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DE10361411A1 - Laboratory mixer for small liquid volumes produces lamination of uniform layers of liquids released from a rotated reservoir element - Google Patents

Laboratory mixer for small liquid volumes produces lamination of uniform layers of liquids released from a rotated reservoir element Download PDF

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DE10361411A1
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Jens Dr. Ducrée
Hans-Peter Schlosser
Thilo Brenner
Thomas Glatzel
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Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
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Abstract

Eine Mischervorrichtung umfaßt eine Flüssigkeitsausstoßeinrichtung, die eine erste Ausstoßöffnung zum Ausstoßen einer ersten Flüssigkeit und eine zweite Ausstoßöffnung zum Ausstoßen einer zweiten Flüssigkeit aufweist. Ferner ist eine Flüssigkeitsempfangseinrichtung zum Empfangen der ausgestoßenen ersten und zweiten Flüssigkeit vorgesehen. Die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und die Flüssigkeitsempfangseinrichtung sind relativ zueinander drehbewegbar, um eine Schichtung aus übereinander angeordneten Schichten der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit auf der Flüssigkeitsempfangseinrichtung zu erzeugen.A mixer device comprises a liquid ejector having a first ejection port for ejecting a first liquid and a second ejection port for ejecting a second liquid. Further, a liquid receiving means for receiving the ejected first and second liquid is provided. The liquid ejection means and the liquid receiving means are rotatable relative to each other to produce a stack of superimposed layers of the first liquid and the second liquid on the liquid receiving means.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mischervorrichtung und ein Verfahren zum Mischen von zumindest zwei Flüssigkeiten, und insbesondere solche Vorrichtungen und Verfahren, bei denen zum Mischen zweier Reagenzien bzw. Flüssigkeiten eine dünne Schichtung der zu mischenden Reagenzien gebildet wird, um einen nachfolgenden diffusiven Mischprozeß zwischen den beiden Reagenzien zu beschleunigen. Die vorliegende Erfindung eignet sich dabei zum Mischen beliebiger Flüssigkeiten und insbesondere zum Mischen zweier Reagenzien in biologischen und chemischen Labors.The The present invention relates to a mixer device and a method for mixing at least two liquids, and in particular Such devices and methods in which for mixing two Reagents or liquids a thin one Layering of the reagents to be mixed is formed to a subsequent diffusive mixing process between the two reagents to accelerate. The present invention is suitable for Mixing any liquids and in particular for mixing two reagents in biological and chemical laboratories.

Das Mischen zweier Reagenzien A und B wird in biologischen und chemischen Labors üblicherweise mit sogenannten Magnetrührern durchgeführt. Die beiden zu mischenden Reagenzien werden zusammen in ein Gefäß gefüllt. Ein magnetischer Rührstab wird dazu gegeben, der durch ein rotierendes Magnetfeld in Rotationsbewegung versetzt wird. Den eigentlichen Mischprozeß kann man sich dabei in zwei Teilprozessen vorstellen. Zum einen führt der am Gefäßboden rotierende Rührstab in dem Mischgefäß zur Verwirbelung der beiden Ausgangssubstanzen. Dadurch wird die Grenzfläche zwischen den beiden Stoffen A und B kontinuierlich vergrößert. Zum anderen erfolgt die eigentliche Durchmischung aufgrund der Diffusion der Moleküle durch diese Grenzfläche hindurch. Dabei ist der absolute, durch Diffusion erzeugte molekulare Strom um so größer je größer die Grenzfläche und je größer die lokalen Konzentrationsunterschiede sind. Je größer der molekulare Strom ist, desto schneller erfolgt also die Durchmischung. Im Laufe der Zeit werden alle Konzentrationsunterschiede ausgeglichen. Allerdings kann diese Zeitkonstan te bei herkömmlichen Labormischern sehr groß sein und beispielsweise in der Größenordnung von mehreren Sekunden bis zu mehreren Minuten liegen.The Mixing two reagents A and B is described in biological and chemical Laboratories usually with so-called magnetic stirrers carried out. The two reagents to be mixed are filled together in a vessel. One magnetic stir bar is given to by a rotating magnetic field in rotation is offset. The actual mixing process can be done in two Introduce sub-processes. On the one hand leads the rotating at the bottom of the vessel whisk in the mixing vessel for swirling the two starting substances. This will make the interface between the two substances A and B continuously increased. On the other hand, the actual mixing due to the diffusion of the molecules through this interface therethrough. It is the absolute, by diffusion generated molecular The larger the larger the current interface and the bigger the local concentration differences are. The bigger the molecular stream, the faster the mixing takes place. Over time all concentration differences are compensated. Indeed This Zeitkonstan te in conventional laboratory mixers very much be great and for example, in the order of magnitude from several seconds to several minutes.

Völlig analog ist die Situation, wenn anstelle eines Magnetrührers etwa ein elektromagnetisch angetriebener Rührstab eingesetzt wird.Completely analog is the situation when, instead of a magnetic stirrer about an electromagnetic driven stirring rod is used.

Problematisch wird der Einsatz dieser herkömmlichen Prinzipien beispielsweise, wenn kleinste Mengen von Reagenzien gemischt werden sollen, beispielsweise weniger als ein Milliliter Ausgangssubstanz, oder wenn die zu mischenden Substanzen stark exotherm miteinander reagieren. In letzterem Fall können sich sogenannte Hot-Spots innerhalb des Gemisches bilden. Hot-Spots sind Bereiche, in denen aufgrund einer guten, lokalen Durchmischung und der exothermen Reaktion der zu durchmischenden Stoffe die Temperatur bereits stark angestiegen ist, wogegen in anderen Bereichen aufgrund fehlender Durchmischung noch niedrigere Temperaturen vorliegen. Dies führt zu stark inhomogenen Temperaturverteilungen und erschwert eine homogene, reproduzierbare Prozeßführung ganz enorm. In Konsequenz erhält man beispielsweise bei chemischen Reaktionen, die durch Mischung zweier Ausgangsstoffe eingeleitet werden, häufig eine ungenügende Ausbeute an dem gewünschten Produkt mit einer relativ hohen Menge an unerwünschten Nebenprodukten.Problematic will be the use of this conventional For example, principles when mixing minute amounts of reagents for example, less than one milliliter of starting substance, or if the substances to be mixed are highly exothermic with each other react. In the latter case can form so-called hot spots within the mixture. Hot spots are areas where due to good, local mixing and the exothermic reaction of the substances to be mixed the temperature has already risen sharply, whereas in other areas due to lack of mixing even lower temperatures are present. this leads to too inhomogeneous temperature distributions and makes a homogeneous, difficult reproducible process management completely enormously. In consequence receives For example, in chemical reactions by mixing two starting materials are introduced, often an insufficient yield at the desired Product with a relatively high amount of unwanted by-products.

Neben den beschriebenen makroskopischen Labormischern sind beispielsweise auch eine Reihe von Mikromischern bekannt. In Mikrodimensionen ist die Vergrößerung der Grenzflächen zwischen den beiden Ausgangsstoffen etwa durch ein „Umrühren" aufgrund der niedrigen Reynoldszahlen und der deshalb fehlenden Turbulenzbildung jedoch nicht möglich. Deswegen setzen die meisten Mischprinzipien hier auf ein sogenanntes „Mischen durch Laminieren". Dabei werden die zwei Ausgangssubstanzen A und B durch geschickte Medienführung als laminiertes Schichtsystem ABABAB.... in einen gemeinsamen Reaktionskanal eingeführt. Eine solche Vorgehensweise ist bei spielsweise aus M. Koch u.a.: „Two simple micromixers based on silicon", Journal of Micromechanics and Microengineering; 8(1998), S. 123-126 bekannt.Next The described macroscopic laboratory mixers are, for example Also known a number of micromixers. In micro dimensions is the enlargement of the interfaces between the two raw materials, for example, by a "stir" due to the low Reynolds numbers and therefore the lack of turbulence, however not possible. That is why most of the mixing principles here rely on a so-called "mixing by lamination ". The two starting substances A and B by skillful media management as laminated layer system ABABAB .... in a common reaction channel introduced. A such procedure is for example from M. Koch et al .: "Two simple micromixers based on silicon ", Journal of Micromechanics and Microengineering; 8 (1998), pp. 123-126.

Je dünner die Schichtungen in dem Kanal sind, desto schneller läuft die Durchmischung der beiden Stoffe durch Diffusion ab. Die charakteristische Zeitkonstante τ für eine Durchmischung berechnet sich zu

Figure 00030001
The thinner the layers in the channel, the faster the mixing of the two substances proceeds by diffusion. The characteristic time constant τ for mixing is calculated to
Figure 00030001

Dabei ist d eine charakteristische Schichtdicke innerhalb der laminierten Schichtfolge ABABAB... und D ist die Diffusionskonstante der Moleküle.there d is a characteristic layer thickness within the laminated one Layer sequence ABABAB ... and D is the diffusion constant of the molecules.

Aus Gleichung (1) kann man ersehen, daß die Durchmischung um so schneller geht, je geringer die charakteristische Schichtdicke in dem laminierten Schichtaufbau wird. In speziellen Ausführungen von Mikromischern wurden durch das sogenannte Laminieren charakteristische Mischzeiten von weniger als 10 Mikrosekunden (10–5 s) erreicht. Diesbezüglich wird beispielsweise auf D.E. Hertzog u.a.: „Microsecond Microfluidic Mixing For Investigation of Protein Folding Kinetics", 7th International Conference on Miniaturized Chemical and Biochemical Analysis Systems (μTAS 2003), 5. bis 9. Oktober 2003, Squaw Valley, USA, S. 891-894, verwiesen.From equation (1) it can be seen that the lower the characteristic layer thickness in the laminated layer structure, the faster the mixing proceeds. In special versions of micromixers, so-called lamination resulted in characteristic mixing times of less than 10 microseconds (10 -5 s). In this regard, for example, DE Hertzog include: "microsecond Microfluidic Mixing For Investigation of Protein Folding Kinetics", 7 th International Conference on Miniaturized Chemical and Biochemical Analysis Systems (μTAS 2003), 5-9 October 2003, Squaw Valley, USA, pp. 891-894.

Für den Betrieb derartiger Mikromischer sind allerdings sehr feine und daher häufig relativ teuere Mikrostrukturen sowie aufwendige, externe Pumpsysteme erforderlich. Beides zusammen stellt eine sehr große Hürde für den Alltagseinsatz dieser Systeme in biologischen und chemischen Labors dar.For the business However, such micromixers are very fine and therefore often relatively expensive microstructures and complex, external pumping systems required. Both together make a very big hurdle for everyday use of this Systems in biological and chemical laboratories

In einem Artikel von Claudia Karst „Schnell und kontaminationsfrei mischen mittels DAC", Easy Info 607 (zugreifbar unter der Internet-Adresse „c.karst@speedmixer.de", ist ein Mischprinzip beschrieben, bei dem eine in einem Mischbecher befindliche Probe durch einen Dreharm einer schnellen Rotation unterworfen wird, während der Mischbecher mit geringerer Geschwindigkeit in Gegenrichtung rotiert.In an article by Claudia Karst "Fast and contamination free mixing by DAC ", Easy Info 607 (accessible under the Internet address "c.karst@speedmixer.de") is a mixed principle described in which a sample located in a mixing cup is subjected to rapid rotation by a rotary arm while the Mixing cup rotated at lower speed in the opposite direction.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Mischvorrichtung und ein Verfahren zum Mischen von zumindest zwei Flüssigkeiten zu schaffen, die bei einem geringen Aufwand ein schnelles Mischen ermöglichen und somit für den Alltagseinsatz in biologischen und chemischen Labors geeignet sind.The The object of the present invention is a mixing device and a method for mixing at least two liquids to create that allow for a low effort a fast mixing and thus for suitable for everyday use in biological and chemical laboratories are.

