CN1968737A - 用于从流体产生微滴的设备、将至少一第一流体注入第二流体的方法及注入板 - Google Patents

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Abstract

一种用于从流体(13)产生微滴的设备，包括注入板(6)，该注入板包括至少一个限定的注入通道(11)，该注入通道在进口侧上具有用于接收流体的流入开口并且在出口侧上具有用于分配从流体形成的微滴(12)的流出开口。该设备设有用于输送流体通过注入通道的进给装置，并且在其侧壁上至少在分裂点位置处与至少一个二级通道(10)连通，至少在操作期间，在注入通道中流动的流体在该处分裂成分离的部分。该二级通道意在并且至少在操作期间适于至少在分裂点位置处包括辅助流体。至少对于该流体的一个部分，二级通道流入阻力高于注入通道流入阻力。这种装置用于将第一流体注入第二流体中的方法中并且第二流体的交叉流动被在注入板的出口侧上引导。

Description

用于从流体产生微滴的设备、将至少一第一流体注入第二流体的方法及注入板
技术领域
本发明涉及一种用于从流体产生微滴的设备，包括注入板，该注入板包括至少一个限定的注入通道，该注入通道在进口侧上具有用于接收流体的流入开口并且在出口侧上具有用于分配从流体形成的微滴的流出开口，并且设有用于输送流体通过注入通道的进给装置。本发明还涉及一种用于将至少一个第一流体注入第二流体中的方法，以及一种注入板。本发明特别涉及从具有在0.1和50微米之间的有效直径的注入通道产生微滴，以用于将小的微小液滴注入一中液体中以获得乳剂，或将微小气泡注入液体中以获得泡沫。在这里指出，为简洁起见，在下面叙述液滴或微小液滴，除非从文中相反情形是显然的，它还被理解成表示气泡或微小气泡。
背景技术
用于制造乳剂(或泡沫)的已知方法是所谓的交叉流动乳化，其中迫使用于分散的流体作为分散相通过具有注入通道的注入板，同时第二流体的连续交叉流动相横向于注入通道的流出开口以一定速度被引导到注入板的出口侧上。在欧洲专利申请EP 1.197.262中描述了这种已知方法和相关设备的一个实例。流经这里的第二流体在离开注入板的第一流体上施加切应力，由此当达到一定尺寸时，微小液滴从第一流体分离并且被夹带和吸收于第二流体中。这样形成的微小液滴的尺寸部分地由流经的第二流体的速度以及两种流体的特性决定。微小液滴因此形成有通常在注入板中的注入通道有效直径的2和20倍之间的变化直径。在这里指出，当在本申请中提及通道的有效半径或直径时，它被理解为表示假想的、完全圆形的的参考通道的半径或直径，该通道具有如此尺寸，从而对有关流体的产生等同的流入阻力。为了增强第二流体对微小液滴的剪切，在注入通道的已知设备中使用非圆形的的和非正方形截面从而因此在注入通道的流出开口处在第一介质的分散相和第二介质的连续相之间形成不稳定的界面。
对于越来越多的应用，发现理想的是利用该设备形成的微小液滴很精细并且还具有相互间几乎相等的尺寸。这些微小液滴例如具有通常十分之一微米的和数十个微米的直径的微小液滴，它们全部至少具有几乎相等的尺寸。这种很小的、几乎单分散的微小液滴例如显著改进了乳剂(油/水、水/油)的稳定性。如果将很小的并且相等的微小气泡结合在泡沫中，还改进了很多泡沫的质地和流变能力。发现在乳制品工业中后一情形是特别重要的，其中轻质产品需求量不断增加并且可选地多个乳剂打开了通向新产品和成组产品的道路。
已知设备和方法具有如此缺点，即液滴尺寸或多或少依赖于随机过程参数并且因此不是固定的，而是相反地，在给定界限中较大地变化。在用于形成微小液滴的已知设备和方法中，第二流体在注入板出口侧处的交叉流动是必需的。有时发现实现第二流体的这种交叉流动在实际中是耗时的。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种具有在前序部分中所述类型的设备，其中第二流体的交叉流动不是必需的。本发明的另一个目的在于提供一种具有在前序部分中所述类型的设备和方法，利用其可以形成具有至少几乎恒定的相互尺寸的很细小的微小液滴。
为了实现该预期目的，一种具有在前序部分中所述类型的设备具有如此特征，至少在分裂点位置处，注入通道在其侧壁上与至少一个二级通道连通，在该分裂点处，至少在操作期间，在注入通道中流动的流体分裂成分离的部分，该二级通道意在并且至少在操作期间适于至少在分裂点位置处包括辅助流体，并且至少对于该流体的一个部分，二级通道的流入阻力高于注入通道的流入阻力。在注入通道侧壁上这样已经与第一流体的注入流形成接触的辅助流体促进液滴在注入通道中在分裂点处从注入流其余部分分离。还称为自分裂或自动分裂从而使其区别于如在已知设备和方法中利用第二流体的交叉流动实现的分裂的这个过程，使得能够以精确限定的、单分散的微小液滴分裂第一流体，而绝对不依赖于来自注入通道外部的效应和因素，例如，如所施加的交叉流动。而且，即使在注入板出口侧上不存在交叉流动，这种机制仍然引起液滴形成。根据本发明的设备因此可被用于交叉流动乳化以及用于直接液滴形成。
