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Dokumentenidentifikation DE10118005B4 10.11.2005
Titel Mikrotriebwerk
Anmelder Schwesinger, Norbert, Prof.Dr.-Ing., 98693 Ilmenau, DE;
Stubenrauch, Mike, Dipl.-Ing., 98693 Ilmenau, DE
Erfinder Schwesinger, Norbert, Prof.Dr.-Ing., 98693 Ilmenau, DE;
Stubenrauch, Mike, Dipl.-Ing., 98693 Ilmenau, DE
Vertreter engel patentanwaltskanzlei, 98527 Suhl
DE-Anmeldedatum 10.04.2001
DE-Aktenzeichen 10118005
Offenlegungstag 24.10.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 10.11.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.11.2005
IPC-Hauptklasse F02K 11/00
IPC-Nebenklasse F23R 3/00   F02K 3/00   B81B 7/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrotriebwerk zur explosiven Verbrennung von brennbaren Medien.

In der Makrotechnik sind verschiedenste Verbrennungsmaschinen bekannt, die als Antrieb oder zur Bereitstellung von Druck oder Wärme dienen. In diesen Makrosystemen werden Flüssigbrennstoffe oder Gasgemische verbrannt, um eine gewünschte Energiemenge bereitzustellen. Der konstruktive Aufwand für Makroverbrennungssystem steigt drastisch, wenn sehr energiereiche Medien verbrannt werden sollen, da die bei der explosionsartigen Verbrennung solcher Medien freigesetzten Energien nur schwer beherrschbar sind.

Besonderes hohe Antriebskräfte werden beispielsweise bei Raketenantrieben benötigt, die dazu hochexplosive Gasgemische verbrennen. Bei der Verbrennung von solchen hochexplosiven Gasgemischen besteht ein besonderes Problem in der hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Verbrennungsreaktion, die durch die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit beschrieben ist. Um das Zurückschlagen der Flammenfront bzw. Explosionsfront aus dem Verbrennungsraum in die Zuführleitungen bzw. die Vorratsbehälter, in denen die einzelnen Gase gespeichert sind, zu verhindern, werden besondere Vorkehrungen erforderlich. Teilweise lässt sich dieses Problem nur dadurch beherrschen, dass die zu verbrennenden Medien kontinuierlich mit hoher Geschwindigkeit nachgeführt werden. Eine diskontinuierliche Verbrennung ist dann kaum möglich.

Die Verbrennung von hochexplosiven Medien kann aus diesen Gründen in Mikrosystemen bislang kaum durchgeführt werden. Da die extrem hohen Zuführgeschwindigkeiten in Mikrosystemen nicht erzielbar sind, ist eine gesteuerte Verbrennung solcher Medien in Mikrosystemen bislang nicht gelungen.

In dem Artikel „MICROFABRICATION OF HIGH-TEMPERATURE SILICON DEVICES USING WAFER BONDIG AND DEEP REACTIVE ION ETCHING" von Mehra u.a., veröffentlicht in IEEE Journal of Micromechanical Systems, Band 8, Nr. 2, Juni 1999, ist ein mikrotechnischer Verbrennungsmotor beschrieben, in welchem Wasserstoff verbrannt wird. Bei diesem Verbrennungsmotor erfolgt eine kontinuierliche Verbrennung, da ein gesteuerter Prozess, insbesondere der impulsweise Betrieb nicht möglich ist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Mikrotriebwerk bereitzustellen, in welchem trotz der Verwendung von hochexplosiven Medien eine gesteuerte Verbrennung ausgeführt werden kann, um beliebig nutzbare Antriebskräfte bereitzustellen. Insbesondere wird die impulsweise Verbrennung solcher Medien angestrebt, durch welche eine Steuerung wie in Makroantriebssystemen möglich sein soll.

Diese und weitere Aufgaben werden von dem erfindungsgemäßen Mikrotriebwerk mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche 1 bzw. 4 gelöst.

Diese Gestaltung ermöglicht es, dass innerhalb eines Mikrosystems stark exotherme Reaktionen beherrscht werden können. Durch die besondere Entkopplung zwischen der Mikrobrennkammer und den über die Medienzuführung angeschlossenen Medienreservoire kann eine impulsweise Verbrennung des eingespeisten Mediums bzw. der Mediengemische erfolgen, da das Zurückschlagen der Explosionsfront in das zugeordnete Reservoir verhindert wird. Die Flammenrückschlagsperre kann dazu z.B. aus mehreren Mikrodüsen oder vergleichbaren Mikrostrukturen ausgebildet sein.

