DE19855256A1 - Mikroseparator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mikroseparator zur Separation eines Stoffgemisches aus Stoffen (A, B) mit unterschiedlicher spezifischer Dichte, wobei aus dem Stoffgemisch mindestens ein erster Stoff (A) separiert wird. Dazu ist erfindungsgemäß ein gekrümmter Strömungskanal (2) mit einem Einlauf (1) und einem Auslauf (5) vorgesehen, welchen das Stoffgemisch mit hoher Geschwindigkeit durchströmt, wobei an der äußeren Wandung des Strömungskanals (2) mindestens ein Abzweig (3) angeordnet ist, der in einen Sperationskanal (4) mündet, welcher seinerseits an einen Separationsausgang (6) weitergeführt ist. Der Mikroseparator kann vorteilhaft in einer Siliziumstruktur aufgebaut werdn.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikroseparator zur Separation eines Stoffgemisches aus Stoffen mit unterschied­ licher spezifischer Dichte, wobei aus dem Stoffgemisch minde­ stens ein erster Stoff separiert wird.

Ein solcher Mikroseparator kann in Systemen der Mikrotechnik eingesetzt werden. Mikrosysteme erlangen in jüngster Zeit besondere Bedeutung. Beim Aufbau von Mikrosystemen sollen unter anderem Prozesse realisiert werden, deren Steuerung in der Makrotechnik zwar keine Probleme bereitet, wobei jedoch sämtliche Strukturen im Mikrometerbereich ausgeführt sind, was zu neuartigen Realisierungsschwierigkeiten führt, die häufig nur durch erfinderische Lösungen eliminierbar sind.

So besteht in der Mikrosystemtechnik auch der Bedarf, Stoff­ gemische in ihre Bestandteile zu trennen. Sofern Stoffgemi­ sche verarbeitet werden, in denen Stoffe mit flüssigem und mit festem Aggregatzustand vorhanden sind, lassen sich zur Separation feinmaschige Filter einsetzen. Das Problem bekann­ ter Filterlösungen besteht aber darin, daß sich die Poren des Filters mit zunehmender Filtrierdauer zusetzen, so daß der Filter gesäubert bzw. ausgetauscht werden muß. Ein derartiger Filteraustausch ist bei Komponenten der Mikrotechnik zumeist nicht möglich, da diese Mikrobauelemente üblicherweise nicht geöffnet und gereinigt werden können. Ein häufig erforderli­ cher Wechsel des kompletten Filterelements erhöht die Kosten eines entsprechenden Systems und wirkt sich negativ auf die erforderlichen Wartungs- und nutzbaren Betriebszeiten aus.

Um einzelne Stoffe aus Stoffgemischen zu separieren werden in der herkömmlichen Makrotechnik auch Zentrifugen eingesetzt. Dabei wird das Stoffgemisch auf: eine möglichst hohe Winkelge­ schwindigkeit innerhalb der Zentrifuge beschleunigt, wodurch die einzelnen Stoffe aufgrund der verschiedenen spezifischen Dichten eine unterschiedlich hohe Zentrifugalkraft erfahren. Derartige Zentrifugen lassen sich in der Mikrotechnik prak­ tisch nicht realisieren.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Mikroseparator bereitzustellen, mit welchem innerhalb eines Mikrosystems ein Stoff aus einem Stoffgemisch separiert werden kann, wobei auf bewegte mechanische Elemente verzich­ tet werden soll.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein gekrümmter Strö­ mungskanal mit einem Einlauf und einem Auslauf vorgesehen ist, welchen das Stoffgemisch mit hoher Geschwindigkeit durchströmt, wobei an der äußeren Wandung des Strömungskanals mindestens ein Abzweig angeordnet ist, der in einen Separa­ tionskanal mündet, welcher seinerseits an einen Separations­ ausgang weitergeführt ist.

