DE19536858C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Transport eines Fluids durch einen Kanal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Transport ei­ nes Fluids durch einen Kanal, der durch Umfangswände begrenzt ist, und eine Vorrichtung zum Transport eines Fluids und eines Hilfsfluids durch einen Kanal, der durch Umfangswände begrenzt ist, mit mindestens einem Kombinationspunkt, der mit einer Eingangskanalanordnung mit mindestens zwei Eingangskanälen und einer Ausgangs­ kanalanordnung verbunden ist.

Fluide, also Flüssigkeiten und Gase, müssen gelegent­ lich durch Kanäle transportiert werden. Als Beispiel soll hier eine Analysevorrichtung verwendet werden, wo das Fluid durch einen Reaktionskanal zu einem Detektor geführt werden muß. Am Anfang des Reaktionskanals ist ein Mischpunkt angeordnet, in dem eine Probe mit einem Reagenz gemischt wird, die dann zusammen das Fluid bil­ den. In dem Fluid laufen chemische Reaktionen ab. Das Reaktionsprodukt wird in dem Detektor erfaßt.

Bei einigen Reaktionen können nun Reaktionsprodukte entstehen, die sich nachteilig auf die Wände des Reak­ tionskanals oder sogar des Detektors auswirken können. Ein anderes Problem besteht darin, daß das Fluid durch Rückstände eines vorher durch den Reaktionskanal und den Detektor geleitenden Fluids verunreinigt werden kann.

DE-AS 17 56 331 beschreibt eine Einsatzvorrichtung für Rohrleitungen und ein Verfahren zum einleiten von Flüs­ sigkeiten in Rohrleitungen, bei dem eine Nutzflüssig­ keit mit einer relativ hohen Viskosität, beispielsweise Öl, von einer Flüssigkeit mit einer niedrigeren Visko­ sität, beispielsweise Wasser, umgeben wird, um die Rei­ bung zwischen dem Öl und der Rohrleitungswand herabzu­ setzen. Hierbei wird die Nutzflüssigkeit über ein zen­ trales Zuführrohr in eine Kammer eingespeist, die von einem ringförmigen Zuführungskanal für die Hilfsflüs­ sigkeit konzentrisch umgeben ist. Die Wand zwischen der Mündung des Zuführungsrohres für die Hilfs­ flüssigkeit und der Rohrleitung bildet ein konisches, zur Rohrleitung enger werdendes Verbindungsstück. Die Querschnittsfläche des Zuführrohres ist um mindestens 50% größer als die Querschnittsfläche der Rohrleitung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Transport eines Fluids durch einen Kanal zu ermögli­ chen, ohne daß die Umfangswände und das Fluid sich ge­ genseitig negativ beeinflussen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen dem Fluid und den Umfangswänden ein als Isolationsschicht ausge­ bildetes Hilfsfluid angeordnet ist, welches eine gegen­ seitige negative Beeinflussung zwischen Fluid und Um­ fangswänden verhindert.

Das Fluid wird also von den Umfangswänden fern gehal­ ten. Eine Berührung zwischen dem Fluid und den Umfangs­ wänden erfolgt nicht. Damit ist eine gegenseitige Be­ einflussung zumindest weitgehend ausgeschlossen. Natür­ lich wird bei zwei aneinander anliegenden Fluiden immer eine gegenseitige Durchdringung der beiden Fluide er­ folgen, beispielsweise durch einen Konzentrationsaus­ gleich, d. h. eine Diffusion. Es wird aber eine gewisse Zeit dauern, bis das Fluid das Hilfsfluid soweit durch­ drungen hat, daß es mit den Umfangswänden des Kanals in Berührung kommt bzw. von den Umfangswänden des Kanals irgendwelche negativen Beeinflussungen erfahren kann. Die Anordnung des Hilfsfluids zwischen dem Fluid und den Umfangswänden reicht also für eine gewisse Zeit aus, um eine Berührung zwischen Fluid und den Umfangs­ wänden auszuschließen. Das "eingekapselte" Fluid kann Partikel, Zellen oder große Moleküle aufweisen, die den Kanal verstopfen könnten, wenn das Fluid nicht in einem Hilfsfluid eingekapselt ist. Das eingekapselte Fluid kann einen höheren optischen Brechungsindex als das umgebende Hilfsfluid aufweisen, wobei Licht dem einge­ kapselten Fluid zugeführt werden kann. Dies kann man z. B. für eine optische Analyse des eingekapselten Fluids ausnutzen. Eine optische Messung länglich des Kanals ist ebenfalls möglich.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß das Hilfsfluid und das Fluid in einer laminaren Strömung gemeinsam durch den Kanal bewegt werden. Bei einer laminaren Strömung bleiben einzelne "Schichten" von Fluid und Hilfsfluid in ihrer ursprünglichen Anordnung weitgehend erhalten. Eine Verwirbelung findet nicht statt. Die einzige Ände­ rung, die sich ergibt, besteht darin, daß bei einer laminaren Strömung das Fluid in der Mitte des Kanals schneller als am Rande fließt. Es ergibt sich dabei das charakteristische Strömungsprofil mit einer vorstehen­ den Spitze. Im übrigen bleibt aber das Fluid durch das Hilfsfluid von den Wänden des Kanals getrennt.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vor­ gesehen, daß man das Fluid und das Hilfsfluid vor dem Eintritt in den Kanal parallel zueinander ausrichtet und daß man sie solange getrennt voneinander hält, bis ihre Strömungen der Richtung nach praktisch überein­ stimmen und sie erst dann zur Anlage aneinander bringt. Bei dieser Vorgehensweise werden die beiden Fluidströme sozusagen aufeinander laminiert. Die beiden Fluide le­ gen sich also glatt aneinander an, ohne daß es zu Ver­ wirbelungen kommt. Zwar wird es zu einer Vermischung der beiden Fluide durch Diffusion, also durch einen Konzentrationsausgleich im Bereich ihrer Berührungsflä­ chen kommen. Da aber die Berührungsfläche relativ klar vorherbestimmbar ist und auch die Dicke der einzelnen Fluidströme bekannt ist, kann man im vorhinein ermit­ teln, z. B. durch Abschätzen oder Berechnen, wie lange es dauert, bis das Fluid das Hilfsfluid vollständig durchdrungen hat und somit mit den Wänden des Kanals in Berührung kommt.