Durch die impulsweise Verbrennung ist letztlich eine stufenlose Leistungsregelung des Mikrotriebwerks möglich. Da das gesamte Verbrennungssystem mikrotechnisch aufgebaut ist, sind sehr kleine Abmessungen von Geräteeinheiten realisierbar, so dass hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt werden können. Die Menge des im Mikrotriebwerk umgesetzten Mediums ist so gering, dass die Mikroexplosionen durch entsprechende makrotechnische Sicherheitsvorkehrungen ohne weiteres beherrscht werden können, so dass auch im Fehlerfall keine nennenswerten Schäden eintreten.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform des Mikrotriebwerks besitzt zwei Medienzuführungen für die Zuführung unterschiedlicher Medien, mindestens einen Druckpufferbereich und einen Mischbereich, wobei der Mischbereich ebenfalls als Mikrostruktur ausgebildet und zwischen den Medienzuführungen und dem Verteiler angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, beispielsweise zwei Gase in das Mikrotriebwerk einzuleiten, im Mischbereich miteinander zu vermischen, über den Verteiler gleichmäßig im Mikrobrennraum zu verteilen und dort zu zünden. Durch die unmittelbare Mischung innerhalb der Mikrostruktur können unter Einhaltung strenger Sicherheitsanforderungen hochexplosive Gasgemische bereitgestellt werden, so dass die Mischung im gewünschten stöchiometrischen Verhältnis der Einzelbestandteile durchgeführt werden kann. Der Wirkungsgrad des Mikrotriebwerks kann auf diese Weise optimiert werden, da die Erzeugung des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses eine optimale Verbrennungsreaktion ermöglicht. Der Druckpufferbereich ist in Form eines Hohlraums in der Nähe der Flammerückschlagsperre zu deren Schutz angeordnet.

Die o.g. Aufgabe wird auch durch ein Mikrotriebwerk gelöst, welches die folgenden Bestandteile umfasst:

  • • eine Mikrobrennkammer;
  • • eine Zündeinrichtung, die ein Zündung des in die Mikrobrennkammer eingebrachten brennbaren Mediums ermöglicht; und
  • • mindestens eine Medienzuführung, in der ein Kapselmedium geführt ist, welches abgekapselte Mengen des brennbaren Mediums umschließt und zur Mikrobrennkammer transportiert;
wobei diese Bestandteile wiederum als Mikrostrukturen in einem Trägersubstrat ausgebildet sind.

Der besondere Vorteil dieser Abwandlung besteht darin, dass das Kapselmedium sowohl den Druckpufferbereich als auch die Flammenrückschlagsperre ersetzt.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform ist eine Mischeinrichtung vorgesehen, die von der Mikrobrennkammer getrennt ist und mindestens zwei Medieneingänge besitzt. Dabei kann in die der Mikrobrennkammer zugeordnete Medienzuführung ein Rückschlagventil integriert sein. Insbesondere kann es dabei zweckmäßig sein, zusätzlich einen Vorratsbereich zwischen der Mischeinrichtung und der Mikrobrennkammer anzuordnen. Wenn größere Mengen eines Gasgemisches kurzfristig im Mikrotriebwerk umgesetzt werden sollen, kann die Zwischenspeicherung des benötigten Gemisches im Vorratsbereich nützlich sein. Unter Umständen ist die Zwischenspeicherung auch erforderlich, um den kurzzeitigen hohen Brennstoffbedarf des Mikrotriebwerks abzusichern, wenn die Erzeugung und Bereitstellung des Brennstoffes über einen längeren Zeitraum vorbereitet werden muss. In diesem Zusammenhang kann es zweckmäßig sein, beispielsweise unter Ausnutzung von Solarenergie in einer Hydrolysezelle Wasserstoff und Sauerstoff herzustellen, wobei im Mikrotriebwerk zu einem späteren Zeitpunkt ein stöchiometrisches Knallgasgemisch verbrannt wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass das erfindungsgemäße Mikrosystem durchaus für die Verbrennung eines stöchiometrischen Knallgasgemisches oder auch anderer ähnlich explosiver Stoffe geeignet ist. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann zumindest ein Teil der bei der Reaktion erzeugten Wärmeenergie in Reformerstufen zur Bereitstellung von Wasserstoff genutzt werden.