Diese Aufgabe wird durch eine Mischervorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten nach Anspruch 20 gelöst.These The object is achieved by a mixer device according to claim 1 and a A method for mixing at least two liquids according to claim 20 solved.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Mischervorrichtung mit folgenden Merkmalen:
einer Flüssigkeitsausstoßeinrichtung, die eine erste Ausstoßöffnung zum Ausstoßen einer ersten Flüssigkeit und eine zweite Ausstoßöffnung zum Ausstoßen einer zweiten Flüssigkeit aufweist;
einer Flüssigkeitsempfangseinrichtung zum Empfangen der ausgestoßenen ersten und zweiten Flüssigkeit,
wobei die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und die Flüssigkeitsempfangseinrichtung relativ zueinander drehbewegbar sind, um eine Schichtung aus übereinander angeordneten Schichten der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit auf der Flüssigkeitsempfangseinrichtung zu erzeugen.The present invention provides a mixer device having the following features:
a liquid ejection device having a first ejection port for ejecting a first liquid and a second ejection port for ejecting a second liquid;
a liquid receiving means for receiving the ejected first and second liquids,
wherein the liquid ejection means and the liquid receiving means are rotatable relative to each other to produce a stack of superimposed layers of the first liquid and the second liquid on the liquid receiving means.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten, mit folgenden Schritten:
Ausstoßen einer ersten Flüssigkeit aus einer ersten Ausstoßöffnung einer Flüssigkeitsausstoßeinrichtung auf eine Flüssigkeitsempfangseinrichtung;
Ausstoßen einer zweiten Flüssigkeit aus einer zweiten Ausstoßöffnung der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung auf die Flüssigkeitsempfangseinrichtung; und
Bewirken einer relativen Drehbewegung zwischen der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und der Flüssigkeitsempfangseinrichtung, um eine Schichtung aus übereinander angeordneten Schichten der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit auf der Flüssigkeitsempfangseinrichtung zu erzeugen.The present invention further provides a method for mixing at least two liquids, comprising the following steps:
Ejecting a first liquid from a first ejection port of a liquid ejection device to a liquid receiving device;
Ejecting a second liquid from a second ejection port of the liquid ejection device to the liquid receiving device; and
Causing relative rotational movement between the liquid ejector and the liquid receiving means to create a stack of superimposed layers of the first liquid and the second liquid on the liquid receiving means.

In anderen Worten betrifft die vorliegende Erfindung einen Rotationslaminator zum Mischen von zwei oder mehreren Flüssigkeiten bzw. Ausgangsreagenzien durch Herstellung eines sehr dünnen, laminierten Schichtsystems.In In other words, the present invention relates to a rotary laminator for mixing two or more liquids or starting reagents by making a very thin, laminated layer system.

Die relative Drehbewegung bzw. Rotationsbewegung zwischen der Flüssigkeitsempfangseinrichtung und der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung ermöglicht, daß kontinuierlich Flüssigkeiten von der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung auf die Flüssigkeitsempfangseinrichtung gesprüht werden können. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen werden im Gegensatz zu bekannten Mikromischern die flüssigen Ausgangsstoffe durch Zentrifugalkräfte angetrieben, so daß keine externen Pumpsysteme erforderlich sind. Dies wird erreicht, indem eine Rotation der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung um eine Rotationsachse bewirkt wird. Das erfindungsgemäße Konzept erlaubt somit die Herstellung von sehr kostengünstigen, einfach bedienbaren Mischern für den Laboralltag.The relative rotational movement between the liquid receiving device and the liquid ejector allows that continuously liquids from the liquid ejector on the liquid receiving device sprayed can be. In preferred embodiments In contrast to known micromixers, the liquid starting materials by centrifugal forces driven so that no external pumping systems are required. This is achieved by a Rotation of the liquid ejector about a rotation axis is effected. The inventive concept thus allows the production of very cost-effective, easy to use Mixers for the laboratory routine.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist eine Mehrzahl erster Ausstoßöffnungen und eine Mehrzahl zweiter Ausstoßöffnungen vorgesehen, um eine Schichtung mit einer erhöhten Anzahl von übereinander geordneten Schichten zu erzeugen. Die Ausstoßöffnungen können dabei vorzugsweise durch längliche Spalte gebildet sein, wobei die Relativbewegung der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und der Flüssigkeitsempfangseinrichtung quer zu den länglichen Spalten ist, wobei die flächige Ausdehnung der erzeugten Schichten von der Länge der Spalte und der Flugbahn der ausgestoßenen Flüssigkeit zwischen Ausstoßöffnung und Flüssigkeitsempfangseinrichtung abhängt.at preferred embodiments is a plurality of first ejection openings and a plurality of second discharge ports provided to one Layering with an elevated Number of superimposed to create ordered layers. The ejection openings can preferably by elongated Column be formed, wherein the relative movement of the liquid ejector and the liquid receiving device across to the oblong ones Columns is where the areal Extension of the generated layers by the length of the column and the trajectory the rejected one liquid between discharge opening and Liquid receiver depends.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen weist die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung eine zylindrische äußere Oberfläche auf, in der die Ausstoßöffnungen gebildet sind, wobei die Flüssigkeitsempfangseinrichtung eine Wand aufweist, die als zylindrische Oberfläche ausgebildet ist, die der zylindrischen äußeren Oberfläche der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung gegenüber liegt. Ferner sind in der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung vorzugsweise Flüssigkeitsreservoire gebildet, die mit den Ausstoßöffnungen fluidisch verbunden sind. Die Flüssigkeitsreservoire können vorzugsweise eine um eine Rotationsachse der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung konzentrische Ringstruktur aufweisen, die nach oben offen ist, so daß eine kontinuierliche Befüllung der Flüssigkeitsreservoire durch einen stationären Dispenser selbst bei rotierender Flüssigkeitsausstoßeinrichtung möglich ist.at preferred embodiments has the liquid ejector a cylindrical outer surface, in the ejection openings are formed, wherein the liquid receiving device a Wall which is formed as a cylindrical surface, the cylindrical outer surface of the Liquid ejector across from lies. Further, in the liquid ejecting device preferably liquid reservoirs formed with the ejection openings are fluidically connected. The liquid reservoirs can preferably one about an axis of rotation of the liquid ejector have concentric ring structure, which is open at the top, so that one continuous filling the liquid reservoir through a stationary Dispenser even with rotating liquid ejector possible is.

Um die Flüssigkeiten von den Flüssigkeitsreservoiren zu den Ausstoßöffnungen verteilen zu können, sind in der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Ausgleichsbereiche vorgesehen, die wiederum bevorzugt eine um eine Rotationsachse der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung konzentrische Ringstruktur aufweisen. Ferner ist vorzugsweise jeder Ausstoßöffnung ein Anstaubereich zugeordnet, der einen deutlich geringeren Flußwiderstand besitzt als die Ausstoßöffnung, die beispielsweise als Spalt mit einer Spaltlänge, Spaltbreite und Spaltweite ausgeführt sein kann, um einen definierten Druck an jeder Ausstoßöffnung erzeugen zu können.Around the liquids from the liquid reservoirs to the ejection openings to be able to distribute in the liquid ejector in preferred embodiments The invention provides compensation areas, which in turn preferably one about an axis of rotation of the liquid ejector have concentric ring structure. Further, preferably, each Ejection opening Anstaubereich assigned, which has a much lower flow resistance owns as the ejection opening, for example, as a gap with a gap length, gap width and gap width accomplished can be to create a defined pressure at each discharge port to be able to.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung oder die Flüssigkeitsempfangseinrichtung um eine im wesentlichen vertikal angeordnete Rotationsachse rotierbar, wobei die Flüssigkeitsempfangseinrichtung als eine zylindrische Wandung ausgebildet ist, deren Zylinderachse ebenfalls im wesentlichen vertikal ausgerichtet ist. Somit kann die auf der Wandung erzeugte Schichtung aus übereinander angeordneten Flüssigkeiten durch Gravitationskraft an der Wandung herunterlaufen und sich in einem Sammelbereich sammeln. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Mischervorrichtung angepaßt, um mit herkömmlichen, kommerziell erhältlichen Zentrifugen betrieben zu werden. Zu diesem Zweck kann der rotierbare Teil der erfindungsgemäßen Mischervorrichtung mit einer Aufnahmeeinrichtung versehen sein, um diesen Teil an der Spindel einer herkömmlichen Zentrifuge anzubringen. Der nicht-rotierbare Teil kann mit einer Einrichtung versehen sein, um denselben an einer stationären Halterung anzubringen.at preferred embodiments The present invention is the liquid ejecting device or the liquid receiving device rotatable about a substantially vertically arranged axis of rotation, wherein the liquid receiving device is formed as a cylindrical wall whose cylinder axis is also oriented substantially vertically. Thus, can the layering on the wall of superimposed liquids by gravity on the wall run down and into to collect a collection area. In further preferred embodiments If the mixer device is adapted to work with conventional, commercially available To be operated centrifuges. For this purpose, the rotatable Part of the mixer device according to the invention be provided with a receiving device to this part at the Spindle of a conventional To install centrifuge. The non-rotatable part can with a Means be provided to attach it to a stationary bracket.

Erfindungsgemäß werden zu mischende Ausgangssubstanzen zunächst in voneinander getrennte Reservoire eingefüllt und dann durch getrennte Ausstoßöffnungen einer Flüssigkeitsausstoßeinrichtung auf die Oberfläche einer Flüssigkeitsempfangseinrichtung ausgestoßen bzw. gesprüht. Durch eine relative Drehbewegung zwischen der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und der Oberfläche der Flüssigkeitsempfangseinrichtung wird auf der Oberfläche der Flüssigkeitsempfangseinrichtung eine dünne Schichtung der zu mischenden Ausgangssubstanzen gebildet.According to the invention to be mixed starting substances initially in separate reservoirs filled and then through separate ejection openings a liquid ejector on the surface a liquid receiving device pushed out or sprayed. By a relative rotational movement between the liquid ejector and the surface the liquid receiving device will be on the surface the liquid receiving device a thin one Stratification of the starting substances to be mixed formed.

