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Die
Erfindung betrifft ein Prozessleitmodul nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Es ist eine Vorrichtung, in der einzelne miniaturisierte
Operationselemente, sog. „unit
operations" der
chemischen oder pharmazeutischen Verfahrenstechnik, wie z. B. Heizer,
Mischer, Wärmetauscher,
Reaktoren, Separatoren, oder kombinierte miniaturisierte Operationselemente,
d. h. Kombinationen aus z. B. Heizer, Mischer, Wärmetauscher, Reaktoren, Separatoren, zusammen
mit Sensoren zur Prozessüberwachung und
gglfs. mit Aktoren oder miniaturisierten Aktoren, wie z. B. Ventilen,
auf engstem Raum untergebracht werden können und durch preiswerte und
sichere Verbindung mehrerer dieser Vorrichtungen sich eine vollständige Prozessstrecke
für chemische
oder pharmazeutische Umsetzungen aufbauen lässt.
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Die
chemische und pharmazeutische Industrie unterliegt derzeit einem
enormen Kostendruck. Insbesondere die Erforschung neuer Reaktionswege und
die Überführung neuer
Synthesewege von der Forschung und Entwicklung in die Produktion
sind zu aufwändig.
Von daher sind neue Vorrichtungen erforderlich, die flexibel, sicher
und preiswert eine schnellere und preiswertere Entwicklung neuer
chemischer Stoffe ermöglicht.
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Auf
der Basis der Mikroreaktionstechnik sind bereits einige sog. Mikroreaktorsysteme
bekannt.
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Aus
DE 199 17 330 A1 ist
ein Mikroreaktormodul bekannt. Diese Mikroreaktormodule werden formschlüssig miteinander
verbunden, um ein Reaktorsystem zu bilden. Zu diesem Zweck ist das
Mikroreaktormodul mit komplizierten und in der Herstellung sehr
teuren mechanischen Strukturen, z. B. Schalbenschwanz-Elementen,
ausgestattet. Diese Elemente sind in Praxis nicht oder nur mit einem
extrem hohen Aufwand zu fertigen. Diese männlichweiblich Elemente werden
durch Dorne oder Hülsen derart
miteinander verspannt, dass benachbarte Mikroreaktormodule gegenseitig
miteinander verpresst werden, um so eine fluiddichte Verbindung
zu bewirken. Damit sind räumliche
Versetzungen der einzelnen Mikroreaktormodule verbunden. In der
Praxis besteht damit die erhebliche Gefahr, dass ein solches Mikroreaktorsystem
durch die in das Gesamtsystem induzierten mechanischen Spannungen
zwischen anderen Verbindungsstellen undicht wird, zumal eine vollständige chemische
Synthese häufig
aus zahleichen Stufen besteht und so ein Mikroreaktionssystem aus
durchaus 50 und mehr Mikroreaktormodulen bestehen kann. Auch Änderungen
der Temperatur durch das Hoch- und Runterfahren des Mikroreaktionssystems
sowie unterschiedliche Temperaturen entlang der Prozessstrecke mit
damit verbundenen unterschiedlichen Materialausdehnungen können bei diesem
Abdichtungssystem sehr leicht zu Undichtigkeiten führen, zumal
berücksichtigt
werden muss, dass in der Mikroreaktionstechnik im Gegensatz zur traditionellen
chemischen Verfahrenstechnik bereits minimale Geometrieveränderungen
große
Auswirkungen haben können.
Insbesondere bei Kryoprozessen, die mit einem Abkühlen der
Module verbunden sind, kann diese Erfindung auf Dauer keine Dichtigkeit
gewährleisten.
Zudem ist die Kraftrichtung bei dieser Verbindung derart, dass sich
aufgrund von Dehnungen unweigerlich Kerbspannungen entlang der Schwalbenschwanz-Elemente
bilden. Damit können
Materialien wie Keramik oder Kunststoffe für diese Mikroreaktormodule
nicht eingesetzt werden.