Um eine gesteuerte Verbrennung im Mikrotriebwerk zu ermöglichen, gestattet die integrierte Zündeinrichtung ein gezieltes, impulsweises Zünden des zu verbrennenden Mediums in der Mikrobrennkammer. Sofern es auf die exakte Bestimmung des Zündzeitpunkts nicht ankommt, kann die Zündeinrichtung durch einen Katalysator gebildet sein, der beim Vorliegen bestimmter Druckverhältnisse, bestimmter Temperaturen und/oder eines bestimmten Mischungsverhältnisses der Brennstoffe in der Mikrobrennkammer eine selbsttätige Zündung des Mediums bzw. des Mediengemisches bewirkt. Der Vorteil der katalytischen Zündung besteht darin, dass zusätzliche Steuerelemente und die externe Überwachung der Verhältnisse in der Mikrobrennkammer nicht erforderlich sind.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform ist die Zündeinrichtung durch eine Funkenstrecke gebildet. Durch einen elektrischen Entladungsvorgang wird dabei zwischen zwei Elektroden ein Zündfunke erzeugt, wodurch insbesondere der Zündzeitpunkt sehr exakt gesteuert werden kann. Die Erzeugung der benötigten Elektroden und die Zuführung des Zündstroms bereiten in Mikrostrukturen keine Schwierigkeiten, da als Trägermaterial beispielsweise aus der Halbleitertechnik bekannte Materialien eingesetzt werden können, in denen durch Dotierung Strompfade ausgebildet werden können.

Bei nochmals abgewandelten Ausführungsformen können auch andere Zündeinrichtungen vorgesehen sein, beispielsweise eine Laserquelle, die Strahlungsenergie in die Mikrobrennkammer einleitet, um den Verbrennungsvorgang zu starten. Ein Halbleiterlaser ließe sich ohne weiteres in die Mikrostruktur integrieren.

Mit dem erfindungsgemäßen Mikrotriebwerk können unterschiedlichste Anwendungen realisiert werden. Beispielsweise lassen sich mehrere Mikrotriebwerke ketten- oder matrixförmig miteinander verkoppeln, um einen leistungsfähigen Antrieb bereitzustellen, der auch in makrotechnischen Anwendungsfällen eingesetzt werden kann, z.B. zum Antrieb von Maschinen, Fahrzeugen, Flugkörpern oder dergleichen. Die Leistungssteuerung solcher Antriebe ist über die Steuerung der Zündzeitpunkte, Zündintervalle und der eingesetzten Brennstoffmengen einfach möglich. Die Fehleranfälligkeit derartiger Antriebe ist sehr gering, da bei der Kopplung einer Vielzahl von Mikrotriebwerken der erzeugte Antrieb funktionsfähig bleibt, selbst wenn einige Mikrotriebwerke ausfallen. Solche redundanten Antriebssysteme werden beispielsweise in der Raumfahrttechnik bevorzugt. In diesen Anwendungsbereichen erweist es sich auch als besonders vorteilhaft, dass das bereitgestellte Mikrotriebwerk mit hohem Wirkungsgrad und hoher Energiedichte arbeitet. Die Masse der in den Weltraum zu transportierenden Stoffe kann daher geringer gehalten werden, als bei den in der Raumfahrt bislang eingesetzten Antrieben.

Für einen anderen Anwendungsfall können mehrere Mikrotriebwerke mit einem Rotor zu einer Mikroturbine zusammengebaut werden. Ebenso ist es denkbar, das Mikrotriebwerk als Antrieb für eine Mikropumpe zu nutzen, wobei die Düsenöffnung des Mikrotriebwerks an eine Membran der Pumpe zu koppeln ist.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrotriebwerks;

2 eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer körperlichen Realisierung des Mikrotriebwerks aus 1 in einem mikrotechnischen Trägersubstrat;

3 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform des Mikrotriebwerks;

4 eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform des Mikrotriebwerks mit einem Kapselmedium, welches in einem Ringkanal geführt ist;

5 eine Schnittansicht einer Mikrobrennkammer mit einer katalytischen Zündeinrichtung;

6 eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Mikrobrennkammer mit einer elektrischen Zündeinrichtung;

7 eine Prinzipdarstellung einer aus mehreren Mikrotriebwerk zusammengesetzten Matrix zur Bildung eines Makroantriebes;

8 eine Prinzipdarstellung einer ersten Mikroturbine, die mehrere Mikrotriebwerke und einen zentralen Rotor verwendet;

9 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Mikroturbine, die mehrere Mikrotriebwerke und einen ringförmigen Rotor verwendet;

10 eine vereinfachte Schnittansicht einer Mikropumpe, die als Pumpenantrieb das Mikrotriebwerk verwendet.

