DE19622722A1 - Mikromotor und Mikropumpe - Google Patents

Description

Das technische Gebiet der Erfindung sind die Pumpen und Motoren kleinster Baugröße, im folgenden als Mikropumpe oder Mikromotor bezeichnet, wobei unter diesen Begriffen Größenordnungen verstanden werden, die im Durchmesserbereich unter 10 mm liegen, insbesondere unter 3 mm. Solche Pumpen können in technischen und medizinischen Bereichen vielseitig Einsatz finden, zum Beispiel in der Mikrosystemtechnik in Dosiergeräten, in der Medizintechnik als Antrieb für einen Mikrofräser oder als Blutstrom-Unterstützungspumpe.

Im Stand der Technik gibt es ein reichhaltiges Angebot an Beschreibungen zum Prinzip und der Funktionsweise von Zahnradpumpen mit einem Innenrad und einem Außenrad, wobei diese beiden Räder in einem kämmenden Eingriff stehen (vgl. DE-A 17 03 802, dort Anspruch 1, Seite 4 letzter Absatz und Seite 6, letzter Absatz, wo radial gerichtete Zuström- und Abströmkanäle beschrieben werden). Kennzeichnend für diese als Pumpen oder Motoren zu verwendenden Funktionseinheiten sind zwei gegeneinander versetzte Achsen, eine Achse des Innenrotors und die andere Achse des Außenrotors, wobei die beiden im kämmenden Eingriff stehenden Rotoren Druckräume (Druckkammern) umfänglich bilden, die sich in ihrer Größe und ihrer Lage zyklisch verändern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mikropumpe minimalen Bauvolumens zur Verfügung zu stellen, mit der eine kontinuierliche Strömung des zu fördernden Fluids erreicht und gleichwohl eine hohe Förderleistung bzw. ein hoher Förderdruck zur Verfügung gestellt wird.

Erreicht wird das mit einer Mikropumpe dann, wenn die auslaßseitige Drucköffnung eines stirnseitigen Einsetzteiles für eine im Durchmesser etwas größere Hülse in axialer Richtung ausgerichtet ist (Anspruch 1). Auch die Einlaßöffnung des zweiten stirnseitigen Einsetzteiles für die im Durchmesser etwas größere Hülse kann in axialer Richtung ausgerichtet sein (Anspruch 2). Die gesamte Pumpe kann so in Achsrichtung einen durchgehenden Flüssigkeitsstrom erzeugen, der nur im Innenbereich, in den kämmenden Rotoren und bei der umfänglichen Verlagerung der Druckräume, in Umfangsrichtung orientiert ist. Sobald der zu fördernde Flüssigkeitsstrom in das stirnseitige Einsetzteil am Auslaßende eintritt, wird es von dort in axialer Richtung durch eine Drucköffnung herausgeführt, die in Achsrichtung gerichtet ist. Die Drucköffnung kann aus mehreren umfänglich beabstandeten Einzelbohrungen bestehen, sie kann aus einer Bohrung bestehen und sie kann aus einer Bohrung zusammen mit einer an der Innenseite des Auslaß-Einsetzteils vorgesehenen nierenförmigen Auffangnut gebildet werden (Anspruch 3).

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Pumpen liegt in ihrem einfachen Aufbau trotz ihrer nahezu unvorstellbaren Miniaturisierung, wobei der Zusammenbau der Mikropumpe mit einem Fertigungsverfahren (Anspruch 11) erfolgen kann, bei dem die weitgehend zylindrischen Teile in uniaxialer Richtung ineinandergefügt werden. Die beiden stirnseitigen Einsetzteile kommen in der Achsrichtung eingefügt dabei an den beiden Enden des Hülsenmantels zu liegen, während sie zwischen sich die ebenfalls in (derselben) Achsrichtung eingesetzten kämmenden Räder (Innenrad und Außenrad) axial lagern.

Der Antrieb der Pumpe erfolgt z. B. an einem verlängerten Stück der Achse des Innenrotors (Anspruch 6) oder radial über die Hülse auf rein mechanischem oder elektromechanischem Weg (Anspruch 7). Bei elektromechanischer Antriebsweise kann zur weitgehendesten Miniaturisierung z. B. das Außenrad oder die Hülse integrierte Magnete besitzen, um als Läufer eines Synchronantriebs zu dienen, wobei die radial weiter außen liegende Hülse die elektromagnetischen Felder hindurchtreten läßt.

Vorteilhaft werden geringfügige Förderverluste durch Umfangs-Ungenauigkeiten zur Lagerung des jeweils drehbaren Teiles im Mantel verwendet (Anspruch 8).