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Ein
weiterer Nachteil der in
DE
199 17 330 A1 beschriebenen Verbindungstechnik liegt darin, dass
die Mikroreaktormodule, die zumeist aus Metallen, also aus gut wärmeleitenden
Materialien, bestehen, breitflächig
verbunden werden. Damit ist ein intensiver Wärmeübergang benachbarter Module
nicht zu verhindern. Gerade in der Mikroreaktionstechnik, bei der
steile Temperaturgradienten auf engstem Raum realisiert werden müssen, um
die spezifischen Vorteile dieser Technologie auszunutzen, ist ein
guter Wärmeübergang
zwischen benachbarten Modulen häufig
nicht tolerierbar. Aus den genannten Nachteilen ist die Erfindung
daher weder in der Praxis einsetzbar, noch kann sie theoretisch
funktionieren. Sie ist – wenn überhaupt – nur mit
flexiblen Dichtungen verwendbar und dann ist durch das formschlüssige Zusammenfügen zweier
Module nicht auszuschließen,
dass die Dichtung verletzt wird. Zudem ist ein Überprüfen des richtigen Sitzes einer
Dichtung nicht möglich.
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Die
DE 202 01 753 U1 beschreibt
ein Mikroreaktorsystem, das aus einem Trägersystem und miteinander durch
Stoffaustauschkanäle
verbundenen Mikroreaktormodulen besteht. Diese Vorrichtung hat den
Nachteil, dass sie auf eine Trägerplatte
angewiesen ist, die aus zahlreichen Öffnungen besteht und deren
Herstellung mit hohen Kosten verbunden ist. Zudem wirkt sich nachteilig
aus, dass zusätzliche brückenartige
Anschlussstücke
zur Verbindung der einzelnen Mikroreaktormodule notwendig sind.
Diese Anschlussstücke
sind nicht oder nur mit einem extrem hohen Aufwand zu fertigen,
da sich entsprechend der Zeichnungen im Innern der Anschlussstücke Bohrungen
für die
Fluidführung
befinden, die „um die
Ecke" gehen. Diese
Verbindungstechnik ermöglicht
keinen direkten Kontakt zwischen benachbarten Modulen, dadurch sind
die Verbindungswege für
ein Mikroreaktionssystem sehr lang, obwohl in der Mikroreaktionstechnik
die Totvolumen sehr klein gehalten werden müssen. Zudem ist das System
nicht hinreichend flexibel, da es nur einen 2-dimensionalen Aufbau
gestattet. Ferner werden immer mehrere Mikroreaktormodule gemeinsam
verbunden, so dass ein separates Austauschen eines einzelnen Moduls
nicht möglich
ist. Aufgrund der notwendigen intensiven Wartung von Mikroreaktormodulen
und dem gewünschten
flexiblen Austausch einzelner Mikroreaktorelemente insbesondere
im Stadium der Forschung und Entwicklung, wird hier ein erheblicher
Nachteil der Vorrichtung sichtbar.
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Aus
WO 02/064247 A1 ist es bei einer Einrichtung zur Verbindung von
Mikroreaktoren, die plattenförmig
ausgebildet sind, bekannt, zwischen den Mikrokomponenten eine Dichtungsplatte
anzuordnen, die Öffnungen
aufweist, welche mit Öffnungen der
Mikrokomponenten korrespondieren. Der Stapel aus plattenförmigen Mikrokomponenten
und dazwischen liegenden Dichtungsplatten ist in einer U-förmigen Halterung
angeordnet, deren Schenkel mit einer Andrückplatte verschraubt sind.
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Aus
DE 102 16 714 A1 ist
ein modularer Verbindungspunkt für
Einrichtungen der Mikroreaktionstechnik bekannt, wobei der Verbindungspunkt
ein segmentierter Knoten aus wenigstens drei und vorzugsweise fünf aneinander
gereihten, mit Durchlässen
versehenen Segmenten ist, von denen die beiden äußeren ersten und zweiten Segmente
auf ihrer nach außen
weisenden Seite jeweils eine reaktorspezifische Seite bilden und
auf ihrer nach innen weisenden Seite jeweils eine standardisierte
Seite bilden, wobei sich die standardisierte innere Seite des ersten
und zweiten Segments an eine standardisierte Seite eines dritten
Segments anschließt.
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Aus
EP 1 158 180 A1 ist
ein modulares, mit einem Rahmen versehenes Steuersystem für strömende Medien
bekannt, das mehrere Verteilermodule aufweist, die jeweils aus einem
quaderförmigen Modulblock
gebildet sind. Die Modulblöcke
haben im Wesentlichen gleiche Form und Abmessungen und weisen jeweils
Kanäle
für den
Zu- und Abfluss von strömenden
Medien sowie mindestens zwei einander gegenüberliegende Anschlussflächen auf.