1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Mikrotriebwerks, welches als Mikrostruktur in einem Trägersubstrat ausgebildet ist. Das Mikrotriebwerk besitzt eine Mikrobrennkammer 1, die als Hohlraum in der Mikrostruktur geschaffen ist. Ausgangsseitig mündet die Mikrobrennkammer 1 in eine Düsenöffnung 2, aus welcher während bzw. nach Abschluss des Verbrennungsvorgangs die Reaktionsprodukte abgegeben werden. Die geometrische Gestaltung der Düsenöffnung 2 ist abhängig vom speziellen Einsatzfall des Mikrotriebwerks, von den verwendeten Verbrennungsstoffen und von den gewünschten Druckverhältnissen in der Mikrobrennkammer. Generell können auch geschlossene Systeme zum Einsatz kommen, wenn die Reaktionsprodukte in einem geschlossenen Stoffkreislauf geführt werden (siehe unten). Weiterhin besitzt das Mikrotriebwerk bei der darge stellten Ausführungsform zwei Medienzuführungen 3, über welche die Brennstoffe zugeführt werden. In dem in 1 gezeigten Beispiel werden zwei unterschiedliche Ausgangsstoffe M1 und M2 über die Medienzuführungen 3 in das Mikrotriebwerk eingeleitet. Nach Ablauf der Verbrennungsreaktion wird aus der Düsenöffnung 2 das Reaktionsprodukt M3 abgegeben.

Die Ausgangsstoffe M1 und M2 können beispielsweise Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) oder Silan (SiH4) und Sauerstoff sein. Die Ausgangsstoffe müssen zur Sicherstellung einer optimalen Verbrennungsreaktion möglichst gleichmäßig in einem stöchiometrischen Verhältnis miteinander vermischt werden. Dafür ist bei der dargestellten Ausführungsform ein Mischbereich 5 vorgesehen, in den die beiden Medienzuführungen 3 münden.

Untersuchungen haben gezeigt, das zu einer Optimierung des Wirkungsgrades vor der Zündung des Verbrennungsvorgangs eine gleichmäßige Verteilung der Verbrennungsstoffe in der Mikrobrennkammer 1 erforderlich ist. Um diese Gleichverteilung zu erzielen, ist ein Verteiler 6 an den Mischbereich 5 angekoppelt, so dass die Ausgangsstoffe den Verteiler 6 durchströmen müssen, um in die Mikrobrennkammer 1 zu gelangen. In der Mikrostruktur wird der Verteiler 6 durch eine Vielzahl von feinen Kanälen gebildet, die unterschiedliche Querschnitte besitzen, um ein gleichmäßiges Einströmen der Verbrennungsstoffe in die Mikrobrennkammer 1 zu gewährleisten. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Kanalquerschnitte im zentralen Bereich des Verteilers 6 kleiner als die Kanalquerschnitte in den Randbereichen. Dies ist aufgrund des erhöhten dynamischen Druckes im zentralen Bereich erforderlich, um das durch die einzelnen Kanäle strömende Volumen möglichst gleichmäßig zu gestalten.

Wenn die Brennstoffe in die Mikrobrennkammer 1 eingeleitet wurden, muss der Verbrennungsvorgang gezündet werden. Dazu ist in die Mikrobrennkammer 1 eine Zündeinrichtung 7 integriert. Der mögliche Aufbau dieser Zündeinrichtung wird weiter unter beschrieben.

Nachdem die Brennstoffe gezündet wurden, läuft eine stark exotherme Verbrennungsreaktion ab, bei welcher je nach den verwendeten Ausgangsstoffen erhebliche Energien freigesetzt werden. Vorzugsweise werden Gase bzw. Gasgemische in der Mikrobrennkammer verbrannt. Durch das Mikrotriebwerk können Reaktionen von sehr energiereichen Stoffgemischen, wie Knallgas oder Silan beherrscht werden. Bei der explosionsartigen Verbrennung dieser Stoffe muss einerseits der Flammenrückschlag in die angeschlossenen Stoffreservoire verhindert und andererseits der hohe Explosionsdruck von den Bestandteilen des Mikrotriebwerks ausgehalten werden. Ein Flammenrückschlag wird wirksam durch eine Flammenrückschlagsperre 9 verhindert, die in jeder Medienzuführung 3 integriert ist. Die Flammenrückschlagsperre 9 besteht aus einer Vielzahl von Mikrodüsen 10, die in der Mikrostruktur ausgebildet sind, oder hinsichtlich ihrer Wirkung vergleichbaren Mikrostrukturen. Dabei werden die Mikrodüsen durch Kanäle mit sich in Strömungsrichtung verringerndem Querschnitt gebildet. Auf der nach innen gerichteten Seite der Flammenrückschlagsperre 9 entsteht dadurch ein feinporiges Gitter, welches den gesamten Querschnitt der Medienzuführung 3 verschließt. Wenn sich die Flammenfront in der Mikrobrennkammer anfangs in alle Richtungen gleichmäßig ausbreitet, wird ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit zuerst an der Mikrostruktur des Verteilers 6 reduziert. Der sich in Richtung zu den Medienzuführungen 3 verringernde Querschnitt bedingt einen erhöhten Staudruck, der der Ausbreitung der Flammenfront in dieser Richtung ebenfalls entgegenwirkt. Schließlich trifft die Flammenfront auf das feinporige Gitter der Flammenrückschlagsperre 9 auf. An dieser Stelle stoppt die Flammenfront, so dass sich die Explosion nicht in die äußeren Bereiche der Medienzuführung 3 fortsetzt.

