Группа исследователей из России, Нидерландов и Германии разработала новый вид микродвигателя. Крохотная силовая установка сжигает водород и кислород и может использоваться в перспективных микросистемах.

В настоящее время ученые и инженеры из разных стран создают все больше миниатюрных устройств, например роботов-насекомых или крошечных насосов для микрофлюидных чипов. Однако до сих пор главной проблемой таких устройств остается надежный и мощный источник питания – современные аккумуляторы слишком тяжелые и имеют слишком малую емкость, чтобы их можно было рассматривать в качестве надежного источника питания.

Одним из возможных решений является использование крошечных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), однако и без того невысокая эффективность ДВС при уменьшении размеров еще больше снижается. Новая разработка, похоже, решает эту проблему, хотя до сих пор разработчики не могут до конца понять принцип работы их изобретения.

Микродвигатель внутреннего сгорания, принцип работы которого еще не до конца понятен, может стать силовой установкой для медицинских роботов и крошечных механических насекомых

Двигатель устроен очень просто: через крошечную барокамеру с гибкой мембраной на одном конце и электродами внутри проходит трубка с соленой водой. При подаче тока происходит процесс электролиза с образованием микропузырьков. Это увеличивает давление в барокамере на величину от 0,5 до 4 бар, в результате чего мембрана выгибается наружу приблизительно на 1,4 мкм на время от 100 до 400 микросекунд. Выключение тока прекращает электролиз, и мембрана возвращается в свое первоначальное положение, причем гораздо быстрее, чем в момент выгибания наружу. Ученые подозревают, что дополнительная энергия образуется в процессе сжигания водорода с образованием молекулы воды. Быстрое движение мембраны можно использовать в качестве привода силовой установки.

Новый микродвигатель имеет размеры всего 100×100×5 микрон и сделан с использованием кремниевых пластин, покрытых слоем нитрида и платиновых электродов. Мембрана является частью пластины и сделана с помощью процесса травления.

Микродвигатель, в разработке которого принимали участие ученые из Ярославского филиала Физико-технологического института РАН, для своего крошечного размера производит большой крутящий момент и может служить силовой установкой для очень маленьких устройств. МикроДВС может применяться в устройствах, которые должны выполнять физическую работу (например перекачивать жидкости) или передвигаться (например внутри кровеносных сосудов человека).

В настоящее время ученые изучают принцип работы двигателя и пытаются определить, можно ли создать аналогичные ДВС еще меньшего размера.

Ученые показали, что создание микродвигателя внутреннего сгорания возможно — Газета.Ru

Ученые из Ярославского филиала Физико-технологического института (ЯР ФТИАН) РАН изучают механизм спонтанной реакции между водородом и кислородом в нанопузырьках, образованных путем электролиза воды при комнатной температуре. Принципиальное понимание этого процесса позволит построить быстрый и сильный микродвигатель. Работа ученых опубликована в журнале Scientific Reports. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

«Для ноутбуков и прочих мобильных устройств мы используем электрохимические батареи, в которых запасено энергии в десятки раз меньше, чем в любом автомобильном топливе того же объема. Почему же мы не применяем микродвигатели внутреннего сгорания для гаджетов? Фундаментальная проблема в том, что реакции горении гаснут в малых объемах из-за быстрого ухода тепла. В нашем проекте мы предлагаем решение этой проблемы», – комментирует исследование руководитель гранта РНФ, кандидат физико-математических наук Виталий Световой.

В своей работе ученые наблюдали горение водородно-кислородной смеси в микропузырьках (размером 40 микрон), которые образуются путем слияния нанопузырьков при специальном режиме электролиза воды. Этот процесс горения, протекающий при комнатной температуре, имеет взрывной характер и сопровождается ясно слышимым звуком. Механизм этой спонтанной реакции в нанопузырьках пока точно не установлен, однако ученые в своей работе детально изучают этот процесс. Исследователи связывают возможность горения с поверхностью, роль которой возрастает для малых объемов.

«Конечная цель нашего проекта — создание компактного, но обладающего достаточной удельной мощностью микронасоса, который может служить двигателем, например, для анализа крови на микрочипах или подобных устройствах медицинской направленности. Не в каждом медицинском кабинете или в полевых условиях имеется компрессор, позволяющий нагнетать давление. Энергию взрыва пузырьков в рабочей камере насоса можно использовать для толкания жидкости по микроканалам», — объясняют ученые.

Микродвигатель внутреннего сгорания

Интернацональная группа, в составе которой находятся ученые из Голландии, Германии и России, произвела принципиально новый микродвигатель, функционирование которого происходит при помощи реакций горения, окисления и водорода. Издание Scientific Reports опубликовало работу, в которой научные сотрудники разъясняют принципы действия нового микродвигателя внутреннего сгорания и детально показывают перспективы применения инновации, которую можно будет использовать при создании сложных электрическо — механических микросистем и микромашин.

В последнее время тенденция миниатюризации разнородных устройств увеличивается — от электроники до нано и микро — систем. Многим из данных микромеханизмов для произведения работы необходимо наличие маленького, но мощного двигателя. Как ни прискорбно, область создания таких двигателей не успевает за стремительным развитием иных областей, а нынешние двигатели, функционирующие за счет применения статического электрического заряда не могут обеспечивать нужные показатели мощности.

Использование типичных двигателей внутреннего сгорания может быть выходом из сложившегося положения, однако, однозначно и уверенно об этом заявить нельзя, поскольку всё зависит от габаритов двигателя: чем они меньше, тем ниже производительность, потому для создания двигателей внутреннего сгорания необходимы новые решения.

