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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Mikroemulgator gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Ein derartiger Mikroemulgator dient insbesondere für großen Massendurchsatz
von zu vermischenden bzw. zu emulgierenden Fluiden.
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In
der chemischen Verfahrenstechnik besteht häufig der Bedarf, Stoffe mit
unterschiedlichen Eigenschaften miteinander zu vermischen. Üblicherweise
besteht die Aufgabe, verschiedene gasförmige oder flüssige Stoffe
(nachfolgend allgemein als Fluide bezeichnet) zu einem Fluidgemisch
mit möglichst homogener
Vermischung zusammenzufügen.
Hervorragende homogene Vermischungen und Emulsionen lassen sich
mit Hilfe von Mikromischern erzielen, wobei ein Nachteil darin besteht,
dass die bekannten Strukturen bislang nur Flussraten in der Größenordnung
von wenigen Litern je Stunde zulassen. Dies wird vor allem durch
den Druckabfall innerhalb der Mikrostrukturen verursacht. Besteht
der Bedarf, größere Stoffströme zu verarbeiten,
so gelingt dies bisher nur durch hochgradige Parallelisierung einer
Vielzahl von Mikromischern, was jedoch den Nachteil einer großen Zahl
von externen Schlauchanschlüssen mit
sich bringt, oder durch die Verwendung von makroskopischen Mischgeräten, mit
dem Nachteil einer eingeschränkten
Mischeffizienz. Die in der Makrotechnik bekannten Mischapparaturen
können
nicht ohne weiteres in die Mikrotechnik übertragen werden.
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Aus
der
DE 44 16 343 A1 ist
ein statischer Mikrovermischer bekannt, der insbesondere auf die Vermischung
chemisch miteinander reagierender Fluide sowie die effektive Behandlung
der entstehenden bzw. benötigten
Reaktionswärme
ausgelegt ist. Dazu werden in dem Mikrovermischer zahlreiche feinste,
extrem eng benachbarte Stromfäden
erzeugt, die in einer Mischkammer an Grenzflächen zusammengeführt werden,
um im begrenzten Volumen der Mischkammer eine gute Durchmischung
zu erzielen. Dazu ist eine Vielzahl parallel verlaufender Nuten in
mikrostrukturierte Platten eingebracht, durch welche die Fluide
geführt
werden müssen.
Die Effizienz der Vermischung hängt
generell von der Größe der Grenzflächen zwischen
den beiden fluidischen Komponenten ab. Gemäß dem Gegenstand dieser früheren Patentanmeldung
können
diese Grenzflächen nur
erhöht
werden, indem die Strömungsfäden möglichst
dünn ausgebildet
werden, um somit eine Vielzahl von Strömungsfäden in unterschiedlichen Ebenen
in die Mischkammer einzuspeisen. Die Möglichkeiten der Grenzflächenvergrößerung sind
demzufolge begrenzt. Außerdem
eignet sich dieser bekannte Mikrovermischer nur für einen
relativ geringen Massendurchsatz, da die Durchflussmenge aufgrund
der geringen Querschnitte der Nuten begrenzt ist.
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In
der
DE 195 11 603
A1 ist eine Vorrichtung zum Mischen kleiner Flüssigkeitsmengen
beschrieben. Diese Vorrichtung ist darauf spezialisiert, sehr kleine
Flüssigkeitsmengen
mit hoher Effizienz zu homogenisieren. Dazu werden die flüssigkeitsführenden
Kanäle
in den Mikrostrukturen so angeordnet, dass mehrfach langgestreckte
Grenzflächen
erzeugt werden, an denen die Vermischung der Komponenten erfolgt.
Für einen
hohen Massendurchsatz eignet sich diese Vorrichtung ebenfalls nicht.
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Aus
der
DE 195 36 856
A1 sind ein Mikromischer und ein mit diesem ausführbares
Mischverfahren bekannt. Gemäß der allgemeinen Überzeugung der
Fachwelt hinsichtlich der generellen Prinzipien solcher Mikromischer
werden auch hier zwei Eingangskanäle parallel zueinander geführt. Insbesondere
soll erreicht werden, dass die zu mischenden Fluide so lange voneinander
getrennt gehalten werden, bis ihre Strömungsgeschwindigkeit nach Betrag und
Richtung im Wesentlichen übereinstimmen.