Diese Erfindung bietet den Vorteil, daß aus dem Stoffgemisch beim Durchlaufen des Strömungskanals eine (oder mehrere) Gemischkomponente mit höherer Dichte in den Separationskanal herausgeführt wird und dadurch dem Mikroseparator vom Stoff­ gemisch getrennt entnommen werden kann. Das Stoffgemisch wird in dem Strömungskanal mit sehr hoher Geschwindigkeit geführt, so daß aufgrund des gekrümmten Verlaufs hohe Zentrifugal­ kräfte auf die einzelnen Gemischkomponenten einwirken. Gege­ benenfalls kann das Stoffgemisch auch innerhalb des Strö­ mungskanals auf die gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt werden. Durch geeignete Gestaltung des Strömungskanals lassen sich Beschleunigungen in der Größenordnungen eines Vielfachen der Fallbeschleunigung (z. B. 1000.g bis 4000.g) erreichen. Der Stoff mit der höheren Dichte wird sich daher insbesondere an der Strömungskanalaußenwand konzentrieren und dort. über den Abzweig in den Separationskanal eintreten. Erfindungsge­ mäß werden zur Trennung des Stoffgemisches keine Filterele­ mente verwendet, so daß nicht die Gefahr der Verstopfung von Filterporen besteht. Außerdem sind keine bewegten Teile erforderlich, wodurch die Lebensdauer des Mikroseparators deutlich erhöht wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Mikroseparators zeich­ net sich dadurch aus, daß der Strömungskanal spiralförmig gekrümmt ist. Das Stoffgemisch wird in diesem Fall von außen nach innen geführt, so daß sich der Krümmungsradius des Strö­ mungskanals stetig verkleinert. Die auf die durchströmenden Stoffe einwirkende Zentrifugalkraft erhöht sich bei gleich­ bleibender Strömungsgeschwindigkeit daher im Verlauf des Strömungskanals.

Eine abgewandelte Ausführungsform des Mikroseparators besitzt entlang des Strömungskanals mehrere Abzweige, die in den Separationskanal münden. Dies ermöglicht die bessere Trennung des Stoffgemisches, so daß hohe Trennungsraten erzielt werden können. Es ist dabei zweckmäßig, wenn der Strömungskanal einen sich in Strömungsrichtung stetig verringernden Quer­ schnitt aufweist. Die Strömungsgeschwindigkeit wird dadurch aufrechterhalten oder noch erhöht, auch wenn das durchströ­ mende Volumen aufgrund der Separation nach jedem Abzweig im Strömungskanal geringer wird. Durch geeignete Kombination zwischen Strömungskanalquerschnitt und der Anordnung einzel­ ner Abzweige lassen sich auch verschiedene Separationsstufen aufbauen, so daß ggf.. Stoffgemische aus mehr als zwei Stoffen schrittweise in die einzelnen Komponenten getrennt werden können. In Abwandlung des allgemeinen Erfindungsprinzips können auch mehrere Separationsstufen kaskardiert werden, wobei beispielsweise separierte Stoffe aus dem Separationska­ nal in einen nachfolgenden zweiten Strömungskanal eingeleitet werden können, in dem dann wiederum eine Separation der noch verbleibenden Stoffe vorgenommen wird.

Sofern eine hohe Trennungsrate erzielt werden soll, ist es zweckmäßig, wenn der Strömungskanal eine Krümmung von mehr als 180° besitzt. Insbesondere kann der Strömungskanal spiralförmig eine vollständige Windung oder auch mehrere Windungen vollziehen. Um die getrennten Stoffe am Ende des Strömungskanals bzw. am Ende des Separationskanals aus dem Mikroseparator herauszuleiten, ist es zumindest bei größeren Krümmungen notwendig, die Ebene, in welcher der Strömungska­ nal und der Separationskanal verlaufen, zu verlassen, um Kreuzungen zwischen den Zu- bzw. Abflußbereichen und dem eigentlichen Separationsbereich zu vermeiden. Zweckmäßiger­ weise sind dafür Ebenenübergangsabschnitte vorgesehen, die zwischen dem Strömungskanal und dem Auslauf bzw. dem Separa­ tionskanal und dem Separationsausgang angeordnet sind.

Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Abzweige am Strömungskanal tangential oder radial ansetzen. Je nach der Art des Stoffgemisches können mit diesen Anordnungen verschieden gute Ergebnisse erzielt werden. Auch andere Winkel zwischen den Abzweigungen und dem Strömungskanal sind denkbar.