本发明是基于这种认识，即通过这样使得液体流的分裂并不发生于注入板和第二流体的界面，而是相反已经在注入通道自身中发生，液滴分离被更好地控制并且被加速。分裂点位置由第一和辅助流体的表面张力和注入通道的局部几何形状的联合作用决定，并且由此被精确固定。液滴分离位置，并且因此液滴尺寸，因此并不特别依赖于例如在已知设备和方法中限定液滴尺寸并且难以控制或不能被控制的动态环境因素和过程参数。辅助流体朝向注入通道的流动阻力越小，第一流体分裂成液滴将越加容易和快速。为了更高的液滴量，因此优选使用多个二级通道，并且其中的流动阻力优选被保持为尽可能低。
注入通道和二级通道分别的流入阻力由其有效直径(deff)表征，根据deff≡4.γ/PLaplace，该有效直径由第一流体的相应起泡点Laplace压力(PLaplace)定义。对于第一流体在这里使用非润湿条件。当非润湿条件没有完全达到时，界面张力(γ)应该乘以在注入板、第一流体和辅助流体之间形成的接触角度的余弦，如根据Young公式标准。有效半径定义为有效直径的一半。
自分裂是一个动态过程，其中在注入通道中的确定量的第一流体的表面由于破裂而变得不稳定并且产生波长大约为注入通道有效周长的表面波。在圆形注入通道的情形中，这种波具有等于注入通道半径的2π倍的波长。所述的波具有如此形式，其中颈部从注入通道中的及其外侧的第一流体产生越来越厚的液滴。驱动力为表面张力，如果辅助流体能够达到分裂点，则其保证第一流体总是分裂成液滴，从而降低系统势能。来自注入通道外部的效应和影响，例如可能的交叉流动以及第二流体的粘度，在这里不成为因素。
由于自分裂的发生与在出口侧是否存在第二流体的交叉流动无关，所形成和分离的微滴总是具有基本相同尺寸。根据本发明的设备因此能够无需这种交叉流动地被操作和应用。根据本发明设备的一个具体实施例仍然具有如此特征，注入板和进口侧界定第一空间，该第一空间意在并且至少在操作期间适于在其中接收至少一个第一流体，并且注入板和出口侧界定第二空间，该第二空间意在并且至少在操作期间适于在其中接收至少一个第二流体。所形成的微滴在这里被直接地注入第二流体中从而因此形成例如单分散泡沫或单分散乳剂。从工艺学和商业角度看，这种精确形成的泡沫和乳剂对于很多应用而言是非常重要的。
辅助流体向分裂点的进给在本质上能够以不同方式实现。该辅助流体因此能够被单独供给，或者在注入通道的出口侧上从第二流体特别地例如从其交叉流动提取。不同于利用单独进给，在后一情形中，辅助流体将因此总是与交叉流动的第二流体相同。然而，发现这是非常实用的，因为在此情形中无需为辅助流体形成单独流动。为了进给辅助流体，根据本发明设备的具体实施例具有如此特征，至少在操作期间，二级通道从注入板表面特别是从其出口侧连通地延伸。在这里，从流经的第二流体的交叉流动，从注入板表面，特别是从出口侧供给该二级通道。
在一个具体实施例中，根据本发明的设备具有如此特征，该二级通道是注入通道的被横向界定的侧延伸部，它从注入板出口侧至少延伸到注入通道的分裂点。这种侧延伸部能够以与注入通道自身相同的或至少类似的过程形成并且从出口侧允许例如来自在该位置处流动的交叉流动的流体以很低的流动阻力到达至分裂点。这种延伸部在这里根据本发明形成并且确定比例从而其对第一流体的流入阻力高于注入通道的流入阻力。通过仔细选择流体压力，第一流体通过注入通道的流体流动在操作期间被这样施加，其中第一流体保持被封装在注入通道的中央部分中，而不进入这种延伸部，相反，该延伸部被辅助流体填充，在一个具体实施例中，这种侧延伸部在这里具有横向于注入通道流动方向的不完全的、至少基本圆形或多边形的截面。
在一个优选实施例中，根据本发明的设备具有如此特征，注入通道具有多个横向界定的侧延伸部，它们从流出开口至少延伸至分裂点，并且相邻延伸部彼此紧邻并且在这里相互封装注入通道的尖锐壁部。在相继延伸部之间的该尖锐的、锐利壁部降低了用于形成液滴的接触表面，并且这增强并且加速液滴的最终分离。以此方式，能够实现至少几乎单分散的分裂，其中在出口侧上无需或者几乎不需要应用具有任何意义的交叉流动，并且实现了足够强大的液滴分配。这种尖锐的壁部还防止第一流体在与注入通道的接触表面处渗透到二级通道中。