Erst dann werden sie an einer Grenzfläche zur Anlage aneinander gebracht.
Insbesondere ist dafür
ein spezielles Trennelement vorgesehen, welches sich bis in den
Bereich des Mischpunktes erstreckt.
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Schließlich ist
aus der
DE 39 26 466
A1 ein Mikroreaktor zur Durchführung chemischer Reaktionen
mit starker Wärmetönung bekannt.
Dieser Mikroreaktor besteht aus mehreren übereinander liegenden Platten,
in denen parallele Rillen ausgebildet sind, die als Kanäle für die Fluide
fungieren. Zwischen zwei Platten, deren Rillen in parallelen Ebenen mit
senkrechter Ausrichtung zueinander verlaufen, wird eine dritte Platte
angeordnet, die eine Aussparung aufweist, welche die eigentliche
Mischzone bereitstellt. Aus den Rillen der beidseitig angrenzenden Platten
werden Fluide in diese Mischzone eingetragen, um dort vermischt
zu werden. Dieser Mikroreaktor hat hinsichtlich der Effizienz der
Mischung den Nachteil, dass die Mischzone relativ klein ist und
nur von einem Nebenstrom der jeweiligen Fluide durchströmt wird.
Außerdem
wird das Gemisch über
verschieden ausgerichtete Nuten aus der Mischzone abgetragen, so
dass eine nachfolgende Bündelung
des erhaltenen Gemisches notwendig ist, wobei nicht sichergestellt
werden kann, dass die beiden Teilmengen des Gemisches gleiche Mischungsverhältnisse aufweisen.
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Die
US 6,281,254 B1 beschreibt
einen Mikroemulgator, bei dem eine zu dispergierende Phase in einer
kontinuierlichen Phase fein verteilt werden soll. Voraussetzung
dafür ist,
dass die disperse Phase in mindestens einer Raumrichtung mikroskopische oder
submikroskopische Dimensionen aufweist. Diese Dimensionen werden
dadurch erreicht, dass die zu dispergierende Phase in die kontinuierliche
Phase gepumpt wird, wobei Mikrokanäle und konvex geformte Mikrostrukturelemente
genutzt werden, die als Trennwände
zwischen den einzelnen Mikrokanälen dienen.
Durch das Pumpen der zu dispergierenden Phase in die kontinuierliche
Phase durch die Mikrokanäle
entstehen in Richtung des Durchlaufes Emulsionen mit homogenen Mikrobereichen.
Die zu dispergierende Phase wird, senkrecht zu ihrem Verlauf, durch
die Mikrokanäle
in die kontinuierliche Phase gepumpt, die wiederum senkrecht zu
den Mikrokanälen
verläuft.
Bei diesem Mischprinzip werden die zu mischenden Phasen mit unterschiedlich
hohem Druck durch das System geleitet. Während die kontinuierliche Phase
des Systems mit einem geringen Druck durchläuft, muss der Druck in der
zu dispergierenden Phase relativ hoch sein, zumindest höher als in
der kontinuierlichen Phase.
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Aus
der
DE 197 46 583
A1 ist ein Mikromischer zum Mischen von flüssigen,
viskosen oder gasförmigen
Phasen bekannt. Der Mikromischer umfasst zwei Gehäuseteile,
die an Verbindungsoberflächen dichtend
aneinander liegen, sowie zwei Zulaufkanäle zum Einbringen der Phasen
in den Mikromischer und einen Austrittskanal zum Austritt des Stoffgemischs aus
dem Mischer, welche in die Trennfläche zwischen den Verbindungsoberflächen münden. Vorzugsweise
in einer der Verbindungsoberflächen
sind sich einander mehrfach kreuzende Kanalnuten eingearbeitet,
die als Mischstrecke für
die zu mischenden Phasen dienen. Bei diesem Mikromischer ist es möglich, zwei Phasen
miteinander zu vermischen, wobei die beiden vorhandenen Kanäle gleichrangig fungieren
und Nebenkanäle
in diesem System nicht vorgesehen sind. Beide durch die Zulaufkanäle in den
Mischer eingeführten
Phasen werden in den zwei sich mehrfach kreuzenden Kanalnuten an
den Kreuzungsbereichen laminar vermischt, wobei die Intensität der Vermischung
kein definiertes Ergebnis erwarten lässt. Da die Gestaltung der
Kanäle
keinen parallelen Verlauf zueinander zulässt, besteht das Risiko eines
erhöhten
Druckaufbaus im System.
