DE102008054224A1 - Method of transporting liquids, thermal capillary pump and their use - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum TTrnasport von Flüssigkeiten in einem mikrofluidischen Kreislaufsystem, bei dem eine Thermo-Kapillar-Pumpe eingesetzt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen mikrofluidischen Kühlkreislauf, der mindestens eine Thermo-Kapillar-Pumpe enthält. Verwendung findet die Thermo-Kapillar-Pumpe bzw. der Kühlkreislauf in der Mikrosystemtechnik und der Mikroverfahrenstechnik, insbesondere in Brennstoffzellensystemen.The invention relates to a method for TTrnasport of liquids in a microfluidic circulation system, in which a thermal capillary pump is used. Furthermore, the invention relates to a microfluidic cooling circuit containing at least one thermal capillary pump. The thermal capillary pump or the cooling circuit is used in microsystem technology and micro process engineering, in particular in fuel cell systems.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Transport von Flüssigkeiten in einem mikrofluidischen Kreislaufsystem, bei dem eine Thermo-Kapillar-Pumpe eingesetzt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen mikrofluidischen Kühlkreislauf, der mindestens eine Thermo-Kapillar-Pumpe enthält. Verwendung findet die Thermo-Kapillar-Pumpe bzw. der Kühlkreislauf in der Mikrosystemtechnik und der Mikroverfahrenstechnik, insbesondere in Brennstoffzellensystemen.The The invention relates to a method for transporting liquids in a microfluidic circulatory system where a thermal capillary pump is used. Furthermore, the invention relates to a microfluidic Cooling circuit, the at least one thermal capillary pump contains. Use finds the thermal capillary pump or the cooling circuit in microsystem technology and micro process engineering, especially in fuel cell systems.
Mikrofluidiksysteme gewinnen im Bereich der Mikroverfahrenstechnik und Mikrosystemtechnik immer größere Bedeutung, da die Bereiche, in denen der Transport sehr geringer Flüssigkeitsmenge erforderlich ist, sich ständig weiterentwickeln. Ein beispielhafter Anwendungsbereich ist hier z. B. der Transport von Flüssigkeiten im Kühlkreislauf elektronischer Bauteile ebenso wie die Anwendung im Bereich der biochemischen Analytik.microfluidic gain in the field of micro process engineering and microsystems technology always greater importance, since the areas in which the Transport of very small amount of liquid required is, constantly evolving. An exemplary Scope is here z. B. the transport of liquids in the cooling circuit of electronic components as well as the Application in the field of biochemical analysis.
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Den im Stand der Technik beschriebenen Systemen ist gemein, dass bislang kein mikrofluidisches System bereitgestellt werden konnte, das autonom, d. h. ohne Zufuhr elektrischer Energie, arbeitet, so dass ein sich selbst regelnder wärme- bzw. Kühlkreislauf ermöglicht wird.The The systems described in the prior art have in common that so far no microfluidic system could be provided which was autonomous, d. H. without supply of electrical energy, works, leaving a self-regulating heat and cooling circuit allows becomes.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Transport von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die Thermo-Kapillar-Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und den mikrofluidischen Kühlkreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. In Anspruch 16 und 18 werden erfindungsgemäße Verwendungen angegeben. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.These Task is by the method of transporting liquids with the features of claim 1, the thermal capillary pump with the Features of claim 7 and the microfluidic refrigeration cycle solved with the features of claim 13. In claim 16 and 18 are uses according to the invention specified. The further dependent claims show advantageous developments.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Transport von Flüssigkeiten in einem mikrofluidischen Kreislaufsystem bereitgestellt. Dieses Verfahren basiert auf den folgenden Schritten:
- a) aus einem Gemisch aus mindestens einer flüssigen und einer gasförmigen Phase die mindestens eine flüssige Phase in einem Abscheider abgeschieden und einem Reservoir zugeführt wird,
- b) mittels mindestens einer Kapillare die mindestens eine flüssige Phase in eine Verdampfungszone überführt wird, wobei der Transport der mindestens einen flüssigen Phase durch Kapillarwirkung erfolgt,
- c) der sich in der Verdampfungszone bildende Dampf einem Prozess zugeführt wird, bei dem eine zumindest teilweise Kondensation des Dampfes erfolgt und
- d) das nach dem Prozess vorliegende Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf dem Abscheider und anschließend die mindestens eine flüssige Phase dem Reservoir zugeführt wird.