Gegenüber herkömmlichen Labormischern besitzen erfindungsgemäße Mischervorrichtungen und Verfahren zum Mischen von zumindest zwei Ausgangssubstanzen bzw. Flüssigkeiten folgende Vorteile. Die zu mischenden Ausgangssubstanzen sind zunächst vollständig voneinander getrennt und kommen erst nach dem Ausstoßen aus den jeweiligen Ausstoßöffnungen bzw. nach dem Auftreffen auf die Flüssigkeitsempfangseinrichtung miteinander in Kontakt. Nach dem Verlassen der Ausstoßöffnungen bzw. Düsen werden die zu mischenden Substanzen in definierter und einfach kontrollierbarer Weise in einem Mischbereich der Flüssigkeitsempfangseinrichtung, die als Mischgefäß bezeichnet werden kann, aufeinander laminiert. Da durch die vorliegende Erfindung sehr geringe Schichtdicken in der Flüssigkeitsschichtung bzw. dem Laminat erreicht werden können, erfolgt der zweite Abschnitt des Mischens, nämlich die eigentliche Durchmischung durch Diffusion, innerhalb kürzester Zeit. Darüber hinaus kann erfindungsgemäß der Mischprozeß ein kontinuierlicher Prozeß sein, d. h. anders als beim Mischen in einem Becherglas mit einem Magnetrührer kann man die beiden zu mischenden Stoffe auch kontinuierlich zuführen und die Produkte kontinuierlich entnehmen. Somit eignet sich der Mischprozeß beispielsweise auch für einen Einsatz bei der Produktion chemischer und pharmazeutischer Produkte. Da die vorliegende Erfindung darüber hinaus das Erzeugen einer gleichmäßigen Schichtung ermöglicht, kann das Auftreten von sogenannten Hot-Spots zuverlässig unterbunden werden.Compared to conventional Laboratory mixers have mixer devices and methods according to the invention for mixing at least two starting substances or liquids the following advantages. The starting substances to be mixed are initially completely different from each other separated and come only after the ejection from the respective ejection openings or after hitting the liquid receiving device with each other in contact. After leaving the ejection openings or nozzles are the substances to be mixed in a defined and easily controllable Way in a mixing area of the liquid receiving device, referred to as a mixing vessel can be laminated on top of each other. There by the present invention very low layer thicknesses in the liquid stratification or the Laminate can be achieved the second section of the mixing takes place, namely the actual mixing by diffusion, within shortest time Time. About that In addition, according to the invention, the mixing process a continuous Be the process d. H. unlike mixing in a beaker with a magnetic stirrer you can also feed the two substances to be mixed and remove the products continuously. Thus, the mixing process is suitable, for example also for a use in the production of chemical and pharmaceutical Products. Moreover, the present invention provides for generating a even stratification allows, can the occurrence of so-called hot spots are reliably prevented.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:preferred embodiments The present invention will be described below with reference to FIG the enclosed drawings closer explained. Show it:

1 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mischervorrichtung; 1 a schematic plan view of an embodiment of a mixer device according to the invention;

2 eine schematische Draufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mischervorrichtung; 2 a schematic plan view of an alternative embodiment of a mixer device according to the invention;

3 eine schematische Darstellung im Teilquerschnitt eines Rotationslaminators unter Verwendung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mischervorrichtung; 3 a schematic representation in partial cross-section of a rotary laminator using an embodiment of a mixer device according to the invention;

4a eine schematische Darstellung eines Rotationslaminators unter Verwendung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mischervorrichtung; 4a a schematic representation of a rotary laminator using an alternative embodiment of a mixer device according to the invention;

4b eine schematische Querschnittdarstellung eines bei dem Rotationslaminator gemäß 4a verwendeten Rotationskörpers; 4b a schematic cross-sectional view of one in the rotary laminator according to 4a used rotary body;

5-9 schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mischervorrichtung; 5 - 9 schematic representations for illustrating a further embodiment of a mixer device according to the invention;

10 eine schematische Darstellung einer Ausstoßöffnung in Form eines Spalts; und 10 a schematic representation of an ejection opening in the form of a gap; and

11 und 12 schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mischervorrichtung. 11 and 12 schematic representations to illustrate a further embodiment of a mixer device according to the invention.

Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt eine erfindungsgemäße Mischervorrichtung eine Flüssigkeitsausstoßeinrichtung in Form eines Rotationskörpers 10 und eine Flüssigkeitsempfangseinrichtung in der Form eines stationären Mischgefäßes 12. Wie gezeigt ist, sind der Rotationskörper 10 und das Mischgerät 12 konzentrisch um eine gemeinsame Achse 14 angeordnet, welche die Rotationsachse des Rotationskörpers 10 darstellt.According to the in 1 In the embodiment shown, a mixer device according to the invention comprises a liquid ejection device in the form of a rotational body 10 and a liquid receiving device in the form of a stationary mixing vessel 12 , As shown, the rotational body 10 and the mixer 12 concentric about a common axis 14 arranged, which is the axis of rotation of the body of revolution 10 represents.

Der Rotationskörper 10 umfaßt ein erstes Flüssigkeitsreservoir 16 für eine Flüssigkeit A und ein zweites Flüssigkeitsreservoir 18 für eine Flüssigkeit B. Wie dargestellt ist, sind die Flüssigkeitsreservoire 16 und 18 als um die Achse 14 konzentrisch angeordnete ringförmige Strukturen ausgebildet. Ferner umfaßt der Rotationskörper Flüssigkeitsausstoßöffnungen 20 zum Ausstoßen der ersten Flüssigkeit A, die mit dem ersten Flüssigkeitsreservoir fluidisch verbunden sind, wie durch Fluidkanäle 22 in 1 angedeu tet ist. Der Rotationskörper 10 umfaßt ferner zweite Ausstoßöffnungen 24, die mit dem zweiten Flüssigkeitsreservoir 18 fluidisch verbunden sind, wie durch Fluidkanäle 26 in 1 angedeutet ist. Die ersten und zweiten Ausstoßöffnungen 20 und 24 sind in abwechselnder Reihenfolge nebeneinander in gleicher Höhe auf der äußeren zylindrischen Oberfläche des Rotationskörpers 10 gebildet. Obwohl in 1 schematisch drei erste Ausstoßöffnungen 20 und vier zweite Ausstoßöffnungen 24 gezeigt sind, kann der Rotationskörper eine beliebige Anzahl von Ausstoßöffnungen aufweisen, die um den gesamten Umfang der äußeren zylindrischen Oberfläche desselben verteilt sein können. Darüber hinaus ist es möglich, mehrere Reihen von Ausstoßöffnung übereinander in dem Rotationskörper anzuordnen, durch die gleiche oder unterschiedliche Flüssigkeiten ausgestoßen werden können.The rotation body 10 comprises a first liquid reservoir 16 for a liquid A and a second liquid reservoir 18 for a liquid B. As shown, the liquid reservoirs 16 and 18 as about the axis 14 formed concentrically arranged annular structures. Further, the rotary body includes liquid ejection openings 20 for expelling the first liquid A fluidly connected to the first liquid reservoir, such as fluid passages 22 in 1 hinted tet is. The rotation body 10 further includes second ejection openings 24 connected to the second fluid reservoir 18 fluidly connected, such as through fluid channels 26 in 1 is indicated. The first and second discharge openings 20 and 24 are in alternating order next to each other at the same height on the outer cylindrical surface of the rotating body 10 educated. Although in 1 schematically three first ejection openings 20 and four second discharge ports 24 3, the rotary body may have any number of ejection openings which may be distributed around the entire circumference of the outer cylindrical surface thereof. Moreover, it is possible to arrange a plurality of rows of discharge opening one above the other in the rotation body through which the same or different liquids can be ejected.

Der äußeren zylindrischen Oberfläche des Rotationskörpers 10 gegenüberliegend ist eine innere zylindrische Oberfläche 28 des Mischgefäßes 12, die als Mischbereich bezeichnet werden kann.The outer cylindrical surface of the rotating body 10 opposite is an inner cylindrical surface 28 of the mixing vessel 12 , which can be referred to as a mixing area.

Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt der Rotationskörper 10 eine mittige kreisförmige Ausnehmung 30, mit der derselbe beispielsweise an der Spindel eines Motors angebracht sein kann, so daß der Motor und die Spindel als Antrieb für den Rotationskörper 10 wirken.At the in 1 embodiment shown, the rotary body 10 a central circular recess 30 with the same, for example, can be attached to the spindle of a motor, so that the motor and the spindle as a drive for the rotary body 10 Act.

Um unter Verwendung einer solchen Mischvorrichtung, wie sie in 1 gezeigt ist, ein Mischen von zumindest zwei Flüssigkeiten durchzuführen, werden die zu mischenden Ausgangssubstanzen A und B zunächst in die voneinander getrennten Reservoire 16 und 18 innerhalb des Rotationskörpers bzw. Rotors 10 eingefüllt. Wird der Rotationskörper in eine Rotationsbewegung versetzt, so erfahren die zu mischenden Ausgangssubstanzen eine Zentrifugalbeschleunigung. Wird eine definierte, kritische Drehzahl überschritten, so werden die Ausgangssubstanzen in die Außenbereiche des Rotationskörpers 10 bewegt. Genauer gesagt werden die verschiedenen, zu mischenden Substanzen durch ein geeignetes Kanalsystem (durch die Fluidkanäle 22 und 26 angedeutet) den Ausstoßöffnungen 20 und 24, die auch als Düsen bezeichnet werden können, im Außenbereich des Rotationskörpers 10 zugeführt und aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung durch die Düsen aus dem Rotationskörper nach außen weggeschleudert. Die nach außen weggeschleuderten bzw. gesprühten Flüssigkeiten bei einer Drehung des Rotationskörpers 10 im Uhrzeigersinn sind in 1 angedeutet.To use such a mixing device, as shown in 1 is shown to perform a mixing of at least two liquids, the starting materials to be mixed A and B are first in the separate reservoirs 16 and 18 within the rotary body or rotor 10 filled. If the rotary body is set in a rotational movement, the starting substances to be mixed undergo a centrifugal acceleration. If a defined, critical speed is exceeded, then the starting substances in the outer areas of the rotating body 10 emotional. More specifically, the various substances to be mixed are passed through a suitable channel system (through the fluid channels 22 and 26 indicated) the ejection openings 20 and 24 , which can also be referred to as nozzles, in the outer region of the rotating body 10 supplied and due to the centrifugal acceleration through the nozzles from the rotating body ejected outward. The centrifugally ejected or sprayed liquids during a rotation of the rotating body 10 clockwise are in 1 indicated.

Diese derart ausgestoßenen zu mischenden Reagenzien treffen in Form von dünnen Schichten auf die gegenüberliegende Wand 28 des Mischgefäßes 12, so daß sich beim Mischen von zwei Reagenzien A und B an der Wand 28 des Mischgefäßes 12 eine Schichtfolge ABABABAB usw. bildet. Die einzelnen Schichtdicken der jeweiligen Domänen können sehr gering sein, so daß ein nachfolgendes Diffusionsmischen der Moleküle in den aufeinander laminierten Schichten beschleunigt stattfinden kann. Je geringere Schichtdicken im Mischbereich 28 des Mischgefäßes 12 erzeugt werden, desto kürzer ist die charakteristische diffusive Mischzeit der beiden Ausgangsstoffe, die, wie eingangs ausgeführt, von der Diffusion und somit den Schichtdicken der erzeugten Schichtung abhängt.These thus ejected reagents to be mixed meet in the form of thin layers on the opposite wall 28 of the mixing vessel 12 so that when mixing two reagents A and B on the wall 28 of the mixing vessel 12 forms a layer sequence ABABABAB and so on. The individual layer thicknesses of the respective domains can be very small, so that a subsequent diffusion mixing of the molecules in the layers laminated on one another can take place more rapidly. The lower layer thicknesses in the mixing area 28 of the mixing vessel 12 be produced, the shorter is the characteristic diffusive mixing time of the two starting materials, which, as stated above, depends on the diffusion and thus the layer thicknesses of the produced layering.

