DE20300556U1

DE20300556U1 - Statischer Laminationsmikrovermischer

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Publication number: DE20300556U1
Application number: DE20300556U
Authority: DE
Original assignee: EHRFELD MIKROTECHNIK AG
Current assignee: Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2013-01-16

Description

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Ehrfeld Mikrotechnik AG Mikroforum Ring 1

55234 Wendelsheim 10

Statischer Laminationsmikrovermischer

13. Januar 2003 ' II··

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·! Dr. Meyer-Dulheuer

Statischer Laminationsmikrovermischer

Die Erfindung betrifft einen statischen Mikrovermischer, der das Multilaminationsprinzip zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten nutzt, sehr einfach aufgebaut ist und preiswert hergestellt werden kann.

Mikrovermischer bilden eines der Schlüsselelemente der Mikroreaktionstechnik. Durch die Erzeugung großer Konzentrationsgradienten werden Diffusionsprozesse stark begünstigt und dadurch ein schnelles, wirksames und energiesparendes Mischen erreicht.

Mikrovermischer sind bereits in einigen sehr unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben worden. Mit besonderem Erfolg wird dabei das Prinzip der Multilamination genutzt. Die beiden zu mischenden Flüssigkeitsströme werden jeweils in einer kammartigen Struktur aufgefächert.

Beide kammartigen Strukturen greifen ineinander und münden alternierend in eine Mischkammer. In einer Raumrichtung erfolgt dadurch eine Parallelschaltung der Mischstrukturen.

Statische Laminationsmikrovermischer aus strukturierten und periodisch gestapelten, dünnen Platten sind bereits mit geraden Kanälen aus der deutschen Patentschrift 44 16 343 und der deutschen Patentanmeldung DE 195 41 266, mit gebogenen Kanälen aus der deutschen Patentschrift 195 40 292 und den deutschen Patentanmeldungen 197 48 481 und 202 06 371 sowie mit sich verjüngenden Kanälen aus der deutschen Patentanmeldung 199 28 123 bekannt. An den Kanten solcher Plattenstapel treten aus den Kanälen die Fluide aus und vermischen sich in der anschließenden Mischkammer. Die beiden Fluide wechseln sich in der Mischkammer jeweils in Stapel richtung ab. Eine andere Realisierung des Multilaminationsprinzips innerhalb einer einzelnen Platte ist in der deutschen Patentanmeldung 100 41 823

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beschrieben, eine Variante davon mit einer Wirbelkammer in der deutschen Patentanmeldung 101 23 092 dargestellt. Wie bei den zuvor genannten Beispielen fließen hierbei die Fluide in der Plattenebene und durchqueren die Platte nicht. Eine andere Ausführungsform mit Nuten in einem massiven Block ist in der deutschen Patentanmeldung 202 09 009 beschrieben.

Alle bisher bekannten statischen Laminationsmikrovermischer erzeugen dünne Strömungslamellen aus den zu mischenden Fluiden, wobei die weitere Mischung dann durch Diffusion erfolgt. Bei Flüssigkeiten sind die Diffusionskoeffizienten jedoch so klein, dass es mehrere Sekunden dauern kann, bis die Fluide vollständig durchgemischt sind.

Es stellte sich deshalb die Aufgabe, einen statischen Mikrovermischer zur Verfügung zu stellen, der eine schnellere und bessere Durchmischung ermöglicht, als es allein durch die Nutzung des Multilaminationsprinzips möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen statischen Laminationsmikrovermischer zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten, der

· aus gestapelten Platten oder Folien aufgebaut ist, die als Vormischkammern dienende Kanäle (51) aufweisen,

in den Vormischkammern alternierende Schlitze (21, 31) als Einlassöffnungen für die zu mischenden Flüssigkeiten vorgesehen sind, und

die Vormischkammern in eine Hauptmischkammer münden.

Die in den Vormischkammern gebildeten Strömungslamellen, die bei dem erfindungsgemäßen Laminationsmikrovermischer in die vorzugsweise senkrecht darüber liegende Hauptmischkammer eingeleitet werden, können aus bereits vorgemischten Fluiden bestehen. Dabei sind die als Vormischkammern

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dienenden Kanäle (51) vorzugsweise senkrecht zu den gestapelten Platten oder Kanälen angeordnet.

