ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ION ENGINE

Настоящее изобретение относится к ионному двигателю для приведения в движение космических летательных аппаратов, содержащему резервуар для рабочего тела, эмиттер для испускания ионов рабочего тела, причем эмиттер имеет один или более выступов из пористого материала и основание с первой стороной, поддерживающей указанные выступы, и второй стороной, соединенной с резервуаром, и экстрактор, обращенный к эмиттеру, для извлечения ионов из эмиттера и их разгона.
Повышение сложности задач, стоящих перед пикоспутниками и наноспутниками и обычными космическими летательными аппаратами, требует разработки эффективных двигательных систем, имеющих небольшой вес. На соответствующей высоте использование магнитных исполнительных органов, фалов или двигателей-маховиков является недостаточным, и они не позволяют, к примеру, обеспечить управление полетом или решение любой другой задачи, которая требует изменения скоростных возможностей (Δv). Оснащение имеющих небольшую мощность и требующих больших расходов малоразмерных космических летательных аппаратов системами с двигателями на химическом топливе или на холодном газе создает сложности из-за их ограниченного удельного импульса.
Электрические двигательные установки предлагают многообещающее альтернативное решение. Исключение подвижных частей значительно уменьшает сложность системы и, таким образом, обеспечивает высокую надежность и долговечность. Например, ионные двигатели, в частности электрические ракетные двигатели с полевой эмиссией (FEEP), являются весьма привлекательными для решения задач с повышенными требованиями к удельному импульсу.
Ионные двигатели создают тягу посредством электрического разгона ионов в качестве рабочего тела; такие ионы могут генерироваться, например, из нейтрального газа (как правило, ксенона), ионизированного за счет извлечения электронов из атомов, из жидкого металла или из ионной жидкости. Электрические ракетные двигатели с полевой эмиссией (FEEP) основаны на полевой ионизации жидкого металла (как правило, цезия, индия, галлия или ртути). Коллоидные ионные двигатели, также известные, как электрораспылительные двигатели, используют в качестве рабочего тела ионную жидкость (например, солевые расплавы комнатной температуры).
Места эмиссии ионных двигателей являются выступами, которые имеют форму конусов, пирамид, треугольны призм или т.п. Для создания сильного электрического поля, необходимого для извлечения ионов, выступы имеют острые концы или острые края для использования эффекта концентрации поля на конце или крае.
Прикладывание сильного электрического поля к такому острому концу или краю обусловливает образование так называемого конуса Тейлора сверху конца или края выступа эмиттера. В ионных двигателях FEEP-типа нейтральные атомы жидкого металла на вершине конуса Тейлора испаряются с поверхности. В сильном электрическом поле между эмиттером и экстрактором благодаря полевой эмиссии отрицательные электроны возвращаются обратно на поверхность, изменяя ранее нейтральные атомы на положительно заряженные ионы. Сгенерированные таким образом ионы извлекаются с конуса Тейлора и разгоняются электрическим полем. Этот принцип образования положительных ионов и их разгона одним и тем же электрическим полем используется для создания тяги. В коллоидных ионных двигателях уже заряженные ионы ионной жидкости извлекаются из конуса Тейлора и разгоняются электрическим полем. Тяга может регулироваться напряженностью электрического поля. Чем более острое место эмиссии, тем меньшим является основание конуса Тейлора, что ведет к повышению эффективности ионного двигателя при любом заданном ионном токе.
Для перемещения рабочего тела к острому концу или краю каждого выступа используются пассивные силы, например капиллярные эффекты, или внешние силы, например разности давлений или центробежные силы.
Известны три различных типа эмиттеров для перемещения и испускания рабочего тела. Во-первых, используются эмиттеры со сплошными выступами, например иглами, в которых эмиттер и его выступы имеют поверхности, смачиваемые рабочим телом. Благодаря адгезии на поверхности смачивания эмиттера этот эмиттер и каждый выступ покрываются пленкой рабочего тела. Эта технология, в частности, представляет интерес с учетом эксплуатационных характеристик, поскольку сопротивление течению рабочего тела является очень высоким, но вместе с тем эта технология сильно предрасположена к образованию загрязнений или любым эффектам, которые могли бы вызывать ослабление или разрушение пленки рабочего тела. Сплошные выступы эмиттера этого типа известны, например, из документов US 2011/192968 A1 или US 2009/114838 A1, относящихся к применению коллоидных ионных двигателей.
