DE102006016482A1 - Schnelle passive Mikromischer mit hohem Durchsatz nach dem konvektiven Mischprinzip - Google Patents

Abstract

Vorliegende Erfindung beschreibt einen passiven Mikromischer, geeignet zur Vermischung von Gasen oder Flüssigkeiten. Der Mischer gehört zu den sog. Strömungsmischern, das sind Mischer, in denen die Vermischung in einem Strömungsrohr ohne bewegende Teile passiert. Das Wirkprinzip ist konvektiv, i. e. die Vermischung wird hervorgerufen durch quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Wirbel, die aufgrund von Strömungsumlenkung entstehen (sog. sekundäre Wirbel). Es wird explizit darauf hingewiesen, daß keinerlei sonstiger Energieeintrag außer der durch die strömenden Fluide notwendig ist, da die Wirbel rein aufgrund der bei einer Strömungsumlenkung entstehenden Zentrifugalkräfte erzeugt werden. DOLLAR A Die Grundelemente der Mischer sind einfache Mischstrukturen wie T-Mischer oder L-Biegungen. Typische Kanalbreiten bewegen sich im Bereich von mehreren 100 mum. Die einzelnen Mischelemente sind z. T. neuartige Entwürfe. So verlaufen die Kanalstrukturen nicht nur in einer Ebene, sondern auch in unterschiedliche Raumrichtungen. Somit werden alle drei Raumdimensionen zur Vermischung verwendet. DOLLAR A Die einzelnen Mischelemente werden in intelligenter Weise parallel auf zwei dünnen Chips (Chipdicke z. B. 0,5 mm, auch mehr als zwei Chips denkbar) aufgebaut. Diese Chips werden dann lagenweise übereinander gestapelt, verbunden über Durchgangslöcher. Durch den parallelen Aufbau vieler Mischelemente (etwa 10-40 auf einem Chip) erreicht man einen hohen Durchsatz, verglichen mit der Verwendung ...

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen passiven Mikromischer zur Vermischung ein- oder mehrphasiger Gas- oder Flüssigkeitsgemische. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen derartigen Mikromischer, der das Prinzip der konvektiven Mischung verwendet.
• Mischer sind wichtige Bauteile im Bereich der Verfahrenstechnik, die immer dann zum Einsatz kommen, wenn zwei oder mehrere Substanzen zu einem Gemisch zusammengefügt werden müssen, welches besondere Eigenschaften hat, z.B. die Vermischung zweier Reaktionspartner oder verschiedener Brenngase für einphasige Gemische sowie die Vermischung von Stoffen, die unterschiedliche Phasen ausbilden (z.B. Wasser – Öl). Es existieren im wesentlichen drei idealisierte Mischapparate:
• 1. Rührkessel (Batch Reactor BR)
• Hier werden zwei oder mehrere Mischkomponenten mit festen Mengen in einem Kessel mittels unterschiedlicher Rührwerke diskontinuierlich miteinander vermischt.
• 2. Strömungsmischer (Plug Flow Reactor PFR)
• Hierbei werden zwei oder mehrere Mischkomponenten in ständigem Fluß in einen Mischkanal geleitet und innerhalb dieses Kanals kontinuierlich vermischt.
• 3. Durchströmter Rührkessel (Continuous Stirred Tank Reactor CSTR)
• Dabei handelt es sich um eine Kombination aus 1 und 2. In einem Rührkessel mit Rührwerk werden eine oder mehrere Komponenten in kontinuierlichem Fluß dazugegeben und das Gemisch an anderer Stelle wieder abgezogen.
• Rührkessel besitzen den Vorteil der relativ schnellen und unkomplizierten Vermischung großer Mengen, weshalb sie sehr häufig gerade bei einfachen Mischprozessen eingesetzt werden. Nachteilig bei ihnen ist jedoch, daß die Vermischungsbedingungen wie Mischzeit, Temperatur o.ä. sehr stark schwanken können und daß man bei einem Mischprozeß immer eine diskrete Menge an Endprodukten erhält. Abhilfe bieten hier Strömungsmischer: Gemische werden im ständigen Fluß erzeugt und können direkt im Anschluß weiterverwendet werden. Auch die Einstellung der Mischbedingungen ist i.A. bei Strömungsmischern einfacher möglich.
• Aufgrund der beschränkten Fertigungsmöglichkeiten bieten sich in der Mikrotechnik zur Implementierung nur die Strömungsmischer an. Mikromischer besitzen jedoch einige Vorteile gegenüber makrotechnischen Mischern:
• • Die Mischzeit, die i.A. so kurz wie möglich sein sollte, skaliert mit der Geometrie: je kleiner die Geometrie, desto kürzer die Mischzeit,
• • Randbedingungen (z.B. die Temperaturhomogenisierung) sind aufgrund des hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses sehr genau einstellbar,
• • bestimmte Prozesse, z.B. stark exotherme oder explosive Reaktionen, sind in der Mikrotechnik wesentlich besser kontrollierbar,
• • wenige oder gar keine beweglichen Teile garantieren eine hohe Zuverlässigkeit und kaum Wartungsaufwand
• • die Mikrotechnik ermöglicht neue Anwendungen, die in der Makrotechnik nicht möglich sind.
• Damit bietet die Mikrotechnik eine umfangreiche Auswahl an Anwendungen, z.B. die Verbesserung von Reaktionsprozessen durch die Erzeugung weniger Nebenprodukte und die Erhöhung der Sicherheit, die Vermischung genau definerter Mengen an Brenngasen zur weiteren Verwendung oder die Herstellung neuartiger funktionaler Produkte wie Nanopartikel.
• Bekannte Mikromischer werden in aktive und passive Mischer eingeteilt. Bei aktiven Mischern wird der Mischvorgang durch aktiven Energieeintrag unterstützt, z.B. durch den Einsatz von Ultraschall oder mechanischen Schwingungen. Passive Mikromischer hingegen benötigen keine zusätzlichen aktiven Elemente, hier wird die Vermischung alleine durch geeignete Strömungsführung erreicht.
• Aktive Mikromischer
• Mikromischer, bei denen der Mischvorgang aktiv durch externe Zufuhr von Energie unterstützt wird, funktionieren nach den verschiedensten physikalischen Prinzipien. Eine Möglichkeit, aktiv Energie in die Vermischung von Flüssigkeiten einzubringen, ist die Verwendung geeigneter mechanischer Vorrichtungen, die ihre Bewegung auf die Flüssigkeit übertragen. Durch Verwendung hochfrequent oszillierender Membranen, angeregt durch ein piezoelektrisches Element (z.B. PZT), wie sie auch in einer Mikropumpe zu finden ist, kann z.B. eine turbulente Bewegung der Flüssigkeit in der Kammer induziert werden. Die einfache Miniaturisierung eines bestehenden makroskopischen Mischprinzips ist der Mikrorührmischer. Rotoren von Grössen im sub-mm Bereich werden durch Magnetfelder in schnelle Rotation versetzt und führen so zu einer Vermischung.
