Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren
zum Erzeugen einer Fluidanordnung aus Fluiden.The
The present invention relates to devices and methods
for producing a fluid assembly of fluids.
Das
Mischen von Flüssigkeiten
kann formal gesehen in zwei Einzelschritte unterteilt werden. Der erste
Schritt besteht in der Kontaktierung der zu vermischenden Flüssigkeiten
auf makroskopischer Ebene, während
der zweite Schritt in der Durchmischung der Stoffe auf molekularer
Ebene durch Diffusion besteht. Um die Geschwindigkeit der Durchmischung zu
maximieren, ist es notwendig, die Diffusionslängen zwischen den Fluiden,
welche der minimalen Wegstrecke zwischen Zonen mit verschiedenen
Phasen entspricht und quadratisch in die Diffusionszeit eingeht,
zu minimieren. Diese Diffusionslänge
wird in dem oben genannten ersten Schritt bestimmt, während die
molekulare Diffusion im zweiten Schritt im wesentlichen durch die
Diffusionskonstanten der zumeist vorgegebenen Ausgangssubstanzen
bestimmt ist.The
Mixing liquids
can formally be divided into two steps. The first
Step consists in the contacting of the liquids to be mixed
at the macroscopic level, while
the second step in the mixing of substances on molecular
Level consists of diffusion. To increase the speed of mixing
maximize the diffusion lengths between the fluids,
which of the minimum distance between zones with different ones
Corresponds to phases and square in the diffusion time,
to minimize. This diffusion length
is determined in the above-mentioned first step, while the
molecular diffusion in the second step essentially by the
Diffusion constants of the usually predetermined starting materials
is determined.
Technische
Mischkonzepte zielen daher in der Hauptsache auf die Optimierung
des ersten Schritts ab. Dabei werden durch die Einkopplung von mechanischer
Energie Verwirbelungen erzeugt, welche die Grenzfläche für den gegenseitigen
Stofftransfer verzerren oder gar zerstückeln und damit die effektive
Oberfläche
extrem vergrößern. Ein
einfaches Beispiel hierfür
ist ein Rührer.Technical
Mixing concepts are therefore primarily aimed at optimization
of the first step. This is by the coupling of mechanical
Energy creates turbulence, which is the interface for the mutual
Distorting or even dismembering the transfer of substances and thus the effective
surface
extremely large. One
simple example of this
is a stirrer.
Probleme
der Durchmischung liegen in der räumlichen und zeitlichen Homogenität. Technische Verfahren,
beispielsweise durch einen motorbetriebenen Rührer, verlaufen perio disch
in der Zeit und räumlich
nicht homogen, was sich erst nach einiger Zeit in einem quasichaotischen
und damit die Homogenität
gewährleistenden
Verhalten niederschlägt. Typischerweise
wird eine gute Durchmischung zunächst
zonenweise hergestellt, bevor sie sich dann mit der Zeit über das
gesamte Medium erstreckt. In makroskopischen Gefäßen wird das chaotische Verhalten
durch die Bildung von Turbulenzen unterstützt, was unter den strikt laminaren
Verhältnissen
in Mikrokanälen
mit charakteristischen Kanalbreiten von 10 μm bis einigen 100 μm nicht der
Fall ist.issues
the mixing is in the spatial and temporal homogeneity. Technical procedures,
for example, by a motor-driven stirrer, run perio
in time and spatially
not homogeneous, which only after some time in a quasi-chaotic
and thus the homogeneity
guaranteeing
Behavior is reflected. typically,
will be a good mix first
produced in zones, before over time
entire medium extends. In macroscopic vessels becomes the chaotic behavior
supported by the formation of turbulence, resulting in the strictly laminar
conditions
in microchannels
with characteristic channel widths of 10 microns to several 100 microns not the
Case is.
Grundsätzlich zu
unterscheiden sind Mischer für
mischbare und nicht-mischbare Fluide. Im ersten Fall kann eine Durchmischung
auf molekularer Ebene, also eine Lösung erzielt werden, im zweiten
eine Dispersion von mehreren Phasen, etwa flüssig-flüssig. (Emulsion) oder gasförmig-fest
(Aerosol).Basically too
different are mixers for
miscible and immiscible fluids. In the first case, a thorough mixing
At the molecular level, that is, a solution can be achieved, in the second
a dispersion of several phases, such as liquid-liquid. (Emulsion) or gaseous solid
(Aerosol).
Bei
allen Mikrokanälen
bewirken die laminaren Flussbedingungen schwere Begrenzungen hinsichtlich
der Geschwindigkeit nur diffusionsgetriebener Prozesse, beispielsweise
eines Mischens und nachfolgender chemischer Reaktionen. Seit den
Anfängen
der Mikrofluidik bis heute wurden viele Konzepte erarbeitet, um
das Mischen zu verbessern, die aktive Elemente, wie Piezoaktoren,
Heizelemente und externe Pumpen, oder passive dreidimensionale Mikrostrukturen,
wie Raupenstrukturen und dergleichen, deren Herstellung mit Standardausrüstung komplex
ist, umfassen. Es ist klar, dass diese Anforderungen nicht mit typischen
technologischen und ökonomischen
Beschränkungen
kompatibel sind, insbesondere für
Einweggeräte
bei vielen Biowissenschaftsanwendungen.at
all microchannels
The laminar flow conditions cause severe limitations in terms of
the speed of diffusion-driven processes, for example
mixing and subsequent chemical reactions. Since the
beginnings
In the field of microfluidics, many concepts have been developed to date
improve mixing, the active elements, such as piezo actuators,
Heating elements and external pumps, or passive three-dimensional microstructures,
such as caterpillar structures and the like, whose manufacture is complex with standard equipment
is, include. It is clear that these requirements are not typical
technological and economic
restrictions
are compatible, especially for
disposable devices
in many life science applications.
G.
Ekstrand u. a. beschreiben in „Microfluidics
in a rotating CD",
in: Proc. μTAS
2000, S. 311–314,
Kluwer, The Netherlands, Mikrofluidanwendungen auf einer CD-Plattform.
Insbesondere ist die Handhabung diskreter Flüssigkeitsvolumen im Nanoliterbereich
unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft auf einer rotierenden CD beschrieben.G.
Ekstrand u. a. describe in "Microfluidics
in a rotating CD ",
in: Proc. μTAS
2000, pp. 311-314,
Kluwer, The Netherlands, Microfluidic Applications on a CD Platform.
In particular, the handling of discrete liquid volumes in the nanoliter range
using centrifugal force on a rotating CD.
Auch
bei M. J. Madou u. a., „The
LabCDTM: A Centrifuge-Based Microfluidic
Platform for Diagnostics",
in: Proceedings of SPIE, Vol. 3259, S. 80–93, 1998, ist die Handhabung
von Fluiden auf rotierenden Scheiben beschrieben, unter anderem
unter Verwendung von zentrifugalem Pumpen, Ventilen, Mischern und
Dosiervorrichtungen in der Form von mit hydrophoben Beschichtungen
strukturierten Kapillaren.Also in MJ Madou et al., "The LabCD ™ : A Centrifuge-Based Microfluidic Platform for Diagnostics", in: Proceedings of SPIE, Vol. 3259, pp. 80-93, 1998, the handling of fluids on rotating discs is described below using centrifugal pumps, valves, mixers, and metering devices in the form of capillaries structured with hydrophobic coatings.
Aus
der US 6585237 B2 ist
ein Mischer bekannt, bei dem ein Rührer eine Mehrzahl von mit
Kerben versehenen und in sich gedrehten Streifen aufweist, die in
Form einer Heugarbe mit einer Längsachse
gebündelt
sind. Der Rührer
ist an einer Welle befestigt, um in ein mit Flüssigkeit gefülltes Gefäß eingetaucht
und gedreht zu werden, um ein Mischen der Flüssigkeit zu bewirken. Die Drehachse
kann entweder mit der Längsachse
zusammenfallen oder senkrecht zu derselben sein.From the US 6585237 B2 For example, a mixer is known in which a stirrer has a plurality of notched and twisted strips which are bundled in the form of a heir with a longitudinal axis. The stirrer is mounted on a shaft to be immersed in a vessel filled with liquid and rotated to effect mixing of the liquid. The axis of rotation can either coincide with the longitudinal axis or be perpendicular to the same.
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Vorrichtungen
und Verfahren zum Erzeugen von Fluidanordnungen aus Fluiden zu schaffen, wobei
die Fluidanordnung für
eine schnelle diffusive Mischung der Fluide geeignet ist, die mit
Fluidikstrukturen eines einfachen Aufbaus implementierbar sind.The
Object of the present invention is devices
and to provide methods of producing fluid assemblies from fluids, wherein
the fluid arrangement for
a fast diffusive mixture of fluids is suitable with
Fluidic structures of a simple structure can be implemented.
Diese
Aufgabe wird durch Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1, 2, 15 und 16 und Verfahren nach
den Ansprüchen
17 und 18 gelöst.These
The object is achieved by devices according to claims 1, 2, 15 and 16 and method
the claims
17 and 18 solved.
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Konzept zur
Durchmischung von Fluiden in einem Fluidkanal unter Ausnutzung der
Zentrifugalkraft. Die vorliegende Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis,
dass ein sich in einem rotierenden bzw. rotationsbeschleunigten
Fluidkanal durch die Zentrifugalkraft bzw. Eulerkraft ausbildendes
parabolisches Flussprofil zusammen mit dem in Querrichtung wirken den
Coriolis-Effekt genutzt werden kann, um die Anordnung zweier zu
vermischender Fluide zueinander derart zu verändern, dass die diffusive Mischzeit
zwischen denselben reduziert wird. Die diffusive Mischzeit wird
reduziert, indem die Diffusionslänge
zwischen den Fluiden reduziert wird. Diese Diffusionslänge kann
vorzugsweise reduziert werden, indem bewirkt wird, dass die Fluide
beispielsweise in einer dünnen
Schichtung eine größere Kontaktfläche zueinander
aufweisen. Darüber
hinaus kann die Diffusionslänge
reduziert werden, indem eine Fluidanordnung mit einer größeren Anzahl
von gegenüber den
Schichten der Ausgangsanordnung dünnen Fluidschichten erzeugt
wird.The present invention relates to a novel concept for mixing fluids in a fluid channel utilizing centrifugal force. The present invention makes use of the knowledge that a parabola which forms in a rotating or rotationally accelerated fluid channel by the centrifugal force or Euler force sches flow profile can be used together with the acting in the transverse direction of the Coriolis effect to change the arrangement of two fluids to be mixed with each other such that the diffusive mixing time between them is reduced. The diffusive mixing time is reduced by reducing the diffusion length between the fluids. This diffusion length may preferably be reduced by causing the fluids to have, for example in a thin layer, a larger contact area with each other. In addition, the diffusion length can be reduced by creating a fluid assembly having a larger number of fluid layers thin relative to the layers of the exit assembly.
