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Die
Erfindung betrifft einen statischen Mikrovermischer mit einer Mischkammer,
Zuführungen
für mindestens
zwei zu mischende oder zu dispergierende Fluidfraktionen mit je
mindestens einer Einmündung
in die Mischkammer sowie mindestens eine Ausmündung aus der Mischkammer gemäß Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Im
einem Mikrovermischer werden die zu mischenden Fluide – jedes
getrennt für
sich – in
eine große
Anzahl (oftmals mehrere Tausend) von Fluidstromfäden aufgeteilt, die alle gemeinsam über die Zuführungen
geführt über die
Einmündungen
in eine Mischkammer münden.
Durch die so erreichte, eng benachbarte Anordnung der einzelnen
Mikrostromfäden
der beiden oder mehreren Fluidfraktionen wird auf kurzem Weg und
in sehr kurze Zeit eine effektive Vermischung erzielt. Ein statischer
Mikrovermischer kennzeichnet sich dadurch, dass in diesem außer den
zu vermischenden Fluidfraktionen keine bewegten Teile vorgesehen
sind.
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Aus
der
DE 44 16 343 C2 ist
ein derartiger Mikrovermischer mit wenigstens einer Mischkammer und
einem vorgeschalteten Führungsbauteil
für die getrennte
Zufuhr von zu mischenden Fluiden zu einer Mischkammer bekannt, wobei
das Führungsbauteil mit
Ausdehnungen im Millimeterbereich aus mehreren, übereinander geschichteten Folien
mit einer jeweiligen Dicke von ca. 100 μm Dicke zusammengesetzt ist,
in die die Kanäle
als Mikrostrukturen eingearbeitet sind. Die Kanäle einer Folie umfassen Zuführungen
für nur
eine der beiden Fluidfraktionen.
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Ein ähnlicher
Mikrovermischer, bei dem bei sonst gleichem Aufbau und Funktionsprinzip
die Zuführungskanäle von für zwei zu
mischenden oder zu dispergierenden Fluiden bogenförmig verlaufend
parallel zueinander in die Mischkammer ausmünden, wird in
DE 195 40 292 C1 beschrieben.
Durch diese Anordnung verspricht man sich eine über den gesamten Ausströmquerschnitt
gleichmäßig hohe
und schnelle Vermischung in der Mischkammer. Die Führungs kanäle haben
einen gleich bleibenden Querschnitt mit Briten kleiner 250 μm, die Folien,
in denen die Kanalstrukturen eingearbeitet werden, eine Dicke von
ca. 100 μm.
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Eine
weitere Möglichkeit,
den Mischprozess zu optimieren, beschreibt WO97/17130. Durch eine Zusammenlegung
von Einzelkanälen
zu einem schlitzförmigen
Kanal pro Folie erhält
der Mikrovermischer durch den Wegfall der Stege zwischen den Einzelkanälen ein
günstigeres
Verhältnis
von Volumenstrom zu Kanalwandfläche
und damit eine Reduktion der Reibungsdruckverluste im Führungsbauteil.
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Davon
ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen statischen
Mikrovermischer der gattungsgemäßen Bauart
mit einer verbesserten Vermischungseffizienz vorzuschlagen.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale in Anspruch 1 gelöst; die
hierauf bezogenen Unteransprüche
beinhalten vorteilhafte Ausführungsformen
dieser Lösung.
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Die
Erfindung umfasst eine Mischkammer, eine Anzahl von Zuführungen
für mindestens
zwei zu mischende oder zu dispergierende Fluidfraktionen mit je
mindestens einer Einmündung
in die Mischkammer sowie mindestens eine Ausmündung aus der Mischkammer.
Die Wandung der Mischkammer im Bereich der Einmündungen ist beliebig gestaltbar, vorzugsweise
aber eben oder als Zylinderfläche.
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Das
wesentliche Merkmal der Erfindung betrifft dabei die Anordnung der
Einmündungen
der Fluidfraktionen in die Mischkammer, und zwar in abwechselnder
Reihenfolge in mindestens zwei Ebenen, wobei die Einmündungen
einer Ebene zu denen in der jeweils benachbarte Ebene versetzt angeordnet
sind. Eine abwechselnde Reihenfolge der Einmündungen und damit der in die
Mischkammer einströmenden
Fluidstromfäden
stellt hohe spezifische Vermischungsflächen zwischen den zu mischenden oder
dispergierenden Fluidfraktionen in der Mischkammer sicher. Dies
lässt sich
da durch noch verbessern, dass die Einmündungen in mehreren, d.h. mindestens
zwei Ebenen angeordnet sind, wobei die Einmündungen einer Ebene zu denen
in der jeweils benachbarten Ebene versetzt angeordnet sind.