• Elektrisch aktuierte Mikromischer benötigen keine beweglichen Teile. Stattdessen werden meist Elektroden-Strukturen verwendet, die elektrische Kräfte auf die Fluide wirken lassen. Dabei werden für die Unterstützung der Vermischung meist unterschiedliche physikalische Eigenschaften der zu mischenden Flüssigkeiten, wie z.B. elektrische Leitfähigkeit oder Permittivität, ausgenutzt. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes (DC oder AC) senkrecht oder parallel zur Fluidströmung im Mischkanal kann somit eine sekundäre, transversale Strömung erzeugt werden, die sich der Haupströmung überlagert (Elektrohydrodynamischer Mischer). Weitere Typen nutzen elektrokinetische Instabilitäten erzeugt durch niederfrequente Wechselspannungen oder elektrokinetische Dielektrophorese, Elektroosmose, oder rotierende elektrische Felder zur Vermischung von sich in der Flüssigkeit befindlichen Dipolen.
• Magnetisch aktuierte Mischertypen sind z.B. der magnetohydrodynamische Mikromischer, der durch die Kopplung eines elektrischen DC-Feldes an alternierenden Elektroden an den Kanalwänden mit einem homogenen, senkrecht zum Kanalboden ausgerichteten Magnetfeld Lorentzkräfte erzeugt, die eine Wirbelströmung in der Flüssigkeit verursachen. Ein indirektes Prinzip findet sich in der Verwendung so genannter "beads". Das sind kleine magnetische Kugeln, die sich in einer Flüssigkeit befinden und durch ein Magnetfeld beeinflußt werden können.
• Sogenannte akustische Mikromischer verwenden meist eine piezoelektrische Keramik, um akustische Schwingungen als Energieeintrag zu nutzen. Eine Möglichkeit ist dabei der Übertrag der Vibrationen auf eine oder mehrere in der Flüssigkeit befindliche Luftblasen, deren Oberfläche dann wie eine schwingende Membran wirkt. Akustische Schwingungen im kHz-Bereich (Ultraschall) können verwendet werden, um stehende Wellen in einer Mischkammer zu erzeugen. Die auftretenden turbulenz-ähnlichen Wirbel verbessern die Vermischung erheblich.
• Schließlich wurden verschiedene Mischer, die den Elektrowetting-Effekt nutzen, vorgestellt, unter anderem auch in Kombination mit dem Einsatz elektrophoretischer und dielektrophoretischer Kräfte.
• Aktive Mikromischer haben generell den Nachteil einer meist komplizierten und aufwendigen Fertigung im Vergleich zu passiven Mischern. Das Vorhandensein aktiver Elemente wie beweglicher oder mechanischer Teile ist ein zusätzlicher Faktor, der die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Systems herabsetzt. Außerdem ist stets die externe Zufuhr von Energie notwendig, was einen zusätzlichen apparativen Aufwand bedeutet. Elektrisch angeregte Mikromischer können i.A. nur bei sehr kleinen Reynolds-Zahlen im Bereich im 1 angemessen betrieben werden.
• Passive laminare Mikromischer
• Im Gegensatz zu den aktiven Mikromischern arbeiten die passiven Systeme ohne Zufuhr zusätzlicher externer Energie. Laminare passive Mischer nutzen als einzigen Mischeffekt die molekulare Diffusion, da im laminaren Strömungsbereich die Fluidschichten streng parallel zueinander verlaufen. Es gibt folgende Varianten:
  T- und Y-förmige Mikromischer mit unterschiedlichen Winkeln zwischen den Einlässen können im laminaren Strömungsbereich betrieben werden, um ein rein diffusives Vermischen von Fluiden zu erzeugen. Der prinzipielle Aufbau besteht aus zwei Einlässen, die unter einem bestimmten Winkel in einen gemeinsamen, geraden oder auch serpentinenartig gewundenen Mischkanal münden. Es ist auch das Einmünden der Einlaßkanäle in den Mischkanal über eine Venturidüse (wirkt als eine Art Diffusor) beschrieben, die ein starkes lokales Ansteigen der Flußgeschwindigkeit in der Düse bewirkt.
• Das im laminaren Strömungsbereich am häufigsten eingesetzte Verfahren ist die Erzeugung und Zusammenführung möglichst dünner alternierender Fluidlamellen durch geeignete geometrische Kanalanordnungen (Multilamination). Dieses Prinzip wurde schon auf verschiedenste Weise eingesetzt. Eine Ausführungsform ist der so genannte Interdigitalmischer, der eine kammartige Kanalstruktur für die Erzeugung der alternierenden Fluidlamellen verwendet. Beim Zusammenführen der Lamellen findet dann eine Vermischung durch Diffusion statt. Die in Kontakt gebrachten Lamellen können des weiteren geometrisch fokussiert werden, was durch die Einschnürung in einen gemeinsamen engen Kanal erfolgt. Durch anschließendes plötzliches Aufweiten dieses Kanals in eine Expansionskammer kann zusätzlich ein Strahl erzeugt werden, der einen weiteren Beitrag zur Vermischung hat. Eine Vielzahl an unterschiedlichen Formen der Erzeugung und Zusammenführung der Lamellen wurde entwickelt, Dabei spielen neben den Winkeln zwischen eintreffenden und wegführenden Fluiden auch die Anzahl der Kanäle, deren Form oder die geometrische Ausführung einer eventuellen Fokussierung eine Rolle.
• Die Parallelisierung mehrerer Interdigitalelemente erfolgt im so genannten StarLaminator, der eine sternförmige Anordnung von zehn Einzelmischern beinhaltet.
• Weitere Prinzipien zur Durchsatzerhöhung sind das Stapeln mehrerer Lagen, wie dies in der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 13 685 A1 gezeigt ist, oder die planare Anordnung mehrerer Mischerzellen.
• Eine andere Anordnung besteht aus einer zylindrischen Strudelkammer, in die tangential alternierend fokussierte Fluidlamellen eingebracht und in der Mitte der Mischkammer abgesaugt werden, Ein ähnliches Konzept besteht lediglich aus zwei einströmenden Kanälen.