- a) from a mixture of at least one liquid and one gaseous phase, the at least one liquid phase is separated in a separator and fed to a reservoir,
- b) the at least one liquid phase is transferred into an evaporation zone by means of at least one capillary, the transport of the at least one liquid phase being effected by capillary action,
- c) the forming in the evaporation zone steam is fed to a process in which an at least partial condensation of the steam takes place and
- d) the mixture of liquid and vapor present after the process is supplied to the separator and subsequently the at least one liquid phase is fed to the reservoir.
Das erfindungsgemäße Verfahrenskonzept beruht somit auf Kapillareffekten, zusammen mit einer Verdampfer bzw. Verdunstung. Neben der reinen Funktion des Transportes von Flüssigkeiten erfüllt die erfindungsgemäße Anordnung dabei folgende weitere Funktionen:
- a) Abscheiden der Flüssigphase einer Zwei-Phasenströmung und Bereitstellung der Flüssigphase in einem Reservoir.
- b) Kontinuierliches Pumpen einer Flüssigphase mittels Kapillareffekten.
- c) Verdampfen der Flüssigphase und Austreiben der Flüssigphase aus der Kapillare.
- d) Dosierung verschiedener Stoffe durch Regelung der zugeführten Wärme.
- e) Mischen verschiedener Stoffe in der Gasphase entsprechend geforderten Mischungsverhältnissen. Dadurch sind sehr kurze Mischzeiten erreichbar.
- f) Nach dem Prozess wird das Zwei-Phasengemisch dem Abscheider zugeführt und die Gasphase abgetrennt.
- a) depositing the liquid phase of a two-phase flow and providing the liquid phase in a reservoir.
- b) Continuous pumping of a liquid phase by means of capillary effects.
- c) evaporation of the liquid phase and expulsion of the liquid phase from the capillary.
- d) dosing different substances by controlling the heat supplied.
- e) mixing of different substances in the gas phase according to required mixing ratios. As a result, very short mixing times are reached bar.
- f) After the process, the two-phase mixture is fed to the separator and the gas phase separated.
Die Besonderheit bei der vorliegenden Erfindung liegt in dem selbstregelnden Charakter des mikrofluidischen Systems. Unter Selbstregelung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein geschlossener Regelkreis ohne elektrische Signalwandlung zu verstehen. Somit ent fällt die Messung spezifischer Parameter, ebenso wie die Signalwandlung und die Ansteuerung eines Stellgliedes. Die Regelung erfolgt dabei dadurch, dass in Abhängigkeit von der dem Verdampfer zugeführten Wärme die Menge des erzeugten Dampfes direkt eingestellt werden kann.The A special feature of the present invention is the self-regulating Character of the microfluidic system. Under self regulation is in the context of the present invention, a closed loop to understand without electrical signal conversion. Thus ent falls the measurement of specific parameters, as well as the signal conversion and the control of an actuator. The regulation takes place in that, depending on the supplied to the evaporator Heat sets the amount of steam generated directly can be.
Der Transport der Flüssigphase erfolgt ausschließlich mit Hilfe von Kapillarkräften, weswegen die Zufuhr elektrischer Hilfsenergie oder zusätzliche Aktorik nicht notwendig ist. In einer bevorzugten Variante kann jedoch für den Systemstart eine elektrische Beheizung der Kapillare in der Verdampfungszone vorgesehen werden. Mittels Joulescher Wärme wird die flüssige Phase vorgewärmt und verdampft. Dadurch wird die flüssige Phase als Gasphase aus der Kapillaren ausgetragen und der Transport der flüssigen Phase mittels Kapillarkraft wird aufrechterhalten.Of the Transport of the liquid phase takes place exclusively with the help of capillary forces, which is why the supply of electrical Auxiliary power or additional actuators is not necessary. In a preferred variant, however, for the system start an electric heating of the capillary in the evaporation zone be provided. By Joulescher heat is the liquid Phase preheated and evaporated. This will make the liquid Phase discharged as gas phase from the capillaries and the transport the liquid phase by capillary force is maintained.