Auch ist bevorzugt, daß man die Strömungsgeschwindig­ keit von Fluid und Hilfsfluid zumindest im Bereich ih­ rer einander benachbarten Grenzflächen einander an­ gleicht und daß man sie solange getrennt voneinander hält, bis diese Strömungsgeschwindigkeiten auch dem Betrage nach übereinstimmen und sie erst dann zur An­ lage aneinander bringt. Da die beiden Fluidströme mit gleicher Richtung und der gleichen Geschwindigkeit zu­ sammentreffen, ergibt sich im Moment des Zusammentref­ fens keine Relativbewegung zwischen den beiden Strömen.

Auch ist bevorzugt, daß man dem Fluid einen Strömungs­ querschnitt vermittelt, der die Form eines Polygons aufweist, und daß man das Hilfsfluid an alle Seiten anlegt. Der Querschnitt läßt sich beispielsweise da­ durch erzeugen, daß man das Fluid durch einen Kanal leitet, der eben diesen Querschnitt aufweist. Aufgrund der Ausbildung als Polygon wird das Fluid nur von ebe­ nen Flächen begrenzt. An diese ebenen Flächen läßt sich das Hilfsfluid problemlos anlegen oder auflaminieren, so daß hierdurch keine Verwirbelungen entstehen. Auch werden Komponenten der Fluidströmung, die nicht paral­ lel zur Strömungsrichtung gerichtet sind, vermieden.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß das Polygon als Rechteck ausgebildet ist. Nach dem Laminieren zweier gegenüberliegender Seiten des Fluids mit Hilfslfuid steht dann immer noch ein Rechteck zur Verfügung, al­ lerdings mit einer vergrößerten Dicke, so daß es rela­ tiv einfach ist, an die verbleibenden freien Seiten des Fluids wiederum Hilfsfluid anzubringen, ohne daß eine Störung aufgrund von vorstehenden Strömungsabschnitten oder ähnlichem zu befürchten wäre.

Vorzugsweise werden gleichzeitig immer zwei gegenüber­ liegende Seiten des Strömungsquerschnitts mit Hilfs­ fluid versehen. Bei dem vorgestellten Verfahren ist es nicht nur möglich, zwei Fluide, nämlich das Fluid und das Hilfsfluid, aneinander zur Anlage zu bringen. Die gleiche Verfahrensweise läßt sich auch mit drei Fluid­ strömen durchführen, so daß das Fluid gleichzeitig von oben und unten bzw. von links und rechts mit Hilfsfluid belegt wird. Eine derartige Vorgehensweise verkürzt die Strömungslänge, die notwendig ist, um das Fluid einzu­ kapseln.

In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß man das Hilfsfluid nur von zwei gegenüberlie­ genden Seiten an das Fluid zur Anlage bringt, wobei das Fluid quer zur Strömungsrichtung eine geringere Breite als das Hilfsfluid aufweist. In diesem Fall werden sich die überstehenden Ränder des Hilfsfluids über das Fluid vorschieben und so gegenseitig zur Anlage kommen. Al­ lerdings wird auch das Fluid sich seitlich ausdehnen, so daß eine derartige Vorgehensweise immer dann möglich ist, wenn das Fluid eine geringe Dicke aufweist und die Überstände des Hilfsfluids groß sind, d. h. die Breite des Hilfslfuids wesentlich größer als die Breite des Fluids ist.

