SE527154C2 - Intern gasvärmare för mikroframdrivning - Google Patents

Description

20 25 30 35 527 154 Z mikrofi-amdrivningssystem uppvisa överlägsna prestanda., speciellt om proportionell kontroll används.

Sättet att öka den specifika irnpulsen är att höja gas temperaturen. Det är en enkel kvadratsrelation mellan gas temperatur och specifik impuls. Om temperaturen ökas fiän 300° K till l200° K fördubblas Isp och vid 2700° K är Isp tre gånger högre, nmt 200 sek. för kvävgas.

Det finns två svårigheter med att implementera en sådan temperaturhöjning i ett mikrofiamdrivningssystem. Det fiirsta problemet är att kisel, som används fór att mikromekaniskt framställa de små strukturer som krävs, leder värme mycket bra vilket leder till betydande värmeförluster.

Det andra problemet är de små dimensionerna som är inblandade, under vissa dimensioner dominerar laminârt flöde, detta medför problem med gasblandning.

I den aktuella uppfirmingen har nackdelen med flöde vänts till en betydande ßrdel. Om en elektrisk värmare placeras inuti en gastrarisportkarial med ett givet avstånd till de omgivande väggarna kommer det larninära flödet i de lager som är närmast väggen att fimgera som en isolation för den heta gasen i centrum.

Flödeshastigheten har en parabolisk fördelning (1 1) i ett rör (10) med noll hastighet vid väggen , se figur 1. Detta betyder att mängden ”kall” gas som trycks ut genom dysan är liten jämfört med den varma huvudströmmen.

Eftersom väggtemperaturen i röret (10) reduceras betydligt så kommer värmetörlusterna på grund av termisk ledning att reduceras i motsvarande grad. 4 KORT BESKRIVNING Av FIGURER Figur I ger flödeshastigheten av en gas i ett rör.

- Figur 2 är en genomskärning genom en dubbel membrane värmare.

- Figur 3 är en top vy över ett membran med ett typiskt värmarelement mönster.

- Figur 4A är en bild av en cylindrisk glödtrådsvärmare.

- Figur 4B är en bild av en konisk glödtrådsvärrnare.

- Figur 5 visar ett dubbelt glödtrådsarrangemang.

- Figur 6 illustrerar tillverkningsmetoder for en glödtrâd.

- Figur 7 visar resultatet av en temperaturfórdelningssimulering. 10 15 20 25 30 35 40 527 154 - Figur 8 är ett diagram som visar den radiella temperaturfördelnirigen. 5 DETALmEsKRIvNmG Av UPPFINNmGI-:N I känd teknik finns det två direkta svårigheter att införa en kraftig temperaturhöjning av gastemperaturen i ett mikrofiamdrivningssystem. Det första är att kisel, som används för att mikromekanisk framställa de små strukturer som krävs, leder värme mycket bra, vilket leder till betydande värmeförluster. Kisel förlorar även sina goda mekaniska egenskaper vid förhöjda temperaturer. Redan vid 1000° K avtar den mekaniska hållfastheten och vid l680° K smälter materialet. Det andra problemet är de små dimensionerna det handlar om. Under en viss storlek dominerar laminärt flöde, vilket medför att gasblandning och effektiv värmeöverföring fi-ån en yttre värmare försvåras.

I den presenterade uppfinningen har nackdelen med laminärt flöde vänts till en betydande fördel. Om ett elektrisktvärmeelement är placerat inuti gastransport kanalen på ett visst avstånd från väggarna kommer det laminära flödet i skiktet nära väggen att tjänstgöra som en termisk isolering för den heta gasen i kanalens centrum Flödeshastigheten har en parabolisk fördelning (l l) i ett rör (10) med nollhastighet vid väggen, se figur 2. Detta betyder att mängden kall gas, som trycks genom dysan , är liten jämfört rned den varma huvudströmmen.

Två olika typer av värmeelement kan tänkas, membranvärmare och glödtrådsvärrnare.

Bägge typerna beskrivs kortfattat i det följande.

I en inembranvärrnare består värmeöverföringskanalen av två bondade kiselbrickor, var och en med en anisotropt etsad kanal (30), ett eller flera icke värmeledande membran (22) som mekaniskt stöder den elektriska Figur 3 är en topp vy av ett rnembranen. Membranet (31) består av ett tjockt oxidlager med ett värmeledarmönster deponerat på oxiden. Efter detta skapas kanalen i ett andra etssteg. Värmeledarrnönstret ansluts till en terminal på kiselkroppen.

