WO1999020906A1 - Kupplung für mikrokomponenten - Google Patents

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Michael Schmelz
Hanns Wurziger
Norbert Schwesinger
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Definitions

  • the invention relates to a coupling for microcomponents such as micromixers, micropumps, microvalves and the like. Similar, consisting of several, essentially plane-parallel plates, with line connections for supplying the components to be conveyed or mixed and for discharging the fluid.
  • the invention is concerned with a coupling element for microcomponents which contain several superimposed plane-parallel plates in their superimposed surfaces, the structures required for the required mixer geometry function. Because of the good thermal conductivity and the
  • these plates usually consist of silicon (so-called silicon wafers), which contain a geometry that is adapted to the function of the microcomponent.
  • silicon wafers which contain a geometry that is adapted to the function of the microcomponent.
  • the object of the invention is therefore to design a coupling for microcomponents of the type mentioned at the outset in such a way that the line connections can be reliably attached to the plates and an inadmissible stress on the plates is thereby prevented.
  • the plates have congruent openings, that a connection block provided with the line connections has several, through the openings and a pressure plate projecting fastening webs, which are connected to a fastening device on the back of the pressure plate, and that the connection block in of its contact surface facing the plates has line openings, each of which is opposite a line hole of the top plate.
  • connection block prevents forces which would lead to impermissible stresses from being transmitted to the plates through these line connections. All pipe connections are connected to the plates via the connection block and the opposite pressure plate in such a way that bending stresses are largely avoided.
  • Fastening bars also provide precise alignment with the
  • the line bores are preferably in the plate surface between the openings. This is both a compact design and uniform support in the area of Line connections occurring pressure forces reached through the mounting webs that protrude through the openings.
  • each line mouth of the connection block is surrounded by an elastic sealing ring. A tight connection of the respective line is thus achieved.
  • each line connection has a threaded bore leading to the line mouth and the sealing ring lies between the surface of the plate and an end face of a connection connection part screwed into the threaded bore.
  • the elastic sealing ring When screwing in the connection connection part, the elastic sealing ring is pressed against the plate surface. This creates a tight connection. Only pressure forces that do not pose a danger act on the plate surface.
  • the inserted elastic sealing ring also serves as a sealing and spring element, which enables a controlled tightening of the connection connection part.
  • Fig. 2 is a bottom view in the direction of arrow II in Fig. 1 and
  • FIG. 3 shows a section along the line III-III in FIG. 1.
  • the microcomponent shown has several superposed, essentially plane-parallel plates 1, only one of which is shown in the drawing. These are so-called silicon wafers with an etched geometry (not shown).
  • Line bores 2 emerge from the surface of the plate 1, to which lines 3 are connected via line connections 4, which lead to line outlets 4a.
  • line connections 4a In the plates 1 lying one on top of the other, congruent openings 5 are left between which the line bores 2 lie. The position of the line bores 2 is precisely defined in relation to the openings 5.
  • An essentially cuboid connection block 6 contains threaded bores 7, into each of which a commercially available micro screw connection 8 of each line connection 4 is screwed.
  • a common fastening device which holds the components described in this position, consists in the illustrated embodiment of a clamping clip 12 which is inserted through transverse bores 13 of all fastening webs 10.
  • An elastic sealing ring 15 for example an O-ring, is inserted in each connection part of the micro screw connection 8 and the plate surface of the plate 1.
  • Sealing ring also serves as a spring element that enables a controlled tightening of the connection.

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Abstract

Eine Kupplung für Mikrokomponenten bestehend aus mehreren, im wesentlichen planparallelen Platten (1) mit Leitungsanschlüssen (4) zur Zuleitung flüssiger oder gasförmiger Komponenten und zu deren Ableitung. Die Leitungsanschlüsse (4) sind an einem Anschlußblock (6) angebracht, der mit Befestigungsstegen (10) durch Durchbrüche (5) in den Platten (1) ragt. Die Leitungsanschlüsse münden im Bereich von Leitungsbohrungen der Platte (1).