Vorzugsweise werden das Fluid und das Hilfsfluid im Hinblick auf ihre physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere Diffusion, optischer Index und/oder elektrische Eigenschaften, aneinander ange­ paßt. Eine derartige Abstimmung von Fluid und Hilfs­ fluid aufeinander läßt sich dann bei nachfolgenden Ana­ lysen des Fluids oder seiner Bestandteile ausnutzen, um bessere oder schnellere Ergebnisse zu erzielen.

Auch ist bevorzugt, daß der Druck über das Fluid und der Druck über das Hilfsfluid gleich gehalten werden. Hierdurch läßt sich auf relativ einfache Art und Weise sicherstellen, daß das Produkt aus Geschwindigkeit und Strömungsquerschnitt von Fluid und Hilfsfluid so anein­ ander angepaßt werden, daß ein Laminieren von Fluid und Hilfsfluid aneinander problemlos möglich ist. Wenn der Druck über Fluid und Hilfsfluid gleich ist und die son­ stigen Flußverhältnisse identisch sind, wird die Ge­ schwindigkeit für beide Komponenten gleich sein.

Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung der ein­ gangs genannten Art gelöst und zwar dadurch, daß die Eingangskanäle zumindest in einem dem Kombinationspunkt vorgelagerten Abschnitt parallel zueinander in versetz­ ten Ebenen geführt sind, daß die Eingangskanäle im Kom­ binationspunkt parallel zueinander in die gleiche Rich­ tung verlaufen und daß ein Trennelement vorgesehen ist, das sich bis in einen Bereich des Kombinationspunkts erstreckt, in dem die Eingangskanäle parallel zueinan­ der verlaufen.

Mit einer derartigen Vorrichtung werden die beiden Fluidströme sozusagen aufeinander laminiert. Sie tref­ fen im Kombinationspunkt mit der gleichen Richtung und der gleichen Geschwindigkeit zusammen. Sobald das Trennelement aufhört, legen sich die beiden Fluidströme glatt aneinander an und es entsteht eine Grenzfläche. Durch die Grenzfläche kann zwar eine Mischung des Fluids mit dem Hilfsfluid durch Diffusion erfolgen. Das Diffusionsverhalten der beiden Fluide ist aber bekannt oder bestimmbar. Aufgrund der Ausbildung der Vorrich­ tung ist auch die Diffusionsfläche, die ein wesentli­ cher Faktor bei dem Ablauf der Diffusion ist, bekannt.

Die Diffusionsfläche entspricht der Fläche des Aus­ gangskanals, in der auch das Trennelement liegt. Eine Verwirbelung der beiden Fluide unterbleibt. Man kann daher recht zuverlässig vorhersagen, wie lange das Fluid von den Umfangswänden des Kanals ferngehalten wird.

Mit Vorteil ist die Ausgangskanalanordnung in die glei­ che Richtung wie die Eingangskanäle gerichtet. Die Fluide durchströmen also die Vorrichtung im wesentli­ chen in eine Hauptrichtung. Größere Umlenkungen können vermieden werden, weil dort immer die Gefahr besteht, daß die Diffusionsfläche nicht mehr genau genug be­ stimmbar ist und Verwirbelungen auftreten. Kleinere Richtungsänderungen können hingegen zugelassen werden.

Das Trennelement ist vorzugsweise als flache Platte ausgebildet. Beim Aneinanderanlegen der beiden Fluide entstehen dann keine merkbaren Stufen, die zu einer Störung beim Laminieren der beiden Fluide aneinander führen könnten.

Hierbei ist bevorzugt, daß das Trennelement Durchbrüche aufweist, die wesentlich kleiner als die den Eingangs­ kanälen ausgesetzte Fläche des Trennelementes sind. Trotz der Durchbrüche wird also eine Strömung der Flui­ de erzwungen und beibehalten, bis die Fluide die glei­ che Richtung und gegebenenfalls die gleiche Strömungs­ geschwindigkeit haben. Mit den Durchbrüchen wird aber die Fertigung der Vorrichtung wesentlich vereinfacht. Man kann beispielsweise einen Eingangskanal durch das Trennelement hindurch bearbeiten.

Vorzugsweise weist ein Flüssigkeitspfad einen Verlauf in einer Ebene von mindestens einem Eingangskanal zur Ausgangskanalanordnung auf. Dies vereinfacht die Ferti­ gung. Ein derartiger Kanal kann leicht in einer Fläche eines Bauelements gefertigt werden.

Vorteilhafterweise besteht die Vorrichtung aus einem Unterteil, in dem Teile der Eingangskanalanordnung, Teile des Kombinationspunktes und die Ausgangskananlan­ ordnung als zu einer Verbindungsfläche hin offene Nuten ausgebildet sind, und aus einem Oberteil, das die ver­ bleibenden Teile der Eingangskanalanordnung und die verbleibenden Teile des Kombinationspunkts als Ausneh­ mung aufweist, die teilweise durch das Trennelement abgedeckt ist, wobei Oberteil und Unterteil an der Ver­ bindungsfläche aneinander anliegen. Eine derartige Aus­ gestaltung ermöglicht eine einfache Fertigung und einen kompakten Aufbau. Die Ausbildung der Nuten im Unterteil läßt sich mit bekannten Techniken problemlos herstel­ len. In Frage kommen beispielsweise Fräsen, Ätzen oder andere aus dem Bereich der Halbleiter und Mikroelemente bekannte Bearbeitungstechniken. Auch die Herstellung der Ausnehmung im Oberteil ist problemlos möglich. Da nur eine einzige Verbindungsfläche vorhanden ist, ist auch die Abdichtung relativ einfach.