Конструкция микродвигателя достаточно проста. Представьте маленькую камеру, у которой гибкая мембрана является одной из сторон. Полость камеры наполнена соленой водой, через которую проходят небольшие электроды — проводники. Впоследствии подачи на электроды требуемого электрического потенциала, начинается процесс электролиза, который состоит в расщеплении воды на кислород и водород. В случае достижения в камере нужного давления, равного 3.5 атмосфер, гибкая мембрана, которая выполняет главную функцию поршня двигателя, изгибается наружу на расстояние, равное 1,4 микрона. После этого электрический потенциал снимается, а давление в камере понижается, позволяя мембране возвратиться в исходное положение.

Наиболее интересным моментом является возврат мембраны к изначальному состоянию — это происходит намного быстрее данных, которые показывают предварительные расчёты. Исследователи полагают, что это происходит из-за самовоспламенения атомарного водорода в кислородной среде (он сгорает и вновь превращается в воду). На сегодняшний день, к сожалению, ученые не имеют возможности изучить процессы, происходящие внутри камеры двигателя — поэтому им приходится руководствоваться исключительно собственными предположениями.

Габаритные размеры нового микродвигателя — 100 х 100 и на 5 микрон. Конструкция двигателя состоит из кремниевой подложки, в которую заключается гибкая мембрана (на её поверхности произведены электроды из обогащенного азотом кремния, а также платины). Малые размеры двигателя не мешают его высокой мощности, абсолютно достаточной для приведения в действие двигательного механизма большинства микроустройств и совершения работы, направленной на перекачивание жидкости.

микродвигатели для авто- и авиамоделей

Генеральный директор компании «Мастер Моторс» Анатолий Булгаков вспоминает, с чего все началось. В детстве он увлекался авиамоделизмом и через «Посылторг» (советская версия AliExpress) купил себе авиамодельный двигатель МК-16, мечту мальчишек, зачитывающихся «Юным техником» и «Моделистом-конструктором». Анатолий собрал к тому времени кордовую модель самолета «По-2» и рассчитывал ее запустить. Но, сколько ни пытался, двигатель не завелся, и Анатолий сильно расстроился. И дал себе слово, что, когда вырастет, будет делать такие двигатели, которые всегда будут заводиться.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Мастер и Маргарита

Прошло много лет, Анатолий Булгаков закончил МАДИ по специальности «двигатели внутреннего сгорания», попал по распределению в Ярославль, и в 1988 году, когда разрешили создавать кооперативы, вспомнил детскую мечту и задумал создать кооператив по производству модельных микродвигателей. Тем более что тема ему была хорошо знакома с детства. Пошел по кружкам технического творчества, нашел группу энтузиастов, скинулись деньгами, и в 1988 году основали кооператив «Мастер». Почему «Мастер»? «Мне хотелось, чтобы у нас работали только мастера своего дела, а с другой стороны, фамилия у меня Булгаков, – смеется Анатолий. – Так что если когда-нибудь появится дочерняя фирма, то будет «Маргарита»». Это была большая авантюра, так как в том же году в стране начались экономические проблемы. Людям стало не до модельных двигателей: денег не хватало на еду. Отечественные заказы прекратились, но тут Булгаков встретился с представителями французской компании, торгующей товарами для хобби. Увидев образцы продукции «Мастера», они в 1992 году приехали в Ярославль, побывали на производстве и заключили контракт. И следующие 13 лет «Мастер» занимался в основном экспортом: на внутренний рынок шло всего 2–3%. С 1988 по 2005 год под разными брендами во Францию, Германию, США было продано около 80 тыс. микродвигателей. В Ярославле микродвигатели не только производили, но и разрабатывали. Наши двигатели становились чемпионами Франции, занимали призовые места на чемпионатах Европы. Тем временем на мировом рынке появились китайцы, которые стали продавать свою продукцию значительно дешевле российской, и в 2005 году в «Мастере» тему закрыли и переключились на работу с крупными ярославскими предприятиями. Но мечта у Анатолия осталась.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В 2015 году доллар вырос, и в России опять стало выгодно производить такую продукцию. Ежегодно в страну завозилось около 50 тыс. двигателей для моделизма. Было решено возобновить производство и возродить компанию под именем «Мастер Моторс». Для снижения издержек пошли по пути западных компаний и вынесли цех из города в поселок Семибратово в полусотне километров от Ярославля. В это время государство начало поддерживать детское техническое творчество: наконец пришло понимание, что без внимания к этой сфере через несколько лет в стране просто не останется инженеров.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

К концу 2015 года в отремонтированном здании «Мастер Моторс» выдал первую законченную деталь, а к маю 2016 года семь моделей, оснащенных двигателями компании, приняли участие в чемпионате мира в Австралии. О продукции «Мастер Моторс» узнали за пределами России, и пошли заказы из других стран. Нашим двигателям стали отдавать предпочтение спортсмены из десятков стран. Но сначала требовалось обеспечить микродвигателями организации технического творчества в России – только этот рынок потреблял до 2000 двигателей ежемесячно. Ну и постепенно компания собиралась вернуться на западные рынки.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