Es ist besonders vorteilhaft, den Mikroseparator in einer Siliziumstruktur aufzubauen, wobei herkömmliche Ätztechniken zur Anwendung kommen können.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh­ rungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze des Verlaufs eines Strömungska­ nals in einem erfindungsgemäßen Mikroseparator mit einem Abzweig;

Fig. 2 eine Prinzipskizze des Verlaufs des Strömungskanals mit mehreren tangential abgehenden Abzweigen;

Fig. 3 eine Prinzipskizze des Verlaufs des Strömungskanals mit mehreren radial abgehenden Abzweigen;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des in einer Silizium­ struktur ausgebildeten Mikroseparators;

Fig. 5 Schnittansichten von verschiedenen Ausführungsfor­ men des Mikroseparators.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Mikroseparators gezeigt. Der Mikroseparator besitzt minde­ stens einen Einlauf 1, an welchem ein Stoffgemisch einge­ speist wird. Das Stoffgemisch durchströmt einen Strömungska­ nal 2, welcher zumindest abschnittsweise einen gekrümmten Verlauf aufweist. Das Stoffgemisch wird mit hoher Geschwin­ digkeit in den Strömungskanal eingebracht und/oder dort (weiter) beschleunigt. Die nötige hohe Strömungsgeschwindig­ keit des Stoffgemisches läßt sich beispielsweise durch das Einpumpen in den Strömungskanal mit hohem Druck erzielen. Die Strömungsgeschwindigkeit kann durch die Querschnittsgestal­ tung des Strömungskanals einfach beeinflußt werden, beispielsweise kann durch eine Querschnittsverringerung die Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden.

Im Bereich des gekrümmten Abschnitts des Strömungskanals ist ein Abzweig 3 vorgesehen, der in einen Separationskanal 4 geführt ist. Nachdem das Stoffgemisch mit hoher Geschwindig­ keit den ersten gekrümmten Abschnitt des Strömungskanals durchlaufen hat, wirken auf die einzelnen im Stoffgemisch enthaltenen Stoffe in Abhängigkeit von deren spezifischer Dichte unterschiedliche Zentrifugalkräfte. Dies führt dazu, daß eine Komponente A (ein erster Stoff oder ein Untergemisch aus Stoffen) mit höherer Dichte in den Abzweig 3 gedrängt und damit in konzentrierter Form im Separationskanal 4 weiterge­ leitet wird. Eine Komponente B (ein zweiter Stoff oder ein verbleibendes Restgemisch) mit geringerer Dichte wird nach dem Abzweig 3 mit höherer Konzentration im fortgeführten Strömungskanal vorliegen. Auf diese Weise steht an einem Auslauf 5 des Strömungskanals die Komponente B mit geringerer Dichte in gegenüber dem Ausgangsgemisch erhöhter Konzentra­ tion zur Verfügung. Andererseits steht an einem Separations­ ausgang 6 des Separationskanals die Komponente A mit höherer Dichte konzentriert zur Verfügung.

In Fig. 2 ist in einer Prinzipskizze eine zweite Ausführungs­ form der Realisierung des Mikroseparators gezeigt. Das zu trennende Stoffgemisch wird wiederum dem Einlauf 1 des Strömungskanals 2 zugeführt. Am Strömungskanal 2 sind mehrere tangential abgehende Abzweige 3 vorgesehen, die in einem gemeinsamen Separationskanal 4 enden. Der Strömungskanal 2 verläuft bis zum Auslauf 5, an welchem die Komponente B mit der geringeren Dichte in konzentrierter Form entnommen werden kann. Der Separationskanal 4 endet am Separationsausgang 6, aus welchem die Komponente A mit der höheren Dichte austritt.

Der prinzipielle Aufbau einer nochmals abgewandelten Ausfüh­ rungsform ist in Fig. 3 gezeigt. Der wesentliche Unterschied zu der in Bezug auf Fig. 2 beschriebenen Ausführungsform besteht darin, daß die Abzweige 3 nicht tangential vom Strö­ mungskanal 2 ausgehen, sondern sich in radialer Richtung beginnend am Strömungskanal 2 zum Separationskanal 4 erstrec­ ken. Bei anderen Ausführungsformen können die Abzweige auch in einem anderen Winkel zum Strömungskanal stehen. Die opti­ male Anordnung der Abzweige ist von der gewünschten Strö­ mungsgeschwindigkeit und den im Stoffgemisch enthaltenen Stoffen abhängig.

