Dosiersystem Neuer Ansatz für Mikro-Dosiersysteme

Autor / Redakteur: Uwe Voigt* / Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Mit der H2-Zelle hat Varta Microbattery eine winzige Vorrichtung entwickelt, die durch Wasserstoffausstoß kleinste Flüssigkeiten dosiert.

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Vorführmodell von VARTA Microbattery für den Betrieb einer Abgabe- oder Dosiereinrichtung (Vordergrund) und eines H2-Gasbehälters (hinten links).
Vorführmodell von VARTA Microbattery für den Betrieb einer Abgabe- oder Dosiereinrichtung (Vordergrund) und eines H2-Gasbehälters (hinten links).
(Bild: Varta Microbattery)

In großen Anlagen sind mechanische Stellantriebe die kosteneffizienteste und leistungsfähigste Möglichkeit, um Flüssigkeiten oder Granulate zu bewegen. Die Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs verbindet z.B. die präzise Reaktion auf den Pedaldruck des Fahrers mit einem äußerst robusten und zuverlässigen Betrieb. In kleineren Maßstäben können mechanische Vorrichtungen zum Bewegen oder Dosieren sehr kleiner Materialmengen äußerst kostspielig, kompliziert und sperrig werden.

Jetzt eröffnet eine neue Vorrichtung von Varta Microbattery einen neuen Ansatz zur Lösung dieses Problems ohne elektrische Energieversorgung, Federn, Zahnräder oder andere Stellantriebskomponenten. Diese neue Lösung ist sehr viel günstiger und einfacher zu implementieren als elektromechanische oder per Federkraft angetriebene Systeme und verspricht grundlegend neue Möglichkeiten zur Entwicklung und Fertigung kleiner Bewegungseinrichtungen.

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Kleine mechanische Systeme sind teuer und komplex

Funktionen zur Bewegung kleiner Mengen von Flüssigkeiten, Gels, Pasten oder Granulaten werden in vielen industriellen oder medizinischen Geräten benötigt, z.B. beim Aufbringen von Schmiermittel im Inneren eines Industriemotors oder zur Verabreichung von Medikamenten. In einigen Fällen muss die Dosierung kontinuierlich oder in einzelnen Schritten, über einen langen Zeitraum von Monaten oder sogar Jahren erfolgen.

Wenn die zu dosierenden Mengen präzise gesteuert werden müssen, werden konventionelle mechanische Lösungen recht teuer. Das ist deshalb der Fall, weil die hochpräzise Bearbeitung und Montage miniaturisierter mechanischer Teile technisch aufwendig ist und teure Produktionsanlagen erfordert. Ein Gerät, das einen Mikromotor enthält, benötigt außerdem eine Energiequelle, z.B. eine Batterie, sowie die komplexe Elektronik, die erforderlich ist, um die Energieversorgung zu regeln und den Lauf des Motors zu steuern.

Ein miniaturisiertes mechanisches System zur Dosierung kleinster Flüssigkeitsmengen ist daher gewöhnlich sehr komplex. Die Kosten für Bauteile, Entwicklung und Fertigung sind hoch, und daher stehen OEM, die kleine Dosiereinrichtungen mit mechanischen Mitteln realisieren, vor dem Problem, eine ausreichende Rentabilität zu erreichen. Dies ist umso mehr der Fall, wenn das Endprodukt, z.B. das Dosiersystem für Medikamente, auch noch ein Einwegprodukt sein soll. Der enorme konstruktive Aufwand steht in keinem Verhältnis zum Wert des Endprodukts, für das er vorgesehen ist.

Wasserstoffzelle erzeugt definierten Dosierdruck

Es gibt jedoch eine Möglichkeit zur präzisen Dosierung kleinster Mengen von Flüssigkeiten, Gels, Pasten oder Granulaten, die ohne Zahnräder, Hebel, Motoren, Federn oder andere mechanische Vorrichtung sowie ohne externe Energiequelle auskommt.