En metod att tillverka värmeledarrnönstret kan vara laserassisterad deponering av wolfram genom processen WóF + 3H2 4- -> Wß) + 6HF(,)_ Ett annat designkoncept för värmaren kan vara interna glödtrådsvärmare, vilka är upphängda centralt i värmeöverföringskammaren. Värmespolarna kan vara cylindriska eller komiska, figur 4.

Det koniska utförandet är förmodligen mer effektivt eftersom varje lindringsvarv är direkt exponerat mot gasströmmen Spelarna är upphängda centralt i gaskanalen och t.ex. svetsade mot de elektriska terminalerna med hjälp av FIB wolfiarn deponering.

Effektiviteten och system tillförlitligheten kan ökas genom att montera mer än en värmare i värmeöverföringskammaren och koppla dem parallellt till krafrterminalerna. En bild av ett två-spole arrangemang visas i figur 5.

Det mest lovande glödtrådsrmterialet ser ut att vara diamantlikt kol med ett tunnfilmsöverdrag av wolfram pålagt med hjälp av en CVD process.

Tillverkningsprocessen för att tillverka det diamantlika kolet är laser assisterad deposition av kol från etan genom processen C2H4 -> 2C(,) + 2H2 _ Deponeringsprocessen är illustrerad i figur 6. 10 20 25 30 35 527 154 ff Erforderligt värmeeiïekt och värmefórluster genom väggarna är studerade med hjälp av finita element metoden. Resultatet av simuleringen visar hur mycket effekt det krävs och hur stora värnieíörlustema är genom väggarna. Temperatur och hastighetsßrdelrningarnar är även delrcsultat.

Numeriskt är ett axialsymmetriskt system studerat, kanaldiametern är 220 pm och glödnädsdiarnetern 120 pm. Glödtrådsvärrnarens längd är 1 mm Syfiet med simuleringen är att mmm vilken effekt som krävs fór att fördubbla den specifika irnpulsen. Detta kräver en fyrfaldig höjning av gastemperatumen från 300° K till 1200° K. Det varma gasflödet matar dysan, beskriven i en tidigare sektion och massflödet är satt fór att ge en reaktionskraít av ca. 1 mN. I sirnuleringen är inmatad effekt satt till 1.24 W.

Eiïektiörhisterna är beräknade till 0.43 W och medelutgångstemperaturen är 139l° K, se figur 7. Den begränsade faktorn i denna optimering är att topptemperatirren i värmespolen ökar med minsta spoldiametcr, i detta exempel är max temperaturer 2680° K.

Som fiamgår av figur 7 är ternperaturökningar störst nära centralaxeln. Detta illustreras i figur 8 där utgångstemperatnren är plottad som funktion av det radiella avståndet från central axeln.

Claims (1)

1. 0 20 25 30 35 527 154 S 6 PAn-:mmznv Följande patentkrav kännetecknar uppfinningen:

1. En metod för att värma gasen i ett flöde (ll) genom ett rör (10) med mikmskopkka dimensioner till en högre rnedeltemperanrr än den rmximala ßrnnterialetirörväggen. Metoden centralt i röret genom ett värmeelement upphettad gas samt utnyttjandet av två fenomen. För det törsta, rörväggen isoleras av det, genom de små dimensionerna påtvingade laminâragasflñdet, som ßrhindrarattvarmgaskomnrerikorrtaktmedrörvåggen. Fördetandrabidrardetirniluoskalarelativttjockagrârisskflrtetavfim stillastående gas även till isoleringen. Ett system lör värmning avett gasflöde genomett rör i mikroskala med hjälp av elekniskenergíßystennetkâmxetechnsaveüeflerflemcenuahplacerade värmeelement (33, 53), somârresistivtupphettade. Ett system enligt hav 2, kämeteeknat av att sagda värmeelement är upphângt genom icke värmeledande membran eller genom dåligt vârmeledande lcrafiamlumingar, lör att minska termiska ledningsßrlrlster. Ettsystemenligtlcravlkänrretecknatavattsagdarörüen värmeövertöringskanmrare ansluten till en dysa (54). Ett system enligt krav 4, kännetecknat av att sagda värmeövertöringskarnnnare har envärmaeflektmandebeläggnmgpåytanßraüminskasuålnmgslörlusterfiån htna. Ett system enligt krav 4, kännetecknat av att sagda värmekmpp består av ett antal parallellkopplade värmeelement. Ett systemenligt krav 6, kärmeteclcnat avalt sagdavümeelenientkanlmolika eíïekttäthet eller värmeöverförirrgstörnmâga beroende på sin fysiska phcering i vârmeöverföringskamnraren.