专利名称：用于小型燃料电池散热的微小型泵的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种微型泵，特别涉及一种适用于小型燃料电池散热的微小型泵装置，属于微小型泵技术领域。
背景技术：
燃料电池是一种通过电化学反应直接将化学能转化成低电压直流电的装置。由于燃料电池的能量转化效率高，系统的效率与负载无关，污染小，操作简便等特点，燃料电池已经成为一种实用的新型能源。但是如何将燃料电池内部化学反应产生的多余的热量散出，已经成为制约燃料电池尤其是小型燃料电池的发展的一个很重要问题。
如何在小型燃料电池很小的内部空间中安装散热系统？森等人(Sen M.et al.A NovelPump for MEMS Application.ASME J.of Fluid Engr.1996，vol.118，pp624-627.)提出的一种概念性的微小型连续式垂直轴转子粘性泵模型，为这个问题提供了一个很好的解决途径。可以通过在小型燃料电池内部安装尺度微小的微小型粘性泵，利用泵来带动散热介质使小型燃料电池内部产生散热循环而达到散热的目的。森等人提出的连续式垂直轴转子粘性泵有一垂直于流动方向转轴的偏心圆柱转子非对称地置于平行的流道中。由于粘性作用，在大小不同的间隙中产生了不同的粘性阻力而推动流体流动。森等人仅仅就微小型泵的构造原理进行了阐述，如图1所示(其中A普列克斯玻璃容器，B平板，C是转子轴，d是转子轴圆形截面直径，平板B距A底面的距离为h，转子轴距A底面距离为r)。
目前常见的微小型泵是指尺度在毫米、微米级的流体机械，以尺度小、重量轻、惯量小、能耗低、集成度高为特点。其在医疗，生物，液、气体流量配给，化学分析，环境监测，微型注射和药物传送，集成电路的微冷却，微小型卫星的推进等领域具有广泛的应用前景。
但是到目前为止，还没有一种比较小型的适用于微小型燃料电池内部散热的微小型泵系统，这种散热系统必须具备以下特点由于燃料电池内部安装空间有限，不能采用大规模水循环装置来散热；要求散热装置体积小，散热快。为了防止燃料电池的化学反应产生的热量累积，需要一定的散热量，因此要求散热装置具有一定要求的散热量。燃料电池本身就是一个发电装置，其内部存在电能。基本不需要散热装置另外安置动力装置。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种具有一定流量，流动稳定的用于小型燃料电池散热的微小型泵，使其不仅能够将燃料电池产生的热量稳定、迅速的散去，而且体积要小，结构紧凑，便于安装在燃料电池内部。
本实用新型的技术方案如下
一种用于小型燃料电池散热的微小型泵，其特征在于所述的微小型泵包括封装有粘性循环介质的跑道形循环流道，截面为圆形的转子轴以及驱动转子轴的电力驱动系统；所述的转子轴垂直循环流道且偏心置于循环流道中，其中安装转子轴的这部分流道是由宽度为S2的宽直线流道和宽度为S2的窄直线流道以及平滑连接两条直线流道的弧形流道构成；所述弧形流道的上部形状是由两道圆弧平滑连接而成；所述安装转子轴的这部分流道的结构参数按如下设计a.转子轴的直径D与宽直线流道上表面距转子轴圆形截面上端点的距离S1的比为D∶S1＝2∶3；b.窄直线流道的宽度S3与转子轴圆形截面直径D的比为S3∶D＝7∶5；c.宽直线流道的宽度S2与窄直线流道的宽度S3的比为S2∶S3＝15∶7；d.与宽度为S2的宽流道相连的弧形半径R2与转子轴直径D的比为R2∶D＝1∶1～3∶1，其弧形的圆心角θ1＝40°～50°；与宽度为S3的宽流道相连的弧形半径R1与转子轴直径D的比为R1∶D＝1∶1～3∶1，该弧形的圆心角θ2＝60°～70°；e.宽度为S2的宽直线流道其最小有效长度L1与转子轴直径D的比L1∶D＝13∶2；宽度为S3的宽直线流道其最小有效长度L2与转子轴直径D的比L2∶D＝7∶2。
本实用新型的技术特征还在于与宽直线流道相连的弧形的半径R2与转子轴直径D的比为R2∶D＝2.567∶1，其弧形的圆心角θ1＝44°；与窄直线流道相连的弧形的半径R1与转子轴直径D的比为R1∶D＝1.346∶1，其弧形的圆心角θ2＝67°本实用新型提出的适用于微小型燃料电池内部散热的微小型泵装置，是针对微小型燃料电池内部空间小，电力充足的特点进行精心设计的。即通过实验和数值计算得到了跑道形循环流道的几何结构。其结构紧凑，便于安装在微小型燃料电池内部，并且它可以保证在以乙二醇为传热介质的情况下跑道形循环流道内部的循环介质流动稳定，使其能够到达微小型燃料电池的散热要求。此微小型泵可以通过燃料电池内部的电能来驱动。
图1为森等人提出的连续式垂直轴转子泵模型示意图。
图2为本装置中跑道形循环流道的结构示意图。
图3为本实用新型的微小型泵的3D模型图。
图4为数值计算对全流道进行数值模拟后得到的流线图。
图5为微小型泵与电力驱动系统的连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和具体实施作进一步的说明。