Die H2-Zelle von Varta Microbattery ist eine winzige Vorrichtung, die Gas erzeugt. Sie hat dieselbe Form wie eine Knopfzelle und kann eine Menge reinen Wasserstoffs erzeugen, die 270 mal größer ist, als ihr eigenes Volumen. So ist z.B. die H2-Zelle V 130 H2 eine Knopfzelle mit einem Durchmesser von 11,5 mm und einer Höhe von 5,4 mm, was einem Volumen von 0,55 cm3 entspricht. Dieses winzige Bauteil erzeugt bis zu 150 cm3 reinen Wasserstoff.

Nach der Aktivierung gibt die Zelle den Wasserstoff über zwei winzige Öffnungen auf der Oberseite ab. Aktiviert wird sie durch Kurzschließen über einen Widerstand mit einem bestimmten Wert. Der Wert des Widerstands bestimmt die Rate, mit der das Gas erzeugt wird – je niedriger der Widerstand ist, desto höher ist die Gasrate. Bevor sie aktiviert wird, ist die Zelle inaktiv und gibt kein Gas ab.

Beim Betrieb mit einem Festwiderstand ist die Gaserzeugungsrate ebenfalls fest. Als Widerstand kann aber auch ein Potentiometer verwendet werden, über das der Anwender die Gaserzeugungsrate im Betrieb einstellen kann. Der Einstellbereich ist dabei so groß, dass die Zelle das Gas innerhalb von Minuten oder auch bis zu einem Jahr lang abgibt.

Beim Einbau in ein gasdichtes Gehäuse entsteht nach der Aktivierung der Zelle durch das erzeugte Gas ein Druck. Bei einer Vorrichtung wie einer Spritze wird dieser Druck in eine Bewegung umgesetzt. Damit kann eine H2-Zelle zum Antrieb einer Dosiereinrichtung und damit zur Abgabe von Stoffen wie Schmiermitteln und Medikamenten eingesetzt werden. Eine einzelne H2-Zelle V 130 H2 in einem gasdichten Hochdruckgehäuse kann ein Gewicht von 10 kg 10 cm hoch anheben.

Bei der Dosierung werden als einzige Komponenten die Zelle, der angeschlossene Widerstand oder das Potentiometer und ein gasdichtes Gehäuse benötigt. Im Vergleich zu einem mechanisch angetriebenen System sind die Materialkosten erheblich niedriger, die Konstruktion ist einfacher und das Risiko eines Ausfalls oder der Ermüdung eines Bauteils ist wesentlich geringer.

Demosystem als Implementierungsbeispiel für Dosiereinrichtungen

Die Entwicklung einer Ausgabe- oder Dosiereinrichtung mit einer H2-Zelle von Varta Microbattery unterscheidet sich wesentlich von der Entwicklung eines herkömmlichen elektromechanischen Systems. Der Entwickler muss die erforderliche Gaserzeugungsrate in einem gegebenen geschlossenen Gehäuse berechnen, um die benötigte Antriebskraft zu erhalten. Hierzu ist ein Verständnis der Dynamik des Gehäuses erforderlich – des Drucks, der im Zylinder aufgebaut werden muss, bevor sich der Kolben bewegt.

Als Hilfe für einen schnellen Entwicklungsstart kann Varta Microbattery Produktentwicklern ein 'Innovations-Kit' vorführen, das die Implementierungen einer Abgabe- bzw. Dosiereinrichtung und eines Gasbehälters zeigt. Diese Konstruktionsbeispiele zeigen, wie die Kunststoffteile konstruiert und montiert werden können, um ein gasdichtes Gehäuse zu erhalten. Markierungen auf dem Behälter der Abgabeeinheit zeigen die Bewegungsrate für bestimmte Gaserzeugungsraten der H2-Zelle.

Das Demonstrationsmodell mit dem 'Gasbehälter' zeigt, wie ein Behälter für reinen Wasserstoff, im Unterschied zu herkömmlichen Wasserstoffflaschen, mit einem drucklosen Gasspeicher erstellt werden kann. (qui)

* Uwe Voigt, Produktmanager, Varta Microbattery

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