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In
Ehrfeld, W., Hessel, V., Löwe,
H.: Microreactors 1. Auflage, Weinheim, Wiley-VCH-Verlag, 2000,
S. 45, S. 53–63
werden verschiedene Vermischungsmöglichkeiten im Mikrobereich
aufgezeigt. Aus dieser Druckschrift ist insbesondere ein Vermischungsprinzip
bekannt, bei dem viele kleine Nebenströmungen einer Komponente in
einen Hauptstrom einer anderen Komponente eingebracht werden. Der nach
diesem Mischungsprinzip arbeitende Mikromischer umfasst eine Mixkammer
und eine siebähnliche
Bodenplatte, die aus einer großen
Anzahl symmetrisch angeordneter Mikrolöcher besteht. Ein erster Fluidstrom
wird durch einen Kanal in die Mixkammer eingeführt. Gleichzeitig wird ein
zweiter Fluidstrom durch die Mikrolöcher in die Mixkammer eingeführt. Dabei
verläuft
der zweite Fluidstrom senkrecht zum ersten Fluidstrom. In der Mixkammer
kommt es zu einer Vermischung beider Fluide. Das Stoffgemisch wird
aus der Mixkammer durch einen Kanal ausgeführt, welcher an der entgegengesetzten
Seite des Einströmungskanals
für das
erste Fluid angeordnet ist. Das zweite Fluid wird mit relativ hohem
Druck in die Mixkammer geleitet bzw. gepresst. Im Gegensatz dazu
durchläuft
das erste Fluid das System nahezu druckfrei. An den Einströmungsstellen
des zweiten Fluids kommt es zu Verwirbelungen, die ein Vermischen
der beiden Fluide bewirken. Diese Vermischung verläuft allerdings
unkontrolliert.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Mikroemulgator
bzw. Mikromischer bereitzustellen, der hocheffizient arbeitet, ein
vorhersehbares Mischungsergebnis liefert und insbesondere einen
vergleichsweise hohen Massendurchsatz ermöglicht.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale gemäß Anspruch 1 vorgesehen. Weitere
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Im
erfindungsgemäßen Mikroemulgator
ist in Hauptströmungskanal
vorgesehen, an dessen Ausgang das in ihm erzeugte Fluidgemisch bzw.
die Emulsion abgegeben wird, wobei mehrere Nebenströmkanäle zur Ausbildung
mehrerer im Hauptströmungskanal
liegender Mischstellen im Wesentlichen senkrecht in den Hauptströmungskanal
münden,
wobei über
die Einspeisung von Fluid oder mehreren Fluiden über die Nebenströmkanäle in den
Hauptströmungskanal
im Bereich der Mischstellen eine Verwirbelung der Fluide erzeugt
wird.
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Der
wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Mikroemulgators besteht
darin, dass Mikroturbulenzen für
die Vermischung bzw. für
das Emulgieren der Stoffe ausgenutzt werden, so dass gegenüber den
weitgehend flächig
wirkenden Mischprinzipien gemäß dem Stand
der Technik eine deutlich höhere Mischeffizienz
erreicht wird. Außerdem
ist es bei dem erfindungsgemäßen Mikroemulgator
nicht erforderlich, den Querschnitt der einzelnen Strömungskanäle stark
zu reduzieren, so dass ein hoher Stoffdurchfluss auch bei hochviskosen
Fluiden erreicht werden kann. Zum Betrieb des Mikroemulgators müssen gleichzeitig
nur geringe äußere Drücke aufgebracht werden,
um einen hohen Fluidstromfluss zu erreichen.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass auf Grund der Verwirbelungsmischung
der als solches aus dem Stand der Technik bekannte Effekt der flächigen Schichtung
der unterschiedlichen Fluide nicht bestehen bleibt, sondern eine
zusätzliche
Vermischung auftritt, die ihrerseits zu einer Vermischung beiträgt.