Ein Motor zum Antreiben der erwähnten Pumpe zeichnet sich durch ebenfalls kleinste Bauweise aus, wobei er hohe Leistungsdichte zur Verfügung stellt und dabei sogar eine günstige Kennlinie (Drehmoment gegenüber Drehzahl) bereithält. Bei nicht allzu hohen Drehzahlen erreicht der Motor ein Drehmoment, mit dem eine Pumpe ohne Getriebe angetrieben werden kann. Die Antriebsenergie des Motors wird aus einem fluidischen Strom erzeugt, der durch die kämmenden Räder (Innenrad und Außenrad) läuft und am auslaßseitigen Ende in die Umgebung abgegeben wird. Das Antriebsfluid tritt durch einen Zufuhrschlauch oder -stutzen ein, der an der Hülse des Einsetzteiles oder am Einsetzteil selbst fest anbringbar ist (Anspruch 9).

Bei Anbringung am stirnseitigen Einsetzteil kann dieses gegenüber der Hülse leicht bis deutlich verlängert sein, um einen festen Sitz für den Zufuhrschlauch zu erhalten.

Die Anbringung des Zufuhrschlauches impliziert, daß der Durchmesser des Zufuhrschlauches etwa in der Größe des Durchmessers des Mikromotors liegt, die im Anspruch 10 umschrieben ist.

Bei Verwendung des fluidischen Antriebes bestehen keine Schwierigkeiten hinsichtlich einer elektrischen Isolation bei kleinsten Baugrößen. Das fluidische Antriebsmedium kann gleichzeitig als Kühlmedium, Schmiermedium, Spülmedium und Lagerflüssigkeit dienen.

Der Motor (Anspruch 9) ist mit gleichen Bauelementen aufgebaut, wie die Pumpe (Anspruch 1), lediglich andere Funktionselemente sind jeweils fest oder drehbar miteinander verbunden. Für den Motor und für die Pumpe gibt es bei einem uniaxialen Ineinanderstecken (Anspruch 11) der erwähnten Funktionselemente mehrere Möglichkeiten, sie zu realisieren, je nachdem welches Teil an welchem fest angeordnet ist, welches Teil an welchem drehbar angeordnet ist und mit welchem Teil sich die Anordnung an einem festen Punkt abstützt. Beim Antrieb mit einem Zuführschlauch wird der Abstützort der Zuführschlauch selbst sein. Beim Betreiben der Pumpe mittels eines verlängerten Achsabschnitts wird eine langgestreckte Antriebswelle verwendet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert und ergänzt.

Fig. 1 ist ein Beispiel für eine Pumpe 1 mit Einsetzteil 41 und Antriebsachse 50.

Fig. 1a ist eine Möglichkeit, die Bauelemente der Fig. 1 fest bzw. drehbar zueinander zu gestalten, wobei eine Schraffur eine feste Anbringung andeutet. Flächen, die aneinander angrenzen ohne im Grenzbereich schraffiert zu sein, sind gegeneinander beweglich.

Fig. 2 ist ein Beispiel für einen Motor 2 mit verlängertem Einsetzteil 41, auf das ein Zuführschlauch für ein Antriebsfluid gesteckt werden kann.

Fig. 2a ist ein Beispiel der Schaffung zueinander beweglicher oder fester "Grenzzonen" für den Motor der Fig. 2, wobei eine Schraffur eine feste Grenzzone andeutet.

Fig. 3a, 3b und 3c zeigen drei radiale Stellungen eines Innenrotors 20 gegenüber einem Außenrad 30, die beide im kämmenden Eingriff stehen.

Fig. 4 veranschaulicht eine Seitenansicht einer Hülse 60 mit darin eingesetzten zwei Stirnteilen 41, 42, sowie eine Schnittansicht A-A.

Fig. 5 ist ein Aufbau, bei dem im praktischen Versuch eine Pumpe 1 in einen Förderkanal geschaltet ist, der von einem Saugende S zu einem Druckende D führt. Gewählt ist hier eine umfängliche Antriebsrichtung an der Hülse 60 der Pumpe 1.

Fig. 6a, 6b und 6c zeigen Anschlußmöglichkeiten für einen Schlauch SH, mit dem Fluid für den Antrieb des Motors 2 zugeführt wird. Der Schlauch ist undrehbar befestigt.

Fig. 7a, 7b, 7c und 7d zeigen Anschlußmöglichkeiten für einen Antrieb A entweder an der Welle 50 oder am Einsetzteil 41 oder am Außenmantel 60 mit einem umfänglichen Antrieb 63a, 63b, wie er im Aufbau in der Fig. 5 verdeutlicht ist.