Der erfindungsgemäße Laminationsmikrovermischer besteht aus einem Stapel von Platten oder Folien (20, 30), die parallele Mischschlitze für das Fluid a (21a, 31a), bzw. Mischschlitze für das Fluid b (21b, 31b) enthalten. Im einfachsten Fall kann der Stapel aus Mischplatten vom Typ 1 (20) und Mischplatten vom Typ 2 (30) bestehen, wobei beide Mischplatten baugleich sein können, aber um 180° verdreht sind. Abgeschlossen wird der Stapel nach unten durch ein Gehäuseteil oder eine Bodenplatte (40), nach oben aber durch eine Auslassplatte (10) mit Auslassschlitz (11 m). Die alternierenden Schlitze (21,31) überlappen sich an ihre jeweiligen Enden und bilden so Mischkanäle (51), die senkrecht durch den Mischstapel (50) verlaufen. Jeder als Vormischkammer dienende Kanal (51) mündet durch den Auslassschlitz (11m) in die Hauptmischkammer.

Dieses Konstruktionsprinzip ermöglicht es, viele unterschiedliche Mischeranordnungen zu schaffen und einen hohen Durchsatz zu erzielen. Die Querschnitte in allen Zuführungsleitungen für die zu mischenden Flüssigkeiten werden zweckmäßigerweise jeweils so gewählt, dass der Strömungswiderstand in den Zuführungsleitungen gering ist und die Fluide daher sehr gleichmäßig über den gesamten Bereich des Mikrovermischers verteilt werden können.

Die in die Platten eingearbeiteten, alternierenden Schlitze (21, 31) können durch die verschiedensten Verfahren mechanischer, chemischer und physikalischer Art wie Stanzen, Prägen, Fräsen, Erodieren, Ätzen, Plasmaätzen, Laserschneiden, Laserabladieren oder durch die LIGA-Technik hergestellt werden. Die Platten oder Folien bestehen aus metallischen oder keramischen Materialien, aus Kunststoff oder aus Glas. Sie werden entweder lose gestapelt oder stoffschlüssig oder kraftschlüssig verbunden. Stoffschlüssig erfolgt die Verbindung besonders vorteilhaft durch Löten, Schweißen, Diffusionsschweißen oder Kleben. Eine kraftschlüssige Verbindung kann durch Schrauben oder Vernieten erfolgen.

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Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung werden die Abmessungen für eine beispielhafte Ausführung angegeben. Die Breite der Auslassschlitze (11) kann vorzugsweise unter 100 pm liegen, zum Beispiel bei 50 pm, der Abstand zwischen zwei Auslassschlitzen (11) ist so gering wie möglich, zum Beispiel etwa 50 &mgr;&eegr;&eegr;. Die Dicke der Mischplatten (20, 30) ist etwa 50 Mm. Die Länge der Auslassschlitze (11) liegt im Allgemeinen zwischen 50 und 250 pm.

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

Es zeigen:

Fig. 1 Grundschema eines Multilaminationsvermischers;

Fig. 2a Grundschema der erfindungsgemäßen Vormischung einer

Strömungslamelle;

Fig. 2b Zusammenbau der Anordnung aus Fig. 2a;

Fig. 2c Querschnitt durch den Zusammenbau aus Fig. 2b entlang der

Linie A-A;

Fig. 3a ein Ausführungsbeispiel mit Auslassplatte (10), Mischplatte Typ 1

(20), Mischplatte Typ 2 (30) und Bodenplatte (40);

Fig. 3b die zusammengebauten Einzelteile aus Fig. 3a mit einer Ausschnittsvergrößerung und parallelen Strömungslamellen;

Fig. 4a ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Auslassplatte (10), Mischplatte Typ 1 (20), Mischplatte Typ 2 (30) und Bodenplatte (40);

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Fig. 4b die zusammengebauten Einzelteile aus Fig. 4a mit einer

Ausschnittsvergrößerung;

Fig. 5 vier Ausführungsbeispiele für Kombinationen aus Mischplatte Typ

1 (20) und Mischplatten Typ 2 (30) in der Aufsicht;

Fig. 6 vier weitere Ausführungsbeispiele für Kombinationen aus

Mischplatten Typ 1 (20) und Mischplatten Typ 2 (30) in der Aufsicht.

