DE20209009U1

DE20209009U1 - Kammförmiger Mikrovermischer

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Publication number: DE20209009U1
Application number: DE20209009U
Authority: DE
Original assignee: EHRFELD MIKROTECHNIK AG
Current assignee: Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2002-08-29
Anticipated expiration: 2012-06-12

Description

E2G11

: Dr.Jileyer-Dulheuer

5 Ehrfeld MikrotechnikAG Mikroforum Ring 1

55234 Wendelsheim

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15 Kammförmiger Mikrovermischer

10. Juni 2002

E2G11

.Dr. Meyer-Dulheuer

Kammförmiger Mikrovermischer

Gegenstand der Erfindung ist ein kammförmiger Mikrovermischer für Mikroreaktionssysteme.

Mikrovermischer bilden einen der Hauptbestandteile von Mikroreaktionssystemen. Da solche Mikroreaktionssysteme eine stetig zunehmende Bedeutung erlangen, haben folglich auch Mikrovermischer eine wachsende Bedeutung in den letzten Jahren erlangt.

In Mikrovermischern werden stets zwei oder mehr Fluide aus getrennten Zufuhrkammern durch eine Schar von Mikrokanälen in räumlich getrennte FIuidströme aufgeteilt, die dann als Fluidstrahl mit einem weiteren Edukt in der Misch- oder Reaktionskammer in Kontakt gebracht werden und dort reagieren; die Vermischung erfolgt hierbei durch Diffusion und/oder Turbulenzen.

Die deutsche Patentschrift DE 195 40 292 C beschreibt einen statischen Mikrovermischer, bestehend aus plattenartigen Elementen, in denen eine Schar von benachbarten Nuten eingearbeitet sind, so dass beim Übereinanderlegen dieser Elemente eine Reihe von Kanälen für die Führung der zu mischenden Fluide entsteht. Die Nuten in den übereinandergeschichteten Folien verlaufen hierbei stets bogenförmig gekrümmt und jeweils abwechselnd zu je einer der Zuführungskammern für die Fluide A bzw. B. Alle so entstandenen Kanäle münden parallel zueinander ausgerichtet in die Mischkammer ein. Nachteilig an dieser Ausgestaltung ist, dass das Einbringen der Nuten in die Folien und das Übereinanderschichten der Folien zu einem statischen Mikrovermischer mit hohen Kosten verbunden sind. Zudem sind die Kanäle zwischen den übereinanderliegenden Folien schwer zugänglich, so dass dort vorhandene Verunreinigungen aus den Edukten nur mit großen Aufwand entfernt werden können.

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Ausgehend von diesem Stand der Technik hat die Erfindung zur Aufgabe, einen statischen IVIikrovermischerfürdie getrennte Zufuhr von zu mischenden Fiuiden zu einer Mischkammer so auszugestalten, dass eine hohe örtliche und zeitliche Effektivität der Vermischung in der Mischkammer erzielt werden kann. Desweiteren soll der Mikrovermischer hinsichtlich der Reinigungsmöglichkeiten so ausgestattet sein, dass eine mechanische Reinigung leicht möglich ist.

Diese Aufgaben werden mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Die hierauf bezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterentwicklungen dieser Lösung. Der hier beschriebene statische Mikrovermischer, der mindestens Zuleitungen für zwei zu vermischende Stoffströme aufweist, besteht aus einem Gehäuse und einem darin angebrachten keilförmig und nach oben sich verjüngendem Strukturelement, das an der Spitze Nuten aufweist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ein so ausgestalteter Mikrovermischer eine erhöhte örtliche und zeitliche Effektivität der Vermischung in der Mischkammer erlaubt, und zudem leicht mechanisch zu reinigen ist. Durch die beidseitig gegeneinander versetzten Nuten, deren Tiefe mit zunehmendem Abstand von der Seitenwand abnimmt, wird eine über den gesamten Ausströmquerschnitt gleichmäßige hohe Vermischung bei Vermeidung von Totvolumina erzielt. Aufgrund der Nuten an der Spitze des Strukturelementes werden die zu vermischenden Stoffströme in eine Vielzahl feiner und benachbarter Stoffströme unterteilt, die sich beim Eintritt in die Mischkammer auf schnellsten und kürzesten Wegen miteinander vermischen.

