[发明专利]一种基于帕尔贴效应的气体微流量控制器

说明书

技术领域

本发明涉及航天器推进系统用的可调微流量气体流量控制器，适用于氦、氙、氩、氮等空间推进系统常用气体的微流量控制，可用于电推进、冷气推进等领域。 

背景技术

卫星、深空探测器等航天器使用的电推进、微推力冷气推进等微流量气体推进剂的领域，都需要通过推进剂供应装置将气瓶（或贮箱）中的压力较高（如15MPa）的气体变为推力器所需的微流量气体（如推力40mN、比冲1600s的霍尔推力器，阳极推进剂流量为2.3mg/s，阴极推进剂流量为0.25mg/s）。这种推进剂供应装置一般由上游的压力调节模块和下游的流量调节模块两部分组成，压力调节模块上接气瓶，流量调节模块下连推力器。压力调节模块将气瓶中的较高压力变为较低、较稳定的压力（如0.2MPa）。流量调节模块则将压力调节模块输出的较稳定压力的推进剂节流，调节为微流量的推进剂，并通过某种方法在一定范围内调节微流量大小，以适应推力器的不同需求。 

流量调节模块一般由控制推进剂通断的阀门（电磁阀、自锁阀等）和流量控制器等组成。流量控制器是实现微流量气体供应和调节的关键组件，具有节流和一定的流量调节能力。 

目前国内外常用的冷气推进、电推进等空间推进系统的微流量气体流量控制器按节流方式可分为固定结构节流和可变结构节流。固定结构节流是指用固定结构形成固定结构的流道，实现气体节流，输出微流量气体，具体有： 

1）多孔材料，通过多孔材料形成的微小通道实现气体节流； 

2）孔板，通过一个或多个串联的、有微米量级直径小孔的孔板实现气体节 流； 

3）毛细管，利用毛细管的微小孔径和较长的长度来实现气体节流，通过控制毛细管的孔径和长度，实现所需的气体节流； 

4）刻蚀微流道，利用化学刻蚀等形成的微流道，实现气体节流。 

可变结构节流是指利用活动部件，调节气体流道的大小，从而实现气体节流，输出微流量气体，具体有： 

1）比例流量电磁阀，通过电磁螺线管调节阀门开度，从而实现微流量调节。 

2）利用磁致伸缩或压电陶瓷等功能材料的阀，利用功能材料在磁场或电场的作用下，实现长度或形状的微小变化实现阀芯的微小动作，调节气体流道大小实现节流。 

可变结构节流方式利用流量或电推力器的电流等的反馈，控制阀芯的开度，从而实现微流量的调节。 

对于固定结构节流方式，则一般采用热阀原理来实现微流量调节。如欧洲AMPAC研制的氙流量控制器，由带进出口管嘴的节流器、包裹在节流器上的10W螺旋加热器和封装加热器及节流器、可作为机械固定接口用的陶瓷材料组成。调节加热器电压大小，加热器功率可从0~10W变化，典型流量调节范围0.05~20mg/s。 

热阀流量控制器的工作原理如下： 

假设气源温度为环境温度，对于某种工作介质气体，入口压力一定时，这种热阀流量控制器的气体流量与节流器的温度有关，加热器不工作时，当节流器温度等于环境温度时，其流量就是在该环境温度下的最大流量。有如下三种工作状态： 

1）主动调小流量：流量减小时，通过螺旋加热器加热，节流器温度上升，气体温度升高导致粘度变大，有的节流器（如多孔材料节流器）流阻还明显变大，气体流量变小，这属于主动调小流量，响应时间约数秒或数十秒； 

2）被动调大流量：当流量需要从小变大时，加热器停止工作，热量耗散，节流器温度下降，气体粘度变小，有的节流器（如多孔材料节流器）流阻还明 显变小，气体流量变大，这属于被动调大流量，响应时间约几十秒，此时流量控制器的最大流量就是节流器温度恢复到环境温度时，在相应环境温度下的最大流量； 

3）维持某一流量：当从某一状态调节到其它流量时，当通过主动调小流量或被动调大流量，使流量控制器流量到达目标流量时，调节加热器电压（如采用持续供电控制时，电压可变，实现0~最大功率的变化）或占空比（如采用脉冲电流控制时，电压不变，通过调节占空比实现平均功率的变化）或两种方法同时应用，使节流器温度始终维持到该流量对应的温度，使流量保持恒定。 

可见，现有通过加热器加热主动调节流量的流量控制器没有主动调大流量的功能，因为加热器只能在环境温度下将节流器的温度加热，当加热器不工作时，节流器温度最多只能下降到环境温度，而不能低于环境温度，限制了流量控制器的性能。