一种基于液体表面张力的动力驱动装置的制作方法

本发明涉是一种基于液体表面张力的动力驱动装置，属于微动力机械领域。

背景技术：

液体的表面张力与许多现象有关，例如，水分在土壤中的上升；毛巾吸水现象；介质表面的电润湿(ewod，electrowetting-on-dielectric，简称介电润湿)；液体在亲水或疏水表面的形状等。近年来，表面张力在微流体驱动、液体变焦透镜等方面也显示出良好的应用潜力。例如，中科院理化所刘静带领的团队，通过在镓基液态合金中添加铝片来驱动液态合金持续运动；飞利浦等公司基于介电润湿原理，设计出具备连续变焦能力的液体透镜，由于无机械运动装置，变焦响应速度极快，上述提到的介电润湿(ewod)效应被广泛用于变焦液体透镜、芯片实验室(labonchip)、柔性显示屏等方面。所谓介电润湿效应，是指通过改变液滴与绝缘基板之间电压，来改变液滴在基板上的润湿性，即改变接触角，使液滴发生形变、位移的现象，所谓芯片实验室(labonchip)，是在一片基板上通过控制电极阵列的电压分布，利用介电润湿(ewod)效应对液滴进行运动控制，使液滴移动、合并、分裂，从而获得具备精确比例的混合液体，美国加利福尼亚大学p．sen等①制作了一种介电润湿(ewod)驱动的金属液滴开关，通过对金属液滴施加电压、改变润湿性后实现对液滴位置和运动方向的控制，从而改变开关的导通状态①senp，kimcj．afastliquid—metaldropletmicroswitchusingewod—drivencontact—linesliding[j]．journalofmicroelectromechanicalsystems，2009，18：174～185，

现有的动力机械，一般是指将其它形式的能量转换为机械能而作功的机械装置，主要有采用电流通过磁场产生的电磁感应力驱动的电动机，化学反应产生的热能驱动如内燃机和火力发电机，或者天然温差比如地热能驱动的蒸汽机，以及利用水力和风力发电机等方式推动机械运转对外做功或输出能量，现有的动力机械中，电动机需要使用大量稀土资源和金属如铜、铁等；利用地热、水力或风力驱动的动力机需要依赖特定的地理环境和自然条件，内燃机和火力发电机需要使用汽柴油或煤炭作为能源，会制造大量碳排放且排放的废气容易污染环境，需要增加额外的设备进行废气处理。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于液体表面张力的动力驱动装置，不需要大量的金属和稀土永磁材料，不消耗化学燃料，无任何气体排放，控制与构造简单且功耗低。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于液体表面张力的动力驱动装置，包括底座支架、驱动轴和管道，底座支架上安装驱动轴，所述驱动轴可在所述底座支架的支点上自由旋转；质心与驱动轴重合的至少一个管道，所述管道固定在驱动轴上随所述驱动轴转动；工作液体位于管道内，其与管壁之间形成液体表面张力；外部电路驱动所述工作液体在所述管道中沿内部管壁运动，所述工作液体表面张力的合力在所述管道内部管壁上的分力形成所述工作液体相对运动的推动力，其反向作用力形成所述管道做反向运动的推动力，外部电路包括：信号检测与驱动电路，所述信号检测与驱动电路与所述管道内分布的多个电极和位置检测电路连接，用以调节每个电极上的电压，并检测所述管道内所述工作液体相对位置，生成位置信号；所述控制电路根据信号检测电路生成的位置信号，控制所述驱动电路调节管道内相应电极的电压，用于改变对应工作液体某个液面的润湿角，进而改变整个液面的液体与所述管道内壁之间的表面张力的合力方向与大小，从而推动所述工作液体与所述管道相对运动，同时还能调节电极充放电造成的能量波动；电源向所述控制电路和驱动与信号检测电路供电。

所述管道的外形为开放式结构，管道的外形可以是各种形状，其包括但不限于圆形/椭形，三角形，四边形或多边形等形状，并且可以不是封闭图形，在试验中发现当管道为四边形效果最好。

