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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft einen Mikro-Mischer.
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Ein
Mikro-Mischer wird beispielsweise durch die Verarbeitung eines Halbleitersubstrats
von Si oder dergleichen hergestellt unter Verwendung einer Mikro-Verarbeitungstechnik.
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In
einem Mikro-Mischer dieser Art werden z. B. zwei Arten von Flüssigkeiten
(Fluiden) A, B vereinigt, um eine Zwei-Schicht-Laminarströmung (A+B) zu bilden, wonach
die Laminarströmung
(A+B) in Richtung der Laminarströmung
in zwei Halb-Strömungen (A+B)/2
geteilt wird. Dann werden die zwei Halb-Strömungen
(A/2+B/2) vereinigt, um eine Vier-Schicht-Laminarströmung (A/2+B/2+A/2+B/2) zu
bilden, wonach diese Laminarströmung
in Richtung der Laminarströmung
in 2 geteilt wird. Indem solcherart die Vereinigung der Laminarströmungen und
das Teilen einer Laminarströmung
in ihrer Strömungsrichtung
wiederholt wird, werden die Flüssigkeiten
A, B schrittweise in kleinere Schichten geteilt, so dass die Flüssigkeiten
A, B schneller diffundiert werden.
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In
herkömmlichen
Mikro-Mischern sind jedoch die Durchgänge für das Vereinigen und Teilen der
Fluide (Flüssigkeiten)
sehr klein und erfordern eine hohe Herstellungsgenauigkeit. Daher
ist das Verfahren ihrer Verarbeitung (Herstellung) kompliziert.
Weiterhin ist eine genaue Ausrichtung erforderlich, die zu hohen Produktionskosten
führt.
Da darüber
hinaus die Durchgänge
sehr klein sind, verstopfen sie leicht mit flüssigen Teilchen, wenn sie komplizierte
Durchgangsstrukturen haben. Das Verstopfen erfolgt leicht speziell
in engen Schlitzen, die für
das Teilen der Fluide bereitgestellt werden. Ein anderes Problem
liegt darin, dass Fluidströmungen
ungleichmäßig werden,
was es erschwert, die verlangte Mischleistung zu erhalten.
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Aus
der
EP 07 54 492 B1 ist
ein Mikro-Mischer bekannt, welcher zwei Fluide mittels einer Mehrzahl
an seriell angeordneten Vereinigungs-Teilungseinheiten vereinigt
bzw. teilt und bei dem eine Anzahl n von Einlässen und eine Anzahl n von
Auslässen
einer jeden Vereinigungs-Teilungseinheit durch einen Kanal verbunden
ist.
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Aus
der WO 01/28670 A1 ist ein Mikro-Mischer mit in gleichmäßigen Abständen angeordneten
Vereinigungs-Teilungseinheiten bekannt, bei denen ebenfalls eine
Anzahl n von Einlässen
und eine Anzahl n von Auslässen
einer jeden Vereinigungs-Teilungseinheit durch einen Kanal verbunden ist.
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Offenbarung
der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Mikro-Mischer bereitzustellen, der nicht
mit flüssigen Teilchen
verstopft wird, eine hohe Mischleistung zeigt, leicht herzustellen
ist und einen einfachen Aufbau hat.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Mikro-Mischer gemäß 1 oder mit einem Mikro-Mischer
gemäß Anspruch
7 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein
Mikro-Mischer gemäß der Erfindung
umfasst eine Mehrzahl von Durchgangsmodulen, wodurch ein mehrstufiger
Strömungsdurchgang
gebildet wird, wobei jedes der Durchgangsmodule eine Mehrzahl von
Vereinigungs-Teilungseinheiten hat, die in gleichen Abständen angeordnet
sind, wobei jede Vereinigungs-Teilungseinheit n (günstigerweise
n = 2 bis 4) eine Anzahl von Einlässen und Anzahlen n von Auslässen hat.
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In
einer spezifischen Form werden in jedem der gestapelten Durchgangsmodule
die Anzahl n von Einlässen
einer jeden Vereinigungs-Teilungseinheit in einer stromaufwärts befindlichen Oberfläche des Durchgangsmoduls
gebildet, die Anzahl n von Auslässen
einer jeden Vereinigungs-Teilungseinheit wird in einer stromabwärts befindlichen
Oberfläche
des Durchgangsmoduls gebildet, und die Anzahl n von Einlässen und
die Anzahl n von Auslässen
einer jeden Vereinigungs-Teilungseinheit wird durch einen Kanal
verbunden. Jeder der Anzahl n von Auslässen einer jeden der Vereinigungs-Teilungseinheiten
in jedem der gestapelten Durchgangsmodule wird mit einem Einlass
einer anderen Einheit aus der Anzahl n von Vereinigungs-Teilungseinheiten
im Durchgangsmodul verbunden, das die nächste Stufe bildet.
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Mit
anderen Worten wird gemäß der Erfindung
ein Mikro-Mischer eines mehrstufigen Aufbaus gebildet, indem eine
Mehrzahl von plattenförmigen Durchgangsmodulen,
die jeweils eine Anordnung einer Mehrzahl von Vereinigungs-Teilungseinheiten haben,
gestapelt wird. Jede Vereinigungs-Teilungseinheit hat eine Anzahl
n von in der stromaufwärts befindlichen
Oberfläche
des Durchgangsmoduls gebildeten Einlässen und eine Anzahl n von
in der stromabwärts
befindlichen Oberfläche
des Durchgangsmoduls gebildeten Auslässen, und diese Einlässe und
Auslässe
werden durch einen Kanal verbunden, um einen Durchgang zu bilden.