Во-вторых, для перемещения рабочего тела используются эмиттеры соплового типа с выступами, через которые проходят капиллярные каналы. Такие капиллярные эмиттеры имеют преимущество, состоящее в том, что выступы устойчивы к загрязнению, и их изготовление является простым и надежным. Выступы этого типа известны, например, из документов AT 500 412 A1, US 4 328 667 B, относящихся к ионным двигателям FEEP-типа, или из работы K. Huhn et al, «Colloid Emitters in Photostructurable Polymer Technology: Fabrication and Characterization Progress Report», IEPC-2015-120, июль 2015 г., относящейся к коллоидному ионному двигателю, в котором используется солевой расплав. Однако выпускное отверстие капилляров должно иметь минимальный диаметр, что обусловливается производственными возможностями и, тем самым, ведет к увеличению конуса Тейлора и, тем самым, к низкой эффективности, принимая во внимание тягу на массу рабочего тела, т.е. меньшему удельному импульсу. Чтобы по меньшей мере частично противодействовать этому недостатку, из существующего уровня техники известно, что концы выступов с каналами можно покрыть материалом, который не смачивается рабочим телом, с целью уменьшения размера конуса Тейлора.
В-третьих, пористые эмиттеры известны из документа US 2016/0297549 A1 или работы D. Krejci et al., «Design and Characterization of a Scalable Ion Electrospray Propulsion System», IEPC-2015-149, июль 2015 г., относящихся к ионным двигателям, в которых используется ионная жидкость. Материал пористых эмиттеров и их выступов смачивается используемым рабочим телом. Такие пористые эмиттеры комбинируют преимущества эмиттеров первого и второго типов, поскольку пористые выступы перемещают большой объем рабочего тела, как внутри, так и по наружным поверхностям и имеют острые концы или края. Таким образом, пористые выступы обеспечивают как более высокий удельный импульс, так и защищенность от загрязнения, и, кроме того, обеспечивается точное регулирование ионного двигателя. Однако длительная эксплуатация таких пористых эмиттеров может привести к нежелательной потере рабочего тела или ухудшению других функциональных и эксплуатационных характеристик, что иногда даже может обусловливать прекращение функционирования системы.
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить ионный двигатель, который является не только эффективным и надежным, но также долговечным.
Эта задача решена с помощью ионного двигателя, специально упомянутого в вначале настоящего описания, который характеризуется тем, что основание эмиттера является непроницаемым для рабочего тела, по меньшей мере на указанной первой стороне, поддерживающей указанные выступы, и имеет поры или каналы для обеспечения течения рабочего тела из резервуара к указанным выступам.
Изобретение основано на обнаружении того, что ухудшение функционирования, а также потеря рабочего тела в ионных двигателях с эмиттерами пористого типа являются следствием неконтролируемого накопления рабочего тела на основании между пористыми выступами и вокруг них из-за просачивания рабочего тела через основание. Это также ведет к прекращению функционирования системы в ходе длительной эксплуатации. Благодаря тому, что указанная первая сторона основания является полностью непроницаемой для рабочего тела, указанное просачивание рабочего тела через основание и накапливание рабочего тела можно эффективно предотвратить, и можно исключить ухудшение или прекращение функционирования системы в ходе длительной эксплуатации, а также во время изготовления и наземного обслуживания. Кроме того, обеспечивается преимущество пористых выступов с учетом удельного импульса и устойчивости к загрязнению.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения все основание выполнено из материала, непроницаемого для рабочего тела. Такое основание можно легко изготавливать, и оно надежно в эксплуатации. Непроницаемое для рабочего тела основание имеет пористые или открытые каналы, соединяющие выступы с резервуаром для обеспечения необходимого течения рабочего тела.
Предпочтительно, чтобы поры и каналы основания были покрыты материалом, который смачивается рабочим телом, что усиливает капиллярный эффект для обеспечения пассивного течения рабочего тела.
