專利名稱：用于小型燃料電池散熱的微小型泵的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微型泵，特別涉及一種適用于小型燃料電池散熱的微小型泵裝置，屬于微小型泵技術領域。
背景技術：
燃料電池是一種通過電化學反應直接將化學能轉化成低電壓直流電的裝置。由于燃料電池的能量轉化效率高，系統的效率與負載無關，污染小，操作簡便等特點，燃料電池已經成為一種實用的新型能源。但是如何將燃料電池內部化學反應產生的多余的熱量散出，已經成為制約燃料電池尤其是小型燃料電池的發展的一個很重要問題。
如何在小型燃料電池很小的內部空間中安裝散熱系統？森等人(Sen M.et al.A NovelPump for MEMS Application.ASME J.of Fluid Engr.1996，vol.118，pp624-627.)提出的一種概念性的微小型連續式垂直軸轉子粘性泵模型，為這個問題提供了一個很好的解決途徑。可以通過在小型燃料電池內部安裝尺度微小的微小型粘性泵，利用泵來帶動散熱介質使小型燃料電池內部產生散熱循環而達到散熱的目的。森等人提出的連續式垂直軸轉子粘性泵有一垂直于流動方向轉軸的偏心圓柱轉子非對稱地置于平行的流道中。由于粘性作用，在大小不同的間隙中產生了不同的粘性阻力而推動流體流動。森等人僅僅就微小型泵的構造原理進行了闡述，如圖1所示(其中A普列克斯玻璃容器，B平板，C是轉子軸，d是轉子軸圓形截面直徑，平板B距A底面的距離為h，轉子軸距A底面距離為r)。
目前常見的微小型泵是指尺度在毫米、微米級的流體機械，以尺度小、重量輕、慣量小、能耗低、集成度高為特點。其在醫療，生物，液、氣體流量配給，化學分析，環境監測，微型注射和藥物傳送，集成電路的微冷卻，微小型衛星的推進等領域具有廣泛的應用前景。
但是到目前為止，還沒有一種比較小型的適用于微小型燃料電池內部散熱的微小型泵系統，這種散熱系統必須具備以下特點由于燃料電池內部安裝空間有限，不能采用大規模水循環裝置來散熱；要求散熱裝置體積小，散熱快。為了防止燃料電池的化學反應產生的熱量累積，需要一定的散熱量，因此要求散熱裝置具有一定要求的散熱量。燃料電池本身就是一個發電裝置，其內部存在電能。基本不需要散熱裝置另外安置動力裝置。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種具有一定流量，流動穩定的用于小型燃料電池散熱的微小型泵，使其不僅能夠將燃料電池產生的熱量穩定、迅速的散去，而且體積要小，結構緊湊，便于安裝在燃料電池內部。
本實用新型的技術方案如下
一種用于小型燃料電池散熱的微小型泵，其特征在于所述的微小型泵包括封裝有粘性循環介質的跑道形循環流道，截面為圓形的轉子軸以及驅動轉子軸的電力驅動系統；所述的轉子軸垂直循環流道且偏心置于循環流道中，其中安裝轉子軸的這部分流道是由寬度為S2的寬直線流道和寬度為S2的窄直線流道以及平滑連接兩條直線流道的弧形流道構成；所述弧形流道的上部形狀是由兩道圓弧平滑連接而成；所述安裝轉子軸的這部分流道的結構參數按如下設計a.轉子軸的直徑D與寬直線流道上表面距轉子軸圓形截面上端點的距離S1的比為D∶S1＝2∶3；b.窄直線流道的寬度S3與轉子軸圓形截面直徑D的比為S3∶D＝7∶5；c.寬直線流道的寬度S2與窄直線流道的寬度S3的比為S2∶S3＝15∶7；d.與寬度為S2的寬流道相連的弧形半徑R2與轉子軸直徑D的比為R2∶D＝1∶1～3∶1，其弧形的圓心角θ1＝40°～50°；與寬度為S3的寬流道相連的弧形半徑R1與轉子軸直徑D的比為R1∶D＝1∶1～3∶1，該弧形的圓心角θ2＝60°～70°；e.寬度為S2的寬直線流道其最小有效長度L1與轉子軸直徑D的比L1∶D＝13∶2；寬度為S3的寬直線流道其最小有效長度L2與轉子軸直徑D的比L2∶D＝7∶2。