С земли в небо

Если в 1990-е годы главной продукцией «Мастера» были автомодельные двигатели, то сейчас «Мастер Моторс» выпускает авиадвигатели. На взгляд дилетанта, разницы никакой. Но различия принципиальные, обусловленные условиями эксплуатации. С одной стороны, авиамодельный двигатель требует меньшего размера радиатора, поскольку предназначен для полетов. С другой стороны, надо учитывать, что набегающим потоком сильнее охлаждается передняя часть. А ведь деформация на несколько микронов приводит к резкому увеличению или уменьшению трения поршня. А так как колец нет, а компрессия происходит за счет очень точного сопряжения деталей, начинают «гулять» мощность и количество оборотов. Автомодельный двигатель работает, как правило, в капотированном режиме с резко изменяемыми нагрузками. И требования к крутящему моменту на валу тоже разные. На автомобильных моторах он должен быть больше, потому что привод идет на колеса. Не столько важны обороты, сколько момент на валу. А он зависит от диаметра поршня и его хода.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Сейчас «Мастер Моторс» выпускает два типа одноцилиндровых двигателей – дизельные и с калильным зажиганием. Услышав слово «дизель», я встрепенулся: такой сложный двигатель можно уменьшить? Оказалось, так во всем мире называют компрессионный двигатель типа советских МК-12 и МК-16, в котором топливовоздушная смесь воспламенялась от сжатия. Топливом в нем служила смесь этилового эфира, минерального масла и керосина примерно в равных пропорциях. Кстати, самым лучшим авиамоделисты считают осветительный керосин. Двигатели с калильным зажиганием, где воспламенение топливовоздушной смеси происходит в конце такта сжатия от предварительно разогретой калильной головки, выигрывают за счет простоты и непревзойденной компактности, но они несколько дороже. Зимой калильный двигатель завести быстрее. С другой стороны, для запуска дизеля достаточно просто несколько раз провернуть винт, не надо раскалять калильную головку. В общем, есть сторонники и тех и других моторов. Но из-за применения эфира во многих странах, например в США, дизельные двигатели запрещены. В России тоже достать эфир довольно проблематично, хотя запретов на компрессионные двигатели нет. Хотя тот же метиловый спирт, который входит в состав топлива для калильных двигателей, тоже просто так в магазине не купишь.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Работают в «Мастер Моторс» очень быстро – от чертежа до металла проходит около месяца. Еще месяц на доводку. Летчиками-испытателями служат члены московского авиамодельного клуба «Школа высшего спортивного мастерства «Высота»», спортсмены мирового уровня. Все их замечания мгновенно учитывают на производстве. Опытные образцы микродвигателей проходят самые тщательные и взыскательные испытания. Несмотря на то что принципиально авиамодельные двигатели не изменились со времен МК-12, это совершенно иные моторы. Появились совсем другие материалы: например, если раньше для поршней использовался чугун, то сейчас – современные алюминиевые сплавы. Очень сильно увеличилась точность изготовления. Например, уплотнительные кольца в двигателе отсутствуют за счет очень точного сопряжения поверхностей гильзы и поршня. Причем на поршне и гильзе есть конус, и в верхней точке они замыкаются почти намертво. Поэтому они должны быть произведены с ювелирной точностью: 5 микрон для них очень грубо. На «Мастер Моторс» есть даже отдельные специалисты, которые занимаются только притиркой пары «поршень – гильза» для микродвигателей, предназначенных для спорта высоких достижений.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Гибридные мечты

Еще в далеком 1999 году в компании была разработана первая в мире гибридная автомодельная трансмиссия. Что она собой представляла? Двигатель, приводящий во вращение генератор, с которого электричество раздается на мотор-колеса, как в гигантском БелАЗе. Высокооборотистый модельный микродвигатель (25–35 тыс. оборотов в минуту) позволяет сделать очень маленький генератор. К сожалению, тогда на эту разработку не нашли инвесторов. Но идея не умерла. Сейчас разрабатываются портативные ранцевые электростанции мощностью 1–3 кВт, где будут стоять его высокооборотистые двигатели. «Такая мощность в одних руках!» – мечтает Анатолий Булгаков.

В ближайшее время «Мастер Моторс» планирует выйти на выпуск 2000 двигателей в месяц. На сегодняшний день микродвигатели компании становились чемпионами страны, Европы и мира. Их покупают почти во всех странах земного шара, где есть авиамодельный спорт. А сам Анатолий мечтает о новых современных станках, которые позволят ему делать и вовсе невероятные вещи. Прощаясь, спрашиваю напоследок: «А почему в детстве двигатель не завелся?» «Так там между поршнем и гильзой можно было палец засунуть», – смеется Булгаков.

девайс микро — эффект макро — «Хакер»

Конструкция роторного двигателя внутреннего сгорания изумительно проста: чтобы объяснить принцип его работы не потребуется и 5 минут, однако сама идея, прежде чем воплотиться в своей простой форме, «вызревала’ практически четыре столетия. Впервые мысль о подобном механизме зародилась еще в 16 столетии, но лишь в 1957 г. идея роторного мотора была полностью реализована в двигателе внутреннего сгорания, получившего название по имени гениального немецкого инженера Феликса Ванкеля, все труды и изобретения
которого так или иначе связаны с моторами.

И вот уже в начало 21 века, прогресс не стоит на месте, ученые университета Беркли
(Калифорния) из Micro-Rotary Combustion Lab (MRCL) создают миниатюрные источники энергии, которые будут минимум в 10 раз более энергоёмкими, чем традиционные источники питания (литиевые или щелочные батареи). Это новая «портативная энергетическая система» будет снабжена роторным двигателем внутреннего сгорания (двигателем Ванкеля — ДВС). Уже существует и проходит испытания самый маленький роторный двигатель в мире. Размером в однопенсовую монету, «мини-двигатель«
сможет вскоре заменить электрические батарейки как более эффективный портативный источник питания для любых устройств
— от портативных компьютеров до цифровых камер. Данный двигатель является первым в мире в своем классе способным снабжать энергией
потребителя в непрерывном режиме. Однако данный технологический прорыв можно рассматривать лишь как первый шаг по направлению к созданию «микродвигателя» объемом в 1000 раз меньшим — размером приблизительно с одну из букв однопенсовой монеты, который расширяет границы использования ДВС.

