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1、Power MEMS Power MEMS 简介简介上海理工大学上海理工大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院王宏光王宏光2011-12-262011-12-26引引 言言?微型发电机（微型发电机（Power MEMSPower MEMS）是微机电）是微机电系统（系统（MEMSMEMS）的动力装置，还可以作）的动力装置，还可以作为微型汽车、微型飞机、微型泵等微型为微型汽车、微型飞机、微型泵等微型机械的动力设置。机械的动力设置。?与电池相比，特点是能量密度大。与电池相比，特点是能量密度大。?从动力机械发展的历史进程看，每当能源装从动力机械发展的历史进程看，每当能源装置的能量密度产生一个飞跃，都
2、会给社会和置的能量密度产生一个飞跃，都会给社会和经济带来深远的变革。经济带来深远的变革。?18 18 世纪的蒸汽发动机，以世纪的蒸汽发动机，以 0.005W/g0.005W/g的能量密的能量密度为标志，引发了当时的工业革命。从度为标志，引发了当时的工业革命。从 19 19 世世纪到纪到 20 20 世纪中叶，内燃机的发展使能量密度世纪中叶，内燃机的发展使能量密度达到了达到了 0.051.0W/g0.051.0W/g，从而使整个交通运输发，从而使整个交通运输发生了巨变。生了巨变。20 20 世纪研发的航空航天发动机使世纪研发的航空航天发动机使能量密度进一步上升到能量密度进一步上升到 10W/g1
3、0W/g，喷气式飞机，喷气式飞机大大地缩短了整个世界的距离。大大地缩短了整个世界的距离。?微动力装置的能量密度将冲破微动力装置的能量密度将冲破 100W/g 100W/g 的大的大关。关。研究现状研究现状?MITMIT微型燃气轮机（微型燃气轮机（Micro Gas Turbine EngineMicro Gas Turbine Engine）?第一台样机采用第一台样机采用SicSic制造，直径为制造，直径为1cm1cm，厚度，厚度3mm3mm圆盘形状，燃烧室容积为圆盘形状，燃烧室容积为66mm366mm3。在消。在消耗耗10g/h10g/h氢气燃料的情况下产生氢气燃料的情况下产生10W20W1
4、0W20W的的电能。电能。http:/ocw.mit.eduhttp:/ocw.mit.edu?Design and Fabrication of Design and Fabrication of Microelectromechanical DevicesMicroelectromechanical Devices比利时鲁汶大学比利时鲁汶大学20022002型型?转子直径转子直径 10mm10mm，设计转速，设计转速 2.1105RPM2.1105RPM，实际转速，实际转速 1.3105RPM1.3105RPM，产生产生 28W28W机械能，效率在机械能，效率在 20%-24%20%-24
5、%之之间。压气机直径间。压气机直径 20mm20mm，共，共 20 20 个叶片个叶片( (长长叶片叶片 1010个，短叶片个，短叶片 10 10 个个) )。Reply on content: Jan.Peirs at Reply on content: Jan.Peirs at mech.kuleuven.bemech.kuleuven.beCopyright 2008 Katholieke Copyright 2008 Katholieke Universiteit Leuven, Department Universiteit Leuven, Department of Mechani