In einer spezifischen Form wird jeder der Anzahl n von Auslässen einer
jeden der Vereinigungs-Teilungseinheiten in jedem der gestapelten
Durchgangsmodule mit einem Einlass einer anderen Einheit der Anzahl
n von Vereinigungs-Teilungseinheiten in einem stromabwärts befindlichen
Zwischen-Durchgangsmodul davon verbunden. Solchermaßen werden
die Fluide, die durch ihre Anzahl n von Einlassen in jede der Vereinigungs-Teilungseinheiten
strömen,
vereinigt und durch ihre Anzahl n von Auslässen geteilt, und fließen heraus.
Die aus der Anzahl n von Auslässen
herausfließenden
Fluide strömen
im stromabwärts
befindlichen Zwischen-Durchgangsmodule
jeweils in einen Einlass einer anderen Einheit der Anzahl n an Vereinigungs-Teilungseinheiten.
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In
einer vorteilhaften Form der Erfindung ist n, was die Anzahl der
Einlässe
und Auslässe
einer jeden Vereinigungs-Teilungseinheit darstellt, 2, und in den
in jedem der Durchgangsmodule angeordneten Vereinigungs-Teilungseinheiten
ist der Abstand zwischen zwei angrenzenden Auslässen zweier angrenzender Vereinigungs-Teilungseinheiten
gleich dem Abstand zwischen den zwei Einlässen einer jeden Vereinigungs-Teilungseinheit.
Noch vorteilhafter werden die in jedem Durchgangsmodul auf die oben
beschriebene Weise angeordneten Vereinigungs-Teilungseinheiten in
einer Linie angeordnet.
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In
einer vorteilhaften Form der Erfindung haben die Anzahl n von Einlässen und
die Anzahl n von Auslässen
in jeder der Vereinigungs-Teilungseinheit einen etwa gleich großen Durchmesser,
und der Kanal hat eine Breite und eine Tiefe, die etwa seinem Durchmessers
entspricht. Der Durchmesser der Auslässe kann abhängig vom
Durchmesser der Einlässe im
stromabwärts
befindlichen Durchgangsmodul bestimmt werden, mit denen sie verbunden
sind.
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Wenn
ein mehrstufiger Strömungsdurchgang
für das
Mischen der Fluide auf die oben beschriebene Weise gebildet wird,
ist es vorteilhaft, dass das Durchgangsmodul, das die am weitesten stromabwärts gelegene
Stufe bildet, einen Auffangteil hat, um die aus den Auslässen ihrer
Vereinigungs-Teilungseinheiten strömenden Fluide zu sammeln und
sie in einen einzigen Durchgang strömen zu lassen. Es ist besonders
dienlich, dass das Sammelteil eine Durchgangslänge hat, die den aus den Auslässen hereinströmenden Fluiden
die nötige
Zeit gibt, sich zu mischen. Wenn zwischen den Fluiden eine Reaktion
erfolgen soll, ist es vorteilhaft, dass das Sammelteil eine Durchgangslänge hat,
die genug Zeit für
die Reaktion gibt.
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Ein
spezifischer Mikro-Mischer gemäß der Erfindung
umfasst eine Mehrzahl von plattenförmigen Durchgangsmodulen, die
gestapelt sind, wobei jeder der Durchgangsmodule mindestens eine
Vereinigungs-Teilungs- und/oder mindestens eine Vereinigungseinheit
hat, wobei die Vereinigungs-Teilungseinheit zwei Einlässe und
zwei Auslässe
hat, die durch einen Kanal verbunden sind, und wobei die Vereinigungseinheit
zwei Einlässe
und einen Auslass hat, die durch einen Kanal verbunden sind. Jeder
der zwei Einlässe
einer jeden der mindestens einen Vereinigungs-Teilungs- und/oder der mindestens einen Vereinigungseinheit
in jedem der gestapelten Durchgangsmodule wird mit einem Auslass
einer anderen Einheit von beiden Einheiten – der mindestens ei nen Vereinigungs-Teilungs-
und/oder der mindestens einen Vereinigungseinheit – in einem
stromaufwärts befindlichen
Zwischen-Durchgangsmodul
davon verbunden. In den gestapelten Durchgangsmodulen sinkt die
Anzahl der mindestens einen Vereinigungs-Teilungs- und/oder der
mindestens einen Vereinigungseinheit, die in einem Durchgangsmodul
eingeschlossen ist, vom am weitesten stromaufwärts gelegenen Durchgangsmodul
zu dem am weitesten stromabwärts
gelegenen Durchgangsmodul, um 1, so dass die Fluide durch die gestapelten
Durchgangsmodulen gemischt werden und gezwungen werden, in einem
einzigen Durchgang herausströmen.