Der Verteiler 6 behindert außerdem die Ausbreitung der bei der Explosion auftretenden Druckwelle. Um eine Zerstörung der relativ feinen Strukturen der Flammenrückschlagsperre 9 durch die verbleibende Druckwelle zu verhindern, ist außerdem in der Nähe jeder Medienzuführung 3 ein Druckpufferbereich 11 angeordnet, der jeweils einen Hohlraum bereitstellt, wobei der wirksame Strömungsquerschnitt vorzugsweise deutlich größer ist, als der Querschnitt, über welchen die Druckwelle die Flammenrückschlagsperre 9 erreicht.

Die Druckwelle läuft sich in diesen Druckpufferbereichen 11 tot. Zumindest wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwelle deutlich verzögert, wobei diese Verzögerung ausreichend ist, um gegebenenfalls im Bereich der Medienzuführung angeordnete Ventile (nicht gezeigt) zu schließen. Dabei ist zu bedenken, dass auch schnell schließende Ventile eine gewisse Verschlusszeit benötigen, die ohne die Bereitstellung des Druckpufferbereichs 11 und bei der Verwendung von hochexplosiven Brennstoffen nicht eingehalten werden könnte. Die Druckpufferbereiche können bei anderen Ausführungsformen anders gestaltet sein oder entfallen, wenn die Mikrostruktur auch ohne eine solche Pufferung den auftretenden Druckwellen standhalten kann.

2 zeigt in einer vereinfachten perspektivischen Ansicht, eine körperliche Realisierung des in 1 dargestellten Mikrotriebwerks. Die Strukturen des Mikrotriebwerks sind in einer oberen Trägerplatte 13 und in einer unteren Trägerplatte 14 ausgebildet. Die beiden Trägerplatten 13, 14 bestehen aus einem Trägersubstrat, wie beispielsweise monokristallinem Silizium, Glas oder ähnlichen Materialien, die in der Mikrosystemtechnik gewöhnlicherweise eingesetzt werden. Zur Herstellung der die einzelnen Bestandteile des Mikrotriebwerks bildenden Strukturen werden übliche Herstellungsverfahren der Mikrosystemtechnik genutzt, beispielsweise Ätzen oder Laserstrukturieren. Nachdem die einzelnen Strukturen in den Trägerplatten erzeugt wurden, werden diese beiden Platten dauerhaft zusammengefügt, so dass zu dem Mikrotriebwerk nur noch über die Medienzuführungen 3 und die Düsenöffnung 2 Zugang beseht. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform sind außerdem zwei Elektrodenstäbe vorgesehen, die die Zündeinrichtung 7 bilden. Das Prinzip der elektrischen Zündeinrichtung wird weiter unten detaillierter beschrieben.

3 zeigt in Form eines Blockschaltbildes die prinzipielle Anordnung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Abweichung zu der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist ein von der Mikrobrennkammer 1 räumlich getrennter Mischbereich 5 vorgesehen, der wiederum von zwei Medienzuführungen 3 gespeist wird. Die Medienzuführungen 3 sind mit Mikroventilen 16 gekoppelt, die als externe oder integrierte Ventile ausgebildet sein können. Die Ventile 16 werden von einer zentralen Steuereinheit angesteuert, um im Mischbereich 5 das gewünschte Mischungsverhältnis einzustellen. Zwischen dem Mischbereich 5 und der Mikrobrennkammer 1 ist weiterhin ein Vorratsbereich 17 positioniert, der über ein weiteres Ventil 18 an die Mikrobrennkammer 1 angeschlossen ist. Der Vorratsbereich 17 dient der Zwischenspeicherung des vom Mischbereich 5 bereit gestellten Brennstoffgemisches und kann bei abgewandelten Ausführungsformen entfallen. Das weitere Ventil 18 muss so ausgelegt sein, dass es der Druckwelle und der Flammenfront aus der Mikrobrennkammer 1 standhält. Dazu wird es vorzugsweise in die Mikrostruktur integriert, wie dies bereits oben beschrieben wurde.