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Eine
abgewandelte Ausführungsform
des Mikroemulgators besitzt einen Hauptströmungskanal, der in Längsrichtung
der mikrostrukturierten Platten verläuft, wobei das erste Fluid über eine
Gruppe von ersten Nebenströmkanälen und
das zweite Fluid über
eine Gruppe von zweiten Nebenströmkanälen in den
Hauptströmungskanal
eingespeist werden. Diese Gestaltung stellt sicher, dass für die beiden
Fluide innerhalb des Mikroemulgators weitgehend gleiche Strömungswiderstände herrschen,
so dass eine sehr gleichmäßige Vermischung
bzw. Emulgierung von im Wesentlichen gleichen Anteilen der Ausgangsfluide hergestellt
werden kann. Aufgrund dieser Besonderheiten kann gegebenenfalls
in Mikrosystemen auf zusätzliche
Dosierungseinrichtungen verzichtet werden. Die Parallelschaltung
mehrerer Kanäle
reduziert den Druckaufbau im Inneren des Mikroemulgators. Außerdem müssen bei
einer geeigneten Parallelisierung von außen nur geringe Drücke aufgebracht
werden, um die Fluide durch den Mikroemulgator zu transportieren.
Schließlich
kann dadurch der Massendurchsatz erhöht werden, im Vergleich zu
nicht parallelisierten Strukturen.
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Bei
einer nochmals abgewandelten Ausführungsform des Mikroemulgators
verläuft
der Hauptströmungskanal
in mehreren Mäandern
in den mikrostrukturierten Platten. Zum einen kann dadurch die Fläche der
Platten gegebenenfalls besser genutzt werden, so dass bei gleichen
Baugrößen bessere Misch-
oder Emulgierergebnisse erzielbar sind. Außerdem eröffnet dies die Möglichkeit,
dass gemäß einer
besonderen Weiterbildung der Erfindung vom Hauptströmungskanal
Abflusskanäle
ausgehen, die an einer stromabwärts
gerichteten Position erneut als Nebenströmkanäle in den Hauptströmungskanal
eingespeist werden. Der durch die Verwirbelung hervorgerufene Mischeffekt
kann auf diese Weise vervielfacht werden.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Nebenströmkanäle in unterschiedlichen Ebenen
in den Hauptströmungskanal
münden.
Einerseits entstehen die Turbulenzen im Hauptströmungskanal damit in unterschiedlichen
Höhen,
womit eine gleichmäßigere Vermischung
sichergestellt ist. Andererseits werden zusätzlich die flächigen Grenzschichten
zwischen den Fluiden gleichmäßig im Hauptstrom,
der im Hauptströmungskanal
fließt,
verteilt.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung des Mikroemulgators gehen mehrere
Abflusskanäle
senkrecht vom Hauptströmungskanal
aus. Dadurch werden am Eingang Abflusskanäle im Hauptströmungskanal
weitere Verwirbelungen erzeugt, während gleichzeitig ein Teil
des erzeugten Fluidgemisches aus dem Hauptströmungskanal abgezweigt wird.
Die abgezweigten Gemischteile werden dem Mischprozess in der bereits
oben erwähnten
Weise wieder zugeführt.
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Eine
weitere Verbesserung des Vermischungseffektes lässt sich durch den zusätzlichen Einbau
von Schikanen im Hauptströmungskanal
erreichen. Allerdings geht dies ggf. zu Lasten des Strömungswiderstandes,
so dass diese Maßnahme
nur bei Fluiden mit geringerer Viskosität eingesetzt werden sollte.
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Der
Mikroemulgator besteht vorzugsweise aus einer Bodenplatte, einer
Zwischenplatte und einer Deckelplatte, in welche jeweils Mikrostrukturen eingebracht
sind. Die einzelnen Platten können
beispielsweise durch Ronden oder Kleben miteinander verbunden werden.
