DE10118030A1 - Einrichtung zum Temperieren von Mikrokomponenten - Google Patents

Abstract

Bei einer Einrichtung zum Temperieren von Mikrokomponenten, insbesondere Mikroreaktoren, die vorzugsweise plattenförmig ausgebildet sind und vorzugsweise aus Silizium bestehen, wird mindestens eine Mikrokomponente in einer Halterung an ein Temperierelement gepreßt. Zwischen der Mikrokomponente und dem Temperierelement besteht eine flächige wärmeleitende Verbindung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Temperieren von Mikrokomponenten, insbesondere Mikroreaktoren, die vorzugsweise plattenförmig ausgebildet sind und vorzugsweise aus Silizium bestehen.

Zur Entwicklung und Herstellung neuer Substanzen sind im Bereich der Chemie häufig umfangreiche Versuchsreihen erforderlich. Dazu sind Mikrokomponenten bekanntgeworden, mit deren Hilfe die Versuche mit geringen Mengen durchgeführt werden können. Durch den modularen Aufbau dieser Mikrokomponenten, beispielsweise Mikroreaktoren und anderer Komponenten zum Behandeln verschiedener Substanzen, ist ein Zusammenstellen von Systemen für die jeweilige Aufgabe leicht möglich. Solche modularen chemischen Mikrosysteme sind in DE 198 54 096 A1 und DE 199 17 398 A1 beschrieben.

Für die jeweils gewünschten Reaktionen ist oft die Einhaltung vorgegebener Temperaturen erforderlich. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es Mikrokomponenten, insbesondere Mikroreaktoren, in vorteilhafter Weise zu temperieren, wobei die Flexibilität der aus Mikrokomponenten bestehenden Systeme erhalten bleiben soll. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Temperierelement vorgesehen ist und daß zwischen der Mikrokomponente und dem Temperierelement eine flächige wärmeleitende Verbindung besteht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Temperierelement ein Peltierelement ist. Diese Ausgestaltung hat unter anderem den Vorteil, daß eine relativ schnelle Änderung der zu- bzw. abgeführten thermischen Leistung möglich ist. Zum weiteren Wärmeaustausch mit der Umgebung kann bei dieser Ausgestaltung vorgesehen sein, daß auf der von der Mikrokomponenten abgewandten Seite des Peltierelementes ein Wärmetauscher angeordnet ist, dem ein Kühl- oder Heizmedium zuführbar ist. Vorzugsweise kann dabei der Wärmetauscher durch eine vergrößerte Oberfläche zum Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft ausgebildet sein. Zur Unterstützung des Wärmeaustausches kann dabei ein Gebläse dienen.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Temperierung dadurch erzielt, daß das Temperierelement ein Wärmetauscher ist, dem ein Kühl- oder Heizmedium zuführbar ist. Dabei kann das Kühl- oder Heizmedium beispielsweise Wasser oder ein Wärmeträgeröl sein.

Bei beiden vorteilhaften Ausgestaltungen kann der Wärmetauscher hohl ausgebildet sein und mit Leitungsanschlüssen für das Kühl- oder Heizmedium versehen sein.

Vorzugsweise ist bei der Erfindung vorgesehen, daß die wärmeübertragende Fläche des Temperierelementes im wesentlichen die Größe der angrenzenden Fläche der Mikrokomponente aufweist. Sollte bei den Mikrokomponenten jedoch nur teilweise eine zur Wärmeübertragung geeignete Fläche vorhanden sein, so kann die erfindungsgemäße Einrichtung auch derart weitergebildet sein, daß die wärmeübertragende Fläche des Temperierelementes kleiner als die angrenzende Fläche der Mikrokomponente ist.

Bei einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist vorgesehen, daß eine Halterung ein U-förmiges Aufnahmeteil für die Mikrokomponente und für das Temperierelement aufweist mit zwei Schenkeln, deren Enden mit einer Andruckplatte verschraubbar sind.

Um mit einer Halterung verschieden dicke Mikrokomponenten oder Stapel aus Mikrokomponenten einspannen zu können, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, daß die Andruckplatte einen verstärkten Mittelteil aufweist, der zwischen die Schenkel des U-förmigen Aufnahmeteils paßt.

Eine konstruktiv geschickte Anordnung des Temperierelementes, insbesondere eines Peltierelementes, ist bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung dadurch möglich, daß in dem der Andruckplatte gegenüberliegenden Bereich des U-förmigen Aufnahmeteils eine Öffnung zur Aufnahme des Temperierelementes angeordnet ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ermöglicht Anschlüsse nach außen dadurch, daß in der Andruckplatte Bohrungen zur Aufnahme von Anschlußelementen vorgesehen sind.

Die Handhabbarkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung, insbesondere die Verlegung elektrischer Leitungen kann dadurch erleichtert werden, daß an dem Aufnahmeteil elektrische Anschlüsse für das Temperierelement vorgesehen sind.

Je nach Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung stehen für die Halterung verschiedene Werkstoffe zur Verfügung. Es hat sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Halterung aus thermisch beständigem Kunststoff besteht.