Mit Vorteil ist das Trennelement Teil des Oberteils. Insgesamt liegen also nur noch zwei Teile vor, die ge­ fertigt werden müssen. Auch dann, wenn das Trennelement einstückig mit dem Oberteil ausgebildet ist, ist die Fertigung relativ einfach, weil das Trennelement Durch­ brüche aufweisen kann, durch die hindurch die Ausneh­ mung hergestellt werden kann.

Mit Vorteil weist das Trennelement eine zur Eingangs­ kanalanordnung hinweisende Ausnehmung auf, die konkav oder dreieckförmig ausgebildet ist. Eine derartige Aus­ bildung ermöglicht, daß die beiden Fluide in der Mitte der Kanäle früher zusammentreffen als an den Rändern. Hierbei trägt man der Tatsache Rechnung, daß bei einer laminaren Strömung in der Mitte die Strömungsgeschwin­ digkeit größer als an den Rändern ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorge­ sehen, daß die Eingangskanalanordnung drei Eingangska­ näle aufweist. In diesem Fall ergibt sich die Laminie­ rung von drei Fluidschichten aneinander.

In einer speziellen Ausgestaltung kann hierbei vorgese­ hen sein, daß der mittlere Eingangskanal zumindest im Kombinationspunkt eine geringere Breite als die beiden anderen Eingangskanäle aufweist. Hierbei ergibt sich nun die Möglichkeit, daß das Fluid aus dem mittleren Eingangskanal von den beiden Fluiden aus den äußeren Eingangskanälen eingekapselt wird. Dies ist ohne weite­ res einsichtig für die Deckschichten oben und unten, d. h. die beiden Schichten, die in der Ebene liegen, in die die beiden äußeren Eingangskanäle eingespeist ha­ ben. Nachdem aber in der Mitte zwischen diesen beiden Ebenen nur eine kleinere Breite von dem Eingangsfluid aus dem mittleren Eingangskanal abgedeckt ist, werden sich an den beiden äußeren Rändern in Breitenrichtung gesehen die beiden Fluide aus den äußeren Eingangskanä­ len aneinander annähern und zur Anlage kommen. Es ent­ steht hierdurch eine Einkapselung des mittleren Fluides durch die beiden äußeren Fluide.

In einer anderen oder zusätzlichen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß dem Kombinationspunkt eine zusätz­ liche Eingangskanalanordnung mit Kombinationspunkt nachgeschaltet ist, deren Schichtungswirkung um 90° gegenüber dem ersten Kombinationspunkt verdreht ist. In diesem Fall erfolgt eine Laminierung nicht nur von oben und unten, sondern auch von links und rechts, was im Endeffekt den gleichen Effekt hat. Das mittlere Fluid ist dann eingekapselt und kann mit den Wänden des Ka­ nals nicht mehr in Berührung kommen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus­ führungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung be­ schrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Kombinierens zweier Fluide,

Fig. 2 eine schematische perspektivische Explosionsan­ sicht einer Vorrichtung zum Kombinieren zweier Fluide,

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Trennelement,

Fig. 4 eine Darstellung eines Fluidverbund-Aufbaus und,

Fig. 5 einen anderen Fluidverbund im Querschnitt.

Für die folgende Erläuterung werden als Fluide Flüssig­ keiten verwendet. Es können jedoch genauso gut Gase auf die gleiche Art aneinander zur Anlage gebracht werden. Dargestellt ist das "Anlaminieren" eines Hilfsfluids an eine Seite eines Fluids. Um das Fluid in Umfangsrich­ tung vollständig einzuhüllen oder einzukapseln, muß der Vorgang für die anderen Seiten entsprechend wiederholt werden, wobei die "Laminierungsebenen" jeweils um ±90° bzw. 180° gedreht werden müssen. Natürlich kann man auch mehr als zwei Schichten gleichzeitig aneinander zur Anlage bringen.

Fig. 1 zeigt schematisch, wie zwei Flüssigkeiten 1, 2 aneinander zur Anlage gebracht werden. Die Darstellung in Fig. 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Höhe stark übertrieben auseinandergezogen dargestellt. In Wirklichkeit sind die dargestellten Stufen wesent­ lich niedriger. Sie gehen nur unwesentlich über die Höhe h einer Flüsigkeitsschicht bzw. eines Flüssig­ keitsstroms hinaus.

