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Die
Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Bauteil, insbesondere einen
Mikrowärmetauscher, nach
der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft
die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von mikrofluidischen
Bauteilen, insbesondere von Mikrowärmetauschern.
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Derartige
mikrofluidische Bauteile, wie beispielsweise Mikroreaktoren, sind
aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise
die
DE 101 24 497
A1 einen derartigen Mikroreaktor zur Durchführung von
chemischen Reaktionen. Der dort beschriebene Mikroreaktor besteht
aus einem üblichen
Aufbau von einzelnen, in einem Stapel angeordneten schichtförmigen Bauelementen,
die übereinander
gestapelt und druckdicht miteinander verbunden werden. Die oben
genannte Schrift kann dabei keinerlei Ausführungen zu dieser Verbindungstechnik
geben und nennt lediglich beispielhaft ein Diffusionsschweißen.
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Ein
derartiges Diffusionsschweißen
wird außerdem
auch in der
EP 1 125
630 A2 als Verbindungstechnik für einzelne Bauelemente eines
Mikroreaktors beschrieben.
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Die
Technik des Diffusionsschweißens
ist dabei sehr aufwändig
und benötigt
entsprechende Hochtemperaturöfen
sowie geeignete mechanische Pressen zum Pressen der Bauteile, typischerweise Folien
oder dünne
Bleche, in diesen Hochtemperaturöfen
während
des Diffusionsschweißens.
Eine derartige Fertigungstechnik zur Herstellung von mikrofluidischen
Bauteilen ist daher ausgesprochen komplex, zeitintensiv und daher
für eine
Serienfertigung von derartigen mikrofluidischen Bauteilen ungeeignet.
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Eine
weitere alternative Fertigungstechnik zur Herstellung von mikrofluidischen
Bauteilen ist das Löten
bzw. Hochtemperaturlöten
von derartigen Bauteilen. Diese Verfahren werden beispielsweise durch
die
DE 189 01 374
C1 sowie durch die
DE 197 08 472 A1 beschrieben. Auch hier ist
der Aufwand hinsichtlich der Fertigung sehr hoch, da in einem zusätzlichen
Prozessschritt ein Lot auf die zu fügenden Bauelemente aufgebracht
werden muss. Außerdem droht
beim Löten
im Bereich der Lötstelle
einerseits Korrosion und andererseits das Eindringen des flüssigen Lots
in den Bereich der für
die Führung
des Fluids vorgesehenen Mikrostrukturen. Durch eine Kapillarwirkung
der entsprechend kleinen Mikrostrukturen kann das auftreten eines
solchen Effekts typischerweise nicht gänzlich verhindert werden. In
den Mikrostrukturen kann das Lot dann Bereiche derselben verstopfen,
so dass ein derartiger Mikroreaktor bzw. -wärmetauscher nicht vollständig durchströmt wird. Durch
dieses nicht vollständige
Durchströmen
kann es neben einer Verschlechterung eines Reaktionsablaufs insbesondere
bei entsprechenden Anwendungen unter Entwicklung oder Übertragung
von thermischer Energie dann wiederum zu punktuellen Überhitzungen
kommen, welche letztendlich bis zur Zerstörung des mikrofluidischen Bauteils
fortschreiten können.
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Weitere
Herstellungsverfahren sowie Kraft- und/oder formschlüssige Verbindungstechniken,
wie z.B. Kleben oder dergleichen, wären prinzipiell auch denkbar,
sind bei dem typi schen Einsatz von derartigen mikrofluidischen Bauteilen
als Mikroreaktoren oder hier insbesondere als Mikrowärmetauscher
ungeeignet, da typischerweise Betriebstemperaturen in der Größenordnung
von einigen 100 °C
vorliegen.
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Der
Stand der Technik kenn zur Fügung
der metallischen Bauelemente also lediglich die beiden oben genannten
Verfahren, um eine dauerhafte Verbindung der Bauelemente sicherstellen
können.