Neben der Durchmischung durch Diffusion zwischen den laminierten Schichten wird der Mischprozeß durch zusätzliche Wirbelbildung und Durchdringung der Schichtung aufgrund der kinetischen Energie der auf das Mischgefäß 12 auftreffenden Tröpfchen verstärkt. Hierbei kann der rein diffusionsbegrenzte Mischprozeß verwendet werden, um eine obere Grenze für die charakteristische Mischzeit abzuschätzen.In addition to mixing by diffusion between the laminated layers, the mixing process by additional vortex formation and penetration of the stratification due to the kinetic energy of the mixing vessel 12 reinforced impinging droplets. In this case, the purely diffusion-limited mixing process can be used to estimate an upper limit for the characteristic mixing time.

Eine schematische Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung ist in 2 gezeigt. Insbesondere unterscheidet sich bei der in 2 gezeigten Ausführungsform die Anordnung von Flüssigkeitsreservoiren 36 und 38 in einem Rotationskörper 40 von der in 1 gezeigten. Bei der in 2 gezeigten Aus führungsform sind die Flüssigkeitsreservoire 36 und 38 als bogenförmige Winkelsegmente konzentrisch zu der Achse 14 angeordnet. Wiederum sind die Ausstoßöffnungen 20 und 24 fluidisch mit den Flüssigkeitsreservoiren 36 und 38 verbunden, wie durch als Linien dargestellte Fluidkanäle 42 angedeutet ist.A schematic plan view of an alternative embodiment of a mixing device according to the invention is shown in FIG 2 shown. In particular, differs in the in 2 the embodiment shown, the arrangement of liquid reservoirs 36 and 38 in a rotation body 40 from the in 1 . shown At the in 2 From the form shown are the fluid reservoirs 36 and 38 as arcuate angle segments concentric to the axis 14 arranged. Again, the ejection openings 20 and 24 fluidic with the fluid reservoirs 36 and 38 connected, as shown by lines as fluid channels 42 is indicated.

Eine schematische Querschnittansicht, die einen Rotationslaminator unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung zeigt, wird nun Bezug nehmend auf 3 beschrieben.A schematic cross-sectional view showing a rotary laminator using a mixing apparatus according to the present invention will now be described with reference to FIG 3 described.

Der Rotationslaminator umfaßt einen Rotationskörper 50, der eine Flüssigkeitsausstoßeinrichtung darstellt, ein Mischgefäß 52, das eine Flüssigkeitsempfangseinrichtung darstellt, eine Abdeckung 54 für das Mischgefäß 52 und eine Antriebseinrichtung für den Rotationskörper 50, die einen Motor 56 und eine durch den Motor 56 angetriebene Spindel 58 umfaßt. Ferner ist in 3 eine Steuerung für den Motor gezeigt, die beispielsweise einen Ein-/Ausschalter 60 und einen Drehzahlregler 62 aufweisen kann.The rotary laminator comprises a rotary body 50 which is a liquid ejector, a mixing vessel 52 , which is a liquid receiving device, a cover 54 for the mixing vessel 52 and a driving means for the rotary body 50 that have a motor 56 and one through the engine 56 driven spindle 58 includes. Furthermore, in 3 a controller for the engine shown, for example, an on / off switch 60 and a speed controller 62 can have.

Der Rotationskörper 50 ist für eine Drehung mit derselben an der Spindel 58 angebracht, während bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel das Mischgefäß 52 starr an einer Halterung bzw. einem Gehäuseabschnitt 64 der Antriebseinrichtung angebracht sein kann. Eine Gegenhalteeinrichtung 66, die eine drehbare Lagerung der Spindel 58 ermöglicht, kann vorgesehen sein, die gleichzeitig die Abdeckung 54 relativ zu dem Mischgefäß 52 halten kann.The rotation body 50 is for rotation with the same on the spindle 58 attached, while in the illustrated embodiment, the mixing vessel 52 rigidly on a holder or a housing section 64 the drive device can be attached. A counterhold device 66 which has a rotatable bearing of the spindle 58 allows, can be provided at the same time the cover 54 relative to the mixing vessel 52 can hold.

Der Rotationskörper 50, der im Querschnitt gezeigt ist, umfaßt ein erstes Flüssigkeitsreservoir 70 und ein zweites Flüssigkeitsreservoir 72, die wiederum ringförmig in dem Rotationskörper 50 gebildet sind. Im Außenbereich des Rotationskörpers 50 sind wiederum erste Ausstoßöffnungen 20, die mit dem Reservoir 70 fluidmäßig verbunden sind, und zweite Ausstoßöffnungen 24, die mit dem Reservoir 72 fluid mäßig verbunden sind, vorgesehen. Die Ausstoßöffnungen können beispielsweise in Form von Flüssigkeitsspalten gebildet sein, wie später Bezug nehmend auf 10 näher erläutert wird. Zwischen den Ausstoßöffnungen 20 und 24 und den jeweiligen Flüssigkeitsreservoiren 70 und 72 sind Fluidkanalstrukturen 74 und 76, die eine fluidische Verbindung herstellen, vorgesehen. Wie später Bezug nehmend auf die 5 bis 9 näher erläutert wird, können diese Fluidkanalstrukturen Ausgleichsbereiche für eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeiten aus den Reservoiren auf die Düsen und Anstaubereiche zur Erzeugung definierter Drücke an den Düsen aufweisen. Wie ferner in 3 angedeutet ist, kann der Rotationskörper 50 durch eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Scheiben gebildet sein.The rotation body 50 , which is shown in cross section, comprises a first liquid reservoir 70 and a second liquid reservoir 72 which in turn is annular in the body of revolution 50 are formed. In the outer area of the rotation body 50 again are first ejection openings 20 that with the reservoir 70 fluidly connected, and second ejection openings 24 that with the reservoir 72 fluid are moderately connected, provided. The ejection openings may be formed, for example, in the form of liquid gaps, as discussed later 10 is explained in more detail. Between the ejection openings 20 and 24 and the respective liquid reservoirs 70 and 72 are fluid channel structures 74 and 76 , which provide a fluidic connection provided. As later reference to the 5 to 9 can be explained in more detail, these fluid channel structures may have balancing areas for a uniform distribution of the liquids from the reservoirs to the nozzles and Anstaubereiche for generating defined pressures at the nozzles. As further in 3 is indicated, the rotational body 50 be formed by a plurality of disks arranged one above the other.

Im Betrieb werden wiederum zunächst unterschiedliche Flüssigkeiten in die Reservoire 70 und 72 eingebracht, woraufhin der Rotationskörper 50 über den Motor 56 und die Spindel 58 mit einer Rotation beaufschlagt wird, die eine ausreichende Drehzahl aufweist, um Flüssigkeit durch die Kanalstrukturen 74 und 76 zu den Ausstoßöffnungen 20 und 24 (durch Zentrifugalkraft) zu treiben und einen Flüssigkeitsausstoß 78, 80 aus den Düsen 20, 24 zu bewirken. Die ausgestoßene Flüssigkeit 78, 80 trifft wiederum auf die innere zylinderförmige Wandung 82 des Mischgefäßes 52, wo eine Schichtung aus übereinander angeordneten Schichten der Flüssigkeiten erzeugt wird. Das auf der inneren Wandung 82 des Mischgefäßes 52 erzeugte Gemisch sammelt sich durch Gravitationskraft am Boden des Mischgefäßes in einem dort gebildeten Sammelbereich 84. Das Mischgefäß kann mit einer geeigneten Einrichtung versehen sein, um das Gemisch aus dem Sammelbereich 84 zu entnehmen, beispielsweise eine verschließbare Entnahmeöffnung. Alternativ ist die Anordnung zerlegbar, so daß nach dem Herausnehmen des Rotors auch das Mischgefäß entnommen werden kann und das Gemisch aus dem Sammelbereich 84 ausgegossen werden kann.In operation, in turn, initially different liquids in the reservoirs 70 and 72 introduced, whereupon the body of revolution 50 over the engine 56 and the spindle 58 is subjected to a rotation having a sufficient speed to fluid through the channel structures 74 and 76 to the ejection openings 20 and 24 (by centrifugal force) to drive and a liquid ejection 78 . 80 from the nozzles 20 . 24 to effect. The ejected liquid 78 . 80 again meets the inner cylindrical wall 82 of the mixing vessel 52 where a stratification of superimposed layers of liquids is produced. That on the inner wall 82 of the mixing vessel 52 generated mixture collects by gravitational force at the bottom of the mixing vessel in a collection area formed there 84 , The mixing vessel may be provided with suitable means to remove the mixture from the collection area 84 to take, for example, a closable removal opening. Alternatively, the arrangement is zerleg bar, so that after removing the rotor and the mixing vessel can be removed and the mixture from the collection area 84 can be poured out.

Um ein Austreten von Flüssigkeit aus den Reservoiren eines ruhenden Rotationskörpers zu verhindern, kann ein Ventilmechanismus vorgesehen sein. Denkbar sind hier aktive, von außen elektrisch steuerbare Ventile oder passive Ventile, die beispielsweise den Flüssigkeitsstrom erst oberhalb einer kritischen Drehzahl zulassen. Beiden Varianten ist gemein, daß die zu mischenden Reagenzien bzw. Flüssigkeiten A und B erst nach Erreichen der gewünschten Drehzahl laminiert werden und so die gesamte Flüssigkeit im optimalen Drehzahlbereich gemischt werden kann.Around leakage of liquid from the reservoirs of a stationary body of revolution can prevent Be provided valve mechanism. Conceivable here are active, from Outside electrically controllable valves or passive valves, for example the liquid flow only allow above a critical speed. Both variants is common that the to be mixed reagents or liquids A and B laminated only after reaching the desired speed and so the whole liquid can be mixed in the optimum speed range.

Als passive Ventile können beispielsweise Zentrifugalventile an den jeweiligen Ausstoßöffnungen vorgesehen sein, die als Kugel-Federsysteme ausgelegt werden können. Dabei wird im Ruhezustand eine Kugel durch eine Feder auf einen Dichtsitz der Ausstoßöffnung gepreßt. Bei Überschreiten einer kritischen Drehzahl wird die Kugel aufgrund deren Zentrifugalbeschleunigung gegen die Feder nach außen bewegt und gibt den Ventilsitz frei. Die Ventilmechanismen können so ausgelegt werden, daß beide Flüssigkeiten gleichzeitig zu fließen beginnen.When passive valves can For example, centrifugal valves at the respective ejection openings be provided, which can be designed as ball-spring systems. there becomes a ball by a spring on a sealing seat at rest the ejection opening pressed. When crossing a critical speed is the ball due to their centrifugal acceleration against the spring to the outside moves and releases the valve seat. The valve mechanisms can do so be interpreted that both liquids to flow at the same time kick off.

Eine weitere Ausführungsform passiver Ventile ist ein Reservoir mit einem Überlauf, wie nachfolgend Bezug nehmend auf die 4a und 4b erläutert wird.Another embodiment of passive valves is a reservoir with an overflow as discussed below with reference to FIGS 4a and 4b is explained.