4 zeigt eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Das hier veranschaulichte Mikrotriebwerk verwendet wie die in 3 gezeigte Ausführungsform einen von der Mikrobrennkammer 1 getrennten Mischbereich 5, in welchen die Ausgangsstoffe eingeführt werden. Die eigentliche Medienzuführung zur Mikrobrennkammer 1 erfolgt bei dieser Ausführungsform jedoch über einen geschlossenen Ringkanal 19, in welchem ein Kapselmedium geführt ist. Bei dem Kapselmedium kann es sich um eine Flüssigkeit (z.B. Wasser) oder ein inertes Gas (z.B. Stickstoff) handeln. Das vom Mischbereich 5 bereitgestellte Brennstoffgemisch wird in kleinen Portionen, z.B. Gasblasen 20, in das Kapselmedium eingeschlossen und von diesem zur Mikrobrennkammer 1 transportiert. Die gerichtete Strömung des Kapselmediums kann beispielsweise durch eine Hilfspumpe 21 bewirkt werden. Wenn die eingeschlossenen Gasblasen 20 in der Mikrobrennkammer 1 durch Zündung zur Explosion gebracht werden, entsteht kurzzeitig ein Überdruck, der z.B. zur Auslenkung einer Pumpmembran verwendet werden kann. Anschließend kollabiert die Gasblase – im Fall der Verbrennung von Knallgas zu Wasser, welches sich mit dem Trägermedium vermischt, welches z.B. ebenfalls Wasser sein kann. Durch diese Gestaltung kann der Ringkanal 19 auch als vollständig geschlossenes System ausgebildet werden. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann als Trägermedium aber auch z.B. Stickstoff verwendet werden und die Brennkammer in der oben beschriebenen Weise eine Düsenöffnung besitzen.

5 zeigt in einer Querschnittsansicht einen Abschnitt der Mikrobrennkammer 1 mit Bereichen der Zündeinrichtung 7. Bei der hier dargestellten Ausführungsform handelt es sich um eine katalytische Zündeinrichtung, die aus zwei Katalysatorplatten 23 besteht. Dieser in die Mikrobrennkammer 1 integrierte Katalysator bewirkt eine Zündung des eingebrachten Brennstoffes beim Erreichen einer kritischen Stoffzusammensetzung bzw. einer benötigten Zündtemperatur. Für diese katalytische Zündung ist keine externe Auslösung erforderlich, was den Aufbau des Mikrotriebwerks vereinfacht. Allerdings ist der Zündzeitpunkt nicht exakt zu bestimmen, so dass diese Zündung vor allem für dynamisch unkritische Systeme eingesetzt wird. Bei der Verwendung bestimmter Verbrennungsstoffe (z.B. Silan – SiH4) kann der Katalysator auch entfallen, da diese Brennstoffe zu einer Selbstentzündung neigen.

6 zeigt in einer Querschnittsansicht eine abgewandelte Ausführungsform der Zündeinrichtung 7. In die Brennkammer 1 sind in diesem Fall 2 Elektroden 24 eingebracht, zwischen deren Spitzen innerhalb der Mikrobrennkammer 1 eine Funkenstrecke ausgebildet ist. Beim Anlegen einer Zündspannung an die Elektroden 24 erfolgt unter Funkenbildung eine Entladung zwischen den Elektrodenspitzen. Durch die Funkenbildung kommt es zu einer lokalen Überhitzung des in der Mikrobrennkammer 1 enthaltenen Brenngases und damit zur explosiven Entzündung. Die Elektroden 24 können auf verschiedene Weise im Mikrosystem angeordnet sein und unterschiedliche Formgebungen aufweisen. Durch die geeignete Positionierung der Elektroden 24 kann das Zentrum der Explosionsverbrennung bestimmt werden, was beispielsweise bei der Anwendung des Mikrotriebwerks in der Raumfahrt Vorteile mit sich bringt. Bei der Steuerung der elektrischen Zündung können die aus Makrosystemen bekannten Vorrichtungen zur Steuerung des Zündzeitpunktes verwendet werden.