Zur Herstellung der benötigten Strukturen
in den Platten kommen herkömmliche
Mikrostrukturierungsverfahren zum Einsatz, beispielsweise Ätzen oder
Laserstrukturieren. Prinzipiell können die mikrostrukturierten
Platten aus jedem Material gefertigt werden, wobei in der Mikrosystemtechnik jedoch
vorzugsweise Silizium, Glas, Polymere oder Metalle eingesetzt werden.
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Weitere
Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mikroemulgators,
unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 das
Grundprinzip der Erzeugung von Verwirbelungen in einem erfindungsgemäßen Mikroemulgator
gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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2 das
Grundprinzip der Erzeugung von Verwirbelungen gemäß einer
zweiten Ausführungsform
des Mikroemulgators;
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5 eine
vereinfachte perspektivische Explosionsdarstellung einer nochmals
abgewandelten Ausführungsform
des Mikroemulgators, welcher nach dem Grundprinzip gemäß 2 arbeitet;
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6 eine
vereinfachte Prinzipdarstellung des Verlaufs der einzelnen Strömungskanäle der Ausführungsform
des Mikroemulgators gemäß 5;
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7 eine
vereinfachte Prinzipdarstellung des entstehenden Schichtaufbaus
innerhalb des Fluidgemisches, welches bei einer Ausführungsform
gemäß 5 vom
Mikroemulgator erzeugt wird.
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1 zeigt
das Grundprinzip der Erzeugung von Verwirbelungen gemäß einer
ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Mikroemulgators.
Die Funktionsweise dieses Mikroemulgators beruht darauf, dass in
einem Hauptströmungskanal 1 ein
Hauptstrom geführt
wird, wobei die zu vermischenden Fluide über Nebenströmkanäle zum Hauptströmungskanal
geführt
werden. Die Nebenströmkanäle münden im
Wesentlichen senkrecht in den Hauptströmungskanal, um dort Verwirbelungen entstehen
zu lassen.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform ist eine Gruppe
von ersten Nebenströmkanälen 2 vorgesehen, über welche
das erste Fluid zum Hauptströmungskanal 1 geführt wird.
Darüber
hinaus ist eine Gruppe zweiter Nebenströmkanäle 3 ausgebildet,
die auf der gegenüberliegenden
Seite wiederum im wesentlichen senkrecht in den Hauptströmungskanal
münden.
In den zweiten Nebenströmkanälen 3 wird
das zweite Fluid geführt.
Im Hauptströmungskanal 1 bildet
sich daraufhin das Fluidgemisch aus. An den einzelnen Mündungsstellen
der Nebenströmkanäle 2, 3 entstehen
aufgrund des Zusammentreffens der jeweiligen Massenströme Verwirbelungen 4,
die eine Vermischung bzw. Emulgierung der verschiedenen Fluide bewirken.
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Die
in der 1 eingezeichneten Pfeile verdeutlichen die Flussrichtung
der einzelnen Komponenten bzw. des Fluidgemisches. Die gestrichelt
eingezeichneten Pfeile sollen versinnbildlichen, dass die mehreren
Nebenströmkanäle 2, 3 außerdem in
unterschiedlichen Ebenen (d.h. unterschiedlichen Höhen in Bezug
auf den Querschnitt des Hauptströmungskanals)
in den Hauptströmungskanal 1 einmünden. Auf
diese Weise werden die Verwirbelungen 4, welche die Mischstellen
bilden, gleichmäßig im Querschnitt
des Hauptströmungskanals
verteilt.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform werden die zu emulgierenden
bzw. zu vermischenden Fluide generell über die Nebenströmkanäle 2, 3 an
die jeweilige Mischstelle herange führt, während im Hauptströmungskanal 1 nur
das Fluidgemisch zum Ausgang des Mikroemulgators transportiert wird.
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2 zeigt
das Grundprinzip der Fluidführung
in den Kanälen
des Mikroemulgators gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform münden die
ersten Nebenströmkanäle 2 im
Wesentlichen senkrecht in den Hauptströmungskanal 1, wobei
die Fluide an den Mischstellen 4 verwirbelt werden. Da
bei der hier verdeutlichten Ausführungsform
die Gruppe der zweiten Nebenströmkanäle als solche
nicht vorgesehen ist, wird die zweite Stoffkomponente unmittelbar über den
Hauptströmungskanal 1 zugeführt. Zusätzlich ist eine
Gruppe von Abflusskanälen 5 angeordnet,
die im Wesentlichen senkrecht vom Hauptströmungskanal 1 ausgehen.