Die zwei Flüssigkeitsströme 1, 2 fließen in getrennten Kanälen, sogenannten Eingangskanäle 3, 4 (siehe Fig. 2), die zusammen eine Eingangskanalanordnung bilden. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, haben die Flüssigkeits­ ströme eine Breite b und eine Höhe h. Am Anfang der Eingangskanäle 3, 4 können beide Ströme 1, 2 in der gleichen Ebene fließen.

Während der Flüssigkeitsstrom 1 in dieser Ebene bleibt und sich nur in soweit verändert, als er etwa um seine halbe Breite seitlich versetzt wird, wird der zweite Flüssigkeitsstrom 2 in eine Ebene geführt, die zu der Ebene des ersten Flüssigkeitsstromes 1 versetzt ist. In dieser Ebene wird der zweite Flüssigkeitsstrom 2 eben­ falls seitlich versetzt. Dadurch werden nun die beiden Flüssigkeitsströme 1, 2 übereinander geführt. Da die beiden Flüssigkeitsströme 1, 2 ursprünglich einmal ne­ beneinander angeordnet waren, bedingt das Übereinander­ führen der beiden Flüssigkeitsströme 1, 2, daß sie aus verschiedenen Richtungen einem gemeinsamen Bereich A zugeführt werden, in dem sie übereinander angeordnet sind. In diesem Bereich A werden die beiden Flüssig­ keitsströme 1, 2 nun so geleitet, daß sie am Ende die gleiche Strömungsrichtung haben. Zusätzlich kann man auch noch zumindest an ihren benachbarten Grenzflächen die gleiche Strömungsgeschwindigkeit einstellen, obwohl dies nicht absolut notwendig ist. Solange dies noch nicht erreicht ist, werden sie von einem Trennelement 5 getrennt gehalten. Das Trennelement 5 muß lediglich dafür sorgen, daß sich die beiden Strömungen der beiden Flüssigkeitsströme 1, 2 gegenseitig nicht beeinflußen. Es ist daher möglich, am Ende des Bereichs A beide Flüssigkeitsströme 1, 2 mit einer laminaren Strömung, gegebenenfalls mit der gleichen Geschwindigkeit, in die gleiche Richtung fließen zu lassen. Wenn daher das Trennelement 5 aufhört, legen sich die beiden Flüssig­ keitsströme in einer Berührungsfläche 6 aneinander an. Die Gefahr, daß in der Berührungsfläche 6 zwischen den einzelnen Flüssigkeitsströmen 1, 2 Verwirbelungen ent­ stehen, ist ausgesprochen gering. Man kann nun die Flüssigkeit 1 als Fluid und die Flüssigkeit 2 als Hilfsfluid betrachten. Wenn nun beide Flüssigkeiten zusammen in einer laminaren Strömung durch einen nicht näher dargestellten Kanal geführt werden, kann die Flüssigkeit 2 verhindern, daß die Flüssigkeit 1 mit der Wand des Kanals in Berührung kommt, an der die Flüssig­ keit 2 entlangströmt. Wenn man nun den geschilderten Vorgang mit allen vier Seiten der Flüssigkeit 1 wieder­ holt, erhält man eine vollständige Einkapselung der Flüssigkeit 1 und verhindert damit, daß die Flüssigkeit 1 mit den Wänden eines Kanals in Berührung kommt.

Wie oben erwähnt, ist die Stufe, die der Flüssigkeits­ strom 2 aufweist, übertrieben groß dargestellt. In Wirklichkeit entspricht die Stufe von der unteren Ebene auf die obere Ebene nur etwa der Höhe h des ersten Flüssigkeitsstromes plus der Dicke des Trennelements 5. Bei der zweiten Stufe, die den Flüssigkeitsstrom 2 von der zweiten Ebene wieder auf den ersten Flüssigkeits­ strom 1 zurückführt, entspricht die Höhe sogar nur der Dicke des Trennelements 5.

Fig. 2 zeigt nun eine Vorrichtung, wie sie zur Durch­ führung des in Fig. 1 prinzipiell dargestellten Ablaufs verwendet werden kann.

Die Vorrichtung 8 besteht aus einem Unterteil 11 und einem Oberteil 12, die in Fig. 2 voneinander abgehoben dargestellt sind, in Wirklichkeit aber über eine Ver­ bindungsfläche 13 aneinander anliegen. Hier können sie beispielsweise miteinander verklebt sein.

Das Unterteil 11 besteht beispielsweise aus Glas. In die Verbindungsfläche 13 des Unterteils ist der eine Eingangskanal 4, der Ausgangskanal 7 und ein Teil des Kombinationspunkts 9 eingebracht, beispielsweise durch Fräsen oder Ätzen oder andere Mikrotechniken. Wie man leicht erkennen kann, ergibt sich hierdurch im Unter­ teil 11 ein durchgehender Kanal, der im wesentlichen in einer Ebene verläuft. Die Breite des Kanals liegt bei etwa 200 µm. Die Höhe des Kanals im Unterteil bestimmt die Dicke der Schicht der einzukapselnden Flüssigkeit 1. Die Höhe des Kanals, der vom Unterteil in das Ober­ teil wechselt, bestimmt hingegen die Stärke der "Isola­ tionsschicht", also des Hilfsfluids. Es kann gewünscht sein, diese wesentlich dicker zu machen. Dementspre­ chend kann auch der Eingangskanal 3 mit seinen nachfol­ genden Kanälen eine größere Höhe aufweisen.

