因此在有限长度的极板上尽可能布置多一些电极对。

在一些实施例中，所述储液罐1与顶盖3之间采用卯榫结构连接。

采用卯榫结构只是为了加工简便而设计的，采用螺纹配合，内螺纹会影响储液罐1或顶盖3内表面的凹槽结构。

所述宽电极接高压在电极板外圈，所述窄电极接地在电极板内圈，二者交替布置。

由于润滑油的流动方向总是从窄端流向宽端，低压端流向高压端，通过不断提高供给电压大小，就能够增加润滑油的流动速度，当需要大量供液时，则相应提高供给电压，当需要停止供液时，则反转电压极性，润滑油回流。

如附图1-9所示，本实施公开了一种基于微重力环境的流体输运装置，该装置主要包括一个表面张力储液罐1部分、一个密封顶盖3部分和EHD驱动组件2的传导泵部分。

表面张力储液罐1整个壳体以ABS为基材，采用FDM 3D打印的方法进行一体化制造或者通过其他方式如模具加工而成。在表面张力储液罐1的内壁圆周均匀布置8个导流槽11，导流槽11内壁呈“V”型夹角为45°，深度为2mm，用于在失重环境下对液体进行定向导流。随后，对所述表面张力储液罐1的内壁在25℃环境下利用丙酮冷蒸汽进行化学抛光1h处理，目的在于降低表面粗糙度，以求改善润滑油对内壁表面的浸润程度，降低固液接触角，使得润滑油在失重状态下能更好地沿着凹槽爬移。

密封顶盖3整个部分采用与表面张力储液罐1相同的制造工艺，在顶盖3中心开设有孔径为9mm的流道口31，内壁面均匀布置有与电极板22匹配的8道键槽32，在顶盖3的外圆面上加工出M13的普通公制外螺纹，用于轴承供油端的连接配合。

EHD驱动组件2，其叉指电极阵列26以金为靶材，采用溅射工艺在底板上进行制备。叉指电极阵列26的尺寸参数如下：窄电极24宽度为0.5mm，宽电极23宽度为1.5mm，电极极间间距为0.5mm，电极极对间距为1.5mm，电极对数共计10对。将制备好的8块带有电极图案的底板插入中心支撑圆柱，再将其整体插入对应的密封顶盖3的键槽32进行配合连接，顶盖3与表面张力储液罐1之间采用卯榫结构进行密封连接。

电极引线25采用铜丝分别将叉指电极阵列26的正极公共端和负极公共端引出，作为连接高压电源的外接引脚。正极端连在一起，所有负极端连在一起，通过密封顶盖3上预留的线槽引出两根外接引脚。

本发明中的叉指电极中宽电极23接高压，窄电极24接地，为润滑油的驱动提供电场。润滑油中性分子在无场强的环境下，解离率和复合率达到平衡，当电场强度达到一定阈值的时候，解离率大于复合率，解离产生的正负离子在库仑力的作用下往极性相反的电极迁移，并在电极附近形成异质电荷层，离子在迁移的过程中会拖动中性分子流动，由于采用不对称的电极布置会产生不均匀的电场，形成朝向宽电极23的库仑力合力，从而使润滑油产生某个方向上的净流动，原理如附图9所示。

在表面张力储液罐1内表面设计8道内壁夹角为45°的导流槽11，根据微重力下内角流动的Concus-Finn原理，当固液接触角和导流槽11内角的一半之和小于90°，则在失重环境下，液体可以在表面张力的驱动下沿着导流槽11的内角做无限长的流动，通过丙酮冷蒸汽进行化学抛光，降低液体与壁面的接触角，提高润滑油的流动能力，实现微重力环境下对油液流动行为的管理，在低充液率的工况下为EHD驱动组件2提供连续不断的油液奠定基础。

在电极引线25两端外接高压电，润滑油在电场的作用下实现定向流动，通过改变电压的大小控制润滑油的供液速度，并可以通过反转电压极性或切断电源的方式实现供液反向或停止。

润滑油是通过注射器直接注入到安装好的储液罐1中，首先将带叉指电极阵列26的底板一端安插入中心支撑圆柱，再将整体安插入密封顶盖3的键槽32中，依靠键槽32末端壁进行轴向定位，再将整体通过密封顶盖3上的卯榫结构与表面张力储液罐1配合，完成之后开口朝上开始注油。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种基于微重力环境的流体输运装置，其特征在于，包括：内壁贯通底部和开口设置有导流槽的储液罐，所述导流槽均匀布设于储液罐周向内壁上；以及设置于储液罐内的EHD驱动组件，所述EHD驱动组件设有支撑柱、电极板、宽电极、窄电极和电极引线，所述支撑柱外周上设有轴向的插槽，所述电极板固定于插槽上，所述电极板上分别设有宽电极和窄电极组成的叉指电极阵列，各所述电极板上的宽电极和窄电极分别设有电极引线连接；以及布置于所述储液罐开口端的顶盖，所述顶盖中心设有流道口，所述流道口的内壁对应电极板设有键槽，电极板与键槽对应连接；所述顶盖设有连接端。

2.如权利要求1所述的一种基于微重力环境的流体输运装置，其特征在于，所述导流槽的径向截面呈“V”型，所述“V”型导流槽的角度为30°～60°，深度为1-3mm。

3.如权利要求1所述的一种基于微重力环境的流体输运装置，其特征在于，所述储液罐内壁粗糙度Sa为0.1-1um。

4.如权利要求1所述的一种基于微重力环境的流体输运装置，其特征在于，所述叉指电极阵列于电极板的两侧对称设置，且呈梳齿状。

5.如权利要求1所述的一种基于微重力环境的流体输运装置，其特征在于，所述窄电极宽度不小于0.5mm，且窄电极宽度：宽电极宽度比为1：1.5-3。

6.如权利要求1或4所述的一种基于微重力环境的流体输运装置，其特征在于，所述叉指电极阵列的电极极间间距不低于0.1mm，且电极极间间距：电极极对间距比为1：4-6。

7.如权利要求1或4所述的一种基于微重力环境的流体输运装置，其特征在于，所述电极板设有6～12块_，且相邻电极板之间的夹角为30°～60°。

8.如权利要求7所述的一种基于微重力环境的流体输运装置，其特征在于，所述电极板上至少10对电极数。

9.如权利要求1或5所述的一种基于微重力环境的流体输运装置，其特征在于，所述宽电极接高压在电极板外圈，所述窄电极接地在电极板内圈，二者交替布置。

10.如权利要求3所述的一种基于微重力环境的流体输运装置，其特征在于，所述储液罐与顶盖之间采用卯榫结构连接。