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Ein
weiteres Problem hinsichtlich der beiden oben genannten Fertigungsverfahren
kann auch im Herstellungsprozess der einzelnen, mit Strukturierungen
für die
Fluidführung
versehenen Bauelemente des mikrofluidischen Bauteils liegen. Werden
diese beispielsweise als Prägeteile
hergestellt, was sich aufgrund des einfachen, kostengünstigen,
schnellen und effektiven Verfahrens für eine Großserienfertigung der Teile
anbieten würde,
so kann es dabei zu einem typischen leichten Verzug der üblicherweise als
dünne Bleche
oder Folien ausgeführten
Bauelemente kommen. Dieser leichte Verzug kann, beim Stapeln einer
Vielzahl der Bauelemente zu dem mikrofluidischen Bauteil, zu Bereichen
mit stärkerer
und weniger starker Berührung
bzw. Flächenpressung zwischen
den einzelnen Bauelementen führen.
Bei den beiden oben genannten Verfahren kann es dann jedoch in diesen
Bereichen geringerer Flächenpressung
in nachteiliger Weise zu einer ungenügenden Verbindung und damit
zu Undichtheiten kommen.
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Es
ist daher die Aufgabe der oben genannten Erfindung, ein mikrofluidisches
Bauteil anzugeben, welches die oben genannten Nachteile vermeidet, welches
mittels eines großserientauglichen
Verfahrens einfach und gasdicht hergestellt werden kann, und welches
auch für
Betriebstemperaturen von mehreren 100 °C geeignet ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein mikrofluidisches Bauteil mit den Merkmalen des kennzeichnenden
Teils des Anspruchs 1 gelöst.
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Den
Erfindern hat sich dabei in überraschender
und nicht naheliegender Weise gezeigt, dass mit dem an sich bekannten
und sehr einfachen Fertigungsverfahren des Laserschweißens die
metallischen Bauelemente sehr schnell, einfach und effizient zu
mikrofluidischen Bauteilen verbunden werden können. Ein derartiges mikrofluidisches
Bauteil kann dabei ohne weitere Zusatzwerkstoffe, wie beispielsweise
Lot, und die damit verbundenen Probleme sowie ohne den Einsatz vergleichsweise
ungewöhnlicher
Mittel, wie beispielsweise Hochtemperaturöfen, hochtemperaturgeeignete
Spann- und Pressvorrichtungen und dergleichen, erzielt werden.
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Außerdem kann
durch das dichte Zusammenfügen
der einzelnen Bauelemente durch Laserschweißen sehr flexibel die Größe des mikrofluidischen
Bauteils durch eine entsprechende Anpassung der Anzahl an Bauelementen
verändert
werden. Bei einem Aufbau, welcher das mikrofluidische Bauteil mittels
Diffusionsschweißen
oder Löten
herstellt, ist dies ohne weiteres nicht möglich, da geeignete Spannvorrichtungen
jeweils an die gewünschte Größe des mikrofluidischen
Bauteils angepasst werden müssen
und eine spätere
Vergrößerung,
beispielsweise nach Beginn des Fertigungsprozesses, nicht mehr möglich ist.
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Des
weiteren ist es Aufgabe der oben genannten Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung von mikrofluidischen Bauteilen anzugeben, welches
die oben genannten Nachteile vermeidet, und welches für die prozesssichere
Herstellung von mikrofluidischen Bauteilen in Großserienfertigung
geeignet ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 2 beschriebenen
Verfahrensmerkmale gelöst.
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Neben
den oben bereits in der Beschreibung des erfindungsgemäßen mikrofluidischen
Bauteils beschriebenen Vorteilen gibt das Fertigungsverfahren analoge
Vorteile, wie beispielsweise, dass keine aufwändigen Fertigungseinrichtungen
benötigt
werden, und dass auf für
die Funktion des hergestellten mikrofluidischen Bauteils gegebenenfalls
kritische Zusatzwerkstoffe in Form von Lot verzichtet werden kann.
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Der
besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht außerdem darin,
dass das gesamte Herstellungsverfahren weniger Fertigungsschritte
umfasst. Das gasdichte Verschweißen der einzelnen Bauelemente
zu dem mikrofluidischen Bauteil kann unmittelbar nach dem Einbringen
der Strukturierungen zur Führung
des Fluids erfolgen, so dass keine zusätzlichen aufwändigen Fertigungsschritte,
wie z.B. das Beschichten mit Lot, notwendig sind. Zudem kann ein
derartiges Verfahren in einer schrittweisen Abfolge stattfinden,
da die zeitliche Abstimmung der einzelnen Prozessschritte deutlich
einfacher ist, als dies bei den dahingegen vergleichsweise zeitaufwändigen Verfahren
des Diffusionsschweißens
oder Hartlötens.