Толчком к исследованиям явился тот факт, что жидкое углеводородное топливо имеет приблизительно в 50 раз большую энергоёмкость (энергия/вес), чем у традиционных электрических батарей. Это означает, что портативный источник энергии, использующий двигатель с 20% к.п.д. (двигатель автомобиля имеет к.п.д 30 %), вместе с ёмкостью для топлива, весил бы примерно столько же, сколько и традиционная батарейка, но имел бы энергоёмкость по крайней мере в 10 раз выше (!).

Энергия, производимая двигателем, является результатом управляемого горения. Подобно процессам в обычном ДВС, топливно-воздушная сгораемая смесь преобразует химическую энергию топлива. В противовес традиционным автомобильным двигателям, где горение происходит внутри камеры сгорания, роторный двигатель имеет плоскую (планарную) конструкцию с камерой имеющей форму приплюснутого овала и треугольным ротором. Ротор делит камеру на три камеры, где и происходит сгорание топлива. Горячие газы, производимые двигателем, толкают ротор, который приводит во вращение ось ротора. Эта ось может быть присоединена к электрическим или механическим приводам силового агрегата, для выработки либо механической, либо электрической энергии.

Изготовленный из стали методом электроэрозионного фрезерования (Electro-Discharge machining,
EDM), двигатель имеет мощность до 4 Ватт, достаточную для снабжения электричеством фары. В ближайшее время исследователи планируют улучшить характеристики этого двигателя с целью повышения его мощности до 30-60 Ватт, требуемой для питания портативного компьютера. Усилия разработчиков направлены на улучшение уплотнений, модификацию ротора и картера, а также улучшения технологичности всего изделия. В качестве топлива в настоящее время используется водород, но в будущем будет использованы углеводородные типы топлива, такие как бутан. В процессе разработки двигателя, исследователи разработали всё вспомогательное оборудование, необходимое для тестирования двигателя и подобное испытательным стендам для традиционных ДВС. «Минидвигатель» имеет применение в качестве распределенного источника энергии для электронных устройств, когда он работает в паре с электрогенератором, или напрямую обеспечивая механической энергией миниатюрные устройства, например такие, как насосы, компрессоры, роботы или мини летательные аппараты.

В долгосрочные планы коллектива университета Беркли входят разработка «микро роторного» двигателя из керамических материалов размером несколько миллиметров и мощностью приблизительно в 30 милливатт (примерно такой же, как и у щелочной батарейки). Процесс производства этих «микродвигателей» уже готов. Технология, используемая для изготовления «микродвигателей» была разработана на основе технологий производства MEMS – микроэлетромеханических систем. MEMS использует технологии интегрированной печатной индустрии для изготовления механических устройств. Она комбинирует преимущества миниатюризации с массовостью производства и низкой стоимостью характерными для производства процессоров. Индустрия MEMS производит коммерческие устройства от датчиков автомобильных подушек безопасности до оптических микропереключателей для цифровых видео проекторов. Двигатель рассматриваемого размера мог бы производить приблизительно 30 милливатт мощности, используя при этом только 1/1000 унции топлива для двух часов работы.

Двигатель такого размера не только требует минимального количества топлива для работы, но и производит такое же минимальное загрязнение окружающей среды. В случае с «микродвигателем«, необходимо было бы более 100 таких «микродвигателей» для производства такого же количества CO2 , кое вырабатывает один человек.

В процессе разработки «микродвигателя» имеется ряд сложностей для достижения требуемой точности, контроля за термодинамическими параметрами горения и уменьшения тепловых потерь, дозирования и подвода топлива и воздуха и ряд других. Эти проблемы в настоящее время исследованы и решены с использованием уникальных конструкторских и технологических решений.

Этот проект финансируется DARPA (Defense Advance Research Project Agency). DARPA финансирует передовые исследования, результаты которых будут востребованы в будущем. Американское правительство смогло бы использовать портативные энергетические установки для уменьшения веса солдатского снаряжения, так же в энергетических установках микро разведывательных аппаратов или снабжения энергией
удаленных (выносных) датчиков. Коммерческое использование включает в себя портативные электронные устройства, такие как переносные компьютеры, сотовые телефоны, диктофоны и т.п.

Ссылки:

Home

Удивительный микродвигатель внутреннего сгорания | Наука 21 век

Ученые из России, Нидерландов и Германии разработали микродвигатель нового типа – он работает на сгорании кислорода и водорода. В статье, представленной в журнале Scientific Reports, они описывают процесс строительства микродвигателя, принципы его работы и его значение для микросистем будущего.

Чем меньше становятся электронные устройства, тем сильнее ощущается нужда в миниатюрных двигателях – но научная разработка последних идет с черепашьей скоростью. Микродвигатели на силах электростатического взаимодействия слишком маломощны, а КПД традиционных двигателей внутреннего сгорания падает по мере их уменьшения. Но, кажется, новый двигатель внутреннего сгорания решает многие из этих проблем – только сами авторы изобретения не очень понимают, как оно работает.

Двигатель очень прост. Ученые соорудили крошечную камеру высокого давления, на одном конце которой размещалась гибкая мембрана; а потом поместили внутрь провода, проложенные в растворе соленой воды. Если пустить по проводам ток, водород и кислород в воде диссоциируют в мельчайшие пузырьки (т.е., произойдет электролиз). Этот процесс поднимает давление в камере (примерно до 3,6 бар), заставляя мембрану выгибаться (примерно на 1,4 микрона). Отключение электричества возвращало мембрану в исходное состояние, но одной распыляемой мощности явно недостаточно, чтобы объяснить высокую скорость возвратного движения. Ученые подозревают, что газ мог снова превратиться в молекулы воды. Так или иначе, быстрый «ход» мембраны туда-сюда может использоваться в качестве силового механизма – то есть двигателя.