Bei
bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung umfasst der Fluidkanal eine Mehrzahl von Teilkanälen. Ferner
ist der Fluidkanal bei bevorzugten Ausführungsbeispielen an einem radial
inneren Abschnitt zu einem radial äußeren Abschnitt verlaufend
in einem Rotationskörper
gebildet, der um eine Rotationsachse drehbar ist. Die Ausrichtung
des Fluidkanals ist dabei so, dass derselbe zumindest radiale Komponenten
aufweist, so dass ein in demselben befindliches Fluid bei Rotation
einer Zentrifugalkraft unterworfen wird. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen
wird der Fluidkanal radial angeordnet sein.at
preferred embodiments
According to the invention, the fluid channel comprises a plurality of subchannels. Further
is the fluid channel in preferred embodiments at a radial
inner portion extending to a radially outer portion
in a rotation body
formed, which is rotatable about an axis of rotation. The alignment
the fluid channel is such that the same at least radial components
so that a fluid therein in rotation
is subjected to a centrifugal force. In preferred embodiments
the fluid channel will be arranged radially.
Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
eine wesentliche Beschleunigung des Mischens laminarer Flüsse durch
allgemein radiale Mikrokanäle
auf dem Rotationskörper,
der eine rotierende Scheibe sein kann. Dabei werden transversale
Flussmuster in dem Fluidkanal durch die Pseudo-Coriolis-Kraft erzeugt. Durch
das Einstellen bzw. Optimieren der Kanalgeometrie und der Drehgeschwindigkeit
als den Schlüsselparametern
kann die induzierte Konvektion verwendet werden, um die Ausrichtung
zweier paralleler Flüsse
zu steuern und sogar umzukehren. Diese Erkenntnisse können zu
einer neuartigen Laminiereinrichtung durch Teilen und wieder Kombinieren
führen,
die durch eine einfache Anordnung von rechteckigen Mikrokanälen mit
niedrigem Aspektverhältnis gebil det
ist, durch die drastisch reduzierte Mischzeiten erreicht werden
können.The
present invention enables
a significant acceleration of the mixing of laminar flows
generally radial microchannels
on the rotation body,
which can be a rotating disk. This will be transversal
Flow pattern generated in the fluid channel by the pseudo-Coriolis force. By
adjusting or optimizing the channel geometry and the rotational speed
as the key parameters
The induced convection can be used to align
two parallel rivers
to control and even reverse. These findings can too
a novel laminator by dividing and recombining
to lead,
which by a simple arrangement of rectangular microchannels with
low aspect ratio gebil det
is achieved by the drastically reduced mixing times
can.
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:preferred
embodiments
The present invention will be described below with reference to FIG
the enclosed drawings closer
explained.
Show it:
1a eine
schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Rotationskörpers mit
einem Fluidkanal zur Verwendung gemäß der Erfindung; 1a a schematic plan view of an embodiment of a rotary body with a fluid channel for use according to the invention;
1b eine
schematische Darstellung von durch Rotation in dem Fluidkanal von 1a erzeugten
Effekten; 1b a schematic representation of by rotation in the fluid channel of 1a generated effects;
1c eine
schematische Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotationskörpers mit
einem Fluidkanal zur Verwendung gemäß der Erfindung; 1c a schematic plan view of another embodiment of a rotary body with a fluid channel for use according to the invention;
1d eine
schematische Darstellung von durch Rotation in dem Fluidkanal von 1c erzeugten
Effekten; 1d a schematic representation of by rotation in the fluid channel of 1c generated effects;
2 eine
schematische Darstellung eines in Viertellängen unterteilten Fluidkanals; 2 a schematic representation of a divided into quarter-length fluid channel;
3 schematische
Diagramme, die einen Vergleich gemessener und simulierter Ergebnisse des
Fluidkanals von 2 bei gleichbleibender Rotationsgeschwindigkeit
zeigen; 3 schematic diagrams showing a comparison of measured and simulated results of the fluid channel of 2 show at constant rotational speed;
4 schematische
Diagramme, die einen Vergleich gemessener und simulierter Ergebnisse
für den
in 2 gezeigten Fluidkanal bei unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten
zeigen; 4 schematic diagrams showing a comparison of measured and simulated results for the in 2 shown fluid channel at different rotational speeds;
5a eine
schematische Darstellung eines Fluidkanals der eine Mehrzahl von
Teilkanälen
aufweist; 5a a schematic representation of a fluid channel having a plurality of sub-channels;
5b eine
schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß verwendbaren
Fluidkanals; 5b a schematic representation of another embodiment of a fluid channel used in the invention;
6 eine
schematische Darstellung für eine
praktische Implementierung eines Fluidkanals mit einer Mehrzahl
von Teilkanälen; 6 a schematic representation of a practical implementation of a fluid channel having a plurality of sub-channels;
7 einen
Ausschnitt einer Draufsicht auf eine Scheibe, in deren Oberfläche Strukturen
zur Implementierung eines erfindungsgemäßen Mischers gebildet sind; 7 a detail of a plan view of a disc, in whose surface structures for implementing a mixer according to the invention are formed;
8 eine
schematische Darstellung einer Implementierung eines erfindungsgemäßen Mischers; 8th a schematic representation of an implementation of a mixer according to the invention;
9 und 10 schematische
Draufsichten von Ausführungsbeispielen
von bei dem in 8 gezeigten Mischer verwendbaren
Rotationskörpern; und 9 and 10 schematic plan views of embodiments of the in 8th shown mixer usable rotating bodies; and
11 eine
schematische Draufsicht auf einen Rotationskörper, in dem Fluidkanäle, die
einen hohen Durchsatz ermöglichen,
angeordnet sind. 11 a schematic plan view of a rotary body in which fluid channels, which allow high throughput, are arranged.
Bevor
auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung näher
eingegangen wird, werden zunächst
Bezug nehmend auf die 1a und 1b die
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden physikalischen Effekte
näher erläutert.Before discussing preferred embodiments of the present invention, reference will first be made to FIGS 1a and 1b the physical effects underlying the present invention explained in more detail.
Die
vorliegende Erfindung wird in der Regel zum Mischen von Flüssigkeiten
Anwendung finden, wobei dieselbe jedoch auch zum Mischen von Gasen und
Flüssigkeiten
bzw. zum Mischen von Gasen untereinander verwendet werden kann.
Darüber
hinaus kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um ein Mischen
von Fluiden ohne gleichzeitige und nachfolgende Reaktion zwischen
denselben oder ein Mischen von Fluiden mit einer gleichzeitigen
oder nachfolgenden Reaktion zwischen denselben durchzuführen.The present invention will generally find application for the mixing of liquids, however, it may also be used to mix gases and liquids or to mix gases with each other. Moreover, the present invention may be used to effect mixing of fluids without simultaneous and subsequent reaction therebetween or mixing of fluids with a simultaneous or subsequent reaction therebetween.
In 1a ist
ein im wesentlichen kreisförmiger
Rotationskörper 10 gezeigt,
in dem ein Fluidkanal 12 gebildet ist. Auf die Oberfläche, in
der der Fluidkanal 12 gebildet ist, kann ein Deckel aufgebracht
sein, wobei ein Kanaleinlass und ein Kanalauslass für den Fluidkanal
vorgesehen sind.In 1a is a substantially circular body of revolution 10 shown in which a fluid channel 12 is formed. On the surface in which the fluid channel 12 is formed, a lid may be applied, wherein a channel inlet and a channel outlet are provided for the fluid channel.
Die
zu durchmischenden Flüssigkeiten
werden in einen Kanaleinlass 14 auf der Innenseite eingelassen
und bei Rotation des Rotationskörpers 10 mit
einer Winkelgeschwindigkeit ω gemeinsam über die
Zentrifugalkraft mit der Strömungsgeschwindigkeit ν →(F →ω )
nach außen
getrieben. Die Flüssigkeiten verlassen
dann den Fluidkanal 12 über
einen Kanalauslass 16 und werden entweder in einem Gefäß (nicht
gezeigt) auf dem Rotationskörper 10 oder
einem umgebenden Gefäß (nicht
gezeigt), in welches die Fluide über
den Kanalauslass 16 gelangen, gesammelt.The liquids to be mixed are in a channel inlet 14 let in on the inside and on rotation of the body of revolution 10 with an angular velocity ω in common via the centrifugal force with the flow velocity ν → (F → ω ) are driven outwards. The fluids then leave the fluid channel 12 via a duct outlet 16 and are either in a vessel (not shown) on the body of revolution 10 or a surrounding vessel (not shown) into which the fluids pass via the channel outlet 16 arrive, collected.
Im
rotierenden Bezugssystem, in welchem die Kanalstruktur, d. h. der
Fluidkanal 12, in Ruhe ist, wirkt neben der Zentrifugalkraft
auch die Coriolis-Kraft FCoriolis (Coriolis-Schein-Kraft), welche
bei radial verlaufendem Fluidkanal senkrecht zum lokalen Geschwindigkeitsvektor ν →(F →ω) des
Fluids und zum Vektor der Drehbewegung ω gerichtet ist. Diese Coriolis-Kraft
erzeugt somit über
die gesamte Kanalstruktur hinweg eine Querströmung, welche die Grenzfläche zwischen
den Fluiden verzerrt und damit die maximalen Diffusionslängen verkürzt.In the rotating reference system, in which the channel structure, ie the fluid channel 12 , is at rest, acts in addition to the centrifugal force and the Coriolis force F Coriolis (Coriolis apparent force), which at a radially extending fluid channel perpendicular to the local velocity vector ν → (F → ω ) of the fluid and directed to the vector of rotational movement ω. This Coriolis force thus creates across the channel structure a cross-flow which distorts the interface between the fluids and thus shortens the maximum diffusion lengths.
In 1b ist
der Fluidkanal 12 mit der folgenden Kanalgeometrie gezeigt:
Kanalbreite Δx,
Kanalhöhe
h und Kanallänge
l. Die Kanalbreite Δx
kann beispielsweise 300 μm
betragen, die Kanallänge kann
beispielsweise 2 cm betragen und die Kanalhöhe kann beispielsweise 120 μm betragen,
um einen Fluidkanal mit einem geringen Aspektverhältnis zu realisie ren.