不同于经由一个或多个明确形成的二级通道，该辅助流体也可经由在下面简单称为开口气孔结构的、形式为相互连通气孔的多孔网络的二级通道被输送到分裂点。用于该目的的根据本发明设备的的另一优选实施例具有如此特征，至少在分裂点位置处，注入通道的壁利用开口气孔结构是多孔的，该开口气孔结构形成该至少一个二级通道，并且更具体地该注入板至少包括具有从出口侧至少至注入通道中的分裂点的开口气孔结构的顶层，该开口气孔结构形成该至少一个二级通道。这种结构作为二级通道具有如此优点，为此目的无需另外石印或其它制造步骤。一旦注入通道形成，便能够经由该多孔结构进给辅助流体。为了尽可能排除可能一起容纳于注入板中的注入通道的相互影响，根据本发明设备的另一具体实施例具有如此特征，注入板包括特别用于辅助流体的多个单独的注入通道，它们被容纳在注入板顶层的分离部分中。各个注入通道因此具有其自身的用于向分裂点进给辅助流体的多孔结构。
在根据本发明设备的另一具体实施例中还增强了液滴分配，其具有如此特征，注入板在出口侧上包括围绕注入通道的流出开口的凸起。该注入通道在这里利用凸起突出，就像是注入板表面的邻接部分上方的“烟囱”，这增强了在其上形成的液滴的分离和分配。这种外端还具有如此优点，即第一流体更不易于污染注入板的表面，由此设备操作更加精确。
在另一实施例中，根据本发明设备的具体实施例在这里具有如此特征，注入板的凸起至少部分地构成该至少一个二级通道。在一个优选实施例中，根据本发明的设备在这里具有如此特征，该至少一个二级通道包括在凸起的壁中的至少一个穿孔或狭槽。在凸起的通常较薄的壁中形成二级通道导致作为辅助流体的第二流体具有特别低的流动阻力，由此第一流体的高流速是可行的，而不会不利地影响所期望的自分裂。在这方面利用具有基本多边形的、特别是星形截面的注入通道实现了很好的结果。该至少一个二级通道能够被特别形成为凸起中的穿孔或狭槽。然而，在根据本发明设备的另一优选实施例中，该凸起是多孔从而经由其开口气孔结构实现辅助流体供给。它的一个具体实施例包括一束多孔中空管道、毛细管或纤维，优选缩短的毛细管膜过滤器。
本发明提供一种产生液滴或气泡的设备，其中交叉流动的使用不是必需的，由此实现了几乎单分散的液滴分布。本发明在这里是基于流体在注入板的注入通道中的自分裂。在这方面利用根据本发明设备的具体实施例实现了特别好的结果，其具有如此特征，注入通道的长度最小等于流出开口和分裂点之间距离的大约两倍。关于注入通道通过使用这种最小长度，分裂机制不被或者几乎不被流入注入通道中的流体中断。更具体地，注入通道优选具有如此尺寸和设计，从而分裂点以一定距离从流出开口分离，该距离是注入通道有效半径的一到五倍、特别是二到四倍并且更特别为大约π倍。
在根据本发明的设备中，经由注入通道输送用于分散的流体，而二级通道向注入通道中的分裂点提供流入的辅助流体，由此用于分散的流体将在该位置分裂。在这里重要的是，二级通道中的辅助流体的流入不被在注入通道出口侧上产生的分散的微小液滴过于阻碍。为了提高速度，并且因此提高注入板流量，根据本发明设备的另一具体实施例具有如此特征，即，每注入通道至少一个的二级通道的数目和面积被如此选择，从而二级通道关于辅助流体至分裂点的总的流动阻力小于注入通道关于第一流体从分裂点的流动阻力的十倍。
为了防止来自该至少一个二级通道的辅助流体被第一流体移位，根据本发明设备的另一具体实施例具有如此特征，二级通道的有效直径小于注入通道的有效直径，优选至少为其二分之一。其中二级通道有效直径是注入通道有效直径的二分之一到五分之一的注入板具有如此优点，即使在显著高于注入通道的Laplace压力的(跨膜)压力下，该第一流体也不能渗入二级通道中，或几乎不能。
根据本发明设备的另一具体实施例具有如此特征，可选地与注入板相结合的注入通道具有纳米粗糙或微观粗糙度表面结构。利用具有纳米粗糙或微观粗糙度结构的涂层覆盖可选地结合有注入板的注入通道可防止被第一流体润湿。因为由此实现了莲花效应，在第一流体和注入通道壁之间的接触线破裂。由此防止注入板表面被第一流体污染以及第一流体渗透到二级结构中。这可防止污染并且由此提高可靠操作的时间。这种涂层可包括碳、碳状化合物、金属、陶瓷材料、金属氧化物、聚合物、SAM(自组装单分子膜)，或这些材料的组合。
注入板、辅助流体和第一流体的系统优选被调节从而辅助流体能够总是比第一流体更加润湿注入板。在理想情形中，辅助流体能够完全润湿注入板并且第一流体一点都不能润湿注入板(非润湿)。为了在实际中便于这点，可向第一和/或辅助流体添加降低在辅助流体和注入板之间的接触角度的物质，在液体情形中，例如特殊的表面活性剂或蛋白质。这可通过利用提供所期望的润湿特性的材料覆盖注入通道和/或注入板表面而进一步实现。通过使得液滴分裂以稳定方式发生的具体措施，能够显著降低乳化剂/稳定剂(例如SDS、TWEEN等)在所形成乳剂中的使用，例如将液体流体排气并且强迫排出所形成的液滴或气泡。对于自分裂过程，乳化剂根本不是必需的，而与在多分散乳剂中的通常使用量相比，在这里形成的单分散液滴的稳定性要求显著更低的稳定剂量。
