`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Турбины по технологии MEMS

0 
 

Идея создания миниатюрной турбины возникла у Алана Ипстайна (Alan Epstein), директора упомянутой лаборатории, давно -- лет 10 назад. Постепенно воплощая ее в первые экспериментальные образцы, исследователи одновременно вели поиск области применения подобных устройств. Сначала показалось интересным заняться проектированием миниатюрных разведывательных самолетов для американской армии, но затем стало ясно: мощные и компактные источники питания для мобильной техники сегодня гораздо более актуальны. И снова первым заказчиком новинки и спонсором разработок оказалось министерство обороны США.

Турбины по технологии MEMS
Кремниевая пластина с заготовками роторов
Турбины по технологии MEMS
Ротор микротурбины диаметром 4 мм
Турбины по технологии MEMS
Топливный клапан для MEMS-турбины
Турбины по технологии MEMS
Разрез MEMS-турбины
Турбины по технологии MEMS
Компрессор микротурбины диаметром 4 мм
Турбины по технологии MEMS
Микротурбонасос: ротор турбины (внешняя крыльчатка) и насос (внутренняя)
Турбины по технологии MEMS
Четырехполюсный магнитный статор для ротора диаметром 4 мм
Турбины по технологии MEMS
Пленочный датчик температуры и количества оборотов
"Турбина на чипе" сможет работать около девяти или десяти часов на объеме дизельного топлива, который умещается в баке размером с батарейку формфактора D, и вырабатывать при этом до 20 ватт электроэнергии. Да-да, обычная солярка при сжигании выделяет в несколько десятков большую (в пересчете на единицу объема) энергию, чем литий-ионный аккумулятор: 13200 Вт•ч/кг против 1400 Вт•ч/кг.

Для начала вспомним основные элементы конструкции обыкновенной турбины. Она состоит из компрессора, камеры сгорания и ротора. Компрессор и ротор располагаются на общей оси и, грубо говоря, представляют собой совершенные вентиляторы. Воздух нагнетается внутрь турбины через впускное отверстие с помощью вращающихся лопастей компрессора. Затем сжатый воздушный поток попадает в камеру сгорания, где распыляется и поджигается топливо, например керосин. Образовывается выхлоп, который за счет особенностей конструкции камеры сгорания направляется в сторону лопастей ротора.

С точки зрения физических процессов препятствий для миниатюаризации нет -- законы термодинамики инвариантны относительно размеров. Этого нельзя сказать о гидродинамике и механике. Вязкость жидкости и турбулент-ность начинают играть существенную роль в микроскопических системах. Границы размеров для турбины определяются возможностями выбранной технологии производства.

Детали микротурбины изготовляются с помощью фотолитографии на отдельных кремниевых пластинах. Потом их прецизионно стыкуют и "склеивают" под воздействием высоких температур. Площадь одного устройства составляет около 1--2 см2, и на одной стандартной пластине диаметром 200--300 мм одновременно формируется множество одинаковых компонент. На фотографиях вы можете видеть образец турбины с ротором диаметром 4 мм и длиной лопастей 200 микрон. Готовое устройство состоит из пяти-шести кремниевых слоев. Чтобы освободить ротор, его "вытравливают" с обеих сторон: сначала пластину обрабатывают отдельно, а затем приклеивают ее лицевой стороной к общему пакету и уже с другой стороны дотравливают перемычки.

Конечно же, на бумаге все выглядит просто, на деле же создатели микротурбин столкнулись с множеством проблем. В частности, изготовление углубления в тысячи микрон с помощью литографических технологий -- задача весьма непростая. С одной стороны, даже самые "скоростные" методы травления не в состоянии обеспечить производительность выше 1 микрона в минуту, а с другой -- они имеют довольно низкую точность.

Чтобы достичь плавного тока воздуха, необходимо скруглять все поверхности и внутренние полости турбины. Отклонение от оптимальной формы выливается в снижение и так невысокого КПД. Так, если впускное отверстие имеет диаметр 2 мм, уход от правильного угла кривизны приводит к потере 5% эффективности компрессора. К сожалению, в вертикальном направлении (по отношению к плоскости пластины) стандартным литографическим способом невозможно воспроизвести криволинейные поверхности. Поэтому приходится идти на компромисс, искать новые решения, например вводить ступенчатость. Оригинальный выход из этой ситуации был найден благодаря полутоновой литографии.

С другой же стороны, литографическая технология позволила реализовать интересную схему подачи топлива: через 90 абсолютно одинаковых отверстий топливо впрыскивают в непосредст-венной близости от впускного воздушного канала. Таким образом без дополнительных систем получается достаточно однородная воздушно-топливная смесь. Поджиг осуществляется нагревательным элементом. Выбирая источник энергии, исследователи остановились на водороде, который более всего подходит для экспериментальной установки. Этот газ отличается энергоемкостью, высокой скоростью сгорания (в пять раз большей, чем метан и пропан) и широким диапазоном условий для воспламенения.

Чтобы роторы турбины и компрессора смогли вращаться, их необходимо снабдить осями и подшипниками. К сожалению, возможность применения магнитного крепления отпала вследствие несовместимости современных магнитных материалов с высокотемпературным режимом работы микротурбины и отсутствия промышленно развитых технологий для их обработки в микромасштабах. В результате была создана комбинированная система из гидростатического и гидродинамического подшипников скольжения. В статическом давление нагнетается внешним источником, и оно остается стабильным, а в динамическом -- изменяется вместе со скоростью вращения ротора турбины (ею и нагнетается).

