DE3610674A1 - Verfahren und vorrichtung zur foerderung von fluessigen oder gasfoermigen fluiden - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fördern von flüssigen oder gasförmigen Fluiden ohne mechanisch betriebene Antriebselemente.

Für verschiedene Anwendungszwecke, insbesondere im Weltraumlabor unter verminderter Erdschwere ist es erforderlich Pumpen zur Verfügung zu haben, die ohne bewegliche Antriebselemente auskommen, und die keine Restbeschleunigung aufweisen. Pumpen, die ohne bewegliche Antriebselemente auskommen, d. h. solche, die beispielsweise die Wärmekonvektion ausnützen sind bereits bekannt. Ihr Einsatz im Weltraumlabor ist jedoch nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche auch unter Weltraumbedingungen, insbesondere ohne Schwerkraft, ein Fluid fördern können, ohne daß dabei mechanisch bewegliche Antriebselemente erforderlich sind, und ohne daß dabei Restbeschleunigungen auftreten.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß an dem zu fördernden Fluid eine Grenzfläche zu einem weiteren Fluid aufgebaut und an dieser Grenzfläche ein Spannungsgefälle erzeugt wird, so daß zum Antrieb des Förderstromes der sogenannte Marangoni-Effekt ausgenutzt wird. Dieser Effekt ist bereits seit langem bekannt und in der Literatur eingehend beschrieben. Er wird hier erstmals für die Förderung eines Flüssigkeitsstromes ausgenutzt. Dieser Effekt ist im Gegensatz zur Wärmekonvektion unabhängig von der Schwerkraft und kann daher auch im Weltraumlabor benutzt werden. Tatsächlich ist es so, daß sich bei diesem Effekt die Schwerkraft eher nachteilig auswirkt. Abgesehen hiervon lassen sich kleinste Mengen dosieren.

Vorzugsweise wird das Spannungsgefälle durch ein Temperaturgefälle, ein Konzentrationsgefälle einer im Fluid gelösten Komponente oder durch ein Gefälle der elektrischen Ladung erzeugt. Hierdurch ist es möglich, die nicht mechanische Energie ohne mechanisch betriebene Antriebselemente direkt in Bewegungsenergie umzuwandeln. Außerdem ist es möglich, eine doppelte Funktion, d. h. einen Stoffaustausch und die Förderung der gelösten Komponenten zu erfüllen.

Die Fluide dürfen sich nicht miteinander mischen, so daß eine Grenzfläche ausgebildet werden kann. Darüber hinaus kann durch die Fluide ein Druckausgleich bzw. eine Druckeinstellung gegenüber der Grenzfläche hergestellt werden.

Zweckmäßigerweise sind die Grenzflächen des zu fördernden Fluids zwischen einer Zu- und einer Ableitung angeordnet, wobei längs dieser Grenzflächen, d. h. zwischen Zu- und Ableitung ein Gefälle der Oberflächenspannung aufgebaut wird. Eine derartige Anordnung ist außerordentlich einfach im Aufbau. Bewegte Teile sind nicht vorhanden, so daß eine hohe Störsicherheit erreichbar ist.

Die Zu- und Ableitung sind rohrförmig ausgebildet und in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet, so daß zwischen den Rohrwänden die Grenzflächen des zu fördernden Fluids angeordnet sein können. Die Grenzfläche ist dabei ebenfalls rohrförmig ausgebildet. Der Förderstrom führt dabei in direkter Linie von der Zuleitung zur Ableitung. Im Zwischenraum zwischen den Rohrenden erfolgt an den Grenzflächen infolge des Spannungsgefälles zu einem benachbarten Fluid der Antrieb des Förderstromes ohne das bewegliche Antriebselemente erforderlich wären.

Das dem zu fördernden Fluid benachbarte Fluid ist vorzugsweise in einer Kammer angeordnet, in welche die Zu- und Ableitung hineinreicht. In der Kammer läßt sich der herrschende Druck in einfacher Weise verändern. Dies ist erforderlich, um die Grenzflächen zwischen den beiden Fluiden in der gewünschten Weise einstellen zu können.

Mehrere dieser Pumpen lassen sich nebeneinander und/oder hintereinander schalten, so daß sich die Förderleistung erhöhen läßt.

Einige Ausführungsformen der Erfindung werden im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Pumpe zur Erläuterung des Funktionsprinzips;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Pumpe mit einer Druckausgleichskammer;

Fig. 3 eine Hintereinanderschaltung von Pumpen gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine Hintereinander- und Nebeneinanderschaltung von Pumpen gemäß Fig. 2;

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Pumpenanordnung gemäß Fig. 4.