• Laminare Mikromischer machen Gebrauch von vorzugsweise kleinen Kanalstrukturen, um die notwendigen dünnen Fluidlamellen zu erzeugen, Dies bringt eine Reihe von Nachteilen mit sich: Zum einen erzeugen die Strukturen in der Regel sehr hohe Druckverluste und damit auch geringe Durchsätze. Des weiteren ist die Gefahr der Verstopfung der engen Kanäle durch chemische Ausscheidungen oder Partikel sehr groß. Eine Fertigung ist meist nur mittels mikrotechnischer Verfahren möglich. Eine feinmechanische Bearbeitung verschiedener anderer Materialien ist dadurch erschwert. Die molekulare Diffusion als einzigem Mischeffekt führt in den meisten Fällen der heutigen Laminarmischer zu relativ fangen Mischzeiten.
• Split- and Recombine Mikromischer
• Split- and Recombine Mikromischer (SAR) funktionieren nach dem Prinzip der mehrfachen Aufspaltung und anschliessenden Zusammenführung von Fluidströmen. Dabei wird ein ursprünglich zweigeteilter laminarer Fluß zunächst in zwei räumlich voneinander getrennte Lamellen aufgeteilt, die ihrerseits wiederum zweigeteilt sind. Anschliessend werden die getrennten Ströme wieder zusammengeführt. Dieser Vorgang wird n-mal hintereinander wiederholt, bis 2ⁿ Lamellen entstehen. Die Teilung des Fluidstroms erfolgt dabei entweder mit oder ohne Hilfe einer Trennebene, bzw. durch räumlich auftrennende Strukturen innerhalb des Kanals, wie z.B. absenkende oder anhebende Strukturen.
• Nachteilig ist der meist komplexe dreidimensionale Aufbau und der damit verbundene hohe Fertigungsaufwand. Die molekulare Diffusion als einzigem Mischeffekt führt zu relativ langen Mischzeiten, zumal die fluidischen Pfade bis zum vollständigen Aufsplitten des Fluids meist sehr lang sind. Reine Split-and-Recombine Mischer arbeiten nur in sehr kleinen Reynolds-Zahlbereichen (< 100), da sich dem SAR-Muster sonst ungewünschte sekundäre Strömungsstrukturen überlagern.
• Passive Mikromischer mit Verwirbelung
• Im Gegensatz zu den rein laminaren passiven Mischern, die ohne Wirbelbildung arbeiten, existiert auch eine Reihe von Mikromischern, deren Hauptmischprinzip auf der Verwirbelung der zu mischenden Fluide beruht.
• Einige Mischer nutzen die Bildung von sekundären Wirbeln bei Umlenkung der Strömung, im Folgenden als „konvektive Mischer" bezeichnet. Voraussetzung sind relativ hohe Reynolds-Zahlen über 100. Da die Wirbel senkrecht zur Strömungsrichtung entstehen, können sie sehr effektiv zur Vermischung eingesetzt werden. Die Materialwahl der konketiven Mischer ist aufgrund des einfachen Aufbaus sehr breit (Metall, Silizium, Glas oder Kunststoffe). Ein T- oder Y-Mischer führt die Fluide dabei zusammen, während die eigentliche Vermischung im anschließenden Mischkanal passiert. In Engler, M., Kockmann, N., Kiefer, T., Woias, P., Convective mixing and ist application to micro reactors, Proc. 2^nd Int. Conf. Micro-Minichannels, Rochester, USA, 2004, wurde gezeigt, daß selbst einfache T-Mischer alleine durch das Aufbrechen der Symmetriegrenzfläche und Einrollen der Strömung ab Reynolds-Zahlen größer etwa 150 sehr effektiv vermischen, da Fluidlamellen mit Dicken im Mikrometer-Bereich erzeugt werden. Dies unterbietet sogar die Breite der Fluidlamellen bei Multilaminationsmischern, die dort mit sehr hohem apparativem Aufwand erzeugt werden. Die Vermischung geschieht in Zeiten bis unterhalb von Millisekunden. Andere Mischer vermischen mittels Zick-Zack- Führung des Mischkanals (siehe die japanische Patentanmeldung JP2004181298), also durch die einfach alternierende serielle Schaltung von L-Mischern. Weiter existieren Mischer mit kreisförmigen Mischkanälen, bei denen die Zentrifugalkraft zur Erzeugung von sekundären wirbeln führt, wie dies in der Anmeldung US2004/252584 A1 gezeigt ist.
• Wie in makroskopischen Mischern existieren auch in der Mikrotechnik Mischer, in deren Mischkanal statische Mischelemente eingebaut sind. An diesen anbauten (z.B. Gittern oder Schaufeln) bricht sich die Strömung, und die Fluide werden vermischt. Die Induktion von Wirbeln durch strömungsbrechende Elemente wird auch durch eine Oberflächenstrukturierung erreicht, wie es am sog. „Herringbone Mixer" demonstriert wurde. Hier werden durch die Strukturierung von quer oder schräg zur Strömungsrichtung liegenden Gräben Wirbelstrukturen erzeugt. Bei anderen Mischern werden die Wirbel durch Änderung der Kanalstruktur, z.B. durch Auswüchse (siehe Wong, S.H., Bryant, P., Ward, M. Wharton, C., Investigation of mixing in a cross-shaped micromixer with static mixing elements for reaction kinetics studies, Sens. Actuators B 2003, 95, 414–424), durch Einschnürungen oder durch eine periodische Änderung der Mischkanalgeometrie durch gewundene oder gedrehte Kanalwände erzeugt. Die erwähnten Mischer erzeugen chaotische Strukturen im Mischkanal, was ebenfalls zu einer guten und schnellen Vermischung führt.
• Einige wenige Mischer vermischen sogar im turbulenten Bereich. Dies sind im wesentlichen Freistrahlmischer, bei denen zwei Fluidströme aufeinanderprallen. Sie existieren in verschiedenen Ausführungen: senkrechte Prallströmungen (siehe z.B. in WO 00/61275), Prallströmungen unter einem bestimmten Winkel, oder Prallströmungen, die versetzt aufeinander gerichtet sind. Eine Vielzahl von Einlaßkanälen, die jeweils senkrecht in eine zylindrische Mischkammer führen und sich dort bei hohen Reynolds-Zahlen vermischen, ist in: H. Nagasawa, M. Aoki, K. Mae, Design of a new micromixer for instant mixing based on the collision of micro segments, Chem. Eng. Techn 2005, 28(3), beschrieben.