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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Eatefl-tünsprüchen 2 und folgenden angegeben. In einer vorzugsweisen Ausgestaltung verjüngt sich das modular aufgebaute Strukturelement in Richtung Austrittsöffnung keilförmig, wobei das Strukturelement Ablenkflächen aufweist, die in Form eines ellipsoiden oder eines kreisförmigen Segments nach oben verjüngend ausgestaltet sind. Die an der Spitze des Strukturelementes angeordneten Nuten weisen eine periodisch und in alternierender Abfolge gegeneinander versetzte

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kammartige Ausgestaltung auf, wobei diese Nuten einem vorgegebenen Mischungsverhältnis genau angepasst werden können, wobei die vorhandenen Nuten die Seitenflächen durchdringen. Der Abstand zwischen Nutgrund und Stirnfläche nimmt mit zunehmendem Abstand von der durch die Nut durchdrungenen Seitenflächen ab. Das Strukturelement ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung modular aufgebaut, sodass durch den Austausch des Ablenk- oder des Mischelements das Strukturelement der jeweiligen Aufgabenstellung genau angepasst werden kann. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung deckt die Querschnittsfläche des Strukturelementes die Innenquerschnittsfläche des Gehäuses vollständig ab, so dass eine Rückvermischung oder die Vermischung der zu mischenden Stoffströme außerhalb der Mischkammer vollständig ausgeschlossen werden kann. In einer weiteren Ausgestaltung ist das Strukturelement senkrecht zur Anströmrichtung der zu mischenden Stoffströme im Gehäuse angebracht. In einer weiteren bevorzugten Ausstattungsform können die gegeneinander versetzten Nuten an der Spitze des Strukturelements durch ein Formteil teilweise so abgedeckt werden, dass die Durchflussgeschwindigkeit in den nicht abgedeckten Bereichen der Spitze des Formteils erhöht wird. So ist es auch möglich, geringere Stoffströme mit hoher Effektivität miteinander in Kontakt zu bringen und zu vermischen. Die an der Spitze des Strukturelements vorhandenen Nuten können durch Stanzen, Ätzen, Drahterodieren, Senkerodieren, Schleifen, Zerspannen oder durch die Bestrahlung mittels eines Laserstrahls hergestellt werden. Als Material zur Herstellung des Strukturelementes, des Formteils zum Anbringen an der Spitze des Strukturelementes und des Gehäuses bieten sich Metall, eine Metalllegierung, Kunststoff, Keramik oder Glas an.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen: 35

Fig. 1 schematische Darstellung des Mikrovermischers bestehend aus

Gehäuse und innen liegendem Strukturelement,

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5 Fig. 2

Schematische Darstellung des Mischelements,

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Fig. 3 Schematische Darstellung des Mischelements mit linear zur Mit

telachse des Mischelements verlaufenden Nuten und ebener 0-berfläche,

Fig. 4 Schematische Darstellung des Mischelements mit Nuten in Form

einer Parabel.

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Fig. 5 Schematische Darstellung des Mischelements mit Nuten in Form

einer Hyperbel,

Fig. 6 Schematische Darstellung des Mischelements mit keilförmiger

sich zur Spitze hin verjüngenden Ausgestaltung,

Fig. 7 Schematische Darstellung des Mischelements mit konvex kreis

förmiger ausgestalteter Oberkante,

25

Fig. 8 Schematische Darstellung des Mischelements mit konkav kreis

förmiger ausgestalteter Oberkante,

Fig. 9 Schematische Darstellung des Strukturelements,

Fig. 10 Draufsicht auf das Strukturelement,

30 Fig. 11

Schematische Darstellung der gegeneinander versetzten Nuten an der Spitze des Strukturelements,

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Fig. 12 schematische Darstellungen des Formteils zur Anbringung an der

Spitze des Strukturelements.