Das Oberteil 12, das beispielsweise aus Silizium beste­ hen kann, weist für den Kombinationspunkt 9 eine Aus­ nehmung 14 auf, die teilweise vom Trennelement 5 abge­ deckt ist. Das Trennelement 5 und das Oberteil 12 sind einteilig ausgebildet. Auch die Ausnehmung 14 kann in das Oberteil 12 eingeätzt sein.

In Strömungsrichtung vor dem Trennelement 5 entsteht dadurch eine Öffnung 16, durch die die Flüssigkeit vom Eingangskanal 3 nach oben in die Ausnehmung 14 aufstei­ gen kann. Dieser Aufstieg wird erzwungen, weil der Ein­ gangskanal 3 in diesem Bereich zu Ende ist. Die Flüs­ sigkeit hat gar keinen anderen Weg, als durch die Öff­ nung in die Ausnehmung einzutreten.

Ferner weist die Ausnehmung 14 eine Öffnung 17 in Strö­ mungsrichtung hinter dem Trennelement 5 auf, die den eigentlichen Kombinationspunkt 9 bildet. Hier legt sich die Flüssigkeit an den Flüssigkeitsstrom an, der aus dem zweiten Eingangskanal 4 dorthin geflossen ist. Am Ende der Öffnung 17 fließt die Flüssigkeit in den Aus­ gangskanal.

Wie man erkennen kann, hat der Eingangskanal 4 bis zu dieser Position zwei Richtungsänderungen vollführt. Er ist nämlich um das Ende des ersten Eingangskanals 3 herumgeflossen und setzt sich nun praktisch in Verlän­ gerung des ersten Eingangskanals 3 fort. Das Trennele­ ment 5 ist hierbei so lang, daß es diese Richtungsände­ rung des zweiten Eingangskanals 4 vollständig abdeckt und die Öffnung 17 erst dann freigibt, wenn sich die Strömung aus dem zweiten Eingangskanal 4 wieder so ein­ gestellt hat, daß sie parallel zur vorderen Kante des Unterteils 11 fließt. Die gleiche Strömungsrichtung hat aber auch die Strömung in der Ausnehmung 14. Beide Flüssigkeiten fließen dann mit der gleichen Geschwin­ digkeit und der gleichen Richtung. Sie können dann an­ einander angelegt werden, ohne daß es zu irgendwelchen Verwirbelungen kommt. Durch die Führung des Eingangs­ kanals 4 hat der Weg, den die Flüssigkeit hier zurück­ legen muß, etwa die gleiche Länge wie der Weg der Flüs­ sigkeit aus dem Eingangskanal 3. Es tritt also im Grun­ de genommen keine Relativverschiebung zwischen den bei­ den Flüssigkeiten 1, 2 ein.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß man weitere Flüs­ sigkeiten 2 an die aus dem Ausgangskanal 7 austretende kombinierte Flüssigkeit 1, 2 anlaminieren kann, wenn man der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung weitere Vorrichtungen nachschaltet, die um 90°, 180° und 270° gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung um ihre jeweilige Längsachse gedreht sind.

Natürlich kann man aber auch eine Vorrichtung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, so modifizieren, daß gleich­ zeitig von gegenüberliegenden Seiten zwei Flüssigkeits­ ströme 2 an die Flüssigkeit 1 anlaminiert werden und zwar von oben und von unten. In diesem Fall wäre es notwendig, daß der Kanal 4, 7 auf beiden Seiten von einem Oberteil mit Ausnehmung und Kombinationspunkt abgedeckt ist.

In Fig. 2 ist schematisch dargestellt, daß das Trenn­ element 5 als flache Platte ausgebildet ist, die Durch­ brüche aufweist. Diese Durchbrüche 20 sind in Fig. 3 noch besser ersichtlich. Hier sind die beiden Eingangs­ kanäle 3, 4 jeweils mit einer Richtungsänderung in den Bereich A geführt. Um die unterschiedlichen Ebenen deutlich zu machen, ist der eine Eingangskanal 3 mit durchgezogenen Linien dargestellt, während der andere Eingangskanal 4 mit gestrichelten Linien dargestellt ist.