• Diese passiven Mikromischer mit Verwirbelung bilden eine höchst interessante Gruppe, da die Mischer relativ neue Entwicklungen sind und das Potential bei weitem noch nicht ausgeschöpft ist. Aufgrund des sehr einfachen Mischprinzips sind hierbei besonders die konvektiven Mischer zu nennen. Nachteile existieren bei den Mischern, die mit zusätzlichen Strukturen versehen sind, da dies einen zusätzlichen Fertigungsaufwand bedeutet.
• Weiter gibt es eine gewisse Anzahl an Mischern, die nicht einer der obigen Kategorie zugeordnet werden können. Dies liegt an dem sehr speziellen jeweiligen Mischprinzip. Im folgenden soll darauf nicht näher eingegangen werden, denn diese Mischer stellen zu einem Großteil Spezialanwendungen dar, die vorzugsweise bei sehr kleinen Gebrauchsmengen verwendet werden. Daher sind bestimmte Anwendungen, bei denen es sich um große Mengen handelt, von vornherein ausgeschlossen. Aufgrund der sehr vielfältigen unterschiedlichen Bauweisen sind die einzelnen Mischer auf den jeweiligen Anwendungsfall beschränkt, der ausschließlich in der Analytik liegt.
• Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, einen passiven Mikromischer anzugeben, der einfach herstellbar ist und eine schnelle und effiziente Vermischung bei möglichst hohem Durchsatz ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Vorgestellt wird ein passiver konvektiver Mikromischer, der mit Hilfe eines neuartigen Entwurfs eine effiziente Vermischung ein- oder mehrphasiger Gas- oder Flüssigkeitsgemischen bewirkt. Die Effizienz zeigt sich hier in hohen Durchflüssen bei geringen Druckverlusten (z.B. für ein bereits realisiertes Bauteil: über 20 l/h für wäßrige Lösungen bei einem Druckverlust von 1 bar und einer Bauteilgröße von 20 × 20 × 1,5 mm³). Das herausragendste Merkmal der Mikromischer ist eine sehr schnelle vollständige Homogenisierung, die unter 1 ms für wäßrige Lösungen bzw. unter 100 μs für Gase beträgt.
• Erzielt werden diese Charakteristika durch die Verwendung des konvektiven Mischprinzips, bei dem sekundäre Wirbel in einfachen Mischstrukturen und Mikrokanälen in der Größenordnung von mehr als 100 μm hydraulischem Durchmesser zur Bildung sehr dünner Fluidfilamente mit Dicken im Bereich von wenigen μm und darunter führen, in denen die Vermischung durch Diffusion sehr rasch abläuft. Durch den Betrieb bei relativ hohen Reynolds-Zahlen Re bis etwa 1000 ergeben sich sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten über 1 m/s in den Kanälen. Zusammen mit der Verwendung relativ großer Mikrokanäle ergibt dies einen hohen Durchsatz und wirkt zusätzlich einem möglichen Verstopfen der Kanäle entgegen.
• Durch die Parallelisierung einzelner dreidimensionaler Mischerstrukturen auf zwei oder mehr fluidischen Lagen wird der Durchsatz weiter erhöht. Die Einstellung gleicher Strömungsbedingungen für die einzelnen Mischelemente wird hierbei durch die analytische Berechnung der Form und Lange der jeweiligen Einlaß- und Mischkanäle erlangt. Damit eignen sich die Mikromischer für die unterschiedlichsten Anwendungen wie die Vermischung von Brenngasen oder den Betrieb als Mikroreaktor für chemische Reaktionen.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung des Mikromischers besteht aus der dreidimensionalen Hintereinanderschaltung und Parallelisierung einzelner Mischelemente, in denen die Homogenisierung mittels des Konzeptes der konvektiven Vermischung (Bildung sekundärer Wirbel) erreicht wird, und aus den sich daraus ergebenden, herausragenden Eigenschaften wie kurze Mischzeiten und hohem Durchfluß. Schon einfache konvektive Mischelemente wie T-Kreuzungen bewirken eine sehr schnelle Homogenisierung, was ein bekannter Effekt ist. Die intelligente und dreidimensionale Hintereinanderschaltung einfacher konvektiver Mischelemente wie einer T-Kreuzung mit einer L-Biegung verstärkt diesen Effekt zusätzlich. Die zusätzliche Parallelisierung dieser einfachen Elemente auf einem gemeinsamen Chip ist ebenfalls neu und erfordert ein innovatives Design, enthaltend:
• • einen funktionalen Mehrschichtaufbau der Fluidkanäle sowie die
• • Geometrieoptimierung der einzelnen Kanäle zur Erzeugung gleicher Strömungsbedingungen an jedem einzelnen Mischelement.
• Die sich daraus ergebenden Eigenschaften sind vor altem in ihrer Kombination neu (teilweise aus den Meßkurven der 1 ersichtlich):
• • Sehr kurze Mischzeiten (< 1 ms für Flüssigkeiten und < 100 μs für Gase), verbunden mit
• • hohem Durchfluß (> 20 kg/h für wäßrige Flüssigkeiten) als wichtigste Eigenschaften. Weiter erreicht werden
• • geringer Druckverlust (< 1 bar) bei
• • sehr kleinen Bauteilabmessungen (20 × 20 × 1,5 mm³).
• Zum Vergleich: Es existieren Mikromischer, deren Mischzeiten an 1 ms für wäßrige Lösungen heranreichen, ebenso gibt es Mikromischer mit vergleichbaren oder höheren Durchflüssen, doch die Kombination aus diesen beiden ist in dieser Form noch unerreicht. Der ebenfalls erreichte geringe Druckverlust deutet zusammen mit den sehr kleinen Bauteilabmessungen auf weiteres großes Potential hin, man denke dabei an die einfache Durchflußvergrößerung durch Vergrößerung der Bauteilfläche, durch Parallelisierung einzelner Mischerchips oder durch die Verwendung von mehr als zwei Fluidebenen.
• Das bereits erwähnte Mischprinzip der konvektiven Vermischung erfordert die Einstellung hoher Reynolds-Zahlen (mind. größer als 100) in den Kanälen. Diese Reynolds-Zahlen werden vorzugsweise in relativ breiten Kanälen (> 100 μm hydraulischer Durchmesser) erreicht. Damit einhergehend sind hohe Fließgeschwindigkeiten und große Massenflüsse. Somit ergeben sich die folgenden Vorteile:
• • Hohe Durchsätze,
• • geringere Gefahr der Haftung von Partikeln oder gar des Verstopfens,
• • geringe Reibungsdruck- und damit Energieverluste,
• • geringe Anforderungen an die Fertigungstechnologie.