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In
diesem Fall ist es günstig,
dass die Vereinigungs-Teilungseinheit
einen Aufbau hat, in dem in der Mitte des Aufbaus eine inselartige
Partition zum Bestimmen der Richtung des Kanals bereitgestellt wird,
dass die zwei Einlässe
in Bezug auf die Partition symmetrisch angeordnet sind, und dass
die Richtung, in der die zwei Einlässe angeordnet sind, und die
Richtung, in der die zwei Auslässe
angeordnet sind, sich im rechten Winkeln kreuzen. Inzwischen ist der
Aufbau der Vereinigungseinheit so, dass einer der zwei Auslässe der
Vereinigungs-Teilungseinheit mit
einem Teil des Kanals weggelassen werden, der sich zum weggelassenen
Auslass erstreckt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine in Einzelteile aufgelöste
perspektivische Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines Mikro-Mischers
gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Darstellung, die eine Anordnung von Fluid-Hereinströmungs-Kanälen zeigt, die in einer unteren
Platte bereitgestellt sind, die im in der 1 gezeigten
Mikro-Mischer eingeschlossen ist;
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3 ist
eine Darstellung, die einen schematischen Aufbau von einem der Durchgangsmodule zeigt,
das im in der 1 gezeigten Mikro-Mischer eingeschlossen
ist;
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4 ist
eine perspektivische Teilansicht, die einen schematischen Aufbau
einer in einem Durchgangsmodul eingeschlossenen Vereinigungs-Teilungseinheit
zeigt;
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5 ist
eine Darstellung, die erläutert,
wie die Ein lässe
und Auslässe
der in den Durchgangsmodulen eingeschlossenen Vereinigungs-Teilungseinheiten
verbunden sind und wie die Fluide durch die Vereinigungs-Teilungseinheiten
vereinigt und geteilt werden;
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6 ist
eine Darstellung, die ein weiteres Beispiel einer in einem Durchgangsmodul
eingeschlossenen Vereinigungs-Teilungseinheit
zeigt;
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7 ist
eine Darstellung, die ein weiteres Beispiel einer in einem Durchgangsmodul
eingeschlossenen Vereinigungs-Teilungseinheit
zeigt;
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8 ist
eine Darstellung, die ein weiteres Beispiel einer in einem Durchgangsmodul
eingeschlossenen Vereinigungs-Teilungseinheit
zeigt;
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9 ist
eine Darstellung, die ein weiteres Beispiel der Anordnung einer
Mehrzahl von Vereinigungs-Teilungseinheiten zeigt, die in Durchgangsmodulen
eingeschlossen sind;
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10 ist
eine Darstellung, um den Aufbau und die Funktion eines Auffangteils
zu erläutern,
das am am weitesten stromabwärts
gelegenen Durchgangsmodul bereitgestellt wird;
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11 ist
eine Darstellung, die einen Funktionsaufbau einer Vereinigungs-Teilungseinheit
zeigt, die drei Einlässe
und drei Auslässe
hat; und
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12 ist
eine Darstellung, die eine Anordnung einer Mehrzahl von in der 11 gezeigten Vereinigungs-Teilungseinheiten
zeigt, die drei Einlässe
und drei Auslässe
haben.
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Beste Ausführungsform
zum Durchführen
der Erfindung
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Nimmt
man auf die Zeichnungen Bezug, wird eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben,
indem ein Beispiel für
einen Mikro-Mischer zum Mischen zweier Arten an Flüssigkeiten
A, B verwendet wird, der ihre Verteilung beschleunigt.
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1 ist
eine in Einzelteile aufgelöste
perspektivische Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines Mikro-Mischers
gemäß dieser
Ausführungsform
zeigt, worin die Bezugsziffern 1 und 2 jeweils eine
obere und untere Platte 1 und 2 kennzeichnen. Die
obere und die untere Platte 1, 2 sind flache, rechteckige,
z. B. 5 mm dicke und auf einer Seite etwa 50 mm lange Platten, die
aus einem Al-Material, rostfreiem Stahl oder dergleichen hergestellt
werden. Die Platte 1 hat durchgehende Löcher 1a an ihren vier
Ecken, während
die Platte 2 Schraubenlöcher 2a an
ihren vier Ecken hat. Die Platten 1 und 2 sind
mit einer Mehrzahl von (später
beschriebenen) dazwischen befindlichen Durchgangsmodulen vereinigt,
indem vier Schrauben 3 durch die durchgehenden Löcher 1a in
der oberen Platte 1 in den Schraubenlöchern 2a in der unteren
Platte 2 befestigt werden.
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Die
obere Platte 1 hat in ihrem mittleren Teil drei durchgehende
Löcher
(nicht gezeigt), die in einer diagonalen Richtung angeordnet sind.