6、cal Engineeringof Mechanical Engineering斯坦福大学斯坦福大学20022002陶瓷粉末快速陶瓷粉末快速成型微型发动机成型微型发动机?斯坦福大学在斯坦福大学在 2002 2002 年通过使用年通过使用 SDM(Shape Deposition ManufacturingSDM(Shape Deposition Manufacturing，形状沉积制造形状沉积制造) )方法制造了三维的陶瓷涡方法制造了三维的陶瓷涡轮和压气机。特征尺寸为轮和压气机。特征尺寸为 200m200m。涡轮。涡轮转速为转速为 4.56105RPM4.56105RPM，功率，功率 100W
7、100W，材，材料料 Si3N4Si3N4，使用寿命，使用寿命 100h100h。研究现状研究现状?加州伯克利分校的汪克尔旋转发动机（加州伯克利分校的汪克尔旋转发动机（MEMS MEMS rotary Wankle Enginerotary Wankle Engine）?微型发动机转子的基本参数为：转子半径微型发动机转子的基本参数为：转子半径500m500m，最高转速，最高转速40000/rmin40000/rmin，输出功率，输出功率2.5vmW2.5vmW，质量，质量9.1mg9.1mg，燃油消耗，燃油消耗2mg/h2mg/h。?但为了增强发动机密封效果不得不增设弹但为了增强发动机密封效果
8、不得不增设弹性密封条等措施，因此在密封处仍然是点性密封条等措施，因此在密封处仍然是点接触，效果不佳。接触，效果不佳。?其次，当发动机高速运转时，由于转子偏其次，当发动机高速运转时，由于转子偏心安装在轴上，振动难以避免。心安装在轴上，振动难以避免。研究现状研究现状?日本立命馆大学提出微型内燃活塞式发动机日本立命馆大学提出微型内燃活塞式发动机?燃烧室体积为燃烧室体积为5mm3mm1mm5mm3mm1mm（0.015cc0.015cc），体面），体面比为比为3.07mm-13.07mm-1。活塞的往复运动能通过燃烧爆发力。活塞的往复运动能通过燃烧爆发力与弹簧反力之间的平衡来维持。氢气与氧气按照一与弹
9、簧反力之间的平衡来维持。氢气与氧气按照一定的当量比（定的当量比（=1=1）混合后作为燃料射入燃烧室。）混合后作为燃料射入燃烧室。该该MEMS ICMEMS IC发动机能获得最大压力达发动机能获得最大压力达142kpa142kpa、排、排量量9.5mm39.5mm3、最大功率达、最大功率达29.1mW29.1mW。四冲程微型摆式内燃机（四冲程微型摆式内燃机（MICSEMICSE）?密西根大学的研究人员创造性的提出了四冲程微型密西根大学的研究人员创造性的提出了四冲程微型摆式内燃机（摆式内燃机（MICSEMicro internal Combustion MICSEMicro internal Co
10、mbustion Swing EngineSwing Engine）?它是第一个专门为微型发电系统设计的内燃机它是第一个专门为微型发电系统设计的内燃机?它是第一个专门它是第一个专门为微型发电系统为微型发电系统设计的内燃机。设计的内燃机。?图图1.13 1.13 中，几何中，几何对称的中心摆将对称的中心摆将两个扇形腔分隔两个扇形腔分隔成成 4 4 个容积可以个容积可以变化的变化的 A A、B B、C C、D D 燃烧室。燃烧室。?以四冲程方式工作的以四冲程方式工作的MICSEMICSE在四个行程的工在四个行程的工作过程中始终有一个燃烧室在做功；作过程中始终有一个燃烧室在做功；?假如假如A A燃烧
11、室处于做功行程，则燃烧室处于做功行程，则B B、C C、D D燃燃烧室分别处于压缩、吸气、排气行程，即点烧室分别处于压缩、吸气、排气行程，即点火顺序为火顺序为A A、B B、C C、D D。?显然，这种内燃机的最大优点是结构简单、显然，这种内燃机的最大优点是结构简单、紧凑，空间和重量利用率高，且只有一个运紧凑，空间和重量利用率高，且只有一个运动部件。可制造性不再象缩小的传统内燃机动部件。可制造性不再象缩小的传统内燃机那样难以解决。那样难以解决。?但是，由于采用四冲程方式工作，使得设计但是，由于采用四冲程方式工作，使得设计者在实际过程中仍然不能摆脱常规传统内燃者在实际过程中仍然不能摆脱常规传统内