• Der Energieeintrag in das System ist aufgrund der breiten Kanäle und des hohen funktionalen Volumens sehr gering und wird alleine von den Pumpen, die das Fluid durch die Mischer pressen, aufgebracht. Es ist kein weiterer Eintrag von z.B. elektrischer Energie notwendig. Das Fehlen jeglicher aktiver Bauteile erhöht zusätzlich die Zuverlässigkeit. Der bereits oben erwähnte Vorteil der sehr kurzen Mischzeit ergibt zusammen mit der Parallelisierung vieler einzelner konvektiver Mischelemente eine sehr gute Performance. Durch die hohe Porosität des Bauteils wird der Anteil des funktionalen Volumens am Gesamtvolumen erhöht, was sich positiv auf die Bauteilgröße auswirkt.
• Entscheidend für die Vorteile ist die Kombination der relativ großen Kanäle mit dennoch kurzer Mischzeit und mit hohem Durchsatz durch die Parallelisierung vieler einzelner Mischelemente. Hiermit erhält man Mischer, die gegenüber dem Stand der Technik eine wesentliche Verbesserung bezüglich ihrer Performance darstellen.
• Zusätzlich zu den Verbesserungen in der Performance der Mischer existieren auch große Vorteile bzgl. der Herstellung. So ist die Herstellung der Mischer im integrierten Batch-Prozess in Silizium möglich, was im Vergleich zu einer Herstellung mittels herkömmlicher feinmechanischer Verfahren wie z.B. Fräsen einen erheblichen Vorteil darstellt. Weiterhin erleichtert der relativ einfache Aufbau sowohl Fertigung als auch Materialwahl. Sogar eine Fertigung mittels Spritzguß oder ähnlicher Massenfertigungsverfahren ist denkbar, was die Verwendung als relativ günstige „Einmal-Mischer", die zur Erzeugung einer gewissen Menge von Chemikalien verwendet und dann einfach ausgetauscht werden können, möglich macht.
• Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen wird die Erfindung im folgenden naher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
• 1 Meßkurven für die Mischzeit in Abhängigkeit vom Massenfluß für wässrige Lösungen bei zwei Arten von konvektiven Mikromischern;
• 2 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Mikromischers;
• 3 die vertikale Parallelisierung von Mischelementen durch mehrfache Verwendung der Ebenen 1 und 2 mittels Stack-Aufbau (linke Seite: Auslaß unten; rechte Seite: Auslaß oben);
• 4 den prinzipiellen Aufbau der fluidischen Ebenen; linke Seife: Ebene 1 mit Einlässen, Einlaß- und Verteilungskanälen und Mischeinheiten; rechte Seite: Ebene 2 mit Mischeinheiten, Mischkanälen und Auslaß;
• 5 vier verschiedene Ausführungsformen für einen Auslaßkanal;
• 6 den schematischen Aufbau eines asymmetrischen 3D-T-Mischers;
• 7 den schematischen Aufbau eines Tangentialmischers;
• 8 den schematischen Aufbau eines T-Baum-Mischers;
• 9 das Prinzip der Doppellamination beim T-Baum-Mischer;
• 10 den schematischen Aufbau eines alternierenden Doppel-T-Mischers;
• 11 eine beispielhafte Darstellung zweier T-Mischelemente (Ebene 1) mit fluidischen Pfaden;
• 12 eine beispielhafte Darstellung der Aufweitung der Verteilungskanäle zur Nivellierung des Druckverlustes und zur allgemeinen Verringerung des Gesamtdruckverlustes;
• 13 eine beispielhafte Darstellung der Aufweitung der Mischkanäle in Ebene 2;
• 14 ein Beispiel für Kanalstrukturen der Ebenen 1 (linke Seite) und 2 (rechte Seite) für eines Mikromischer mit 16 asymmetrischen 3D-T-Mischelementen;
• 15 ein Beispiel einer fluidischen Aufnahme für die Mischerchips, die auf der Oberseite der Adapterplatte fixiert sind;
• 16 eine schematische Darsteilung eines Aufbaus von vier parallelen Chips in einer gemeinsamen Aufnahme.
• Mit Bezug auf die Figuren, insbesondere zunächst auf 2, sollen nunmehr vorteilhafte Ausgestallungen des erfindungsgemäßen passiven konvektiven Mikromischers erläutert werden.
• Die erfindungsgemäßen Mikromischer dienen der Vermischung von zwei oder mehr Fluiden, die sowohl Flüssigkeiten, Gase als auch Suspensionen verschiedener Viskosität (Viskositätsbereich ist durch die Grösse der Kanäle beschränkt) sein können. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer Vielzahl fluidischer Kanalstrukturen, die in einem beliebigen geeigneten Material (z.B. Silizium, verschiedene Metalle, Kunststoffe, etc.) realisiert sind. Abhängig von den chemischen Eigenschaften der verwendeten Fluide ist zudem eine entsprechende geeignete Beschichtung der Oberfläche möglich (z.B. katalytische Beschichtungen, Beschichtungen zur Verringerung der Wandhaftung).
• Der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen Mikromischers 100 ist in 2 gezeigt. Aus topologischen Gründen, d.h. um Überschneidungen der vielen Kanäle zu vermeiden, sowie zur Ermöglichung einer größeren Vielfalt an fluidischen Strukturen wird ein dreidimensionaler struktureller Aufbau verwendet. Die Strukturen befinden sich dabei jeweils auf der Oberseite zweier oder mehrerer Lagen, die als dünne Platten (z.B. Siliziumchips, Metallplatten, etc.) vertikal übereinander geschichtet werden. Mittels geeigneter Verfahren werden die Platten zu einem Stapel miteinander verbunden (z.B. mittels Waferbonden, falls aus Silizium realisiert). Zur Verbindung der Strukturen auf den verschiedenen lagen dienen Durchgangslöcher 116, die sich jeweils auf der Rückseite einer Platte befinden. In der unteren Ebene (Ebene 1) werden die Fluide zusammengeführt und direkt nach dem Kontakt in die mittlere Ebene (Ebene 2) geleitet. Die obere Ebene (Ebene 3) bildet den Abschluß. Der Auslaß 104 kann sich unten (linke Seite) oder oben (rechte Seite) befinden. Die Strukturen können dabei mittels verschiedener formgebender Verfahren hergestellt werden und somit unterschiedliche Querschnitte wie rechteckig, trapezförmig oder halbkreisförmig, aufweisen. Die Versiegelung des Plattenverbunds erfolgt mit einer Deckelplatte, die bei Bedarf zwecks optischer Beobachtungen auch transparent gestaltet werden kann (z.B. Glas, Silizium, Metall, Kunststoff, etc.).
