DE19748481C2 - Static micromixer - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen statischen Mikrovermischer mit einer Mischkammer und einem vorgeschalteten Führungsbauteil für die getrennte Zufuhr von zu mischenden oder zu dispergierenden Fluiden zu der Mischkammer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a static micromixer with a mixing chamber and an upstream guide component for the separate supply of fluids to be mixed or dispersed to the mixing chamber according to the Preamble of claim 1.
Aus der WO 95/30476 A1 ist ein statischer Mikrovermischer bekannt, der eine Mischkammer und ein Führungsbauteil für die getrennte Zufuhr der zu mischenden Stoffe vorsieht. Das Führungsbauteil besteht aus dünnen Folien mit jeweils einer Schar paralleler, geradliniger Nuten, die als plattenartige Elemente übereinandergeschichtet sind. Die Nuten der übereinanderliegenden Folien weisen eine zur Mikro-Vermischer-Längsachse abwechselnde Schräge auf, so dass die an die Mischkammer angrenzenden Öffnungen der Kanäle fluchtend übereinander liegen und an der Fluideintrittseite hin zu getrennten Eintrittskammern divergieren. Die Kanäle des Führungsbauteils weisen jeweils die gleiche Länge und damit den gleichen Strömungswiderstand auf. Da die Fluide zu unterschiedlichen Seiten gerichtet in die Mischkammer einströmen, ist die Mischungseffektivität an den Randzonen der Mischkammer geringer als im Zentrum.From WO 95/30476 A1 a static micromixer is known, the one Mixing chamber and a guide component for the separate supply of the provides mixing substances. The guide component consists of thin foils with each a group of parallel, straight-line grooves, which act as plate-like elements are stacked. The grooves of the superimposed foils have a slope alternating with the longitudinal axis of the micro mixer, so that the the mixing chamber adjacent openings of the channels aligned one above the other lie and on the fluid inlet side towards separate inlet chambers diverge. The channels of the guide component each have the same length and thus the same flow resistance. Because the fluids too flow into the mixing chamber from different sides is the Mixing effectiveness at the edge zones of the mixing chamber less than in Center.
Zur Erhöhung der örtlichen Effektivität der Vermischung wird in der DE 195 40 292 C1 vorgeschlagen, dass die jeweiligen Scharen von Nuten in den übereinandergeschichteten Folien jeweils bogenförmig gekrümmt und abwechselnd von der Mischkammer zu je einer der beiden Zufuhrkammern verlaufen, so dass alle Nuten parallel zueinander ausgerichtet in die Mischkammer münden. Zur Erzielung gleicher Strömungswiderstände wird angegeben, die Seiten des Führungsbauteils, die an die Zufuhrkammern grenzen, gegenüber der an die Mischkammer grenzende Seite so zu neigen, dass die Kanäle eine annähernd gleiche Länge aufweisen. Zur Vermeidung gekrümmter Eintrittsflächen wird angegeben, die Flächen entsprechend einer nach einer angegebenen Formel zu bestimmenden Näherungsgeraden auszurichten. Dies erlaubt jedoch nur kleine Bogenwinkel der Nuten, so daß eine Anordnung der Zufuhrkammern an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Führungsbauteils oder eine getrennte Zufuhr von mehr als zwei Fluiden kaum realisierbar ist.To increase the local effectiveness of the mixing in DE 195 40 292 C1 suggested that the respective groups of grooves in the stacked foils each curved and alternating from the mixing chamber to one of the two feed chambers run so that all grooves are aligned parallel to each other in the mixing chamber lead. To achieve the same flow resistance, it is specified that Sides of the guide member, which are adjacent to the feed chambers, opposite the to the side bordering the mixing chamber so that the channels have a have approximately the same length. To avoid curved entry surfaces is specified, the areas according to a given formula align the approximation line to be determined. However, this only allows small arc angle of the grooves, so that an arrangement of the feed chambers two opposite sides of the guide member or one separate supply of more than two fluids is hardly feasible.
Aus der DE 39 26 466 A1 ist ein Mikroreaktor zur Durchführung chemischer Reaktionen mit starker Wärmetönung bekannt, in dem Stoff-, Reaktions- und Wärmeführung in übereinandergeschichteten, plattenartigen Elementen statt findet, die durch ein System aus durch Zerspanung hergestellten Rillen durch zogen und verbunden sind. Von Vorteil ist die extreme Wärmeabfuhrleistung, so daß die reagierenden Substanzen (Edukte) in hohen Konzentrationen gemischt und zur Reaktion gebracht werden können. Der Mikroreaktor selbst kann aus einem Katalysatormaterial gefertigt sein. Bei diesem Stand der Technik sind unterschiedlichen Längen der Rillen zwischen den jeweiligen Eintrittsöffnungen und der Mischzone vorhanden. Hierdurch weist der Mikroreaktor von der Länge der Rillen abhängige Strömungswiderstände auf, so daß unterschiedliche Volumenströme zur Mischung kommen, was eine über den Bereich der Mischzone inhomogene Mischung zur Folge hat. Uner wünschte Folge- und Nebenreaktionen können somit stattfinden. Ein weiterer entscheidender Nachteil der Erfindung, insbesondere wenn der Mikroreaktor aus einem Katalysatormaterial besteht, ist, daß die Reaktion schon mit der Vermischung der Stoffströme einsetzt. Dadurch ist es nicht möglich, Edukte in gezielten Mischungsverhältnissen zur Reaktion zu bringen und Folge- und Nebenreaktionen zu vermeiden.DE 39 26 466 A1 describes a microreactor for carrying out chemical processes Known reactions with strong heat, in which substance, reaction and Heat conduction in layered, plate-like elements instead takes place through a system of grooves made by machining moved and connected. The extreme heat dissipation capacity is an advantage, so that the reacting substances (educts) in high concentrations can be mixed and reacted. The microreactor itself can be made from a catalyst material. at this prior art are different lengths of the grooves between the respective entry openings and the mixing zone. As a result, the Flow resistance depending on the length of the grooves, so that different volume flows come to mix, which one about results in inhomogeneous mixing in the area of the mixing zone. Uner desired secondary and side reactions can thus take place. Another decisive disadvantage of the invention, especially when the microreactor consists of a catalyst material, is that the reaction with the Mixing of the material flows begins. As a result, it is not possible to use starting materials in to bring targeted mixing ratios to reaction and follow-up and Avoid side reactions.