Wie bereits erwähnt, können mehrere Mikrokomponenten, gegebenenfalls als Stapel, zusammengestellt und miteinander verbunden werden. Dabei kann eine Temperierung derart erfolgen, daß mehrere Mikrokomponenten aneinanderliegend gehalten werden und daß eine außenliegende Mikrokomponente mit dem Temperierelement in wärmeleitender Verbindung steht oder daß ferner die andere außenliegende Mikrokomponente mit einem weiteren Temperierelement in wärmeleitender Verbindung steht. Die Temperierung von beiden Seiten des Stapels kann gleichsinnig erfolgen, um mehrere der Mikrokomponenten gleichsinnig zu temperieren, beispielsweise zu kühlen oder zu erhitzen. Es ist jedoch auch möglich, die Temperierung an beiden Seiten des Stapels mit verschiedenen Temperaturen vorzunehmen, beispielsweise eine der außenliegenden Mikrokomponenten zu kühlen und die andere zu erwärmen.

Zur Verringerung eines Temperaturausgleiches zwischen den Mikrokomponenten kann dabei vorgesehen sein, daß zwischen aneinanderliegenden Mikrokomponenten Platten geringer Wärmeleitfähigkeit angeordnet sind. Dabei kann vorgesehen sein, daß die Platten Öffnungen zur Durchleitung von Substanzen zwischen den benachbarten Mikrokomponenten, die ebenfalls mit Öffnungen versehen sind, aufweisen.

Zur Einhaltung einer vorgegebenen Temperatur kann bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ferner vorgesehen sein, daß mindestens ein Sensor zur Erfassung der Temperatur mindestens einer Mikrokomponente vorgesehen ist, der mindestens einen Regler des Temperierelementes steuert.

Eine vorteilhafte Anordnung eines Sensors, bei welcher ein guter Wärmeübergang von der Mikrokomponente zum Sensor gewährleistet ist, kann dadurch erfolgen, daß der mindestens eine Sensor in einer in Richtung auf die angrenzende Mikrokomponente offenen Nut einer Halterung angeordnet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Teile einer erfindungsgemäßen Einrichtung in Explosionsdarstellung,

Fig. 1a ein weiteres Teil,

Fig. 2 und Fig. 3 das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 im zusammengebauten Zustand in zwei verschiedenen Ansichten,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel und

Fig. 6 ein Teil des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 mit einem Sensor.

Die Einrichtung nach Fig. 1 besteht aus einem U-förmigen Aufnahmeteil 1 zur Aufnahme mindestens einer Mikrokomponente 2 und einer Andruckplatte 3, die mit seitlichen Stegen 5, 6 (Schenkel) des Aufnahmeteils 1 verschraubt werden kann. Die Andruckplatte 3 ist in einem mittleren Bereich 4 verstärkt. In dem Ausführungsbeispiel ist eine Mikrokomponente dargestellt, es können jedoch auch mehrere Mikrokomponenten gehalten werden. Das Aufnahmeteil 1 weist zwei flanschartige Erweiterungen 7, 8 auf zur Befestigung auf einer geeigneten Basis. In die Andruckplatte 3 können Anschlußelemente 10 eingeschraubt werden, die an ihrem Stirnende jeweils eine Dichtscheibe 11 tragen und mit der Oberfläche der Mikrokomponente flüssigkeits- oder gegebenenfalls gasdichte Verbindungen bilden.

Eine Aussparung 12 in dem Aufnahmeteil 1 ist an zwei gegenüberliegenden Rändern 13, 14 derart geformt, daß mit den seitlichen Konturen eines Peltierelementes 15 eine formschlüssige Verbindung gebildet wird. Eine in Fig. 1 unterbrochen dargestellte Kabelverbindung 16 dient zur Zuführung von elektrischer Energie zum Peltierelement 15 über einen Mehrfachstecker 17. Die Verbindung 16 kann durch eine nicht dargestellte Bohrung des Aufnahmeteils 1 geführt werden, so daß der Mehrfachstecker 17 unmittelbar am Aufnahmeteil 1 montiert werden kann (Fig. 2 und Fig. 3).

Das Peltierelement 15 erzeugt eine Temperaturdifferenz in Abhängigkeit von der angelegten Spannung und kann deshalb zur Zuführung und zum Entzug von Wärme zum bzw. aus der Mikrokomponente 2 verwendet werden. Dabei ist ein einfaches und schnelles Umkehren des Wärmestroms möglich. Zum Wärmeaustausch mit der Umgebung ist bei dem Beispiel nach Fig. 1 ein Körper 18 vorgesehen, dessen Oberfläche mit einer Reihe von Rippen vergrößert ist. Zwischen den Rippen wird ein Luftstrom eines Gebläses 19 geführt.

Bei den auf dem Markt erhältlichen Peltierelementen, die beispielsweise in Bezug auf ihre Größe für die erfindungsgemäße Einrichtung geeignet sind, ist die Kühl-/Heizleistung begrenzt. Sollten höhere Leistungen, insbesondere Temperaturdifferenzen, erforderlich sein, lassen sich mehrere Peltierelemente in Reihe schalten oder stufenpyramidenförmig zusammenfügen.