Bei dieser Ausführungsform umfaßt der Rotationskörper 90 wiederum ein erstes Flüssigkeitsreservoir 92 und ein zweites Flüssigkeitsreservoir 94, die beispielsweise als Winkelkreissegmente (2) in dem Rotationskörper 90 gebildet sein können. Ferner sind den Reservoiren 92 bzw. 94 zugeordnet Überlaufstrukturen 96 und 98 vorgesehen. Ferner sind die Reservoire 92 und 94 wieder über entsprechende Fluidkanalstrukturen 74 und 76 mit den jeweiligen Ausstoßöffnungen 20 und 24 verbunden. 4b zeigt eine vergrößerte Querschnittdarstellung des entsprechenden Rotationskörpers 90. Bei diesem Rotationskörper sammeln sich die Flüssigkeiten beim Einfüllen im Bodenbereich 100 der beiden Flüssigkeitsreservoire 92 und 94. Erst nach Erreichen einer bestimmten Drehzahl können die Flüssigkeiten eine bestimmte Steighöhe erreichen und somit die Überläufe 96 und 98 überschreiten. Vorzugweise weisen die Überläufe 96 und 98 hierzu geneigte innere Oberflächen 102 auf. Die in den 4a und 4b gezeigte Ausführungsform kommt ohne bewegliche Ventilkomponenten aus und ist daher besonders kostengünstig zu realisieren.In this embodiment, the rotary body comprises 90 in turn, a first liquid reservoir 92 and a second liquid reservoir 94 , for example, as angular circle segments ( 2 ) in the rotating body 90 can be formed. Further, the reservoirs 92 respectively. 94 assigned overflow structures 96 and 98 intended. Further, the reservoirs 92 and 94 again via corresponding fluid channel structures 74 and 76 with the respective ejection openings 20 and 24 connected. 4b shows an enlarged cross-sectional view of the corresponding rotating body 90 , In this rotating body, the liquids collect when filling in the bottom area 100 the two fluid reservoirs 92 and 94 , Only after reaching a certain speed, the liquids can reach a certain rise height and thus the overflows 96 and 98 exceed. Preferably, the overflows 96 and 98 inclined inner surfaces for this purpose 102 on. The in the 4a and 4b embodiment shown is without moving valve components and is therefore particularly inexpensive to implement.

Ein Ausführungsbeispiel für einen Rotationskörper mit in demselben gebildeten Fluidkanalstrukturen zum Verbinden von Reservoiren und Ausstoßöffnungen wird nun Bezug nehmend auf die 5 bis 9 beschrieben, wobei 5 eine schematische Schnittdarstellung zeigt, 6 eine schematische Schnittdarstellung in auseinandergezogener Form zeigt, 7 eine schematische perspektivische Ansicht des Rotationskörpers in auseinandergezogener Form zeigt und die 8 und 9 schematische perspektivische Ansichten von zwei Scheiben des Rotationskörpers zeigen.An embodiment of a rotary body having fluid channel structures formed therein for connecting reservoirs and ejection ports will now be described with reference to FIGS 5 to 9 described, wherein 5 a schematic sectional view shows 6 shows a schematic sectional view in exploded form, 7 shows a schematic perspective view of the rotational body in exploded form and the 8th and 9 show schematic perspective views of two disks of the rotating body.

Da die in den 5 bis 9 gezeigte Mischvorrichtung im wesentlichen einen identischen Aufbau zu der in 3 gezeigten Mischvorrichtung aufweisen kann, sind dort wiederum gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.Since the in the 5 to 9 Mixture shown substantially identical structure to that in 3 may have shown mixing device, in turn there are the same elements designated by the same reference numerals.

Wie am besten in den 6 und 7 zu erkennen ist, umfaßt der Rotationskörper 50 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel vier Scheiben 50a, 50b, 50c und 50d, die übereinander angeordnet sind. In der obersten Scheibe 50a sind Bereiche des ersten Flüssigkeitsreservoirs 70 und des zweiten Flüssigkeitsreservoirs 72 als Ringstrukturen ausgebildet. In der zweiten und dritten Scheibe 50b und 50c sind die zur Verbindung der Flüssigkeitsreservoire mit den Ausstoßöffnungen vorgesehenen Fluidkanalstrukturen gebildet. Die untere Scheibe 50d dient als untere Abdeckplatte. Diese untere Abdeckplatte 50d ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem Halterungsbereich 110 des Mischgefäßes 52 drehbar verbunden.How best in the 6 and 7 can be seen, includes the rotating body 50 in the embodiment shown four discs 50a . 50b . 50c and 50d which are arranged one above the other. In the top pane 50a are areas of the first liquid reservoir 70 and the second liquid reservoir 72 designed as ring structures. In the second and third disc 50b and 50c the fluid channel structures provided for connecting the fluid reservoirs to the ejection openings are formed. The lower disc 50d serves as a lower cover plate. This lower cover plate 50d is in the embodiment shown with a mounting area 110 of the mixing vessel 52 rotatably connected.

Der Rotationskörper 50 weist wiederum eine mittige Ausnehmung 30 auf, über die derselbe an der Spindel eines Motors angebracht sein kann. In dem Halterungsabschnitt 110 des Mischgefäßes 52 ist eine zentrale kreisförmige Ausnehmung 112 vorgesehen, durch die eine Spindel 58 eines Antriebsmotors verlaufen kann, ohne das Mischgefäß 52 anzutreiben. Zu diesem Zweck kann der Durchmesser der Ausnehmung 112 größer sein als der der Ausnehmung 30. Alternativ könnte ein Kugellager in der Ausnehmung 112 vorgesehen sein, um ein drehbares Lager für die Spindel zu liefern.The rotation body 50 again has a central recess 30 via which it can be attached to the spindle of an engine. In the support section 110 of the mixing vessel 52 is a central circular recess 112 provided by a spindle 58 a drive motor can run without the mixing vessel 52 drive. For this purpose, the diameter of the recess 112 larger than that of the recess 30 , Alternatively, a ball bearing could be in the recess 112 be provided to provide a rotatable bearing for the spindle.

Wie am besten in 8 zu sehen ist, mündet das äußere Flüssigkeitsreservoir 72 in einem in der zweiten Scheibe 50b gebildeten Ring 120, der als Teils des Flüssigkeitsreservoirs oder als Ausgleichsbereich zum Verteilen der Flüssigkeit aus dem Reservoir 72 zu in dem Rotationskörper gebildeten zweiten Düsen 24 (siehe 9) angesehen werden kann. Dazu ist der Ring 120 in Form und Anordnung mit dem Ring 72 zusammenpassend gebildet. Die Ausstoßöffnungen 24 in Form jeweiliger Flüssigkeitsspalte, wobei ein derartiger Spalt schematisch in 10 gezeigt ist, sind mit jeweiligen Anstaubereichen 122 versehen, die ein definiertes Flüssigkeitsvolumen fassen, so daß bei Vorliegen einer bestimmten Drehzahl ein definierter Druck an den Düsen 24 erzeugt wird. Zu diesem Zweck existiert zwischen dem Anstaubereich und der Düse jeweils ein Übergang zwischen einem kleineren Flusswiderstand und einem größeren Flusswiderstand. Die Anstaubereiche 122 sind über Durchgangslöcher 124 in der zweiten Scheibe 50b mit dem Ausgleichsbereich 120 bzw. dem Flüssigkeitsreservoir 72 verbunden.How best in 8th can be seen, opens the outer liquid reservoir 72 in one in the second disc 50b formed ring 120 , as part of the liquid reservoir or as a compensation area for Distribute the liquid from the reservoir 72 to second nozzles formed in the rotary body 24 (please refer 9 ) can be considered. This is the ring 120 in shape and arrangement with the ring 72 made up together. The ejection openings 24 in the form of respective liquid gaps, such a gap being schematically illustrated in FIG 10 are shown are with respective Anstaubereichen 122 provided, which hold a defined volume of liquid, so that when there is a certain speed, a defined pressure at the nozzles 24 is produced. For this purpose, between the Anstaubereich and the nozzle in each case a transition between a smaller flow resistance and a larger flow resistance. The Anstaubereiche 122 are via through holes 124 in the second disc 50b with the compensation area 120 or the liquid reservoir 72 connected.

In der zweiten Platte 50b ist ferner ein innerer Ring 130 strukturiert, der in Form und Anordnung mit dem ersten Flüssigkeitsreservoir 70 zusammenpaßt. Ferner sind Durchgangsöffnungen 128 durch die zweite Scheibe 50b im Bereich des Rings 130 vorgesehen. Über die Durchgangsöffnungen 128 ist der Ring 130, der zusammen mit dem in der ersten Schei be 50a gebildeten Ring das erste Flüssigkeitsreservoir bildet, mit einem Ausgleichsbereich 132, der in der dritten Scheibe 50c gebildet ist, fluidisch verbunden. Alternativ könnte der Ring 130 die zweite Scheibe 50b vollständig durchdringend vorgesehen sein, so daß der Ring 132 einen Teil des ersten Flüssigkeitsreservoirs 70 bilden würde. Mit dem Ausgleichsbereich 132 fluidisch verbunden sind jeweilige, den ersten Ausstoßöffnungen bzw. Düsen 20 zugeordnete Anstaubereiche 134, die dem gleichen Zweck dienen wie die den zweiten Ausstoßöffnungen 24 zugeordneten Anstaubereiche 122.In the second plate 50b is also an inner ring 130 structured, in shape and arrangement with the first liquid reservoir 70 matches. There are also passage openings 128 through the second disc 50b in the area of the ring 130 intended. About the passage openings 128 is the ring 130 who together with the one in the first ticket 50a formed ring forms the first liquid reservoir, with a compensation area 132 in the third disc 50c is formed, fluidly connected. Alternatively, the ring could 130 the second disc 50b be provided completely penetrating, so that the ring 132 a part of the first liquid reservoir 70 would form. With the compensation area 132 are fluidically connected to the respective first ejection openings or nozzles 20 assigned patches 134 , which serve the same purpose as the second ejection openings 24 associated Anstaubereiche 122 ,

An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Form und Anordnung des in der dritten Scheibe 50c gebildeten ringartigen Ausgleichsbereichs 132 mit der Form und Anordnung des in der zweiten Scheibe 50b gebildeten Rings 130 übereinstimmt. Ferner sei angemerkt, daß die in den 5 und 6 gezeigten Schnittdarstellungen jeweils einem Schnitt entlang der Linie X-X in den 8 und 9 entspricht.It should be noted at this point that the shape and arrangement of the third disc 50c formed annular compensation area 132 with the shape and arrangement of the second disc 50b formed ring 130 matches. It should also be noted that in the 5 and 6 sectional views shown in each case a section along the line XX in the 8th and 9 equivalent.

Die Bezug nehmend auf die 5 bis 9 beschriebenen Fluidkanalstrukturen zum Verbinden von Fluidreservoiren und Ausstoßöffnungen sind lediglich beispielhafter Natur, wobei beliebige Fluidkanalstrukturen verwendet werden können, so lange durch dieselben ein definierter Druck an den Ausstoßöffnungen bereitgestellt werden kann, um reproduzierbar ein Laminat mit geringen Schichtdicken auf der Innenwand des Mischgefäßes 52 erzeugen zu können.The reference to the 5 to 9 fluid channel structures for connecting fluid reservoirs and ejection orifices described are merely exemplary in nature, and any fluid channel structures may be used as long as they can provide a defined pressure at the ejection orifices to reproducibly form a laminate having low layer thicknesses on the interior wall of the mixing vessel 52 to be able to produce.

