DE20219871U1

DE20219871U1 - Rautenmischer

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Publication number: DE20219871U1
Application number: DE20219871U
Authority: DE
Original assignee: EHRFELD MIKROTECHNIK AG
Current assignee: Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
Priority date: 2002-12-21
Filing date: 2002-12-21
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2012-12-22

Description

E2G26

Ehrfeld Mikrotechnik AG Mikroforum Ring

55234 Wendelsheim

Rautenmischer

20. Dezember 2002

E2G26

.Dr:

Rautenmischer

Gegenstand der Erfindung ist ein aus gestapelten Folien aufgebauter statischer Mikrovermischer mit rautenförmigen Mischstrukturen zur Anwendung in Mikroreaktionssystemen.

Mikrovermischer bilden eines der Schlüsselelemente von Mikroreaktionssystemen, deren zunehmende Bedeutung in den letzten Jahren zu einer Vielfalt von Ausführungsformen geführt hat.

Die Funktion von Mikrovermischern erfolgt häufig durch Aufteilung von zwei oder mehr Fluiden aus getrennten Zuführungskammern durch eine Vielfalt von Mikrokanälen und nachfolgende parallele oder sequentielle Zusammenführung der so erzeugten Einzelfluidströme in einer Misch- oder Reaktionskammer, in der die Fluide miteinander in Kontakt gebracht werden. Wegen der erzielbaren geringen räumlichen Dimensionen wird die Vermischung besonders durch Diffusion erheblich begünstigt.

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Im Unterschied zu dynamischen Mischern, bei denen ein Rührwerkzeug die benötigte Energie zum Vermischen der Fluide liefert, wird bei den hier betrachteten statischen Mischern die Vermischung durch die Strömungsenergie der Fluide bewirkt.

Die Patentanmeldung DE 197 48 481 (IMM) beschreibt einen Mikromischer, der aus Platten zusammengesetzt ist, die einseitig mit Kanälen durchzogen sind. An den Kanten eines solchen Plattenstapels treten aus den Kanälen die Fluide aus und vermischen sich im anschließenden Freiraum durch Konvektion und Diffusion. In Abwandlung der Kanäle ist dieses Prinzip auch in der Patentschrift DE 195 40 292 (FZK/Bayer) und der Patentanmeldung DE 199 28 123 (FZK/Bayer) zu finden. In ähnlicher Weise wirkt eine Vorrichtung entsprechend

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der Patentanmeldung DE 195 41 265 (FZK/Bayer) zur Herstellung von Dispersionen, bei der aufgestellte Fluidströme in einen Dispergierraum austreten, in dem die Vermischung erfolgt. Anstelle der Aufteilung der Fluide vor der Vermischung tritt bei dem Mikromischer der Patentanmeldung DE 199 27 556 (IMM) eine Aufschichtung von dünnen Fluidsegmenten im Verlauf des Mischstroms auf. Kennzeichnend für die bisher betrachteten Mischer ist also die Aufspaltung der Fluide und deren Zusammenführung in einem freien Raum, in dem die Vermischung durch Konvektion und Diffusion erfolgt.

Es sind auch Vorrichtungen im makroskopischen Bereich bekannt, bei denen die zugeführten Fluide ohne eine weitere Unterteilung in einzelne Fluidströme durch abwechselndes Umlenken und Wiedervereinen vermischt werden. Eines der bekanntesten Beispiele ist das Mischrohr (Sulzer-Mischer), in dem Anordnungen von Blechen mit jeweils schräg zur Strömungsrichtung ausgerichteten Blechsegmenten den in das Rohr eintretenden Fluidstrom, der zwei oder mehrere Fluidkomponenten größtenteils unvermischt in sich trägt, durch Umlenken in mehrere Fluidströme wiederholt aufteilt und wiedervereinigt. Bedingt durch das Herstellungsverfahren dieser Strukturen als Blechanordnungen erfolgt in einer solchen Anordnung eine bevorzugte Umlenkung der Fluidströme in einer Ebene, die durch die Richtung quer zur Strömungsrichtung gekennzeichnet ist. Um auch eine gute Durchmischung senkrecht zu dieser Ebene zu ermöglichen, befinden sich im Mischrohr mehrere dieser Blechanordnungen hintereinander und jeweils um 90° gedreht. Ähnliche Ausführungen sind im US-Patent 5,944,419 beschrieben.