根据本发明设备的的另一具体实施例具有如此特征，注入板至少在围绕注入通道的壁部中具有多微孔结构，该结构对辅助流体具有很低的流动阻力。这种多微孔结构便于辅助流体渗透到注入通道中并且能够以很多方式实现，包括例如利用如通常用于聚合物过滤膜制造的相分离过程。辅助流体在操作期间的供给能够通过在多微孔结构中提供外部压力而实现。注入板的具有这种多微孔结构的部分越大，这越易于进行。
在另一具体实施例中，根据本发明的设备具有如此特征，注入通道在注入板中基本横向地延伸，该至少一个二级通道利用至少一个第一尺寸穿孔通向注入板的自由表面部分，并且注入通道在注入板出口侧上进入至少一个具有第二、更大尺寸的穿孔。注入通道在这里被沿着注入板长度方向布置，其中经由在注入通道的位于分裂点位置处的壁中的一个或多个较小的穿孔，注入通道中的第一流体能够直接接触在该位置处提供的辅助流体。液滴从一个或多个较大穿孔形式的注入通道的流出开口出现。在该实施例中，路径长度，并且因此辅助流体向分裂点流动的阻力较小并且获得了另外的设计自由度，因为流出开口不必与注入通道共线。此外，该实施例提供了沿其长度改变注入通道的选择，这也提供了额外的设计自由度。
为了从不同的初始物质产生液滴，以及双重乳剂或甚至复合乳剂，根据本发明设备的一个具体实施例具有如此特征，至少在操作期间，注入通道的流入开口可选同时地与用于不同流体的分离进口连通。
该本发明还涉及用于使用根据本发明的设备将至少一个第一流体注入第二流体中的方法，根据本发明的该方法具有如此特征，在位于用于克服注入通道流入阻力的压力和用于克服二级通道流入阻力的压力之间的操作压力下，将该至少一个流体提供到注入板的进口侧，该第二流体沿着注入板表面被支撑在出口侧上，并且向该至少一个二级通道供给辅助流体。在这里在注入板出口侧上施加第二流体的交叉流动，并且通过关于第二流体施加至少高于与注入通道的具体几何形状相关的所需流入Laplace压力的超压力，迫使第一流体进入注入通道中。在用于克服注入通道中的第一流体和第二流体之间的界面张力的压力和施加到第一流体的超压力之间的差异被转换成动能和摩擦，并且提供第一流体沿着第二流体的方向通过注入通道的运动。在第一和第二流体之间的界面由此完全移动到注入通道的流出开口。一旦位于其外部，第一流体不再夹在注入通道的壁之间并且界面将呈现球形形式。由于在正在增长的液滴中的第一流体的表面曲率的下降，在所形成的球形中的(Laplace)压力关于注入通道中的条件下降。
在液滴增长期间，靠近流出开口的压力进一步下降并且从注入通道中的压力Pn到第一流体的压力P(传递通道压力)形成压力梯度。从位于距注入通道中的流出开口k.rn的距离时，其中k大致等于π，压力已经下降直至柱体Laplace压力变成Pn＝γ/rn，第一流体的柱体在该距离上是不稳定的，并且表面波将引起形式相当于从文献中已知的Rayleigh分裂的分裂，该分裂在这里被在该位置从该至少一个二级通道提供的辅助流体所促进。因此第一流体的流动的分裂总是在相同位置处发生并且具有高度规则性，这使得能够分配具有至少几乎彼此相同的尺寸的液滴。在这里使用完全圆的、柱形的注入通道，其半径为rn，但是不同地形成的注入通道以全部相应的方式作用，虽然在这里应该考虑校正系数，其中k将具有在1和5之间的数值。如果润湿/非润湿条件没有完全实现，界面张力(γ)应该根据Young公式标准改变。
根据本发明，在这里的方法的具体实施例具有如此特征，第二流体作为辅助流体被引入该至少一个二级通道中。在此情形中并不单独地提供辅助流体，而是为此目的从第二流体(其流动)抽取。
根据本发明方法的另一具体实施例具有如此特征，至少部分经由注入通道，与第一流体一起地提供辅助流体。因此也无需单独地供给辅助流体，其在这里与第一流体预先混合或者被分散到其中(预制乳剂)以被同时地引入注入通道中。在注入通道中，辅助流体然后分离并在分裂点处形成促使第一流体在该位置处分裂的单独的相。除了单乳，双重乳剂和复合乳剂也能如此制造并且可以改进乳剂。对现有乳剂的这种改进例如可以是均质化，其中利用根据本发明的方法，乳剂的第一相被加工成单分散的液滴，并且由此在出口侧上被分配。乳剂的第二相在这里用作以混合形式提供的辅助流体。在此情形中注入板中的二级通道在基片的进口侧上开口，例如注入通道的横向延伸部或者如多孔基片结构中的微观通道。在后一情形中，建议利用基本不能渗透的层在出口侧上覆盖基片从而迫使第二相通过注入通道。
该设备和方法特别适用于生产乳剂和泡沫。根据本发明方法的一个具体实施例为该目的具有如此特征，即第二流体包括液体，并且从包括液体、气体、粉末及其组合的组选择该至少一个第一流体。
此外，根据本发明的方法还可用于流体的单分散雾化。根据本发明方法的另一具体实施例为此目的具有如此特征，即第二流体包括气体并且该至少一个第一流体选自包括液体、气体、粉末及其组合的组。
本发明还涉及如用于根据本发明的上述设备中的注入板，并且将基于多个示例性实施例和附图进一步对其进行描述。
具体实施方式