Entsprechend einer alternativen Ausführungsform kann anstelle des Rotors auch das Mischgefäß in Rotation versetzt werden. Ein Ausstoß der Ausgangsstoffe aus der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung kann dabei durch Beaufschlagung von Flüssigkeitsreservoiren, die entsprechend mit Ausstoßöffnungen fluidisch verbunden sind, mit Druck generiert werden. Bei einer derartigen Ausführungsform können durch unterschiedliche Antriebsdrücke auch unterschiedliche Viskositäten von zu mischenden Ausgangsstoffen bzw. Reagenzien kompensiert werden. Höher viskose Medien werden in einem solchen Fall mit einem höheren Druck beaufschlagt, wodurch identische Durchflüsse für niedrig- und hochviskose Ausgangsstoffe erreicht werden können.Corresponding an alternative embodiment it is also possible to set the mixing vessel in rotation instead of the rotor. An output of the Starting materials from the liquid ejection device can by applying liquid reservoirs, the corresponding with ejection openings are fluidically connected to be generated with pressure. At a such embodiment can by different driving pressures also different viscosities of be compensated to mixing raw materials or reagents. Higher viscous Media are subjected to a higher pressure in such a case, whereby identical flows for low and highly viscous starting materials can be achieved.

Ein Ausführungsbeispiel mit rotierbaren Mischgefäß kann beispielsweise realisiert werden, indem ein Mischgefäß mit einer Form, wie sie beispielsweise in 6 gezeigt ist, über die zentrale Ausnehmung 112 auf der Spindel eines Antriebsmotors befestigt wird, um sich mit derselben zu drehen, während die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung nicht für eine Drehung mit der Spindel mit dieser verbunden wird.An embodiment with rotatable mixing vessel can be realized, for example, by a mixing vessel having a shape, as for example in 6 is shown, over the central recess 112 is mounted on the spindle of a drive motor to rotate with the same, while the liquid ejector is not connected for rotation with the spindle with this.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Flüssigkeitsempfangseinrichtung mit einer Rotation beaufschlagt wird, wird nun bezugnehmend auf die 11 und 12 beschrieben. 11 zeigt eine schematische Schnittdarstellung in auseinandergezogener Form (Schnitt entlang der Linie X-X in 12), während 12 eine perspektivische Ansicht einer Scheibe der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung zeigt. Elemente, die denen des bezugnehmend auf die 5 und 9 beschriebenen Ausführungsbeispiels entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.An alternative embodiment of the invention in which the liquid receiving device is subjected to rotation will now be described with reference to FIGS 11 and 12 described. 11 shows a schematic sectional view in an exploded form (section along the line XX in FIG 12 ), while 12 shows a perspective view of a disc of the liquid ejection device. Elements similar to those of the 5 and 9 correspond to described embodiment, are designated by the same reference numerals.

Das in den 11 und 12 gezeigte Ausführungsbeispiel umfasst eine starre Flüssigkeitsausstoßvorrichtung 200, die drei Scheiben 50a, 50b und 50e aufweist. Der Aufbau der Scheiben 50a und 50b kann dem der bezugnehmend auf die 5 bis 9 beschriebenen Scheiben 50a und 50b entsprechen.That in the 11 and 12 embodiment shown comprises a rigid liquid ejection device 200 that three slices 50a . 50b and 50e having. The construction of the discs 50a and 50b can the referring to the 5 to 9 described discs 50a and 50b correspond.

In der oberen Oberflache der Scheibe 50e der Flussigkeitsausstoßeinrichtung 200 ist eine Ringstruktur 202 gebildet, die in Form und Anordnung an die in der Scheibe 50b gebildete Ringstruktur 130 angepasst ist und über die in der Scheibe 50b gebildeten Fluiddurchführungen 128 mit der Ringstruktur 130 fluidisch verbunden ist. Die Ringstruktur mündet in jeweilige Anstaubereiche 204, die in der Scheibe 50e gebildet sind. Die Anstaubereiche 204 sind mit Düsen 206 fluidisch verbunden, die bei dem gezeigten Beispiel in Form von länglichen Spalten in der Scheibe 50e gebildet sind. Die Düsen 206 münden auf der Unterseite der Scheibe 50d. Die Anstaubereiche 204 besitzen einen kleineren Flusswiderstand als die Düsen 206, so dass ein definierter Druck an den Düsen 206 erzeugt werden kann, wenn durch eine Druckerzeugungseinrichtung (nicht gezeigt) ein Druck auf eine in dem Reservoir 70 befindliche Flüssigkeit ausgeübt wird.In the upper surface of the disc 50e the Flussigkeitsausstoßeinrichtung 200 is a ring structure 202 formed in shape and arrangement to those in the disc 50b formed ring structure 130 is adjusted and over in the disk 50b formed fluid passages 128 with the ring structure 130 is fluidically connected. The ring structure opens into respective Anstaubereiche 204 that in the disk 50e are formed. The Anstaubereiche 204 are with nozzles 206 fluidly connected, which in the example shown in the form of längli chen columns in the disc 50e are formed. The nozzles 206 lead to the bottom of the disc 50d , The Anstaubereiche 204 have a smaller flow resistance than the nozzles 206 , so that a defined pressure on the nozzles 206 can be generated when by a pressure generating means (not shown), a pressure on one in the reservoir 70 liquid is exercised.

Ferner sind in der Scheibe 50e Anstaubereiche 208 gebildet, die mit der in der Scheibe 50b gebildeten Ringstruktur 120 über Fluiddurchführungen 124 fluidisch verbunden sind. Den Anstaubereichen zugeordnet und mit denselben fluidisch verbunden sind in der Scheibe 50e gebildete Düsen 210, die auf der Unterseite der Scheibe 50e münden.Furthermore, in the disc 50e Anstaubereiche 208 formed with that in the disk 50b formed ring structure 120 via fluid passages 124 are fluidically connected. Associated with the Anstaubereichen and are fluidly connected to the same in the disc 50e formed nozzles 210 on the bottom of the disc 50e lead.

Die Düsen 206 und 210 sind in abwechselnder Reihenfolge entlang des Umfangs der Scheibe 50e gebildet und auf diese Weise nebeneinander angeordnet.The nozzles 206 and 210 are in alternating order along the circumference of the disc 50e formed and arranged side by side in this way.

Das in den 11 und 12 gezeigte Ausführungsbeispiel umfasst ferner eine rotierende Empfängerplatte 212, die eine Flüssigkeitsempfangseinrichtung darstellt. Die Empfängerplatte 212 kann für eine Drehung mit derselben über eine zentrale Ausnehmung 214 auf der Spindel (in 11 nicht gezeigt) eines Antriebsmotors (in 11 nicht gezeigt) gelagert sein. Zu diesem Zweck kann die Empfängerplatte 212 an dem Halterungsbereich 110 des Gefäßes 52 drehbar gelagert sein.That in the 11 and 12 embodiment shown further comprises a rotating receiver plate 212 , which is a liquid receiving device. The receiver plate 212 can rotate with it via a central recess 214 on the spindle (in 11 not shown) of a drive motor (in 11 not shown). For this purpose, the receiver plate 212 at the mounting area 110 of the vessel 52 be rotatably mounted.

Im zusammengesetzten Zustand sind bei diesem Ausfuhrungsbeispiel die Ausstoßöffnungen der Düsen 206 und 210 gegenüberliegend zu der oberen Oberfläche der Empfängerplatte 212 angeordnet. Unter Ausüben eines Drucks auf in den Reservoiren 70 und 72 befindliche Flüssigkeiten geben die benachbarten Düsen 206 und 210 der statischen Ausstoßvorrichtung 200 Flüssigkeiten A und B auf die darunter liegende rotierende Empfängerplatte 212 ab. Auf der oberen Oberfläche der Empfängerplatte 212 werden die Flüssigkeiten in Form dünner Schichten laminiert. Das gesamte Schichtlaminat wird durch Zentrifugalkräfte anschließend auf die ruhende Wand 82 des Mischgefäßes 52 geschleudert, von wo sie durch Gravitationskraft in den Sammelbereich 84 läuft.In the assembled state, in this embodiment, the ejection openings of the nozzles 206 and 210 opposite to the upper surface of the receiver plate 212 arranged. Applying a pressure on in the reservoirs 70 and 72 Liquids present the adjacent nozzles 206 and 210 the static ejection device 200 Liquids A and B on the underlying rotating receiver plate 212 from. On the upper surface of the receiver plate 212 The liquids are laminated in the form of thin layers. The entire laminate layer is then applied to the quiescent wall by centrifugal forces 82 of the mixing vessel 52 thrown from where they gravitational force in the collection area 84 running.

Die Bezug nehmend auf die 11 und 12 beschriebene Ausführungsform weist folgende Vorteile auf. Die Empfangsplatte kann sehr einfach aufgebaut sein und daher mit sehr geringer Unwucht sehr kostengünstig hergestellt werden. Aufgrund des geringen Gewichts kann die Empfängerplatte schneller beschleunigt werden und erlaubt auch größere Drehzahlen als dies mit deutlich schwereren und komplizierter gestalteten Platten der Fall wäre. Ferner können durch eine gezielte, individuelle Druckbeaufschlagung der Reservoire unterschiedliche Durchflüsse und somit unterschiedliche Mischverhältnisse auf einfache Weise eingestellt werden. Entsprechende Einrichtungen zum Erzeugen einer entsprechenden Druckbeaufschlagung der Reservoire sind Fachleuten bekannt und bedürfen hier keiner weiteren Erläuterung.The reference to the 11 and 12 described embodiment has the following advantages. The receiving plate can be very simple and therefore made very inexpensively with very little imbalance. Due to the low weight of the receiver plate can be accelerated faster and also allows higher speeds than would be the case with much heavier and more complicated plates. Furthermore, by a targeted, individual pressurization of the reservoirs different flow rates and thus different mixing ratios can be easily adjusted. Corresponding devices for generating a corresponding pressurization of the reservoirs are known to those skilled in the art and require no further explanation here.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann somit sowohl die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung als auch die Flüssigkeitsempfangseinrichtung mit einer Rotation beaufschlagt werden, wobei entscheidend lediglich eine relative Drehbewegung zwischen den beiden Einrichtungen ist. Es ist offensichtlich, daß bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung zumindest der jeweils mit einer Rotation beaufschlagte Körper, d. h. die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und/oder die Flüssigkeitsempfangseinrichtung, rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Ferner ist vorzugsweise, wenn die Flüssigkeitsempfangseinrichtung stationär ausgebildet ist, die Wandung derselben, auf der die Flüssigkeiten empfangen werden, rotationssymmetrisch ausgebildet.According to the present Invention can thus both the liquid ejection device as well as the liquid receiving device be subjected to a rotation, where only decisive a relative rotational movement between the two devices is. It is obvious that at preferred embodiments the invention at least each acted upon by a rotation Body, d. H. the liquid ejector and / or the liquid receiving device, is formed rotationally symmetrical. Furthermore, it is preferable if the liquid receiving device stationary is formed, the wall of the same, on which the liquids be received, rotationally symmetrical.

Die vorliegende Erfindung ist darüber hinaus nicht auf das Mischen von lediglich zwei Flüssigkeiten begrenzt. Vielmehr können mehr als zwei Flüssigkeitsreservoire mit mehr als zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten in der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung vorgesehen sein, wobei für jedes der Reservoire eine oder mehrere Ausstoßöffnungen vorgesehen sind, so daß mehr als zwei Flüssigkeiten gemischt werden können.The The present invention is above not limited to the mixing of only two liquids. Rather, you can more than two fluid reservoirs with more than two different liquids in the liquid ejector be provided for each of the reservoirs one or more ejection openings are provided, so that more as two liquids can be mixed.