Das Stoffgemisch kann aus Flüssigkeiten, Gasen oder Feststof­ fen bestehen. Auch können in dem Stoffgemisch Stoffe unter­ schiedlichen Aggregatzustandes vorliegen. Mit dem Mikrosepa­ rator lassen sich jedoch keine in einem Lösungsmittel gelö­ sten Stoffen extrahieren.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines in einer Mikrostruktur realisierten Mikroseparators. Die realisierte Struktur kann beispielsweise mit herkömmlichen Verfahren in einem Siliziumträgermaterial aufgebaut werden. Das Gemisch wird wiederum über den Einlauf 1 dem Mikroseparator zuge­ führt. Vom Einlauf 1 gelangt das Gemisch in den Strömungska­ nal 2, der in einer ersten Ebene in dem Siliziummaterial ausgebildet. Bei der gezeigten Ausführungsform schließen sich an den Strömungskanal 2 in tangentialer Richtung mehrere Abzweige 3 an. Die Abzweige 3 münden alle in den Separations­ kanal 4, der im wesentlichen konzentrisch zum Strömungskanal 2 verläuft. Der Strömungskanal 2 und der Separationskanal 4 beschreiben dabei eine leicht spiralförmige Bahn, wobei der Strömungskanal eine Krümmung von mehr als 360° erfährt und beide Kanäle in einer gemeinsamen Ebene ausgebildet sind. Die Ableitung der separierten Komponenten A, B kann daher nicht in der gleichen Ebene erfolgen, da dies eine ungewollte Kreu­ zung der Kanäle zur Folge hätte. Am Ende des Separationska­ nals 4 und auch am Ende des Strömungskanals 2 sind daher Ebenenübergangsabschnitte 7 vorgesehen, in denen die jeweils separierte Komponente in eine andere Ebene abgeleitet wird. In dieser versetzten Ebene werden die Komponenten weiterge­ führt, so daß wiederum die Komponente A mit der höheren Dichte am Separationsausgang 6 und die Komponente B mit der geringeren Dichte am Auslauf 5 entnommen werden können.

Um die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Strömungskanals 2 trotz des abnehmenden Volumens, aufgrund der Abführung der Komponente A, relativ konstant zu halten, ist vorzugsweise eine stetige Verringerung des Querschnitts des Strömungska­ nals 2 vorgesehen. Demgegenüber ist es vorteilhaft, den Quer­ schnitt des Separationskanals 4 in Strömungsrichtung stetig zu vergrößern, um einen ungehinderten Abtransport der sepa­ rierten Komponente A zu ermöglichen.

Zur Klarheit sei nochmals darauf hingewiesen, daß die Kompo­ nenten A, B bei Ausgangsgemischen mit einer Vielzahl von Stoffen wiederum Untergemische sein können, die im Bedarfs­ fall einer weiteren Separationsstufe zugeführt werden können. Derartige Separationsstufen können kaskadiert angeordnet werden.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform können auch mehrere Separationsbereiche parallel in einem Mikrosystem betrieben werden, wobei die Zu- und Abfuhr der Stoffe über gemeinsame Kanalabschnitte erfolgen kann. Ebenso ist es möglich, die einzelnen Abzweige erst kurz vor dem Separationsausgang zusammenzufassen, wenn dies aufgrund der gewünschten System­ architektur nützlich, erscheint.

Fig. 5 zeigt die Schnittansichten verschiedener Ausführungs­ formen des Mikroseparators. Insbesondere ist der Aufbau und die Kanalführung in verschiedenen Ebenen erkennbar. In den gezeigten Darstellungen sind das Stoffgemisch und die einzel­ nen Komponenten A, B mit unterschiedlichen Dichten jeweils durch eine spezielle Schraffur gekennzeichnet. Die Abbildung a) zeigt eine Gestaltung, bei der Strömungskanal und Separa­ tionskanal in einer Ebene geführt sind. Die Kanäle verlaufen in einer unteren Materialschicht, die vorzugsweise aus Sili­ zium besteht, jedoch können auch Glas, Polymere oder andere Materialien zum Einsatz kommen. Die Zufuhr des Gemisches erfolgt über den Einlauf 1, der seitlich in der unteren Mate­ rialschicht angeordnet ist, während die Abfuhr der einzelnen Komponenten über den Auslauf 5 und den Separationsausgang 6 erfolgt, die durch eine Abdeckschicht geführt sind. Diese Abdeckung kann aus Glas, Polymer, Silizium oder anderen geeigneten Materialien hergestellt sein. Die Verbindung zwischen den einzelnen Materialschichten erfolgt in bekannter Art und Weise, beispielsweise durch Bonden, Kleben oder Löten.

