DE19860227C1 - Mikropumpe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mikropumpe zur Förderung einer Flüssigkeit aus einem Speicherbereich in einen Weiterverarbeitungsbereich, wobei der Speicherbereich und der Weiterverarbeitungsbereich mittels einer Kapillarstruktur, insbesondere eines Hohlfaserbündels, über welche zu fördernde Flüssigkeit aus dem Speicherbereich in den Weiterverarbeitungsbereich förderbar ist, verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikropumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In zahlreichen technischen Anwendungen ist es notwendig, klein­ ste Mengen von Flüssigkeiten zu transportieren. Beispielsweise bei Gaserzeugungssystemen in der Brennstoffzellentechnik müssen kleinste Reaktandenmengen, üblicherweise Wasser und ein Kohlen­ wasserstoff, einem Umwandlungsprozeß zur Erzeugung von Wasser­ stoff zugeführt werden. Neben einem kleinen und kompakten Auf­ bau wird an ein derartiges Fördersystem zusätzlich die Forde­ rung einer kostengünstigen Herstellung gestellt.

Aus der DE 196 48 694 C1 ist eine bidirektionale dynamische Mi­ kropumpe für kleine Flüssigkeitsmengen bekannt. Diese weist auf einem Silizium-Wafer durch anisotropes Ätzen eingebrachte Strukturen auf, welche eine Pumpkammer und zwei unterschiedli­ che Kanäle definieren. Derartige Pumpen erweisen sich als rela­ tiv aufwendig in der Herstellung.

Aus der DE 42 43 860 A1 ist eine mikrominiaturisierte elektro­ statische Pumpe bekannt. Diese weist Elektroden auf, die aus mindestens zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordne­ ten, mit unterschiedlichem Potential beaufschlagten Reihen von Stäben, die senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtet sind und auf einem elektrische Leiterbahnen aufweisenden Bandteil gemeinsam aufgebracht sind, auf. Die Mikrostruktur der Pumpe wird hinsichtlich Gestalt und gegenseitiger Anordnung der Elek­ troden unter Einsatz der Röntgentiefenlithografie hergestellt.

Schließlich ist aus der DE 297 08 673 U1 eine Mikromembranpum­ pe bekannt, die eine Vorrichtung zum Auslenken der Pumpmem­ bran, ein Einlaßventil und ein Auslaßventil umfaßt, wobei eine sich zwischen einer eine Pumpkammerwand bildende Gehäusewand und der Pumpmembran befindende Pumpkammer mit den beiden Ven­ tilen verbunden ist, wobei die Pumpkammer so ausgebildet ist, daß die Pumpmembran im entleerten Zustand der Pumpkammer an der Pumpkammerwand anliegt. Derartige Membranmechanismen er­ weisen sich bei kontinuierlicher Belastung als störanfällig. Ferner baut eine derartige Mikromembranpumpe relativ groß.

Aus der DE 19 65 399 A1 ist ein Pumpapparat bekannt, bei dem Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsreservoir mittels einer Pumpvorrichtung einer an ein Katheter oder eine Kanüle an­ schließbaren Kupplung zugeführt wird. Der Pumpapparat verfügt über einen in einem Abschnitt eines Auslaßkanals der Pumpvor­ richtung angeordneten Kapillareinsatz zur Flußbegrenzung in dem Kanal.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Mikropumpe, ins­ besondere für die Wasserstofferzeugung aus Kohlenwasserstof­ fen, welche klein baut und in einfacher und zuverlässiger Wei­ se betreibbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Mikropumpe mit den Merk­ malen des Patentanspruchs 1.