本實用新型的技術特征還在于與寬直線流道相連的弧形的半徑R2與轉子軸直徑D的比為R2∶D＝2.567∶1，其弧形的圓心角θ1＝44°；與窄直線流道相連的弧形的半徑R1與轉子軸直徑D的比為R1∶D＝1.346∶1，其弧形的圓心角θ2＝67°本實用新型提出的適用于微小型燃料電池內部散熱的微小型泵裝置，是針對微小型燃料電池內部空間小，電力充足的特點進行精心設計的。即通過實驗和數值計算得到了跑道形循環流道的幾何結構。其結構緊湊，便于安裝在微小型燃料電池內部，并且它可以保證在以乙二醇為傳熱介質的情況下跑道形循環流道內部的循環介質流動穩定，使其能夠到達微小型燃料電池的散熱要求。此微小型泵可以通過燃料電池內部的電能來驅動。
圖1為森等人提出的連續式垂直軸轉子泵模型示意圖。
圖2為本裝置中跑道形循環流道的結構示意圖。
圖3為本實用新型的微小型泵的3D模型圖。
圖4為數值計算對全流道進行數值模擬后得到的流線圖。
圖5為微小型泵與電力驅動系統的連接示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的原理和具體實施作進一步的說明。
如圖2和圖3所示，本實用新型包括密封的跑道形循環流道2，充滿整個跑道形循環流道的粘性循環介質，垂直跑道形循環流道的圓形截面轉子軸1以及驅動轉子軸的電力驅動系統。所述的轉子軸l垂直循環流道且偏心置于循環流道中，其中安裝轉子軸的這部分流道是由寬度為S2的寬直線流道和寬度為S3的窄直線流道以及平滑連接兩條直線流道的弧形流道構成，轉子軸的直徑D與循環流道上表面距轉子軸圓形截面上端點的距離S1的比為D∶S1＝2∶3；窄直線流道的寬度S3與轉子軸圓形截面直徑D的比為S3∶D＝7∶5；寬直線流道的寬度S2與窄直線流道的寬度S3的比值為S2∶S3＝15∶7；連接寬窄直線流道的弧形流道的上部形狀是由兩道圓弧平滑連接而成，與寬度為S2的寬直線流道相連的弧形的半徑R2與轉子軸圓形截面直徑D的比為R2∶D＝1∶1～3∶1，優化值為S2∶D＝2.567∶1；其弧形的圓心角θ1＝40°～50°，優化值θ1＝44°；而與寬度為S3的窄直線流道相連的弧形的半徑R1與轉子軸圓形截面直徑D的比值為R1∶D＝1∶1～3∶1，其優化值R1∶D＝1.346∶1，該弧形的圓心角θ2＝60°～70°，其優化值θ2＝67°。寬度為S2的寬直線流道其最小有效長度L1與轉子軸截面直徑D的比值L1∶D＝13∶2。寬度為S2的寬直線流道其最小有效長度L2與轉子軸截面直徑D的比值L2∶D＝7∶2。流道的其余部分用等寬度跑道形流道來連接，使其達到可以使散熱介質流到微小型燃料電池需要的部分并且散熱介質流動平穩的目的。
上述裝置中的在跑道形循環流道中充滿的粘性循環介質可以采用丙酮、甘油或乙二醇等。本裝置最好采用乙二醇，其粘性和密度適合本系統特定的跑道形循環流道的流量要求。轉子軸的截面形狀經過反復試驗得出圓形是比較理想的形狀。圖4為采用乙二醇為循環介質利用流體計算軟件計算得到的二維循環流道流線圖。在圖中可以清楚的看出在轉子軸周圍產生了漩渦，而在流道的其它部分流動平穩。