Weiterhin wird in der WO 95/30476 A1 ein Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen vorgestellt. Dadurch, daß die Edukte in Fluidfäden aufgeteilt werden, gelangen die Edukte eng benachbart als Freistrahlen in einen Raum, der als Misch- und Reaktionsraum dient, wo sie durch Diffusion und Turbulenz vermischen und zur Reaktion kommen. Der Vorteil hierbei ist, daß durch die Aufteilung in Fluidfäden die Edukte schnell homogen vermischt werden, wodurch eine folge- und nebenproduktfreie Reaktion stattfindet. Eine Durchführung heterogen katalysierter Gasphasenreaktionen ist nach diesem Verfahren nicht möglich.Furthermore, WO 95/30476 A1 describes a method for carrying it out chemical reactions presented. Because the educts in fluid threads are divided, the starting materials come in close proximity as free jets a space that serves as a mixing and reaction space, where by diffusion and mix turbulence and react. The advantage here is that the educts are quickly mixed homogeneously by the division into fluid threads be, whereby a subsequent and by-product-free reaction takes place. A Carrying out heterogeneously catalyzed gas phase reactions is according to this Procedure not possible.
Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik hat die Erfindung zur Aufgabe, bei einem statischen Mikrovermischer beliebige Bogenwinkel der Nuten und damit beliebige Anordnungen der Zufuhrkammern und eine getrennte Zufuhr von mehr als zwei Fluiden realisieren zu können, bei einer über die gesamte Fläche des an die Mischkammer grenzenden Führungsbauteils gleich hohen Mischungseffektivität.Starting from the above-mentioned prior art, the invention has Task, with a static micromixer, any arc angle of the grooves and thus any arrangement of the feed chambers and a separate feed to be able to implement more than two fluids, one over the entire Area of the guide component adjacent to the mixing chamber of the same height Mixture effectiveness.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die abhängigen Ansprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben.The object is achieved with the features of claim 1, the dependent claims describe advantageous embodiments of the invention.
Trotz der Verwendung gekrümmter Nuten unterschiedlicher Länge ist es mit dem erfindungsgemäßen Führungsbauteil möglich, die an die Mischkammer grenzende Stirnfläche des Elementes A bzw. B so in gleich große Teilflächen zu unterteilen, dass aus jeder Teilfläche pro Zeiteinheit im wesentlichen das gleiche Fluidvolumen in die Mischkammer austritt, womit eine über die gesamte Stirnfläche gleich hohe Mischungseffektivität erreicht wird. Gemäß einer Ausführungsform wird dies durch Nuten gleichen Querschnitts erreicht, wobei die längeren Nuten kürzere Abstände zueinander aufweisen als die kürzeren Nuten.Despite the use of curved grooves of different lengths, it is with the possible guide component according to the invention, the adjacent to the mixing chamber To subdivide the end face of element A or B into partial areas of equal size, that essentially the same from each partial area per unit of time Volume of fluid exits into the mixing chamber, making one over the entire Face area equal high mixing effectiveness is achieved. According to one This embodiment is achieved by grooves of the same cross section, the longer grooves have shorter distances from each other than the shorter grooves.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Querschnitte der Nuten des Führungsbauteils so bemessen, dass aus jedem von den Nuten einer Elementart gebildeten Kanal pro Zeiteinheit das gleiche Fluidvolumen aus dem Führungsbauteil in die Mischkammer austritt. Dies bedeutet, dass die längeren Nuten einen größeren Querschnitt aufweisen als die kürzeren Nuten. Hierbei sind die sich von den kürzeren zu den längeren Nuten hin verkleinernden Wanddicken der Zwischenstege so zu bemessen, dass die Mitten der Nuten einen gleichen Abstand aufweisen.According to a preferred embodiment, the cross sections of the grooves Guide component dimensioned so that from each of the grooves of an element type formed channel the same volume of fluid from the unit of time Guide component emerges into the mixing chamber. This means that the longer Grooves have a larger cross section than the shorter grooves. Here are the wall thickness decreasing from the shorter to the longer grooves dimension the intermediate webs so that the centers of the grooves are the same Distance.