图1示出基于根据本发明的注入板6的根据本发明设备实施例的截面，该注入板6在其中具有注入通道1和形式为侧延伸部的二级通道2，该二级通道具有几乎四边形的截面。在该实施例中，注入通道是圆形的，但是在本发明范围中，可以为其选择不同形式，对于延伸部2也是如此，例如长方形、多边形、椭圆形、圆形、星形或一系列的形式。通过关于延伸部2的有效直径仔细地设定注入通道1的有效直径，可给予后者足够高的对于被输送通过注入通道的流体的流入阻力从而将该流体至少几乎完全地包围在注入通道1中。不同的侧延伸部可以相互连接从而因此降低二级通道2组合的流动阻力。
图2示出图1通道板的纵向截面。其中清楚示出在该实施例中二级通道2的深度(长度)5被选择成小于注入通道的深度(长度)4。二级通道2的深度小于注入通道深度的一半，但是至少延伸至被输送通过注入通道的流体的在注入通道中的(实际)分裂点。
在该实施例中，对于该注入板使用具有形成注入通道的通道长度的大约75微米厚度的硅基片6。利用光刻过程在该基片中布置多个几乎相同的注入通道，该过程允许其被受控地和精确地形成。注入板的一部分在图3中的透视图中示出，其中还清楚示出注入通道的流出开口7与基片6的周围表面齐平。注入通道1具有水平为10微米的有效直径，而在其上形成的侧延伸部2的有效直径等于大约3微米。该侧延伸部被形成(蚀刻)为在基片6中具有大约40微米的深度。
在通道1上的相继延伸部2在它们之间围绕注入通道1的尖锐壁部3。这些锐利点(结构)降低了接触表面并且因此增强了流动通过注入通道1的流体分裂成液滴或气泡，并且还防止该流体渗透进入二级通道2中。
图4示出图3注入板的可替代实施例的透视图。在该实施例中，注入通道利用界定在其上形成的侧延伸部的突出壁部8而突出超过基片6的表面从而防止所形成的液滴或气泡粘附到该表面。
图5示出注入板的其它实施例的透视图，其中注入通道利用其外端突出超过基片6的周围表面。这里在突出部分中形成形式为狭槽10的多个二级通道，该狭槽允许辅助流体进入注入通道从而由此在被输送通过注入通道的流体的分裂点处引起独立的分裂。这在图6的纵向截面中概略示出。凸起9的长度14优选在注入通道有效半径的最小1-5倍的水平从而保证分裂在注入通道的凸出部中而非在注入通道的更深处进行。
在操作期间，第一流体的流动在一定超压力下被引导通过注入通道1并且在基片6的出口侧上以从第一流体形成的液滴的形式离开注入通道。在所示的出口侧上，第二流体的流动在这里被沿着基片6的表面输送，即所谓的交叉流动，所形成的液滴被携带于其中。因此能够以工业规模制造相互不同的流体的泡沫和乳剂。
在注入通道1中流动的第一流体的分裂如此进行，其中第二流体能够在分裂点处经由通道间隙10透过11并进入注入通道，在该分裂点处第一流体13自然地趋于分裂。因为第二流体进入该注入通道，所形成的液滴或气泡12将脱离注入通道并且离开。
图7A-7D示出例如图5和6中的注入通道1的外端的多个可替代形式。突出壁部(段)9优选具有朝向注入通道中心的尖锐点(图7B)。具有设有根据本发明的二级通道的注入通道的注入板的优选实施例利用多孔管道，该多孔管道从表面突出(图7D)，并且由于在其壁中的开口气孔结构，从外侧到内侧形成很多二级微型通道。通过集束相应数目的中空纤维/管道，优选相互邻近地实现多个这种注入通道。该多孔结构优选延伸到基片6中。
在图8中示出根据本发明设备的另一个实施例。这里支柱或者优选碳的纳米管道15，在例如镍的起始层上选择性地在基片表面上生长。竖立的支柱优选为亲水性的(对于水性第二流体)，从而第二流体能够在支柱之间流至注入通道，而第一流体(在油性液体或气体的情形)与其没有亲和性。支柱15还足够长从而第二流体在应该发生分裂的位置处到达注入通道。该支柱或纳米管道优选利用化学汽相沉积过程生长。图9示出图8设备的顶视图。
图10示出根据本发明的设备和通道板的其它实施例的截面。在此情形中，注入通道被布置在完全多孔的基片中，该基片具有朝向注入通道形成多个二级微观通道的开口气孔结构16。该多孔结构优选关于第二流体18具有高的亲和性(良好润湿)并且关于第一流体13不具有亲和性(非润湿)。由此还保证注入通道的长期操作。第二流体17能够通过多孔结构16到达注入通道并且在其中有助于第一流体13分裂成液滴或气泡12。该注入通道能够可选地布置在多孔基片的厚度的仅一部分上，在该情形中，前面的基片部分可用作过滤器。
在图11中以截面示出根据本发明的设备和注入板的另一个实施例。在这里二级通道也在多孔基片结构16中形成为微观通道。然而，在此情形中多孔结构16位于无孔或者至少少孔的顶层和底层19之间，从而第一或第二流体均不能经由主表面在其中渗透。相反，该多孔结构具有用于在注入通道外侧单独供给的辅助流体的连接部分20，以用于因此在受控压力下主动地引导该辅助流体进入该多孔结构。由此能够防止第二流体经由多孔基片结构16的加热/消散，并且该分裂过程还能被更加精确地控制。顶层和底层19特别地可具有不同的孔隙度，或者甚至是完全封闭的。对于底层特别是后一情形，这因此能够阻止第一流体从下面渗透到多孔结构16中。