Die Ausführungsform gemäß Abbildung b) unterscheidet sich von der Ausführung gemäß Abbildung a) nur dadurch, daß der Sepa­ rationsausgang 6 durch die untere Materialschicht in entge­ gengesetzter Richtung zum Auslauf 5 gelegt ist.

Insbesondere bei den Ausführungsformen nach den Abbildungen c), d) und e) ist es möglich, den Strömungskanal 2 und den Separationskanal 4 in mehr als einer Windung zu führen, da die separierten Komponenten A, B in einer anderen Ebene aus dem Mikroseparator herausgeführt werden.

Neben den gezeigten Beispielen können auch andere Schichtauf­ bauten gewählt werden, die an den jeweiligen Anwendungszweck angepaßt sind. Um an den Ausgängen des Mikroseparators im wesentlichen gleiche Ausströmmengen zu erhalten, wobei eine Gleichverteilung der Stoffkomponenten vorausgesetzt wird, sollten auch die Längen und Querschnitte der Abflußkanäle aneinander angepaßt sein, um vergleichbare Strömungsverhält­ nisse zu erzielen.

Claims (11)

1. Mikroseparator zur. Separation eines Stoffgemisches aus Stoffen (A, B) mit unterschiedlicher spezifischer Dichte, wobei aus dem Stoffgemisch mindestens ein erster Stoff (A) separiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein gekrümmter Strömungskanal (2) mit einem Einlauf (1) und einem Auslauf (5) vorgesehen ist, welchen das Stoffgemisch mit hoher Geschwindigkeit durchströmt, wobei an der äußeren Wandung des Strömungskanals (2) mindestens ein Abzweig (3) ange­ ordnet ist, der in einen Separationskanal (4) mündet, welcher seinerseits an einen Separationsausgang (6) weitergeführt ist.

2. Mikroseparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (2) spiralförmig gekrümmt ist, wobei die Strömungsrichtung von außen nach innen verläuft.

3. Mikroseparator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß entlang des Strömungskanals (2) mehrere Abzweige (3) angeordnet sind, die in den Separationskanal (4) münden.

4. Mikroseparator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ende des Strömungskanals (2) und dem Auslauf (5) einerseits und/oder dem Ende des Separationskanals (4) und dem Separationsausgang (6) ande­ rerseits ein Ebenenübergangsabschnitt (7) eingefügt ist, so daß der Auslauf (5) und/oder der Separationsausgang (6) in einer zweiten und/oder dritten Ebene liegen, die paral­ lel versetzt zur Ebene des Strömungskanals (2) ist.

5. Mikroseparator nach. Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (2) eine Krümmung von mehr als 180° besitzt.

6. Mikroseparator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (2) einen sich in Strömungsrichtung stetig verringernden Querschnitt aufweist.

7. Mikroseparator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Abzweig(e) (3) tangential vom Strömungskanal (2) ausgehen.

8. Mikroseparator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Abzweig(e) (3) radial vom Strömungskanal (2) ausgehen.

9. Mikroseparator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er in einer Siliziumstruktur aufgebaut und durch eine Abdeckung abgedeckt ist.

10. Mikroseparationssystem zur Separation eines Stoffgemi­ sches aus Stoffen mit unterschiedlicher spezifischer Dichte, wobei aus dem Stoffgemisch mehrere Stoffe sepa­ riert werden, indem mehrere Mikroseparatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in Kaskade geschaltet sind und eine schrittweise Separation erfolgt.

11. Mikroseparationssystem zur Separation eines Stoffgemi­ sches aus Stoffen mit unterschiedlicher spezifischer Dichte, wobei aus dem Stoffgemisch mindestens ein Stoff separiert wird, indem mehrere Mikroseparatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 parallel geschaltet sind.