Термокапиллярный поршневой микропривод

Изобретение относится к микросистемной технике. Микропривод содержит полый цилиндр с рабочей средой и поршень со штоком. В полом цилиндре установлена спираль нагревания рабочей среды, а также имеется система охлаждения рабочей среды, выполненная на внешней поверхности полого цилиндра в виде покрытия из полупроводниковых термоэлектрических модулей. Рабочей средой микропривода является капля легкоиспаряемой жидкости, например эфира или спирта. Изобретение позволит упростить эксплуатацию и конструкцию микропривода, увеличить быстродействие. 3 ил.

 

Изобретение относится к микросистемной технике и может быть использовано в качестве привода, в частности в микроробототехнике, при создании микроманипуляторов или микророботов.

Известен привод микроманипулятора, содержащий основание, входное звено, соединенное с вибратором и выполненное в виде цилиндра с зубчатым венцом на его боковой поверхности, выходное звено, связанное со столом, снабженным направляющими, и электромагниты [авторское свидетельство СССР №1366386, кл. B 25 J 7/00, 1988].

Недостатком данного устройства является нелинейность и инерционность характеристик при определенных режимах работы. Кроме того, устройство имеет относительно большие габаритные и массовые характеристики, может вызывать электромагнитные наводки на объекты микросреды.

Также известен привод микроманипулятора, содержащий установленный в корпусе пьезопреобразователь, включающий, по крайней мере, две прямоугольные призмы, выполненные из пьезоматериала и расположенные вдоль штока с закрепленной на нем зубчатой рейкой. Шток установлен в корпусе на шариковых направляющих. Призмы соединены обращенными друг к другу основаниями с корпусом, а на одной из граней каждой из призм, обращенной к зубчатой рейке штока, установлена накладка с выступом по форме впадины между зубьями рейки. На каждой из двух других, расположенных противоположно гранях закреплены параллельно ребрам призмы два электрода, при этом призмы подпружинены к корпусу пружинами в направлении к штоку [авторское свидетельство СССР №1271738, кл. В 25 J 7/00, 1986].

Недостатками данного устройства являются высокая стоимость, сложность конструкции и сложное регулирование работы привода.

К наиболее близкому по технической сущности к заявляемому изобретению можно отнести привод микроманипулятора, выполненный в виде пьезонасоса, состоящего из деформируемого и подвижного пьезоэлемента, регулируемого с помощью винта, и первого и второго деформируемых элементов конструкции, при этом в первом и втором каналах пьезонасоса расположены первый и второй клапаны, которые представляют собой первый и второй пьезокристаллы, установленные каждый соответственно в первом и во втором стаканах, причем первый и второй каналы соединены с полостью цилиндра, к поршню которого прикреплен схват [патент РФ №2175601, кл. В 25 J 7/00, 2001].

Недостатками прототипа являются высокая стоимость, обусловленная сложностью конструкции и использованием дорогостоящих пьезоэлементов. Также у рассматриваемого устройства можно отметить сложность регулирования работы и низкое быстродействие.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение стоимости, упрощение эксплуатации и конструкции микропривода, а также увеличение быстродействия.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в термокапиллярном поршневом микроприводе, содержащем полый цилиндр с рабочей средой, поршень со штоком, в отличие от прототипа в полом цилиндре установлена спираль нагревания рабочей среды, а также имеется система охлаждения рабочей среды, выполненная на внешней поверхности полого цилиндра в виде покрытия из полупроводниковых термоэлектрических модулей, причем рабочей средой микропривода является капля легкоиспаряемой жидкости, например эфира или спирта.

На фиг.1 представлена конструкция термокапиллярного поршневого микропривода; на фиг.2 - микропривод в режиме прямого рабочего хода; на фиг.3 - капля жидкости между двумя поверхностями, создающая тяговое усилие.

Термокапиллярный поршневой микропривод (фиг.1) содержит полый цилиндр 1 с рабочей средой 2, поршень 3 со штоком. В полом цилиндре 1 установлена спираль 4 нагревания рабочей среды, а также имеется система охлаждения рабочей среды, выполненная на внешней поверхности полого цилиндра 1 в виде покрытия 5 из полупроводниковых термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье, причем рабочей средой 2 микропривода является капля легкоиспаряемой жидкости, например эфира или спирта.