Wie oben beschrieben wurde, ermöglicht die vorliegende Erfindung das Mischen von zwei oder mehr Ausgangsreagenzien durch die Herstellung eines sehr dünnen, laminierten Schichtsystems. Um ein solches Schichtsystem zu erzeugen, kann die hardwareseitige Auslegung beispielsweise eines Rotationslaminators, wie er oben bezugnehmend auf die 5 bis 9 beschrieben wurde, nach unterschiedlichen, zum Teil konträren Gesichtspunkten erfolgen, also beispielsweise in Richtung eines maximalen Durchsatzes oder in Richtung einer minimalen, charakteristischen Mischzeit. Die grundlegenden Formeln für eine Auslegung sollen nachfolgend dargestellt werden, wobei eine Ausstoßöffnung in Form eines Düsenspalts, wie er in 10 gezeigt ist, betrachtet wird. Als Ausstoßöffnung bzw. Düsenspalt ist dabei der Fluidbereich zwischen der äußeren Mündung und dem Anstaubereich anzusehen, wie in 9 angedeutet ist. Ein solcher Düsenspalt besitzt eine Spaltweite sw, eine Spaltlänge sl und eine Spaltbreite sb und wird im Betrieb von einem Fluß Φ durchströmt.As described above, the present invention enables the mixing of two or more starting reagents by the production of a very thin laminated layer system. In order to produce such a layer system, the hardware-side design, for example, a rotary laminator, as described above with reference to 5 to 9 has been described, according to different, sometimes contrary points of view, so for example in the direction of a maximum throughput or in the direction of a minimum, characteristic mixing time. The basic formulas for a design are to be described below, wherein an ejection opening in the form of a nozzle gap, as in 10 is shown, is considered. The ejection opening or nozzle gap is the fluid area between the outer mouth and the Anstaubereich be regarded as in 9 is indicated. Such a nozzle gap has a gap width sw, a gap length sl and a gap width sb and is flowed through by a flow Φ during operation.

Dieser durch eine einzelne Düse austretende Fluß ΦDüse kann aus dem Strömungswiderstand der Düse RD sowie dem an der Düse anliegenden Druck Δp berechnet werden:

Figure 00210001
This exiting through a single nozzle flux Φ nozzle can be calculated from the flow resistance of the nozzle R D, and the voltage applied to the nozzle pressure Ap:
Figure 00210001

Der Druck Δp errechnet sich über die Zentrifugalbeschleunigung der Flüssigkeit und ergibt sich insbesondere aus der Frequenz f des Rotationskörpers sowie der Geometrie des Fluidsystems: Δp = ρ4π2f2rmlplug (3) The pressure Δp is calculated via the centrifugal acceleration of the liquid and results in particular from the frequency f of the rotating body and the geometry of the fluid system: Δp = ρ4π 2 f 2 r m l plug (3)

Dabei steht ρ für die Dichte der Flüssigkeit, f für die Drehfrequenz des Rotors, rm für die mittlere radiale Position der an der Düse anstehenden Flüssigkeit und lplug für die Länge der an der Düse anstehenden Flüssigkeitssäule. Der Strömungswiderstand einer spaltartigen Düse berechnet sich zu:

Figure 00220001
Where ρ is the density of the liquid, f is the rotational frequency of the rotor, r m is the mean radial position of the liquid present at the nozzle, and l plug is the length of the liquid column at the nozzle. The flow resistance of a gap-like nozzle is calculated as:
Figure 00220001

Dabei steht η für die dynamische Viskosität der durch die jeweilige Ausstoßöffnung auszustoßenden Ausgangssubstanz.there η stands for the dynamic one viscosity the output substance to be ejected through the respective ejection opening.

Insgesamt ergibt sich also für den Durchfluß durch eine einzelne spaltartige Düse:

Figure 00220002
Overall, therefore, for the flow through a single slit-like nozzle:
Figure 00220002

Die durch die Düse ausgestoßene Flüssigkeitsmenge führt nun auf der Wand des Mischgefäßes zu einer Schicht der Dicke d. Diese kann errechnet werden, indem die durch die Düse austretende Flüssigkeitsmenge dem an der Wand des Mischbehälters auflaminierten Flüssigkeitsvolumen gleichgesetzt wird, also über: Düse = sw 2rGefäßπ d f (6) The amount of liquid ejected through the nozzle now leads to the wall of the mixing vessel to a layer of thickness d. This can be calculated by equating the amount of liquid emerging through the nozzle with the volume of liquid laminated to the wall of the mixing container, ie via: jet = sw 2r vessel π df (6)

Dabei gibt rGefäß den Radius der Wand des Mischbehälters an. Es ergibt sich also die laminierte Schichtdicke d zu:

Figure 00220003
Here r vessel indicates the radius of the wall of the mixing vessel . This results in the laminated layer thickness d to:
Figure 00220003

Über Gleichung (1) läßt sich somit die charakteristische Mischzeit abschätzen, wogegen sich der Durchsatz des Mischers aus Gleichung (5) multipliziert um die Anzahl der Düsen berechnen läßt. Für folgende Zahlenwerte

  • • ρ = 103 kg/m3
  • • f = 100 Hz (6.000. U/min)
  • • rm = 0,04 m (40 mm)
  • • rGefäß = 0,05 m (50 mm)
  • • lplug = 0,02 m (20 mm)
  • • sl = 0,01 m (10 mm)
  • • sw = 0,01 m (10 mm)
  • • sb = 5 10–5 m ( 50 μm)
  • • η = 10–3 Pa s (dynamische Viskosität)
  • • D = 2,6 10–9 m2/s (Diffusionskonstante von Wasser)
ergibt sich die Schichtdicke der an der Wand des Mischgefäßes laminierten Schicht sowie die charakteristische Mischzeit zu:
  • • d = 15,7 × 10–6 m = 15,7 μm
  • • τ = 0,095 s = 95 ms
Equation (1) can thus be used to estimate the characteristic mixing time, whereas the throughput of the mixer can be calculated from equation (5) multiplied by the number of nozzles. For the following numerical values
  • • ρ = 10 3 kg / m 3
  • • f = 100 Hz (6,000 rpm)
  • • m = 0.04 m (40 mm)
  • • r vessel = 0.05 m (50 mm)
  • • l plug = 0.02 m (20 mm)
  • • sl = 0.01 m (10 mm)
  • • sw = 0.01 m (10 mm)
  • • sb = 5 10 -5 m (50 μm)
  • • η = 10 -3 Pa s (dynamic viscosity)
  • • D = 2.6 10 -9 m 2 / s (diffusion constant of water)
the layer thickness of the layer laminated on the wall of the mixing vessel and the characteristic mixing time result in:
  • • d = 15.7 × 10 -6 m = 15.7 μm
  • • τ = 0.095 s = 95 ms

Bei 16 rotationssymmetrisch angeordneten Düsen und einer Spalthöhe sh von 10 mm berechnet sich der Durchfluß pro Düse sowie der Durchsatz des gesamten Mischers pro Reagenz zu

  • • ϕDüse = 4,9 ml/s
  • • ϕMischer = 16 × 4,9 ml/s = 78,4 ml/s
With 16 rotationally symmetrically arranged nozzles and a gap height sh of 10 mm, the flow rate per nozzle and the throughput of the entire mixer per reagent are calculated
  • • φ nozzle = 4.9 ml / s
  • • φ mixer = 16 × 4.9 ml / s = 78.4 ml / s

Somit wurde oben gezeigt, daß unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ein einzigartiger, kostengünstiger Rotationslaminator implementiert werden kann, mit dem im Laboralltag Reagenzien im Millisekundenbereich vermischt werden können, der bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ohne externe Pumpsysteme auskommen kann, und der einen beträchtlichen Durchsatz aufweisen kann.Consequently was shown above under Use of the present invention a unique, cheaper Rotary laminator can be implemented with the laboratory everyday Reagents can be mixed in the millisecond range, the in preferred embodiments can do without external pumping systems, and a considerable Throughput may have.

Abschließend sei angemerkt, daß eine Mischvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und eine relativ zu der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung bewegliche Flüssigkeitsempfangseinrichtung aufweist, vorteilhaft zusammen mit herkömmlichen Zentrifugen oder ähnlichen herkömmlichen Antrieben Verwendung finden kann. Zu diesem Zweck können insbesondere Halteeinrichtungen in der Ausnehmung 30 der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung bzw. in der Ausnehmung 112 oder 214 der Flüssigkeitsempfangseinrichtung vorgesehen sein, um diese Einrichtungen für eine Drehung an der Spindel einer herkömmlichen Zentrifuge anzubringen. Bei einem solchen Einsatz können sämtliche Antriebs- und Steuerungselemente durch die bekannte Zentrifuge implementiert sein.Finally, it should be noted that a mixing device according to the present invention having a liquid ejecting means and a liquid receiving means movable relative to the liquid ejecting means can be advantageously used together with conventional centrifuges or the like. For this purpose, in particular holding devices in the recess 30 the liquid ejector or in the recess 112 or 214 the liquid receiving means may be provided to mount these means for rotation on the spindle of a conventional centrifuge. In such an application, all drive and control elements can be implemented by the known centrifuge.

Der Abstand zwischen den Ausstoßöffnungen und der die Flüssigkeiten empfangenden Wand des Mischgefäßes ist nicht kritisch, so lange die Energie, mit der die Flüssigkeiten aus den Ausstoßöffnungen ausgestoßen werden, ausreicht, um ein Sprühen der Flüssigkeiten auf die Empfangseinrichtung zu ermöglichen und so lange die auf die Wand der Flüssigkeitsempfangseinrichtung aufgebrachte Schichtung die Relativbewegung zwischen Ausstoßeinrichtung und Empfangseinrichtung nicht stört.Of the Distance between the ejection openings and the liquids receiving wall of the mixing vessel not critical, as long as the energy with which the fluids from the ejection openings pushed out be sufficient to a spray of liquids to allow the receiving device and as long as the on the wall of the liquid receiving device Applied layering the relative movement between ejector and receiving device does not bother.