Durch die Abflusskanäle 5 wird
zumindest ein Teil des erzeugten Fluidgemisches aus dem Hauptströmungskanal 1 abgezweigt.
Da die Abzweigung dieses Teilstromes wiederum quer zur Strömungsrichtung
im Hauptströmungskanal 1 erfolgt,
entstehen auch im Bereich der Abzweigung der Abflusskanäle 5 weitere
Mischstellen 4, an denen eine zusätzliche Verwirbelung des Fluidgemisches erfolgt.
In gleicher Weise wie bei den Nebenströmkanälen 2 können die
Abflusskanäle 5 in
unterschiedlichen Ebenen vom Hauptströmungskanal 1 abgehen, was
durch den gestrichelten Pfeil verdeutlicht wird.
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Eine
abgewandelte Ausführungsform
des Mikroemulgators ist in einer vereinfachten perspektivischen
Explosionsansicht in 5 gezeigt. Diese Ausführungsform
arbeitet nach dem Strömungsprinzip,
welches in 2 dargestellt wurde. Die Zuführung des
ersten Fluids erfolgt über
den ersten Versorgungskanal 9. Das zweite Fluid wird über den
zweiten Versorgungskanal 10 in den Mikroemulgator eingeführt. Am
Anfang der Misch- bzw.
Emulgierstrecke ist ein parallelisiertes Kanalsystem 14 angeordnet, um
die zu mischenden Fluidströme
in den Hauptströmungskanal 1 einzubringen.
Der Hauptströmungskanal 1 ist
bei dieser Ausführungsform
in mehreren Mäandern
durch die Zwischenplatte 7 bzw. die Deckelplatte 6 geführt. An
jedem quer zur Längserstreckung der
Platten verlaufenden Abschnitt des Hauptströmungskanals 1 werden
die ersten Nebenströmkanäle 2 und
die zweiten Nebenströmkanäle 3 in
den Hauptströmungskanal
eingekoppelt. Gleichzeitig werden auf der gegenüberliegenden Seite des entsprechenden
Hauptströmungskanalabschnitts über die
Abflusskanäle 5 Teilströme des Gemisches
ausgekoppelt. Die Abflusskanäle
werden bei dieser Ausführungsform
an dem nächsten
parallel verlaufenden Hauptströmungskanalabschnitt
(stromabwärts)
wieder als Nebenströmkanäle in den
Hauptströmungskanal 1 eingeführt. Auf
diese Weise kommt es zu einer mehrfachen Vermischung, wodurch die
Mischeffizienz gesteigert wird. Der Einfachheit halber sind die
Mischabschnitte im mittleren Bereich der Zwischen- und Deckelplatte
nicht eingezeichnet. Am Ausgang 11 wird das hergestellte
Fluidgemisch abgegeben.
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Zur
besseren Verdeutlichung der Anordnung der Nebenströmkanäle und des
Zusammenwirkens mit den Abflusskanälen zeigt 6 eine
Prinzipdarstellung der Anordnung der einzelnen Kanalabschnitte,
wie sie bei einem Mikroemulgator gemäß 5 genutzt
wird. Es ist zu erkennen, dass anfangs über die ersten Nebenströmkanäle 2 und
die zweiten Nebenströmkanäle 3 die
Ausgangssubstanzen in den Hauptströmungskanal 1 einge speist
werden. Die einzelnen Nebenströmkanäle 2, 3 werden
in unterschiedlichen Ebenen geführt,
so dass sie in verschiedenen Höhen
in den Hauptströmungskanal 1 münden. Um
die in Längsrichtung
des Hauptströmungskanals
verlaufende Strömung
des Fluidgemisches zu gewährleisten,
sind die quer verlaufenden Abschnitte jeweils über Verbindungskanäle 15 miteinander
verbunden, so dass das in 5 dargestellte
Mäandermuster
entsteht.