Die bei den zuerst beschriebenen Mischervorrichtungen erwähnte Aufteilung der zu vermischenden Fluidströme in eine große Anzahl von kleinen Einzelfluidströmen und deren anschließende Wiedervereinigung ist als Multilaminationsverfahren bekannt. Es ist gekennzeichnet durch die sehr engen Kanalabmessungen und die damit verbundenen hohen Anforderungen an die Fertigungstechnik, die sich im wesentlichen auf die Mikrostrukturtechnik stützt.

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Die Mischer mit Blechanordnungen innerhalb eines Rohres wiederum verlagern den Mischvorgang auf eine größere Mischstrecke, so dass trotz makroskopischer Abmessungen der Bleche eine gute Vermischung erzielt wird. Die entsprechenden Blechanordnungen lassen sich jedoch mit konventionellen Mitteln nicht beliebig verkleinern, so dass für Anwendungen in der Mikroreaktionstechnik derartige Mischer allein schon aus Gründen der Baugröße nicht gebräuchlich sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik hat die Erfindung zur Aufgabe, einen statischen Mikrovermischer für die Zufuhr von zu mischenden Fluiden so auszugestalten, dass eine gute Vermischung mit großer Effektivität im Mischbereich erfolgt, ohne dass eine vorangegangene Aufteilung der einzelnen Fluide in eine Vielzahl von Fluidströmen von Nöten ist. Dabei wird mit Methoden, die für die Mikrotechnik mit Mikrostrukturen geeignet sind, eine Aufteilung und Querströmung des Mischstroms erreicht.

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Die Lösung der Aufgabe besteht in der Zusammensetzung einer Mischervorrichtung aus schicht- oder tafelförmigen Einzelelementen(-platten), die Vertiefungen und Durchbrüche enthalten, wodurch nach dem form-, kraft- oder auch stoffschlüssigen Zusammensetzen die innerhalb des so entstandenen Rautenmischers vorhandenen Kanäle eine Mischfunktion ermöglichen. Die (zwei oder mehr) zu mischenden Fluide werden innerhalb des Rautenmischers durch wiederholtes Aufteilen als Querströmungen an der Wandung, von wo sie wieder in das Innere des Rautenmischers zurückgeleitet werden, vermischt. Nach einer Vielzahl von solchen Queraufteilungen und Wiedervereinigungen kann das so homogenisierte Gemisch den Rautenmischer wieder verlassen.

Die in den schichtförmigen Einzelplatten eingearbeiteten Vertiefungen und Durchbrüche können durch unterschiedliche Verfahren mechanischer, chemischer und physikalischer Art wie Stanzen, Prägen, Fräsen, Erodieren, Ätzen, Plasmaätzen, (Laser-)Ablatieren oder durch die LIGA-Technik hergestellt werden. Kennzeichnend für den erfindungsgemäßen Rautenmischer ist die abwechselnde Erzeugung entgegen gesetzter Querströmungen aus dem Misch-

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strom und deren Zusammenführung nach Umlenkung von der Mischerwandung, wodurch die Mischung erfolgt.