Es ist bevorzugt, dass nach Schritt b) der sich in der Verdampfungszone bildende Dampf mit einer weiteren gasförmigen Substanz in einer Mischzone gemischt wird.It it is preferred that after step b) in the evaporation zone forming vapor with another gaseous substance is mixed in a mixing zone.
Vorzugsweise wird die Menge des sich bildenden Dampfes über die der Verdampfungszone zugeführte Wärme und/oder die Geometrie der mindestens einen Kapillaren eingestellt. Hinsichtlich der Geometrie der Kapillaren spielen dabei die Anzahl der Kapillaren, deren Durchmesser, deren Länge, deren Beschaffenheit und/oder deren Material eine entscheidende Rolle. Diese Parameter können sowohl einzeln als auch zusammen derart modifiziert werden, dass die gewünschte Menge an erzeugtem Dampf eingestellt werden kann.Preferably is the amount of the forming steam on the Heat of evaporation supplied to the evaporation zone and / or the Geometry of at least one capillary set. Regarding the geometry of the capillaries play the number of capillaries, their diameter, their length, their nature and / or their material plays a crucial role. These parameters can both individually and together are modified so that the desired amount of steam generated can be adjusted can.
Hinsichtlich der Beschaffenheit der Kapillaren können diese beispielsweise porös, schaumartig, faserartig, schwammartig oder gelartig aufgebaut sein oder entsprechende Bereiche aufweisen. Die Kapillarstruktur kann auf unterschiedliche Weise aufgebaut werden. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, einzelne, voneinander abgeschlossene Kanäle als Kapillare auszubilden und diese direkt in das Material der Thermo-Kapillar-Pumpe einzuarbeiten oder ein Kapillarmaterial zu verwenden, das als eine Art Einlage in die Thermo-Kapillar-Pumpe eingebracht wird.Regarding the nature of the capillaries can this example porous, foamy, fibrous, sponge-like or gel-like be constructed or have corresponding areas. The capillary structure can be built in different ways. In principle exists the possibility of individual, mutually closed channels form as a capillary and this directly into the material of the thermal capillary pump or to use a capillary material that acts as a Type insert is introduced into the thermal capillary pump.
Verwendet man Kanäle als Kapillare, so können Unterschiede im Kanalquerschnitt in Form und Größe, z. B. rechteckig, kreisförmig, dreieckig, sternförmig, vieleckig, sowie Unterschiede in Länge und Kanalführung, z. B. gerade, gebogen, meanderförmig, spiralförmig, genutzt werden, um den Kapillardruck und die Dampfmenge richtig einzustellen.used one channels as a capillary, so may differences in the channel cross section in shape and size, z. Rectangular, circular, triangular, star-shaped, polygonal, as well as differences in length and channel guidance, z. Straight, curved, meandering, spiral, be used to correct the capillary pressure and the amount of steam adjust.
Verwendet man Kapillarmaterial als Kapillare, so können bei faserartigen Materialien die Faserzwischenräume, bei porösen, schaumartigen, schwammartigen und gelartigen Materialien die miteinander im offenen Verbund stehenden Poren als Kapillaren genutzt werden.used one capillary material as capillary, so can with fibrous Materials the fiber interstices, in porous, foam-like, sponge-like and gel-like materials with each other in open composite pores are used as capillaries.