Es ist ein die Modulblöcke
umgebender Rahmen mit durchgehenden Anschlussöffnungen vorgesehen.
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Angesichts
des skizzierten Standes der Technik hat die Erfindung die Aufgabe,
ein Prozessleitmodul für
die chemische und pharmazeutische Mikroverfahrenstechnik bereitzustellen,
dass preiswert in der Fertigung ist, flexibel und modular eingesetzt werden
kann, die Fertigung von Mikrostrukturelementen von der Bulkfertigung
trennt, eine effektive Wärmeisolierung
zwischen benachbarten Modulen ermöglicht und eine vollständige Prozesskontrolle gestattet.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein flexibel zu handhabendes, universell einsetzbares
Prozessleitmodul nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Unter
Mikrostrukturen sind in diesem Zusammenhang Strukturen zu verstehen,
die mindestens in einer Dimension kleiner als 1 mm sind. Fluide,
wie sie in diesem Zusammenhang genannt werden, sind sehr weit zu
verstehen und beschränken
sich nicht nur auf Flüssigkeiten,
sondern auch auf Gase, Emulsionen, Dispersionen, Mischungen der
verschiedensten Art etc.. Operationselemente sind Funktionseinheiten
der chemischen oder pharmazeutischen oder biochemischen Verfahrenstechnik
wie z. B. Heizer, Wärmetauscher,
Mischer, Separatoren, Rektifikatoren, Filter oder Reaktoren. Die
Funktion dieser Operationselemente wird in diesem Zusammenhang durch
integrierte oder externe Sensoren (z. B. Durchflusssensoren, Temperatursensoren,
Drucksensoren, pH-Sensoren, Leitfähigkeitssensoren, Trübungssensoren,
Partikelsensoren) überwacht
und durch integrierte oder externe Aktoren (z. B. Ventile) gesteuert.
Ein Mikroreaktionssystem ist eine Anordnung aus mindestens 2 Operationselementen
ggfls. mit mindestens einem Aktor oder Sensor oder mindestens einem
Operationselement und mindestens einem Aktor oder Sensor.
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Das
erfindungsgemäße Prozessleitmodul besteht
im Wesentlichen aus 2 voneinander getrennten Kammern. In einer Kammer,
der Medienkammer, wird ein Operationselement in Form einer beliebigen mikrofluidischen
Strukturierung, z. B. ein Folienstapel aus mikrostrukturierten Einzelfolien,
eingebracht. In der zweiten Kammer, der Elektronikkammer, die von der
ersten getrennt ist durch eine Wand mit Kanälen zur Fluidverteilung, ist
Platz für
elektronische Komponenten wie z. B. D/A-, A/D-Wandler, Multiplexer,
Mikrocontroller oder Leistungshalbleiter. Diese elektronischen Komponenten
dienen der Signalübertragung zu
benachbarten Modulen bzw. einer externen Steuerungseinheit (z. B.
in Form eines Personalcomputers), der Leistungsversorgung und Ansteuerung
der in der Medienkammer befindlichen Aktoren sowie dem Datenempfang
und der Datenauswertung der in der Medienkammer befindlichen Sensoren
oder lediglich Sensorelementen. Durch Bohrungen in der Trennwand
sind die Kammern erfindungsgemäß so miteinander
verbunden, dass durch das Einbringen der mikrofluidischen Elemente
in die Medienkammer diese Bohrungen z. B. durch ein Diffusionsverbinden oder
durch entsprechende Dichtungen direkt und unmittelbar fluiddicht
verschlossen werden. Dies hat den von den Anwendern gewünschten
Vorteil, dass die Elektronik nicht durch versehentlich auslaufende Fluide
aus den mikrostrukturierten Operationselementen beschädigt werden
kann.
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Vorteilhaft
gegenüber
dem Stand der Technik werden die Prozessleitmodule kraftschlüssig so miteinander
zu einem vollständigen
Mikroreaktionssystem verbunden, dass sowohl eine dreidimensionale
Anordnung möglich
ist als auch das Entfernen einzelner Module aus dem Gesamtsystem
unabhängig
von anderen Prozessleitmodulen. Diese Erfindung gewährleistet
extrem geringe Verbindungswege. Sie vermeidet die Gefahr der Bildung
von Kerbrissen aufgrund der Kraftrichtung, so dass auch spröde Materialien
wie Keramiken oder leicht fließende
Materialien wie Kunststoffe benutzt werden können. Auch Temperaturwechselbeanspruchungen
sind trotz eines Verzichts auf Dichtungen kein Problem -gegebenenfalls
können
Hartdichtungen verwenden werden, die wesentlich belastbarer sind
als flexible Dichtungen.