Verbindungsglieder 4a, 4b für das hereinströmende Fluid
und ein Verbindungsglied 4c für das herausströmende Fluid sind
in diesen durchgehenden Löchern
eingefügt. Wie
in der 2 gezeigt, hat die untere Platte 2 in
ihrem mittleren Teil Fluid-Einströmungskanäle 5a, 5b, die
den zwei durchgehenden Löchern
entsprechen, in denen jeweils die Verbindungsglieder 4a, 4b für die Fluidströmung eingebaut
sind. Die Fluid-Einströmungskanäle 5a, 5b sind
annähernd
dreieckig und haben eine vorbestimmte Tiefe. Die Fluid-Einströmungskanäle 5a, 5b sind
durch eine Trennwand 5c vorbestimmter Dicke voneinander
getrennt. Die Trennwand 5c erstreckt sich an Vereinigungs-Teilungseinheiten
entlang, die in einer Linie in jedem Durchgangsmodul (später beschrieben)
angeordnet sind. Die untere Platte 2 hat auch Stiftlöcher 6,
in die Führungsstifte
(nicht gezeigt) senkrecht eingesetzt werden. Die in die Stiftlöcher 6 gesteckten
Führungsstifte
werden als Führungen
verwendet, wenn eine Mehrzahl von Durchgangsmodulen (später beschrieben)
an Ort und Stelle gestapelt wird.
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Eine
Mehrzahl (Anzahl m) der Durchgangsmodule 7 (71 , 72 ... 7m ), die zwischen den Platten 1 und 2 gestapelt
sind, sind flache, rechteckige, z. B. 0,8 mm dicke und von einer
Seite etwa 25 mm lange Platten, die aus einem Al-Material, rostfreiem
Stahl oder dergleichen hergestellt sind. Wie in der 3 gezeigt,
haben die Durchgangsmodule 7 jeweils durchgehende Löcher 8a, 8b,
die den zwei durchgehenden Löchern
entsprechen, in die jeweils die Verbindungsglieder 4a, 4b für die Fluidströmung eingefügt werden,
und durchgehende Löcher 9,
durch die die oben erwähnten Führungsstifte
gesteckt werden, um den Durchgangsmodul an Ort und Stelle zu halten.
Weiterhin haben die Durchgangsmodule 7 jeweils eine Mehrzahl
von Vereinigungs-Teilungseinheiten 10, die an der Trennwand 5c entlang
angeordnet sind, die die Fluid-Einströmungskanäle 5a, 5b trennt.
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Wie
schematisch in der 4 gezeigt, hat z. B. die Vereinigungs-Teilungseinheit 10 zwei
Einlässe 11 (11a, 11b),
die in der stromaufwärts
befindlichen Oberfläche
(untere Oberfläche)
des plattenförmigen Durchgangsmoduls 7 ausgebildet
sind, und zwei Auslässe 12 (12a, 12b),
die in der stromabwärts
befindlichen Oberfläche
(obere Oberfläche)
des Durchgangsmoduls 7 ausgebildet sind. Die Einlässe 11a, 11b und
die Auslässe 12a, 12b sind
durch einen Kanal 13 verbunden, der mit einer Tiefe von
0,4 mm in der oberen Oberfläche
ausgebildet ist. Auf diese Art und Weise wird ein Durchgang, der
die obere und die untere Oberfläche
des Durchgangsmoduls 7 verbindet, in der Vereinigungs-Teilungseinheit 10 ausgebildet.
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In
dieser besonderen Vereinigungs-Teilungseinheit 10 wird
in der Mitte des Kanals 13 eine inselartige Partition 14 zum
Bestimmen der Richtung des Kanals 13 bereitgestellt. Die
zwei Einlässe 11a, 11b werden
in Bezug auf die Partition 14 symmetrisch angeordnet, die
zwei Auslässe 12a, 12b in
Bezug auf die Partition 14 symmetrisch angeordnet, und
die Richtung, in der die beiden Einlässe 11a, 11b angeordnet
werden, kreuzt sich in einem rechten Winkel mit der Richtung, in
der die beiden Auslässe 12a, 12b angeordnet
werden. Weiterhin sind in dieser Vereinigungs-Teilungseinheit 10 der
Durchmesser der Einlässe 11a, 11b,
der Durchmesser der Auslässe 12a, 12b,
die Breite des Kanals 13 und die Tiefe des Kanals 13 dieselben,
z. B. 0,4 mm. Weiterhin sind die beiden Einlässe 11a, 11b 0,4
mm voneinander beabstandet, während
die zwei Auslässe 12a, 12b 1,2
mm voneinander beabstandet sind.
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Die
Durchgangsmodule 7 (71 , 72 ... 7m )
der Anzahl m haben jeweils eine Mehrzahl von Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 des
oben beschriebenen Aufbaus, die in vorbestimmten Abständen in
einer Linie angeordnet sind. Die Durchgangsmodule 7 (71 , 72 ... 7m ) werden auf eine solche Art und Weise
gestapelt, dass die Aus lässe 12a, 12b der
Vereinigungs-Teilungseinheit 10 in jedem Durchgangsmodul mit
den Einlässen 11a, 11b der
Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 in
einem oberen Zwischen-Durchgangsmodul davon verbunden sind. Auf
diese Art und Weise bilden die Durchgangsmodule 7 (71 , 72 ... 7m ) einen mehrstufigen Strömungsdurchgang.