Mit der erfindungsgemäßen Mikropumpe ist eine sehr preiswert herzustellende Mikropumpe, die gleichzeitig einen sehr kompak­ ten Aufbau aufweist, zur Verfügung gestellt. Ferner sind kleinste Flüssigkeitsmengen mittels der erfindungsgemäßen Mi­ kropumpe in einfacher Weise dosierbar. Der Weiterverarbei­ tungsbereich ist als Verdampfungsbereich ausgebildet, in wel­ chem die geförderte Flüssigkeit verdampfbar ist. Hiermit sind kleinste Mengen Dampf bzw. Gas, welche beispielsweise für die Umwandlung von Kohlenwasserstoff in den Wasserstoff benötigt werden, in einfacher und sehr genau dosierbarer Weise her­ stellbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Mikropumpe sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mikropumpe ist der Weiterverarbeitungsbereich als Verdamp­ fungsbereich ausgebildet, in welchem die geförderte Flüssig­ keit verdampfbar ist. Hiermit sind kleinste Mengen Dampf bzw. Gas, welche beispielsweise für die Umwandlung von Kohlenwas­ serstoffen in Wasserstoff benötigt werden, in einfacher und sehr genau dosierbarer Weise herstellbar.

Zweckmäßigerweise ist der Verdampfungsbereich wenigstens in seinem Bodenbereich zur gleichmäßigen Verteilung der geförder­ ten Flüssigkeit in dem Verdampfungsbereich mit einer Kapillar­ struktur ausgebildet. Hiermit ist eine besonders rasche und gleichmäßige Verdampfung erzielbar.

Zweckmäßigerweise ist der Verdampfungsbereich beheizbar ausge­ bildet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfin­ dungsgemäßen Mikropumpe kann die Flüssigkeitsförderung dadurch unterbrochen werden, daß das Niveau der zu fördernden Flüssig­ keit unter die Unterkante der Kapillarstruktur abgesenkt wird, und/oder die Kapillarstruktur verschiebbar gelagert ist.

Es ist ferner möglich, die Flüssigkeitsförderung mittels eines Schiebers, welcher zwischen den Verdampfungsbereich und die Kapillarstruktur verschiebbar ist, zu unterbrechen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mikropumpe wird nun anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläu­ tert. In dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische seitliche Schnittansicht einer Mikropumpe zur Verwendung in einem Mikro- Gaserzeugungssystem.

Die in Fig. 1 dargestellte Mikropumpe weist einen Speicherbe­ reich 1 auf, in dem eine zu fördernde Flüssigkeit 2 speicher­ bar ist. Der Speicherbereich wird durch eine Wandung 1a be­ grenzt. Mittels (nicht dargestellter) Ein- und Auslaßmittel ist das Flüssigkeitsniveau innerhalb des Speicherbereiches 1 anhebbar bzw. absenkbar. Auf der Oberseite der Wandung 1a des Speicherbereiches 1 ist eine Isolation 3 aufgebracht, auf wel­ cher wiederum eine Wandung 4a eines Verdampfungsbereiches 4 angeordnet ist. Die Wandungen 1a, 4a der Speicherbereiche 1, 4 sowie die Isolierung 3 weisen fluchtende Ausnehmungen auf, durch welche eine als Hohlfaserbündel 5 ausgebildete Kapillarstruktur durch­ geführt ist. Auf der Bodenseite des Verdampfungsbereiches 4 (Innenseite der Wandung 4a) ist ferner eine mit dem Hohlfaser­ bündel 5 kommunizierende, weitere Kapillarstruktur 6 ausgebil­ det. In die Bodenwandung des Verdampfungsbereiches 4 ist ferner eine Heizeinrichtung 7 eingebracht. Diese Heizeinrichtung kann insbesondere als elektrische Heizeinrichtung ausgebildet sein. In dem oberen Wandungsbereich des Verdampfungsbereiches 4 ist ferner ein Auslaß 8 vorgesehen.

Ist das Flüssigkeitsniveau der Flüssigkeit 2 innerhalb des Speicherbereiches 1 so hoch, daß die Unterseite des Hohlfaser­ bündels 5 mit der Flüssigkeit 2 in Berührung kommt, wird mit­ tels des Kapillareffekts Flüssigkeit 2 über das Hohlfaserbündel 5 in den Verdampfungsbereich 4 gefördert. Mittels der weiteren Kapillarstruktur 6 ist hierbei gewährleistet, daß eine gleich­ mäßige Verteilung der geförderten Flüssigkeit in dem Bodenbe­ reich des Verdampfungsbereiches 4 erfolgt. Die Förderhöhe, die mit einem derartigen Hohlfaserbündel überwunden werden kann, hängt von der Oberflächenspannung der zu fördernden Flüssigkeit 2 und den Durchmessern der einzelnen Hohlfasern des Hohlfaser­ bündels 5 ab. Die geförderte Flüssigkeitsmenge wird zusätzlich durch die Viskosität der Flüssigkeit 2 beeinflußt.