Fig. 1 zeigt den statischen Mikrovermischer, bestehend aus Gehäuse 1, Verschlussdeckel für das Gehäuse 2 und Strukturelement 3. Das Strukturelement 3

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befindet sich im Inneren des Gehäuses 1; an die Spitze des Strukturelements 3 kann das Formteil 4 aufgesteckt werden, um so eine höhere Durchflussgeschwindigkeit in einem kleineren Querschnitt des Strukturelementes zu realisieren. Der Deckel des Gehäuses 2 wird durch Schrauben 5 auf dem Gehäuse 1 befestigt. Um eine Dichtigkeit zwischen Deckel und Gehäuse sicherzustellen, wird eine Dichtung, hier nicht dargestellt, in eine dafür vorgesehene Aussparung 8 eingelegt. Durch die Zuführungen 6 werden die zu mischenden Stoffe in den Behälter eingebracht, am Strukturelement 3 abgelenkt und an den Nuten, die sich an der Spitze des Strukturelements 3 befinden, in eine Vielzahl feiner benachbarter Ströme unterteilt, die durch die Öffnung 7 den statischen Vermischer verlassen und von dort in die Mischkammer, hier nicht dargestellt, eintreten.

Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung des Mischelements 12, das an seiner Spitze Nuten 9 aufweist. An der Spitze des Mischelements befinden sich periodisch gegeneinander versetzt und in alternierender Abfolge angeordnete, kammartige Nuten 9; durch diese kammartigen Nuten werden die zu mischenden Stoffe in eine Vielzahl feiner benachbarter Stoffströme zerteilt, die dann der Mischkammer, hier nicht dargestellt, zugeleitet werden. Die Nuten 9 sind hierbei so ausgestaltet, dass diese die Seitenflächen 13 des Mischelements durchdrin-

25 gen.

Fig. 3 zeigt die schematische Darstellung des Mischelements 12. An der Spitze des Mischelements sind periodisch gegeneinander versetzte und alternierend angeordnete, kammartige Nuten 9 vorhanden, die eine Zerteilung der zu mischenden Stoffströme in sehr fein dispergierte Stoffströme bewirken, wobei die Stirnfläche 16 des Mischelements eben ausgestaltet ist und die Nuten linear zur Mittelachse des Mischelements verlaufen. Der Abstand zwischen Nutgrund 17 und Stirnfläche 16 nimmt mit zunehmendem Abstand von der durch die Nuten 9 durchdrungenen Seitenfläche 13 ab.

Fig. 4 zeigt die schematische Darstellung des Mischelements 12, wobei an der Spitze des Mischelements periodisch gegeneinander versetzte und in alternie-

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render Reihenfolge angeordnete Nuten 9 vorhanden sind, welche in Form einer Parabel zur Mittelachse des Mischelements verlaufen, wobei der Abstand zwischen Nutgrund 17 und Stirnfläche 16 mit zunehmendem Abstand von der durch die Nuten 9 durchdrungenen Seitenfläche 14 abnimmt.

Fig. 5 zeigt die schematische Darstellung des Mischelements 12, an dessen Spitze periodisch gegeneinander versetzte und in alternierende Reihenfolge angeordnete Nuten 9 vorhanden sind, die in Form einer Hyperbel in Richtung Mittelachse des Mischelements 12 verlaufen.

Fig. 6 zeigt die schematische Darstellung des Mischelements 12, an dessen Spitze Nuten 9 vorhanden sind, wobei das Mischelement keilförmig zur Spitze sich verjüngend ausgestaltet ist.

Fig. 7 zeigt die schematische Darstellung des Mischelements 12, an dessen Spitze Nuten 9 vorhanden sind, wobei die Stirnfläche 16 des Mischelements konvex gekrümmt ist.

Fig. 8 zeigt die schematische Darstellung des Mischelements 12, an dessen Spitze Nuten 9 vorhanden sind, wobei die Stirnfläche 16 des Mischelements konkav gekrümmt ist.

Fig. 9 zeigt die schematische Darstellung des modular aufgebauten Strukturelements 3 bestehend aus Mischelement 12 und Ablenkelement 11. An der Stirnfläche 16 des Ablenkelements 11 befinden sich ellipsoide oder kreisförmige Ablenkflächen 10, die die zu mischenden Stoffe in Richtung Spitze des Mischelements ablenken.