Die angegebenen Abmessungen stellen reine Beispiele dar, wobei beliebige
Kanalabmessungen verwendet werden können, solange durch die Zentrifugalkraft
oder Eulerkraft ein Geschwindigkeitsprofil 18 über den
Kanalquerschnitt erzeugt wird, durch das über den Kanalquerschnitt unterschiedliche
Coriolis-Kräfte
auf das Fluid ausgeübt
werden, wie durch die Pfeile unterschiedlicher Länge bei der Coriolis-Kraftverteilung 20 in 1b gezeigt
ist. Die durch die nicht gleichmäßige Verteilung
der transversalen Coriolis-Kraft,
die eine Folge der parabolisch geformten Komponente 18 des
Geschwindigkeitsfelds ν →(F →ω) bzw. ν →(F →Euler) ist, bewirkte Transversal-„Rühr"-Strömung 22 ist
ebenfalls in 1b gezeigt.In 1b is the fluid channel 12 shown with the following channel geometry: channel width Δx, channel height h and channel length l. The channel width .DELTA.x may for example be 300 .mu.m, the channel length may be, for example, 2 cm and the channel height may be 120 .mu.m, for example, in order to realize a fluid channel with a low aspect ratio. The dimensions given are purely examples and any channel dimensions can be used , as long as by the centrifugal force or Eulerkraft a speed profile 18 is generated across the channel cross-section through which different Coriolis forces are exerted on the fluid over the channel cross-section, as by the arrows of different length in the Coriolis force distribution 20 in 1b is shown. Due to the nonuniform distribution of the transverse Coriolis force, which is a consequence of the parabolic shaped component 18 of the velocity field ν → (F → ω ) respectively. ν → (F → Euler ) is, caused transversal "stirring" flow 22 is also in 1b shown.
Durch
die angegebene Rühr-Strömung kann die
Anordnung zweier in den Kanaleinlass 14 eingebrachter Fluide
zueinander derart modifiziert werden, dass am Kanalauslass die diffusive
Mischzeit zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid gegenüber der
Fluidanordnung am Kanaleinlass reduziert ist, d. h. kann eine Durchmischung
der beiden Fluide derart herbeigeführt werden, dass eine nachfolgende
molekulare Diffusion schneller ablaufen kann.Due to the specified stirring flow, the arrangement of two in the channel inlet 14 introduced fluids are modified such that the diffusive mixing time between the first fluid and the second fluid compared to the fluid arrangement at the channel inlet is reduced at the channel outlet, ie a mixing of the two fluids can be brought about so that a subsequent molecular diffusion can proceed faster.
Die
Erzeugung einer Rührströmung durch die
Geschwindigkeitsverteilung ν →(F →Euler) ist
in den 1c und 1d gezeigt.
Eine Rührströmung kann
ebenfalls erreicht werden, wenn ein Fluidkanal in der Form eines
Kreisbogensegments in einem Rotationskörper gebildet ist und der Rotationskörper mit einer
Rotationsbeschleunigung beaufschlagt wird. In 1c ist
ein im wesentlichen kreisförmiger
Rotationskörper 220 gezeigt,
in dem ein Fluidkanal 222 gebildet ist. Wiederum kann ein
Deckel aufgebracht sein, wobei ein Kanaleinlass und ein Kanalauslass für den Fluidkanal 222 vorgesehen
sind.The generation of a stirring flow through the velocity distribution ν → (F → Euler ) is in the 1c and 1d shown. A stirring flow can also be achieved if a fluid channel in the form of a circular arc segment is formed in a rotary body and the rotational body is subjected to a rotational acceleration. In 1c is a substantially circular body of revolution 220 shown in which a fluid channel 222 is formed. Again, a lid may be applied, with a channel inlet and a channel outlet for the fluid channel 222 are provided.
Bei
einer Rotationsbeschleunigung kann auch das Fluid auf Zwischenstücken entlang
einer Kreisbogens über
die Euler kraft angetrieben werden. Aus einem rotationsbeschleunigten
System betrachtet erfährt
das Fluid entlang eines Kreisbogens die Eulerbeschleunigung und
die dadurch bedingte Eulerkraft FEuler.
Diese erzeugt ein inhomogenes azimutales Strömungsprofil 224, auf
welches dann ein inhomogenes Coriolis-Kraftfeld (FCoriolis) 226 sowie
die Fliehkraft Fω wirken.With a rotational acceleration, the fluid can also be driven on intermediate pieces along a circular arc via the Euler force. Viewed from a rotationally accelerated system, the fluid experiences along a circular arc the Euler acceleration and the ensuing Euler force F Euler . This creates an inhomogeneous azimuthal flow profile 224 which then has an inhomogeneous Coriolis force field (F Coriolis ) 226 as well as the centrifugal force F ω act.
Somit
kann die vorliegende Erfindung auch unter Verwendung eines Kanals
mit azimutalem Verlauf mit einer entsprechenden Einrichtung zum
Beaufschlagen des Kanals mit einer Rotationsbeschleunigung implementiert
sein. Eine solche Einrichtung kann durch eine Einrichtung zum Beaufschlagen
des Rotationskörpers
mit einer Rotation gebildet sein, wobei eine jeweilige Rotationsbeschleunigung
dann beim Anfahren und/oder Anhalten des Rotationskörpers bewirkt
wird. Weiterhin kann die vorliegende Erfindung mit einem Kanal mit
azimutalen und radialen Komponenten implementiert werden, so dass
eine Kombination von Eulerkraft und Zentrifugalkraft auftritt.Consequently
For example, the present invention may also be implemented using a channel
with azimuthal course with a corresponding device for
Implementation of the channel with a rotational acceleration implemented
be. Such a device may be powered by a device
of the rotational body
be formed with a rotation, wherein a respective rotational acceleration
then causes when starting and / or stopping the rotating body
becomes. Furthermore, the present invention with a channel with
azimuthal and radial components are implemented so that
a combination of elliptical force and centrifugal force occurs.
Wie
im nachfolgenden gezeigt wird, können die
Kanalgeometrie des Fluidkanals 12 sowie die Rotationsgeschwindigkeit ω bzw. die
Rotationsbeschleunigung dω/dt
eingestellt werden, um vorteilhafte Anordnungen zwischen den beiden
am Kanaleinlass eingebrachten Fluiden am Kanalauslass zu bewirken.As will be shown below, the channel geometry of the fluid channel 12 and the rotational speed ω and the rotational acceleration dω / dt, respectively, to establish advantageous arrangements between the two at the channel Allow introduced fluids to effect at the duct outlet.
2 zeigt
eine schematische Darstellung des Fluidkanals 12, der einer
Rotation mit einer Winkelgeschwindigkeit ω unterzogen wird, wodurch eine Zentrifugalkraft F →ω und
eine Coriolis-Kraft F →Coriolis , die auf
ein in dem Fluidkanal 12 befindliches Fluid wirken, erzeugt
werden. 2 shows a schematic representation of the fluid channel 12 which is subjected to rotation at an angular velocity ω, whereby a centrifugal force F → ω and a Coriolis force F → Coriolis placed on one in the fluid channel 12 present fluid act, are generated.
Wie
in 2 gezeigt ist, befindet sich am Fluideinlass 14 eine
Anordnung aus einem ersten Fluid A und einem zweiten Fluid B. Die
Fluide A und B sind in dem Fluidkanal 12 mit niedrigem
Aspektverhältnis
horizontal nebeneinander ange ordnet. Eine solche Anordnung kann
beispielsweise erreicht werden, indem zwei in der gleichen Ebene
verlaufende Teilkanäle
in einen gemeinsamen Kanal übergehen, wobei
die Stelle, an der die Teilkanäle
in den gemeinsamen Kanal übergehen,
als Kanaleinlass im erfindungsgemäßen Sinne verstanden werden
kann.As in 2 is shown located at the fluid inlet 14 an arrangement of a first fluid A and a second fluid B. The fluids A and B are in the fluid channel 12 arranged with low aspect ratio horizontally next to each other. Such an arrangement can be achieved, for example, in that two sub-channels running in the same plane merge into a common channel, wherein the point at which the sub-channels merge into the common channel can be understood as a channel inlet in the sense according to the invention.
Unter
Verwendung des in 2 gezeigten Kanals wurde die
Anordnung der beiden Fluide A und B zueinander entlang der Länge des
Kanals simuliert. Als Fluide wurden dabei mischbare Tinten unterschiedlicher
Farbe verwendet, wobei die Abmessungen des Kanals den oben Bezug
nehmend auf 1b beschriebenen entsprachen.
Ferner wurde eine Rotationsgeschwindigkeit von 300 rad s–1 zur
Simulation verwendet. Ferner wurde das Verhalten in einem identischen
Kanal, der in einer runden Scheibe gebildet war, experimentell vermessen.Using the in 2 The arrangement of the two fluids A and B to each other along the length of the channel was simulated. The fluids used were miscible inks of different colors, the dimensions of the channel referring to the above 1b described corresponded. Furthermore, a rotation speed of 300 rad s -1 was used for the simulation. Further, the behavior was experimentally measured in an identical channel formed in a round disk.
In 2 sind
die simulierten Mischmuster am Kanaleinlass 14, nach einem
Viertel des Kanals, Position 30, nach der Hälfte des
Kanals, Position 32, nach drei Vierteln des Kanals, Position 34,
und am Kanalauslass 16 dargestellt. Wie deutlich zu erkennen
ist, wird unter dem Einfluss der Coriolis-Kraft das anfänglich ungestörte Flussmuster
in Strömungsrichtung
zunehmend deformiert. Bei 3/4 der Kanallänge, Position 34,
ist die Flüssigkeit
B weit in die Flüssigkeit A
vorgedrungen, so dass sich im wesentlichen eine vertikale Anordnung
aus drei Schichten, ABA ergeben hat.In 2 are the simulated mixed patterns at the channel inlet 14 , after a quarter of the canal, position 30 , after half of the channel, position 32 , after three quarters of the canal, position 34 , and at the duct outlet 16 shown. As can be clearly seen, under the influence of the Coriolis force, the initially undisturbed flow pattern in the flow direction is increasingly deformed. At 3/4 of the channel length, position 34 , the liquid B has penetrated far into the liquid A, so that substantially a vertical arrangement of three layers, ABA has resulted.
3 zeigt
eine Gegenüberstellung
der an den unterschiedlichen Kanalpositionen erhaltenen simulierten
und gemessenen Ergebnisse. Genauer gesagt enthält 3 vier Diagramme,
eines für
den Kanaleinlass, eines für
die Position 30, eines für die Position 32 und
eines für
die Position 34. Auf der x-Achse der jeweiligen Diagramme
ist die laterale Position in Mikrometer (über die Breite des Kanals)
aufgetragen, während über der
y-Achse die optische Intensität
akkumuliert entlang der gestrichelten Linie, d. h. über die Höhe des Kanals,
aufgetragen ist. Die durchgezogenen Kurven entsprechen den gemessenen
Ergebnissen, während
die gepunkteten Linien die simulierten Ergebnisse darstellen. 3 shows a comparison of the simulated and measured results obtained at the different channel positions. More specifically contains 3 four diagrams, one for the channel inlet, one for the position 30 , one for the position 32 and one for the position 34 , On the x-axis of the respective diagrams, the lateral position is plotted in microns (across the width of the channel), while along the y-axis the optical intensity accumulated along the dashed line, ie across the height of the channel, is plotted. The solid curves correspond to the measured results, while the dotted lines represent the simulated results.