Как вариант или дополнительно, приемлемым является нанесение на указанную первую сторону покрытия, непроницаемого для рабочего тела. Таким образом, основание можно изготавливать из широкого ряда материалов, даже из такого же, в частности пористого материала, как и материал выступов, что обеспечивает очень плавное течение рабочего тела. Поскольку покрытие является полностью непроницаемым для рабочего тела, когда основание выполнено из пористого материала, поры блокируются покрытием. Если требуется, основание и выступы могут быть выполнены из одного куска пористого материала посредством изготовления на одном этапе, или, с другой стороны, они могут быть изготовлены по отдельности и затем соединены, например, посредством изготовления по аддитивной технологии, сварки или т.п.
В частном предпочтительном варианте осуществления изобретения покрытие продолжается по смежному участку каждого выступа. Таким образом, выступы могут быть расположены ближе друг к другу на основании без накапливания рабочего тела между выступами. Таким образом, сохраняя такую же максимальную тягу ионного двигателя, можно дополнительно уменьшить размер эмиттера.
Для предотвращения утечки рабочего тела в соединении эмиттера с резервуаром предпочтительно, чтобы покрытие продолжалось по примыкающему участку резервуара.
Покрытие может быть выполнено из широкого ряда материалов, выбор которых также зависит от рабочего тела. Предпочтительно, чтобы указанное покрытие также являлось отталкивающим для рабочего тела. Такое покрытие, которое является отталкивающим для рабочего тела, т.е. не смачивается, препятствует возможному просачиванию рабочего тела из выступов и/или скольжению рабочего тела по поверхности. Таким образом, надежность ионного двигателя дополнительно увеличивается. В частности, предпочтительным является выполнение покрытия из эпоксидной смолы, которая, как было подтверждено, является надежной и удобной в эксплуатации.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения основание и выступы выполнены из пористого вольфрама. Вольфрам является очень долговечным и может изготавливаться с мелкими порами и острыми концами или краями. Кроме того, при использовании в качестве рабочего тела жидкого индия вольфрам также обеспечивает превосходные характеристики смачивания для рабочего тела, тем самым увеличивая надежную пассивную силу капиллярного эффекта для перемещения рабочего тела внутри ионного двигателя.
Несмотря на то, что выступы могут быть треугольными призмами с острым краем или пирамидами с острым концом, в предпочтительном варианте осуществления изобретения выступы являются иглообразными, т.е. узкими заостренными конусами. Эта форма позволяет получить небольшой конус Тейлора, а круглое сечение конусов способствует равномерному течению рабочего тела.
Предпочтительно, чтобы эмиттер имел множество выступов, расположенных по окружности на указанной первой стороне. Таким образом, для одновременного генерирования равномерного электрического поля в экстракторе может быть предусмотрено одиночное круглое окно. Такое окно легче изготавливать и выравнивать с выступами по сравнению с отдельным окном в экстракторе для каждого выступа, что является общепринятой практикой при изготовлении ионных двигателей.
Для способствования течению рабочего тела предпочтительно, чтобы резервуар содержал внутреннюю направляющую конструкцию для направления рабочего тела, которая ведет к указанной второй стороне основания.
Ниже приведено подробное описание изобретения на основании примера варианта осуществления со ссылкой на приложенные чертежи.
На фиг. 1a и 1b показан пример ионного двигателя по настоящему изобретению на виде верху (фиг. 1a) и в местном продольном разрезе по линии A–A, обозначенной на фиг. 1a (фиг. 1b), соответственно;
на фиг. 2a и 2b – проекция пористого эмиттера ионного двигателя, показанного на фиг. 1a и 1b, в продольном разрезе (фиг. 2a) и место C из фиг. 2a (фиг. 2b);
на фиг. 3a–3d – схематическое изображение трех вариантов выполнения эмиттера ионного двигателя из фиг. 1a и 1b в соответствующих продольных разрезах (фиг. 3a–3c) и место D из фиг. 3a (фиг. 3d); и
на фиг. 4 – вариант выполнения направляющей конструкции в резервуаре для рабочего тела ионного двигателя из фиг. 1a и 1b, вид в перспективе.