Description

Kupplung für Mikrokomponenten
Die Erfindung betrifft eine Kupplung für Mikrokomponenten, wie Mikromischer, Mikropumpen, Mikroventilen u. ähnlichen, bestehend aus mehreren, im wesentlichen planparallelen Platten, mit Leitungsanschlüssen zur Zuleitung der zu fördernden oder mischenden Komponenten und zur Ableitung der Fiuide.
Viele chemische Reaktionen erfordern eine exakte Temperaturkontrolle und eine gute Durchmischung der zu mischenden Komponenten. Zudem gewinnt zunehmend die Prozeßkontrolle an Bedeutung; die geforderte erhöhte Sicherheit kann durch geringere Massenströme einfacher gewährleistet werden. Mikrokomponenten unterschiedlichster Bauart können diese Anforderungen erfüllen.
Die Erfindung beschäftigt sich mit einem Kupplungselement für Mikrokomponenten, die mehrere aufeinanderiiegende planparallele Platten in ihren aufeinanderiiegenden Oberflächen die für die erforderliche Funktion Mischergeometrie benötigten Strukturen enthalten. Wegen der guten thermischen Leitfähigkeit und der
Strukturierbarkeit bestehen diese Platten üblicherweise aus Silizium (sog. Siliziumwafer), die im Inneren eine der Funktion der Mikrokomponente angepaßte Geometrie enthalten. Der Einsatz anderer, chemisch beständiger und den Einsatzbedingungen angepaßter Materialien, ist aber auch möglich.
Wegen der eingeschränkten mechanischen Festigkeit des Siliziums müssen Zug- und Biegebeanspruchungen der Platten soweit wie möglich vermieden werden. Schwierigkeiten bereitet jedoch die Anbringung der Leitungsanschlüsse zur Zuleitung der zu mischenden oder fördernden Komponenten und zur Ableitung. Einerseits muß eine genaue Positionierung in Bezug auf die aus der Plattenoberfläche austretenden Bohrungen gewährleistet sein; andererseits besteht die Gefahr, daß bei der Anbringung der Leitungsanschlüsse oder bei der Montage bzw. Demontage des Mikrokomponenten über diese Leitungsanschlüsse unzulässige Biegebeanspruchungen in die Platten, insbesondere Siliziumplatten, eingeleitet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kupplung für Mikrokomponenten der eingangs genannten Gattung so auszugestalten, daß die Leitungsanschlüsse zuverlässig an den Platten angebracht werden können und dabei eine unzulässige Beanspruchung der Platten verhindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Platten deckungsgleiche Durchbrüche aufweisen, daß ein mit den Leitungsanschlüssen versehener Anschlußblock mehrere, durch die Durchbrüche und eine Druckplatte ragende Befestigungsstege aufweist, die an der Rückseite der Druckplatte mit einer Befestigungseinrichtung verbunden sind, und daß der Anschlußblock in seiner den Platten zugekehrten Anlagefläche Leitungsmündungen aufweist, denen jeweils eine Leitungsbohrung der obersten Platte gegenüberliegt.
Die Anordnung der Leitungsanschlüsse an dem Anschlußblock verhindert, daß durch diese Leitungsanschlüsse Kräfte auf die Platten übertragen werden, die zu unzulässigen Beanspruchungen führen würden. Alle Leitungsanschlüsse sind über den Anschlußblock und die gegenüberliegende Druckplatte so mit den Platten verbunden, daß Biegebeanspruchungen weitestgehend vermieden werden.
Die durch die Anordnung der Leitungsanschlüsse am Anschlußblock gewährleistete genaue räumliche Zuordnung zu den
Befestigungsstegen stellt auch eine genaue Ausrichtung zu den
Leitungsmündungen in der Platte sicher. Diese genaue und reproduzierbare Positionierung der Leitungsanschlüsse ist auch nach jeder Demontage und erneuten Montage der Mikrokomponente gewährleistet.
Vorzugsweise liegen die Leitungsbohrungen in der Plattenoberfläche zwischen den Durchbrüchen. Damit wird sowohl eine kompakte Bauweise als auch gleichmäßige Abstützung der im Bereich der Leitungsanschlüsse auftretenden Druckkräfte über die Befestigungsstege erreicht, die durch die Durchbrüche ragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß jede Leitungsmündung des Anschlußblocks von einem elastischen Dichtring umgeben ist. Damit wird ein dichter Anschluß der jeweiligen Leitung erreicht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn jeder Leitungsanschluß eine zur Leitungsmündung führende Gewindebohrung aufweist und der Dichtring zwischen der Oberfläche der Platte und einer Stirnfläche eines in die Gewindebohrung eingeschraubten Anschlußverbindungsteils liegt.