Die Durchbrüche 20 sind aus Gründen der Übersichtlich­ keit übertrieben groß dargestellt. In Wirklichkeit sind die Durchbrüche 20 wesentlich kleiner. Ihre gesamte Fläche ist wesentlich kleiner als die verbleibende Flä­ che des Trennelements. Diese Durchbrüche dienen dazu, die Ausnehmungen 14 im Oberteil 12 herauszuätzen. Sie sind aber immer noch klein genug, daß keine vorzeitige Durchmischung zwischen den einzelnen Flüssigkeitsströ­ men in den Eingangskanälen 3, 4 stattfindet, bevor sich die Strömungen nach Geschwindigkeit und Richtung wieder aneinander angeglichen haben. Dargestellt ist, daß die Durchbrüche unter einem spitzen Winkel zum Ausgangska­ nal 7 verlaufen. Sie können jedoch auch rechtwinklig dazu angeordnet sein oder sogar in Richtung des Aus­ gangskanals verlaufen, wobei sich im letzteren Fall ein besseres Druckausgleichgewicht auf beiden Seiten des Trennelements 5 ergibt.

Wie aus Fig. 3 ebenfalls ersichtlich ist, hat das Trennelement 5 eine dreieckförmige Aussparung 21 am strömungsseitigen Ende. Dort können die beiden Flüssig­ keiten schon früher aneinander zur Anlage gelangen. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, daß die Strö­ mungsgeschwindigkeit bei laminaren Strömungen in der Mitte größer als am Rand ist.

Mit einer derartigen Vorrichtung, genauer gesagt mit mehrerer derartiger Vorrichtungen, die hintereinander geschaltet sind, wobei ihre Laminierungsebenen gegen­ einander verdreht sind, kann man eine Flüssigkeit in­ nerhalb von anderen Flüssigkeiten einkapseln. Dies soll anhand von Fig. 4 näher erläutert werden. Die einzukap­ selnde Flüssigkeit 22 ist hier schraffiert dargestellt. Die einkapselnden Flüssigkeiten sind weiß dargestellt.

Zum Einkapseln sind zunächst drei Flüssigkeitsströme vorgesehen, von denen der mittlere die Flüssigkeit 22 ist, während die beiden äußeren 23, 24 von der einkap­ selnden Flüssigkeit gebildet werden. Diese drei Flüs­ sigkeitsströme 22, 23, 24 werden mit einem Mischer, wie er in Fig. 2, dargestellt ist, aufeinander laminiert. Hierbei kann das Laminieren sowohl in hintereinander geschalteten Kombinationspunkten erfolgen als auch in Kombinationspunkten mit drei Eingangskanälen. Wenn man die Flüssigkeit 23 als obere Flüssigkeit und die Flüs­ sigkeit 24 als untere Flüssigkeit bezeichnet, werden in einem folgenden Schritt von links und rechts zwei wei­ tere Flüssigkeitsströme 25, 26 an die kombinierte Flüs­ sigkeit 22-24 anlaminiert, so daß schließlich die end­ gültige Flüssigkeitsströmung 27 entsteht, die rechts in Fig. 4 dargestellt ist. Bei einer derartigen Einkapse­ lung wird man die Schichten der einkapselnden Flüssig­ keiten dick genug wählen, um auch bei einer Diffusion durch die einkapselnden Flüssigkeiten hindurch zu ver­ meiden, daß die eingekapselte Flüssigkeit 22 in Berüh­ rung mit den Wänden eines nicht näher dargestellten Kanals kommt. Da die einzelnen Flächen, durch die hin­ durch die Diffusion erfolgen kann, und die Schichtdic­ ken aber relativ genau vorherbestimmbar sind, kann man auch die Zeit relativ genau abschätzen, während der die Flüssigkeit 22 von den anderen Flüssigkeiten 23-26 ein­ gekapselt ist.

Wenn man einen derartigen Mischer (Fig. 2) in umgekehr­ ter Richtung durchlaufen läßt, also den Ausgangskanal 7 als Eingang benutzt, dann kann man damit das eingepack­ te Fluid wieder auspacken, d. h. vom Hilfsfluid trennen. In Abhängigkeit von der bereits erfolgten Diffusion müssen gegebenenfalls die Dimensionen der Kanäle geän­ dert werden. Das Trennelement 5 dient dann dazu, das Hilfsfluid vom Fluid abzutrennen.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform für das Ein­ kapseln, bei der die Flüssigkeit 22 nur noch von zwei Flüssigkeiten 23, 24 eingekapselt ist. Hierfür ist im Grunde genommen nur Voraussetzung, daß die Breite des Flüssigkeitsstromes 22 geringer als die der beiden an­ deren Flüssigkeitsströme 23, 24 ist. In diesem Fall werden die umgebenden Flüssigkeiten 23, 24 zumindest auch über einen Teil der Höhe der Flüssigkeit 22 vor­ treten und sich dann später aneinanderanlegen. Es ist allerdings festzustellen, daß hier im Bereich der Schmalseiten die Trennfläche zwischen den einzelnen Flüssigkeiten 22, 23 bzw. 22, 24 nicht so genau vorher­ bestimmbar ist. Eine derartige Einkapselung läßt sich nur dann mit der nötigen Zuverlässigkeit erreichen, wenn die Höhe der Flüssigkeit 22 sehr klein gegen ihre Breite ist.