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Genauer
erläutert,
werden in den Durchgangsmodulen 7 (71 , 72 ... 7m )
die zwei Auslässe 12a, 12b einer
jeden Vereinigungs-Teilungseinheit 10 in jedem
Durchgangsmodul 7 jeweils mit einem Einlass 11a einer
Vereinigungs-Teilungseinheit 10 und einem Einlass 11b einer
anderen Vereinigungs-Teilungseinheit 10 in einem unmittelbar
stromabwärts
befindlichen Zwischen-Durchgangsmodul davon verbunden. Mit anderen
Worten werden in den Durchgangsmodulen 7 (71 , 72 ... 7m ) die beiden Einlässe 11a, 11b einer
jeden Vereinigungs-Teilungseinheit 10 in jedem Durchgangsmodul 7 in
einem unmittelbar stromaufwärts
befindlichen Zwischen-Durchgangsmodul 7 davon jeweils mit
einem Auslass 12a einer Vereinigungs-Teilungseinheit 10 und
einem Auslass 12b einer anderen Vereinigungs-Teilungseinheit 10 verbunden.
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In
den Durchgangsmodulen 7 (71 , 72 ... 7m ) empfängt jede
Vereinigungs-Teilungseinheit 10 in jedem Durchgangsmodul 7 durch
ihre beiden Einlässe 11a, 11b in
einem unmittelbar stromaufwärts
befindlichen (unteren) Zwischen-Durchgangsmodul 7 davon ein
aus einem Auslass 12a einer Vereinigungs-Teilungseinheit 10 strömendes Fluid
und ein aus einem Auslass 12b einer anderen Vereinigungs-Teilungseinheit 10 strömendes Fluid.
Dann teilt die Vereinigungs-Teilungseinheit 10 das entstandene
Mischfluid mittels ihrer beiden Auslässe 12a, 12b auf
und bewirkt, dass die Hälfte
des Mischfluids in das unmittelbar stromabwärts befindliche (obere) Durchgangsmodul 7 in
einen Einlass 11a einer Vereinigungs-Teilungseinheit 10 strömt und die
andere Hälfte
des Mischfluids in einen Einlass 11b einer anderen Vereinigungs-Teilungseinheit 10 strömt.
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Genauer
erläutert,
im Mikro-Mischer gemäß der vorliegenden
Ausführungsform,
steigt in der Anzahl m der Durchgangsmodule 7 (71 , 72 ... 7m ) die Anzahl der in einem Durchgangsmodul
eingeschlossenen Vereinigungs-Teilungseinheiten 10, wie
in der 5 zu sehen, von einem stromabwärts gelegeneren Modul zu einem
stromaufwärts
gelegeneren Modul hin jeweils um 1, womit ein Beispiel für die Bildung
eines siebenstufigen (sieben-lagigen) Strömungsdurchgangs gezeigt wird.
Genauer erläutert, hat
das am weitesten oben befindliche Durchgangsmodul 71 ,
das am weitesten stromabwärts
liegt, eine Vereinigungs-Teilungseinheit 10. Die Anzahl
der Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 steigt vom zweiten am
weitesten stromabwärts
befindlichen Durchgangsmodul 72 jeweils
um 1 zum am weitesten stromaufwärts
befindlichen Durchgangsmodul 77 hin. Das
unterst liegende Durchgangsmodul 77 ,
das sich am weitesten stromaufwärts
befindet, hat sieben Vereinigungs-Teilungseinheiten 10.
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In
dieser Ausführungsform
wird anstelle der Vereinigungs-Teilungseinheit 10 des
oben beschriebenen Aufbaus eine Vereinigungseinheit 15 verwendet,
die als besondere Art einer Vereinigungs-Teilungseinheit 10 angesehen
werden kann. Die Vereinigungseinheit 15 hat einen solchen
Aufbau, dass einer der beiden Auslässe 12a, 12b der
Vereinigungs-Teilungseinheit 10 des in der 4 gezeigten Aufbaus
weggelassen wird. Jener Teil des Kanals 13, der sich zum
weggelassenen Auslass 12 erstreckt, wird ebenfalls weggelassen.
Solchermaßen
hat die Vereinigungseinheit 15 nicht die Funktion zum Teilen des
Mischfluids. Wie später
erläutert
werden wird, wird die Vereinigungseinheit 15 dort verwendet,
wo es nur erforderlich ist, die durch die beiden Einlässe 11a, 11b hereinströmenden Fluide
zu vereinigen und zu bewirken, dass das entstandene Mischfluid in
einem stromabwärts
befindlichen Zwischen-Durchgangsmodul (71 , 72...76 ) in eine
einzige Vereinigungs-Teilungseinheit 10 (Vereinigungseinheit 15) strömt.
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In
den gestapelten Durchgangsmodulen 7 sind die Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 und
die Vereinigungseinheiten 15 so angeordnet, dass jeder Auslass 12a einer
Vereinigungs-Teilungseinheit 10 (Vereinigungseinheit 15)
und jeder Auslass 12b ihrer angrenzenden Vereinigungs-Teilungseinheit 10 (Vereinigungseinheit 15)
mit einem von zwei Einlässen 11a, 11b einer
unmittelbar stromabwärts
befindlichen (oberen) Zwischen-Vereinigungs-Teilungseinheit 10 (Vereinigungseinheit 15)
ausgerichtet ist.