7 zeigt in einer Prinzipdarstellung eine matrixförmige Kopplung mehrerer Mikrotriebwerke 25. Durch die Kopplung einer Vielzahl der Mikrotriebwerke 25 können leistungsfähige Antriebe aufgebaut werden, die beispielsweise herkömmliche Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen ersetzen. Bei derartigen Anwendungsfällen ist durch die Einzelansteuerung der Mikrotriebwerke 25 eine nahezu stufenlose Leistungsregelung möglich, so dass aufwendige Getriebe entfallen oder zumindest vereinfacht werden können. Die Kopplung einer Vielzahl von Mikrotriebwerken 25 erhöht außerdem die Betriebssicherheit, da der Ausfall einzelner Mikrotriebwerke nicht zur Funktionsunfähigkeit des Gesamtantriebes führt.

8 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Mikroturbine. Mehrere Mikrotriebwerke 25 (oder Gruppen von Mikrosystemen) sind kreisförmig um einen zentralen Rotor 26 angeordnet. Der zentrale Rotor 26 besitzt mehrere Flügelräder 27, auf welche die aus den Düsenöffnungen 2 der Mikrotriebwerke 25 ausgestoßenen Verbrennungsgase auftreffen, wodurch der Rotor 26 in Drehbewegung versetzt wird.

9 zeigt einer abgewandelten Ausführungsform der Mikroturbine, bei welcher die Positionierung des Rotors 26 und der Mikrotriebwerke 25 umgekehrt wurden, so dass ein um die Mikrotriebwerke 25 umlaufender ringförmiger Rotor 26 vorhanden ist. Eine weitere Besonderheit dieser Ausführungsform besteht darin, dass die zentral angeordneten Mikrotriebwerke 25 zusätzlich verschwenkt werden können, wodurch sich der Auftreffwinkel der aus den Düsenöffnungen ausgeblasenen Verbrennungsgase auf die Flügel- oder Schaufelräder des Rotors ändern lässt. Durch entsprechendes Verschwenken der Mikrotriebwerke kann somit die Drehrichtung des Rotors umgekehrt oder dessen Drehbewegung gebremst werden.

10 zeigt die vereinfachte Querschnittsansicht einer Mikropumpe. Die Mikrobrennkammer 1 ist unmittelbar an eine Pumpenmembran 29 gekoppelt. An die andere Seite der Pumpenmembran 29 grenzt ein sekundäres Leitungssystem 30 an, in welchem das zu pumpende Sekundärmedium geführt ist. Durch die in der Mikrobrennkammer 1 erzeugte Explosion wird eine Druckwelle ausgelöst, die eine Verschiebung der Pumpenmembran 29 zur Folge hat. Das Volumen des Leitungssystem 30 wird damit verkleinert, wodurch das enthaltene Sekundärmedium gepumpt wird. In bekannter Weise ist das Leitungssystem 30 mit Mikroventilen und dergleichen gekoppelt, um eine dauerhafte Pumpfunktion zu ermöglichen.

Es sind weitere vielfältige Anwendungsfälle denkbar, bei denen das erfindungsgemäße Mikrotriebwerk die benötigte Antriebsenergie bereitstellen kann. Die Antriebsenergie kann in einem unmittelbar angekoppelten mikrotechnischen System verwertet werden oder durch Zusammenschaltung einer Vielzahl von Mikrotriebwerken einer makrotechnischen Anwendung zugeführt werden. Die beschriebenen Einsatzbeispiele verdeutlichen die verschiedenen Möglichkeiten der nachgeordneten Energieumsetzung, stellen jedoch keine abschließende Aufzählung der Einsatzmöglichkeiten dar. Die erzeugten Mikroexplosionen können herkömmliche rotatorische Antriebe ersetzen, als Rückstossantriebe in der Raumfahrttechnik eingesetzt werden, Mikropumpen oder Mikroturbinen antreiben oder andere Antriebs-, Erwärmungs- oder Kraftbereitstellungsaufgaben lösen.