Anstelle des Körpers 18 kann auch ein Wärmetauscher 20 (Fig. 1a) mit dem Peltierelement 15 verbunden werden, der einen Hohlraum zum Durchströmen mit einem Kühl-/Heizmedium aufweist, das über Anschlüsse 21, 22 zu- und abführbar ist.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist anstelle des gerippten Körpers 18 (Fig. 1 bis 3) zum Zu- bzw. Abführen der vom Peltierelement 15 transportierten Wärme ein Kühlkörper 20 gemäß Fig. 1a vorgesehen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung, bei welcher in der Halterung 1, 3' zwei Mikrokomponenten 2, 2' angeordnet sind, die von einer Platte 23 getrennt werden. Diese dient zum Abdichten von zwischen den Mikrokomponenten 2, 2' geführten Substanzen und zur Wärmeisolierung. Die Andruckplatte 3' ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 mit in der Figur nicht sichtbaren Kanälen versehen, so daß sie von einem Öl- bzw. Heizmedium durchströmt werden kann, das bei 21 und 22 zu- bzw. abgeleitet wird. Zur beidseitigen Temperierung von Mikrokomponenten bzw. Stapeln von Mikrokomponenten können in Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 auch zwei Peltierelemente oder zwei von einem Kühl- bzw. Heizmedium durchströmte Wärmetauscher vorgesehen sein.

Fig. 6 zeigt eine Andruckplatte 3', in welche eine Nut 25 für einen Temperatursensor 24 eingebracht ist. Der Sensor schließt dann etwa flächig mit der der Mikrokomponente zugewandten Seite der Andruckplatte 3' ab, so daß ein guter wärmeleitender Kontakt mit der Mikrokomponente entsteht.

Claims (21)

1. Einrichtung zum Temperieren von Mikrokomponenten (2), insbesondere Mikroreaktoren, die vorzugsweise plattenförmig ausgebildet sind und vorzugsweise aus Silizium bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperierelement (15, 20) vorgesehen ist und daß zwischen der Mikrokomponente (2) und dem Temperierelement (15, 20) eine flächige wärmeleitende Verbindung besteht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperierelement ein Peltierelement (15) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der von der Mikrokomponenten (2) abgewandten Seite des Peltierelementes ein Wärmetauscher (18, 20) angeordnet ist, dem ein Kühl- oder Heizmedium zuführbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (18) durch eine vergrößerte Oberfläche zum Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft ausgebildet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterstützung des Wärmeaustausches ein Gebläse (19) vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperierelement ein Wärmetauscher (18, 20) ist, dem ein Kühl- oder Heizmedium zuführbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (20) hohl ausgebildet ist und mit Leitungsanschlüssen (21, 22) für das Kühl- oder Heizmedium versehen ist.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeübertragende Fläche des Temperierelementes (18, 20) im wesentlichen die Größe der angrenzenden Fläche der Mikrokomponente (2) aufweist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeübertragende Fläche des Temperierelementes kleiner als die angrenzende Fläche der Mikrokomponente ist.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (1, 3, 3') ein U-förmiges Aufnahmeteil für die Mikrokomponente (2) und für das Temperierelement (15) aufweist mit zwei Schenkeln (5, 6), deren Enden mit einer Andruckplatte (3, 3') verschraubbar sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Andruckplatte (3) einen verstärkten Mittelteil (4) aufweist, der zwischen die Schenkel (5, 6) des U-förmigen Aufnahmeteils (1) paßt.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem der Andruckplatte (3) gegenüberliegenden Bereich des U-förmigen Aufnahmeteils (1) eine Öffnung (12) zur Aufnahme des Temperierelementes (15) angeordnet ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Andruckplatte Bohrungen zur Aufnahme von Anschlußelementen (10) vorgesehen sind.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Aufnahmeteil elektrische Anschlüsse (17) für das Temperierelement (15) vorgesehen sind.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (1, 3, 3') aus thermisch beständigem Kunststoff besteht.

16. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Mikrokomponenten (2, 2') aneinanderliegend gehalten werden und daß eine außenliegende Mikrokomponente (2) mit dem Temperierelement (15) in wärmeleitender Verbindung steht.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ferner die andere außenliegende Mikrokomponente (2') mit einem weiteren Temperierelement (3') in wärmeleitender Verbindung steht.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen aneinanderliegenden Mikrokomponenten Platten (23) geringer Wärmeleitfähigkeit angeordnet sind.

19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten Öffnungen zur Durchleitung von Substanzen zwischen den benachbarten Mikrokomponenten, die ebenfalls mit Öffnungen versehen sind, aufweisen.

20. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sensor zur Erfassung der Temperatur mindestens einer Mikrokomponente vorgesehen ist, der mindestens einen Regler des Temperierelementes steuert.

21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Sensor (24) in einer in Richtung auf die angrenzende Mikrokomponente offenen Nut (25) einer Halterung (3') angeordnet ist.