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Mit
anderen Worten wird in den gestapelten Durchgangs modulen 7 ein
Auslass 12a von einem oder zwei angrenzenden Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 (Vereinigungseinheiten 15)
mit einem Einlass 11a einer unmittelbar stromabwärts befindlichen (oberen)
Zwischen-Vereinigungs-Teilungseinheit 10 (Vereinigungseinheit 15)
ausgerichtet, während
ein Auslass 12b der anderen der beiden Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 (Vereinigungseinheiten 15)
mit dem anderen Einlass 11b der unmittelbar stromabwärts befindlichen
(oberen) Zwischen-Vereinigungs-Teilungseinheit 10 (Vereinigungseinheit 15) verbunden
wird. Solchermaßen
werden nur durch das Aufschichten einer Anzahl m an Durchgangsmodulen 7 (71 , 72 ... 7m ) an Ort und Stelle die Einlässe 11a, 11b und
die Auslässe 12a, 12b der
Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 und Vereinigungseinheiten 15 der
Durchgangsmodule 7 im oben beschriebenen Verhältnis verbunden.
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Im
Mikro-Mischer, in dem die Durchgangsmodule 7 (71 , 72 ... 7m ) einer Anzahl m, die jeweils eine
vorbestimmte Anzahl von in vorbestimmten Abständen angeordneten Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 und/oder
Vereinigungseinheiten 15 haben, gestapelt werden, wird
das Mischen der zwei Fluidarten (Flüssigkeiten) A, B wie folgt
ausgeführt:
Wie
in der 5 gezeigt, strömt,
wenn zwei Fluidarten (Flüssigkeiten)
A, B unter einem vorbestimmten Druck den zwei Fluid-Einströmungskanälen 5a, 5b zugeführt werden,
die an der unteren Platte 2 bereitgestellt werden, ein
Fluid (Flüssigkeiten)
A durch einen Einlass 11a ihrer zwei Einlässe in alle
Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 (Vereinigungseinheit 15) des
am weitesten stromaufwärts
(untersten) Durchgangsmoduls 7m ,
während
das andere Fluid (Flüssigkeit)
B durch den anderen Einlass 11b in alle Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 (Vereinigungseinheiten 15)
des am weitesten stromaufwärts
befindlichen (untersten) Durchgangsmoduls 7m (77 ) strömt. Die Fluide (Flüssigkeiten)
A, B werden am Kanal 13 einer jeden der Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 (Vereinigungseinheiten 15)
vereinigt und durch die beiden Auslässe 12a, 12b geteilt
und fließen
dadurch heraus.
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Im
Durchgangsmodul 76 , der die nächste Stufe
bildet, empfängt
jede der Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 (Vereini gungseinheiten 15)
durch einen Einlass 11a von ihren zwei Einlässen, wobei ein
Fluid (Flüssigkeit)
[A+B/2] von einem Auslass 12a der zwei Auslässe der
Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 (Vereinigungseinheiten 15)
des Durchgangmoduls 77 fließt, um ein
Fluid (Flüssigkeit)
A1 als nächstes
zu kombinieren. Ferner empfängt
jede der Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 (Vereinigungseinheiten 15)
durch den Einlass 11b ein Fluid (Flüssigkeit) [A+B/2], das vom
anderen Auslass 12b einer anderen Vereinigungs-Teilungseinheit 10 (Vereinigungseinheit 15)
des Durchgangmoduls 77 fließt, um ein
Fluid (Flüssigkeit)
B1 mit dem Fluid (Flüssigkeit) A1
zu vereinigen. Die Fluids (Flüssigkeiten)
A1, B1 werden im Kanal 13 einer jeder der Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 (Vereinigungseinheiten 15)
vereinigt und durch die zwei Auslässe 12a, 12b geteilt
und fließen
durch sie hinaus.
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Durch
das Wiederholen dieser Art und Weise des Vereinigens der beiden
Fluide (Flüssigkeiten) und
des Teilens des entstandenen Mischfluids durch die Durchgangsmodule 7 in
dieser Reihenfolge, wird eine Mikro-Teilung (Mikro-Mischung) der
ursprünglichen
zwei Fluidarten (Flüssigkeiten)
A, B durchgeführt.
Aus dem am weitesten stromabwärts
befindlichen (obersten) Durchgangsmodul 71 wird
eine mikro-gemischte Flüssigkeit,
zu der die ursprünglichen zwei
Flüssigkeiten
A, B vermischt oder gleichmäßig verteilt
wurden, herausgenommen.
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Daher
kann im Mikro-Mischer gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
eine mikro-gemischte Flüssigkeit,
zu der die zwei Flüssigkeitsarten
A, B vermischt wurden, mit einem einfachen Aufbau, in dem eine Mehrzahl
von plattenförmigen
Durchgangsmodulen 7 (71 , 72 ... 7m ),
die über
eine Mehrzahl von Vereinigungs-Teilungseinheiten
(Vereinigungseinheiten 15) verfügen, gestapelt werden, schnell
und wirkungsvoll gebildet werden. Weiterhin können die Durchgangsmodule 7 (71 , 72 ... 7m ) auf einfache Art und Weise aus Al-Platten,
Platten aus rostfreiem Stahl oder dergleichen hergestellt werden.
Die Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 (Vereinigungseinheiten 15)
sind auch leicht zu formen (verarbeiten). Solchermaßen sind
die Produktionskosten gering. Weiterhin kann die Genauigkeit der
Ausrichtung der Durchgangsmodule 7 (71 , 72 ... 7m )
auf eine einfache Art und Weise gesteigert werden, und auch das
Montieren der Durchgangsmodule 7 (71 , 72 ... 7m )
ist einfach. Auch aus diesem Grund können die Herstellungskosten
gesenkt werden.