Fig. 7b ist ein elektromechanischer Antrieb nach dem Prinzip des Synchronmotors.

Fig. 8 veranschaulicht in drei Skizzen A, B und C drei unterschiedliche Ausgestaltungen von Einlaß- oder Auslaßöffnungen 41n, 42n in den Stirnteilen 41, 42 gemäß Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt eine Schemaskizze einer Mikropumpe 1, die in einer Größenordnung von unter 10 mm Durchmesser liegt, die aber insbesondere mit dem Fertigungsverfahren der Draht- und Senkerosion auf Größenordnungen reduzierbar ist, die unter 2,5 mm Durchmesser liegen. Die Länge der Pumpe beträgt bei dem Außendurchmesser von 2,5 mm nur noch etwa 4 mm, gemessen in Achsrichtung 100.

Auch andere Fertigungsverfahren sind einsetzbar, so die LIGA-Technik, Kunststoffspritzguß, Keramikspritzguß, Strangpressen, Metallsintern oder Mikrofräsen oder -drehen oder allgemeines Mikrozerspanen.

Die Mikropumpe 1 besteht aus einer Hülse 60, in der fünf Funktionselemente teilweise beweglich und teilweise fest integriert sind, wobei im Fall der "festen Integration" Funktionselemente, die keine relative Bewegung zueinander ausführen oder deren Funktion eine feste Verbindung erfordert auch aus einem Teil bestehen können, wenn dies die Fertigung zuläßt. An jeder Stirnseite der Hülse 60 ist jeweils ein Stirneinsatz 41 bzw. 42 vorgesehen, die beide eine außermittige Bohrung zur Aufnahme einer Pumpenachse 50 aufweisen. Die Bohrungen fluchten entlang einer ersten Achse 100, die gegenüber der Mittenachse 101 der Hülse 60 nach radial außen geringfügig versetzt ist.

Die beiden Stirneinsätze 41, 42 sind axial beabstandet und zwischen ihnen sind zwei miteinander rotierende und ineinander kämmende Rotoren vorgesehen, ein Außenrotorteil 30 und ein Innenrotorteil 20. Der Innenrotor 20 hat nach außen gerichtete, umfänglich gleichmäßig beabstandet verteilt angeordnete Zähne. Die Zähne kämmen mit dem Außenrotorteil 30, das nach innen offene Längsnuten 30a, 30b, . . . aufweist, die umfänglich gleichmäßig beabstandet sind und in ihrer Gestalt zu den Zähnen des Innenrotors 20 so passen, daß jeder Zahn des Innenrotors bei seiner kämmenden Drehbewegung eine in axialer Richtung gerichtete Dichtlinie auf der Innenfläche der zugehörigen Nut 30a, 30b, . . . des Außenrades 30 bildet. Alle Dichtlinien bewegen sich in der Antriebsrichtung A um die Achse 100, wobei die zwischen jeweils zwei Dichtlinien definierten Förder- oder Pumpenkammern 20a, 30a; 20b, 30b (etc.) sich bei der Drehbewegung zu der Auslaßbohrung 42n hin in ihrem in Fig. 3a bis 3c gezeigten Volumen reduzieren, auf der einen Hälfte der Pumpe, und auf der gegenüberliegenden Hälfte sich stetig vergrößern, um einen sich wiederholenden Zyklus von minimalem zu maximalem Kammervolumen und zurück zu ergeben.

Das Innenrad 20 beschreibt zusammen mit der Antriebsachse 50 eine Rotationsbewegung, ein Antrieb kann über eine längere biegsame Welle eine Drehbewegung A einkoppeln, es kann auch ein elektrischer Antrieb direkt an der Achse 50 angeordnet sein.

Ein Beispiel der Definition fester Grenzzonen (eng benachbarte Flächen zweier aneinandergrenzender Teile der Pumpe) ist in Fig. 1a dargestellt. Schraffuren kennzeichnen eine feste (nicht drehbare) Grenzzone, die übrigen Grenzzonen erlauben eine Drehbewegung der angrenzenden Teile.