Im Verdampfungsbereich 4 angelangt, wird die Flüssigkeit 2 un­ ter Entzug von Wärme verdampft. Entsprechend der mittels der Heizeinrichtung 7 diesem Bereich zugeführten Wärme kommt es mit steigender Temperatur zu einem Anstieg der verdampften Flüssig­ keitsmenge, welche durch das Hohlfaserbündel 5 wieder nachge­ fördert wird. Mit zunehmender Temperatur wird die maximale Ver­ dampfungsmenge durch die Abmaße des Hohlfaserbündels 5 be­ stimmt, so daß über einen bestimmten Temperaturbereich eine temperaturunabhängige Fördermenge einstellbar ist. Dieser Ef­ fekt kann insbesondere dann ausgenutzt werden, wenn mehrere Flüssigkeiten gefördert werden, und in der Gasphase vermischt werden sollen. Hierzu sind beispielsweise mehrere (nicht darge­ stellte) Speicherbereiche, in denen verschiedene Flüssigkeiten gespeichert werden, über entsprechende Kapillarstrukturen mit dem Verdampfungsbereich verbindbar.

Es erweist sich als vorteilhaft, als Hohlfaserbündelmaterial ein Material mit schlechter Wärmeleitung zu verwenden, so daß verhindert werden kann, daß es bereits im Speicherbereich zu einer Verdampfung von Flüssigkeit kommt.

Die Flüssigkeitsförderung kann beispielsweise dadurch unterbro­ chen werden, daß das Niveau der zu fördernden Flüssigkeit 2 un­ ter die Unterkante der Kapillarstruktur 5 abgesenkt wird. Es ist ferner möglich, die Kapillarstruktur 5 längsverschiebbar zu lagern, so daß sie über das Niveau der Flüssigkeit 2 angehoben werden kann. Es wäre zur Unterbrechung der Flüssigkeitsförde­ rung ebenfalls denkbar, einen (nicht dargestellten) Schieber zwischen die Kapillarstruktur 5 und den Verdampfungsbereich 4 einzuschieben.

Claims (5)

1. Mikropumpe zur Förderung einer Flüssigkeit (2) aus einem Speicherbereich (1) in einen Weiterverarbeitungsbereich (4), dadurch gekennzeichnet,
daß der Speicherbereich (1) und der Weiterverarbeitungsbereich (4) mittels einer Kapillarstruktur (5), insbesondere eines Hohlfaserbündels, über welche zu fördernde Flüssigkeit (2) aus dem Speicherbereich (1) in den Weiterverarbeitungsbereich (4) förderbar ist, verbunden sind
und daß der Weiterverarbeitungsbereich (4) als Verdampfungsbereich ausgebildet ist, in welchem die geförderte Flüssigkeit (2) verdampfbar ist.

2. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungsbereich (4) wenigstens in seinem Bodenbereich zur gleichmäßigen Verteilung von geförderter Flüssigkeit in dem Verdampfungsbereich mit einer Kapillarstruktur (6) ausgebildet ist.

3. Mikropumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungsbereich (4), insbesondere mittels einer Heizeinrichtung (7), beheizbar ausgebildet ist.

4. Mikropumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsförderung dadurch unterbrochen werden kann, daß das Niveau der zu fördernden Flüssigkeit (2) in dem Speicherbereich (1) unter die Unterkante der Kapillarstruktur (5) absenkbar ist, und/oder die Kapillarstruktur (5) verschiebbar gelagert ist.

5. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterbrechung der Flüssigkeitsförderung ein Schieber zwischen die Kapillarstruktur (5) und den Verdampfungsbereich (4) schiebbar ist.