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Anhand
der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert:
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1 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht ein Mikroreaktionssystem, das
aus einzelnen Prozessleitmodulen zusammengesetzt ist.
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2 zeigt
in einer beispielhaften Ausführungsform
die kraftschlüssige
Verbindung zweier Prozessleitmodule
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3 gibt
eine Draufsicht auf die Verbindungsanordnung nach 2.
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4 stellt
eine Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform der Spannvorrichtung
zwischen zwei Prozessleitmodulen dar.
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5a–5c zeigen
verschiedene Ausführungsformen
von Spanneinrichtungen.
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6 gibt
ein Sockelelement wieder.
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7 bringt
einen Schnitt durch ein Prozessleitmodul längst der Linie A-A in 8.
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8 stellt
eine Draufsicht auf das Prozessleitmodul nach 7 dar.
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10 zeigt
eine Ansicht eines Prozessleitmoduls nach 9 mit beispielhaften
Abdeckelementen.
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11 zeigt
einen Teilschnitt durch die Spanneinrichtung.
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12 zeigt
perspektivisch eine Spanneinrichtung mit Zentriereinrichtung.
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13–16 zeigen jeweils ein teilweise aufgeschnittenes
Prozessleitmodul.
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1 zeigt
einen dreidimensionalen Aufbau eines Mikroreaktionssystems, das
aus einzelnen Prozessleitmodulen von unterschiedlicher geometrischer
Gestalt zusammengesetzt ist. Mit 1a ist ein würfelförmiges Prozessleitmodul,
mit 1b ein in der Draufsicht dreieckiges Prozessleitmodul
und mit 1c ein in der Draufsicht sechseckiges Prozessleitmodul bezeichnet.
In jedem Prozessleitmodul ist in der Medienkammer ein mikroverfahrenstechnisches
Operationselement 16 untergebracht.
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2–4 zeigen
die Verbindung der einzelnen Prozessleitmodulen, die bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
auf jeder Seite Ansätze 2 aufweisen,
die auf der Außenseite
jeweils mit einer Dichtfläche 2a versehen
sind, in die jeweils ein Fluidkanal 3 mündet. Auf der der Dichtfläche 2a gegenüber liegenden
Seite der Ansätze
ist zumindest auf einem Abschnitt des Umfangs eine Schrägfläche 2b ausgebildet,
so dass sich keilförmige
Randabschnitte ergeben. Bei dem würfelförmigen Prozessleitmodul 1a sind
auf jeder Seite etwa quadratische Ansätze 2 ausgebildet,
die auf allen 4 Seiten mit einer Schrägfläche 2b versehen sind.
Bei dem in der Draufsicht in der Form eines gleichseitigen Dreiecks
ausgebildeten Prozessleitmodul 1b sind auf den drei Umfangflächen rechteckige
bzw. quadratische Ansätze 2 vorgesehen,
während
auf den beiden dreieckigen Seiten ein polygonaler Ansatz 2 vorgesehen
ist, der parallel zu den Dreiecksseiten mit einer Schrägfläche 2b zur Ausbildung
eines keilförmigen
Randabschnitts versehen ist. In entsprechender Weise ist das in 1 wiedergegebene
sechsseitige Prozessleitmodul 1c auf der Ober- und Unterseite
mit einem Ansatz 2 versehen, der auf dem Umfang mit sechs
keilförmigen Randabschnitten
versehen ist, die jeweils parallel zu den sechs Seiten des Prozessleitmoduls
verlaufen.
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Zum
Verbinden der einzelnen Prozessleitmodule ist eine Spanneinrichtung 4 vorgesehen,
die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
aus zwei Klemmelementen 4a und 4b besteht, die
durch Schrauben 5 gegeneinander verspannt werden, wobei
die V-förmig
zueinander angeordneten Klemmflächen 4c an
den Schrägflächen 2b zweier
aneinander liegender Ansätze 2 zum
Anliegen kommen, wie dies 4 zeigt.