Центробежная сила, стремящаяся сдвинуть ротор в направлении, перпендикулярном к его оси, контролируется за счет гидродинамического цилиндрического подшипника скольжения. Давление между краем камеры и ротором создается за счет его вращения и растет вместе с оборотами турбины. В направлении, параллельном оси, ротор удерживается на месте с помощью двух цилиндрических выступов, которые имеют как спиральные борозды (гидродинамический подшипник), так и ряд миниатюрных сопел-отверстий диаметром 12 микрон каждое (гидростатических подшипников). По результатам расчетов, при наличии 700-микронного выступа-основания со спиральными бороздками глубиной 1,5 микрона ротор должен "воспарить" над ним уже при 80 000 оборотах в минуту.

Проблематичным оказалось тестирование микроскопических устройств. Фактически необходимо создавать не менее сложную, нежели турбина, аппаратуру для контроля за потоками внутри нее. Для отработки технологии ученые изготовили пробный компрессор, который в 75 раз превосходит по своим размерам микротурбину (хотя обычно все происходит наоборот, и теорию отрабатывают на уменьшенном в несколько раз прототипе).

Любопытно, что микронный масштаб турбины позволяет добиться невозможной для "макротехнологий" удельной мощности. Отношение мощности к массе микротурбины может достигать 100:1. Причиной этого является различие в зависимостях объема (и, соответственно, массы) и площади сечения от линейных размеров. Если первая -- кубическая, то вторая квадратична.

Эффективность миниатюрной камеры сгорания приблизилась к 100%, что соответствует значениям, полученным в полноразмерных системах. Температура выхлопа достигает 1800 K. Проводились тесты с этиленом и пропаном, которые показали по сравнению с водородом снижение КПД до 90% и 60% соответственно. Для таких видов топлива требуются камеры сгорания большего объема, нежели использовавшаяся во время эксперимента. Для повышения эффективности камеру изнутри выстилали покрытой платиной никелевой фольгой -- катализатором. Это в несколько раз увеличило теплоотдачу при использовании пропана (по сравнению с обычной конфигурацией).

Для нормальной работы турбины требуются управляющие схемы, отслеживающие частоту вращения ротора, давление, температурный режим и поступление топлива. Сложность заключается в необходимости разместить данные схемы в непосредственной близости от рабочей камеры турбины, а в столь микроскопической системе практически отсутствует температурный градиент. Таким образом, электроника и датчики будут нагреты едва ли не до температуры выхлопа (с учетом наличия систем охлаждения -- до 600 K). Пришлось датчики оборотов и температуры изготовить из поликристаллического кремния, устойчивого к нагреву.

Клапаны для подачи топлива (газообразного в данном случае) в опытной установке имеют диаметр 1 мм и открываются с помощью электростатических сил, а захлопываются за счет действия специальных кремниевых пружин и гидродинамических сил.

Стоит отметить необычную конструкцию электрогенератора турбины, ведь электрический контакт с ротором невозможен. Поэтому непроводящий ротор покрыли микронным слоем вещества с низкой проводимостью, на которое через воздушный зазор (2--3 микрона) "проецируется" электрическое поле статора. На поверхности статора сформировано множество проводящих полос шириной 4 микрона, ориентированных параллельно оси ротора и, следовательно, перпендикулярно плоскости его вращения. Полярность каждого проводника статора динамически контролируется управляющей электроникой, и в зависимости от соотношения между частотой переключений и частотой вращения ротора система функционирует как мотор, тормоз или генератор. Максимальное напряжение и частота генерации ограничены возможностями управляющих схем на уровне 300 В и 2 MHz.

Однако рассмотренное выше решение имеет существенный недостаток: при столь малом зазоре между краем ротора и статором начинают действовать силы вязкости, которые снижают КПД генерации до 40--50%. Поэтому группа исследователей взялась за проектирование магнитной системы и добилась определенных успехов. Использование четырехполюсного статора и магнитного ротора привело к росту КПД до 60%. Но магнитные материалы чувствительны к высоким температурам, и даже специально подобранные составы теряют свои свойства при 500 К. Есть надежда, что в ближайшем будущем удастся разработать материалы, устойчивые вплоть до 800 К.

"Всего больше" -- вот основной девиз строителей микротурбин. Большие температуры и давления, более высокая частота оборотов, более высокий КПД генерации. Препятствий для новых достижений все еще много. Одно из основных -- выбор материалов и ограниченные возможности технологии производства. Пока даже описанный выше примитивный турбогенератор существует в виде отдельных компонент, которые крайне сложно собрать в единое устройство, поскольку для этого потребуется с прецизионной точностью соединить 8 пластин.

Необходимо также компенсировать потери, связанные с подшипниками скольжения: в случае использования подшипника оси они достигают 8%, что в десятки раз превышает допустимые для традиционных турбин значения. Развитие тормозится длительным трехмесячным циклом "испытание--изменение--испытание": для внесения малейших корректив в конструкцию приходится изготавливать новую турбину. Порой некоторые незначительные усовершенствования требуют разработки оригинальных производственных технологий.

По мнению Ипстайна, наиболее перспективной областью применения микротурбин являются микрогенераторы и микросамолеты. В американском Министерстве обороны уже думают об оснащенных MEMS-турбинами самолетах массой 100 г. Есть и концепция аппарата наподобие пресловутых "летающих тарелок" -- вся его нижняя поверхность будет представлять собой массив миниатюрных турбореактивных двигателей. Учитывая отличное соотношение масса/мощность, микротурбины обеспечат такому устройству потрясающую динамику.

Кроме того, кластеры электрогенерирующих чипов можно использовать для обеспечения электроэнергией более габаритной автономной техники или в бытовых целях.
0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT