Kleiner großer Klassiker

Der Autor Dr.-Ing. Thomas Weisener ist Geschäftsführer der HNP Mikrosysteme GmbH, Parchim

Mit der innovativen Verschmelzung von klassischer Hydraulik und Mikrotechnik begann die Firma HNP Mikrosysteme GmbH den Einstieg in die industrielle Mikrofluidik im Mai 1996. Gemeinsam mit der Fraunhofer-Gesellschaft, einem erfahrenen Entwicklungspartner in der Mikrosystemtechnik, wurde die kleinste Zahnringpumpe der Welt gebaut.

Mikrosystemtechnische Produkte werden aufgrund der Integration unterschiedlicher physikalischer Funktionen (Elektronik, Mechanik, Optik u.a.) in Siliziumtechnologie hergestellt. Um die Lücke zwischen mikrosystemtechnischen und konventionellen Pumpen zu schließen, kann durch Miniaturisierung bewährter Systemprinzipien ein neuer Leistungsbereich erschlossen werden. Mikrozahnringpumpen besitzen als Verdrängersystem einen außenverzahnten Innenrotor sowie einen innenverzahnten Außenrotor, die sich ineinander in kämmendem Eingriff befinden. Die Rotoren haben eine zykloidenförmige Verzahnung und sind in ihrer Lagerung exzentrisch zueinander versetzt. Durch die Tatsache, daß der Innenrotor einen Zahn weniger aufweist als der Außenrotor ergibt sich durch die besondere Geometrie der Verzahnung ein System einzeln abgeschlossener Kammern. Bei der Rotation der Rotoren um ihre Achsen vergrößern und verkleinern sich diese Kammern, so daß bei entsprechend angeordneten Ein- und Auslaßöffnungen ein Fluid von der Saug- zur Druckseite gefördert wird.

Die Übertragung des Prinzips mit Rotorsatzdurchmessern bis in den Größenbereich weniger Millimeter stellt ein Novum dar, dessen Leistungsfähigkeit bezüglich Dosiergenauigkeit und Druckerzeugung sich sehen lassen kann.

Das Zahnringprinzip eignet sich aufgrund seiner geringen Teileanzahl sowie der Robustheit seines mechanischen Prinzips gut für die Miniaturisierung:

n Sehr kompakte Bauweise durch ineinander liegende Rotoren, keine Füllstücke oder Sicheln wie bei Innenzahnradpumpen

n Besonders niedrige Pulsa-tion des Förderstroms durch die Verzahnungs-Art

n Günstige Verschleißeigenschaften durch verminderte Relativgeschwindigkeit zwischen den Rotoren (untersetzendes Getriebe)

n Schnelläufereigenschaften, da die Flüssigkeit durch die großen Ein- und Auslaßöffnungen über 180° der Drehbewegung zu- bzw. abgeführt wird; günstiges Befüllverhalten

n Geringes Totvolumen; selbstansaugend.

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Anwendungen der Mikrozahnringpumpen liegen ganz allgemein in den Bereichen Technik und Medizin und zwar überall dort, wo kleine Mengen Flüssigkeit präzise gefördert oder dosiert werden müssen. Beispielhafte Einsatzfälle sind Medikamentendosiersysteme oder Systeme zur Schmierstoff, Farb- bzw. Klebstoffdosierung.

Für eine medizinische Anwendung in der Kardiologie wurde z. B. ein Systemkonzept erarbeitet, bei dem die Mikrozahnringpumpe in einen Dilata-tionskatheter integriert wird. Damit wird die Möglichkeiten einer aktiven Blutstromunterstützung in den Koronararterien geschaffen, die außer in der Kardiologie auch in anderen Hohlorganen mit kleinen Abmessungen eingesetzt werden kann.