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In
der Vereinigungs-Teilungseinheit 10 (Vereinigungseinheit 15)
sind der Durchmesser der Einlässe 11a, 11b,
der Durchmesser der Auslässe 12a, 12b und
die Breite des Kanals 13 annähernd gleich groß. Dies
hilft dabei zu verhindern, dass der Mikro-Mischer mit einer gemischten Flüssigkeit
verstopft wird. Weiterhin werden in der Vereinigungs-Teilungseinheit 10 (Vereinigungseinheit 15)
die zwei Einlässe 11a, 11b symmetrisch
angeordnet, die zwei Auslässe 12a, 12b symmetrisch
angeordnet, und die Richtung, in der die beiden Einlässe 11a, 11b angeordnet
sind, kreuzt im rechten Winkel die Richtung, in der die beiden Auslässe 12a, 12b angeordnet
sind. Dies gewährleistet
die symmetrischen Strömungen
der Fluide (Flüssigkeiten)
(symmetrische Laminarströmung), verhindert
effektiv das ungleichmäßige Strömen der Fluide
und erhöht
dadurch den Durchsatz auf eine zufriedenstellende Weise. Als Ergebnis
steigen die in der Praxis wichtigen Vorteile wie der der Mischleistung
(Mischwirksamkeit) auf eine zufriedenstellende Weise, und man kann
erzielen, dass eine mikro-gemischte Flüssigkeit hoher Qualität, in der
verschiedene Flüssigkeitsarten
gleichmäßig vermischt
wurden, auf eine einfache Art und Weise hergestellt wird.
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Die
Vereinigungs-Teilungseinheit 10 kann andere Formen wie
beispielsweise die in den 6 bis 8 gezeigten
haben. In der in der 6 gezeigten Vereinigungs-Teilungseinheit 10 haben
zwei Auslässe 12a, 12b einen
größeren Abstand
zwischen sich. Die in der 7 gezeigte
Vereinigungs-Teilungseinheit 10 verfügt nicht über eine inselartige Partition 14 zum
Bestimmen der Richtung eines Kanals 13, so dass die beiden
Auslässe 12a, 12b einen
kürzeren
Abstand zwischen sich haben. In der in 8 gezeigten
Vereinigungs-Teilungseinheit 10 werden zwei Einlässe 11a, 11b in
Bezug auf die inselartige Partition 14 symmetrisch angeordnet,
um die Richtung eines Kanals 13 zu bestimmen, zwei Auslässe 12a, 12b werden
in Bezug auf die Partition 14 symmetrisch angeordnet, und
die Einlässe 11a, 11b und
Auslässe 12a, 12b beschreiben
ein Parallelogramm.
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Auch
wenn die Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 irgendeine dieser
Formen haben, können,
falls die Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 in jedem Durchgangsmodul 7 so
angeordnet werden, dass der Abstand zwischen dem Auslass 12a einer
jeden Vereinigungs-Teilungseinheit 10 und dem Auslass 12b einer
angrenzenden Vereinigungs-Teilungseinheit 10 davon gleich
dem Abstand zwischen den zwei Einlässen 11a, 11b einer
jeden Vereinigungs-Teilungseinheit 10 ist, die Einlässe 11a, 11b und
die Auslässe 12a, 12b in
den gestapelten Durchgangsmodulen 7 (71 , 72 ... 7m )
genau ausgerichtet werden. Daher können Wirkungen erzielt werden,
die den von der vorherigen Ausführungsform
erzielten ähneln.
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In
der vorherigen Ausführungsform
werden in jedem Durchgangsmodul 7 (71 , 72 ... 7m )
eine Mehrzahl der Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 (Vereinigungseinheiten 15)
in einer Linie angeordnet. Alternativ dazu kann eine Mehrzahl der
Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 (Vereinigungseinheiten 15)
in einer Mehrzahl von parallelen Linien angeordnet sein, wie es
z. B. in 9 gezeigt wird. In diesem Fall
können an
der unteren Platte 2 bereitgestellte Fluid-Einströmungskanäle 5a, 5b,
die jeweils den Einlässen 11a und
den Einlässen 11b der
Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 (Vereinigungseinheiten 15)
im am weitesten stromaufwärts
befindlichen Durchgangsmodul entsprechen sollten, wie in 9 gezeigt,
wie Zähne eines
Kamms angeordnet werden.
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Wenn
in jedem Durchgangsmodul eine Mehrzahl von Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 (Vereinigungseinheiten 15),
wie oben erwähnt,
in einer Mehrzahl von Linien angeordnet ist, strömen mikro-gemischte Fluide
vom am weitesten stromabwärts (obersten)
Durchgangsmodul 71 , der dieser
Mehrzahl von Linien entspricht. Daher ist es, wie beispielsweise
in der 10 gezeigt, erwünscht, auf
dieser Oberfläche
des am weitesten stromabwärts
(obersten) befindlichen Durchgangsmodul 71 ein
Auffangteil bereitzustellen, aus dem mikro-gemischte Fluide herausfließen, um
die aus den Auslässen
der Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 (Vereinigungseinheiten 15)
strömenden
mikro-gemischten Fluide zu sammeln und sie in einen einzigen Durchgang
fließen
zu lassen. Es ist besonders erwünscht,
dass das Auffangteil 20 eine Durchgangslänge L hat,
die den aus den Auslässen 12a (12b)
der Vereinigungs-Teilungseinheiten strömenden mikro-gemischten Fluiden
genug Zeit geben kann, sich zu mischen oder genügend zu diffundieren. Falls
die Mikro-Gemisch-Fluide miteinander reagieren sollten, wäre es wünschenswert, dass
das Auffangteil 20 eine Durchgangslänge L hat, die den Mikro-Gemisch-Fluiden
genug Zeit zum Reagieren gäbe.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform
beschränkt.
