微型環形齒輪泵原理與選型：低脈動、高精度的微量液體輸送

微型環形齒輪泵（Micro Annular Gear Pump）是一種容積式泵浦，能在 µL 到 mL 等級提供連續、低脈動且可重複的定量輸送，廣泛用於點膠、分析儀器、燃料電池與生醫送液。本文說明其原理、影響精度的因素與選型重點。

環形齒輪泵的工作原理

環形齒輪泵又稱內齒輪轉子泵（gerotor 型式）。內轉子有 z 個外齒，外轉子有 z+1 個內齒，兩者偏心嚙合並朝同一方向旋轉，齒與齒之間形成數個封閉腔室：

• 吸入側：腔室隨旋轉逐漸變大，形成低壓把液體吸入。
• 排出側：腔室逐漸縮小，把液體擠壓推出。
• 每轉排出的體積固定，稱為排量（displacement，單位常為 µL/rev）。理論流量 = 排量 × 轉速。例如排量 3 µL/rev、轉速 1,000 rpm 時，理論流量約 3 mL/min。

因為流量與轉速直接成正比，以伺服馬達或無刷直流馬達搭配編碼器控制轉速與轉角，就能精確控制連續流量或單次定量體積。

為什麼脈動這麼低

• 多個腔室同時處於不同的吸排階段，輸出彼此重疊，形成近乎連續的流動。
• 沒有隔膜泵、柱塞泵所需的進出口逆止閥，不會產生閥門開關造成的壓力脈衝。
• 不像蠕動泵靠滾輪擠壓管子，不會出現滾輪通過時的週期性脈衝，也沒有軟管疲勞與老化問題。

實務上脈動並非絕對為零，但通常遠低於其他常見泵浦，可省去脈動阻尼器，適合對流量穩定性敏感的分析與塗佈應用。

影響定量精度的因素：黏度與壓差

轉子與泵殼之間必須保留微小間隙，液體會從高壓側經間隙回流到低壓側，稱為內部回流（slip）。回流量大致與壓差成正比、與黏度成反比：

• 低黏度液體（如水、溶劑，約 0.3～1 mPa·s）：回流較明顯，實際流量會低於理論值，且受壓差影響較大。
• 中高黏度液體（如油、膠、樹脂）：回流少、容積效率高，但需注意入口供液充足，避免吸入不足（氣蝕），並降低轉速以控制扭矩。
• 壓差：下游阻力（針頭、細管、過濾器）越大，回流越多。泵浦可承受的壓差依型號約從數 bar 到數十 bar 不等，應保留餘裕。
• 溫度：溫度改變黏度，進而改變回流量；長時間運轉或環境溫度變化大時需留意。
• 氣泡：氣泡會被壓縮，造成定量誤差，啟動時應完整排氣。

在黏度或壓差會變動的應用，可在出口串接液體流量計，以流量回授調整轉速，修正回流造成的偏差。定量點膠時，也常利用馬達短暫反轉產生回吸（suck-back），避免針頭滴漏與拉絲。

接液材質與磁耦合設計

接液材質

• 不鏽鋼（如 316L）：通用性高，適合水溶液、油品與多數溶劑。
• 陶瓷（氧化鋁、氧化鋯）與碳化鎢：硬度高、耐磨，適合含填料、研磨性的膠體或懸浮液。
• 哈氏合金（Hastelloy）等耐蝕合金：適合腐蝕性較強的化學品。
• PEEK 等工程塑膠：重量輕、具化學惰性，用於部分生醫與分析應用。
• 密封材質：依化學相容性選擇 FKM、EPDM、FFKM 等。

磁耦合（Magnetic Coupling）與軸封

• 磁耦合以磁力隔著密封罩傳遞扭矩，泵頭完全密閉、沒有動態軸封，不會從軸封處洩漏，也能隔絕外界空氣與水氣，適合揮發性溶劑、濕氣硬化膠、毒性或昂貴液體。
• 磁耦合可傳遞的扭矩有上限，負載過大時會脫磁空轉，具有某種程度的過載保護。
• 軸封式設計可傳遞較大扭矩，適合高黏度或高壓差，但軸封屬磨耗件，需定期檢查更換。

常見微量泵浦比較

選型步驟

• 確認流量範圍或單次定量體積，以及需要的重複性。
• 確認液體黏度（含使用溫度下的黏度）與是否含顆粒、填料或氣泡。
• 估算系統壓差：入口供液壓力、出口背壓、管路與針頭阻力。
• 依化學相容性選擇接液材質與密封材質；評估是否需要磁耦合。
• 確認驅動與控制方式：類比 0–10 V／4–20 mA、數位通訊、外部觸發定量。
• 規劃上游濾網、排氣與清洗流程，避免空轉與微粒卡死轉子。

子嘉代理 HNP Mikrosysteme 的 mzr® 微型環形齒輪泵，可依上述條件協助評估型號。

常見問題（FAQ）

環形齒輪泵會有脈動嗎？

會有極小的殘餘脈動，但因多個腔室重疊輸送且沒有逆止閥，脈動通常遠低於蠕動泵、隔膜泵與柱塞泵，多數應用不需要額外的脈動阻尼器。

微型齒輪泵可以空轉嗎？

不建議長時間空轉。液體本身也扮演轉子與軸承的潤滑角色，乾轉會加速磨耗。啟動前應先讓泵頭充滿液體（priming），並避免供液中斷。

可以輸送含顆粒的液體嗎？

轉子間隙很小，硬質大顆粒可能卡住或刮傷轉子。一般建議在入口加裝適當孔徑的濾網；含填料的膠體則應選擇陶瓷或碳化鎢等耐磨材質，並與供應商確認顆粒尺寸限制。

黏度很低的溶劑能定量得準嗎？

可以，但低黏度時內部回流較大，流量會隨壓差改變。建議降低下游阻力、在固定條件下校正，或搭配流量計做閉迴路控制。

環形齒輪泵和外嚙合齒輪泵有什麼不同？

外嚙合齒輪泵由兩個外齒輪並排嚙合，結構簡單但流量較大、脈動較明顯；環形（內嚙合）齒輪泵體積小、腔室多，較適合微量、低脈動的精密定量。

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相關應用說明：

• 微量點膠應用
• 生命科學送液應用
• PEM 電解槽應用

延伸閱讀：MFM／MFC原理與選型、體積與質量流量換算、真空計種類與範圍、微流體壓力vs注射幫浦、微差壓量測與選型

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