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Das
erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
kann damit sehr einfach in einen Fertigungsablauf integriert werden,
wobei jede einzelne Station eine vergleichsweise kurze Durchlaufzeit
der einzelnen Bauelemente erlaubt. Das Verfahren ist gegenüber dem
im Stand der Technik genannten Verfahren daher sehr effizient und
für eine
Großserienfertigung geeignet.
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Der
Einsatz von derartigen mikrofluidischen Bauteilen kann prinzipiell
für verschiedene
Anwendungen erfolgen. Aufgrund der einfachen, sicheren und effizienten
Herstellung der Bau teile sowie ihrer geringen Größe ist jedoch der Einsatz als
Mikroreaktor in Systemen mit großen Stückzahlen besonders vorteilhaft.
Da Mikroreaktoren und Mirkowärmetauscher
für die
Gaserzeugung in Brennstoffzellensystemen, beispielsweise für Brennstoffzellensysteme, welche
als Hilfsenergieerzeuger (Auxiliary Power Unit / APU) eingesetzt
werden, eine zunehmende Rolle spielt, und hier zukünftig hohe
Stückzahlen
zu erwarten sein dürften,
ist die Verwendung des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Bauteil
bzw. seiner Herstellungsverfahrens hier besonders günstig. Bei dem
Brennstoffzellensystem kann es sich dabei um jede denkbare Form
eines Brennstoffzellensystems handeln, z.B. in einem Fahrzeug zu
Lande, im Wasser oder in der Luft, einem elektronischen Gerät oder dergleichen.
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Ergänzende vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens zur Herstellung von mikrofluidischen Bauteilen
ergeben sich aus den Unteransprüchen. Weitere
günstige
Aspekte hinsichtlich des mikrofluidischen Bauteils und des Verfahrens
zu seiner Herstellung werden anhand des nachfolgend mittels einer Figur
erläuterten
Ausführungsbeispiels
deutlich.
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Die
einzige beigefügte
Figur zeigt in einer dreidimensionalen Explosionsdarstellung einen schematisch
skizzierten Aufbau zur Herstellung von mikrofluidischen Bauteilen.
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Die
Figur zeigt eine Vorrichtung 1 zur Unterstützung des
Verfahrens zur Herstellung der mikrofluidischen Bauteile. Die Vorrichtung 1 besteht
dabei im wesentlichen aus einer Grundplatte 2 sowie darauf angebrachten
Positionierungseinrichtungen 3, welche hier prinzipmäßig in Form
von Zentrierstiften 3 dargestellt sind. Es sich jedoch
auch sämtliche
anderen denkbaren geeigneten Positionierungseinrichtungen 3 vorstellbar.
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Auf
diese Grundplatte 2 wird nun ein erstes metallisches Bauelement 4 aufgelegt,
wobei dieses über
eine geeignete Form verfügt,
so dass es mittels der Positionierungseinrichtungen 3,
welche hier als Zentrierstifte ausgebildet sind und mit Bohrungen
in dem Bauteil 4 korrespondieren, in einer definierten Position
auf der Grundplatte 2 gehalten wird. Das metallische Bauelement 4 weist
dabei eine hier nicht dargestellte Strukturierung zur Führung eines
Fluids auf, wie diese beispielsweise von Plattenwärmetauschern
oder dergleichen bekannt ist.
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Die
Strukturierung des metallischen Bauelements 4 kann dabei
in vielseitiger Weise erfolgen, beispielsweise mittels mechanischer
Verfahren, wie Prägen
oder dergleichen. In einem derartigen Herstellungsschritt kann beispielsweise
neben den Strukturierungen auch ein Einbringen einer bestimmten
Anzahl an Durchtrittsöffnungen
oder Ausnehmungen, welche mit den Positionierungseinrichtungen 3 korrespondieren,
vorgenommen werden. Die Herstellung des metallischen Bauelements 4 kann dann
beispielsweise mittels eines Folgeverbundwerkzeugs oder dergleichen
erfolgen. Neben diesen einfachen, kostengünstigen und sehr effizienten
Verfahren des Prägens
sind selbstverständlich
auch andere Herstellungsverfahren, wie beispielsweise Mikrofräsen oder
dergleichen, denkbar.