Durch Verspannen der beiden Klemmelemente 4a und 4b werden
die Dichtflächen 2a der Ansätze 2 gegeneinander
gepresst, so dass der Fluidkanal 3, der vorzugsweise in
der Mitte der Dichtflächen 2a mündet, durch
die aneinander liegenden Dichtflächen
abgedichtet wird.
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Die
Dichtflächen 2a sind
vorzugsweise plan geschliffen, so dass sich durch Aneinanderpressen der
Dichtflächen
eine Abdichtung der Fluidkanäle 3 ergibt.
Es können
aber auch nicht dargestellte Dichtungsringe in die Dichtflächen 2a eingelassen
werden. Ebenso ist es möglich,
auf den Dichtflächen 2a beispielsweise
ringförmige
Dichtabschnitte vorzusehen, die gegenüber der übrigen Fläche derart plangeschliffen
sind, dass sie bei Aneinanderliegen eine Abdichtung der Fluidkanäle ergeben.
Zur Erhöhung
der Drucksicherheit können
die Dichtflächen
mit einer um den Fluidkanal 3 konzentrischen, mikrostrukturierten Oberflächenstrukturierung
versehen sein.
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5a zeigt
die in 2 bis 4 wiedergegebene Spanneinrichtung 4. 5b zeigt
eine aus drei Klemmelementen 4c bestehende Spanneinrichtung 4', die in 1 zur
Verbindung zwischen dem oberen und unteren Prozessleitmodul 1b vorgesehen ist.
Die drei Klemmelemente 4c, die auf den Innenseiten V-förmig angeordnete
Klemmflächen 4d aufweisen,
sind an den beiden Enden jeweils mit dem benachbarten Klemmelement
durch Schrauben 5 verspannt. Eine Spanneinrichtung 4' nach 5b wird beispielsweise
an dem Absatz 2 auf der Oberseite des Prozessleitmoduls 1b in 2 zur
Verbindung mit einem weiteren Prozessleitmodul mit drei Seiten verwendet. 5c zeigt
eine Spanneinrichtung 6 mit zwei Spannrahmen 6a und 6b,
die durch Schrauben 5 gegeneinander verspannt werden, wobei
auf den Innenseiten von zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten
schräg
verlaufende Klemmflächen 6c ausgebildet
sind, die einen Ansatz 2 an einem Prozessleitmodul hintergreifen,
wobei die Schrägflächen 6c an
den Schrägflächen 2b eines
Ansatzes 2 zum Anliegen kommen. 1 zeigt
derartige Spanneinrichtungen 6 zum Ankoppeln eines freiliegenden Operationselementes,
wobei beispielsweise eine Rohrwindung 7 (1)
an ein Operationselement 1c angekoppelt ist.
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6 zeigt
ein Sockelelement 8, wie es zum Verschließen einer
Medienkammer 12 oder einer Elektronikkammer 13 Verwendung
finden kann.
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7 bis 10 zeigen
den Aufbau eines Prozessleitmoduls in Würfelform, wobei im Innern des
Prozessleitmoduls eine Trennwand 11 ausgebildet ist, die
im Innern die Medienkammer 12 von der Elektronikkammer 13 trennt.
In der Trennwand 11 verlaufen Fluidkanäle 3, die bei dem
Ausführungsbeispiel
nach 7 in der Medienkammer 12 münden. Wie
die Draufsicht in 8 zeigt, führt jeweils ein Fluidkanal 3 von
einem der auf den vier Umfangsseiten vorgesehenen Ansätze 2 durch
die Trennwand 11 in die Medienkammer 12.
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In
der Elektronikkammer 13 (7), in der kein
Fluidkanal 3 mündet,
werden Elektronikelemente untergebracht, wie D/A-, A/D-Wandler,
Multiplexer, Mikrocontroller oder Leistungshalbleiter, die über eine
Bohrung 11a bzw. entsprechende Öffnungen mit der Medienkammer 12 und
den darin angeordneten mikrofluidischen Operationselementen 16 verbunden werden.
Durch diese Ausgestaltung kann eine vollständige Prozesskontrolle für jedes
Operationselement 16 gewährleistet werden. Zur Verbindung
mit der Medienkammer 12 werden diese Durchgänge vorzugsweise
Temperatur geschützt
ausgebildet. Falls erforderlich, kann auch an der Elektronikkammer 13 ein
Fluidanschluss vorgesehen werden.