Fig. 1 zeigt das Grundschema eines Multilaminationsmischers mit Strömungslamellen für Fluid a (12a) und Strömungslamellen für Fluid b (12b). Die Strömungslamellen (12) münden alternierend in eine Hauptmischkammer. Die Hauptmischkammer hat somit viele parallele Zuläufe. Die Öffnungen dieser Zuläufe sind in Fig. 1 durch parallele Auslassschlitze für die beiden Fluide (11a, 11b) in einer Fläche dargestellt. Bei den bekannten Multilaminationsmischern wird diese Abfolge von Zuläufen auf unterschiedliche Weise erreicht. Die Hauptmischkammer befindet sich oberhalb der dargestellten Fläche. Die Zuführung der Fluide ist am einfachsten, wenn die Zuführung für Fluid a von einer Seite, die für Fluid b von der anderen Seite erfolgt, es ist jedoch auch möglich, beide Fluide alternierend von beiden Seiten zuzuführen.

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Fig. 2a zeigt einen Stapel von Mischplatten (20, 30), die Mischschlitze für Fluid a (21a) bzw. Mischschlitze für Fluid b (31b) enthalten. Der Stapel kann im einfachsten Fall aus einer Mischplatte Typ 1 (20) und einer Mischplatte Typ 2 (30) bestehen, wobei die Mischplatte Typ 2 (30) baugleich mit Mischplatte Typ 1 (20) sein kann, aber um 180° gedreht wird. Abgeschlossen wird der Stapel nach unten durch ein Gehäuseteil oder eine Bodenplatte (40), nach oben durch eine Auslassplatte (10) mit Auslassschlitz (11m). Fluid a wird den Mischschlitzen für Fluid a (21a) zugeführt und Fluid b den Mischschlitzen für Fluid b (31b). Die Mischschlitze (21a, 31b) überlappen an ihren jeweiligen Enden und bilden so insgesamt einen Mischkanal, der senkrecht durch den Plattenstapel verläuft. Durch den Auslassschlitz für die Mischung (11m) mündet der Kanal in die Hauptmischkammer.

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Fig. 2b zeigt einen aus den Einzelteilen aus Fig. 2a zusammen gebauten Mischstapel (50) und eine Strömungslamelle für die vorgemischten Fluide a und b(12m).

Fig. 2c zeigt einen Querschnitt durch den Mischstapel (50) aus Fig. 2b entlang der Linie A-A. Der Mischkanal (51) wird durch den Überlappungsbereich der Mischschlitze für Fluid a (21a) und der Mischschlitze für Fluid b (31b) gebildet. Der Mischkanal (51) ist nach unten durch die Bodenplatte (40) abgeschlossen, nach oben endet er mit dem Auslassschlitz (11 m) in der Auslassplatte (10).

Fig. 3a zeigt in einem Ausführungsbeispiel, wie die einzelnen Mischkanäle, die in Fig. 2a und Fig. 2b erläutert wurden, im Multilaminationsmischer parallel angeordnet sind. Die Zuführung von Fluid a erfolgt hierbei von links durch die Mischschlitze für Fluid a (21; 31a) in den Mischplatten Typ 1 (20) und Typ 2 (30). Die Zuführung von Fluid b erfolgt hierbei von rechts durch die Mischschlitze für Fluid b (21b; 31b) ebenfalls in beiden Typen von Mischplatten (20, 30).

Fig. 3b zeigt die zusammen gebauten Einzelteile aus Fig. 3a mit einer Ausschnittsvergrößerung und die parallelen Strömungslamellen für die vorgemischten Fluide a und b (12m). Der Mischstapel (50) kann analog zu Fig. 2a auch aus einer größeren Anzahl Mischplatten Typ 1 und 2 (20, 30) bestehen, die dann vorzugsweise alternierend gestapelt werden.

Fig. 4a zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel die Anordnung der einzelnen Mischkanäle. Die Zuführung von Fluid a erfolgt hierbei von links durch die Mischschlitze für Fluid a (31a) nur durch die Mischplatte Typ 2 (30). Die Zuführung von Fluid b erfolgt von rechts durch die Mischschlitze für Fluid b (21b) nur durch die Mischplatte Typ 1 (20).

Fig. 4b zeigt die zum Mischstapel (50) zusammen gebauten Einzelteile aus Fig. 4a mit einer Ausschnittsvergrößerung. Der Mischstapel (50) kann auch aus

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einer größeren Anzahl Mischplatten Typ 1 und 2 (20, 30) bestehen, die dann vorzugsweise alternierend gestapelt werden.