图12和13分别示出根据本发明的注入板和设备的另一个实施例的顶视图和侧视图。这里，优选通过在平坦硅板25中蚀刻以布置注入通道21和二级通道，该硅板25在这里用作设备底板。不同于蚀刻，在一些情形中也可使用模制过程以形成通道。通过改变所使用的(蚀刻)掩模或模具，能够以简单的方式设置注入通道21的长度。二级通道在这里由小的挡板22形成，它们优选是尖锐的，但是它们也可是圆形的或矩形的。第二流体能够通过在小的挡板之间的开口作为辅助流体流入注入通道中，这以箭头17概略示出。第一流体13利用挡板23被从第二流体18分离。
挡板23的通道结构和二级通道利用优选透明的顶板24封闭从而通过顶板能够看到该分裂过程。在可替代实施例中，底板25和顶板24是柔性的并且能够被卷起。在其它实施例中，顶板24被省去并且柔性底板25在其被卷起之后还形成顶板。小的挡板22优选使用相分离过程制成。小的挡板可选地具有多孔结构，在此情形中，它们可具有相连的形式并且在小的挡板之间的中间空间不是必需的。该结构在此情形中获得机械强度。在又一个实施例中，多个注入通道紧密相邻并且小的挡板22由多孔材料制成从而分离挡板23不是必需的。
图14示出根据本发明的另一个实施例的概略顶视图，利用该实施例，特别可以制造双色微滴28。来自分离的进给通道33、35的第一流体的两股流动26、27在注入通道中融合并且使用流入的第二流体17作为辅助流体将分裂成微滴28。两个进给通道33、35的流动阻力和长度优选相互适合从而在微滴28中的颜色分布是对称的。对于非对称的颜色分布，通道33、35相应地按照比例相互适合。除了制造双色微滴，该实施例还适用于其中两种液体应该在小的微囊体中融合的其它应用，例如，如胶液和/或敏感药物的不同成分，它们因此被直接封装从而它们不被暴露于空气。在图15中示出图14设备的一部分的透视图。通道板29和31在这里被安装于彼此之上，其中进给通道32能够以非关键方式设置在用于该一个第一流体的进给孔34的下面从而简单的组件是可能的。两个通道板29和31优选交替地设置在彼此之上从而因此获得高密度的注入通道。这种堆叠在图17中示出并且优选通过将两个通道板卷到一起而进行，为此目的，通过例如从多层聚合物箔片，特别从多层塑料基片进行制造，其采用柔性的形式。用于该两个分离的第一流体的进给通道30和32具有大的尺寸从而这些通道的流动阻力显著低于各个注入通道的进给通道33和35的流动阻力。以此方式，能够从相同的源同时地向多个注入通道供给第一流体。
在图16中示出根据本发明的注入板和设备的可替代实施例的概略顶视图，利用其可以制造双重乳剂36。优选被引导通过通道38的是被封装在第二相中的相，该第二相围绕第一相被对称地37提供，此后因为第二流体能够经由二级通道作为辅助流体流动进入注入通道中，这种两相流动将分裂成分离的液滴36。
图17示出在根据本发明设备的实施例中的堆叠通道板的截面。通道板31形成用于供给第一流体的腔室32以及注入通道30，其中该注入通道被随后的通道板31关闭。
图18概略示出卷起的设有线条式样39的柔性多孔层40，例如以用于获得图12的实施例。由于被卷起，后侧41将封闭线条式样39。第一流体优选在进给侧42供给并且然后将在由该线条式样形成的注入通道中分裂成液滴12。辅助流体能够经由该结构的多孔壁渗入注入通道中以有助于这种分裂。
图19概略示出具有注入通道43和二级通道45的本发明的另一个实施例。优选蚀刻在硅表面中的是形成注入通道43并且被连接到进给通道47的通道。注入通道优选被盖板48关闭，其中，在从开口44的距离49处，该距离优选为注入通道43的有效半径的1-5倍，形成一个或多个开口45。第二流体可作为辅助流体经由这个/这些开口45渗入注入通道并且在那里有助于第一流体分裂。这些开口优选小于注入通道43的有效直径。在盖板48中布置辅助开口46，其小于用于辅助流体的流入开口45，它可用于蚀刻注入通道并且保证辅助流体润湿注入通道壁从而使该壁关于第一流体具有低的亲和性。该注入通道优选覆盖有涂层，特别是多孔涂层，该涂层将来自开口46的辅助流体分布在注入通道43的整个内表面上从而优化注入通道的内部润湿。图20示出图19设备的透视剖视图。
图21示出根据本发明的注入板和设备的另一个实施例。在此情形中使用完全多孔的基片6，其中形成注入通道，该注入通道从其出口侧仅在有限厚度部分上延伸。多孔基层61因此位于注入通道前面以在第一流体进入注入通道之前过滤第一流体13。第二流体18经由多孔基片结构提供辅助流体的流动，这利用箭头17概略示出，该辅助流体经由通过该多孔结构形成的微观通道行进到注入通道并且在那里有助于第一通道在靠近分裂点处分裂成液滴12。如果需要，通过从流入侧在其中形成凹口或其它宏观入口，它们在路径的一部分上延伸至注入通道壁并且其中辅助流体仅遇到很有限的流动阻力，辅助流体在这种多孔结构中的流动阻力可被降低。