Термокапиллярный поршневой микропривод работает следующим образом.

Принцип работы микропривода в определенной степени схож с работой паровой тепловой машины. Выделяется два основных режима работы - прямой и обратный ход поршня, периодическая смена указанных режимов сопровождается совершением полного термодинамического цикла, в результате которого рабочая среда (спирт или эфир) микропривода испаряется и конденсируется. Как и в типичных тепловых машинах, прямой ход поршня полностью подчинен законам теории паровых машин (законам термодинамики), однако реализация обратного хода поршня основана на теории капиллярных сил, когда капля жидкости между двумя поверхностями создает тяговое усилие.

Рассмотрим подробнее прямой ход поршня.

При нагревании спирали 4 пропусканием через нее слабого электрического тока жидкая рабочая среда 2 полого цилиндра 1 уже при температурах более 35°С (для этилового эфира) или 78°С (для этилового спирта) закипает и создает в полом цилиндре 1 избыточное давление, под действием которого поршень 3 со штоком выталкивается (выдавливается) (фиг.2) и совершает некоторую полезную работу. То есть прямой ход реализуется практически так же, как в традиционных паровых макромашинах. Использование в качестве рабочей среды указанных жидкостей (или других с еще меньшими температурами кипения) объясняется негативным влиянием повышенных температур на покрытия 5 из полупроводниковых термоэлектрических модулей.

Теперь рассмотрим режим обратного хода поршня. Как было отмечено, движение в этом режиме основано на поверхностном натяжении жидкостей (капиллярных силах). Рабочая среда 2, находящаяся в парообразном состоянии после совершения микроприводом прямого хода, конденсируется путем охлаждения стенок полого цилиндра 1 с помощью покрытия 5 из полупроводниковых термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье. Использование такого покрытия позволяет существенно ускорить процесс охлаждения и, следовательно, процесс конденсации. С наступлением точки росы на внутренней поверхности полого цилиндра 1 конденсируется влага, образующая в конечном счете каплю жидкости. На фиг.3 изображена капля жидкости между двумя поверхностями, создающая тяговое усилие. Исходя из уравнения Юнга в этом случае тяговое усилие F или сила сцепления между поверхностями составит приблизительно F=-2πγ_lcosθ_Cr_l ²/z, где π≈3,14; γ_l - натяжение на границе раздела фаз жидкость-воздух; θ_C - контактный угол, определяющий соотношение натяжений на границах раздела фаз жидкость-воздух, поверхность-воздух и жидкость-поверхность; z - расстояние между поверхностями; r_l - радиус капли. Величина тягового усилия F на практике составляет не менее 10^-5 Н и является достаточной для совершения механической работы над объектами, размеры которых измеряются в десятках и даже сотнях микрометров. Таким образом, явления конденсации и поверхностного натяжения лежат в основе втягивания поршня 3 со штоком и реализации режима обратного хода микропривода.

Заявляемое изобретение отличается относительно простой конструкцией и дешевизной используемых компонентов. Быстродействие микропривода, в определенных пределах, может регулироваться уровнем электрического тока в спирали 4 и покрытии 5 из полупроводниковых термоэлектрических модулей. Также в отличие от прототипа, заявляемое изобретение отличают улучшенные эксплуатационные характеристики, в частности это простота регулирования работы микропривода.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет снизить стоимость, упростить эксплуатацию и конструкцию микропривода, а также увеличить быстродействие.

Термокапиллярный поршневой микропривод, содержащий полый цилиндр с рабочей средой, поршень со штоком, отличающийся тем, что в полом цилиндре установлена спираль нагревания рабочей среды, а также имеется система охлаждения рабочей среды, выполненная на внешней поверхности полого цилиндра в виде покрытия из полупроводниковых термоэлектрических модулей, причем рабочей средой микропривода является капля легкоиспаряемой жидкости, например эфира или спирта.