Что примечательно, габариты нового микродвигателя – всего 100х100х5 микронов. Изготовили ее из кремниевых пластин, покрытых слоем нитрида кремния и платиновыми электродами. Мембрана была частью пластины — ее выгравировали на задней части пластины.

Для своего размера микродвигатель выдает очень большой крутящий момент; именно поэтому он может стать основой крошечных устройств, которые будут или осуществлять движение (закачивать жидкость, например), или перемещаться сами (например, внутри кровеносных сосудов). Изобретатели двигателя и другие ученые, безусловно, будут продолжать выяснять принцип его работы и прикидывать, насколько его можно миниатюризировать.

Микродвигатель представлен в журнале Scientific Reports.

По материалам Phys.org.

Артём Космарский nauka21vek.ru

Конструкция микросхемы. (a) Кремниевая пластина с верхним слоем SiRN соединена со стеклянной пластиной. (b) Оптическое изображение камеры в устройстве. Мембрана (окрашена зеленым) вырезана не до конца; в норме она совпадает с камерой по размеру. По расположенными в центре электродами виден датчик температуры (из поликристаллического кремния). (с) Общая конструкция микросхемы: входы/выходы, удлиненные каналы и шесть столбиковых вывода (два для электродов и четыре для датчика). (d). Полностью функциональное устройство, приклеенное к блоку управления, запечатанное, с проволочным монтажом. 

Ю. Неелов: В России будет налажено производства отечественных микродвигателей для авиамоделизма

Председатель Комитета Совета Федерации по экономической политике Юрий Неёлов проинформировал Совет палаты о выполнении поручения Председателя Совета Федерации Валентины Матвиенко, касающегося налаживания эффективного импортозамещения в сфере производства отечественных микродвигателей и двигателей для авиамоделизма.

Председатель Комитета Совета Федерации по экономической политике Юрий Неёлов проинформировал Совет палаты о выполнении поручения Председателя Совета Федерации Валентины Матвиенко, касающегося налаживания эффективного импортозамещения в сфере производства отечественных микродвигателей и двигателей для авиамоделизма.

Вопрос о том, что отсутствие их производства существенно сдерживает детское творчество, был поднят на парламентских слушаниях на тему «Об общенациональной стратегии развития воспитания в Российской Федерации», которые прошли в СФ 13 апреля 2015 года. В связи с этим было дано протокольное поручение Совета палаты проработать с Министерством промышленности и торговли вопрос о перспективах промышленного производства микродвигателя марки «Феникс».

В ходе проработки вопроса выяснилось, что производством микродвигателей с 1988 по 2005 годы занималась ярославская фирма «Мастер», специализирующаяся также на металлообработке. За 17 лет было выпущено более 40 модификаций двигателей внутреннего сгорания объемом от 1,5 куб.см до 15 куб.см, общий выпуск превысил 80 тысяч изделий. Модели с двигателями «Мастер» неоднократно занимали призовые места на многих международных соревнованиях.

В 90-е годы, в связи с ухудшением экономического состояния населения, резким сокращением кружков авто-, судо- и авиамодельного спорта сократился спрос на высококачественные отечественные микродвигатели, что привело к сокращению их производства в России.

В 2000-е годы на их смену пришли более дешевые и худшие по техническим характеристикам китайские двигатели, хотя для развития технического творчества детей и подростков требуются современные отечественные разработки.

Фирма «Мастер» приняла решение возобновить производство микродвигателей после достижения договоренностей с ДОСААФ России о том, что такие двигатели будут использоваться в региональных кружках детского технического творчества и кружках спортсменов и любителей авто-, судо-, авиамодельного спорта.

С 1 декабря 2015 года планируется возобновить производство таких микродвигателей в количестве 10 тысяч двигателей в год. Уже выпущены опытные образцы, сообщил Юрий Неёлов.

Серийное производство таких двигателей будет способствовать прекращению импортозависимости в важной области развития технического потенциала молодежи России, будет способствовать развитию интереса молодежи к техническому творчеству, подчеркнул сенатор.

Новый тип микродвигателя, использующего внутреннее сгорание водорода и кислорода

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Мощное обещание загадочного нового микроскопического двигателя внутреннего сгорания

Двигатели сыграли решающую роль в индустриализации мира. Трудно придумать инновацию, которая оказала бы большее влияние.

Сегодня наблюдается тенденция к созданию более эффективных двигателей меньшего размера. Есть реактивные двигатели размером с кофейную чашку, приводящие в действие автономные летательные аппараты, и мощные электродвигатели, которые делают детские вертолеты более полезными, чем все, что было возможно всего 10 лет назад.

Но есть веские основания полагать, что двигатели внутреннего сгорания вряд ли в ближайшее время станут намного компактнее. Двигатели внутреннего сгорания становятся чрезвычайно неэффективными по мере их уменьшения, потому что тепло уходит быстрее. Это неизбежный результат того, что объем и площадь поверхности изменяются относительно друг друга по мере того, как объекты становятся меньше.(Тот же эффект является причиной того, что мышам трудно оставаться в тепле, в то время как слонам трудно остыть.)

Таким образом, большинство микродвигателей полагаются на другие эффекты для создания силы. Есть две основные категории: тепловые силы, которые имеют тенденцию быть медленными, и электростатические силы, которые имеют тенденцию быть слабыми. Что нужно, так это что-то более сильное и быстрое.

Сегодня Виталий Световой из Университета Твенте сказал, что они открыли совершенно новый механизм создания сил на микромасштабе, одновременно мощных и быстрых.И хотя они еще не полностью понимают этот механизм, они считают, что он основан на диссоциации воды на водород и газообразный кислород и его рекомбинации обратно в воду.