虽然基于多个示例性实施例在上面进一步地阐述本发明，显然本发明决不受限于此。相反，在本发明的范围内，对于本领域普通技术人员而言，很多改变和实施例仍是可能的。这种改变和实施例例如：
一个注入板，其中注入通道具有高于该至少一个二级通道的长度(深度)的长度(深度)。由此防止第一流体流入该至少一个二级通道中。
一个具体实施例是堆叠/卷起结构多孔层，优选具有线条式样的层。可能结合有任意构造的其它材料层。
一个具体实施例是具有多个注入通道的注入板，其中相邻注入通道的流出开口相互靠近地设置从而相邻液滴“感觉到”彼此。对于来自中央注入通道的液滴，从相邻注入通道同时产生的液滴好像形成这样动态形成的进一步的注入通道的界定壁，其中二级通道固有地存在于不同液滴之间，由此不稳定的液滴能够脱离。
本发明不限于沿其整个长度具有相同截面的注入通道和二级通道。其中沿着通道长度的变型，例如，如锥形，相反能够对于制造能力和/或功能具有积极的效果。
不同于一个或多个注入通道，根据本发明的设备还可体现为具有为该目的而被集成在一个或多个共用基片中的大数目的注入通道。一个注入板因此可实现为具有多于一千个的注入通道，它们在二维矩阵或者其它方式中彼此相邻地和平行地排序，它们具有小于通道有效直径的十分之一、并且优选小于五分之一的相互间距。
如果需要，通过向其内壁施加另外的层，例如通过利用潮湿相(CVD)均匀沉积适当材料，注入通道的初始直径可被制成得更小。
第一流体当然能够可选地在多个不同液体流动中供给到注入通道，或者第一流体可包括多个相从而例如制造囊装乳剂或者在液滴或气泡中获得多种组分，例如如双重乳剂。
利用本发明制造的乳剂非常适于获得单分散的微滴。从文献中已知的不同方法可在这里被用于固化分散液滴并且赋予它们理想的质地。
通过在注入通道中施加特定的压力梯度，在注入通道中发生自分裂。所需的压力梯度能够以很多方式施加，例如通过在进给侧上提供周期压力分布，其中在各个压力脉冲处，一个或多个液滴被推出并且脱离。准确的设定液滴分裂频率和压力分布控制频率在这里是重要的。也可在注入板上采取措施，例如通过结合主动和/或被动阀构造或者通过应用弹性材料。
本发明的重大优点在于，与在传统交叉流动应用中相比，可以使用具有更大孔隙度的注入板，因为与其相比，所形成的颗粒为其五分之一-十分之一倍。相邻液滴聚结的可能性因此显著更小。
可以使用不同工艺和技术制造注入板。这例如可以使用微系统工艺(Micro System Technology)、模具上的相分离技术、激光钻孔、热模压印浮雕图案、电成形，和机械穿孔，这并非是完全列表。还可使用光敏聚酰亚胺或SU-8。
根据本发明的设备和方法可被用于在工业上生产乳剂、泡沫和微滴，其中它们用于食品(或类似产品)、药品、化妆品和化学品应用。这例如涉及到以下产品的生产，柔软和易于分布的化妆产品、用于降低摩擦的普通润滑剂、食品增补剂、限时释放药物、囊装药物、医学对比液体、胶水，自愈合混凝土、定距微粒、磁性颗粒、聚苯乙烯微粒，E-墨水、功能墨水、调色剂、荧光颗粒中的以及用于液晶(LCD)应用的单色和双色功能颗粒。对于燃料和涂层中的添加剂，本发明可用于实现改进的腐蚀性、改进的覆盖性、改进的光学性能、改进的磨损性、改进的填充性能、降低的粘度等目的。根据本发明的设备和方法还适于单分散的泡沫，用于食品，包括乳制品例如乳酪蛋黄酱和低脂肪牛奶的乳剂和双重乳剂，以及用于制造水果饮料并且还用于预制乳剂(例如牛奶中的脂肪颗粒)均质化以及用于很多喷射干燥应用。单分散的聚合物，陶瓷或金属微粒也可被用于优化的热质传输、最优供给、利用功能材料填充、更高的选择性、改进的稳定性等。最后，利用根据本发明的设备和方法形成的微滴可以改进和改变材料和基片的表面性能。

Claims (26)

1.一种用于从流体产生微滴的设备，包括注入板，该注入板包括至少一个限定的注入通道，该注入通道在进口侧上具有用于接收流体的流入开口并且在出口侧上具有用于分配从流体形成的微滴的流出开口，并且设有用于输送流体通过注入通道的进给装置，其特征在于，至少在分裂点位置处，注入通道在其侧壁上与至少一个二级通道连通，在该分裂点位置处，至少在操作期间，在注入通道中流动的流体分裂成分离的部分，该二级通道意在并且至少在操作期间适于至少在分裂点位置处包括辅助流体，并且至少对于该流体的一个部分，二级通道的流入阻力高于注入通道的流入阻力。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，注入板和进口侧界定第一空间，该第一空间意在并且至少在操作期间适于在其中接收至少一个第一流体，并且注入板和出口侧界定第二空间，该第二空间意在并且至少在操作期间适于在其中接收至少一个第二流体。