+
+
На фиг. 1a и 1b показан ионный двигатель 1 для приведения в движение космических летательных аппаратов, в частности искусственных спутников. Ионный двигатель 1 содержит резервуар 2, также именуемый баком, для рабочего тела 3 (фиг. 2a и 2b). Ионный двигатель 1 также содержит эмиттер 4 для испускания ионов 3 рабочего тела 3 и экстрактор 5, обращенный к эмиттеру 4, для извлечения ионов 3 из эмиттера 4 и их разгона.
+
+
Ионный двигатель 1, показанный на фиг. 1a и 1b, является электрическим ракетным двигателем с полевой эмиссией (FEEP). В ионных двигателях 1 этого типа в качестве рабочего тела 3 используется жидкий металл, например цезий, индий, галлий или ртуть, который ионизируется за счет полевой эмиссии, как подробно описано ниже. Далее экстрактор 5 извлекает и разгоняет сгенерированные (в настоящем описании: положительные) ионы 3 рабочего тела 3 для приведения в движение космического летательного аппарата. Кроме того, ионный двигатель 1 дополнительно также содержит один или более (в настоящем описании: два) источников электронов (также известных из существующего уровня техники как «нейтрализаторы») с боковых сторон эмиттера 4 для балансировки заряда ионного двигателя 1 и, таким образом, космического летательного аппарата, из-за эмиссии положительно заряженных ионов 3.
Как вариант, ионный двигатель 1 может быть ионным двигателем коллоидного типа, использующим в качестве рабочего тела 3 ионную жидкость, например солевые расплавы при комнатной температуре. В этом случае источники 10 электронов могут не использоваться, поскольку коллоидные двигатели обычно периодически изменяют полярность, так что непрерывный самозаряд ионного двигателя 1 и космического летательного аппарата не происходит. В другом варианте ионный двигатель 1 может использовать в качестве рабочего тела газ, например ксенон, который опять же ионизируется посредством извлечения электронов из атомов.
1
2
Эмиттер 4 содержит один или несколько выступов 11 и основание 12. Основание 12 имеет первую сторону 12, поддерживающую указанные выступы 11, и вторую сторону 12, соединенную с резервуаром 2. Каждый выступ 11 может иметь форму конуса, пирамиды, треугольной призмы или т.п. и имеет острый конец 11' или край (фиг. 3a–3c), соответственно, с противоположной стороны относительно основания 12. В частности, каждый выступ мог бы иметь иглообразную форму, т.е. быть в виде узкого заостренного конуса. В настоящем документе выступы 11 также именуются острыми элементами или иглами эмиттера.
1
+
Эмиттер 4, показанный на фиг. 1b, содержит множество иглообразных выступов 11, которые расположены по окружности (фиг. 1a) на указанной первой стороне 12 основания 12. Само основание 12 имеет кольцеобразную форму. Таким образом, эмиттер 4 имеет форму короны. Кроме того, экстрактор 5 имеет одиночное отверстие P для эмиссии ионов 3 рабочего тела 3 из всех выступов 11 коронообразного эмиттера 4. Однако следует принять во внимание, что, как вариант, для эмиттера 4 и соответствующего экстрактора 5 могут быть выбраны другие формы основания 12 и другие формы и расположения выступов 11.
+
-
На фиг. 2a показан выступ 11 настоящего ионного двигателя 1, выполненный из пористого материала, например из пористого вольфрама, для перемещения рабочего тела 3 к концу 11' выступа 11 за счет капиллярных сил. Между выступом 11 эмиттера 4 и экстрактором 5 с помощью электродов E, Eсоздается сильное электрическое поле в диапазоне нескольких киловольт (кВ). За счет создания электрического поля на конце 11' выступа образуется так называемый конус Тейлора T.
+
В ионных двигателях FEEP-типа нейтральные атомы жидкого металла испаряются с поверхности. В сильном электрическом поле на конце 11' конуса Тейлора T один или более электронов проникают обратно на поверхность выступа 11 из-за полевой эмиссии, изменяя ранее нейтральный атом на положительно заряженный ион 3. В случае коллоидных ионных двигателей 1 с ионными рабочими телами 3 эта ионизация не является обязательной.