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Auf
der den Nebenströmkanälen 2, 3 gegenüberliegenden
Seite des Hauptströmungskanals zweigen
mehrere Abflusskanäle 5 ab.
Die Abflusskanäle
sind vorzugsweise so gestaltet, dass die gesamte Höhe des Hauptströmungskanals
für die
Abzweigung ausgenutzt wird. Im weiteren verengen sich die Querschnitte
der Abflusskanäle 5 jedoch,
so dass sie beispielsweise mit dem üblichen Querschnitt eines Nebenströmkanals
erneut in den gegenüberliegenden
Abschnitt des Hauptströmungskanals
in diesen einmünden.
Zur besseren Verteilung der Verwirbelungsstellen erfolgt diese Einmündung wiederum
in unterschiedlichen Ebenen. Entlang der gesamten Erstreckung des
Hauptströmungskanals
sind damit zahlreiche Mischstellen vorhanden, an denen eine Verwirblung
der einzelnen Strömungsanteile
erfolgt. Obwohl prinzipiell zunächst
zwischen den einzelnen Strömungsteilen
Grenzschichten entstehen können, die
die Vermischung begünstigen,
wie dies vom Stand der Technik bekannt ist, werden diese Schichtungen
aber durch die Mikroturbulenzen sofort aufgebrochen und die einzelnen
Strömungsteile
in ungeordneter (chaotischer) Form im Hauptstrom verteilt, wodurch
der Mischeffekt deutlich gegenüber
dem reinen Schichtungsprinzip gesteigert werden kann.
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7 zeigt
schematisch die Entstehung der möglichen
Schichtungen im Fluidgemisch und die Anzahl der entstehenden Grenz flächen. Das
in 7 dargestellte Schema entspricht den Mischungsverhältnissen,
wie sie bei einem Aufbau entsprechend 5 im Hauptströmungskanal
bzw. in den Abfluss-/Nebenströmkanälen entstehen.
Nach der Einspeisung der beiden unterschiedlichen Fluide über den
ersten Nebenströmkanal 2 und
den zweiten Nebenströmkanal 3 liegt
im Hauptströmungskanal 1 an der
Position A ein Gemisch vor, dass eine Grenzschicht aufweisen könnte. Dieses
Gemisch wird teilweise in die Abflusskanäle 5 geleitet und
gelangt von dort erneut in den Hauptströmungskanal 1. An der Position
B könnten
daher bereits 3 flächige
Grenzflächen
im Fluidgemisch ausgebildet sein. In der nächsten Stufe werden wieder
Teile dieses Gemisches über
weitere Abflusskanäle 5 abgeleitet
und anschließend
dem Hauptströmungskanal 1 erneut
zugeführt.
Damit liegt an der Position C bereits ein Fluidgemisch mit theoretisch
sieben Grenzflächen
vor. In entsprechender Weise kann die Vermischung in nachfolgenden
Stufen fortgesetzt werden. Die flächige Vermischung wird jedoch
unterbrochen durch die Verwirbelung, die an jeder Einmündung bzw.
Abzweigung von Nebenströmkanälen bzw.
Abflusskanälen entsteht.
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Weitere
Abwandlungen können
vorgenommen werden, wobei erfindungsgemäß darauf zu achten ist, dass
die Nebenströmkanäle im Wesentlichen senkrecht
in den Hauptströmungskanal
eingeführt werden,
um die gewünschten
Verwirbelungsstellen auszubilden. Wie bereits einleitend erwähnt wurde, können die
mikrostrukturierten Platten aus verschiedenen Materialien hergestellt
werden, die sich generell für
den Einsatz in der Mikrosystemtechnik eignen.
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- 1
- Hauptströmungskanal
- 2
- erste
Nebenströmkanäle
- 3
- zweite
Nebenströmkanäle
- 4
- Verwirbelung/Mischstellen
- 5
- Abflusskanäle
- 6
- Deckelplatte
- 7
- Zwischenplatte
- 8
- Bodenplatte
- 9
- erster
Versorgungskanal
- 10
- zweiter
Versorgungskanal
- 11
- Ausgang
- 14
- parallelisiertes
Kanalsystem
- 15
- Verbindungskanäle