Vorteilhaft ist die hohe Freiheit der Anordnung der Zufuhrkammern. So können bei Bogenwinkeln der Nuten von 90° die Zufuhrkammern auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Führungsbauteils angeordnet werden. Damit wird es auch möglich, eine weitere Zufuhrkammer für die getrennte Zufuhr eines dritten Fluids vorzusehen. Der erfindungsgemäße Mikrovermischer läßt sich vorteilhaft in der Mikroreaktionstechnologie zur Zuführung und Vermischung hochreaktiver Fluide einsetzen. Darüberhinaus kann dieser Mikrovermischer auch als zünd durchschlagsicheres Bauteil dienen.The high freedom of arrangement of the feed chambers is advantageous. So can at 90 ° arc angles of the grooves, the feed chambers on two themselves opposite sides of the guide member are arranged. So that will it is also possible to have another feed chamber for the separate feeding of one to provide third fluids. The micromixer according to the invention can be advantageous in microreaction technology for feeding and mixing highly reactive Use fluids. In addition, this micromixer can also be used as an ignition puncture-proof component.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Mikrovermischers werden anhand der folgenden schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the micromixer according to the invention are illustrated by the following schematic drawings explained. Show it:
Fig. 1 zwei plattenartige Elemente der Art A und B mit Nuten gleichen Querschnitts in perspektivischer Darstellung, Fig. 1 shows two plate-like elements of the type A and B with grooves same cross section, in perspective view,
Fig. 2 zwei plattenartige Elemente der Art A und B mit Nuten unterschiedlichen Querschnitts in perspektivischer Darstellung, Fig. 2, two plate-like elements of the type A and B with grooves of different cross sections in a perspective view;
Fig. 3 einen Mikrovermischer mit zwei Zufuhrkammern für die Fluide A' und B' in Draufsicht, Fig. 3 is a micromixer with two feed chambers for the fluids A 'and B' in plan view,
Fig. 4 drei plattenartige Elemente der Art A, B und C in perspektivischer Darstellung, Fig. 4 shows three sheet-like elements of the type A, B and C in a perspective view;
Fig. 5 einen Mikrovermischer mit drei Zufuhrkammern für die Fluide A', B' und C' in Draufsicht, Fig. 5 is a micromixer with three feed chambers for the fluids A ', B' and C 'in plan view,
Fig. 6 ein Führungsbauteil für drei Fluide A', B' und C' in Draufsicht mit angedeutetem Verlauf der Kanäle, Fig. 6 is a guide member for three fluids A ', B' and C 'in plan view with indicated course of the channels,
Fig. 7 einen Mikrovermischer für zwei Fluide A' und B' mit einem in das Führungsbauteil integrierten Wärmetauscher in Draufsicht. Fig. 7 shows a micro mixer for two fluids A 'and B' with a heat exchanger integrated in the guide component in plan view.
Gemäß Fig. 1 weisen die plattenartigen Elemente 1, 2 und 3 eine Schar von Nuten 4, 5 auf. Die in Fig. 1 nach vorne zeigende Stirnfläche 7 grenzt in dem Mikrovermischer an die Mischkammer an, während die Nuten 4 des plattenartigen Elementes 1 der Art A und die Nuten 5 des plattenartigen Elementes 2 der Art B gekrümmt in Richtung entgegengesetzt liegender Zufuhrkammern verlaufen. Die plattenartigen Elemente 1, 2 bestehen aus Folien mit Dicken bis zu einigen Millimetern, vorzugsweise < 1 mm, besonders bevorzugt < 500 µm. Dadurch, dass die plattenartigen Elemente 1, 2 die einen gleichen Grundriß haben, abwechselnd übereinander gestapelt und oben mit einer Deckplatte versehen werden, sind die Nuten jedes Elementes nach oben abgeschlossen, wodurch in Viertelkreisbögen verlaufende Kanäle gebildet werden. In Fig. 1 weisen die Nuten 4, 5 jedes Elementes 1, 2 einen gleichen Querschnitt auf, während die Wanddicken der Zwischenstege 6 von den kürzeren Nuten mit einem kleinen Krümmungsradius hin zu den längeren Nuten mit einem größeren Krümmungs radius abnehmen. Dies ermöglicht, daß die Stirnfläche 7 jedes Elementes 1, 2 so in gleich große Teilfflächen unterteilt werden kann, daß trotz des größeren Strömungswiderstandes der längeren Kanäle pro Zeiteinheit aus jeder gedachten Teilfläche das gleiche Fluidvolumen in die Mischkammer austreten kann.Referring to FIG. 1, the plate-like elements 1, 2 and 3 on a group of grooves 4, 5. In Fig. 1 forwardly facing end face 7 adjoins in the micromixer to the mixing chamber, while the grooves 4 of the plate-like element 1 of the type A and the grooves 5 of the plate-like element 2 of the type B curved in the direction opposite lying supply chambers extend. The plate-like elements 1 , 2 consist of foils with thicknesses of up to a few millimeters, preferably <1 mm, particularly preferably <500 μm. Because the plate-like elements 1 , 2, which have the same layout, are alternately stacked one above the other and provided with a cover plate at the top, the grooves of each element are closed at the top, whereby channels running in quarter-circle arcs are formed. In Fig. 1, the grooves 4 , 5 of each element 1 , 2 have the same cross section, while the wall thicknesses of the intermediate webs 6 decrease from the shorter grooves with a small radius of curvature to the longer grooves with a larger radius of curvature. This enables the end face 7 of each element 1 , 2 to be subdivided into subareas of equal size such that, despite the greater flow resistance of the longer channels per unit of time, the same volume of fluid can escape into the mixing chamber from each imaginary subarea.
In Fig. 2 sind zwei plattenartige Elemente 1, 2 der Art A und B dargestellt, wobei jedes Element eine Schar 3 von Nuten 4, 5 aufweist. Die längeren Nuten, d. h. die Nuten mit einem größeren Krümmungsradius, weisen einen größeren Querschnitt auf als die kürzeren Nuten, d. h. als die Nuten mit einem kleineren Krümmungsradius. Die Dicken der Zwischenstege 6 sind so bemessen, daß die Mitten der Querschnittsflächen der Nuten jedes Elementes einen gleichen Abstand aufweisen. Damit verringern sich die Dicken der Zwischenstege 6 von den kürzeren Nuten hin zu den längeren Nuten und beim Übereinander schichten der plattenartigen Elemente liegen die Nuten der Elementart A und die Mitten der Nuten der Elementart B genau übereinander. Die Querschnitte der Nuten sind so bemessen, daß trotz der unterschiedlichen Längen der Kanäle pro Zeiteinheit aus jedem Kanal eines Elementes das gleiche Fluid volumen in die Mischkammer austritt. Damit kann über die gesamte Stirnfläche 7 für jedes Fluid A' und B' ein gleichmäßig hoher Fluidstrom und damit eine gleichmäßig hohe Mischungseffektivität erzielt werden.In FIG. 2, two plate-like elements 1, 2 of the type A and B are shown, each element having a flock 3 of grooves 4, 5. The longer grooves, ie the grooves with a larger radius of curvature, have a larger cross section than the shorter grooves, ie as the grooves with a smaller radius of curvature. The thicknesses of the intermediate webs 6 are dimensioned such that the centers of the cross-sectional areas of the grooves of each element are equidistant. This reduces the thickness of the intermediate webs 6 from the shorter grooves to the longer grooves and when the plate-like elements are layered one on top of the other, the grooves of element type A and the centers of the grooves of element type B lie exactly one above the other. The cross sections of the grooves are dimensioned such that, despite the different lengths of the channels per unit of time, the same fluid volume emerges from each channel of an element into the mixing chamber. A uniformly high fluid flow and thus a uniformly high mixing effectiveness can thus be achieved over the entire end face 7 for each fluid A 'and B'.
Ein statischer Mikrovermischer 11 mit einem Führungsbauteil 13, das aus den in Fig. 2 dargestellten, übereinandergeschichteten, plattenartigen Elementen 1, 2 besteht, ist in Fig. 3 schematisch gezeigt. Der Mikrovermischer 11 umfaßt Ausnehmungen für die Zufuhrkammern 14, 15, für das Führungsbauteil 13 und für die Mischkammer 12. Die von der Zufuhrkammer 14 des Fluids A' und von der Zufuhrkammer 15 des Fluids B' verlaufenden Kanäle 4, 5 sind in ihrer Lage angedeutet. Beide Zufuhrkammern sind in ihrer Tiefe derart ausgelegt, daß aufgrund des vom Führungsbauteil 13 erzeugten Druckabfalls der Strahldruck der Zuleitung der Fluide A' bzw. B' über die ganze Eintrittsfläche 16 bzw. 17 homogenisiert wird. Die plattenartigen Elemente sind entsprechend der beiden Arten A und B alternierend zu einem Führungsbauteil übereinandergeschichtet und druckdicht in die entsprechende Ausnehmung des Mikrovermischerbauteils eingepaßt. Nach oben sind die plattenartigen Elemente mit einer hier nicht dargestellten Deckplatte abgedeckt, die die obersten Nuten abschließt und den Folienstapel druckdicht zusammenhält. Mit diesem Mikrovermischer ist es möglich, zwei Fluide A' und B' von getrennten Seiten 16, 17 an das Führungs bauteil heranzuführen und durch übereinanderliegende Kanäle als Fluidfäden in die Mischkammer zu leiten. Dadurch, daß in die Mischkammer alternierend Lagen von Fluidfäden der Art A und der Art B einströmen, und pro Zeiteinheit aus jedem Kanal einer Art das gleiche Fluidvolumen austritt, ist eine gute Vermischung bzw. Dispergierung der Fluide gewährleistet.A static micromixer 11 with a guide member 13, shown in from Fig. 2, the stacked plate-like elements 1, 2 there is shown schematically in Fig. 3. The micro-mixer 11 comprises recesses for the feed chambers 14 , 15 , for the guide component 13 and for the mixing chamber 12 . The position of the channels 4 , 5 extending from the supply chamber 14 of the fluid A 'and from the supply chamber 15 of the fluid B' are indicated. The depth of both feed chambers is designed in such a way that, due to the pressure drop generated by the guide component 13 , the jet pressure of the supply of the fluids A 'or B' is homogenized over the entire inlet surface 16 or 17 . In accordance with the two types A and B, the plate-like elements are alternately layered one above the other to form a guide component and fitted pressure-tightly into the corresponding recess in the micro-mixer component. At the top, the plate-like elements are covered with a cover plate, not shown here, which closes the uppermost grooves and holds the film stack together in a pressure-tight manner. With this micromixer, it is possible to bring two fluids A 'and B' from separate sides 16, 17 to the guide component and to guide them through superimposed channels as fluid threads into the mixing chamber. The fact that layers of fluid threads of type A and type B flow alternately into the mixing chamber, and the same volume of fluid emerges from each channel of a type per unit time, ensures good mixing or dispersion of the fluids.
Drei unterschiedliche plattenartige Elemente 20, 21, 22 der Arten A, B, C sind in Fig. 4 dargestellt. Das oberste Element 20 und das unterste Element 21 entsprechen den in Fig. 2 dargestellten Elementen 1 bzw. 2. Das mittlere Element 22 der Art C weist eine Schar 3 geradliniger Nuten 25 mit gleichem Querschnitt auf, die durch Zwischenstege 6 gleicher Dicke gleich beabstandet sind.Three different plate-like elements 20 , 21 , 22 of types A, B, C are shown in FIG. 4. The top element 20 and the bottom element 21 correspond to elements 1 and 2 shown in FIG. 2, respectively. The middle element 22 of type C has a family of 3 straight grooves 25 with the same cross-section, which are equally spaced by intermediate webs 6 of the same thickness.
Ein Mikrovermischer, in dessen Führungsbauteil die in Fig. 4 dargestellten plattenartigen Elemente 20, 21, 22 integriert sind, ist in Fig. 5 schematisch gezeigt. Der Verlauf der den Elementarten A, B und C zugehörigen Nuten 23, 24 und 25 ist in Fig. 5 angedeutet. Die aus Folien bestehenden plattenartigen Elemente können in der sich wiederholenden Reihenfolge A, B, C angeordnet sein. Eine Reihenfolge A, C, B, C kann vorteilhaft sein, wenn durch die Kanäle der Elementart C ein Fluid C' geleitet werden soll, das im Überschuß, beispielsweise als inertes Gas oder Flüssigkeit, die zu mischenden Fluide A' und B' verdünnen soll. An das Führungsbauteil 13 grenzen die Zufuhrkammern 30, 31, 32 für die Fluide A, B und C. Die Eintrittsfläche 28 des Fluids C' liegt parallel zu der Austrittsfläche 18. Die beiden Eintrittsflächen 26, 27 der Fluide A' und B' liegen sich parallel gegenüber und bilden mit der Eintrittsfläche 28 des Fluids C' einen Winkel von 90°. In dieser Darstellung haben die plattenartigen Elemente 20, 21, 22 einen quadratischen Grundriß. Die zu mischenden Fluide A', B' und C' gelangen als eine Vielzahl von Fluidfäden aus den Kanälen der Stirnfläche 18 in die Mischkammer 12.A micro-mixer, in the guide component of which the plate-like elements 20 , 21 , 22 shown in FIG. 4 are integrated, is shown schematically in FIG. 5. The course of the grooves 23 , 24 and 25 belonging to the element types A, B and C is indicated in FIG. 5. The plate-like elements consisting of foils can be arranged in the repeating sequence A, B, C. A sequence A, C, B, C can be advantageous if a fluid C 'is to be passed through the channels of element type C and is to dilute the fluids A' and B 'to be mixed in excess, for example as an inert gas or liquid , The supply chambers 30 , 31 , 32 for the fluids A, B and C adjoin the guide component 13. The inlet surface 28 of the fluid C ′ lies parallel to the outlet surface 18 . The two entry surfaces 26 , 27 of the fluids A 'and B' lie parallel opposite each other and form an angle of 90 ° with the entry surface 28 of the fluid C '. In this illustration, the plate-like elements 20 , 21 , 22 have a square plan. The fluids A ', B' and C 'to be mixed pass as a plurality of fluid threads from the channels of the end face 18 into the mixing chamber 12 .