Эти ребята даже построили микродвигатель, демонстрирующий это явление. «Этот привод — первый шаг к действительно микроскопическим двигателям внутреннего сгорания», — говорят они.

Новый двигатель внутреннего сгорания принципиально прост. Он состоит из крошечной камеры, заполненной водой и содержащей пару электродов, подключенных к цепи.Прохождение тока через цепь заставляет воду диссоциировать на кислород и водород, которые затем образуют нанопузырьки.

Хотя эти пузырьки слишком малы, чтобы их можно было увидеть, объем газа резко увеличивает давление в камере, вызывая деформацию мембраны на одном конце. Это то, что порождает силу.

Когда ток прекращается, давление быстро падает. На самом деле так быстро, что исследователи не совсем понимают, почему. Это определенно слишком быстро для обычных процессов, таких как диффузия газа из камеры или растворение обратно в жидкость.

Но Световой и думают, что знают, что происходит. Их идея заключается в том, что при отключении тока водород и кислород в нанопузырьках самопроизвольно воспламеняются, превращаясь обратно в воду. Именно это сгорание и удаление газа приводит к такому быстрому падению давления.

Независимо от механизма, они применяют переменное напряжение / ток с частотой 50 кГц для создания своего двигателя. Это создает постоянный источник пузырьков для горения и вызывает возвратно-поступательную вибрацию мембраны, которую можно использовать для выполнения работы.Вуаля! Микроскопический двигатель внутреннего сгорания.

Это захватывающая разработка, которая обещает множество возможностей. Световой и компания не описывают какие-либо потенциальные области применения своих новых двигателей внутреннего сгорания, поэтому я оставлю это читателям MIT Technology Review . Идеи, пожалуйста, в разделе комментариев ниже.

Ссылка: http://arxiv.org/abs/1402.7101: Микродвигатель нового типа, использующий внутреннее сгорание водорода и кислорода

(PDF) Микродвигатель нового типа, использующий внутреннее сгорание водорода и кислорода

Увеличьте DT, чтобы найти

0

515 В

21

м

21

при T520uC и a50.024 К

21

.

Независимо a50.024 60.001 K

21

было определено по нашим образцам

с использованием внешнего нагрева. Температурная зависимость

тока Фарадея использовалась для извлечения информации об эффективной температуре

(см. Вставку на рис. 3b). Температура, определенная таким образом в

, ближе к максимальной температуре, чем к средней

, потому что наиболее значительный вклад в ток вносят

наиболее горячих областей вокруг электродов.Наши встроенные тепловые датчики

были недостаточно быстрыми, чтобы измерить изменение температуры на шкале времени

100 мс, предположительно из-за паразитных электрических эффектов.

Даже при очень высоком пересыщении гомогенное зародышеобразование

все еще является процессом активации. Нагревание увеличивает скорость зародышеобразования

, включая пузырьки, содержащие только газы H

2

или O

2

. Поскольку в камере появляется больше

непрореагировавшего газа, давление должно увеличиваться на

быстрее.Этот эффект отвечает за более быстрое, чем линейное увеличение d (t)

на Рисунке 3a. Аналогичное поведение должно наблюдаться при повышении внешней температуры

. Чтобы увидеть этот эффект, один чип был приклеен к плоскому резистивному нагревателю

и откалиброван с помощью термопары. Эта конфигурация

наблюдалась сверху. Результаты виброметра были эквивалентны

результатам, наблюдаемым снизу, за исключением случайного

рассеяния на микропузырьках, чаще появляющегося на низких частотах

или высоких токах.Результаты, показанные на рис. 4а, демонстрируют значительную зависимость отклонения

от температуры. Рассеяние на микропузырьках

видно как некоторая неровность кривой при T530uC.

Частота срабатывания. Динамику охлаждения наблюдал

, применяя две серии управляющих импульсов, разделенных временем задержки.

Прогиб мембраны показан на Рисунке 4b. Первая серия из

импульсов длительностью 100 мс нагревает систему. Вторая серия начинается

, когда температура рядом с электродами увеличивается, в результате чего

имеет больший прогиб, чем первая.Когда задержка между сериями импульсов

увеличивается, эффект исчезает. Тот же эксперимент

демонстрирует, насколько быстро мембрана может приводиться в действие, используя серию из

импульсов, разделенных во времени (см. Также дополнительный рисунок S4). Из наших данных

следует, что циклический режим работы с частотой срабатывания F

55 кГц возможен, и на этой частоте привод может создавать

избыточное давление на уровне 1 бар. Небольшое увеличение внешней температуры

может увеличить как частоту срабатывания, так и развиваемую силу

.Максимальный ход может быть достигнут для минимальной частоты возбуждения

около f520 кГц, однако для малых

f наблюдается деградация электродов

6

, а оптимальная частота возбуждения

зависит от прочности и выбора материала. Конечно,

срабатывание с частотой возбуждения F5f, 100 кГц также возможно

, но с меньшей амплитудой (давлением).

В заключение, результаты, представленные в этой статье, не только демонстрируют, что

демонстрирует быстрый и прочный актуатор, который можно применять в микрофонах microflui-

, позиционировании микро / нано или в компактных излучателях звука / ультразвука

.Что еще более важно, они демонстрируют возможность реакций горения в микроскопических объемах. Это фундаментальное положение —

, которое открывает новые возможности для питания систем micro и mini

.

1. Абхари Ф., Джафар Х. и Юнус Н. А. Комплексное исследование микронасосов

технологий. Int. J. Electrochem. Sci. 7. С. 9765–9780 (2012).