Während die Drehachse 50 zusammen mit dem fest daran angeordneten Innenrad 20 und das Außenrad 30 in der Hülse 60 drehbar sind, sind die anderen Teile dieses Beispiels der Mikropumpe - die Stirneinsätze 41, 42 und die sich über die Länge der Pumpe 1 erstreckende Hülse 60 - umfänglich fest miteinander verbunden. Die Achse 50 ist drehgelagert in den Bohrungen der Stirneinsätze 41, 42, ebenso drehgelagert ist das Außenrad 30 in der fest stehenden Hülse 60. Damit bewegen sich bei einem Drehantrieb über die Achse 50 gemäß Fig. 1a, repräsentiert durch einen Winkelgeschwindigkeits-Vektor A, sowohl das Außenrad 30 als auch das Innenrad 20 unter rotatorischer Bewegung der Dichtungslinien gemäß Fig. 3 und gleichzeitiger Drehung der sich dabei verändernden Kammervolumen 20a, 30a (usw.) zwischen dem Außenrad und dem Innenrad.

Die festen Grenzzonen können z. B. durch Klebung hergestellt werden.

Die Kammervolumina werden dabei in Richtung zum geringsten Abstand der Achse 100 der Drehachse 50 von der Hülse 60 hin jeweils kleiner, womit die in ihnen geförderte Flüssigkeit unter erhöhten Druck gesetzt wird, während sie sich auf der anderen Seite nach Überschreiten des geringsten Abstandes zwischen Achse 100 und innerer Mantelfläche 61 der Hülse 60 wieder vergrößern.

Zusammen mit nierenförmigen Öffnungen 41n, 42n in den Stirnseiten 41, 42, die so angeordnet sind, daß ihre geringste radiale Breite jeweils an dem Ort beginnt, an dem der Abstand zwischen der Achse 100 und dem Innenmantel 61 der Hülse 60 am geringsten ist, während sich ihre maximale radiale Breite an dem Ort befindet, der nahe dem größten Abstand von Achse 100 zu der inneren Mantelfläche 61 der Hülse 60 liegt, wird eine Förderpumpe erhalten. Die Einström-Niere 41n, die sich auf der Seite der Zuströmung der zu fördernden Flüssigkeit V′ befindet, ist gegensinnig zu derjenigen Ausströmniere 42n gelagert, die in der erwähnten Fig. 1a am Ausströmort des unter Druck geförderten Fördervolumens V dargestellt ist. Die Fig. 1a zeigt also an der Ausströmseite eine Ausström-Niere 42n, die sich in der gezeigten Drehrichtung A der Pumpe vom geringsten Abstand der Achse 100 zum größten Abstand der Achse 100 von der inneren r61 hin radial gesehen verbreitert, während sich die Einström-Niere 41n in dem Stirneinsatz 41 befindet und sich mit ihrer größten radialen Breite vom Ort des größten Abstandes der Achse 100 zur inneren Mantelfläche 61 der Hülse 60 zum geringsten Abstand der Achse 100 von der inneren Mantelfläche 61 der Hülse 60 in ihrem radialen Ausmaß verringert.

Die Abmessung und die Breitenveränderung der beiden Nieren 41n, 42n sind abgestimmt auf folgende Kriterien:

• - Ein Kurzschluß der Förderung, d. h. eine durchgehende Verbindung zwischen der Einlaß-Niere und der Auslaß-Niere wird in allen Drehpositionen verhindert; damit wird-die umfängliche Erstreckung der Nieren 41n, 42n definiert.
• - Der Ein- und Auslaßquerschnitt der Nieren - die radiale Abmessungsveränderung - orientiert sich an dem Fußkreisdurchmesser des Außenrades 30 und dem Fußkreisdurchmesser des Innenrades 20, wobei die Querschnittsfläche so groß als möglich gewählt werden sollte, um geringen Druckverlust zu erhalten, allerdings bei Einhaltung der erwähnten Dimensionierungsvorschrift.

Die beiden Nieren können auch als gekrümmte Nuten 41k, 42k in die innere flache Wandung der Stirnseiten eingebracht sein, wobei dann jeweils eine zylindrische Bohrung 41b, 42b jeweils in Achsrichtung der Pumpe als Auslaß und Einlaß vorgesehen wird. Das erhöht die Stabilität, die bei den geringen Bauelementgrößen nicht unwichtig ist. Verschiedene Möglichkeiten der Einlaßniere und Auslaßniere sind in der Fig. 8 gezeigt.

Claims (12)

1. Mikropumpe (1) zur weitgehend kontinuierlichen Förderung eines Massenstroms, welche Pumpe eine Hülsenachse (101) und eine versetzte Drehachse (100) aufweist, bei der

• (a) in einer Hülse (60) ein Innenrotor (20) mit einem Außenrotor (30) in kämmendem Eingriff steht; dadurch gekennzeichnet, daß
• (b) zumindest eine auslaßseitige Drucköffnung (42n) eines ersten stirnseitigen Einsetzteiles (42), das in die im Durchmesser etwas größere Hülse (60) eingesetzt ist, in axialer Richtung (100, 101) ausgerichtet ist.