Ein weiteres Führungsbauteil für die getrennte Zufuhr von drei Fluiden A', B' und C' ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Der Verlauf, der sich aus den Nuten 23, 24, 25 der hier nicht einzeln dargestellten plattenartigen Elemente 20, 21, 22 ergebenden Kanäle, ist angedeutet. Der Grundriß der übereinander geschichteten plattenartigen Elemente ist derart, daß die den Fluidarten A' und B' zugeordneten Eintrittsflächen 26 und 27 in Ebenen liegen, die zueinander einen Winkel α = 90° bilden und diese mit der Eintrittsfläche 28 des Fluids C' einen Winkel von β = 135° bilden. Die Eintrittsfläche 28 liegt parallel zu der Austrittsfläche 18, in der die Kanäle parallel ausgerichtet einmünden. Aufgrund der unterschiedlichen Abstände der Kanäle bzw. der unterschiedlichen Bemessung der Querschnitte der Kanäle und der Zwischenstege lassen sich unterschiedliche Verläufe der Kanäle in dem Führungsbauteil realisieren, ohne dass es an der Austrittsfläche 18 zur Mischkammer Gebiete unterschiedlich hoher Mischungseffektivität gibt.Another guide component for the separate supply of three fluids A ', B' and C 'is shown schematically in FIG. 6. The course of the channels resulting from the grooves 23 , 24 , 25 of the plate-like elements 20 , 21 , 22 , which are not shown individually here, is indicated. The floor plan of the stacked plate-like elements is such that the inlet surfaces 26 and 27 assigned to the fluid types A 'and B' lie in planes which form an angle α = 90 ° to one another and these form an angle with the inlet surface 28 of the fluid C ' Form β = 135 °. The entry surface 28 is parallel to the exit surface 18 , in which the channels open aligned parallel. Due to the different spacing of the channels or the different dimensioning of the cross sections of the channels and the intermediate webs, different courses of the channels in the guide component can be realized without there being areas of differently high mixing effectiveness at the outlet surface 18 to the mixing chamber.
Ein Mikrovermischer, der ein Führungsbauteil mit integriertem Wärmetauscher aufweist, ist in Fig. 7 dargestellt. Das Führungsbauteil 13 weist neben den plattenartigen Elementen 1, 2 der Arten A und B, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, zusätzlich plattenartige Elemente 40 mit zu den Nuten 4, 5 der Arten A und B quer verlaufenden Nuten 43 auf. Der Verlauf der Nuten 4, 5, 43 ist in Fig. 7 angedeutet. Diese plattenartigen Elemente 40 sind zwischen den die Fluide A bzw. B führenden Elemente 1, 2 angeordnet und können Kühl- bzw. Heizmittel führen. Der Mikrovermischer weist neben den Zufuhrkammern 14, 15 für die Fluide A und B eine zusätzliche Kammer 41 für die Zufuhr eines Kühl- bzw. Heizmittels und eine entsprechende Austrittskammer 42 auf. Mit diesem Mikrovermischer ist es möglich, die Fluide A und B vor ihrer Vereinigung in der Mischkammer 12 auf eine durch das Kühl- bzw. Heizmittel einstellbare Temperatur zu bringen. Damit eignet sich dieses Bauteil ideal in der Mikroreaktionstechnologie zur gezielten Einstellung der Temperatur von miteinander reagierenden Edukten A und B. A micromixer, which has a guide component with an integrated heat exchanger, is shown in FIG. 7. In addition to the plate-like elements 1 , 2 of types A and B, as shown in FIG. 2, the guide component 13 also has plate-like elements 40 with grooves 43 running transversely to the grooves 4 , 5 of types A and B. The course of the grooves 4 , 5 , 43 is indicated in Fig. 7. These plate-like elements 40 are arranged between the elements 1 , 2 carrying the fluids A and B and can guide coolant or heating means. In addition to the supply chambers 14 , 15 for the fluids A and B, the micro-mixer has an additional chamber 41 for the supply of a coolant or heating medium and a corresponding outlet chamber 42 . With this micromixer it is possible to bring the fluids A and B to a temperature that can be set by the coolant or heating medium before they are combined in the mixing chamber 12 . This component is therefore ideally suited in microreaction technology for the targeted setting of the temperature of reacting reactants A and B.
Ein erfindungsgemäßer Mikrovermischer der in Fig. 3 gezeigten Bauart wies ein
aus 14 plattenartigen Elementen bestehendes Führungsbauteil auf. Die
Kantenlänge des im Grundriß quadratischen Führungsbauteils betrug 7,4 mm.
