Entwicklung einer Mikroturbine als Antriebseinheit in einem intravenösen Katheter

Abstract

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde eine hydraulische Mikroturbine mit dem Arbeitsmedium Perfluorcarbon für den Einsatz in der Antriebseinheit eines intravenösen Membrankatheters entwickelt und getestet. Die Turbine hat die Aufgabe eine Mikropumpe anzutreiben, welche die nötige Druckdifferenz in dem Blutfluss durch den Membrankatheter aufbaut. Zentrale Rahmenbedingungen für die Auslegung der Turbine waren der maximale Außendurchmesser von 6 mm um den intravenösen Einsatz zu ermöglichen, sowie die abgegebene Leistung von etwa 1,5 Watt bei einer Drehzahl von 29.000 U/min, die für die Funktionalität der Mikropumpe erforderlich ist. Da Gleichdruckturbinen die größte Energieumsetzung in einer Stufe ermöglichen, wurde eine Turbine dieser Bauart für den vorgesehenen Einsatz entwickelt. Ein vollständiger Prototyp wurde gefertigt und assembliert. Die Fertigung des Leit- und Laufrades erfolgte unter Verwendung generativer Fertigungsverfahren. Zur Drehmomentmessung der Mikroturbine wurde ein Pendelmotorprüfstand aufgebaut und in Betrieb genommen, mit dem die Drehzahl-Drehmoment Kurven in Abhängigkeit vom Volumenstrom ermittelt wurden. Bei den durchgeführten Drehmomentmessungen mit Wasser und Druckluft als Arbeitsfluid der Turbine konnte an der Abtriebswelle der Turbine ein Moment aufgebaut werden, welches nahezu dem Auslegungswert entspricht. Jedoch war die erreichte Drehzahl zu niedrig um die erforderliche Leistung zu erzielen. Bei der Erprobung mit Perfluorcarbon wurde nur ein vernachlässigbar kleines Drehmoment gemessen. Mögliche Maßnahmen für die Verbesserung der Turbinenfunktionalität wurden nach folgenden Gesichtspunkten diskutiert: Reibungseinflüsse, Materialeigenschaften, Fertigungsabweichungen und Betriebsbereich.

The aim of this thesis was the development and testing of a microturbine with perfluorocarbon as drive medium as part of the drive unit for an intravenous membrane cathether. The turbine is supposed to drive a micropump, which has the task of building up the necessary pressure difference in the blood flow through the catheter. Main requirement for the design was the generated power output of about 1,5 W at 29.000 revolutions per minute in order to drive the micropump. Further constraints are the geometric limitations, the maximum outer diameter of 6 mm and an axial configuration, which arise due to the intravenous application. As impulse turbines generate maximum energy conversion in one stage, this type of turbine was chosen for the planned task. A complete prototype in original size was manufactured and assembled. The guide wheel as well as the blade wheel of the turbine were produced by means of rapid prototyping. An experimental setup based on an electrical dynamometer was established in order to measure the torques generated by the turbine and to derive its characteristic curves. The turbine approximately generated the required torque in measurements with water as well as compressed air as drive fluids. Nevertheless, due to low numbers of revolutions per minute the required power output could not be achieved. Generated torques in tests with perfluorcarbon as drive medium remained insignificant. Approaches to improve the performance of the turbine are discussed with respect to four aspects: friction, material properties, production deviations and operating point.