圖5為微小型泵與電力驅動系統的連接示意圖。設計的微小型泵的轉子軸通過一個連軸器與電力驅動系統相連，該電力驅動系統包括電源、步進電機、與電源相連的步進電機控制器和步進電機驅動器。電力驅動系統采用PMC1110單軸步進控制器系統。也可以采用其他驅動系統代替。
本裝置的工作原理及工作過程如下根據燃料電池散熱的要求，本裝置采用微小型泵構造原理——粘性泵來實現燃料電池內部的散熱問題。
在優化設計過的跑道形循環流道內注滿循環介質，利用電力驅動系統帶動偏心置于循環流道中的轉子軸旋轉，其中轉子軸轉速可以通過步進電機控制器進行調解。在放置轉子的部分循環流道中，由于上下不同的間隙中產生了不同的粘性阻力而推動循環介質流動，一段時間以后流道內的粘性介質流動趨于穩定，從而通過粘性介質的流動循環傳導微小型電池內部所產生的熱量，達到散熱的目的。
權利要求1.一種用于小型燃料電池散熱的微小型泵，其特征在于所述的微小型泵包括封裝有粘性循環介質的跑道形循環流道(2)，截面為圓形的轉子軸(1)；所述的轉子軸垂直循環流道且偏心置于循環流道中，其中安裝轉子軸的這部分流道是由寬度為S2的寬直線流道和寬度為S3的窄直線流道以及平滑連接兩條直線流道的弧形流道構成；所述弧形流道的上部形狀是由兩道圓弧平滑連接而成；所述安裝轉子軸的這部分流道的結構參數按如下設計a.轉子軸的直徑D與寬直線流道上表面距轉子軸圓形截面上端點的距離S1的比為D∶S1＝2∶3；b.窄直線流道的寬度S3與轉子軸圓形截面直徑D的比為S3∶D＝7∶5；c.寬直線流道的寬度S2與窄直線流道的寬度S3的比為S2∶S3＝15∶7；d.與寬度為S2的寬流道相連的弧形半徑R2與轉子軸直徑D的比為R2∶D＝1∶1～3∶1，其弧形的圓心角θ1＝40°～50°；與寬度為S3的寬流道相連的弧形半徑R1與轉子軸直徑D的比為R1∶D＝1∶1～3∶1，該弧形的圓心角θ2＝60°～70°；e.寬度為S2的寬直線流道其最小有效長度L1與轉子軸直徑D的比L1∶D＝13∶2；寬度為S3的寬直線流道其最小有效長度L2與轉子軸直徑D的比L2∶D＝7∶2。
2.如權利要求1所述的微小型泵，其特征在于與寬直線流道相連的弧形的半徑R2與轉子軸直徑D的比為R2∶D＝2.567∶1，其弧形的圓心角θ1＝44°；與窄直線流道相連的弧形的半徑R1與轉子軸直徑D的比為R1∶D＝1.346∶1，其弧形的圓心角θ2＝67°。
3.如權利要求1或2所述的微小型泵，其特征在于所述的粘性循環介質為乙二醇。
專利摘要用于小型燃料電池散熱的微小型泵，它含有封裝有粘性循環介質的跑道形循環流道，轉子軸；轉子軸垂直循環流道且偏心置于循環流道中。本實用新型是針對微小型燃料電池內部空間小，電力充足的特點進行精心設計的，即通過實驗和數值計算得到了跑道形循環流道的幾何結構。本實用新型結構緊湊，便于安裝在微小型燃料電池內部，并且它可以保證在以乙二醇為傳熱介質的情況下跑道形循環流道內部的循環介質流動穩定，使其能夠到達微小型燃料電池的散熱要求。此微小型泵可以通過燃料電池內部的電能來驅動。
文檔編號H01M8/02GK2743993SQ20042000980
公開日2005年11月30日 申請日期2004年10月15日 優先權日2004年10月15日
發明者劉樹紅, 邵杰, 吳玉林 申請人:清華大學