Jedes plattenartige Element der Art A und B bestand aus einer 300 µm dicken
Metallfolie, die in Viertelkreisbögen verlaufende Nuten einer Strukturhöhe von
100 µm aufwies. Die Mitten der Querschnittsflächen der Nuten wiesen gleiche
Abstände auf. Die Querschnitte der Nuten wurden so bemessen, dass trotz
unterschiedlicher Länge der Kanäle jeder Kanal zwischen der Eintrittsfläche und
der Austrittsfläche einen gleichen Druckabfall aufweist, und damit pro Zeiteinheit
aus jedem Kanal einer Elementart das gleiche Fluidvolumen austritt. Gemäß der
Formel
An inventive micromixer of the type shown in FIG. 3 had a guide component consisting of 14 plate-like elements. The edge length of the guide component, which is square in plan, was 7.4 mm. Each plate-like element of type A and B consisted of a 300 µm thick metal foil, which had grooves with a structure height of 100 µm running in quarter arcs. The centers of the cross-sectional areas of the grooves were equally spaced. The cross sections of the grooves were dimensioned such that, despite the different length of the channels, each channel has the same pressure drop between the inlet surface and the outlet surface, and therefore the same fluid volume emerges from each channel of an element type per unit time. According to the formula
Δρ = (µ.k.u.l)/b2,
Δρ = (µ.kul) / b 2 ,
in der Δρ die Druckdifferenz zwischen Eintrittsfläche und Austrittsfläche, µ die dynamische Viskosität des Fluids, k einen vom Verhältnis der Kanalweite zu Kanalhöhe abhängigen Korrekturfaktor, u die Strömungsgeschwindigkeit und l die Länge des Kanals bedeutet, wurde die jeweilige Kanalweite b ausgerechnet. So wurden für eine Druckdifferenz von 60 Pa, einer dynamischen Viskosität von 2.10-5 Pas, einem Korrekturfaktor von 14 bis 20, einer Strömungsgeschwindigkeit von bis zu 0,7 m/s und Längen von 2 mm bis 10 mm die Kanalweiten zu 150 µm bis 470 µm und die Wanddicken der Zwischenstege zu 430 µm bis 150 µm berechnet. Um eine Homogeniserung des Strahldrucks der einströmenden Fluide A' und B' zu erreichen, wiesen die Zufuhrkammern eine Tiefe von etwa 500 µm auf. in the Δρ the pressure difference between the inlet surface and outlet surface, µ the dynamic viscosity of the fluid, k a correction factor dependent on the ratio of the channel width to channel height, u the flow velocity and l the length of the channel, the respective channel width b was calculated. For a pressure difference of 60 Pa, a dynamic viscosity of 2.10 -5 Pas, a correction factor of 14 to 20, a flow speed of up to 0.7 m / s and lengths of 2 mm to 10 mm, the channel widths were up to 150 µm 470 µm and the wall thicknesses of the intermediate webs were calculated to be 430 µm to 150 µm. In order to achieve a homogenization of the jet pressure of the inflowing fluids A 'and B', the feed chambers had a depth of about 500 µm.
Die plattenartigen Elemente des Mikrovermischers bestanden aus Metallfolien, die nach dem folgenden Verfahren hergestellt wurden. Ein als ebenes Substrat dienender Titan-Wafer wurde mit einer gleichmäßig dicken Schicht aus Polymethylmethacrylat beschichtet. Die Schicht wurde mittels Mikrofräsen und Laserbestrahlung strukturiert. Anschließend wurde eine dünne Goldschicht als elektrischer Kontakt aufgebracht. Durch galvanische Abscheidung wurden die Mikrostrukturen mit Nickel aufgefüllt. Beide Seiten des so erhaltenen mikrostrukturierten Metallkörpers wurden poliert bzw. geläppt. Die Mikrostrukturen der strukturierten Seite wurden vor der Bearbeitung mit einem Kunststoff gefüllt, um eine Beschädigung der Strukturen zu vermeiden. Anschließend wurde der Kunststoff herausgelöst. Folienstücke, die die späteren plattenartigen Elemente darstellen, wurden aus dem Metallkörper mittels Drahterodieren vereinzelt. Als chemisch inerte Schicht wurde auf die Folie eine Goldschicht aufgebracht. Die so erhaltenen Folienstücke wurden in die für das Führungsbauteil vorgesehene Ausnehmung des Mikrovermischers eingepaßt und von oben mit einer Deckplatte druckdicht verschlossen.The plate-like elements of the micromixer consisted of metal foils were produced by the following procedure. One as a flat substrate serving titanium wafer was made with a uniformly thick layer Polymethyl methacrylate coated. The layer was made using micro milling and Structured laser radiation. Then a thin layer of gold was used as electrical contact applied. The Microstructures filled with nickel. Both sides of the so preserved microstructured metal bodies were polished or lapped. The Microstructures of the structured side were processed with a Plastic filled to avoid damaging the structures. The plastic was then removed. Pieces of film that the later represent plate-like elements, were made from the metal body Single wire EDM. A was applied to the film as a chemically inert layer Gold layer applied. The pieces of film obtained in this way were Guide component provided recess of the micro mixer and fitted sealed pressure-tight from above with a cover plate.
Weitere Verfahren zur Herstellung von mikrostrukturierten Folien zum Einsatz in den Mikrovermischer umfassen lithographische Verfahren, Prägeverfahren mit mikrostrukturierten Prägestempeln, die beispielsweise durch Funkenerosion unter Verwendung mikrostrukturierter Elektroden hergestellt werden, oder Mikrofräsen.Other processes for the production of microstructured films for use in the micromixer include lithographic processes, embossing processes with microstructured embossing stamps, for example caused by spark erosion Using microstructured electrodes can be made, or micromilling.
Plattenartige Elemente des Mikrovermischers aus Kunststoff können durch direktes Strukturieren mittels Mikrofräsen und/oder Laserablation oder durch Abformung, beispielsweise Spritzguß, hergestellt werden.Plate-like elements of the micro mixer made of plastic can by direct structuring by means of micro milling and / or laser ablation or by Impression, for example injection molding.