Claims (21)

Mischervorrichtung mit folgenden Merkmalen: einer Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90; 200), die eine erste Ausstoßöffnung (20; 206) zum Ausstoßen einer ersten Flüssigkeit und eine zweite Ausstoßöffnung (24; 210) zum Ausstoßen einer zweiten Flüssigkeit aufweist; einer Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52; 212) zum Empfangen der ausgestoßenen ersten und zweiten Flüssigkeit (78, 80), wobei die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90; 200) und die Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52; 212) relativ zueinander drehbewegbar sind, um eine Schichtung aus übereinander angeordneten Schichten der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit auf der Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52; 212) zu erzeugen.Mixing device comprising: a liquid ejecting device ( 10 ; 40 ; 50 ; 90 ; 200 ), which has a first ejection opening ( 20 ; 206 ) for ejecting a first liquid and a second ejection opening ( 24 ; 210 ) for ejecting a second liquid; a liquid receiving device ( 12 ; 52 ; 212 ) for receiving the ejected first and second liquids ( 78 . 80 ), wherein the liquid ejection device ( 10 ; 40 ; 50 ; 90 ; 200 ) and the liquid receiving device ( 12 ; 52 ; 212 ) are rotatably movable relative to each other to form a stack of superimposed layers of the first liquid and the second liquid on the liquid receiving device ( 12 ; 52 ; 212 ) to create. Mischervorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Einrichtung (56, 58) zum Erzeugen der relativen Drehbewegung zwischen der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90; 200) und der Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52; 212) aufweist.Mixer device according to claim 1, further comprising means ( 56 . 58 ) for generating the relative rotational movement between the liquid ejection device ( 10 ; 40 ; 50 ; 90 ; 200 ) and the liquid receiving device ( 12 ; 52 ; 212 ) having. Mischervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90) eine zylindrische äußere Oberfläche aufweist, in der die erste und zweite Ausstoßöffnung (20, 24) gebildet sind, und bei der die Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52) eine zylindrische Oberfläche aufweist, die der zylindrischen äußeren Oberfläche der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung gegenüber liegt.Mixer device according to claim 1 or 2, wherein the liquid ejection device ( 10 ; 40 ; 50 ; 90 ) has a cylindrical outer surface in which the first and second ejection openings ( 20 . 24 ) are formed, and wherein the liquid receiving device ( 12 ; 52 ) has a cylindrical surface that faces the cylindrical outer surface of the liquid ejector. Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90) um eine Rotationsachse (14) rotierbar ist, wobei die erste Flüssigkeit und die zweite Flüssigkeit durch die aufgrund der Rotation wirkende Zentrifugalkraft aus der ersten und der zweiten Ausstoßöffnung (20, 24) ausstoßbar sind.Mixer device according to one of claims 1 to 3, in which the liquid ejection device ( 10 ; 40 ; 50 ; 90 ) about a rotation axis ( 14 ) is rotatable, wherein the first liquid and the second liquid by the centrifugal force acting due to the rotation of the first and the second ejection opening ( 20 . 24 ) are ejectable. Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der aktive oder passive Ventile (96, 98) für die Ausstoßöffnungen (20, 24) vorgesehen sind, so daß ein Ausstoß der Flüssigkeiten erst ab einer bestimmten Drehzahl stattfindet.Mixer device according to one of claims 1 to 4, in which active or passive valves ( 96 . 98 ) for the discharge openings ( 20 . 24 ) are provided, so that an ejection of the liquids takes place only from a certain speed. Mischervorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Ventile passive Ventile sind, die durch Zentrifugalventile, die ab einer bestimmten Drehzahl öffnen, oder Überlaufstrukturen (96, 98), die durch die Flüssigkeiten erst ab einer bestimmten Drehzahl überstiegen werden können, gebildet sind.Mixing device according to claim 5, in which the valves are passive valves which are opened by centrifugal valves which open at a certain speed or overflow structures ( 96 . 98 ), which can be exceeded by the liquids only from a certain speed, are formed. Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Flüssigkeitsempfangseinrichtung (212) um eine Rotationsachse rotierbar ist, wobei die Mischervorrichtung ferner eine Druckbeaufschlagungseinrichtung aufweist, um die Flüssigkeiten durch eine Druckbeaufschlagung aus den Ausstoßöffnungen auszustoßen.Mixing device according to one of claims 1 to 3, wherein the liquid receiving device ( 212 ) is rotatable about an axis of rotation, wherein the mixer device further comprises a pressurization having means to eject the liquids by pressurizing the ejection openings. Mischervorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Flussigkeitsempfangseinrichtung (212) eine sich von der Rotationsachse radial erstreckende Empfangsoberfläche aufweist und bei der die Ausstoßöffnungen (206, 210) in einer der sich radial erstreckenden Empfangsoberfläche gegenüberliegenden Oberfläche der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (200) gebildet sind.Mixing device according to claim 7, wherein the liquid receiving means ( 212 ) has a receiving surface extending radially from the axis of rotation and in which the ejection openings ( 206 . 210 ) in one of the radially extending receiving surface opposite surface of the liquid ejection device ( 200 ) are formed. Mischervorrichtung nach Anspruch 8, die ferner ein Behältnis (52) mit einer zylindrischen Oberfläche (82) aufweist, die einer äußeren zylindrischen Oberfläche der Flüssigkeitsempfangseinrichtung (212) gegenüberliegt, so dass die auf der Flüssigkeitsempfangseinrichtung erzeugte Schichtung bei einer Rotation durch Zentrifugalkraft auf die zylindrische Oberfläche (82) des Behältnisses (52) geschleudert wird.Mixer device according to claim 8, further comprising a container ( 52 ) with a cylindrical surface ( 82 ), which an outer cylindrical surface of the liquid receiving device ( 212 ) so that the lamination produced on the liquid receiving means upon rotation by centrifugal force to the cylindrical surface ( 82 ) of the container ( 52 ) is thrown. Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 50; 200) für jede Ausstoßöffnung (20, 24; 206, 210) einen Anstaubereich (122, 134; 204, 208) aufweist, um einen definierten Druck an jeder Ausstoßöffnung (20, 24; 206, 210) erzeugen zu können.Mixer device according to one of claims 1 to 9, in which the liquid ejection device ( 10 ; 50 ; 200 ) for each discharge opening ( 20 . 24 ; 206 . 210 ) a jam area ( 122 . 134 ; 204 . 208 ) to a defined pressure at each discharge port ( 20 . 24 ; 206 . 210 ). Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die eine Mehrzahl erster Ausstoßöffnungen (20; 206) und eine Mehrzahl zweiter Ausstoßöffnungen (24; 210) aufweist, die in einer abwechselnden Reihenfolge nebeneinander angeordnet sind.Mixer device according to one of claims 1 to 10, comprising a plurality of first ejection openings ( 20 ; 206 ) and a plurality of second ejection openings ( 24 ; 210 ) juxtaposed in an alternating sequence. Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90) ein erstes Flüssigkeitsreservoir (16; 36; 70; 92), das mit einer oder mehreren ersten Ausstoßöffnungen (20) fluidisch verbunden ist, und ein zweites Flüssigkeitsreservoir (18; 38; 72; 94), das mit einer oder mehreren zweiten Ausstoßöffnungen (24) fluidisch verbunden ist, aufweist.Mixer device according to one of claims 1 to 11, in which the liquid ejection device ( 10 ; 40 ; 50 ; 90 ) a first liquid reservoir ( 16 ; 36 ; 70 ; 92 ) with one or more first ejection openings ( 20 ) is fluidically connected, and a second liquid reservoir ( 18 ; 38 ; 72 ; 94 ) with one or more second ejection openings ( 24 ) is fluidically connected. Mischervorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Flüssigkeitsreservoire (16, 18; 70, 72) eine um eine Rotationsachse der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung konzentrische Ringstruktur aufweisen.Mixing device according to claim 11, in which the liquid reservoirs ( 16 . 18 ; 70 . 72 ) have a concentric about a rotational axis of the liquid ejecting ring structure. Mischervorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, bei der die Flüssigkeitsreservoire (16, 18; 36, 38; 70, 72; 92, 94) jeweils mit einer Mehrzahl von Ausstoßöffnungen (20, 24; 206, 210) verbunden sind, wobei die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung Ausgleichsbereiche (120, 132) aufweist, um die erste Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsreservoir (16; 36; 70; 92) auf die ersten Ausstoßöffnungen (20; 206) zu verteilen und/oder die zweite Flüssigkeit aus dem zweiten Flüssigkeitsreservoir (18; 38; 72; 94) auf die zweiten Ausstoßöffnungen (24, 210) zu verteilen.Mixing device according to claim 12 or 13, in which the liquid reservoirs ( 16 . 18 ; 36 . 38 ; 70 . 72 ; 92 . 94 ) each with a plurality of ejection openings ( 20 . 24 ; 206 . 210 ), wherein the liquid ejection device balancing areas ( 120 . 132 ) to the first liquid from the first liquid reservoir ( 16 ; 36 ; 70 ; 92 ) on the first ejection openings ( 20 ; 206 ) and / or the second liquid from the second liquid reservoir ( 18 ; 38 ; 72 ; 94 ) to the second ejection openings ( 24 . 210 ) to distribute. Mischervorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Ausgleichsbereiche (120, 132) eine um eine Rotationsachse der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung konzentrische Ringstruktur aufweisen.Mixer device according to claim 14, in which the compensation areas ( 120 . 132 ) have a concentric about a rotational axis of the liquid ejecting ring structure. Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung durch eine Mehrzahl übereinander angeordneter strukturierter Scheiben (50a-50e) gebildet ist.Mixing device according to one of claims 1 to 15, wherein the liquid ejection device by a plurality of superposed structured discs ( 50a - 50e ) is formed. Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der die Ausstoßöffnungen (20, 24; 206, 210) durch längliche Spalte gebildet sind und die Relativbewegung der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90; 200) und der Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52; 212) quer zu den länglichen Spalten ist.Mixer device according to one of claims 1 to 17, in which the ejection openings ( 20 . 24 ; 206 . 210 ) are formed by elongated gaps and the relative movement of the liquid ejection device ( 10 ; 40 ; 50 ; 90 ; 200 ) and the liquid receiving device ( 12 ; 52 ; 212 ) is transverse to the elongated columns. Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der die Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52) eine Wand zum Empfangen der Flüssigkeiten und einen Sammelbereich (84), in dem sich die Flüssigkeiten durch Schwerkraft sammeln, aufweist.Mixing device according to one of claims 1 to 17, in which the liquid receiving device ( 12 ; 52 ) a wall for receiving the liquids and a collecting area ( 84 ), in which the liquids collect by gravity. Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, die angepaßt ist, um mit kommerziell erhältlichen Zentrifugen oder ähnlichen Antrieben betrieben zu werden.Mixer device according to one of claims 1 to 18, which adapted is to be with commercially available Centrifuges or similar Drives to be operated. Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten mit folgenden Schritten: Ausstoßen einer ersten Flüssigkeit aus einer ersten Ausstoßöffnung (20) einer Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90) auf eine Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52); Ausstoßen einer zweiten Flüssigkeit aus einer zweiten Ausstoßöffnung (24) der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90) auf die Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52); und Bewirken einer relativen Drehbewegung zwischen der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90) und der Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52), um eine Schichtung aus übereinander angeordneten Schichten der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52) zu erzeugen.Method for mixing at least two liquids, comprising the following steps: ejecting a first liquid from a first ejection opening ( 20 ) a liquid ejection device ( 10 ; 40 ; 50 ; 90 ) to a liquid receiving device ( 12 ; 52 ); Discharging a second liquid from a second discharge opening ( 24 ) of the liquid ejection device ( 10 ; 40 ; 50 ; 90 ) to the liquid receiving device ( 12 ; 52 ); and causing a relative rotational movement between the liquid ejection device ( 10 ; 40 ; 50 ; 90 ) and the liquid receiving device ( 12 ; 52 ), to a layering of superimposed layers of first liquid and the second liquid from the liquid receiving device ( 12 ; 52 ) to create. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem der Schritt des Bewirkens einer relativen Drehbewegung den Schritt des Beaufschlagens der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung mit einer Rotation umfaßt, derart, daß durch die dadurch bedingte Zentrifugalkraft die erste und die zweite Flüssigkeit aus den Ausstoßöffnungen (20, 24) ausgestoßen werden.The method of claim 20, wherein the step of causing a relative rotational movement comprises the step of urging the liquid ejector with rotation such that the centrifugal force due thereto causes the first and second fluids to flow out of the ejection ports (US Pat. 20 . 24 ) are ejected.
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