+
–
Как показано на фиг. 2b, в дальнейшем благодаря сильному электрическому полю на вершине конуса Тейлора T образуется струя J, из которой ионы 3 рабочего тела 3 извлекаются и разгоняются экстрактором 5, генерируя тягу. Благодаря возможности точного регулирования напряжения между иглой 11 и вытягивающим электродом E, можно с высокой точностью регулировать генерируемую тягу.
–
Говоря вкратце, в случае ионного двигателя FEEP-типа металлическое рабочее тело 3 в баке 2 нагревается выше температуры сжижения, и капиллярные силы за счет комбинации поверхностного натяжения, геометрии (пор) и смачиваемости поверхности резервуара 2 и эмиттера 4 переносят рабочее тело 3 из резервуара 2 в направлении эмиттера 4 и далее к концам 11' острых элементов 11 эмиттера. К жидкому рабочему телу 3 с помощью противоэлектрода E прикладывается высокое напряжение, локально превосходящее порог ионизации в местах индуцируемой нестабильности жидкости, создаваемой электрическими нагружениями на концах 11' острых элементов 11 эмиттера. Таким образом, рабочее тело извлекается и пополняется с помощью капиллярных сил, направленных вниз по потоку.
1
1
На фиг. 3a–3c показаны три варианта выполнения эмиттера 4 для использования в ионном двигателе 1. Во всех трех вариантах основание 12 является непроницаемым для рабочего тела 3, по меньшей мере на указанной первой стороне 12 основания, как будет подробно описано ниже. Таким образом, исключаются просачивание рабочего тела 3 через основание 12, по меньшей мере через его указанную первую сторону 12, и последующее накапливание рабочего тела 3 вокруг каждого выступа 11 и/или между двумя соседними выступами 11. В то же самое время само основание 12 имеет поры 13 или каналы 14 для обеспечения течения рабочего тела 3 из резервуара 2 к указанным выступам 11, так что поры 13 или каналы 14 соединяют резервуар 2 с выступами 11.
В первом варианте (фиг. 3a) из указанных трех вариантов осуществления изобретения (фиг. 3a–3c) все основание 12 выполнено из материала, который является непроницаемым для рабочего тела 3. Для обеспечения течения рабочего тела 3 из резервуара 2 к выступам 11 основание 12 в этом случае имеет открытые или пористые каналы 14. Каналы 14 при необходимости дополнительно покрыты материалом, смачиваемым рабочим телом 3, чтобы способствовать течению рабочего тела 3 с помощью капиллярных сил.
1
Следует принять во внимание, что в разновидности этого варианта осуществления изобретения только часть основания 12, т.е. первая сторона 12 может быть выполнена из материала, который является непроницаемым для рабочего тела 3, в то время как остальная часть, например внутренняя сторона, может быть проницаемой (смачиваемой) для рабочего тела 3.
1
1
Во втором варианте осуществления изобретения (фиг. 3b) указанная первая сторона 12 основания 12 имеет покрытие 15, которое является непроницаемым для рабочего тела 3. Основание 12 по усмотрению может быть выполнено из такого же пористого материала, как и выступы 11, и в этом случае поры 13 блокируются покрытием 15 на указанной первой стороне 12. Основание 12 может быть выполнено за одно целое с выступами 11, как в примере, показанном на фиг. 3b, или отдельно от них и может быть соединено с ними, например: приклеено, изготовлено по аддитивной технологии или приварено.
1
1
1
В третьем варианте осуществления изобретения (фиг. 3c), который также можно рассматривать как разновидность вышеописанного второго варианта осуществления изобретения (фиг. 3b), покрытие 15, являющееся непроницаемым для рабочего тела, продолжается от первой стороны 12 основания 12 по участку 16 каждого выступа 11, причем участок 16 примыкает к указанной первой стороне 12. Таким образом, покрытие 15 закрывает основание, т.е. примыкающий участок 16 выступов 11 и зазор между соседними выступами 11, т.е. указанную первую сторону 12. Следовательно, просачивание рабочего тела 3 через указанное основание выступов 11 также предотвращается.