所述管道内部截面为开放式结构，管道内部截面可以是各种形状，其包括但不限于圆形/椭形，三角形，四边形或多边形等形状，并且可以不是封闭图形，也可以不是等截面结构，在试验中发现当管道为四边形且内部截面是截面结构效果最好。

所述管道与所述工作液体接触面具有微结构，在试验中发现当工作液体接触面具有溅射薄膜也可以达到同样的效果。

所述管道内包含的所述工作液体为至少两段，相互之间以气体或与所述工作液体不相溶的液体间隔。

所述工作液体包括单一种液体或组合，但不限于水，有机溶液，无机溶液，离子液体，液态金属或液态合金，或上述任意多种液体的组合等。

所述工作液体可通过重力方式固定其空间位置，在试验中发现当工作液体可通过磁力和电磁感应也可以达到同样的效果。

所述驱动电极上的电压可根据需要为直流、交流或任意波形，在试验中发现当电压可根据交流或任意波形也可以达到同样的效果。

在所述驱动装置的驱动轴上，通过齿轮组与皮带轮连接扭矩回收与补偿单元，所述扭矩回收与补偿单元包括电机，用来控制所述驱动轴对外输出的扭矩，所述电机根据需要可以工作在发电状态和电动状态，并通过调节电压达到调节所述驱动轴对外输出扭矩的目的；和储能模块可以存储所述电机工作在发电状态的电能，并在需要时向所述电机供电。

通过本发明实施例提出的基于液体表面张力的动力驱动装置，利用液体表面张力差提供驱动力构成一种新型动力驱动装置，这种动力驱动装置具有不依赖特定地理环境和自然条件，不需要大量的金属和稀土永磁材料，不消耗化学燃料，无任何气体排放，控制与构造简单且功耗低，并且通过将本发明装置和扭矩回收与补偿单元并联，以制成输出扭矩可调的原动力机，另一方面，由于国内外非常少见此类型的应用方式，因此与液体表面张力变化相关的任何技术突破，比如材料、工艺、结构、驱动模式以及能量回收方面的新发展，都会大大提高本发明所涉及动力驱动装置的功率和效率，使其具有非常深远的发展前景与应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例的动力驱动装置的结构图；

图2是本发明实施例的利用扭矩回收与补偿单元与所述动力驱动装置并联，所实现的扭矩可调节的原动力机的结构原理图；

图3（a）-3（b）是本发明实施例中构成动力驱动装置的管道的局部剖面图；

图4（a）-4（b）是介电润湿实验的简易模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的目的在于，利用介电润湿(ewod)等原理，在工作液体的不同端面造成表面张力差，使工作液体受到的合力不为零，推动工作液体与所接触的管道内表面做相对运动，从而推动管道作反向运动，即以所连接的驱动轴为中心旋转，并通过大量此驱动单元的叠加，使产生的合力通过共同连接的驱动轴有效对外做功。

如图1所示，为本发明实施例的基于介电润湿(ewod)调节液体表面张力的动力驱动装置结构图，该动力驱动装置由底座支架[11]，位于底座支架上的驱动轴[12]，固定在驱动轴上的1个或多个管道[13]，以及外部控制电路组成，其中，外部控制电路在图中未示出。

如图2所示，为本发明实施例的利用扭矩回收与补偿单元与所述动力驱动装置并联，所实现的扭矩可调节的原动力机的结构原理图，该动力机由外部控制电路，动力驱动装置和扭矩回收与补偿单元组成。其中外部电路控制包括电源，控制电路和信号检测与驱动电路。扭矩回收与补偿单元包括电机和储能模块，其电机与所述动力驱动装置的驱动轴通过齿轮组/皮带轮连接。

如图3（a）所示，为本发明实施例中，构成动力驱动装置的管道[13]的局部剖面图，其结构包括：管体基底层（外壁）[4]、驱动电极[5a][5b][5c]、介电层[3]、防水隔层[2]、悬空接地线[6]，位置检测电路[7]，工作液体[1]存在于管道[13]内的空腔中。