In
dem rechten äußeren Diagramm
von 3 ist die angesprochene Dreischichtstruktur aus drei
vertikal übereinander
angeordneten Flüssigkeitsschichten
zu erkennen. Bei diesem vertikalen Stapel von dünnen Flüssigkeitsschichten ist die
charakteristische Diffusionslänge
d um einen Faktor von etwa 3 gegenüber der charakteristischen
Diffusionslänge
d am Fluidkanaleinlass (linke Außenseite von 3)
reduziert. Dadurch ergibt sich eine Verringerung der Diffusionszeiten
td proportional d2 um
einen Faktor von 9 bei einem normalen geraden Mikrokanal. Es ist
klar, dass dieser Effekt bei noch zunehmend geringeren Aspektverhältnissen,
die ohne weiteres hergestellt werden können, verstärkt auftritt. Ferner sei auf
die gute qualitative Übereinstimmung zwischen
den gemessenen Ergebnissen und den entsprechenden Simulationen hingewiesen.In the right outer diagram of 3 is the mentioned three-layer structure of three vertically superimposed liquid layers to recognize. In this vertical stack of thin liquid layers, the characteristic diffusion length d is about a factor of about 3 versus the characteristic diffusion length d at the fluid channel inlet (left outer side of FIG 3 ) reduced. This results in a reduction of the diffusion times t d proportional d 2 by a factor of 9 in a normal straight microchannel. It is clear that this effect occurs more intensively with even lower aspect ratios which can be easily produced. Furthermore, the good qualitative agreement between the measured results and the corresponding simulations should be noted.
Aus 3 ist
zu erkennen, dass das sich ergebende Mischmuster von der Länge des
Fluidkanals abhängt,
so dass durch eine geeignete Einstellung der Länge ein Mischmuster mit gewünschten
Eigenschaften, beispielsweise ein solches, bei dem die charakteristische
Diffusionslänge
reduziert ist, erhalten werden kann.Out 3 It can be seen that the resulting mixing pattern depends on the length of the fluid channel, so that by a suitable adjustment of the length a mixing pattern with desired properties, for example one in which the characteristic diffusion length is reduced, can be obtained.
4 zeigt
gemessene und simulierte Ergebnisse am Auslass des in 2 gezeigten
Kanals, der mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten beaufschlagt
wurde. Wie im mittleren Diagramm von 4 zu sehen
ist, ergibt sich bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 50 rad s–1 nur
eine sehr geringe Änderung
des am Fluidkanaleinlass vorliegenden Fluidmusters, so dass am Fluidkanalauslass wiederum
die zwei Flüssigkeiten
A und B im wesentlichen als horizontal nebeneinander angeordnete Fluidschichten
angeordnet sind. Wie im mittleren Diagramm von 4 zu
sehen ist, ergibt sich bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 200
rad s–1 am
Kanalaus lass das Flüssigkeitsmuster
von im wesentlichen drei vertikal übereinander angeordneten Schichten BAB.
Schließlich
ergibt sich bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 300 rad s–1 am
Fluidkanalauslass im wesentlichen eine Umkehrung der am Kanaleinlass
vorliegenden Fluidschichten, so dass, wie im rechten Diagramm von 4 gezeigt
ist, die Flüssigkeit
B links von der Flüssigkeit
A angeordnet ist. 4 shows measured and simulated results at the outlet of 2 shown channel, which was acted upon at different rotational speeds. As in the middle diagram of 4 can be seen results in a rotational speed of 50 rad s -1, only a very small change in the Fluidkanaleinlass present fluid pattern, so that the Fluidkanalauslass turn the two liquids A and B are arranged substantially horizontally arranged side by side fluid layers. As in the middle diagram of 4 can be seen results at a rotational speed of 200 rad s -1 at Kanalaus let the liquid pattern of substantially three vertically stacked layers BAB. Finally, at a rotational speed of 300 rad s -1 at the fluid channel outlet, there is essentially a reversal of the fluid layers present at the channel inlet, so that, as in the right-hand diagram of FIG 4 is shown, the liquid B is arranged to the left of the liquid A.
Die
in den 3 und 4 gezeigten Ergebnisse zeigen,
dass das genaue Strömungsprofil über das
Zusammenspiel der Rotationsfrequenz bzw. Rotationsbeschleunigung
mit der Geometrie der Kanalstruktur bestimmt wird. Über die
Rotationsfrequenz bzw. Rotationsbeschleunigung lässt sich zum einen die Zentrifugalkraft
bzw. die Eulerkraft und damit die radiale Pumprate einstellen. Zum
anderen bestimmt die Rotationsfrequenz bzw. Rotationsbeschleunigung
aber auch den Mischvorgang, in Querrichtung über den Coriolis-Effekt und
in Längsrichtung über die
Ausbildung eines parabolischen Flussprofils, die sogenannte Taylor-Dispersion.The in the 3 and 4 The results shown show that the exact flow profile is determined by the interaction of the rotational frequency or rotational acceleration with the geometry of the channel structure. On the one hand, the centrifugal force or the Euler force and thus the radial pumping rate can be adjusted via the rotational frequency or rotational acceleration. On the other hand, the rotational frequency or rotational acceleration but also determines the mixing process, in the transverse direction via the Coriolis effect and in the longitudinal direction via the formation of a parabolic flow profile, the so-called Taylor dispersion.
Wie
oben ausgeführt
wurde, kann die Kanalstruktur im einfachsten Falls aus einem radial
geführten
Kanal mit rechteckigem Querschnitt bestehen. Durch entsprechende
Einstellung der Kanalgeometrie und der Rotationsfrequenz kann, wie
oben gezeigt wurde, ein gewünschtes
Flüssigkeitsmuster
am Fluidkanalauslass herbeigeführt
werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass bei den bezüglich der 2 bis 4 beschriebenen
Simulationen jeweils die während
der Ausbreitung der Flüssigkeiten
durch den Fluidkanal auftretende Diffusion zwischen den Flüssigkeiten
im wesentlichen außer
Acht gelassen wurde. Ferner sei darauf hingewiesen, dass auch die Viskosität der zu
mischenden Flüssigkeiten
in den Mischvorgang eingeht, so dass die Einstellung von Fluidkanalgeometrie
und Rotationsfrequenz auch abhängig
von den zu mischenden Fluiden zu erfolgen hat.As stated above, in the simplest case the channel structure can consist of a radially guided channel with a rectangular cross-section. By appropriate adjustment of the channel geometry and the rotational frequency, as shown above, a desired liquid pattern at the fluid channel outlet can be brought about. It should be noted that with respect to the 2 to 4 The simulations that have been described in each case essentially ignore the diffusion between the liquids that occurs during the propagation of the fluids through the fluid channel. It should also be noted that the viscosity of the liquids to be mixed enters into the mixing process, so that the adjustment of fluid channel geometry and rotational frequency also has to be made depending on the fluids to be mixed.
Das
Prinzip einer hydrodynamischen Flusslaminierung anhand des Flusses
durch einen radialen Mikrokanal auf einer ro tierenden Scheibe wurde oben
beschrieben. Dabei hat die bei einer Winkelgeschwindigkeit (bzw.
einer Winkelbeschleunigung dω/dt
auf die in dem Mikrokanal befindlichen Flüssigkeiten wirkende Zentrifugalkraft
Fω bzw.
Eulerkraft FEuler, die proportional zu ω →2 bzw. dω/dt ist, ein parabolisches
Geschwindigkeitsprofil zur Folge. Dies wiederum hat eine geschwindigkeitsabhängige Coriolis-Kraft F →Coriolis zur Folge, die proportional
zu ν →·ω → und senkrecht
zu ν →(F →ω) bzw. ν →(F →Euler) ist, so dass dieselbe in der Mitte
des Kanals, wo das zentrifugale Geschwindigkeitsprofil maximal ist,
am größten ist.
Diese Coriolis-Kraft kann verwendet werden, um die Anordnung zweier
oder mehrerer Flüsse
in dem Mikrokanal zueinander zu steuern. Wie gezeigt wurde, bewirkt
das durch die Coriolis-Kraft bewirkte inhomogene Kraftfeld eine
Flüssigkeitsbewegung
von der Mitte des Mikrokanals zu einer der Wände desselben. Die Stetigkeit
schreibt vor, dass die langsame Flüssigkeit im äußeren Bereich
entlang des äußeren Umfangs entkommt,
wo das durch die Coriolis-Kraft entgegenwirkende Feld minimal ist.
Die resultierenden transversalen Flüssigkeitsströme führen zu
einem „Rühren" zweier paralleler
Flüsse,
wie in den Simulationen und Experimenten, die in den 2 bis 4 gezeigt
sind, zu sehen ist. Wie dargelegt wurde, sind die Schlüsseleinflussparameter,
die diesen hydrodynamischen Prozess steuern, die Kanalgeometrie,
die Viskosität
und die Rotationsgeschwindigkeit ω bzw. die Rotationsbeschleunigung
im Falle azimutaler Kanalabschnitte.The principle of hydrodynamic flux lamination based on the flow through a radial microchannel on a rotating disk has been described above. In this case, the centrifugal force F ω or Euler force F Euler acting at an angular velocity (or an angular acceleration dω / dt on the fluids in the microchannel F Euler , which is proportional to ω → 2 or dω / dt, results in a parabolic velocity profile. This in turn has a velocity-dependent Coriolis force F → Coriolis result, which is proportional to ν → · ω → and perpendicular to ν → (F → ω ) respectively. ν → (F → Euler ) is such that it is largest in the middle of the channel where the centrifugal velocity profile is maximum. This Coriolis force can be used to control the arrangement of two or more flows in the microchannel to each other. As shown, the inhomogeneous force field caused by the Coriolis force causes fluid movement from the center of the microchannel to one of its walls. The continuity dictates that the slow fluid escapes in the outer region along the outer circumference, where the field counteracted by the Coriolis force is minimal. The resulting transversal fluid flows lead to a "stirring" of two parallel flows, as in the simulations and experiments described in the 2 to 4 are shown, can be seen. As has been stated, the key influencing parameters that control this hydrodynamic process are the channel geometry, the viscosity and the rotational speed ω and the rotational acceleration in the case of azimuthal channel sections, respectively.
Durch
das Aufspalten des durch die Zentrifugalkraft bewirkten Flusses
der zu mischenden Flüssigkeiten
in mehrere, parallele Kanäle,
welche weiter außen
wieder zusammengeführt
werden können, kann
zudem eine Multilamination erzielt werden, welche die Zeiten für das diffusive
Mischen in erheblichem Umfang weiter verkürzen kann.By
the splitting of the flow caused by the centrifugal force
the liquids to be mixed
into several, parallel channels,
which farther out
merged again
can, can
In addition, a multilamination can be achieved, which makes the times for the diffusive
Mixing to a considerable extent can further shorten.