Максимальная высота H покрытия 15 указанного участка 16 выступа 11 определяется необходимым потоком рабочего тела 3 и, в частности, зависит от сечения выступа 11 и его свойств применительно к рабочему телу 3, которые, в свою очередь, зависят от окружающих условий, например от температуры. Для выступа 11 с сечением A, характеристики пористости которого таковы, что доля pf*A доступна для транспортирования жидкости из рабочего тела 3 с зависящей от температуры плотностью ρ, которая используется для испускания тока I заряженных частиц со средним отношением заряда к массе e/m и объемным расходом на единицу площади поверхности q, средняя скорость местного течения v на высоте окончания покрытия 15 описывается следующим уравнением:
(уравнение 4)
Для выступа 11 в форме конуса средняя местная скорость v потока может быть описана в зависимости от высоты h, измеренной от основания 12 в направлении конца 11' конуса, что описывается углом φ и радиусом R у основания, и определяется следующим уравнением:
(уравнение 5)
Для жидкости с зависящей от температуры вязкостью μ объемным расходом на единицу площади поверхности q для материала с проницаемостью κ падение давления ΔP может быть выражено следующим уравнением:
(уравнение 6)
Для конического выступа 11 падение давления на высоте h*, которая измеряется от конца 11' конического выступа 11 и эквивалентна высоте, на которой оканчивается покрытие 15, определяется следующим уравнением:
(уравнение 7)
где ΔP должно быть выбрано таким образом, чтобы оно было достаточно малым для обеспечения течения пассивного рабочего тела 3 через пористую среду, но достаточно большим для обеспечения эмиссии ионов со средним отношением заряда к массе e/m, необходимой для работы ионного двигателя 1.
1
1
1
В третьем варианте осуществления изобретения (фиг. 3c) покрытие 15, которое является непроницаемым для рабочего тела, также продолжается от указанной первой стороны 12 по примыкающему участку 17 резервуара 2. Следует принять во внимание, что покрытие 15 на участке 17 резервуара 2 и покрытие 15 на участке 16 выступа 11 независимы друг от друга в том смысле, что покрытие 15 может не продолжаться ни по одному из двух участков 16, 17 (что соответствует второму варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 3b), может продолжаться по одному из участков 16, 17 или по обоим участкам 16, 17. Кроме того, любое такое покрытие 15 по усмотрению может использоваться совместно с основанием 12, по меньшей мере с указанной первой стороной 12, которое выполнено из непроницаемого для рабочего тела 3 материала, как в первом варианте осуществления изобретения (фиг. 3a), т.е. может закрывать указанную первую сторону 12.
2
1
2
1
В вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 3a–3c, основание 12 является, например, кубоидом или цилиндром, при этом вторая сторона 12 основания 12, соединенная с резервуаром 2, расположена напротив первой стороны 12 основания 12, которая поддерживает выступы 11. Однако это не является обязательным, поскольку рабочее тело 3 также могло бы течь через основание 12, например, с его боковой стороны. Пример такого варианта также показан на фиг. 1b, где основание 12 эмиттера 4 в форме короны является кольцеобразным с внутренней и наружной окружностями, причем одна из окружностей или обе окружности являются указанной второй стороной 12, по которой обеспечивается течение рабочего тела 3 из резервуара 2 к выступам 11, выступающим от верха кольцеобразного основания 12, которое в этом случае образует указанную первую сторону 12. Кроме того, эмиттер 4 в примере, показанном на фиг. 1b, имеет покрытие 15 согласно вышеописанному третьему варианту осуществления изобретения (фиг. 3c). Покрытие 15 продолжается как по участку 16 выступов 11, так и по участку 17 резервуара 2.
Кроме того, непроницаемое для рабочего тела покрытие 15 по усмотрению также может быть отталкивающим, т.е. несмачиваемым для рабочего тела 3. В настоящих вариантах осуществления изобретения покрытие 15 выполнено из эпоксидной смолы. Однако для изготовления покрытия 15 могут быть использованы другие известные специалисту материалы, которые являются непроницаемыми и отталкивающими для рабочего тела 3.
Как показано на фиг. 3d, накопление рабочего тела 3 предотвращается за счет препятствования просачиванию рабочего тела 3 через основание 12; этот эффект поддерживается следующим образом: давление Δp в мениске M, образованном жидким рабочим телом 3 с поверхностным натяжением γ, может быть описано уравнением Юнга-Лапласа:
(уравнение 1)
1
2
m
где R и R – главные радиусы кривизны мениска M, R – средняя кривизна и γ – функция температуры, которая, например, для жидкого индия может быть описана следующим уравнением:
(уравнение 2)
где t – температура (в градусах Цельсия), a = 568, b = –0,04, c = –0,0000708 – коэффициенты (для жидкого индия).