在本发明的实施例中，需要说明的是，管道[13]的整体形状和内部横截面形状与大小可以根据需要采用各种形状和尺寸，其内表面的防水隔层亲、疏水状态无特殊要求。此处所指的亲、疏水状态是相对于工作液体而言，而不仅限于水这一物质。在本发明的优选实施例中，其内表面的防水隔层采用疏水材料(接触角：91-179°)。但无论防水隔层采用何种性质材料，只要能够满足本发明的需要的等同变化，都应列为本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本发明的一个实施例中，使液体不同端面产生表面张力差，从而驱动工作液体运动的驱动力,是采用如图2所示的介电润湿(ewod)法所产生的驱动力。但是，本领域的技术人员都知道，使液体不同端面产生表面张力差并不局限于本发明实施例提出的利用介电润湿(ewod)法，只要能够达到同样效果的任何方式都可以，比如：热毛细管法，表面声波法，介电电泳法，磁力法，电润湿法，光驱动介电润湿法，或用机械力、磁力或电磁力改变部分管道内部横截面形状或液体与固体表面之间的润湿角等方式，以及以上任意多种方式的组合。因此无论采用何种使液体不同端面的表面张力不平衡，即产生总的表面张力差的方式，只要与本发明实施例提出的方式达到同样效果都应列为本发明的保护范围内。

同样，在本发明的实施例中，工作液体[1]的材料为氯化钠溶液，但是同样工作液体[1]的材料可以是各种液体，比如：水，有机溶液，无机溶液，离子液体，液态金属或液态合金，或上述任意多种液体的组合等。

以下结合图4所示介电润湿实验的简易模型来说明介电润湿(ewod)原理，以及如何应用此原理在上述管道中的工作液体[1]的两端形成表面张力差。图4（a）为未加电压时介电润湿实验模型，其由驱动电极，封盖在电极表面的介电层，封盖在介电层表面的防水隔层（其表面为疏水状态），位于防水隔层上的液滴，以及连接液滴与电极之间的电压源组成。未加电压时，液滴与防水隔层和空气的三相接触点处的表面张力分布如图4（a）所示，液滴与防水隔层之间的表面张力γl-g和液滴与防水隔层的接触面形成的接触角θ0为钝角。图4（b）中，当开关闭合使电极与液滴间电压达到v时，液滴与防水隔层之间的表面张力γl-g的方向发生改变，其和液滴与防水隔层的接触面形成的接触角变成锐角θ。其中，外加电压v和接触角θ之间的关系符合young-lippmann方程：

cosθ=cosθ0+(ε0εrv²)/(2dγl-g)

式中，γl-g——未加电压时固液界面处初始表面张力；

ε0——真空介电常数；

εr——介电层中电介质的相对介电常数；

d——介电层厚度；

θ0——未加电压时液体表面与固液界面间接触角；

由此方程可知，外加电压v的大小可以影响介电润湿模型中固液界面表面张力γl-g的方向。

在图3（a）所示的横截面为圆形的局部管道纵剖面图中，工作液体[1]为氯化钠溶液，其在管道中的长度大于一个电极，防水隔层[2]表现为疏水型（接触角：91-179°），驱动电极[5a][5b][5c]在介电层[3]与基底层（外壁）[4]之间依次排列。按照上述介电润湿实验的简易模型中未加电压的模型初始状态，工作液体[1]的两端液面与内侧管壁的防水隔层[2]之间形成的接触角θ0均为钝角，此时工作液体[1]两端液面与防水隔层[2]接触点受到的液面伸展力f0=γl-gcosθ0，方向均沿管壁指向液体内部，因此工作液体[1]两端液面受到的液面伸展力f0大小相等，方向相反，合力为零。

如图3（b）所示，只把驱动电极[5b]电压提高到v时，按照简易模型和young-lippmann方程，工作液体[1]的右侧液面受到驱动电极[5b]的影响，其与防水隔层[2]之间形成的接触角θ将减小至锐角，液面与防水隔层[2]接触点受到的液面伸展力f=γl-gcosθ，方向沿管壁指向右侧。而由于驱动电极[5a]没有升压，故左侧液面受到的液面伸展力f0不变，仍然指向右侧，因此两侧液面受到合力不为零，且指向右侧，工作液体[1]在此合力作用下相对管壁向右侧运动。