2. Mikropumpe nach Anspruch 1, bei der die Einlaß-Saugöffnung (41n) eines zweiten stirnseitigen Einsetzteiles (41) am anderen Ende der Hülse (60) (auch) in axialer Richtung (100,101) ausgerichtet ist.

3. Mikropumpe nach einem der erwähnten Ansprüche, bei der auf der Innenseite der stirnseitigen Einsetzteile (41, 42) je eine nierenförmige Nut (41k, 42k) vorgesehen ist, die in einen Großteil der Hälfte der durch Kämmung sich zyklisch im Volumen verändernden Förderkammern (30a, 20a) zwischen Innenrotor und Außenrotor (20, 30) münden.

4. Mikropumpe nach einem der erwähnten Ansprüche, bei der die Einsetzteile (41, 42) weitgehend dicht mit ihren inneren Stirnflächen an den äußeren Stirnflächen des Innenrotors (20) und Außenrotors (30) angrenzen bzw. anliegen.

5. Mikropumpe nach einem der erwähnten Ansprüche, bei der die Einlaßöffnung (41n) und die Auslaßöffnung (42n) axial gegenüber liegen, aber radial um etwa 180° gegeneinander versetzt bzw. verdreht sind.

6. Mikropumpe nach einem der erwähnten Ansprüche, bei der die Drehachse (50) in Achsrichtung (100) einseitig länger ist, um eine Ankopplung für eine mechanische Drehkraft (A) zu bilden.

7. Mikropumpe nach einem der erwähnten Ansprüche 1 bis 5, bei der eines seiner von außen direkt oder durch elektromagnetische Felder indirekt zugänglichen Teile, insbesondere der Außenrotor (30) oder die Hülse (60) elektromechanisch (63a, 63b) bzw. mechanisch (63) drehantreibbar sind.

8. Mikropumpe nach einem der erwähnten Ansprüche, bei der geringe Förderverluste am Innenumfang (61) des Mantels (60) als Drehlager verwendet werden, entstehend durch geringfügigen Unterschied im Durchmesser oder Fertigungstoleranzen.

9. Motor zum Antreiben einer Pumpe nach einem der erwähnten Ansprüche oder zum Drehen eines Werkzeugs, wie Mikrofräser, bei dem

• (a) ein Innenrotor (20) in kämmendem Eingriff (20a, 30a) mit einem Außenrad (30) steht, die beide stirnseitig von Einsetzteilen (41, 42) gefaßt in einer längeren Hülse (60) angeordnet sind, wobei die Achse (100) des Innenrotors (20) und die Achse der Hülse (101) parallel versetzt sind;
• (b) ein Zufuhrschlauch (SH) an der Hülse (60) oder einem (41) der Einsetzteile (41, 42) fest anbringbar ist, um ein Antriebsfluid (V) durch eine axiale Einlaßöffnung (41n) eines der Einsetzteile (41) zu den kämmenden Rädern (20, 30) zu führen.

10. Motor oder Pumpe nach einem der vorigen Ansprüche, die in einer Größenordnung gefertigt sind, die unterhalb von 10 mm Durchmesser, insbesondere unterhalb von 3 mm Durchmesser liegt, bei einer axialen Länge von unter 10 mm, wobei die Pumpe oder der Motor weitgehend durch Drahterosion, ggf. unter vom Fertigungsumfang her stark begrenzter Senkerosion für die nicht zylindrischen Formen, wie Nierenuten (41k, 42k) gefertigt sind.

11. Verfahren zum uniaxialen Ineinanderfügen und Montieren von - in Fügerichtigung weitestgehend zylindrischen - Funktionsteilen (20, 30, 50, 41, 42, 60) einer Pumpe oder eines Motors kleinster Baugröße (Mikropumpe, Mikromotor), insb. im Bereich unter 10 mm Durchmesser, bei dem ein erstes und ein zweites Einsetzteil (41, 42) stirnseitig in eine Hülse (60) eingeschoben werden, um zwischen ihnen einen Innenrotor (20) und einen Außenrotor (30) mit gegeneinander versetzten Achsen (101, 100) in axialer Richtung zu halten.

12. Motor nach Anspruch 10 oder 9, bei dem auch die Auslaßöffnung (42n) eine axiale Richtung, parallel zu den Achsen (100, 101) von Hülse und Innenrotor (20) aufweist.