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Zum
Abschließen
der Medienkammer 12 und der Elektronikkammer 13 ist
ein in 10 wiedergegebenes plattenförmiges Abdeckelement 14 vorgesehen,
das durch Schrauben 15 vakuumdicht die Medienkammer 12 abdeckt
sowie die Elektronikkammer 13 zumindest fluiddicht. Auf
der Außenseite der
plattenförmigen
Abdeckelemente 14 ist jeweils ein Ansatz 2 für die Verbindung
mit einem benachbarten Prozessleitmodul vorgesehen.
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Wenn
die Elektronikkammer 13 keinen Fluidanschluss mit einem
benachbarten Prozessleitmodul benötigt, kann das Abdeckelement 14 geschlossen bzw.
ohne Fluidkanal 3 ausgebildet sein, wie dies 10 zeigt.
Entsprechende Ansätze 2 ohne
Fluidkanal 3 können
auch an der Unterseite der in 1 wiedergegebenen
Prozessleitmodulen 1a und 1c vorgesehen werden,
die durch eine Spanneinrichtung 4 mit einem Sockelelement 8 verbunden
sind, das im Aufbau einem Abdeckelement 14 mit Ansatz 2 entspricht.
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Durch
ein Mikroreaktionssystem, wie es als Beispiel 1 zeigt,
ergibt sich von der Kleinmengenproduktion bis zur großvolumigen
Herstellung und auch für
die instrumentelle Analytik ein flexibler und einfacher Aufbau durch
die Verwendung einzelner Prozessleitmodule, die nach Lösen der
entsprechenden Spanneinrichtungen 4 einzeln ausgetauscht werden
können,
ohne dass der gesamte Aufbau beeinträchtigt wird.
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Es
ergibt sich ein preiswertes Gesamtsystem durch geringe Peripheriekosten,
weil keine Grundplatte bzw. kein Gerüst für die Gesamtanlage erforderlich
ist, und mit exzellenter Wärmedämmung. Zur weiteren
thermischen Isolierung können
die einzelnen Prozessleitmodule noch zusätzlich auf thermisch isolierende
Füße bzw.
Sockelelemente 8 positioniert werden.
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Zur
Isolierung der Prozessleitmodule voneinander können auch zwischen den Dichtflächen 2 noch
zusätzlich
isolierende Materialien (z. B. Keramikschichten) eingelegt werden,
welche den Wärmeübergang
vom einem zum anderen Prozessleitmodul weiter reduzieren. In gleicher
Weise können
an den Schrägflächen 4c der
Klemmelemente Wärmeisolierschichten
angebracht werden, damit auch ein Wärmeübergang über die Spanneinrichtungen
minimiert wird. Schließlich
ist es auch möglich,
ein Prozessleitmodul aus einem Wärme
isolierenden Werkstoff zu fertigen.
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Durch
die kraftschlüssige
Verbindung über plane
Dichtflächen
zwischen den einzelnen Prozessleitmodulen ergibt sich ein minimales
Totvolumen zwischen den einzelnen mikrofluidischen Operationselementen.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können benachbarte Prozessleitmodule über eine
in der Länge
variierbare, fluiddichte Verbindung elektrisch miteinander verbunden
werden. Eine solche elektrische Verbindung kann an beliebigen Seitenflächen sowie
an der Ober- oder
Unterseite vorgesehen sein. Vorzugsweise ragt der elektrische Anschluss
bei einer Verbindung an den Seiten oder an der Oberseite zur Verminderung
der Gefahr des Eindringens von Feuchtigkeit etwas aus der Oberfläche heraus.
Wenn ein elektrischer Anschluss an der Unterseite eines Prozessleitmoduls
vorgesehen wird, wird dieser zur Verringerung der Gefahr des Eindringens
von Feuchtigkeit vorzugsweise etwas in der Oberfläche zurückversetzt
angeordnet.