2. Ашраф, М. В., Тайяба, С. и Афзулпуркар, Н. Микро-электромеханические системы

(MEMS) для биомедицинских приложений.Int. J. Mol. Sci.

12, 3648–3704 (2011).

3. Марута К. Микро- и мезомасштабное горение. Proc. Гореть. Inst. 33, 125–150

(2011).

4. Весер Г. Экспериментальное и теоретическое исследование окисления H

2

в каталитическом микрореакторе с высокой температурой

. Chem. Англ. Sci. 56, 1265–1273 (2001).

5. Фернандес-Пелло, А. К. Микроэнергетика с использованием сжигания: проблемы и подходы

. Proc. Гореть.Inst. 29, 883–899 (2002).

6. Световой В. Б., Сандерс Р. Г. П., Ламмерик Т. С. Дж. И Элвенспук М. К.

Сжигание водородно-кислородной смеси в

нанопузырьках, генерируемых электрохимически. Phys. Ред. E 84, 035302 (R) (2011).

7. Световой В. Б., Сандерс Р. Г. П. и Элвенспук М. С. Переходные нанопузырьки при кратковременном электролизе

. J. Phys .: Cond. Иметь значение. 25, 184002 (2013).

8. Седдон, Дж. Р. Т., Лозе, Д., Дакер, В.А. и Крейг, В. С. Дж. Обсуждение

нанопузырьков на поверхности и в объеме. Chem. Phys. Chem. 13, 2179–2187 (2012).

9. Бреннер, М. П. и Лозе, Д. Механизм динамического равновесия для стабилизации поверхностных нанопузырьков

. Phys. Rev. Lett. 101, 214505 (2008).

10. Дакер, У.А. Краевой угол смачивания и стабильность межфазных нанопузырьков. Langmuir

25, 8907–8910 (2009).

11. Седдон, Дж. Р. Т., Зандвлит, Х. Дж. У. и Лозе, Д. Кнудсен. Газ обеспечивает стабильность нанопузырьков

.Phys. Rev. Lett. 107, 116101 (2011).

0200400600800

0

0,2

0,4

0,6

t (мкс)

d (мкм)

0100200300

5

6

7

7

9

10

t (мкс)

IF (мА)

0100300

20

40

60

t (мкс)

T (° C)

150 кГц

150 кГц b

a

80 кГц

110 кГц

Рисунок 3

|

Отопление за счет сжигания газов.(а) Прогиб мембраны

для разных частот возбуждения (U569V, t5350 мс).

(b), Ток Фарадея как функция времени для прогонов, представленных в

(a) (одна точка за период). На вставке — эффективная температура

(сглаженная) в камере. Разные цвета соответствуют частотам

, показанным на (а).

0

0,2

0,4

0,6

d (мкм)

0200400600800 1000

0

0.1

0,2

0,3

t (мкс)

d (мкм)

30 ° C

b

a

21 ° C

26 ° C

1

34

2

2

2

Рисунок 4

|

Влияние нагрева на работу привода.

(a), Отклонение мембраны для различных внешних температур (U5610 V, f

5100 кГц, t5400 мс, слаботочный образец). (b) Отклонение мембраны для

двух последовательных серий импульсов длительностью 100 мс каждый, разделенных с различной задержкой

раза.Для кривых 1, 2, 3 и 4 задержка составляет 100, 200, 400, 600 мс,

соответственно.

www.nature.com/scientificreports

НАУЧНЫЕ ОТЧЕТЫ | 4: 4296 | DOI: 10.1038 / srep04296 4

Микродвигатели

Программа исследований двигателей внутреннего сгорания миллиметрового масштаба разрабатывается совместно Кембриджским исследовательским центром горения и Центром микротехники и нанотехнологий Университета Бирмингема.Этот проект микродвигателя объединяет новинки в производстве, сгорании и конструкции микродвигателя с тесным взаимодействием опыта микромеханизма и сгорания.

Большинство жидких углеводородных топлив содержат в 300 раз больше энергии на единицу веса, чем никель-кадмиевые батареи, и в 100 раз больше, чем литий-ионные батареи. Микродвигатель может высвобождать энергию из топлива и, возможно, заменять батареи в портативных устройствах.

Он не только прослужит намного дольше, чем батарея того же веса (примерно в 20 раз при эффективности 10%), но и потребует немного времени для замены топливной капсулы. В качестве очень компактного источника энергии микродвигатели могут найти применение в медицинских устройствах, военной технике, КПК, ноутбуках, мобильных телефонах и даже игрушках!

Первоначальная идея создания микродвигателя с использованием технологии микроэлектромеханических систем (MEMS) была предложена Аланом Эпштейном и Стивеном Сентуриа из Массачусетского технологического института (MIT) в середине 1990-х годов.Исследования в Европе начались в Университете Бирмингема в 1999 году и привели к запатентованному процессу изготовления и нескольким прототипам микродвигателей. Предлагаемый проект сотрудничества между двумя университетами направлен на создание микродвигателя внутреннего сгорания с платформой 5 x 15 x 3 мм в габаритных размерах и ожидаемой выходной мощностью 11,2 Вт при скорости порядка 50 000 об / мин.

Одна из основных проблем микродвигателей заключается в том, что компоненты на основе кремния не выдерживают высоких температур сгорания.Второй барьер состоит в том, чтобы обеспечить устойчивое горение в небольших размерах, на которые влияет теплопередача. Решение, предложенное исследователями, состоит в том, чтобы изготавливать микрокомпоненты из керамических материалов и эксплуатировать двигатель на высоких оборотах, используя процессы самовоспламенения, чтобы преодолеть проблему теплопередачи. Исследователи надеются, что развитие процесса позволит вывести на рынок микродвигатели.