力学理论和实验证明，f0和f合力的反向作用力作用在防水隔层[2]即管壁上，其会推动管道[13]相对于工作液体[1]作反向运动。

当工作液体[1]的右侧液面运动至接近驱动电极[5b]和[5c]的交界处时，控制系统将驱动电极[5c]的电压也提高到v，当工作液体[1]的右侧液面跨越到驱动电极[5c]的作用范围时，右侧液面与防水隔层[2]接触点受到的液面伸展力f不会改变，同时由于工作液体[1]的长度大于一个电极的长度，因此工作液体[1]的左侧液面此时还在驱动电极[5a]的作用范围内，左侧液面与防水隔层[2]接触点受到的液面伸展力f0也没有改变。此时将驱动电极[5b]的电压降至0，能够保证工作液体[1]的左侧液面跨越到驱动电极[5b]的作用范围时，左侧液面与防水隔层[2]接触点受到的液面伸展力f0不会改变。由此可知，工作液体[1]在防水隔层[2]上受到的f0和f合力可以保持不变，能够连续运动。同样，管道[13]受到的f0和f合力的反作用力也保持不变，能够连续相对于工作液体[1]作反向运动。

在本发明的实施例中，为了提高液体表面张力反作用力的输出效率，可以采用重力等方法使内部流体近似或完全不改变在空间中的位置。重力法是一段或多段工作液体[1]在管道[13]内不均匀分布，使其整体重心不落在驱动轴[12]上。当驱动轴[12]水平放置时，管道[13]所在平面垂直于地面。随着整个装置的转动和液体的运动，工作液体[1]的整体重心移动至驱动轴[12]与地面垂线之外，产生不与驱动轴[12]重合的力矩。当此力矩与液体表面张力合力在圆周切线方向分量所产生力矩形成力矩平衡时，工作液体[1]就近似不改变位置。此时管道[13]旋转带动驱动轴[12]输出效率最高。

为了对本发明提出的动力驱动装置的工作原理有更清楚的理解，以下结合实施例及附图详细说明基于液体表面张力的动力驱动装置的原理和实现方法。

【实施例1】

如图1所示，为本发明实施例的利用介电润湿(ewod)实现调节液体表面张力的动力驱动装置结构图。

在本实施例中，管道[13]为外径300mm的环形，其横截面为外径2mm、内径1mm的圆。管体基底层[4]的材料为玻璃；驱动电极[5a][5b][5c]采用铝电极，每个电极宽度为2mm。介电层[3]厚度为300nm，材料为二氧化硅。疏水层厚度为20nm，材料为美国杜邦公司生产的teflonaf2400。悬空接地线[6]为0.1mm直径的铜线，表面同样覆盖20nm厚的teflonaf2400。工作液体[1]为20%浓度的氯化钠溶液，每段工作液体[1]的长度为5mm，其在管道[13]非均匀分布，相互之间以空气间隔。

此实施例中管道[13]的内截面只是以圆形为例，实际上可以根据需要设计不同形状的内截面。

【实施例2】

如图2所示，为本发明实施例的利用扭矩回收与补偿单元与所述动力驱动装置并联，所实现的扭矩可调节的原动力机的结构原理图。

由于液体表面张力的调节很难做到完全线性调节，比如介电润湿(ewod)具有最小驱动电压和接触角饱和等现象，所以优化设计后的液体表面张力差都为最终确定的最优值，由此基于液体表面张力的动力驱动装置的输出扭矩一般为固定值。

为了适应需要灵活调节驱动轴扭矩的应用场景，本实施例在所述动力驱动装置的驱动轴上并联一组扭矩回收与补偿单元。其由一台电机与储能模块组成，电机与所述动力驱动装置的驱动轴通过齿轮组/皮带轮连接，储能模块与电机的电流输入/输出端口连接。所述电机一般可选用直流电机或单相/三相交流电机，该电机可根据需要工作在发电状态和电动状态，并通过调节电压或电流达到调节所述驱动轴对外输出扭矩的目的。所述储能模块一般可选用锂电池或超级电容等可反复充电的设备，用于存储所述电机工作在发电状态时输出的电能，并在电机工作在电动状态时向所述电机提供所需电能。