Anspruch[de]
  1. Mikrotriebwerk zur explosiven Verbrennung von brennbaren Medien, wobei das Mikrotriebwerk die folgenden Bestandteile umfasst:

    – eine Mikrobrennkammer (1);

    – einen Verteiler (6), der mit mehreren Zuführöffnungen in die Mikrobrennkammer (1) geöffnet ist;

    – mindestens eine Medienzuführung (3) mit einer Flammenrückschlagsperre (9);

    dadurch gekennzeichnet, dass:

    – die Mikrobrennkammer eine Düsenöffnung (2) besitzt, über welche die Reaktionsprodukte des Verbrennungsprozesses abgegeben werden;

    – eine Zündeinrichtung (7) vorgesehen ist, die eine Zündung des in die Mikrobrennkammer eingebrachten Mediums ermöglicht;

    – zumindest die Mikrobrennkammer (1), die Medienzuführung (3) und die Düsenöffnung (2) als Mikrostrukturen in einer gemeinsamen Ebene in einem aus zwei Schichten (13, 14) bestehenden Trägersubstrat ausgebildet sind.
  2. Mikrotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin umfasst:

    – zwei Medienzuführungen (3) zur Zuführung unterschiedlicher Medien;

    – mindestens einen Druckpufferbereich (11), der in der Nähe der Medienzuführung (3) einen Hohlraum bereitstellt; und

    – einen Mischbereich (5), der ebenfalls als Mikrostruktur ausgebildet und zwischen den Medienzuführungen (3) und dem Verteiler (6) angeordnet ist.
  3. Mikrotriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flammenrückschlagsperre aus einer Vielzahl von Mikrodüsen (9) besteht.
  4. Mikrotriebwerk zur explosiven Verbrennung von brennbaren Medien, wobei das Mikrotriebwerk die folgenden Bestandteile umfasst:

    – eine Mikrobrennkammer (1);

    – eine Zündeinrichtung (7), die ein Zündung des in die Mikrobrennkammer eingebrachten Mediums ermöglicht;

    – mindestens eine Medienzuführung, in der ein Kapselmedium geführt ist, welches abgekapselte Mengen (20) des brennbaren Mediums umschließt und zur Mikrobrennkammer (1) transportiert;

    wobei diese Bestandteile als Mikrostrukturen in einem Trägersubstrat ausgebildet sind.
  5. Mikrotriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapselmedium von einer Hilfspumpe (21) durch einen Ringkanal (19) gepumpt wird.
  6. Mikrotriebwerk nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als brennbares Medium ein Knallgasgemisch und als Kapselmedium Wasser verwendet wird.
  7. Mikrotriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine getrennt von der Mikrobrennkammer (1) angeordnete Mischeinrichtung (5) vorgesehen ist, die mindestens zwei Medieneingänge (3) besitzt.
  8. Mikrotriebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin einen Vorratsbereich (17) umfasst, der zwischen der Mischeinrichtung (5) und der Mikrobrennkammer (1) angeordnet ist und das von der Mischeinrichtung (5) bereit gestellte Mediengemisch zwischenspeichert.
  9. Mikrotriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (7) einen Katalysator (23) enthält, der bei vorbestimmten Verhältnissen in der Mikrobrennkammer (1) eine selbsttätige Zündung des Mediums bzw. Mediengemischs bewirkt.
  10. Mikrotriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (7) eine Funkenstrecke (24) enthält, in welcher zum gewünschten Zündzeitpunkt eine elektrische Entladung initiiert wird.
  11. Mikrotriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (7) eine Laserquelle umfasst, die zum gewünschten Zündzeitpunkt Strahlungsenergie in die Mikrobrennkammer (1) einleitet.
  12. Mikrotriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbrennungsmedien Gase, Gasgemische oder zerstäubte Flüssigkeiten dienen.
  13. Mikrotriebwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als zu verbrennende Medien Knallgas (H2 + O2) oder Silan (SiH4 + O2) verwendet werden.
  14. Mikrotriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägermaterial (13, 14) Silizium oder Glas verwendet wird.
  15. Mikrotriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 7 bis 14, soweit diese auf Anspruch 1 rückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass es gegenüber einem Rotor (26) einer Mikroturbine angeordnet ist, wobei seine Düsenöffnung (2) auf die Flügelräder (27) des Rotors (26) gerichtet ist.
  16. Mikrotriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 7 bis 14, soweit diese auf Anspruch 1 rückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass es an einem ringförmig gestalteten, in zwei Drehrichtungen beweglichen Rotor (26) angeordnet und hinsichtlich der Ausblasrichtung seiner Düsenöffnung (2) verstellbar ist.
  17. Mikrotriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 7 bis 14, soweit diese auf Anspruch 1 rückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung (2) an eine Pumpmembran (29) einer Mikropumpe gekoppelt ist, um die bei der Verbrennung in der Mikrobrennkammer (1) erzeugten Druckwellen auf diese Pumpmembran einwirken zu lassen.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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