如图2和图3所示，本实用新型包括密封的跑道形循环流道2，充满整个跑道形循环流道的粘性循环介质，垂直跑道形循环流道的圆形截面转子轴1以及驱动转子轴的电力驱动系统。所述的转子轴l垂直循环流道且偏心置于循环流道中，其中安装转子轴的这部分流道是由宽度为S2的宽直线流道和宽度为S3的窄直线流道以及平滑连接两条直线流道的弧形流道构成，转子轴的直径D与循环流道上表面距转子轴圆形截面上端点的距离S1的比为D∶S1＝2∶3；窄直线流道的宽度S3与转子轴圆形截面直径D的比为S3∶D＝7∶5；宽直线流道的宽度S2与窄直线流道的宽度S3的比值为S2∶S3＝15∶7；连接宽窄直线流道的弧形流道的上部形状是由两道圆弧平滑连接而成，与宽度为S2的宽直线流道相连的弧形的半径R2与转子轴圆形截面直径D的比为R2∶D＝1∶1～3∶1，优化值为S2∶D＝2.567∶1；其弧形的圆心角θ1＝40°～50°，优化值θ1＝44°；而与宽度为S3的窄直线流道相连的弧形的半径R1与转子轴圆形截面直径D的比值为R1∶D＝1∶1～3∶1，其优化值R1∶D＝1.346∶1，该弧形的圆心角θ2＝60°～70°，其优化值θ2＝67°。宽度为S2的宽直线流道其最小有效长度L1与转子轴截面直径D的比值L1∶D＝13∶2。宽度为S2的宽直线流道其最小有效长度L2与转子轴截面直径D的比值L2∶D＝7∶2。流道的其余部分用等宽度跑道形流道来连接，使其达到可以使散热介质流到微小型燃料电池需要的部分并且散热介质流动平稳的目的。
上述装置中的在跑道形循环流道中充满的粘性循环介质可以采用丙酮、甘油或乙二醇等。本装置最好采用乙二醇，其粘性和密度适合本系统特定的跑道形循环流道的流量要求。转子轴的截面形状经过反复试验得出圆形是比较理想的形状。图4为采用乙二醇为循环介质利用流体计算软件计算得到的二维循环流道流线图。在图中可以清楚的看出在转子轴周围产生了漩涡，而在流道的其它部分流动平稳。
图5为微小型泵与电力驱动系统的连接示意图。设计的微小型泵的转子轴通过一个连轴器与电力驱动系统相连，该电力驱动系统包括电源、步进电机、与电源相连的步进电机控制器和步进电机驱动器。电力驱动系统采用PMC1110单轴步进控制器系统。也可以采用其他驱动系统代替。
本装置的工作原理及工作过程如下根据燃料电池散热的要求，本装置采用微小型泵构造原理——粘性泵来实现燃料电池内部的散热问题。
在优化设计过的跑道形循环流道内注满循环介质，利用电力驱动系统带动偏心置于循环流道中的转子轴旋转，其中转子轴转速可以通过步进电机控制器进行调解。在放置转子的部分循环流道中，由于上下不同的间隙中产生了不同的粘性阻力而推动循环介质流动，一段时间以后流道内的粘性介质流动趋于稳定，从而通过粘性介质的流动循环传导微小型电池内部所产生的热量，达到散热的目的。
权利要求1.一种用于小型燃料电池散热的微小型泵，其特征在于所述的微小型泵包括封装有粘性循环介质的跑道形循环流道(2)，截面为圆形的转子轴(1)；所述的转子轴垂直循环流道且偏心置于循环流道中，其中安装转子轴的这部分流道是由宽度为S2的宽直线流道和宽度为S3的窄直线流道以及平滑连接两条直线流道的弧形流道构成；所述弧形流道的上部形状是由两道圆弧平滑连接而成；所述安装转子轴的这部分流道的结构参数按如下设计a.转子轴的直径D与宽直线流道上表面距转子轴圆形截面上端点的距离S1的比为D∶S1＝2∶3；b.窄直线流道的宽度S3与转子轴圆形截面直径D的比为S3∶D＝7∶5；c.宽直线流道的宽度S2与窄直线流道的宽度S3的比为S2∶S3＝15∶7；d.与宽度为S2的宽流道相连的弧形半径R2与转子轴直径D的比为R2∶D＝1∶1～3∶1，其弧形的圆心角θ1＝40°～50°；与宽度为S3的宽流道相连的弧形半径R1与转子轴直径D的比为R1∶D＝1∶1～3∶1，该弧形的圆心角θ2＝60°～70°；e.宽度为S2的宽直线流道其最小有效长度L1与转子轴直径D的比L1∶D＝13∶2；宽度为S3的宽直线流道其最小有效长度L2与转子轴直径D的比L2∶D＝7∶2。
2.如权利要求1所述的微小型泵，其特征在于与宽直线流道相连的弧形的半径R2与转子轴直径D的比为R2∶D＝2.567∶1，其弧形的圆心角θ1＝44°；与窄直线流道相连的弧形的半径R1与转子轴直径D的比为R1∶D＝1.346∶1，其弧形的圆心角θ2＝67°。
3.如权利要求1或2所述的微小型泵，其特征在于所述的粘性循环介质为乙二醇。
专利摘要用于小型燃料电池散热的微小型泵，它含有封装有粘性循环介质的跑道形循环流道，转子轴；转子轴垂直循环流道且偏心置于循环流道中。本实用新型是针对微小型燃料电池内部空间小，电力充足的特点进行精心设计的，即通过实验和数值计算得到了跑道形循环流道的几何结构。本实用新型结构紧凑，便于安装在微小型燃料电池内部，并且它可以保证在以乙二醇为传热介质的情况下跑道形循环流道内部的循环介质流动稳定，使其能够到达微小型燃料电池的散热要求。此微小型泵可以通过燃料电池内部的电能来驱动。
文档编号H01M8/02GK2743993SQ20042000980
公开日2005年11月30日 申请日期2004年10月15日 优先权日2004年10月15日
发明者刘树红, 邵杰, 吴玉林 申请人:清华大学