• Die Zufuhr der zu vermischenden Fluide erfolgt durch zwei oder mehrere Einlässe 102, die sich an den Rändern des Plattenverbundes befinden. Der Auslaß 104 befindet sich an geeigneter Stelle und kann wie die Einlässe 102 an einer beliebigen Stelle des Plattenverbundes (auch seitlich) positioniert werden.
• Die eigentlichen Mischerstrukturen auf der Oberseite jeder Platte bestehen aus dem lateralen parallelen Zusammenschluss vieler gleichartiger Mischelemente 106. Die Mischelemente 106 können sich dabei über mehrere dieser Lagen erstrecken. Weitere Lagen können verwendet werden, um die Mischerstrukturen vertikal zu parallelisieren. Die Tiefe der Strukturen auf einer Lage ist vorzugsweise konstant.
• In 4 ist der prinzipielle Aufbau der fluidischen Lagen dargestellt. Sei der Verwendung von vier oder mehr Einlaßlöchern 102 werden auf der Oberseite einer oder mehrerer Lagen Verteilungskanäle 108 verwendet, um die angelieferten Fluide auf die einzelnen Mischeinheiten zu verteilen. Die Anzahl der Mischeinheiten ist hierbei nur dadurch beschränkt, wie viele von ihnen sinnvoll auf der Ebene Platz finden. Der Auslaß 104 im Zentrum teilt die strukturierten Flächen in zwei symmetrisch zueinander aufgebauten Hälften. Dadurch werden gleiche Druckverhältnisse am Gesamtsystem sichergestellt. Die Speisung der einzelnen Mischeinheiten erfolgt durch Einlaßkanäle 110, die mit den Verteilungskanälen 108 an der entsprechenden Seite verbunden sind. Die Auslaß- oder Mischkanäle 118, 112 münden in den gemeinsamen Auslaß 104.
• Ein einzelnes Mischelement 106 besteht aus mindestens zwei Einlaßkanälen 110, die in die eigentliche Mischerstruktur führen, sowie mindestens einem Auslaßkanal 118, der aus der Mischerstruktur herausführt. Die Mischerstruktur selbst kann dabei eine einzelne Mischkammer 114 sein, oder auf der Kombination mehrerer hintereinander geschalteter Strukturen bestehen. Der Auslaß- oder Mischkanal kann als gerader oder auch als gewundener Kanal realisiert werden, um durch die zusätzlichen Strömungsumlenkungen eine weitere Unterstützung der konvektiven Vermischung zu bewirken. Beispiele für mögliche Ausführungsformen sind in 5 aufgeführt. Die Anzahl der notwendigen Windungen richtet sich nach der schon erreichbaren Mischqualität der initialen Vermischung in der Mischkammer 114, sowie nach den speziellen Bedürfnissen der durchzuführenden Mischung. Die verwendeten Einlaß- und Auslaßkanäle werden so dimensioniert, daß der Mikromischer bei Reynolds-Zahlen im Bereich von mindestens über 100 in den einzelnen Mischkanälen betrieben wird.
• Um Überschneidungen von Kanälen zu vermeiden, werden für die Einlaß- und Auslaßkanäle verschiedene Lagen verwendet. Die Einlaßkanäle 110 sind dabei auf einer eigenen Lage platziert und werden mit Hilfe von Durchgangslöchern 116 mit den restlichen Strukturen auf der nächsten Lage verbunden. Wenn es die Topologie der Gesamtstruktur erfordert, können auch Teile der Einlaßkanäle 110 auf einer anderen Lage untergebracht werden.
• Die Mischerstrukturen selbst müssen so beschaffen sein, daß sie die Entstehung sekundärer Wirbel ermöglichen. Im Gegensatz zu bisher bekannten konvektiven Mikromischern, die auf der Ausbildung sekundärer Wirbel basieren, nutzen die neuartigen Mikromischer gezielt die dreidimensionale Anordnung, um planar nicht realisierbare Strukturen zu erzeugen und konvektive Mischeffekte effizient zu nutzen. So kann durch die Umlenkung der Strömung auf eine zweite Ebene ein unmittelbar nach der initialen Vermischung erfolgender weiterer Energieeintrag in die Vermischung ohne lateralen Platzbedarf erreicht werden. Die Wirbelbildung erfolgt dabei ausschließlich durch Energiedissipation aus der Fluidbewegung, d.h. ohne externe Zufuhr von Energie. Verschiedene geometrische Varianten für die Mischerstruktur sind entwickelt worden, die in den folgenden Abbildungen zu sehen sind. Die Möglichkeiten, die sich durch das entwickelte Konzept ergeben, sind jedoch nicht auf diese vier Beispiele beschränkt.
• Asymmetrischer 3D-T-Mischer
• 6 zeigt beispielsweise einen T-Mischer mit asymmetrischen Einströmbedingungen für die Mischkammer 114, was zu einer merklichen Verbesserung der Mischqualität führt. die asymmetrischen Bedingungen werden durch ein dem T-Element einseitig vorgeschaltetes L-Element, welches eine Vorverwirbelung erzeugt, erreicht. Die sekundären Wirbel entstehen weiter durch den Impulsübertrag beim direkten Zusammenprall der Fluidströme. Die Einlaßkanäle und die Mischkammer sind auf einer eigenen Ebene realisiert, der serpentinenförmige Mischkanal auf einer weiteren.
• Tangentialmischer
• In 7 ist ein Tangentialmischer mit einer zylindrischen Mischkammer 114 gezeigt, in welcher die zu mischenden Fluide tangential zueinander einströmen und dadurch eine spiralförmige Rotationsbewegung in Richtung des im Zentrum gelegenen Auslaßes bewirken, Hier sind es Scherkräfte, welche die Entstehung sekundärer Wirbel bei den verwendeten hohen Reynolds-Zahlen ermöglichen. Die Einlaßkanäle 110 müssen dazu im Verhältnis zur Mischkammer 114 hinreichend groß ausgelegt sein, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Direkt im Anschluß an den Auslaß der Mischkammer 114 erfolgt der Übergang in eine zweite Ebene, was die konvektive Vermischung weiter fördert.
• Mischer Baumstruktur
• Eine Baumstruktur aus einfachen T-förmigen Mischelementen ist in 8 zu sehen. Diese Struktur stellt eine Kombination aus konvektivem Mischprinzip und geometrisch bedingter Fluidschichtung dar, wie in 9 am Prinzip der Doppellamination bei kleinen Reynolds-Zahlen zu sehen ist. Dabei werden die konvektiven Mischeffekte durch die aus der geometrische Anordnung resultierenden Schichtung alternierender Fluidlamellen zusätzlich verstärkt. Es findet zudem ein mehrfacher Impulsübertrag durch direkten Zusammenstoss zweier Fluidströme statt.