Eine
schematische Darstellung eines hierfür verwendbaren Fluidkanals 40 ist
in 5a gezeigt. Der Fluidkanal 40 umfasst
einen ersten Kanalabschnitt 42, eine erste Verzwei gung 44,
an der sich der erste Kanalabschnitt 42 in vier Teilkanäle 46a–46d verzweigt,
eine zweite Verzweigung 48, an der die vier Teilkanäle wieder
zusammengeführt
werden, und einen zweiten gemeinsamen Kanalabschnitt 50, der
mit der zweiten Verzweigung 48 fluidmäßig verbunden ist.A schematic representation of a fluid channel that can be used for this purpose 40 is in 5a shown. The fluid channel 40 includes a first channel section 42 , a first branching 44 , at which the first channel section 42 in four subchannels 46a - 46d branches, a second branch 48 at which the four subchannels are brought together again, and a second common channel section 50 that with the second branch 48 fluidly connected.
Am
Kanaleinlass 52 des Fluidkanals 40 liege die bei 54 gezeigte
Anordnung einer ersten Flüssigkeit
A und einer zweiten Flüssigkeit
B vor. Ferner weise der erste Kanalabschnitt 42 eine solche
Kanalgeometrie, Höhe,
Länge und
Breite, auf, dass am Ende 56 des ersten Kanalabschnitts
das bei 58 in 5a gezeigte Flüssigkeitsmuster
der Flüssigkeitsschichten
ABA vorliegt, d. h. dass die beiden horizontal nebeneinander liegenden
Flüssigkeitsschichten
A und B in drei horizontal übereinander
liegende Flüssigkeitsschichten
ABA überführt wurden.
An den Eingängen
der Teilkanäle 46a–46d ergeben
sich dann die bei 60 in 5a gezeigten
Flüssigkeitsmuster aus
jeweils drei übereinander
angeordneten Schichten. Die Teilkanäle 46a–46d weisen
nun eine solche Länge
auf, dass bei der gegebenen Rotationsgeschwindigkeit ω die am
Eingang der Teilkanäle
vorliegenden Flüssigkeitsmuster 60 in
die bei 62 in 5a gezeigten Flüssigkeitsmuster
am Ausgang der Teilkanäle überführt werden.
Nach dem Zusammenführen
der Teilkanäle
durch die Verzweigung 48 liegt dann am Anfang 64 des
zweiten gemeinsamen Kanalabschnitts 50 das bei 66 in 5a gezeigte
Fluidmuster aus vertikal nebeneinander angeordneten Flüssigkeitsschichten
BABABABA vor.At the canal inlet 52 of the fluid channel 40 lie at the 54 shown arrangement of a first liquid A and a second liquid B before. Furthermore, the first channel section 42 such channel geometry, height, length and width, on that in the end 56 of the first channel section at 58 in 5a shown liquid pattern of the liquid layers ABA is present, ie that the two horizontally adjacent liquid layers A and B were transferred into three horizontally superimposed liquid layers ABA. At the entrances of the subchannels 46a - 46d then arise at 60 in 5a shown liquid pattern of three superimposed layers. The subchannels 46a - 46d Now have such a length that at the given rotational speed ω present at the entrance of the sub-channels liquid pattern 60 in the at 62 in 5a shown liquid pattern are transferred at the output of the sub-channels. After merging the subchannels through the branch 48 is then at the beginning 64 the second common channel section 50 that at 66 in 5a shown fluid pattern of vertically juxtaposed fluid layers BABABABA ago.
Somit
wird durch die Verwendung des in 5a gezeigten
Fluidkanals 40 aus der Fluidanordnung AB am Fluidkanaleinlass 52 eine
multilaminierte Fluidanordnung 66 strömungsmäßig hinter der zweiten Verzweigung 48.
Die erste Verzweigung 44 ist dabei dort plaziert, wo aus
der Fluidanordnung AB am Kanaleinlass 52 das vertikale
ABA-Sandwich 58 erzeugt wurde. Die zweite Verzweigung 48 ist
dann dort plaziert, wo aus den vertikalen ABA-Anordnungen 60 die
horizontalen BA-Anordnungen 62 durch die
Coriolis-Kraft bewirkt wurden, wo bei dann schließlich die Achtfach-Laminierung
am Eingang des gemeinsamen Auslasskanals, d. h. des zweiten gemeinsamen
Kanalabschnitts 50 erreicht wird.Thus, by using the in 5a shown fluid channel 40 from the fluid assembly AB at the fluid channel inlet 52 a multilaminated fluid arrangement 66 fluidly behind the second branch 48 , The first branch 44 is placed where from the fluid assembly AB at the channel inlet 52 the vertical ABA sandwich 58 was generated. The second branch 48 is then placed where from the vertical ABA arrangements 60 the horizontal BA arrangements 62 caused by the Coriolis force, where then finally the eightfold lamination at the entrance of the common outlet channel, ie the second common channel section 50 is reached.
Der
in 5a gezeigte Fluidkanal 40, der einer
Rotationsgeschwindigkeit unterworfen wird, stellt somit einen neuartigen
Split-und-Recombine-Laminator (aufteilen und wieder zusammenführen) mittels einer
einfachen Mikrokanalgeometrie dar.The in 5a shown fluid channel 40 , which is subjected to a rotational speed, thus represents a novel split and recombine Lami nator (split and recombine) by means of a simple micro-channel geometry.
Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
für einen Fluidkanal 70 eines
erfindungsgemäßen Laminators ist
in 5b gezeigt. Der Fluidkanal 70 teilt sich
unmittelbar am Kanaleinlass 72 desselben in drei Teilkanäle 74a, 74b und 74c.
Die Teilkanäle 74a, 74b und 74c vereinigen
sich dann wieder zu einem gemeinsamen Kanalabschnitt 76,
der in einen Kanalauslass 78 mündet.Another embodiment of a fluid channel 70 a laminator according to the invention is in 5b shown. The fluid channel 70 shares directly with the canal inlet 72 in three subchannels 74a . 74b and 74c , The subchannels 74a . 74b and 74c then reunite to a common channel section 76 into a duct outlet 78 empties.
Am
Kanaleinlass 72 liege wiederum eine horizontale AB-Fluidanordnung vor,
wie bei 80 in 5b gezeigt ist. Eine solche
Fluidanordnung kann beispielsweise bewirkt werden, indem am Kanaleinlass
zwei Teilkanäle 82a, 82b zusammengeführt werden,
wie in 5b durch gestrichelte Linien
angedeutet ist. Der Teilkanal 82a führt dabei die Flüssigkeit
A, während
der Teilkanal 82b die Flüssigkeit B führt.At the canal inlet 72 Again, there is a horizontal AB fluid arrangement, as in 80 in 5b is shown. Such a fluid arrangement can be effected, for example, by two partial channels at the channel inlet 82a . 82b be merged as in 5b indicated by dashed lines. The subchannel 82a doing the liquid A, while the sub-channel 82b the liquid B leads.
Die
zwei Flüsse
werden in die drei Teilkanäle 74a, 74b und 74c aufgeteilt,
wobei im Teilkanal 74a die Flüssigkeit A fließt, im Teilkanal 74c die
Flüssigkeit
B fließt
und am Anfang des mittleren Teilkanals 74b eine horizontale
AB-Anordnung vorliegt.
Die sich am Eingang der Teilkanäle
ergebende Fluidanordnung ist bei 84 in 5b gezeigt.
Die Teilkanäle
weisen nun eine solche Länge
auf, dass sich eine Inversion der bei 84 gezeigten BA-Anordnung
im mittleren Teilkanal 74b ergibt, so dass am Ausgang der
Teilkanäle
die bei 86 in 5b gezeigte Fluidanordnung in Form
eines ABAB-Musters vorliegt.The two rivers become the three subchannels 74a . 74b and 74c split, where in the sub-channel 74a the liquid A flows, in the sub-channel 74c the liquid B flows and at the beginning of the middle sub-channel 74b a horizontal AB arrangement is present. The resulting at the entrance of the sub-channels fluid assembly is at 84 in 5b shown. The sub-channels now have such a length that an inversion of the 84 shown BA arrangement in the middle sub-channel 74b so that at the output of the subchannels at 86 in 5b shown fluid arrangement in the form of an ABAB pattern.
Dieses
am Ausgang der Teilkanäle
vorliegende Muster wird bei weiterem Fluss entlang des gemeinsamen
Kanalabschnitts 76 durch die aufgrund der Rotationsgeschwindigkeit
vorliegende Coriolis-Kraft unmittelbar gestört, so dass entlang des gemeinsamen
Kanalabschnitts 76 ein Durchmischen ausgehend von dem bei 86 gezeigten
Fluidmuster stattfindet.This pattern, which is present at the output of the subchannels, becomes at further flow along the common channel section 76 directly disturbed by the present due to the rotational speed Coriolis force, so that along the common channel section 76 a mixing starting from the at 86 shown fluid pattern takes place.
Durch
die in 5b gezeigte Struktur verringert
sich die Dicke der Flüssigkeitsschichten
vom Eingang der Teilkanäle
zum Ausgang derselben um einen Faktor von zwei. Durch Kaskadieren
einer Reihe von n (beispielsweise 3) kongruenten Laminatoren, kann
die maximale Schichtdicke um einen Faktor von 2–n (8)
reduziert werden, um die Mischzeit tD für ein nachfolgendes
diffusives Mischen um einen Faktor von 2–2n (64)
zu reduzieren. Um Teilkanäle
mit einem hohen Aspektverhältnis
zu verhindern, können die
in 5b gezeigten, die Teilkanäle definierenden Rippen 90 mit
einer größeren Breite
ausgestaltet werden, ohne den Laminierungsmechanismus zu stören.By the in 5b As shown, the thickness of the liquid layers decreases from the entrance of the sub-channels to the exit thereof by a factor of two. By cascading a series of n (for example, 3) congruent laminators, the maximum layer thickness can be reduced by a factor of 2 -n (8) to reduce the mixing time t D for subsequent diffusive mixing by a factor of 2 -2n (64). to reduce. In order to prevent sub-channels with a high aspect ratio, the in 5b shown, the sub-channels defining ribs 90 be designed with a larger width, without disturbing the lamination mechanism.
Bei
den in den 5a und 5b gezeigten Ausführungsbeispielen
kann sich der Kanalauslass im erfindungsgemäßen Sinn sowohl an dem Kanalabschnitt
befinden, an dem die Teilkanäle
jeweils wieder vereinigt werden, als auch am Ende einer bestimmten
Länge des
zweiten gemeinsamen Kanalabschnitts 50 bzw. 76.