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Eine
elektrische Verbindung zwischen den Prozessleitmodulen kann auch
im Bereich der Dichtflächen
erfolgen, wobei beispielsweise eine Steckerplatte mit Feder beaufschlagten
Stiften im Bereich der Dichtfläche 2 integriert
wird, die einen elektrischen Kontakt mit einem Kontaktelement an
der Dichtfläche 2 des
benachbarten Prozessleitmoduls bei aneinander liegenden Dichtflächen 2 herstellt,
um z. B. Informationen auf elektrischem Wege zu übertragen. Ebenso können mehrere
Fluidkanäle 3 im
Bereich der Dichtflächen
münden,
die durch die Dichtfläche 2 voneinander
abgedichtet sind, bspw. durch einzelne, um die jeweilige Öffnung verlaufende Dichtstrukturen
auf der Dichtfläche.
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11 zeigt
einen Teilschnitt durch eine Spanneinrichtung, bei der das Klemmelement 4a V-förmig zueinander angeordnete
ballige Klemmflächen 4c' aufweist, die
an den Schrägflächen 2b zweier
aneinander liegender Ansätze 2 anliegen.
Durch die leicht gewölbte
bzw. ballige Gestaltung der Klemmflächen 4c' ergibt sich ein definiertes Angreifen
der Spannkraft an den Ansätzen 2,
wodurch eine zuverlässige
fluiddichte Verbindung benachbarter Prozessleitmodule unterstützt wird.
Eine solche ballige Anlagefläche
kann auch an den Schrägflächen 2b ausgebildet
sein.
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Bei 20 und 21 in 11 ist
eine nachfolgend erläuterte
Zentriereinrichtung wiedergegeben.
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12 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht mit etwa längs der Mittellinie geschnittenen Klemmelementen 4a und 4b Zentrierausnehmungen 20 an
den Rändern
des Ansatzes 2, in die Zentrierstifte 21 von außen eingreifen,
die in einer Querbohrung der Klemmelemente 4a, 4b eingesetzt
sind. Diese Zentrierstifte 21 greifen in entsprechende,
nach außen
offene Zentrierausnehmungen 20 am gegenüberliegenden Ansatz eines Prozessleitmoduls
ein. Durch eine solche Zentriereinrichtung an den Ansätzen 2 ergibt
sich eine beim Zusammenbau automatische Zentrierung benachbarter
Module, sodass die Fluidverbindungen zuverlässig ausgerichtet werden. Hierbei
ist zu berücksichtigen,
dass die Fluidverbindungen wie die in 12 wiedergegebene
Bohrung 3 eines Fluidkanals sehr klein ausgebildet sein
können.
Durch eine zuverlässige
Ausrichtung über
die Zentriereinrichtung wird ein Druckabfall an den Verbindungsstellen
verhindert, der durch ein leichtes Versetzen der Verbindungsbohrungen
auftreten könnte.
Die Zentriereinrichtung, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
durch in Zentrierausnehmungen 20 eingesetzte Zentrierstifte 21 ausgebildet
ist, kann auch in anderer Weise gestaltet sein.
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13 bis
16 zeigen jeweils ein teilweise aufgeschnittenes
Prozessleitmodul
1, wobei in
13 ein
Stapel von Folien oder Scheiben in der Medienkammer
12 des
Prozessleitmoduls wiedergegeben ist. Diese Scheiben bestehen jeweils
aus einem mikrofluidischen Operationselementen
16, das mit
Fluidkanälen
und Durchbrechungen für
das zu behandelnde Fluid versehen ist, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel
der Stapel insgesamt ein einheitliches Operationselement
16 bildet.
DE 10 2004 001 852 A1 zeigt
im Einzelnen ein derartiges Operationselement
16, das aus
einzelnen Folien aufgebaut ist und als Mischvorrichtung dient. Diese
Operationselemente
16 sind derart in die Medienkammer
12 eingesetzt,
dass sie einen Abstand von den umgebenden Wänden der Medienkammer
12 haben.
Wie
13 zeigt, ist der Durchmesser der Scheiben kleiner
als der Durchmesser der Medienkammer
12, sodass ein Abstand
längs des
Umfangs der Operrationselemente
16 vorhanden ist.
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14 zeigt
ein aufgeschnittenes Prozessleitmodul 1 ahne Operationselement
in der Medienkammer 12. Mit 17 ist ein scheibenförmiger Ansatz an
der Trennwand 11 des Moduls bezeichnet, der mit einer planen
Fläche 17a versehen
ist. Dadurch, dass die Fläche 17a von
der Trennwand 11 abgesetzt ist, kann sie leichter plan
bearbeitet werden. Mit 17b sind Ausnehmungen für die Aufnahme
von Sensoren bezeichnet, beispielsweise Druck-, Temperatur- oder Dichtigkeitssensoren.