• Doppel-T-Mischer
• 10 zeigt einen kaskadierten T-Mischer, der aus der Hinereinanderschaltung zweier T-Elemente besteht. Die Einlaßkanäle 110 der beiden T-Elemente sind dabei in alternierender Weise angeordnet. Dadurch werden, in analoger Weise zur T-Mischer Baumstruktur, alternierende Fluidlamellen erzeugt, die sich der konvektiven Mischung überlagern. Auch hier findet ein mehrfacher Impulsübertrag durch den direkten Zusammenprall von Fluidströmungen statt. Die Topologie der Struktur erfordert hier ein Aufteilen der Einlaßkanäle auf zwei unterschiedliche Lagen.
• Erhöhung des Durchsatzes
• Zur Erhöhung des Durchsatzes werden möglichst viele der einzelnen Mischeinheiten parallel auf den entsprechenden Lagen angeordnet. Deren Anordnung ist dabei so, daß jeweils eine Lage aus zwei punktsymmetrisch gestatteten Hälften besteht, um symmetrische Druckverhältnisse für die linke und rechte Seite des Gesamtsystems zu erhalten.
• Um gleiche Anströmbedingungen für jedes Mischelement 106 zu gewährleisten und gleichzeitig den Druckverlust über ihnen zu minimieren, werden die Querschnitte der Verteilungs -und Mischkanäle in solcher Weise aufgewertet, daß der resultierende Druckabfall entlang jedes fluidischen Pfades identisch ist. Ein fluidischer Pfad ist hierbei der Weg, den das Fluid ausgehend vom Einlaß 102 bis zum Mischelement 106 (Ebene 1) oder vom Mischelement 106 bis zum Auslaß 104 (Ebene 2) zurücklegt. Es ist leicht einsehbar, daß die unterschiediche Länge des fluidischen Pfades bei der Verwendung von geraden Verteilungskanälen 108 mit gleichen Querschnitten zu einer Ungleichheit im Druckverlust und damit zu unterschiedlichen Strömungsbedingungen an den einzelnen Mischelementen 106 führt, was für die Performance der Mischer unerwünscht ist, s. 11.
• Da die fluidischen Pfade aufgrund der Topologie kaum variiert werden können, müssen die Querschnitte verändert werden. Aus Gründen der Minimierung des Gesamtdruckverlustes werden die Mischkanäle verbreitert. Dazu werden die einzelnen Einlaßkanäle bis zu einer gewissen Distanz durch Verbreiterung vereinigt. Ab dieser Distanz führen dann Restkanäle einer ganz bestimmten Länge zu den Mischelementen 106, beispielhaft gezeigt in 12. Die notwendige Länge dieser Restkanäle, sowie die Größe der gemeinsamen Einlaßfläche werden durch ein analytisches Näherungsmodell berechnet. In diesem Modell wird der fluidische Pfad vom Chip-Einlaß bis hin zum jeweiligen Mischelement als einfacher Kanal mit variablem Querschnitt betrachtet. Der Druckabfall über dieser Modellstruktur wird unter der Annahme eines laminaren Flußes mit Hilfe der Hagen-Poiseuille'schen Gleichung angenähert. Nach der Definition eines Referenz-Einlaßkanals werden die Druckabfälle über den fluidischen Pfaden aller Mischelemente an den Druckabfall über diesem Referenzkanal angeglichen. Als Ergebnis der Berechnung erhält man schließlich Werte für die Längen alter Kanäle.
• Die Dimensionierung der notwendigen Ausmaße der Auslaßkanäle 118 erfolgt genau analog: Die Auslasskanäle 118 münden in in allen Mischelementen gemeinsame Auslaßfläche, die den Auslaß enthält (siehe 13). Die Längen der Auslaßkanäle werden so dimensioniert, daß der Druckabfall bis zum Auslaß für alte fluidischen Pfade annähernd gleich ist.
• Zur weiteren Illustration wird das Prinzip am Beispiel des asymmetrischen 3D-T-Mischers in 14 verdeutlicht. Man sieht die Kanalstrukturen der Ebenen 1 und 2. In diesem Falle wurden 16 Mischelemente implementiert.
• Peripherie
• Für den Betrieb der Mikromischer wird eine geeignete Aufnahme verwendet, wie sie in 15 dargestellt ist. Diese besteht im wesentlichen aus einer Adapterplatte 120 aus geeignetem Material (z.B. Aluminium), welche die fluidischen Zugangslöcher des Mischers mit den externen Zuleitungen, also der Peripherie verbindet (jeweils eine Leitung für jedes zugeführte Fluid und eine weitere Leitung zur Abfuhr des Mischprodukts). Auf der Außenseite befindet sich dazu eine entsprechende Anzahl an Löchern, in die geeignete fluidische Anschlußvorrichtungen, wie z.B. Schraubverbinder, angebracht werden können. Auf der Innenseite münden diese Löcher in Verteilungskanäle, die unter den Einlässen und dem Auslaß des Chips angeordnet sind und die Fluide auf die Löcher verteilen. Der Chip wird mittels eines für die verwendeten Materialien geeigneten Verfahrens (z.B. Kleben, Pressen, etc.) auf der Adapterplatte fixiert.
• Die einzelnen Mikromischer können zur weiteren Durchsatzerhöhung in einem entsprechend modifizierten gemeinsamen Gehäuse parallel geschaltet werden. Ein Beispiel für den schematischen Aufbau ist in 16 zu sehen, bei dem vier einzelne Mikromischer-Chips in einer gemeinsamen fluidischen Aufnahme zusammengefaßt sind. Durch die Verwendung breiter Ein- und Auslaßkanäle im Gehäuse wird der Einfluß des unterschiedlichen Druckverlustes im Vergleich zum relativ großen Druckverlust in den Mischer-Chips minimiert. Dieses Prinzip ist für eine beliebige Anzahl Mischer-Chips anwendbar.
• Gewünschte Mischereigenschaften
• Mit der erfindungsgemäßen Lösung können passive konvektive Mikromischer mit den folgenden Eigenschaften realisiert werden:
• • Verwendung geeigneter dreidimensionaler, auf zwei oder mehreren Lagen realisierter fluidischer Kanalstrukturen zur Vermischung von Flüssigkeiten, Gasen oder Suspensionen unter der Bildung sekundärer Wirbel. Die Dimensionierung der fluidischen Kanalstrukturen erfolgt so, daß Reynolds-Zahlen in Bereichen über 100 in den jeweiligen Mischkanälen erreicht werden.