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，至少在操作期间，二级通道从注入板表面特别是从其出口侧连通地延伸。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，该二级通道是注入通道的被横向界定的侧延伸部，它从注入板出口侧至少延伸到注入通道的分裂点。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，侧延伸部具有横向于注入通道流动方向的不完全的、至少基本圆形或多边形的截面。
6.根据权利要求4或5所述的设备，其特征在于，注入通道具有多个横向界定的侧延伸部，它们从流出开口至少延伸至分裂点，并且相邻延伸部彼此紧邻并且在这里相互围绕注入通道的尖锐壁部。
7.根据前面任一权利要求所述的设备，其特征在于，至少在分裂点位置处，注入通道的壁利用开口气孔结构是多孔的，该开口气孔结构形成该至少一个二级通道。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，该注入板至少包括具有从出口侧至少至注入通道中的分裂点的开口气孔结构的顶层，该开口气孔结构形成该至少一个二级通道。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，至少为该辅助流体，注入板包括多个单独的注入通道，它们被容纳在注入板顶层的不同部分中。
10.根据前面任一权利要求所述的设备，其特征在于，注入板在出口侧上围绕注入通道的流出开口包括凸起。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，注入板的凸起至少部分地构成该至少一个二级通道。
12.根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，该至少一个二级通道包括在凸起的壁中的至少一个穿孔或狭槽。
13.根据前面任一权利要求所述的设备，其特征在于，注入通道的长度最小等于流出开口和分裂点之间距离的大约两倍。
14.根据前面任一权利要求所述的设备，其特征在于，分裂点以一定距离从流出开口分离，该距离是注入通道有效半径的一到五倍、特别是二到四倍并且更特别为大约π倍。
15.根据前面任一权利要求所述的设备，其特征在于，每注入通道的该至少一个二级通道的数目和区域被如此选择，从而二级通道关于辅助流体至分裂点的总的流动阻力小于注入通道关于第一流体从分裂点的流动阻力的十倍。
16.根据前面任一权利要求所述的设备，其特征在于，二级通道的有效直径小于注入通道的有效直径，优选最小值为其二分之一。
17.根据前面任一权利要求所述的设备，其特征在于，可选地与注入板相结合的注入通道具有纳米级粗糙度或微观粗糙度表面结构。
18.根据前面任一权利要求所述的设备，其特征在于，注入板至少在围绕注入通道的壁部中具有多微孔结构，该结构对辅助流体具有很低的流动阻力。
19.根据前面任一权利要求所述的设备，其特征在于，注入通道在注入板中基本横向地延伸，该至少一个二级通道利用至少一个第一尺寸穿孔通向注入板的自由表面部分，并且注入通道在注入板出口侧上进入至少一个具有第二更大尺寸的穿孔。
20.根据前面任一权利要求所述的设备，其特征在于，至少在操作期间，注入通道的流入开口可选同时地与用于不同流体的分离进口连通。
21.一种用于使用根据前面任一权利要求所述设备将至少一个第一流体注入第二流体中的方法，其特征在于，在位于用于克服注入通道流入阻力的压力和用于克服二级通道流入阻力的压力之间的操作压力下，将该至少一个流体提供到注入板的进口侧，该第二流体沿着注入板的表面在出口侧上携带，并且向该至少一个二级通道供给辅助流体。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，该第二流体作为辅助流体在该至少一个二级通道中引入。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，至少部分经由注入通道，与第一流体一起地提供辅助流体。
24.根据权利要求21、22或23所述的方法，其特征在于，第二流体包括液体，并且从包括液体、气体、粉末及其组合的组选择该至少一个第一流体。
25.根据权利要求21、22或23所述的方法，其特征在于，第二流体包括气体并且该至少一个第一流体选自包括液体、气体、粉末及其组合的组。
26.一种用于根据权利要求1-20中任一项所述设备中的注入板。
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