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Sind
die Einmündungen
einer Ebene zu denen in der jeweils benachbarten Ebene um jeweils eine
Einmündung
versetzt angeordnet, erhält
man eine Einbettung der in die Mischkammer einströmenden Fluidstromfäden in jeweils
eine oder mehrere andere Fluidfraktionen. Idealerweise grenzt jeder
der Fluidstromfäden
vollständig,
d.h. an allen Seiten an Fluidstromfäden einer anderen Fluidfraktion,
womit eine größtmögliche spezifische
Vermischungsfläche zwischen
den Fluidfraktionen und in Folge dessen eine weitere Verbesserung
der Vermischungseffizienz erzielbar ist. Bei der Vermischung oder
Dispergierung von zwei Fluidfraktionen entsteht idealer weise eine
Anordnung der einzelnen Einmündungsquerschnitte ähnlich einer
Schachbrettanordnung.
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Die
Ausrichtung der Einmündungen
zur Mischkammerwandung, d.h. der Einstrahlungwinkel der Fluidstromfäden erfolgt
zwischen 0° (parallel
zur Mischkammerwandung) und 90° (orthogonal
zu der Mischkammerwandung) vorzugsweise zugunsten einer laminaren
Strömung
parallel zueinander in Richtung des oder der Auslässe. Turbulente
Strömungsanteile
fördern
zwar eine Durchmischung oder Dispergierung der Fluidstromfäden in der
Mischkammer, verursachen allerdings auch größere, bei bestimmten, insbesondere
reaktiven Vermischungsvorgängen
unbedingt zu vermeidenden Verweilzeitunterschiede der Fluidmischungen
in der Mischkammer.
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Konstruktiv
wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass
die Ebenen durch gestapelte Folien mit Rillen als Fluidführungen
gebildet sind, wobei die Zuführungen
pro Fluidfraktion über
Fluidkanäle,
umfassend übereinander
liegende Durchbrüche
in den Folien, fluidisch miteinander verbunden sind. Die übereinander
liegenden Durchbrüche
bilden im Folienstapel die Fluidkanäle, von denen sich die Fluidführungen
zur Mischkammer abzweigen. Die Fluidanschlüsse an die Fluidkanäle sind
vorzugsweise auf der jeweils begrenzenden äußeren Deckfolie aufgesetzt.
Alternativ ist eine Zuführung
auch über
Kanäle
auf einer oder mehreren Folien realisierbar, wobei vorzugsweise
die jeweils begrenzenden äußeren Deckfolien
dichtend die Fluidkanäle
abdecken.
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Der
vorgenannte geringe Steigungswinkel der Einmündungen erzielt man beispielsweise
durch eine Gestaltung der Folien ganz oder nur im Bereich der Einmündungen,
d.h. unmittelbar in an der Wandung der Mischkammer als Kegelstumpfmantelflächen oder
als angewinkelte, abgebogene oder abgeknickte Folien. Dies ist beispielsweise über eine Kaltumformung
der Einzelfolien oder des Folienstapels vor der Verbindung der Folien
untereinander zum Führungsbauteil
z.B. über
ein Diffusionsschweißen
realisierbar.
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Es
bietet sich ferner an, die Fluidkanäle mit entsprechenden Mitteln
für Messungen
wie z.B. einem Thermoelement oder für eine Temperierung oder eine
Druckmessung wie z.B. mit einem Heizelement oder einem fluidischen
Wärmtauscher
auszustatten und entsprechend zu dimensionieren, wodurch sich die
die Fluidfraktionen in vorteilhafter Weise unmittelbar vor Eintritt
in die Fluidführungen
individuell konfektionieren lassen.
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Die
Erfindung sowie Details dieser werden beispielhaft anhand von Ausführungsformen
und folgenden Figuren näher
erläutert.