Bei faserartigen Kapillarmaterialien können Unterschiede im Faserquerschnitt, z. B. rund, lamellenartig, in der Faserstruktur, z. B. gerichtet, ungerichtet, lange Fasern, kurze Fasern, geschnitten, gebrochen, im Fasermaterial selbst, in der Faserverarbeitung, Filz, Vlies, Gewebe, Docht, sowie in der Menge genutzt werden, um den Kapillardruck und die Dampfmenge richtig einzustellen.at fibrous capillary materials may have differences in Fiber cross section, z. B. round, lamellar, in the fiber structure, z. B. directed, undirected, long fibers, short fibers, cut, broken, in the fiber material itself, in fiber processing, felt, Fleece, fabric, wick, as well as in the amount to be used to the Capillary pressure and adjust the amount of steam properly.
Bei porösen, schwammartigen, schaumartigen und gelartigen Kapillarmaterialien können Unterschiede der Porengröße, des Materials, der Porengrößenverteilung, dem Grad der Offenporigkeit, der Kompressibilität sowie der Menge genutzt werden, um den Kapillardruck und die Dampfmenge richtig einzustellen. Materialien sind insbesondere Keramiken, Gläser, Aerogel, Polymere und Viskose.at porous, spongy, foamy and gelatinous capillary materials Differences in pore size, the Materials, the pore size distribution, the degree porosity, compressibility and quantity be used to properly adjust the capillary pressure and the amount of steam. Materials are especially ceramics, glasses, airgel, Polymers and viscose.
Es ist weiter bevorzugt, dass mittels Kapillarkraft eine Druckdifferenz zwischen Reservoir und Verdampfungszone oder zwischen Abscheider und Verdampfungszone im Bereich von 1 mbar bis 10 bar erzeugt wird.It is further preferred that by means of capillary force a pressure difference between reservoir and evaporation zone or between separators and evaporation zone in the range of 1 mbar to 10 bar is generated.
Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass die flüssige Phase während des Transports durch die Kapillare von Verunreinigungen, insbesondere Partikeln, gereinigt wird.A Another preferred variant provides that the liquid Phase during transport through the capillary of impurities, especially particles, is purified.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Austrag der flüssigen Phase aus der Kapillare in die Verdampfungszone durch Verdunstung, Verdampfung, mittels eines Sorptionsmittels, durch eine weitere Kapillare mit gegenüber der ersten Kapillare kleinerem hydraulischem Durchmesser und/oder durch chemische Reaktion erfolgt.It is further preferred that the discharge of the liquid Phase from the capillary into the evaporation zone by evaporation, Evaporation, by means of a sorbent, by another Capillary with less hydraulic than the first capillary Diameter and / or done by chemical reaction.
Erfindungsgemäß wird ebenso eine Thermo-Kapillar-Pumpe bereitgestellt, die folgende Komponenten enthält:
- • ein Reservoir, gefüllt mit einem Gemisch mit mindestens einer flüssigen Phase und/oder ein Abscheider zur Abscheidung mindestens einer flüssigen Phase aus einem Gemisch aus min destens einer flüssigen und einer gasförmigen Phase,
- • eine in Verbindung mit einer Wärmequelle stehende Verdampfungszone zum Verdampfen der mindestens einen flüssigen Phase,
- • mindestens eine Kapillare zum Transport der flüssigen Phase vom Reservoir in die Verdampfungszone mittels Kapillareffekt.
- A reservoir filled with a mixture having at least one liquid phase and / or a separator for separating at least one liquid phase from a mixture of at least one liquid and one gaseous phase,
- • one in connection with a heat source evaporation zone for evaporating the at least one liquid phase,
- • at least one capillary for transporting the liquid phase from the reservoir to the evaporation zone by capillary action.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die mindestens eine Kapillare mit einem porösen und/oder faserartigen und/oder schaumartigen und/oder schwammartigen Material und/oder einem Gel zur Steigerung des Kapillareffekts zumindest teilweise gefüllt oder beschichtet ist.Farther it is preferred that the at least one capillary with a porous and / or fibrous and / or foamy and / or sponge-like Material and / or a gel to increase the capillary effect at least partially filled or coated.