Unter den Ausdrücken
Kanaleinlass und Kanalauslass sind somit erfindungsgemäß jeweilige
Kanalabschnitte zu verstehen, an denen die jeweiligen Fluidanordnungen
vorliegen. Derartige Kanalabschnitte sind nicht auf solche begrenzt,
an denen der Kanal tatsächlich
beginnt oder endet, sondern vielmehr können an den Kanaleinlass bzw.
Kanalauslass weitere Kanalabschnitte, die andere Kanalgeometrien
aufweisen können,
anschließen.In the in the 5a and 5b In the exemplary embodiments shown, the channel outlet may, in the sense according to the invention, be located both at the channel section at which the partial channels are reunited in each case, and at the end of a specific length of the second common channel section 50 respectively. 76 , The terms channel inlet and channel outlet are thus according to the invention to be understood as meaning respective channel sections on which the respective fluid arrangements are present. Such channel sections are not limited to those at which the channel actually starts or ends, but rather can connect to the channel inlet or channel outlet further channel sections, which may have other channel geometries.
Eine
Implementierung eines Fluidkanals mit vier Teilkanälen, wie
er in der Oberfläche
einer Rotationsscheibe gebildet sein kann, ist in 6 dargestellt.
Da es sich bei dem in 6 gezeigten Fluidkanal um eine
praktische Rea lisierung des in 5a schematisch
gezeigten Fluidkanals handeln kann, sind in 6 gleiche
Elemente wie in 5a mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet. Um den Kanal zu bilden, sind in der Oberfläche einer
Rotationsscheibe 100 Ausnehmungen gebildet, die den ersten Kanalabschnitt 42,
die Teilkanäle 46a–46d und
den zweiten gemeinsamen Kanalabschnitt 50 definieren. Die
Teilkanäle 46a–46d sind
dabei durch jeweilige Stege 102 definiert, die eine Breite
aufweisen können,
um ein niedriges Aspektverhältnis
der Teilkanäle zu
realisieren.An implementation of a fluid channel having four sub-channels, as may be formed in the surface of a rotary disc, is shown in FIG 6 shown. Since it is the in 6 shown fluid channel to a practical rea lization of in 5a can be schematically shown fluid channel are in 6 same elements as in 5a denoted by the same reference numerals. To form the channel are in the surface of a rotation disk 100 Recesses formed, which are the first channel section 42 , the subchannels 46a - 46d and the second common channel section 50 define. The subchannels 46a - 46d are here by respective bars 102 defined, which may have a width to realize a low aspect ratio of the sub-channels.
Die
Kanalgeometrie der in 6 gezeigten Fluidikstruktur
kann wiederum von der Art sein, dass die Bezug nehmend auf 5a beschriebene
Multilaminierung nach der zweiten Verzweigung 48 erhalten
wird.The channel geometry of in 6 In turn, the fluidic structure shown may be of the type that the reference to 5a described multilamination after the second branch 48 is obtained.
Zur
Erzeugung einer solchen laminierten Struktur beispielsweise beim
Mischen zweier Tinten unterschiedlicher Farben, die am Kanaleinlass 52 zugeführt werden,
können
die Kanalgeometrien beispielsweise wie folgt sein:
Tiefe der
Kanäle
in der Platte 100: 150 μm;
Breite
des Kanalabschnitts 42: 680 μm;
Länge des Kanalabschnitts 42:
etwa 8 mm;
Länge
der Teilkanäle
etwa 8,4 mm;
Breite des gemeinsamen Kanalabschnitts 50:
etwa 480 μm;
Breite
der Teilkanäle
etwa 250 μm.To produce such a laminated structure, for example, when mixing two inks of different colors at the channel inlet 52 For example, the channel geometries may be as follows:
Depth of the channels in the plate 100 : 150 μm;
Width of the channel section 42 : 680 μm;
Length of the channel section 42 : about 8 mm;
Length of the sub-channels about 8.4 mm;
Width of the common channel section 50 : about 480 μm;
Width of the sub-channels about 250 microns.
Wie
in 6 zu erkennen ist, kann die Kanalstruktur durch
das Erzeugen von Ausnehmungen in der Oberfläche eines Rotationskörpers gebildet sein.
Der Rotationskörper
kann dabei beispielsweise eine Scheibe aus Kunststoff, Glas oder
Silizium sein, wobei die Kanalstrukturen durch Ätzen, Ritzen, Laserbehandlung
oder dergleichen auf beliebige bekannte Weise erzeugt werden können. Die
erfindungsgemäß verwendeten
Kanalstrukturen stellen somit sogenannte 2,5-dimensionale Mikrokanäle dar, die
auf einfache Weise in der Oberfläche
eines Rotationskörpers
gebildet werden können.As in 6 can be seen, the channel structure may be formed by the production of recesses in the surface of a rotating body. The rotational body can be, for example, a disc made of plastic, glass or silicon, wherein the channel structures can be produced by etching, scribing, laser treatment or the like in any known manner. The channel structures used in the invention provide Thus, so-called 2.5-dimensional microchannels that can be easily formed in the surface of a rotating body.
Der
Ausdruck 2,5-dimensional steht dafür, dass in der dritten Dimension
nur die Tiefe manipuliert wird, nicht jedoch in unterschiedlichen
Ebenen verlaufende Kanäle
erzeugt werden müssen.Of the
Expression 2.5-dimensional stands for that in the third dimension
only the depth is manipulated, but not in different
Layers running channels
must be generated.
Aus
der in 6 gezeigten Oberflächenstruktur kann die fertige
Kanalstruktur dann erzeugt werden, indem auf die Oberfläche, in
der die Ausnehmungen gebildet sind, ein Deckel aufgebracht wird, beispielsweise
durch Kleben oder Bonden. Die Flüssigkeitszufuhr
bzw. Abfuhr in bzw. aus den Kanalstrukturen kann dann durch die
am Rand verbleibenden Öffnungen
erfolgen. Alternativ können
in dem Deckel (oder auch in dem Rotationskörper 100) Öffnungen
vorgesehen werden, durch die die Flüssigkeiten in und aus der Kanalstruktur
gelangen können.From the in 6 The surface structure shown, the finished channel structure can then be produced by a lid is applied to the surface in which the recesses are formed, for example by gluing or bonding. The liquid supply or discharge into or out of the channel structures can then take place through the openings remaining at the edge. Alternatively, in the lid (or in the rotating body 100 ) Openings are provided, through which the liquids can get into and out of the channel structure.
Ein
Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels eines
Rotationskörpers
mit darin gebildeten Fluidstrukturen zur Implementierung der vorliegenden
Erfindung ist in 7 gezeigt. In dem Rotationskörper ist
ein Fluidkanal 120 gebildet, der beispielsweise eine der
oben beschriebenen Formen aufweisen kann. Der Auslass der Fluidkanals 120 ist
mit einem Auslassreservoir 122 fluidmäßig verbunden. Das Auslassreservoir 122 ist
als umlaufender Ring in einer Scheibe 124, die als Rotationskörper dient
und die Form einer Kompaktdisk (CD) aufweisen kann, gebildet. Der
Fluideinlass des Fluidkanals 120 ist (über Teilkanäle 126a, 126b)
mit einem ersten Einlassreservoir 128 und einem zweiten
Einlassreservoir 130 verbunden. Befindet sich in dem Einlassreservoir 128 die
Flüssigkeit
A und in dem Einlassreservoir 130 die Flüssigkeit
B, so kann durch die in 7 gezeigte Anordnung im Einlass
des Fluidkanals 120 eine horizontale AB-Anordnung (wie sie beispielsweise bei 54 in 5a gezeigt
ist) erzeugt werden.A section of an embodiment of a rotary body having fluid structures formed therein for implementing the present invention is shown in FIG 7 shown. In the rotary body is a fluid channel 120 formed, which may have, for example, one of the forms described above. The outlet of the fluid channel 120 is with an outlet reservoir 122 fluidly connected. The outlet reservoir 122 is as a circumferential ring in a disk 124 , which serves as a body of revolution and may have the form of a compact disk (CD) formed. The fluid inlet of the fluid channel 120 is (via subchannels 126a . 126b ) with a first inlet reservoir 128 and a second inlet reservoir 130 connected. Located in the inlet reservoir 128 the liquid A and in the inlet reservoir 130 the liquid B, so can through the in 7 shown arrangement in the inlet of the fluid channel 120 a horizontal AB arrangement (such as in 54 in 5a shown).
Die
Scheibe 124 besitzt bei dem gezeigten Beispiel ein mittiges
Loch 132, durch das die Scheibe 124 auf einer
Antriebseinrichtung plaziert werden kann, um die Scheibe nach Art
einer CD mit einer Rotationsgeschwindigkeit zu beaufschlagen.The disc 124 has in the example shown a central hole 132 through which the disc 124 can be placed on a drive device to apply to the disc in the manner of a CD at a rotational speed.
Ein
Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Erzeugen einer Fluidanordnung, die als Coriolis-Mischer bezeichnet
werden kann und beispielsweise als kompaktes Tischgerät für den Laboreinsatz
dienen kann, ist in 8 gezeigt.An exemplary embodiment of an apparatus according to the invention for producing a fluid arrangement, which can be referred to as a Coriolis mixer and can serve, for example, as a compact tabletop unit for laboratory use, is disclosed in US Pat 8th shown.
Der
Mischer umfasst einen Rotationskörper 140 in
Form einer Scheibe, in der Fluidkanäle gebildet sind, wie nachfolgend
Bezug nehmend auf die 9 und 10 näher erläutert wird.
Die Scheibe 140 sitzt auf einem Sockel 142, der
wiederum mit einer Welle 144 eines Antriebsmotors (nicht
gezeigt) verbunden ist. Durch den Antriebsmotor, die Welle 144 und
den Sockel 142 kann der Rotationskörper 140 mit einer
Rotationsgeschwindigkeit ω oder
auch einer Rotationsbeschleunugung dω/dt beaufschlagt werden.The mixer comprises a body of revolution 140 in the form of a disk in which fluid channels are formed, as hereinafter referred to 9 and 10 is explained in more detail. The disc 140 sits on a pedestal 142 , in turn, with a wave 144 a drive motor (not shown) is connected. By the drive motor, the shaft 144 and the pedestal 142 can the rotation body 140 with a rotational speed ω or a Rotationsbeschleunugung dω / dt be applied.
Auf
der von dem Sockel 142 abgewandten Seite des Rotationskörpers befinden
sich ein erstes Flüssigkeitsreservoir 146 für eine Flüssigkeit
A und ein zweites Flüssigkeitsreservoir 148 für eine Flüssigkeit
B. Das erste Flüssigkeitsreservoir 146 ist
kreisförmig
um eine Rotationsachse 150 des Rotationskörpers 140 (die
mit der Rotationsachse des Sockels 142 und der Welle 144 zusammenfällt) gebildet.