Beim Einschrauben des Anschlußverbindungsteils wird der elastische Dichtring gegen die Plattenoberfläche gedrückt. Dadurch entsteht eine dichte Verbindung. Auf die Plattenoberfläche wirken dabei nur Druckkräfte, die keine Gefahr darstellen. Der eingelegte elastische Dichtring dient gleichzeitig als Dicht- und Federelement, das ein kontrolliertes Anziehen des Anschlußverbindungsteils ermöglicht.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt:
Fig. 1 einen Teil einer Mikrokomponente in einem Schnitt im Bereich der Leitungsanschlüsse,
Fig. 2 eine Unteransicht in Richtung des Pfeiles II in Fig. 1 und
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie lll-lll in Fig. 1.
Die dargestellte Mikrokomponente weist mehrere aufeinanderiiegende, im wesentlichen planparallele Platten 1 auf, von denen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist. Es handelt sich hierbei um sog. Siliziumwafer mit (nicht dargestellter) eingeätzter Geometrie. Aus der Oberfläche der Platte 1 treten Leitungsbohrungen 2 aus, an die Leitungen 3 über Leitungsanschlüsse 4 angeschlossen sind, die zu Leitungsmündungen 4a führen. In den aufeinanderliegenden Platten 1 sind deckungsgleiche Durchbrüche 5 ausgespart, zwischen denen die Leitungsbohrungen 2 liegen. Die Lage der Leitungsbohrungen 2 ist in bezug auf die Durchbrüche 5 genau definiert.
Ein im wesentlichen quaderförmiger Anschlußblock 6 enthält Gewindebohrungen 7, in die jeweils eine handelsübliche Mikroverschraubung 8 jedes Leitungsanschlusses 4 eingeschraubt ist.
Aus der der Oberfläche der Platte 5 zugekehrten Anlagefläche 9 des Anschlußblocks 6 springen vier Befestigungsstege 10 vor, die durch die Durchbrüche 5 und eine Druckplatte 11 ragen, die an der Rückseite der Platte 1 angeordnet ist.
Eine gemeinsame Befestigungseinrichtung, die die beschriebenen Bauteile in diese Lage hält, besteht beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Klemmspange 12, die durch Querbohrungen 13 aller Befestigungsstege 10 gesteckt ist.
Zwischen jeder Stirnfläche 14 des eingeschraubten
Anschiußverbindungsteils der Mikroverschraubung 8 und der Plattenoberfläche der Platte 1 ist jeweils ein elastischer Dichtring 15, bspw. ein O-Ring eingelegt. Beim Einschrauben der Mikroverschraubungen 8 in den Anschlußblock 6 entsteht somit ein dichter Anschluß an die Leitungsbohrungen 2. Der elastische
Dichtring dient dabei zugleich auch als ein Federelement, daß ein kontrolliertes Anziehen der Verbindung ermöglicht.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Kupplung für Mikrokomponenten, bestehend aus mehreren, im wesentlichen planparallelen Platten, mit Leitungsanschlüssen zur Zuleitung flüssiger oder gasförmiger Komponenten und zu deren
Ableitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1) deckungsgleiche Durchbrüche (5) aufweisen, daß ein mit den Leitungsanschlüssen (4) versehener Anschlußblock (6) mehrere, durch die Durchbrüche (5) und eine Druckplatte (11) ragende Befestigungsstege (10) aufweist, die an der Rückseite der
Druckplatte (11) mit einer Befestigungseinrichtung (12) verbunden sind, und daß der Anschlußblock (6) in seiner den Platten (1) zugekehrten Anlagefläche (9) Leitungsmündungen (4a) aufweist, denen jeweils eine Leitungsbohrung (2) der obersten Platte (1) gegenüberliegt.
2. Kupplung für Mikrokomponenten nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsbohrungen (2) in der Plattenoberfläche zwischen den Durchbrüchen (5) liegen.
3. Kupplung für Mikrokomponenten nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß jede Leitungsmündung (3a) des Anschlußblocks (6) von einem elastischen Dichtring (15) umgeben ist.
4. Kupplung für Mikrokomponenten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leitungsanschluß (4) eine zur Leitungsmündung (4a) führende Gewindebohrung (7) aufweist und daß der Dichtring (15) zwischen der Oberfläche der Platte (1) und einer Stirnfläche (14) eines in die Gewindebohrung (7) eingeschraubten Anschlußverschraubungsteils liegt.
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