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Neben
den genannten mechanischen Verfahren können auch chemische Verfahren
zur Mikrostrukturierung des metallischen Bauelements 4 eingesetzt
werden. Derartige chemische Verfahren können beispielsweise subtraktive
oder additive chemische Verfahren, wie Ätzen oder Galvanisieren, sein. Zur
Definition der Strukturierung können
dann entsprechende Maskierungstechniken, z.B. fotolithografische
Masken oder dergleichen, eingesetzt werden.
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Typische
Größenordnungen
für derartige metallische
Bauelemente liegen dabei bei einer Dicke des Bauteil von etwa 0,2
bis 2 mm und einer entsprechenden charakteristischen Größe von 0,1
bis 1,3 mm im Bereich des Querschnitts der Strukturierungen. Um
eine weitgehende Resistenz gegenüber den
in den späteren
Mikroreaktoren bzw. Mikrowärmetauschern
befindlichen Medien bei guter Bearbeitbarkeit und Temperaturresistenz
sicherzustellen, bestehen die Bauelemente dabei zumeist aus hochlegierten
Stählen,
z.B. Chrom-Nickel-Stähle
oder austenitische Stähle.
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Unabhängig von
dem Herstellungsverfahren der Strukturierung zur Führung des
Fluids wird auf das erste metallische Bauelement 4 nun
ein zweites metallisches Bauelement aufgelegt, welches ebenfalls
mittels der Positionierungseinrichtungen 3 in eine exakt
definierte Position gebracht wird. Auch dieses zweite metallische
Bauelement 5 weist dabei typischerweise entsprechende Strukturierungen
zur Führung
eines Fluids auf, wobei diese selbstverständlich nicht identisch mit
denen des ersten metallischen Bauelements 4 sein müssen. Die
einzelnen Bauelemente 4, 5 können durchaus unterschiedliche Strukturen
aufweisen, so dass nach dem Stapeln einer größeren Anzahl von derartigen
Bauelementen beispielsweise ein Kreuzstromwärmetauscher oder auch geeignete
Bauteil zur Führung
von mehr als zwei unabhängigen
Fluidströmen
entstehen können.
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Das
zweite Bauelement 5 wird, wie bereits beschrieben, in die
Vorrichtung 1 eingelegt und kommt dabei auf dem ersten
Bauelement 4 zu liegen. Die Positionierung ist über die
Positionierungseinrichtungen 3 dabei so einfach und exakt
erfolgt, dass keine weitere Ausrichtung des Bauelements 5 gegenüber dem
Bauelement 4 erfolgen muss. Die beiden Bauelemente 4 und 5 werden
nun mittels einer Druckplatte 6 unabhängig von einem durch die vorhergehenden
Verfahren evtl. vorliegenden Verzug derselben, plan aufeinander
gedrückt.
Die Druckplatte 6 weist dabei eine Ausnehmung 7 auf,
welche zumindest so gestaltet ist, dass durch die Ausnehmung mittels
eines geeigneten Laserstrahls zumindest ein teilweises Verschweißen der
beiden Bauelemente 4 und 5 erfolgen kann. Wenn
aufgrund der komplexen Führung
von Schweißnähten das
komplette gasdichte Verschweißen
der Bauelemente 4 und 5 mittels einer Druckplatte 6 nicht
möglich
ist, so kann gegebenenfalls das restliche Verschweißen mittels
einer oder mehreren anderen Druckplatten erfolgen, welche dementsprechend
andere Ausnehmungen aufweisen.
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Beim
hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt
das Verschweißen
der beiden Bauelemente 4 und 5 dabei in einem
strukturfreien Bereich, welcher neben den Strukturierungen zur Führung des
Fluids angeordnet ist. Dieses Verschweißen der flächig aufeinander gelegten Bauelemente 4 und 5 erfolgt
also im sogenannten Überlappstoß. Alternativ
dazu könnte
das Verschweißen
theoretisch auch im Bereich der Stirnseiten 8 der beiden
Bauelemente 4, 5 erfolgen.