Vorzugsweise weist die mindestens eine Kapillare einen hydraulischen Durchmesser im Bereich von 1 nm bis 1000 μm auf. Dabei kann die Länge der Kapillare im Bereich von 1 mm bis 100 cm variieren.Preferably the at least one capillary has a hydraulic diameter in the range of 1 nm to 1000 microns. The length can be the capillary vary in the range of 1 mm to 100 cm.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein mikrofluidischer Kühlkreislauf bereitgestellt, der mindestens eine Thermo-Kapillar-Pumpe, wie sie zuvor beschrieben wurde, sowie mindestens einen Abwärme erzeugenden Reaktor sowie mindestens eine Zuleitung vom Reaktor zum Reservoir aufweist.According to the invention also provided a microfluidic cooling circuit, the at least one thermal capillary pump as previously described was, as well as at least one waste heat generating reactor and at least one supply line from the reactor to the reservoir.
Vorzugsweise weist der Kühlkreislauf eine Mischungszone zur Mischung des sich in der Verdampfungszone bildenden Dampfes mit mindestens einer weiteren gasförmigen Substanz, insbesondere separat gebildetem Dampf, auf. Die Mischzone ist dabei vorzugsweise unmittelbar der Verdampfungszone nachgeschaltet.Preferably the cooling circuit has a mixing zone to the mixture the forming in the evaporation zone steam with at least one another gaseous substance, in particular separately formed Steam, up. The mixing zone is preferably directly the Downstream evaporation zone.
Vorzugsweise weist der Kühlkreislauf als Reaktor einen Brenner einer Brenner-Reformer-Einheit auf.Preferably the cooling circuit has a burner as a reactor Burner reformer unit on.
Die erfindungsgemäße Thermo-Kapillar-Pumpe wird vorzugsweise in Bereichen eingesetzt, an denen gezielt Abwärme eines Prozesses abgegriffen werden kann. Ist die Temperatur der Abwärme größer als die Solltemperatur des Prozesses (z. B. Brenner in einer Brenner-Reformer-Einheit) wird mehr Flüssigkeit verdampft als ein vorgegebener Sollwert. Dies führt zu einer erhöhten Reformeraktivität (Dampfreformer) und somit zu einer Absenkung der Brenntemperatur. Ist die Brennertemperatur kleiner als die Solltemperatur, wird weniger Flüssigkeit verdampft als der Sollwert. Dies führt zu einer Verringerung der Reformeraktivität und damit zu einer Erhöhung der Brennertemperatur.The Thermo-capillary pump according to the invention is preferably used in areas where specifically waste heat of a Process can be tapped. Is the temperature of the waste heat greater than the target temperature of the process (eg. B. burner in a burner reformer unit) is more liquid evaporates as a predetermined setpoint. this leads to an increased reformer activity (steam reformer) and thus to a reduction in the firing temperature. If the burner temperature is lower as the set temperature, less liquid is evaporated as the setpoint. This leads to a reduction of Reformer activity and thus to an increase the burner temperature.
In einer bevorzugten Variante kann für den Systemstart eine elektrische Beheizung der Kapillare in der Verdampfungszone vorgesehen werden. Mittels Joulescher Wärme wird die flüssige Phase vorgewärmt und verdampft. Dadurch wird die flüssige Phase als Gasphase aus der Kapillaren ausgetragen und der Transport der flüssigen Phase mittels Kapillarkraft wird aufrechterhalten.In a preferred variant can for the system start a provided electrical heating of the capillary in the evaporation zone become. By Joulescher heat is the liquid Phase preheated and evaporated. This turns the liquid phase discharged as gas phase from the capillaries and the transport of the liquid phase by capillary force is maintained.
Anhand der nachfolgenden Figur soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigte spezielle Ausführungsform einschränken zu wollen.Based the following figure is the inventive Subject to be explained in more detail, without this restrict to the specific embodiment shown here to want.
In
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Effective date: 20130501 |