Keramik als Material für die plattenartigen Elemente des Mikrovermischers kann beispielsweise dadurch strukturiert werden, dass polymere Precursoren abgeformt, anschließend unschmelzbar gemacht und pyrolisiert werden, wie dies in der EP 624 558 A1 beschrieben wird. Ceramic as a material for the plate-like elements of the micromixer can structured, for example, by molding polymeric precursors, subsequently made infusible and pyrolyzed, as in EP 624 558 A1 is described.
11
plattenartiges Element der Art A
plate-like element of type A
22
plattenartiges Element der Art B
plate-like element of type B
33
Schar von Nuten
Flock of grooves
44
Nut der Elementart A
Groove of element type A
55
Nut der Elementart B
Groove of element type B
66
Zwischensteg
gutter
77
Stirnfläche eines Elementes
Face of an element
88th
Abdeckplatte
cover
1111
Statischer Mikrovermischer
Static micromixer
1212
Mischkammer
mixing chamber
1313
Führungsbauteil
guiding member
1414
Zufuhrkammer des Fluids A'
Fluid A 'feed chamber
1515
Zufuhrkammer des Fluids B'
Fluid B 'feed chamber
1616
Eintrittsfläche der Elementart A
Entry area of element type A
1717
Eintrittsfläche der Elementart B
Entry area of element type B
1818
Austrittsfläche
exit area
2020
plattenartiges Element der Art A
plate-like element of type A
2121
plattenartiges Element der Art B
plate-like element of type B
2222
plattenartiges Element der Art C
plate-like element of type C
2323
Nut der Elementart A
Groove of element type A
2424
Nut der Elementart B
Groove of element type B
2525
Nut der Elementart C
Groove of element type C
2626
Eintrittsfläche der Elementart A
Entry area of element type A
2727
Eintrittsfläche der Elementart B
Entry area of element type B
2828
Eintrittsfläche der Elementart C
Entry area of element type C
3030
Zufuhrkammer des Fluids A'
Fluid A 'feed chamber
3131
Zufuhrkammer des Fluids B'
Fluid B 'feed chamber
3232
Zufuhrkammer des Fluids C'
Fluid C 'feed chamber
4040
plattenartiges Element mit quer verlaufenden Nuten
plate-like element with transverse grooves
4141
Zufuhrkammer für Heiz- bzw. Kühlmittel
Supply chamber for heating and cooling agents
4242
Austrittskammer für Heiz- bzw. Kühlmittel
Outlet chamber for heating and cooling agents
4343
Nut der Zwischenfolie für Heiz- bzw. Kühlmittel
Groove of the intermediate film for heating and cooling agents
Claims (17)
wobei
- a) das Führungsbauteil (13) aus mehreren plattenartigen, übereinandergeschichteten Elementen (1, 2) mindestens zweier Arten A und B zusammengesetzt ist, wobei die Elemente der Art A und die Elemente der Art B Kanäle aufweisen, die von einer Zufuhrkammer (14) eines Fluids A' bzw. von einer Zufuhrkammer (15) eines Fluids B' zu einer den plattenartigen Elementen (1, 2) gemeinsamen, an die Mischkammer (12) grenzenden Stirnfläche (7) führen,
- b) die plattenartigen Elemente (1, 2) der Art A und B aus dünnen Folien mit einer Dicke bis zu einigen Millimetern und Längen und Breiten bis zu einigen Zentimetern bestehen, in die eine Schar (3) benachbarter Nuten (4, 5) mit mindestens einem bogenförmig gekrümmten Abschnitt eingearbeitet sind so dass beim Übereinanderschichten der Folien je eine Schar (3) von Kanälen für die Führung der zu mischenden Fluide A' und B' entsteht,
dass die plattenartigen Elemente (1, 2) mindestens einer Art A bzw. B jeweils eine Schar (3) von Nuten (4, 5) unterschiedlicher Länge aufweisen, und
dass die Wanddicken der Stege (6) zwischen den Nuten (4, 5) jedes plattenartigen Elementes (1, 2) der Art A bzw. B so bemessen sind, dass zumindest im Bereich der an die Mischkammer (12) grenzenden Stirnfläche (7) des plattenartigen Elementes (1, 2) die längeren Nuten (4, 5) einen kleineren Abstand zueinander aufweisen als die kürzeren Nuten (4, 5). 1. Static micromixer ( 11 ) with a mixing chamber ( 12 ) and an upstream guide component ( 13 ) for the separate supply of fluids to be mixed or dispersed to the mixing chamber ( 12 ),
in which
- a) the guide member ( 13 ) is composed of several plate-like, stacked elements ( 1 , 2 ) of at least two types A and B, the elements of type A and the elements of type B having channels that one of a supply chamber ( 14 ) Lead fluids A 'or from a supply chamber ( 15 ) of a fluid B' to an end face ( 7 ) common to the plate-like elements ( 1 , 2 ) and adjoining the mixing chamber ( 12 ),
- b) the plate-like elements ( 1 , 2 ) of types A and B consist of thin foils with a thickness of up to a few millimeters and lengths and widths of up to a few centimeters, into which a group ( 3 ) of adjacent grooves ( 4 , 5 ) with at least one curved section is worked in so that when the films are layered one on top of the other, a family ( 3 ) of channels is created for guiding the fluids A 'and B' to be mixed,
that the plate-like elements ( 1 , 2 ) of at least one type A or B each have a group ( 3 ) of grooves ( 4 , 5 ) of different lengths, and
that the wall thicknesses of the webs ( 6 ) between the grooves ( 4 , 5 ) of each plate-like element ( 1 , 2 ) of type A or B are dimensioned such that at least in the area of the end face ( 7 ) adjacent to the mixing chamber ( 12 ) of the plate-like element ( 1 , 2 ), the longer grooves ( 4 , 5 ) have a smaller spacing from one another than the shorter grooves ( 4 , 5 ).