Gegenstand der Erfindung ist ein als Rautenmischer bezeichneter statischer Mikrovermischer, der Zuleitungen für mindestens zwei zu vermischende Stoffströme aufweist und aus einem Gehäuse mit darin enthaltener Mischeinheit besteht, wobei die Mischeinheit aus zwei einander gekreuzten Mischerstapeln (20, 21) gebildet wird, welche ihrerseits aus periodisch wechselweise spiegelbildlich dicht gepackten Mischerplatten (5, 6) bestehen. Die Mischerplatten sind parallel zur Hauptströmrichtung ausgerichtet und mit Durchbrüchen versehen, wodurch eine über zwei äußere Längsstege (11) gemeinsam verbundene Schar von Stegen (12) entstehen, die schräg zur Hauptströmrichtung stehen und einen Winkel kleiner als 180° zwischen den Stegkanten der periodisch angeordneten Platten und der Hauptströmrichtung aufweisen.

Durch die offenen Teile der Längsstege (11), durch die das zu mischende Fluid aus den Mischerstapeln ein- und wieder austritt, wird eine Hauptströmungsrichtung definiert. Die in diese Hauptströmung hineinragenden Stege bewirken durch ihre Schrägstellung eine Aufteilung der Hauptströmung in eine Vielzahl von in Schichtrichtung verlaufenden Querströmungen, die jeweils an die durch die Längsstege gebildeten Seitenwände auf die darüber und darunter liegende Mischerplatte umgelenkt werden.

Die mit einem derartigen Mikrovermischer erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass damit eine erhöhte örtliche und zeitliche Effektivität der Vermischung erreicht wird. Außerdem erhält man auf einfache Weise durch Wenden der Mischerplatte (5) um ihre Längsachse eine Mischerplatte (6) spiegelbildlichen Mischertyps, durch die eine entgegengesetzt gerichtete Fluidablenkung ermöglich wird. Aufgrund der Vielzahl der Stege und deren Anordnung über eine längere Strecke wird eine wiederholte Aufteilung und Wieder-Vereinigung der einzelnen Stoffströme erreicht. Durch Verwendung von zwei Mischerstapeln (20, 21), die gekreuzt hintereinander angeordnet sind, wird eine weitgehende Homogenität der Vermischung erreicht.

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Das Verbinden der einzelnen Mischerplatten kann stoffschlüssig durch Löten, Schweißen, Diffusionsschweißen, Kleben oder, nachdem die Mischerplatten über in ihnen enthaltene lageidentische Bohrungen oder Nuten am Rand auf Dorne aufgestapelt oder ausgerichtet wurden, kraftschlüssig durch Verschrauben oder Vernieten erfolgen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 3 und folgenden angegeben. In einer vorzugsweisen Ausgestaltung wechseln sich im Mischerstapel nicht einzelne Mischerplatten unterschiedlichen Mischertyps (5, 6) gegeneinander ab, sondern es werden Mischerplatten gleichen Mischertyps zu Mischerpaketen (13, 14) zusammengefasst. Anschließend bilden Mischerpakete unterschiedlicher Ausrichtung durch periodisch wechselweises Aufschichten den Mischerstapel (20). Hierdurch werden den Stoffströmen größere Hindernisse in Form von Stegen dargeboten, die die Höhe der einzelnen Mischerpakete besitzen.

In einer weiteren Ausgestaltung bilden unterschiedliche Mischerplattentypen gleicher Ausrichtung, deren Stege sich in dem Grad der Verschränkung unterscheiden, jeweils ein Mischerpaket. Durch die unterschiedlichen Mischerplattentypen erhält man Stege, die nicht nur die entsprechende Höhe der Mischerpakete besitzen, sondern deren Kanten auch profiliert sind. Diese Profilierung wird in vorteilhafter Weise so ausgestaltet, dass im einlaufenden Bereich der Stege die zugeführten Stoffströme auf eine konkav ausgeformte Kante auftreffen, die eine verbesserte Fluidführung und somit einen vollständigeren Transport des gesammelten Stoffstroms zum auslaufenden Stegbereich ermöglicht. Im letzteren ist die Kante konvex ausgeformt, und fördert somit die Aufteilung des transportierten Stoffstromes in die benachbarten Mischerpakete, wobei gleichzeitig die Bildung von Toträumen vermieden wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der unterschiedlichen Mischerplattentypen sind die Stegkanten nicht gerade, sondern gebogen ausgeführt. Hierdurch lassen sich die Kantenprofilierungen der Mischerpakete beliebig ausgestalten, so dass