Das zweite Flüssigkeitsreservoir 148 ist
konzentrisch um das erste Flüssigkeitsreservoir
A gebildet. Die Flüssigkeitsreservoire 146 und 148 sind
fest an dem Rotationskörper 140 für eine Rotation
mit demselben angebracht.On the from the pedestal 142 opposite side of the rotating body are a first liquid reservoir 146 for a liquid A and a second liquid reservoir 148 for a liquid B. The first liquid reservoir 146 is circular about an axis of rotation 150 of the rotational body 140 (with the rotation axis of the base 142 and the wave 144 coincident). The second fluid reservoir 148 is formed concentrically around the first liquid reservoir A. The liquid reservoirs 146 and 148 are fixed to the rotation body 140 attached for rotation with the same.
Bei
dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die oben
beschriebene Anordnung in einer starren Halteranordnung 152 angeordnet.
Die Halteranordnung 152 weist ein geeignetes Lager auf,
das eine drehbare Lagerung der Welle 144 bzw. des Sockels 142 ermöglicht.
Alternativ ist der Antriebsmotor (nicht gezeigt) in der Halteranordnung 152 angebracht.At the in 8th In the embodiment shown, the arrangement described above is in a rigid holder arrangement 152 arranged. The holder assembly 152 has a suitable bearing, which is a rotatable mounting of the shaft 144 or the base 142 allows. Alternatively, the drive motor (not shown) is in the holder assembly 152 appropriate.
Die
starre Halteranordnung 152 kann, wie schematisch in 8 durch
Pfeile 154 gezeigt ist, Halterungen aufweisen, um ein Auffüllen der
Flüssigkeitsreservoire 146 und 148 durch
bezüglich
der Halteranordnung 152 stationäre Dispenser zu ermöglichen.The rigid holder arrangement 152 can, as shown schematically in 8th through arrows 154 is shown to have mounts to refill the Flüssigkeitsreservoire 146 and 148 with respect to the holder assembly 152 to allow stationary dispensers.
Der
Rotationskörper 140 weist
seitliche Kanalauslässe
auf, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
durch Zentrifugalkugelventile 156 im Ruhezustand verschlossen
sind. Bei Beaufschlagung des Rotationskörpers 140 mit einer
Rotationsgeschwindigkeit werden die Zentrifugalkugelventile durch
die auftretende Zentrifugalkraft geöffnet.The rotation body 140 has lateral channel outlets, which in the embodiment shown by centrifugal ball valves 156 are closed at rest. Upon application of the rotating body 140 at a rotational speed, the centrifugal ball valves are opened by the centrifugal force that occurs.
Die
stationäre
Halteranordnung 152 umfasst ferner eine umlaufende, kreisförmige Seitenwandung 160,
auf die aus den seitlichen Auslassöffnungen des Rotationskörpers 140 austretende
Flüssigkeiten
auftreffen, wie durch Pfeile in 8 angedeutet
ist. Ausgestoßene
Flüssigkeit
läuft an
der Seitenwandung 160 nach unten, wie durch Pfeile 162 in 8 angedeutet
ist. Die nach unten laufende Flüssigkeit
sammelt sich in einem Aufnahmegefäß 164, das Teil der starren
Halteranordnung sein kann.The stationary holder assembly 152 further comprises a circumferential, circular side wall 160 , pointing to the lateral outlet openings of the rotating body 140 emerging fluids impinge, as indicated by arrows in 8th is indicated. Outflowed fluid runs on the side wall 160 down, as by arrows 162 in 8th is indicated. The liquid running down collects in a receptacle 164 that may be part of the rigid holder assembly.
Um
die Temperatur der ausgestoßenen
Flüssigkeiten
exakt steuern zu können,
kann eine Temperiereinrichtung 166 in der Form eines oder
mehrerer Heizelemente oder Kühlelemente
an der Außenseite der
Seitenwandung 160 vorgesehen sein. Die Temperiereinrichtung
kann als umlaufende Temperiereinrichtung ausgebildet sein, um die
Temperatur der umlaufenden Seitenwandung auf eine gewünschte Temperatur
zu steuern.In order to be able to control the temperature of the ejected liquids exactly, a tempering device can be used 166 in the form of one or more heating elements or cooling elements on the outside the side wall 160 be provided. The tempering device may be formed as a circulating tempering device to control the temperature of the circumferential side wall to a desired temperature.
Schematische
Draufsichten auf den Rotationskörper 140 mit
den Flüssigkeitsreservoiren 146 und 148 zur
Erläuterung
des Aufbaus derselben sind in den 9 und 10 gezeigt.
Gemäß 9 ist
in dem Rotationskörper 140 ein
Fluidkanal 170 gebildet, in den über einen ersten und einen
zweiten Teil kanal 172 und 174 Flüssigkeiten
aus den Reservoiren 146 und 148 zuführbar sind,
um am Einlass des Fluidkanals eine horizontale Anordnung der Flüssigkeiten
A und B, wie sie beispielsweise bei 54 in 5a gezeigt
ist, zu bewirken. In dem die Fluidkanäle 170, 172 und 174 abdeckenden
Deckel sind Öffnungen 176 gebildet, über die
die Reservoire 146 und 148 mit den Teilkanälen 172 und 174 fluidmäßig verbunden
sind. Somit ist es möglich,
durch die Reservoire 146 und 148 kontinuierlich
Flüssigkeit
in den Fluidkanal 170 zuzuführen. Ferner ist es möglich, die Fluidreservoire 146 und 148 durch
die Dispenser 154 kontinuierlich mit Flüssigkeiten zu versorgen, so
dass die gezeigte Anordnung einen kontinuierlichen Betrieb ermöglicht.Schematic top views of the rotating body 140 with the liquid reservoirs 146 and 148 to explain the structure of the same are in the 9 and 10 shown. According to 9 is in the rotation body 140 a fluid channel 170 formed, in the over a first and a second part of the channel 172 and 174 Liquids from the reservoirs 146 and 148 be fed to the inlet of the fluid channel, a horizontal arrangement of the liquids A and B, as for example at 54 in 5a is shown to effect. In which the fluid channels 170 . 172 and 174 Covering lids are openings 176 formed over which the reservoirs 146 and 148 with the subchannels 172 and 174 are fluidly connected. Thus it is possible through the reservoirs 146 and 148 continuously liquid in the fluid channel 170 supply. Furthermore, it is possible to use the fluid reservoirs 146 and 148 through the dispensers 154 be continuously supplied with liquids, so that the arrangement shown allows continuous operation.
Der
Fluidkanal 170 weist einen beliebigen Aufbau auf, um ein
Mischen der über
die Teilkanäle 172 und 174 zugeführten Flüssigkeiten
zu bewirken. Beispielsweise kann der Kanal 170 als Einzelkanal mit
entsprechender Kanalgeometrie ausgestaltet sein, wie in 9 gezeigt
ist. Alternativ kann ein Kanal 170' mit einer Mehrzahl von Teilkanälen vorgesehen
sein, wie beispielsweise in 10 gezeigt
ist.The fluid channel 170 has any structure to mix over the subchannels 172 and 174 to bring in supplied liquids. For example, the channel 170 be designed as a single channel with appropriate channel geometry, as in 9 is shown. Alternatively, a channel 170 ' be provided with a plurality of sub-channels, such as in 10 is shown.
Obwohl
in den 9 und 10 jeweils nur ein radial nach
außen
verlaufender Kanal 170 bzw. 170' gezeigt ist, kann zur Erhöhung des
Durchsatzes eine Mehrzahl von radial nach außen verlaufenden Kanälen vorgesehen
sein. Eine schematische Darstellung eines Rotationskörpers 140 mit
einer solchen Mehrzahl von radial nach außen verlaufenden Fluidkanälen ist
in 11 gezeigt.Although in the 9 and 10 only one radially outwardly extending channel 170 respectively. 170 ' is shown, may be provided to increase the throughput, a plurality of radially outwardly extending channels. A schematic representation of a rotating body 140 with such a plurality of radially outwardly extending fluid channels is in 11 shown.
Im
Betrieb des Coriolis-Mischers, der in 8 gezeigt
ist, wird der Rotationskörper 140 über den
Sockel 142 und die Welle 144 mit einer Rotationsgeschwindigkeit ω bzw. Rotationsbeschleunigung
dω/dt beaufschlagt.
Es wurde herausgefunden, dass es zum Erreichen eines transversalen
Mischens unter Verwendung der Coriolis-Kraft, wie es erfindungsgemäß genutzt
wird, vorzugsweise eine Rotationsge schwindigkeit von mehr als 100
rad s–1 verwendet
wird, wo die Coriolis-Kraft vorherrscht.In operation of the Coriolis mixer used in 8th is shown, the rotational body 140 over the pedestal 142 and the wave 144 with a rotational speed ω and rotational acceleration dω / dt acted upon. It has been found that to achieve transverse mixing using the Coriolis force as utilized in the present invention, it is preferred to use a rotational speed greater than 100 rad s -1 where the Coriolis force prevails.
Aus
den Flüssigkeitsreservoiren 146 und 148 gelangen
die Flüssigkeiten
A und B über
die Öffnungen 176 durch
Gravitationskraft 180 (8) in die
Teilkanäle 172 und 174,
wo sie durch die aufgrund der Rotationsgeschwindigkeit ω herrschende Zentrifugalkraft
nach außen
getrieben werden. Von dort werden sie durch die Zentrifugalkraft
in die Fluidkanäle 170 bzw. 170' getrieben,
wo aufgrund der ebenfalls vorherrschenden Coriolis-Kraft ein Mischen der
Flüssigkeit
A und B stattfindet. Schließlich
verlassen die Flüssigkeiten
den Rotationskörper 140 an den
seitlichen Auslässen
desselben und treffen auf die Wandung 160, an der sie in
einem dünnen
Film herunterlaufen. Da die gemischten Flüssigkeiten in einem dünnen Film
an der Wandung 160 hinunterlaufen, kann durch die Temperiereinrichtung 166 eine homogene
Temperaturverteilung in diesen Flüssigkeiten erreicht werden.
Schließlich
werden die gemischten Flüssigkeiten
in dem Aufnahmegefäß 164 gesammelt.From the liquid reservoirs 146 and 148 the liquids A and B pass over the openings 176 by gravitational force 180 ( 8th ) into the subchannels 172 and 174 where they are driven by the prevailing due to the rotational speed ω centrifugal force to the outside. From there, they are forced into the fluid channels by the centrifugal force 170 respectively. 170 ' driven, where due to the also prevailing Coriolis force mixing of the liquid A and B takes place. Finally, the fluids leave the body of revolution 140 at the side outlets of the same and hit the wall 160 where they run down in a thin movie. Because the mixed fluids in a thin film on the wall 160 can run down through the tempering device 166 a homogeneous temperature distribution can be achieved in these fluids. Finally, the mixed liquids in the receptacle 164 collected.