jede Nut (4, 5) eines jeden Elementes der Art A bzw. B einen im wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt aufweist, der so bemessen ist, daß aus jedem von diesen Nuten (4, 5) einer Elementart A oder B gebildeten Kanal pro Zeiteinheit im wesentlichen das gleiche Fluidvolumen in die Mischkammer (12) austritt, und
daß die Wanddicken der Zwischenstege (6) zumindest im Bereich der an die Mischkammer (12) grenzenden Stirnfläche (7) so bemessen sind, daß die Mitten der Querschnittsflächen der Nuten jedes plattenartigen Elementes (1, 2) einer Art einen gleichen Abstand aufweisen.3. Static micromixer according to claim 1, characterized in that
each groove ( 4 , 5 ) of each element of type A or B has a substantially constant cross section which is dimensioned such that each channel formed from each of these grooves ( 4 , 5 ) of an element type A or B per unit time the same volume of fluid exits into the mixing chamber ( 12 ), and
that the wall thicknesses of the intermediate webs ( 6 ), at least in the region of the end face ( 7 ) bordering the mixing chamber ( 12 ), are dimensioned such that the centers of the cross-sectional areas of the grooves of each plate-like element ( 1 , 2 ) of one type have the same distance.
daß das Führungsbauteil (13) aus mehreren plattenartigen übereinandergeschichteten Elementen (1, 2) zweier Arten A und B zusammengesetzt ist, die eine Schar (3) von Nuten (4, 5) unterschiedlicher Länge mit mindestens einem bogenförmig gekrümmten Abschnitt aufweisen, und
daß die Austrittsfläche (18), die durch die Öffnungen der in die Mischkammer mündenden Kanäle aller plattenartigen Elemente (1, 2) der Arten A und B gebildet wird, und die den Elementarten A und B zugehörigen Eintrittsflächen (16, 17), die durch die Öffnungen der in die Zufuhrkammer (14, 15) des Fluids A' bzw. B' mündenden Kanäle der plattenartigen Elemente der Art A bzw. B gebildet werden, so auf unterschiedlichen Seiten des Führungsbauteils angeordnet sind, daß die Ebenen, die durch die beiden Eintrittsflächen (16, 17) gebildet werden, zueinander in einem Winkel von 90 bis 0° bzw. parallel zueinander liegen. 7. Static micromixer according to one of the preceding claims, characterized in
that the guide component ( 13 ) is composed of a plurality of plate-like elements ( 1 , 2 ) of two types A and B, which have a group ( 3 ) of grooves ( 4 , 5 ) of different lengths with at least one curved section, and
that the exit surface ( 18 ), which is formed by the openings of the channels opening into the mixing chamber of all plate-like elements ( 1 , 2 ) of types A and B, and the entry surfaces ( 16 , 17 ) associated with element types A and B, which through the openings of the channels of the plate-like elements of the type A or B opening into the supply chamber ( 14 , 15 ) of the fluid A 'or B' are formed so that they are arranged on different sides of the guide component so that the planes formed by the two Entry surfaces ( 16 , 17 ) are formed, are at an angle of 90 to 0 ° or parallel to each other.
daß das Führungsbauteil (13) aus mehreren plattenartigen, überein andergeschichteten Elementen (20, 21, 22) dreier Arten A, B und C zusammengesetzt ist, wobei die Elementarten A und B jeweils eine Schar von Nuten (23, 24) unterschiedlicher Länge mit mindestens einem bogenförmig gekrümmten Abschnitt aufweisen und die Elementart C eine Schar von geradlinig verlaufenden und gleich beabstandeten Nuten (25) mit im wesentlichen gleichem Querschnitt aufweist, und
daß die Austrittsfläche (18), die durch die Öffnungen der in die Mischkammer (12) mündenden Kanäle aller plattenartigen Elemente (20, 21, 22) der Arten A, B und C gebildet wird, und die den Elementarten A, B und C zugehörigen Eintrittsflächen (26, 27, 28), die durch die Öffnungen der in die Zufuhrkammer des Fluids A', B' bzw. C' mündenden Kanäle der plattenartigen Elemente der Art A, B bzw. C gebildet werden, so auf unterschiedlichen Seiten des Führungsbauteils angeordnet sind, daß die Ebenen, in der die beiden der Elementarten A und B zugehörigen Eintrittsflächen (26, 27) liegen, zueinander in einem Winkel von 90 bis 0° bzw. parallel zueinander liegen, wobei die Ebene, in der die der Elementart C zugehörigen Eintrittsfläche (28) liegt, mit den Ebenen der beiden übrigen Eintrittsflächen (26, 27) einen Winkel von 90° bis 135° bildet und sich die Ebene, in der die Austrittsfläche (18) liegt, im wesentlichen parallel zu der Ebene befindet, in der die der Elementart C zugehörigen Eintrittsfläche (28) liegt.8. Static micromixer according to one of the preceding claims, characterized in
that the guide member ( 13 ) is composed of several plate-like, stacked elements ( 20 , 21 , 22 ) of three types A, B and C, the element types A and B each having a group of grooves ( 23 , 24 ) of different lengths with at least have an arcuately curved section and the element type C has a family of rectilinear and equally spaced grooves ( 25 ) with essentially the same cross section, and
that the exit surface ( 18 ), which is formed by the openings of the channels opening into the mixing chamber ( 12 ) of all plate-like elements ( 20 , 21 , 22 ) of types A, B and C, and those belonging to element types A, B and C. Entry surfaces ( 26 , 27 , 28 ) which are formed by the openings of the channels of the plate-like elements of the types A, B and C opening into the supply chamber of the fluid A ', B' and C ', respectively, on different sides of the guide component are arranged so that the planes in which the two entry surfaces ( 26 , 27 ) belonging to element types A and B lie are at an angle of 90 to 0 ° or parallel to one another, the plane in which that of element type C associated entry surface ( 28 ), forms an angle of 90 ° to 135 ° with the planes of the two other entry surfaces ( 26 , 27 ) and the plane in which the exit surface ( 18 ) lies is essentially parallel to the plane, in the r is the entry surface ( 28 ) associated with element type C.
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