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die Menge an geführten und verteilten Stoffströmen durch geeignete Wahl der Stegkantenausgestaltung örtlich gezielt eingestellt werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausstattungsform kann der Mischerstapel durch Verwendung von Mischerplatten mit geschlossenen Längsstegen auch so ausgestaltet werden, dass die Fluidzuführungen seitlich über eine zusätzliche Anschlussplatte mit entsprechenden Öffnungen erfolgen und der Stapel über eine weitere Abschlussplatte abschließt.

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

Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Rautenmi-

schers bestehend aus Gehäuse und innen liegenden Mischersta

peln;

Fig. 2a schematische Darstellung des Aufbaus eines Mischerstapels mit periodisch alternierendem Wechsel von Mischerplatten;

Fig. 2b schematische Darstellung des Aufbaus eines Mischerstapels mit periodisch alternierendem Wechsel von Mischerpaketen, welche aus gleichartigen Mischerplatten aufgebaut sind;

Fig. 3 schematische Darstellung des Aufbaus eines Mischerstapels mit

periodisch alternierendem Wechsel von Mischerpaketen, welche aus verschiedenartigen Mischerplatten aufgebaut sind;

Fig. 4 schematische Darstellung des Rautenmischers bestehend aus

Gehäuse und innen liegendem Mischerstapel mit verbesserter FIu-

idzuführung;

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Fig. 5 schematische Darstellung des Mischerstapels mit verbesserter

Fluidzuführung, welcher aus Mischerpaketen periodisch alternierenden Typs besteht.

Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen statischen Rautenmischer, bestehend aus Gehäuseunterteil (30), Gehäuseoberteil (31) und zwei Mischerstapeln (20, 21). Die beiden Mischerstapel (20, 21) befinden sich im Inneren des Gehäuseunterteils (30) in einer passgenauen Kavität (33). Der Zusammenhalt von Gehäuseoberteil (31) und Gehäuseunterteil (30) erfolgt über die Verbindungselemente (32), wobei die Dichtigkeit sichergestellt wird durch einen Dichtungsring (38), der in die im Gehäuseunterteil vorhandene Nut (37) eingelegt ist. Durch die FIuidanschlüsse (34, 35) werden die zu mischenden Stoffe in das Gehäuse eingebracht, treffen auf die Frontseite des ersten Mischerstapels (20) auf und erfahren beim Durchströmen durch den Mischerstapel (20) eine Vermischung. Wegen der passgenauen Kavität (33) wird eine ausreichende Dichtigkeit der Mischerstapel gegenüber den Gehäuseinnenwänden erreicht, so dass vernachlässigbare Fluidströme zwischen Gehäusewandungen und Mischerstapeln auftreten. Der Hauptfluidstrom tritt nach Verlassen des ersten Mischerstapels (20) in den zweiten Mischerstapel (21) ein, welcher wie der erste Mischerstapel (20) gestaltet ist und lediglich in der Längsachse um 90° gegenüber dem ersten Mischerstapel (20) gedreht in das Gehäuse eingebaut ist. Hierdurch wird erreicht, dass vorhandene Unsymmetrien in der Vermischung durch den Mischerstapel (20) durch den nachfolgenden Mischerstapel (21) ausgeglichen werden. Nach Verlassen des zweiten Mischerstapels (21) verlässt das Fluidgemisch am Mischerauslass (36) das Gehäuse.