Источник: Кембриджский университет.

Ссылка : Микродвигатели (12 января 2006 г.) получено 20 июля 2021 г. с https: // физ.org / news / 2006-01-micro -otors.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Ученые разработали новый вид микродвигателя внутреннего сгорания

(Phys.org) — группа исследователей из России, Нидерландов и Германии разработала новый тип микродвигателя, основанный на возможном сгорании кислорода и водорода. В своей статье, опубликованной в Scientific Reports , команда описывает, как они построили новый движок, как, по их мнению, он работает и что он может означать для разработки будущих микросистем.

По мере того как ученые создавали устройства все меньшего размера, потребность во все меньших микродвигателях возрастала, к сожалению, наука о крошечных двигателях не успевала за ними.Те, которые основаны на электростатических силах, не могут производить достаточную мощность, а традиционные двигатели внутреннего сгорания становятся все менее и менее эффективными по мере их уменьшения. В этом новом усилии исследователи построили крошечный двигатель внутреннего сгорания новым способом, который преодолевает проблемы других до него, хотя они не могут точно сказать, как он работает.

Двигатель очень простой. Команда построила крошечную барокамеру с гибкой мембраной на одном конце, а затем добавила внутрь провода, которые проходили через раствор соленой воды.Передача тока по проводам приводила к диссоциации водорода и кислорода в воде на крошечные пузырьки (например, электролиз). Это вызвало повышение давления внутри камеры (примерно 3,6 бар), заставившее мембрану выгнуться наружу (примерно 1,4 микрона). Отключение тока привело к тому, что мембрана вернулась к своей естественной форме, но, как ни странно, это произошло намного быстрее, чем следовало бы, из-за рассеяния — исследователи подозревают, что вместо этого газ снова сгорел в молекулы воды.В любом случае, быстрое движение вперед и назад мембрана может быть использована в качестве силового механизма — двигателя.

Примечательно, что новый микродвигатель имеет размер всего 100 × 100 × 5 микрон и был изготовлен с использованием кремниевых пластин, покрытых слоем богатого кремнием нитрида и платиновых электродов. Мембрана была частью пластины, протравленной с обратной стороны.

Микродвигатель вырабатывает большой крутящий момент для своего размера и, таким образом, вполне может служить основой для очень крошечных устройств, которым необходимо либо выполнять физическую работу (например,грамм. перекачивать жидкость) или перемещаться (возможно, внутри кровеносных сосудов человека). В то же время несомненно, что первоначальная команда и другие будут работать, пытаясь точно выяснить, почему двигатель работает, и определить, насколько маленьким может быть такой двигатель.

Аннотация
Микросистемы становятся частью повседневной жизни, но их применение ограничено из-за отсутствия сильных и быстрых двигателей (исполнительных механизмов), преобразующих энергию в движение. Например, широко распространенные двигатели внутреннего сгорания не могут быть уменьшены в масштабе, потому что реакции сгорания гасятся в небольшом пространстве. Здесь мы представляем актуатор с размерами 100 × 100 × 5 мкм3, который использует внутреннее сгорание водорода и кислорода как часть своего рабочего цикла. Электролиз воды, управляемый короткими импульсами напряжения, создает дополнительное давление 0.5–4 бар на время 100–400 мкс в камере, закрытой гибкой мембраной. Когда импульсы выключаются, это давление сбрасывается еще быстрее, что позволяет производить механическую работу за короткие циклы. Мы приводим аргументы в пользу того, что это неожиданно быстрое падение давления происходит из-за самовозгорания газов в камере. Этот привод — первый шаг к действительно микроскопическим двигателям внутреннего сгорания.

© 2014 Phys.org

Ссылка : Исследователи разрабатывают новый вид микродвигателя внутреннего сгорания (14 марта 2014 г.) получено 20 июля 2021 г. из https: // techxplore.ru / news / 2014-03-kind-internal-burn-microengine.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Микромоторы получают наддув с тремя «двигателями» — ScienceDaily

Когда-нибудь микроскопические роботы смогут выполнять полезные функции, такие как диагностическое тестирование датчиков «лаборатория на кристалле», создание микроповерхностей или ремонт оборудования в ограниченном пространстве.Но сначала ученые должны иметь возможность жестко контролировать скорость микроботов. Теперь исследователи, сообщающие в ACS Chemistry of Materials , разработали микродвигатели с тремя «двигателями», которыми они могут управлять отдельно с помощью химического топлива, магнитов и света.

— это крошечные инструменты, которые преобразуют стимулы, такие как химическое топливо, свет, магнитные поля или звук, в движение для выполнения задач. Ранее исследователи продемонстрировали микродвигатели, приводимые в действие одним или двумя из этих стимулов.Например, микродвигатели, содержащие двигатели с наночастицами платины, могут приводиться в действие путем добавления небольшого количества перекиси водорода в раствор. Катализатор двигателя превращает топливо перекиси водорода в пузырьки, которые продвигают микромотор через жидкость. Беатрис Хурадо Санчес, Альберто Эскарпа и его коллеги хотели создать микромотор с «наддувом» с тремя двигателями, работающими на разных видах топлива.

Чтобы сделать свои микродвигатели, команда покрыла микросферы из полистирола слоями золота и 2D-наноматериалов.Затем они прикрепили три разные наночастицы, которые функционировали как двигатели и заставляли микромоторы реагировать на перекись водорода, магниты и свет. Когда исследователи подвергли микродвигатели воздействию всех трех стимулов одновременно, скорость увеличилась на целых 73% по сравнению с микромоторами, содержащими только два двигателя. Микродвигатели с наддувом могли двигаться с относительно высокой скоростью даже в вязких жидкостях, включая слюну, кровь и молоко.