Zum Beispiel kann jeder Durchgangsmodul 7 so gebildet sein, dass
einer 12a (12b) der zwei Auslässe der Vereinigungs-Teilungseinheit 10,
der an einem Ende der Linie von Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 angeordnet
ist, mithilfe eines langen Kanals nach oben bis zu der Stelle in
der Nähe
der Vereinigungs-Teilungseinheit 10 erweitert wird, die
am anderen Ende der Linie angeordnet ist. Dies erlaubt den Durchgangsmodulen 7,
dieselbe Anzahl von Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 zu
haben.
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Während die
vorherige Ausführungsform
beschrieben wurde, indem ein Beispiel für einen Mikro-Mischer zum Mischen
zweier Fluidarten (Flüssigkeiten)
verwendet wurde, kann der Mikro-Mischer zum
Mischen dreier Fluidarten (Flüssigkeiten)
angeordnet werden. In diesem Fall werden, wie beispielsweise begrifflich
in der 11 gezeigt, Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 verwendet,
die über
drei Einlässe 11a, 11b, 11c und
drei Auslässe 11a, 11b, 11c verfügen. Hierin
empfängt
jede Vereinigungs-Teilungseinheit 10 durch ihre drei Einlässe 11a, 11b, 11c drei
Fluidarten (Flüssigkeiten)
A, B, C und vereinigt sie, um an diesem Kanal 13 eine dreischichtige
Laminarströmung
(A+B+C) zu bilden. Dann teilt die Vereinigungs-Teilungseinheit 10 das
entstandene Mischfluid – nämlich die
dreischichtige Laminarströmung (A+B+C) – in drei
Strömungen
in rechten Winkeln mit der Richtung der Laminarströmung und
bewirkt, dass sie als drei getrennte Fluide (A+B+C)/3 durch ihre drei
Auslässe 12a, 12b, 12c heraus
fließen.
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Wie
z. B. in der 12 gezeigt, wird in diesem Fall
eine Mehrzahl von Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 in
einem Honigwabenaufbau angeordnet, indem die drei Einlässe 11a, 11b, 11c (drei
Auslässe 12a, 12b, 12c)
einer jeden Vereinigungs-Teilungseinheit an jeder zweiten Ecke eines
Hexagons platziert werden, und die Einlässe 11a, 11b, 11c einer jeden
Vereinigungs-Teilungseinheit 10 in jedem Durchgangsmodul 7 werden
in ihrem angrenzenden Durchgangsmodul jeweils mit einem Auslass 12b einer
Vereinigungs-Teilungseinheit 10, einem Auslass 12b einer
anderen Vereinigungs-Teilungseinheit 10 und einem Auslass 12c von
noch einer anderen Vereinigungs-Teilungseinheit 10 verbunden.
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Wenn
der Mikro-Mischer zum Mischen von vier Fluidarten (Flüssigkeiten)
angeordnet wird, werden ebenso Vereinigungs-Teilungseinheiten 10 verwendet,
die vier Einlässe
und vier Auslässe
haben. In diesem Fall müssen
die Kanäle,
die vier Einlässe
und vier Auslässe
verbinden, gekreuzt werden. Daher hat jedes Durchgangsmodul eigens
einen mehrstufigen Aufbau, und die Kanäle werden jeweils in einer
unterschiedlichen Stufe bereitgestellt.
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Während oben
das Mikro-Mischen beschrieben wurde, wo schließlich zwei Fluidarten gemischt werden,
kann die Erfindung auch angewandt werden, um eine Emulsion zu erzeugen,
in der eine Flüssigkeit
in irgendeiner anderen unlöslichen
Flüssigkeit
in Form feiner Partikeln verteilt wird. Weitere verschiedene Modifikationen
können
vorgenommen werden, ohne sich vom Schutzumfang der Erfindung zu
lösen.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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Solchermaßen hat
der Mikro-Mischer gemäß der Erfindung
einen einfachen Aufbau und kann auf einfache Art und Weise bei geringen
Kosten hergestellt werden. Weiterhin kann die Ausrichtungsgenauigkeit
auf eine einfache Art und Weise ausreichend verbessert werden, und
der Durchsatz steigt infolge des symmetrischen Aufbaus des Durchgangs
genügend.
Als Ergebnis sorgt die Erfindung für praktische, wichtige Vorteile
wie den, dass die Mischleistung (Mischwirkungsgrad) zufriedenstellend
steigt, und dass eine mikro-gemischte Flüssigkeit hoher Qualität, in der
verschiedene Flüssigkeiten
gleichmäßig gemischt
werden, leicht und schnell erzeugt werden kann.