Fig. 2a zeigt den Aufbau eines Mischerstapels (20) aus seinen Einzelelementen. Grundbestandteil ist dabei eine Mischerplatte (5), die durch eine Vielzahl, von Stegen gekennzeichnet ist, die über die äußeren Längsstege (11) an den Stegenden gehalten werden. Fertigungstechnisch lassen sich solche Mischerplatten aus einem bandförmigen Material (17), in dem entsprechende Stege durch Stanzen ausgeformt sind, durch Abtrennen gleichlanger Abschnitte erzeugen.

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Durch das Wenden einer Mischerplatte (5) um seine Längsachse erhält man eine Mischerplatte (6) mit spiegelbildlicher Struktur. Durch periodisch wechselweise Schichtung der beiden Mischerplattentypen (5, 6) baut sich ein Mischerstapel (20) auf. Eine stoffschlüssige Verbindung der Mischerplatten sichert die leichte Handhabbarkeit der so hergestellten Mischerstapel (20) für den Einbau.

Fig. 2b zeigt den Aufbau eines Mischerstapels (20) aus Mischerpaketen (13, 14). Letztere sind dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Vielzahl gleichartiger Mischerplatten bestehen. Dabei unterscheidet sich das Mischerpaket (14) lediglich durch seine Spiegelsymmetrie vom Mischerpaket (13). Ein Mischerstapel besteht aus einer periodisch wechselweisen Aufschichtung von Mischerpaketen (13) bzw. (14). Vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung ist die größere Angriffsfläche, die dem strömenden Fluid durch die Aufschichtung von gleichartigen Mischerplatten innerhalb eines Mischerpakets durch die Stegkanten entgegengesetzt und durch die eine Führung von Teilfluidströmen verbessert wird. Gleichzeitig können Verfahren der Strukturierung der Mischerplatten, die vorwiegend für kleine Materialstärken sind wie Stanzen, Ätzen etc. anwendbar sind, beibehalten werden.

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines Mischerstapels (20) aus Mischerpaketen (13, 14), die aus unterschiedlich gestalteten Mischerplatten (8, 9, 10) aufgebaut sind. Die Mischerplatten (8, 9, 10) unterscheiden sich hierbei in der Größe des Winkels, in der die Stege gegenüber den Längsstegkanten schräg gestellt sind. So besitzen die Stege der Mischerplatte (8) einen geringeren Anstellwinkel (W1), die Stege der Mischerplatte (10) dagegen einen größeren Anstellwinkel (W3) im Vergleich zu dem Anstellwinkel (W2) der Mischerplatte (9). Ebenso können in gleicher Weise Mischerplatten derart hergestellt werden, dass durch Stanzen ausgeformte Bänder (17) in Abschnitte getrennt werden, wobei für jeden Mischerplattentyp ein eigenes Band erforderlich ist. Die Mischerpakete (13, 14) sind zweckmäßigerweise so aufgebaut, dass Mischerplatten mit den geringsten Anstellwinkeln (8) am Paket außen anliegen und zur Paketmitte hin Mischerplatten mit zunehmend größeren Anstellwinkeln zu liegen kommen. Hierdurch

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wird erreicht, dass in einem so gebildeten Mischerpaket (13) nicht nur durch Stegkanten der sich ähnelnden Mischerplatten eine vergrößerte Angriffsfläche dem Fluidgemisch gegenüber gebildet wird, sondern durch die spezielle Ausformung der Stegwinkel und der Anordnungsreihenfolge der Mischerplatten innerhalb des Mischerpakets auch eine Profilierung dieser aus den Stegkanten geformten Angriffsfläche erfolgt, derart, dass im Einlaufbereich (45) eine konkave Ausformung (15) die Führung des umgelenkten Fluidstroms unterstützt, während im Auslaufbereich (46) die konvexe Ausformung (16) ein Verteilen des geführten Fluidstroms an die benachbart anliegenden Mischerpakete ermöglicht und so das Entstehen von Totvolumina vermeidet.

Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Mikrovermischer, bestehend aus Gehäuseunterteil (30), Gehäuseoberteil (31) und zwei in eine Kavität (33) eingelegte, zueinander gekreuzte Mischerstapel (20, 21), die eine verbesserte Fluidzuführung, die in Fig. 5 erläutert wird, aufweisen.

Fig. 5 zeigt den Aufbau eines Mischerstapels, bestehend aus einzelnen abgeschrägten Mischerplatten. Die Abschrägung ist derart gestaltet, dass keine einseitig angebundenen Stege vorhanden sind. Durch die vergrößerte Öffnung, die sich in dieser Ausgestaltung ergibt, kann das eintretende Fluidgemisch von der Eintrittsfläche eines Mischerpakets (13, 14) her leicht in die Durchbrüche der darüber liegenden Mischerpakete gelangen.

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Bezugszeichenliste:

1 Anschlussplatte

2 Gemischauslass

3 Einlass Fluid I

4 Einlass Fluid Il

5 Mischerplatte

15 6 Mischerplatte, um Längsachse 180° gewendet

7 Abschlussplatte

8 Mischerplatte mit kleinem Anstellwinkel

9 Mischerplatte mit mittleren Anstellwinkel

10 Mischerplatte mit großem Anstellwinkel 20 11 Längssteg der Mischerplatte

12 Steg einer Mischerplatte

13 Mischerpaket

14 Mischerpaket, um Längsachse 180° gewendet

15 Konkaver Einlaufbereich eines Mischerpakets 25 16 Konvexer Auslaufbereich eines Mischerpakets

17 Mischerplattenstreifen

20 Mischerstapel

21 Mischerstapel, um Längsachse 90° gedreht

30	30	Gehäuseunterteil
31	Gehäuseoberteil
32	Befestigungselemente
33	Kavität
35 34	Fluidanschluss I
35	Fluidanschluss Il
36	Mischerauslass
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37 Nut

38 Dichtungsring

43 Schnittbild eines Mischerpakets

44 Schnittbild eines Mischerpakets, um 180° gewendet 45 Einlaufbereich

46 Auslaufbereich

48 Mischerplatte mit kleinen Anstellwinkel, um Längsachse 180° gewendet

49 Mischerplatte mit mittleren Anstellwinkel, um Längsachse 180° gewendet 50 Mischerplatte mit großem Anstellwinkel, um Längsachse 180° gewendet

Claims

1. Statischer Mikrovermischer, der Zuleitungen für mindestens zwei zu vermischende Stoffströme aufweist und aus einem Gehäuse mit darin enthaltener Mischeinheit besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinheit aus zueinander gekreuzten Mischerstapeln (20, 21) gebildet wird, welche ihrerseits aus periodisch wechselweise spiegelbildlich dicht gepackten Mischerplatten (5, 6) bestehen, die parallel zur Hauptströmrichtung ausgerichtet und mit Durchbrüchen versehen sind, wodurch eine über zwei äußere Längsstege (11) gemeinsam verbundene Schar von Stegen (12) entstehen, die schräg zur Hauptströmungsrichtung angestellt sind und einen Winkel kleiner als 180° zwischen den Stegkanten der periodisch angeordneten Platten und der Hauptströmungsrichtung aufweisen.

2. Mikrovermischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischerplatten (5, 6) durch Schweißen, Diffusionsschweißen, Laserschweißen. Löten, Diffusionslöten oder Kleben stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

3. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wechselweise Schichtung durch Mischerpakete (13, 14), welche ihrerseits aus Mischerplatten (5, 6) gleichen Typs bestehen, erfolgt.

4. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischerpaketen (13, 14) aus Mischerplatten unterschiedlichen Typs (8, 9, 10, 48, 49, 50) bestehen.

5. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischerplatten Stege mit beliebig gebogenen Kanten enthalten.

6. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischerpakete (20, 21) und das Gehäuse (30, 31) aus Metall, einer Metalllegierung, Kunststoff, Keramik oder Glass bestehen.