Соотношение угла θ контакта и межфазных энергий Гиббса δ для твердых частиц и газа (SV), твердых частиц и жидкости (SL) и жидкости и пара (LV) описывается уравнением Юнга:
(уравнение 3)
Эти соотношения определяют минимальное расстояние, которое должно разделять два смежных выступа 11 во избежание соединения двух менисков M, образованных между основанием 12 и выступом 11. Если минимальное расстояние не поддерживается, сила, удерживающая мениск M вокруг выступа 11, будет принимать нулевое значение, поскольку увеличиваются радиусы мениска M, который объединяется с соседним мениском M в одно жидкое тело. Таким образом, отрицательное давление внутри мениска будет уменьшаться, и не будут действовать никакие силы, которые могли бы препятствовать увеличению накапливания жидкости с течением времени.
Поскольку физические свойства жидкости изменяются в зависимости от температуры и других окружающих условий, при расчете минимального расстояния следует учитывать эти факторы.
1
R
1
Возможность исключения случаев увеличения накоплений жидкости вблизи выступов 11, в частности между двумя соседними выступами 11, должна препятствовать просачиванию рабочего тела 3 через основание 12. Исключение таких накоплений дополнительно может поддерживаться посредством нанесения на указанную первую сторону 12 основания 12 материала, который имеет больший угол θ контакта с жидким рабочим телом 3 по сравнению с материалом выступов 11 (и по усмотрению остальной части основания 12), т.е. первая сторона 12 является отталкивающей для рабочего тела 3. Таким образом, когда покрытие 15 также является отталкивающим для рабочего тела 3, выступы 11 по усмотрению могут быть расположены ближе друг к другу, как показано на фиг. 3c.
Следует принять во внимание, что когда само основание 12 является непроницаемым для рабочего тела и имеет однородный участок (не показано), а выступы 11 выступают только от сектора этого участка, необязательно весь этот участок должен быть покрыт указанным отталкивающим материалом, т.е. указанным отталкивающим материалом может быть покрыт только указанный сектор вокруг каждого из выступов 11, в частности между соседними выступами 11.
Ниже со ссылкой на фиг. 1b и 4 приведено описание дополнительной внутренней направляющей конструкции 18 для рабочего тела 3.
2
Направляющая конструкция 18, расположенная в резервуаре 2, улучшает течение рабочего тела 3 в направлении второй стороны 12 основания 12. Следовательно, направляющая конструкция 18 для направления рабочего тела имеет надлежащие характеристики смачивания по отношению к рабочему телу 3. Если в качестве рабочего тела 3 используется индий, направляющая конструкция 18, к примеру, покрыта слоем 19 тантала. Тантал можно наносить с помощью процесса в газовой фазе, подобного нанесению CVD-покрытия, для формирования слоя 19, который проникает в материал бака, образуя неотделимый поверхностный сплав в нанодиапазоне. Такой танталовый слой 19 имеет кристаллические свойства, значительно улучшающие характеристики смачивания индия на стенках резервуара 2.
2
2
Для улучшения пассивного течения рабочего тела 3 из резервуара 2 к эмиттеру 4 направляющая конструкция 18 содержит смачиваемые направляющие перегородки 20, также именуемые ребрами, которые расположены в резервуаре 2. Эти ребра 20 направляют рабочее тело 3 или непосредственно к указанной второй стороне 12 основания 12 эмиттера 4, или через дополнительную центральную смачиваемую подающую трубу 21 (фиг. 1b) направляющей конструкции 18, которая сама соединена с указанной второй стороной 12 основания 12.
Направляющая конструкция 18 также препятствует непреднамеренному движению рабочего тела внутри резервуара 2, когда рабочее тело 3 поддерживается в жидком состоянии.
Настоящее изобретение не ограничено до тех частных вариантов осуществления, которые подробно описаны в настоящем документе, и распространяется на все их разновидности, комбинации и модификации, соответствующие объему приложенной формулы изобретения.