Claims (21)

1. Verfahren zum Transport eines Fluids durch einen Kanal, der durch Umfangswände begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Fluid und den Um­ fangswänden ein als Isolationsschicht ausgebildetes Hilfsfluid angeordnet ist, welches eine gegenseiti­ ge negative Beeinflussung zwischen Fluid und Um­ fangswänden verhindert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsfluid und das Fluid in einer laminaren Strömung gemeinsam durch den Kanal bewegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man das Fluid und das Hilfsfluid vor dem Eintritt in den Kanal parallel zueinander aus­ richtet und daß man sie solange getrennt voneinan­ der hält, bis ihre Strömungen der Richtung nach praktisch übereinstimmen und sie erst dann zur An­ lage aneinander bringt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Strömungsgeschwindigkeit von Fluid und Hilfsfluid zumindest im Bereich ihrer einander be­ nachbarten Grenzflächen einander angleicht und daß man sie solange getrennt voneinander hält, bis die­ se Strömungsgeschwindigkeiten auch dem Betrage nach übereinstimmen und sie erst dann zur Anlage anein­ ander bringt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Fluid einen Strömungs­ querschnitt vermittelt, der die Form eines Polygons aufweist, und daß man das Hilfsfluid an alle Seiten anlegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Polygon als Rechteck ausgebildet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß gleichzeitig immer zwei gegenüberlie­ gende Seiten des Strömungsquerschnitts mit Hilfs­ fluid versehen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das Hilfsfluid nur von zwei gegenüberliegenden Seiten an das Fluid zur Anlage bringt, wobei das Fluid quer zur Strömungsrichtung eine geringere Breite als das Hilfsfluid aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid und das Hilfsfluid im Hinblick auf ihre physikalischen und/oder che­ mischen Eigenschaften, insbesondere Diffusion, op­ tischer Index und/oder elektrische Eigenschaften, aneinander angepaßt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck über das Fluid und der Druck über das Hilfsfluid gleich gehalten wer­ den.

11. Vorrichtung zum Transport eines Fluids und eines Hilfsfluids durch einen Kanal, der durch Umfangs­ wände begrenzt ist, mit mindestens einem Kombina­ tionspunkt, der mit einer Eingangskanalanordnung mit mindestens zwei Eingangskanälen (3, 4) und ei­ ner Ausgangskanalanordnung (7) verbunden ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Eingangskanäle (3, 4) zumindest in einem dem Kombinationspunkt (9, 10) vorgelagerten Abschnitt parallel zueinander in ver­ setzten Ebenen geführt sind, daß die Eingangskanäle (3, 4) im Kombinationspunkt parallel zueinander in die gleiche Richtung verlaufen und daß ein Trenn­ element (5) vorgesehen ist, das sich bis in einen Bereich (A) des Kombinationspunkts erstreckt, in dem die Eingangskanäle (3, 4) parallel zueinander verlaufen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausgangskanalanordnung (7) in die gleiche Richtung wie die Eingangskanäle (3, 4) ge­ richtet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Trennelement (5) als flache Platte ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß das Trennelement (5) Durchbrüche (20) aufweist, die wesentlich kleiner als die den Eingangskanälen (3, 4) ausgesetzte Flä­ che des Trennelementes (5) sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeitspfad ei­ nen Verlauf in einer Ebene von mindestens einem Eingangskanal (4) zur Ausgangskanalanordnung auf­ weist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß er aus einem Unterteil (11), in dem Teile der Eingangskanalanordnung (3, 4), Teile des Kombinationspunktes (9, 10) und die Ausgangskananlanordnung (7) als zu einer Verbin­ dungsfläche (13) hin offene Nuten ausgebildet sind, und aus einem Oberteil (12) besteht, das die ver­ bleibenden Teile der Eingangskanalanordnung (3) und die verbleibenden Teile des Kombinationspunkts (9, 10) als Ausnehmung (14) aufweist, die teilweise durch das Trennelement (5) abgedeckt ist, wobei Oberteil (12) und Unterteil (11) an der Verbin­ dungsfläche (13) aneinander anliegen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß das Trennelement (5) Teil des Oberteils (12) ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß das Trennelement (5) eine zur Eingangskanalanordnung hinweisende Ausnehmung (21) aufweist, die konkav oder dreieckförmig ausge­ bildet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß die Eingangskanalanord­ nung drei Eingangskanäle aufweist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß der mittlere Eingangskanal zumindest im Kombinationspunkt eine geringere Breite als die beiden anderen Eingangskanäle aufweist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Kombinationspunkt eine zusätzliche Eingangskanalanordnung mit Kombi­ nationspunkt nachgeschaltet ist, deren Schichtungs­ wirkung um 90° gegenüber dem ersten Kombinations­ punkt verdreht ist.