Mit 3a sind die Bohrungen der Fluidkanäle bezeichnet, die bei diesem
Ausführungsbeispiel
in die Trennwand 11 verlaufen und mit den äußeren Bohrungen 3 in
Ver bindung stehen. Auf dem Außenumfang
des scheibenförmigen
Ansatzes 17 sind Ausnehmungen 17c vorgesehen,
die zur Zentrierung des Stapels in 13 und
zur Ausrichtung mit den Verbindungsbohrungen 3a in 14 dienen. Anstelle
des Stapels in 13 kann auch nur eine einzelne
Scheibe oder Folie ein Operationselement 16 in der Medienkammer 12 bilden.
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15 zeigt eine Distanzscheibe 19,
auf der ein Stapel als Operationselement 16 oder auch nur eine
einzelne Scheibe als Operationselement 16 aufliegt, wobei
vier über
den Umfang verteilte Erhebungen 18 vorgesehen sind, die
den Stapel bzw. ein einzelnes Operationselement abstützen. Eine
entsprechende Anordnung ist an der Oberseite des Stapels in 13 vorgesehen,
wobei diese durch eine Abdeckung 14' des Moduls an dem Stapel angedrückt wird,
um eine gute Abdichtung der durch die Distanzscheibe 19 führenden
Fluidkanäle
zu gewährleisten.
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Vorzugsweise
bestehen die Distanzscheiben 19 aus einem wärmeisolierenden
Material.
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Wie 15 zeigt, münden in den Erhebungen 18 die
Fluidkanäle 3a.
Die Erhebungen 18 münden
Fluidkanäle 3a.
Die Erhebungen 18 weisen an der Anlagefläche nicht
dargestellte Dichtflächen
für Dichtungsringe
auf oder sie sind so gestaltet, dass sie sich zum Diffusionsbonden
eignen. Anstelle der Erhebungen können auch Distanzelemente vorgesehen
werden, die aus wärmeisolierendem
Material bestehen. Durch diesen Aufbau hat ein medienführendes
Operationselement nur einen sehr geringen Kontakt zum Modulaufbau,
sodass ein Wärmeübergang stark
reduziert ist.
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Die
Erhebungen 18 dienen auch dazu, den Dichtbereich um die
Bohrungen 3a der Fluidkanäle zu definieren, sodass einerseits
eine zuverlässige Abdichtung
gewährleistet
wird und andererseits die Bearbeitung der Dichtflächen um
die Bohrungen 3a erleichtert wird.
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Vorteilhafterweise
wird das plattenförmige Abdeckelement 14 (10)
vakuumdicht mit dem Prozessleitmodul verbunden, sodass die Medienkammer 12 evakuiert
werden kann, um den Wärmeübergang
vom mikroluidischen Operationselement zum Prozessleitmodul zu minimieren.
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16 zeigt eine andere Ausführungsform, bei
der ein Ringelement 19 aus wärmeisolierendem Material zur
Abstützung
des Stapels aus Operationselementen 16 in der Medienkammer 12 vorgesehen ist,
wobei die Fluidkanäle 3a durch
dieses Ringelement 19 führen,
das auch mit Ausnehmungen 17c zur Ausrichtung versehen
ist.
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In
der Medienkammer 12 kann ein Sensorelement integriert sein,
beispielsweise in Form einer elektrischen Widerstandsmessung, mit
dem überprüft werden
kann, ob das mikrofluidische Operationselement undicht ist. Die
Sensorsignale werden sowohl zu einer visuellen und/oder akustischen
Anzeige an dem Abdeckelement 14 geleitet als auch an die
in der Elektronickammer 13 angeordnete elektronische Einrichtung,
die die Signale an eine übergeordnete
Prozessleitstelle weitergibt.
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Weiterhin
kann in der Medienkammer 12 ein Drucksensor integriert
sein, durch den feststellbar ist, ob das Operationselement gasdicht
ist und das Vakuum zur Minimierung der Wärmeleitung noch ausreichend
hoch ist. Auch diese Signale werden an die Anzeigeeinrichtung sowie
an die elektronische Einrichtung weitergeleitet.