Fig. 10 zeigt die seitliche Draufsicht auf das Strukturelement 3, wobei an der Spitze des Mischelements 12 Nuten vorhanden sind.
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Fig. 11 zeigt die Draufsicht auf das Strukturelement 3, wobei an der Spitze des Mischelements 12 Nuten vorhanden sind.

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Fig. 12 zeigt das Formbauteil 4, das an der Spitze des Strukturelements 3 befestigt werden kann. Durch ein solches Formbauteil ist es möglich, die Strömungsgeschwindigkeit in ausgewählten Bereichen der Spitzen des Strukturelementes 3 gezielt zu beeinflussen und so selbst bei kleinen Stoffmengen eine gute Durchmischung der Stoffströme zu erzielen.

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5 Bezugszeichenliste:

1	Gehäuse
2	Gehäusedeckel
3	Strukturelement
4	Formteil
5	Verschraubung des Deckels
6	Einlassöffnungen
7	Auslassöffnungen
8	Dichtung
9	Nuten
10	Ablenkfläche
11	Ablenkelement
12	Mischelement
13	Seitenflächen
14	Randflächen
15	Bodenflächen
16	Stirnflächen
17	Nutgrund

Claims

1. Statischer Mikrovermischer, der Zuleitungen für mindestens zwei zu vermischende Stoffströme aufweist und aus einem Gehäuse mit einem darin enthaltenen Strukturelement, begrenzt durch mindestens zwei Seitenflächen (13), zwei Randflächen (14), einer Bodenfläche (15) und einer Stirnfläche (16) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement an der in Abströmungsrichtung weisenden Stirnfläche periodisch gegeneinander versetzte Nuten (9) aufweist, wobei sich die Nuten alternierend überlappen sowie parallel zueinander verlaufen und die jeweiligen Böden der sich überlappenden Nuten einen Winkel kleiner 180 Grad einschließen.

2. Mikrovermischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (9) die Seitenflächen (13) durchdringen.

3. Mikrovermischer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Nutgrund (17) und Stirnfläche (16) mit zunehmendem Abstand von der durch die Nut (9) durchdrungenen Seitenfläche (14) abnimmt.

4. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Nuten (9) mit zunehmendem Abstand von den Seitenflächen (14) abnimmt.

5. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (3) keilförmig und nach oben verjüngend ausgestaltet ist.

6. Mikrovermischer nach den Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (3) Ablenkflächen (10) in Form eines ellipsoiden oder kreisförmigen Segments aufweist und nach oben verjüngt ausgestaltet ist.

7. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Spitze des Strukturelements (3) in periodisch gegeneinander versetzter und in alternierender Abfolge, kammartige Nuten (9) angeordnet sind.

8. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Spitze des Strukturelements (3) angeordneten Nuten (9) dem jeweiligen Mischungsverhältnis angepasst sind.

9. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (3) modular aufgebaut ist und mindestens aus einem Ablenkelement (11) und einem Mischelement (12) besteht.

10. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischelement (12) verschiedenartig ausgestaltete Stirnfläche (16) aufweist.

11. Mikrovermischer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischelement (12) eine plan ausgestaltete Stirnfläche (16) aufweist.

12. Mikrovermischer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischelement (12) eine konvex oder konkav ausgestaltete Stirnfläche (16) aufweist.

13. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (3) senkrecht zur Anströmrichtung der zu mischenden Stoffströme angeordnet ist.

14. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Strukturelements (3) die Querschnittsfläche des Gehäuses (1) vollständig abdeckt und so die Rückvermischung der Stoffströme ausgeschlossen werden kann.

15. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement bündig mit dem Gehäuse in Kontakt steht.

16. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die gegeneinander versetzten Nuten (9) durch ein Formteil (4) teilweise abgedeckt werden können und somit die Durchflussgeschwindigkeit im übrigen Bereich erhöht wird.

17. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (9) durch Stanzen, Ätzen, Drahterodieren, Senkerodieren, Schleifen, Zerspannen oder durch die Bestrahlung mittels eines Lasers hergestellt werden.

18. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (3), das Gehäuse (1) und das Formteil (4) aus Metall, einer Metalllegierung, Kunststoff, Keramik oder Glas ausgestaltet sind.