• • Ein Mischelement besteht aus zwei oder mehr Einlaßkanälen, die in eine vorzugsweise dreidimensionale Mischstruktur führen. In dem Mischelement findet konvektive Vermischung durch die Ausbildung sekundärer Wirbel statt. Die Mischstruktur kann eine Kombination mehrerer Grundelemente T-Mischer, L-Mischer, etc.) darstellen. Die Kombination erfolgt in möglichst kompakter Weise. Der anschließende Mischkanal kann weitere Mischelemente aufweisen, um die konvektive Mischung weiter zu unterstützen.
• • Beispiele für Mischelemente sind: Asymmetrischer 3D-T-Mischer Tangentialmischer T-Mischer Baumstruktur Doppel-T-Mischer
• • Die Querschnitte der Kanäle können beliebige Formen aufweisen (z.B. rechteckig, rund, trapezoid).
• • Mehrere dieser einzelnen, vorzugsweise dreidimensionalen, Mischelemente werden lateral in paralleler Weise angeordnet, um den Durchsatz zu erhöhen. Das Zusammenfügen der Mischelemente erfolgt dabei durch das Zusammenfassen mehrerer Einlaßkanäle (analog auch Auslaßkanäle) zu zusammenhängenden Flächen mit anschließenden zu den Mischelementen (bzw. von den Mischelementen weg) führenden Restkanälen. Ziel ist die Schaffung gleicher Strömungsverhältnisse in allen Mischelementen durch Nivellierung der Druckabfälle.
• • Die Anzahl der verwendeten Mischelemente ist beliebig.
• • Zur Realisierung der dreidimensionalen Strukturen werden zwei oder mehr fluidische Lagen verwendet, die plattenartig übereinandergeschichtet werden.
• • Diese funktionalen Plattengruppen können zur weiteren Durchsatzerhöhung weiter gestapelt werden.
• • Die Einlaß- und Auslaßlöcher des Stapels können in beliebiger Anzahl und Form realisiert werden. Sie befinden sich auf einer beliebigen Seite des Stapels.
• • Für die fluidischen Lagen können beliebige geeignete Materialien verwendet werden.
• • Die Strukturen können optional mit geeigneten Oberflächenbeschichtungen versehen werden.
• • Der externe Anschluß des Chips erfolgt mit einem Gehäuse, das den Zweck hat, die Zugangslöcher des Chips mit den externen Leitungen zu verbinden. Dazu wird im Wesentlichen eine Adapterplatte verwendet.
• • Der Chip kann beliebig auf der Platte fixiert werden.
• • Das Gehäuse kann unter Verwendung des gleichen Prinzips auf die Verwendung mehrerer Chips erweitert werden.

Claims (20)

1. Passiver Mikromischer zum Vermischen ein- oder mehrphasiger Fluide mit mindestens zwei Einlässen (102) zum Zuführen der zu mischenden Fluide und mindestens einem Auslaß (104) zum Ausströmen des vermischten Fluides sowie einer Vielzahl von Mischelementen (106), wobei die Einlässe (102), der mindestens eine Auslaß (104) und die Mischelemente (106) in unterschiedlichen dreidimensional angeordneten Ebenen aufgebaut sind, wobei die Mischelemente (106) so ausgebildet sind, dass sie sekundäre Wirbel zur konvektiven Vermischung der Fluide erzeugen.
2. Passiver Mikromischer nach Anspruch 1, wobei ein hydraulischer Durchmesser der Mischelemente (106) so gewählt ist, dass eine zugehörige Reynolds-Zahl über dem Wert 100 liegt.
3. Passiver Mikromischer nach Anspruch 2, wobei ein hydraulischer Durchmesser der Mischelemente (106) mehr als 100 μm beträgt.
4. Passiver Mikromischer nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, wobei die Mischelemente (106) wenigstens teilweise parallel geschaltet sind.
5. Passiver Mikromischer nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, wobei die Mischelemente (106) wenigstens teilweise in Serie geschaltet sind.
6. Passiver Mikromischer nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, wobei das Zusammenfügen der Mischelemente (106) durch das Zusammenfassen mehrerer Einlasskanäle (110) zu zusammenhängenden Flächen mit zu den Mischelementen (106) führenden Restkanälen erfolgt, und wobei die Kanäle durch geeignete Änderung der jeweiligen Breiten und Längen so dimensioniert sind, daß der Druckverlust über die einzelnen Mischelemente nivelliert wird.
7. Passiver Mikromischer nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, wobei mindestens eines der Mischelemente (106) einen T-Mischer aufweist.
8. Passiver Mikromischer nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, wobei mindestens eines der Mischelemente (106) einen Tangentialmischer aufweist.
9. Passiver Mikromischer nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, wobei mindestens eines der Mischelemente (106) einen Doppel-T-Mischer aufweist.
10. Passiver Mikromischer nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, wobei mindestens eines der Mischelemente (106) eine L-förmige Biegung aufweist.
11. Passiver Mikromischer nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, wobei der Mikromischer (100) wenigstens teilweise aus Silizium herstellbar ist
12. Passiver Mikromischer nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, wobei der Mikromischer (100) wenigstens teilweise aus Kunststoff, Metall, oder Keramik herstellbar ist.
13. Passiver Mikromischer nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, wobei die Querschnitte der Kanäle rechteckförmig, kreisförmig oder trapezförmig ausgebildet sind.
14. Passiver Mikromischer nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, wobei jedes Mischelement (106) mindestens zwei Einlaßkanäle (110), die in eine vorzugsweise dreidimensional Mischstruktur führen, und einen anschließenden Mischkanal (112) aufweist.
15. Passiver Mikromischer nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, wobei die dreidimensional angeordneten Ebenen durch mindestens zwei fluidische Lagen gebildet sind, die plattenartig übereinander geschichtet sind.
16. Passiver Mikromischer nach Anspruch 15, wobei Gruppen von fluidischen Lagen gestapelt sind.
17. Passiver Mikromischer nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, wobei die mit den Fluiden in Kontakt stehenden Oberflächen mit geeigneten Oberflächenbeschichtungen versehen sind.
18. Passiver Mikromischer nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, weiterhin umfassend ein Gehäuse zum Verbinden des Mikromischers mit externen Anschlüssen.
19. Passiver Mikromischer nach Anspruch 18, wobei das Gehäuse durch eine Adapterplatte (120) gebildet ist.
20. Passiver Mikromischer nach Anspruch 18, wobei ein geeignetes Gehäuse verwendet wird, welches mindestens zwei Mikromischer parallel miteinander verbindet.