Durch die Kopplung der Mikrozahnringpumpe mit einem drehzahlgeregelten Elektromotor läßt sich eine exakt arbeitende kontinuierliche Förderung von Flüssigkeiten realisieren. Ist der Antrieb zusätzlich in Form eines Servoreglers mit einer Lageregelung versehen, lassen sich auf diese Weise exakt festgelegte Mengen Flüssigkeit dosieren. Hierdurch ergeben sich breit gefächerte Einsatzfelder, beispielsweise beim Einsatz als Mikrohydraulikaggregat für mobile Anwendungen. Dabei wird die Eigenschaft der Pumpe, hohe Drücke und Volumenströme zu erzeugen, vorteilhaft ausgenützt.

Die Fertigungsgenauigkeit spielt bei der Herstellung der Mikrozahnringpumpen eine zentrale Rolle. Nicht genau gefertigte Pumpen-Elemente haben zu große Spalte zwischen den Zähnen des Innen- und des Außenrotors, zwischen den Stirnseiten der Rotoren und den angrenzenden Bauteilen zur Folge. Bedingt durch die Differenz des Druckes zwischen Saug- und Druckseite führen die Spalte zu einer inneren Leckage. Gefordert und realisiert werden sowohl Lage- als auch Formtoleranzen, die im Mikrometerbereich liegen.

Die Miniaturisierung erfordert daher bereits in der Konstruk-tion einen verstärkten analytischen Aufwand zur Auswahl von präzisen und zugleich kostengünstigen Fertigungsverfahren. Dazu ist es notwendig zu untersuchen, inwiefern der volumetrische Wirkungsgrad durch eine Veränderung der Fertigungsgenauigkeit und eine Variation der Verzahnungsparameter optimal abgestimmt werden können.

Zu diesem Zweck hat die Firma HNP Mikrosysteme ein auch auf andere Pumpen übertragbares softwarebasiertes Rechenmodell entwickelt, das Verdrängerpumpen strömungsmechanisch modelliert und die Spaltdurchflüsse ermittelt. Es liefert relevante Aussagen für die Optimierung der Verzahnung und die erforderliche Fertigungsgenauigkeit. Insbesondere zeigt es auf, in welcher Größenordnung die kostenbestimmenden Fertigungstoleranzen für eine Pumpe liegen müssen, um einen geforderten volumetrischen Wirkungsgrad, einen Maximal-druck oder eine gewünschte Drucksteifigkeit der Pumpenkennlinie zu erreichen. Weiterhin ermöglicht es den Vergleich verschiedener Verzahnungen im Hinblick auf Strömungsgeschwindigkeit, Scherkräfte und Kavitation.

Mit der Entwicklung eines Durchflußsensors wird die auf dem Miniaturisierungsgedanken aufbauende Produktpalette weiter ausgebaut. Das System zur Volumenstrommessung wird analog zur Baureihe der Mikrozahnringpumpen kleine und kleinste Durchflüsse erfassen. Das mechanische Prinzip wird mit einem optoelektronischen Zähler kombiniert. Darüberhinaus wird HNP Mikrosysteme einen miniaturisierten Hydromotor zur Serienreife entwickeln, der ebenfalls auf dem Zahnringprinzip basiert. Der Hydromotor verspricht durch das hydraulische Wirkprinzip hohe Drehmomente und Leistungen bei kleinem Bauraum. Anwendungen sind hier die Bearbeitung und das Abtragen von Geweben und Steinen in der Medizin.

Aus der Baureihe der Mikrozahnringpumpen sind derzeit die Produkte mzr-2900 und mzr-4600 für einen Förderbereich zwischen 0,3 ml/min und 150 ml/min verfügbar. Die Fördermenge ist dabei von Viskosität und Dampfdruck abhängig. Die Pumpen aus Edelstahl sind als Standardprodukt mit und ohne Antriebseinheit lieferbar. Für kundenspezifische Einsätze mit hohen Stückzahlen ist zur Minimierung des Bauraumes eine lokale Integration diskutierbar.