Fig. 1 stellt schematisch die erfindungsgemäße Pumpe dar. Aus einem Zuführungsrohr 1 wird das zu fördernde Fluid 2 in ein Ableitungsrohr 3 geleitet. Die Rohre 1 und 3 sind koaxial zueinander ausgerichtet, wobei zwischen ihnen ein geringer Abstand vorgesehen ist. Das Fluid 2 bildet zwischen den Rohren 1 und 3 eine zylinderförmige Grenzfläche 4 aus. Außerhalb der Grenzfläche 4 befindet sich ein weiteres Fluid 5, welches beispielsweise die Umgebungsluft sein kann. An der Grenzfläche 4 wird nunmehr ein Gefälle der Oberflächenspannung erzeugt. Hierzu kann beispielsweise ein Temperaturgefälle zwischen dem Zuleitungsrohr 1 und dem Ableitungsrohr 3 benutzt werden. Wie aus dem nebenstehenden Diagramm ersichtlich ist, ist das untere Rohr 3 kalt, so daß die Temperatur T nach oben, d. h. zum Zuführungsrohr 1 hin ansteigt. Dies hat zur Folge, daß die Oberflächenspannung s an der Grenzfläche 4 von oben nach unten ansteigt, wie es dem Diagramm zu entnehmen ist. Es entsteht dabei eine Bewegung entlang der Grenzflächen, wobei diese Bewegung durch die stets vorhandene Zähigkeit eine Strömung in Richtung der Pfeile 6 hervorruft. Dieser Effekt wird als Marangoni-Effekt bezeichnet. Anstelle eines Temperaturgefälles kann auch ein Konzentrationsgefälle oder ein Gefälle der elektrischen Ladung benutzt werden. Die hier entstandene Strömung hängt nicht von der Schwerkraft ab, so daß sich eine derartige Pumpe auch im Weltraumlabor benutzen läßt. Da keinerlei bewegliche Antriebselemente vorhanden sind, treten störende Eigenbeschleunigungen nicht auf, was bei verschiedenen verfahrenstechnischen Prozessen im Weltraumlabor von großer Bedeutung ist. Eine Kontamination des zu fördernden Fluids kann ebenfalls nicht auftreten.

In Fig. 2 ist eine Pumpe im Schnitt dargestellt. Das zu fördernde Fluid 2 befindet sich in einem Behälter 7. In diesem Behälter ist die Zuleitung 1 und die Ableitung 3 untergebracht. An der Außenseite dieser Leitungen ist eine Kammer 8 für das weitere Fluid 5 vorgesehen. Zur Erzeugung des Spannungsgefälles an der Grenzfläche 4 ist eine Vorrichtung 9, beispielsweise eine elektrische Heizung angeordnet. Eine Energiezufuhr erfolgt dabei über eine Leitung 10. Damit eine stabile zylindrische Grenzfläche 4 erhalten werden kann, ist in der Höhe der Grenzfläche ein Druckausgleich zwischen denFluiden 2 und 5 vorgesehen. Hierzu dient ein Zylinder 11 mit einem darin verschiebbaren Kolben 12. Der Kolben 12 verschiebt sich dabei solange bis in Höhe der Grenzfläche 4 keine Druckdifferenz zwischen den Fluiden 2 und 5 besteht. Der Druckausgleich erfolgt dabei selbsttätig. Dabei sind die Absperrorgane 13 und 14 je nach Bedarf zu öffnen oder zu schließen.

Fig. 3 zeigt eine Hintereinanderschaltung mehrerer Pumpen, was zu einer größeren Förderhöhe führt. Die Funktionsweise ist dabei die gleiche wie oben beschrieben. Jede Stufe verfügt dabei über eine eigene Druckausgleichskammer, so daß für jede Höhe der entsprechenden Grenzflächen ein Druckausgleich möglich ist. Die Anzahl der hineinandergeschalteten Pumpen richtet sich nach der gewünschten Förderhöhe.

In Fig. 4 ist eine Nebeneinanderreihenschaltung der Pumpen vorgesehen. Dies ermöglicht einen größeren Durchsatz. In Fig. 5 ist eine Draufsicht auf diese Pumpe dargestellt.

Mit der Pumpe kann zusätzlich zur Förderung eines Fluids ein Stoffaustausch vorgenommen werden. Bei der Pumpe gemäß Fig. 3 kann dabei das Fluid in den Kammern 15-17 eine gelöste Komponente A enthalten. Die sich anschließenden Kammern 18-20 enthalten dabei ein Fluid mit einer anderen Komponente B. Wenn nun das zu fördernde Fluid 2 an den entsprechenden Grenzflächen der Kammern 15-17 vorbeiströmt, diffundiert die Komponente A in das Fluid und wird an den Grenzflächen der folgenden Kammern 18-20 wieder ausgeschieden. In gleicher Weise wird die Komponente B an diesen Grenzflächen aufgenommen und an den anderen Grenzflächen wieder ausgeschieden. Der Stoffaustausch und der Transport finden zwischen den Kammern 15-17 einerseits und 18-20 andererseits statt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Förderung von flüssigen oder gasförmigen Fluiden ohne mechanisch bewegliche Antriebselemente, dadurch gekennzeichnet, daß an dem zu fördernden Fluid eine Grenzfläche zu einem weiteren Fluid aufgebaut und längs dieser Grenzfläche ein Spannungsgefälle erzeugt wird, so daß zum Antrieb des Förderstromes der sogenannte Marangoni-Effekt ausgenutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsgefälle durch ein Temperaturgefälle, ein Konzentrationsgefälle einer im Fluid gelösten Komponente oder ein Gefälle der elektrischen Ladung erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluide nicht miteinander mischbar sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Fluid zum Druckausgleich herangezogen wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 -4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Zuleitung und einer Ableitung Grenzflächen des zu fördernden Fluids angeordnet sind, wobei an diesen Grenzflächen zwischen Zu- und Ableitung ein Gefälle der Oberflächenspannung vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und die Ableitung rohrförmig ausgebildet sind, und beide in einem Abstand voneinander angeordnet sind, welcher durch die Grenzflächen des zu fördernden Fluids überbrückt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächen aus einer rohrförmigen Grenzfläche gebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und die Ableitung in eine Kammer für das weitere Fluid hineinreichen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer mit einer Druckausgleichvorrichtung versehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5-9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere dieser Vorrichtungen nebeneinander und/oder hintereinander geschaltet sind.