12、燃机复杂的进、排气机构机复杂的进、排气机构, ,使得系统的控制及结使得系统的控制及结构又变的复杂化。构又变的复杂化。重庆大学重庆大学20092009方案方案- -廖照邦廖照邦微型自由活塞火花点火发动机微型自由活塞火花点火发动机?AllenAllen等人等人(2001(2001年年) )研制了一种自由活塞研制了一种自由活塞火花点火火花点火(SI)(SI)发动机。发动机。?发动机使用铁磁体为活塞，一套永磁体发动机使用铁磁体为活塞，一套永磁体为发电装置。其目标发电量为为发电装置。其目标发电量为20w20w，活塞，活塞振动频率为振动频率为252550Hz50Hz。?装置通过燃烧释放的能量及动力，推动装
13、置通过燃烧释放的能量及动力，推动自由活塞在缸内往复运动，切割磁力线自由活塞在缸内往复运动，切割磁力线产生电能。产生电能。微型微型HCCIHCCI自由活塞发动机自由活塞发动机?YangYang等人等人(1999(1999年年) )提出了一种自由活塞提出了一种自由活塞发动机。发动机。?该机型使用两个反向活塞和永磁体来产该机型使用两个反向活塞和永磁体来产生电能。虽然比较类似自由活塞火花点生电能。虽然比较类似自由活塞火花点火发动机，但由于火发动机，但由于YangYang使用了均质压缩使用了均质压缩燃烧燃烧(HCCI)(HCCI)技术，所以两者有本质上的技术，所以两者有本质上的不同。不同。微型涡喷发动机
14、微型涡喷发动机?南京航空航天大学南京航空航天大学 （厘米级发动机）（厘米级发动机）微型旋转冲压发动机微型旋转冲压发动机?西安交通大学西安交通大学微型脉冲发动机微型脉冲发动机?清华大学清华大学?尺寸约尺寸约17mm20ram17mm20ram，其中燃烧腔体积，其中燃烧腔体积为为760mm3760mm3。采用丁烷作为发动机工质，。采用丁烷作为发动机工质，利用电火花实现脉冲点火。利用电火花实现脉冲点火。已研究的关键技术内容有：已研究的关键技术内容有：?1. 1.发动机形式发动机形式采用或考虑采用的有汪克采用或考虑采用的有汪克尔（尔（WankelWankel）、布雷顿（）、布雷顿（BraytonBra
15、yton）、四冲）、四冲程（程（OttoOtto）、兰金（）、兰金（RankineRankine）、回转式、）、回转式、线性和平板式自由活塞发动机等。线性和平板式自由活塞发动机等。?2. 2.加工工艺加工工艺电火花加工、硅芯片制造工电火花加工、硅芯片制造工艺、反应离子蚀刻技术等。艺、反应离子蚀刻技术等。?3. 3.材料材料纳米塑料材料、陶瓷基材料、纳米塑料材料、陶瓷基材料、硅和氮化硅等。硅和氮化硅等。?4. 4.燃料燃料氢气、丙烷氢气、丙烷+ +催化剂、丁烷等。催化剂、丁烷等。?5. 5.点火装置点火装置采用陶瓷棒及镍、银、白金采用陶瓷棒及镍、银、白金掩膜和镍电镀制作的电火花塞。掩膜和镍电镀制
16、作的电火花塞。?6. 6.轴承轴承空气轴承、微加工轴承等。空气轴承、微加工轴承等。尚待解决的问题尚待解决的问题?（1 1）较多的研究集中在将微电子制造工艺扩展到）较多的研究集中在将微电子制造工艺扩展到Power MEMSPower MEMS制作方面，对各种制作方面，对各种MEMSMEMS系统应用的系统应用的实际需要实际需要和特点（如功率量级、供电时间、几何尺和特点（如功率量级、供电时间、几何尺寸要求等）分析不够。寸要求等）分析不够。?（2 2）多数研究寿命指标难以提高。而现有的燃烧）多数研究寿命指标难以提高。而现有的燃烧+ +热电装置的方案，则存在效率偏低的问题。热电装置的方案，则存在效率偏低的问题。?（3 3）MEMSMEMS的一些应用场合有隐蔽性、安全性要的一些应用场合有隐蔽性、安全性要求，如避免红外探测、不能引起火灾等，这是单纯求，如避免红外探测、不能引起火灾等，这是单纯的燃烧料室方案难解决的问题。的燃烧料室方案难解决的问题。?（4 4）基于）基于MEMSMEMS技术的微型涡轮发动机、微型汪技术的微型涡轮发动机、微型汪克尔发动机、微型蒸汽轮机等实质都是将现有宏观克尔发动机、微型蒸