Fig. 5 und Fig. 6 zeigen acht Ausführungsbeispiele für Kombinationen aus Mischplatte Typ 1 (20) und Mischplatten Typ 2 (30) in der Aufsicht. Die Mischplatten Typ 1 (20) sind durch dünne durchgezogene Linien dargestellt, die Mischplatten Typ 2 (30) durch dicke gestrichelte Linien. Die Ausführungsbeispiele a und b entsprechen den in Fig. 3 bzw. Fig. 4 gezeigten Beispielen. Ausführungsbeispiel c zeigt, dass Mischschlitze (31b) auch breiter sein können. Hier ist jeweils der Steg zwischen zwei benachbarten Mischschlitzen entfallen. Ausführungsbeispiel d zeigt, dass die Mischschlitze (21a) in Mischplatte Typ 1 (20) und die Mischschlitze (31b) in Mischplatte Typ 2 (30) gegeneinander verschoben sein können. Jeder Mischschlitz (21a) in Mischplatte Typ 1 (20) überlappt dadurch mit zwei Mischschlitzen (31b) in der Mischplatte 2 (30). Ausführungsbeispiel e zeigt, dass die Mischschlitze (21a) in Mischplatte Typ 1 (20) und in die Mischschlitze (31b) in Mischplatte Typ 2 (30) unterschiedlich breit sein können. Dies ist vorteilhaft, wenn unterschiedliche Mengen der Fluide a und b gemischt werden sollen. Ausführungsbeispiel f zeigt, dass die Mischschlitze (21a) auch verzweigt sein können. Hierdurch lässt sich eine besonders gute Vorvermischung der beiden Fluide erreichen. In gleicher Weise ist es möglich, dass sowohl die Mischschlitze (21) in Mischplatte Typ 1 (20), als auch die Mischschlitze (31) in Mischplatte Typ 2 (30) verzweigt sind. Ausführungsbeispiele g und h zeigen, dass die Mischschlitze (31) auch in beliebigem Winkel schräg angeordnet sein können. Die Mischschlitze für Fluid a (21a) und die Mischschlitze für Fluid b (31b) können dabei gleich orientiert (g) oder gegensinnig orientiert (h) sein. Im letzteren Fall (h) kann jeder Mischschlitz für Fluid a (21a) mit vielen Mischschlitzen für Fluid b (31b) überlappen.

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Claims

1. Statischer Laminationsmikrovermischer zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass

- er aus gestapelten Platten oder Folien aufgebaut ist, die als Vormischkammern dienende Kanäle (51) aufweisen,

- in den Vormischkammern alternierende Schlitze (21, 31) als Einlassöffnungen für die zu mischenden Flüssigkeiten vorgesehen sind und

- die Vormischkammern in eine Hauptmischkammer münden.

2. Laminationsmikrovermischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmischkammer und die Vormischkammern senkrecht zueinander angeordnet ist.

3. Laminationsmikrovermischer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischkammern senkrecht zu den gestapelten Platten oder Folien angeordnet sind.

4. Laminationsmikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die alternierenden Schlitze (21, 31) und die Vormischkammern (51) durch Ausnehmungen in den Platten oder Folien gebildet worden sind.

5. Laminationsmikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen in den Platten oder Folien durch Ätzen, Drahterodieren, Laserschneiden, Laserablatieren, Stanzen, Prägen, Fräsen, Erodieren oder durch die LIGA-Technik hergestellt worden sind.

6. Laminationsmikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten oder Folien aus metallischen oder keramischen Materialien, aus Kunststoff oder aus Glas bestehen.

7. Laminationsmikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten oder Folien stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

8. Laminationsmikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten oder Folien kraftschlüssig miteinander verbunden sind.

9. Laminationsmikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die als Einlassöffnungen für die zu mischenden Flüssigkeiten dienenden, alternierenden Schlitze (21, 31) stets die gleichen Abmessungen aufweisen.

10. Laminationsmikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die als Einlassöffnungen für die zu mischenden Flüssigkeiten dienenden, alternierenden Schlitze (21, 31) unterschiedliche Abmessungen aufweisen.

11. Laminationsmikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten oder Folien eine einheitliche Dicke aufweisen.

12. Laminationsmikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten oder Folien eine unterschiedliche Dicke aufweisen.

13. Laminationsmikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unterschiedlich geformte Platten oder Folien übereinander gestapelt sind.

14. Laminationsmikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flüssigkeiten von gegenüberliegenden Seiten zugeführt werden können.

15. Laminationsmikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flüssigkeiten alternierend von beiden Seiten zugeführt werden können.