Тепловые исполнительные микроустройства

Тепловые исполнительные микроустройства (тепловые актюаторы) используют как линейное или объёмное расширение жидкости или газа, так и деформацию формы вследствие биметаллического эффекта, которые имеют место благодаря изменению тем-пературы. Рассмотрим биметаллический актюатор (рис. 3.4). в виде балки из одного материала (кремний), и слой из другого материала (алюминий).

Рис. 3.4. Устройство биметаллического актюатора

Коэффициент теплового расширения у них разный. При нагревании, один материал расширяется быстрее, чем другой, и балка изгибается. Нагревание можно производить, пропуская через это устройство электрический ток.

Приведём расчёт параметров актюатора на примеребиметаллического актюатора, материал рабочего элемента «кремний/алюминий».

Рис. 3.5. Расчетная схема биметаллического актюатора

Пусть заданы следующие геометрические размеры: S_Si=4 μм, S_Al=1.8 μм, l=200 μм, w=40 μм. Традиционно при расчетах задают электромагнитные характеристики материалов:

α_Si=3.3×10^-6 (К^-1)
c_pSi=0.71×10³ (Вт с/(кг К))
ρ_Si=2.33×10³ (кг/м³)
E_Si=150×10⁹ (Н/м²)
κ_Si=150 (Вт/м К).

α_Al=23×10^-6 (К^-1)
c_pAl=0.9×10³ (Вт с/(кг К))
ρ_Al=2.7×10³ (кг/м³)
E_Al=70×10⁹ (Н/м²)
κ_Al=230 (Вт/м К).

1) Выбираем теплоёмкость пластины :

(3.7)

2) Выберем скорость переключения равной τ=10 мс, тогда тепловое сопротивление получается равным:

(3.8)

3) Предположение о постоянной температуре консоли может быть проверено при помощи длины рассеивания тепла.

(3.9)

Для кремния длина рассеивания тепла равна 1.8 мм, для алюминия значение 1.95 мм. По сравнению со всеми геометрическими размерами длина рассеивания тепла очень велика, следовательно, гипотеза о постоянной температуре консоли оправдана.

4) Разница температур (выбрали) ∆T(t=τ)=50 К. Тогда электрическая мощность нагрева равна:

, P_эл=0,7 мВт. (3.10)

5) Максимально возможное увеличение температуры для такой мощности нагрева равно:

К. (3.11)

6) Тепловое расширение балки (без силы сжатия пружины) с K₁=60.8 и получается равным:

(3.12)

7) Для достижения максимальной эффективности жесткость пружины c выбрана так, чтобы сила противодействия уменьшала прогиб вдвое.

(3.13)

Для такого прогиба жёсткость пружины в результате получается c=25.6 Н/м и жёсткость к изгибу EI=68.4×10^-12 Нм². Напряжение в материале меньше, чем 50×10⁶Н/м², и, таким образом, оно не приводит к разрушению.

8) Механическая работа, совершающая действие на нагрузку (пружину) получается из выражения:

Вт с. (3.14)

9) Подаваемая для выполнения этой механической работы электрическая энергия:

= 0,7 мВт × 10 мс =7×10^-6 Вт с. (3.15)

10) Коэффициент полезного действия равен:

= 5,5×10^-6 (3.16)

Расчет приведенный в примере показывает, что тепловые актюаторы могут создавать относительно большие силы, но нет конструкции которая бы позволяла это сделать с позиции эффективного использования энергии. Результат становится более хорошим при увеличении разницы между коэффициентами теплового расширения α и при большем изменении температуры ∆T, однако достигаемое КПД всё равно остаётся относительно маленьким. Газы и жидкости имеют намного больший коэффициент теплового расширения, чем твёрдые тела, и это можно использовать в термопневматических микроактюаторах.

На рисунке показан резонатор, внутри которого находится жидкость, с тонкой мембраной в роли нижней стенки. Через нагревательный элемент (резистор) пропускается ток. Жидкость нагревается и начинает расширяться, деформируя мембрану (рис. 3.6.).

Рис. 3.6. Устройство резонатора

К преимуществам тепловых микроактюаторов можно отнести: 1). Простая конструкция, рабочими элементами являются резистор нагрева и для использования биметаллического эффекта плёночная структура. 2). Подходящий размер, лежащий в микродиапазоне, согласно формуле Фурье быстродействие при уменьшении размеров возрастает квадратично.

3). В качестве активных элементов применимы почти любые материалы, которые кроме различных коэффициентов расширения дожны обладать достаточной прочностью. Обычно в качестве нагревателя используются резисторы извилистой формы, которые можно легко изготовить с использованием тонко- или толстоплёночной технологии.

К недостаткам можно отнести: 1). В настоящее время нагревательный элемент потребляет очень много энергии для того, чтобы тепловой актюатр смог развить относительно большую силу, т.е невысокий КПД. 2.) Нагревательный элемент необходимо охлаждать, чтобы вернуть актюатр в исходное положение, а значит тепло должно быть рассеяно в окружающую среду. Это естественно занимает некоторое количество времени и ограничивает быстродействие.