Der
in 8 gezeigte Coriolis-Mischer kann beispielsweise
als kompaktes Tischgerät
für den
Laboreinsatz dienen und zeichnet sich durch eine extrem schnelle
Durchmischung von Reaktanden miteinander aus. Für die chemische Prozesstechnik könnte er
mit Kühl-
oder Wärmeelementen
kontaktiert werden, womit sich besonders in Mikrostrukturen die
Temperatur der Reaktanden sehr präzise und zeitnah einstellen
lässt.
Beispielsweise ist es denkbar, eine Kühl- oder Heiz-Einrichtung durch
eine Scheibe zu realisieren, auf der die Scheibe des Rotationskörpers 140 sitzt,
wobei diese Heizscheibe bzw. Kühlscheibe
auf die Temperatur gebracht wird, auf die die Flüssigkeiten bzw. Reaktanden
in dem Rotationskörper 140 gebracht
werden sollen. Diese Temperierscheibe könnte Fluidikstrukturen für Temperierflüssigkeiten
oder Temperiergase aufweisen und könnte für eine Rotation mit dem Rotationskörper 140 angeordnet
sein. Dadurch können
die Temperierflüssigkeiten
bzw. Temperiergase ebenfalls durch die Zentrifugalkraft durch die
Temperierscheibe gefördert werden.
Alternativ können
entsprechende Temperierkanäle
auf dem Sockel 142 vorgesehen sein. Die Aufenthaltszeit
der Flüssigkeit
kann durch azimutale Kanalsegmente, in denen die Coriolis-Kraft
ebenfalls, zusätzlich
zur Zentrigugalkraft, transversal zum Kanal anliegt, verlängert werden.The in 8th For example, the Coriolis mixer shown can be used as a compact bench-top device for laboratory use and is characterized by its extremely fast mixing of reactants. For the chemical process technology, it could be contacted with cooling or heating elements, which allows the temperature of the reactants to be set very precisely and promptly, particularly in microstructures. For example, it is conceivable to realize a cooling or heating device by a disk on which the disk of the rotating body 140 sits, said heating disk or cooling disk is brought to the temperature to which the liquids or reactants in the rotary body 140 to be brought. This tempering disk could have fluidic structures for tempering liquids or tempering gases and could be used for rotation with the rotation body 140 be arranged. As a result, the tempering liquids or tempering gases can likewise be conveyed through the tempering disk by the centrifugal force. Alternatively, appropriate temperature control channels on the base 142 be provided. The residence time of the liquid can be increased by azimuthal channel segments in which the Coriolis force also, in addition to the Zentrigugalkraft, transversely to the channel abuts.
Da
bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen
und Verfahren der Mischvorgang über
ein Kraftfeld induziert wird, welches sich über den gesamten Kanal erstreckt,
lässt sich
tendenziell die Homogenität
der Durchmischung gegenüber
einem punktuell agierenden Aktor verbessern. Darüber hinaus stellt die Zentrifugalkraft
eine Volumenkraft dar und erlaubt somit bei gegebenem Strukturquerschnitt
gegenüber einem
druckgetriebenen Fluss höhere
Flussraten. Wie Bezug nehmend auf 11 angesprochen
wurde, lässt
sich der Gesamtdurchsatz durch Parallelisierung über die Anordnung der Kanalstrukturen symmetrisch
zum Rotationszentrum ähnlich
wie den Speichen eines Rades leicht erhöhen. Dabei können alle
parallelen Kanäle
mit der gleichen „Pumpe", nämlich dem
Rotationsmotor, angetrieben werden. Das erfindungsgemäß verwendete
zentrifugale Pumpantrieb erfordert keine fluidische Anbindung an
eine Pumpe.Since the mixing process is induced in the devices and methods of the invention via a force field which extends over the entire channel, the homogeneity of the mixing tends to improve over a point-acting actuator. In addition, the centrifugal force represents a volume force and thus allows higher flow rates with a given structural cross-section compared to a pressure-driven flow. As referring to 11 was addressed, the total throughput can be increased by parallelization on the arrangement of the channel structures symmetrical to the center of rotation similar to the spokes of a wheel easily. It can all parallel channels are driven by the same "pump", namely the rotary motor The centrifugal pump drive used according to the invention does not require a fluidic connection to a pump.
Für die erfindungsgemäßen Verfahren
und Vorrichtungen genügen
als Kanalstrukturen im Prinzip einfache radiale Kanäle mit geringen
Aspektverhältnissen,
welche mikrotechnologisch einfach herzustellen sind und damit für eine kostengünstige Massenfabrikation
zugänglich
sind. Somit kann die Mischstruktur als ein Einweg-Modul mit einem
wieder verwendbaren Drehmotor ausgelegt werden. In Mikrostrukturen
ist das Strömungsverhalten
laminar und Aktoren sind schwer und nur teuer zu integrieren. Die
Zentrifugalkraft bietet hier eine einzigartige Möglichkeit, Energie für die Durchmischung
ohne integrierte Aktoren in die Fluide einkoppeln zu können. Das
laminare Verhalten in Mikrostrukturen sorgt ferner für sehr gut
reproduzierbare Mischergebnisse. Die Temperaturen der Flüssigkeiten
in Mikrokanälen können sehr
schnell regu liert werden. Die geringen Volumina in Mikrokanälen reduzieren
ferner das Risiko von unkontrollierten Reaktionen, wie beispielsweise
Explosionen. Ferner bedeuten die geringen Kanalvolumina von Mikrokanälen geringe
Totvolumina.For the inventive method
and devices suffice
as channel structures in principle simple radial channels with low
Aspect ratios,
which are microtechnologically easy to manufacture and thus for a cost-effective mass production
accessible
are. Thus, the blending structure can be used as a disposable module with a
reusable rotary motor are designed. In microstructures
is the flow behavior
laminar and actuators are heavy and only expensive to integrate. The
Centrifugal force here provides a unique way of energy for mixing
to be able to couple into the fluids without integrated actuators. The
laminar behavior in microstructures also ensures very good
reproducible mixing results. The temperatures of the liquids
in micro channels can be very
be quickly regulated. Reduce the low volumes in microchannels
Furthermore, the risk of uncontrolled reactions, such as
Explosions. Furthermore, the small channel volumes of microchannels mean low
Dead volumes.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen
zum Erzeugen einer Fluidanordnung, d. h. erfindungsgemäße Mischer,
können
weitere Ausstattungen aufweisen. Zu nennen sind hier insbesondere
die bereits angesprochenen Heiz- oder Kühlelemente, durch die die Temperatur
der Edukte und Produkte präzise
eingestellt werden kann. Ferner kann eine Einrichtung zur Druckbeaufschlagung
der, vorzugsweise zylindersymmetrischen, Reservoire, aus welchen
die Edukte über
die Schwerkraft und den Sog des stromabwärts zentrifugal ausgetriebenen
Fluids in die Kanäle
getrieben werden, vorgesehen sein, um eine Anpassung an verschiedene
Viskositäten
oder Flussraten der Edukte zu liefern. Schließlich können integrierte Flusssensoren
zur Überwachung
vorgesehen sein. Schließlich
können
statt den angesprochenen zentrifugal gesteuerten Kugelventilen an
den Austrittsöffnungen
der Kanäle
falls erforderlich andere Ventile vorgesehen sein, die im Ruhezustand
ein Austreten von Flüssigkeiten
verhindern, während
sie es im Betrieb ermöglichen.Devices according to the invention
for producing a fluid arrangement, i. H. inventive mixer,
can
have further equipment. To name here are in particular
the already mentioned heating or cooling elements, through which the temperature
the educts and products precise
can be adjusted. Furthermore, a device for pressurizing
the, preferably cylindrically symmetric, reservoirs, from which
the educts over
the gravity and the suction of the downstream centrifugally expelled
Fluids in the channels
be provided to adapt to different
viscosities
or to provide flow rates of the reactants. Finally, integrated flow sensors
for monitoring
be provided. After all
can
instead of the mentioned centrifugally controlled ball valves
the outlet openings
of the channels
if necessary, other valves may be provided which are at rest
leakage of liquids
prevent while
they enable it in operation.
Die
vorliegende Erfindung schafft Vorrichtungen und Verfahren zum Mischen
von Fluiden, die zum einen mit einem einfachen Aufbau auskommen und
zum anderen einen hohen Durchsatz und ein gutes Durchmischen der
Fluide ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung ist dabei nicht auf das Mischen von zwei
Fluiden begrenzt, wobei die hierin beschriebenen Systeme für einen
Fachmann nachvollziehbar ohne weiteres erweitert werden können, um
mehr als zwei Fluide zu mischen. Insbesondere die Realisierung eines
Fluidkanals mit einer Mehrzahl von n Teilkanälen, die fluidisch parallel
geschaltet sind ermöglichen
eine 2n-fache Multilaminierung, was die diffusive Mischzeit bezüglich einen
ankommenden AB-Musters um einen Faktor von n2 reduziert.
Bei einer Anzahl von zehn parallelen Kanälen ergibt sich somit beispielsweise
eine Reduzierung der diffusiven Mischzeit um den Faktor 100. Erfindungsgemäß kann somit
eine Mischgeschwindigkeit erreicht werden, die vergleichbar mit üblichen
LIGA-Mikromischern ist, die eine Multilaminierung durch einen druckgetriebenen
Fluss verwenden. Jedoch ist erfindungsgemäß die Herstellung stark vereinfacht,
da keine hohen Aspektverhältnisse
erforderlich sind, um den Flusswiderstand zu minimieren, und da
keine dreidimensionalen Führungsstrukturen
benötigt
werden, um Split-und-Rekombine-Flußschemata zu implementieren.
Die Komplexität
des erfindungsgemäßen Systems
ist ferner reduziert, da die zentrifugale Volumenkraft eine immanente
Pumpe liefert.The present invention provides devices and methods for mixing fluids which, on the one hand, manage with a simple structure and, on the other hand, enable high throughput and thorough mixing of the fluids. The present invention is not limited to mixing two fluids, and the systems described herein may be readily understood by one skilled in the art to mix more than two fluids. In particular, the realization of a fluid channel with a plurality of n subchannels, which are connected in fluidic parallel, allow a 2n-fold multilamination, which reduces the diffusive mixing time with respect to an incoming AB pattern by a factor of n 2 . Thus, for example, a number of ten parallel channels results in a reduction of the diffusive mixing time by a factor of 100. According to the invention, a mixing speed comparable to conventional LIGA micromixers using multilamination by a pressure-driven flow can thus be achieved. However, according to the invention, fabrication is greatly simplified because no high aspect ratios are required to minimize flow resistance, and no three-dimensional guiding structures are needed to implement split-and-recombine flow schemes. The complexity of the system according to the invention is further reduced because the centrifugal volume force provides an inherent pump.