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Für den hier
dargestellten Fall des Verschweißens im Überlappstoß ist die Position der späteren, über das
Laserschweißen
erzeugten Schweißnaht
mittels einer gestrichelten Linie 9 dargestellt. Selbstverständlich würde das
Verschweißen
der Bauelemente 4, 5 dabei nicht in der in der
Figur dargestellten Position dargestellten Einzelelemente erfolgen,
sondern die Bauelemente 4, 5 und die Druckplatte 6 würden zuerst
plan aufeinander gelegt werden, wie dies durch die Pfeile 10 in
der als Explosionsdarstellung dargestellten Vorrichtung 1 prinzipiell angedeutet
ist.
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Zum
Verschweißen
kann dabei ein geeigneter Laserstrahl eingesetzt werden, welcher
beispielsweise mittels eines Laserscan ners oder dergleichen, z.B.
CNC gesteuert auf einer geeigneten Bahn mit geeigneter Geschwindigkeit
bewegt wird, um die später
gewünschte
Schweißnaht 9 zu
erhalten. Typischerweise kommen dabei XY -Laser mit einer Leistung
von bis zu 0,25 bis 500 kW zum Einsatz.
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Typischerweise
erfolgt das Laserschweißen dabei
unter einer Schutzgasatmosphäre,
so dass ein Oxidation der frischen Schweißnaht vermieden werden kann.
Zur Zuführung
des Schutzgases kann dabei insbesondere die Druckplatte 6 derart
ausgebildet sein, dass diese geeignete Öffnungen (nicht dargestellt)
zur Zuführung
des Schutzgases aufweist.
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Im
Prinzip kann ein derartiger Wärmetauscher
nun aus den beiden beschriebenen Bauelementen 4, 5 bestehen.
Im allgemeinen wird er dies jedoch nicht, sondern er wird einen
entsprechenden Aufbau aus einer Vielzahl von derartigen Bauelementen 4, 5 aufweisen.
Deshalb wird nach dem Verschweißen
der Bauelemente 4 und 5 in hier nicht dargestellter
Art und Weise die Druckplatte 6 von der Vorrichtung 1 abgenommen
und ein weiteres metallisches Bauelement auf den bereits verschweißten Stapel
der Bauelemente 4, 5 in durch die Positionierungseinrichtungen 3 vorgegebnen
Weise aufgelegt. Dieses weitere Bauelement wird dann in der gleichen Art
und Weise wie das Bauelement 5 mit dem Stapel verschweißt. Dieser
Vorgang kann solange wiederholt werden, bis die gewünschte Größe des mikrofluidischen
Bauteils bzw. des Stapels aus den metallischen Bauelementen erzielt
ist.
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Ein
so entstandener Stapel kann dabei unmittelbar das mikrofluidische
Bauteil darstellen, er kann jedoch auch in seiner flächigen Ausdehnung mehrere
mikrofluidische Bauteile enthalten, welche zur Optimierung des Fertigungsprozesses
und zur Verbesserung der Handhabung der einzelnen metallischen Bauelemente 4, 5 in
der Fläche
dieser Bauelemente nebeneinander angeordnet sind. Der mittels des
Laserschweißens
fertig verschweißte
Stapel wird dann nach dem Entnehmen aus der Vorrichtung 1 nicht
unmittelbar als mikrofluidisches Bauteil verwendet, sondern wird
in die einzelnen mikrofluidischen Bauteile vereinzelt. Die hierfür notwendige
trennende Bearbeitung kann dabei beispielsweise mechanisch, z.B.
mittels Stanzen, erfolgen. Es sind jedoch auch entsprechende Schneideverfahren,
wie beispielsweise Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, denkbar,
um die einzelnen mikrofluidischen Bauteile des Stapels zu trennen.
Selbstverständlich
wären neben den
oben genannten Verfahren auch andere mechanische Verfahren, wie
Sägen,
Erodieren oder dergleichen, denkbar.