Es zeigen
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1a und b zwei Teildarstellungen einer ersten
Ausführungsform
mit ebener Wandung der Mischkammer im Bereich der Einmündungen,
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2 die
Aufsichten mehrerer Folien der ersten Ausführungsform,
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3 die
Ansicht einer zweiten Ausführungsform
mit zylinderförmiger
Mischkammer,
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4 eine
perspektivische Detailansicht der Einmündungen in die Mischkammer
mit zylindrischer Wandung der zweiten Ausführungsform,
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5 die
Aufsichten mehrerer Folien der zweiten Ausführungsform,
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6 eine
Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform mit einem Ringspaltvolumen
als Mischkammer,
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7 eine
perspektivische Detailschnittansicht eines Mischkammerabschnitts
mit einer fluidischen Temperierungsvorrichtung sowie
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8 eine
perspektivische Schnittdarstellung einer Temperierungsvorrichtung
für ein
Ringspaltvolumen gemäß der dritten
Ausführungsform.
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Die
erste Ausführungsform
weist eine ebene Wandung der Mischkammer im Bereich der Einmündungen
auf. 1a und b zeigen beispielhaft
einen Teil dieser Ausführungsform
für die
Vermischung von zwei Fluidfraktionen A und B, und zwar das Führungsbauteil 1,
umfassend eine Vielzahl von aufeinander gas- und druckdicht miteinander
verbundener (z.B. über
einen Diffusionsschweißprozess),
abwechselnd gestapelter Folien 2 und 3 (erste
Folie 2 und zweite Folie 3) zwischen zwei Deckfolien 4.
Auf den Folien 2 und 3 sind die Zuführungen 5 und
die Einmündungen 6 als
Kanalstrukturen eingearbeitet (vorzugsweise spangebend, erosiv oder
chemisch ätzend).
Die Deckfolien weisen Anschlussöffnungen 7 für die vorgenannten,
in 1a und b aber nicht weiter dargestellte
Fluidanschlüsse
auf. Die Anschlussöffnungen
schließen
sich im Führungsbauteil an
die vorgenannten Fluidkanäle
an, welche sich durch eine Anzahl übereinander deckungsgleich
angeordneter Durchbrüche 8 in
den Folien im Folienstapel bilden. Durch diese Anschlussöffnungen
erfolgt eine Einleitung der Fluide A und B in die Fluidkanäle (dargestellt
durch Pfeile auf den Deckfolien 4) und von dort in die
Zuführungen 5,
um das Führungsbauteil über Einmündungen 6 in
die Mischkammer zu verlassen. Die Fläche des Führungsbauteils 1 im
Bereich der Einmündungen 6 bildet
dabei die ebene Wandung 9 der Mischkammer. Die abwechselnde Schichtfolge
der Folien 2 und 3 setzt sich in den Bereich 10 bis
zur Deckfolie 4 fort.
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2 zeigt
anhand Detailansichten die Deckfolien 4 mit den Anschlussöffnungen 7 sowie den
Folien 2 und 3 mit den Durchbrüchen 8, sowie die
Kanalstrukturen, umfassend die Zuführungen 5 und die
Einmündungen 6 im
Bereich der Wandung 9. Im Rahmen dieser Ausführungsform
mündet
je Folie nur eine Zuführung 5 aus
jeden Durchbruch 8 aus, wobei die Durchbrüche die
Fluidkanäle
für die
Fluidfraktionen A und B in abwechselnder Reihenfolge bilden. Jede
Folie bildet somit eine Ebene mit Einmündungen der Fluidfraktionen
A und B in abwechselnder Reihenfolge. Andererseits sind die Kanalstrukturen
von Folie 2 und 3 nicht deckungsgleich, sondern weisen
versetzt zueinander angeordnete Einmündungen 6 und Zuführungen 5 auf.
Sind die Einmündungen
der ersten Folien 2 und der zweiten Folien 3 um
jeweils eine Einmündung
versetzt, erhält
man das in 1a und b dargestellte Schachbrettmuster
der Einmündungen 6 der
Fluide A und B, wobei die Einmündungen
im Winkel von 90° zur
Wandung 9 orientiert sind (vgl. 2).
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Alternativ
Idealerweise sind die Einmündungen 6 der
Fluidfraktionen A und B zugunsten einer laminaren Vermischung der
vorgenannten Fluidstromfäden
in der Mischkammer parallel zueinander orientiert (vgl. 2).
Dabei bieten sich grundsätzlich Winkel
größer 0° vorzugsweise
zwischen 45 und 90° an.
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Ein
ungleicher Winkel und damit ein Überkreuzen
der Fluidstromfäden
sind dagegen grundsätzlich
anzustreben, wenn eine gezielte Einstellung eines turbulenten Strömungszustands
unmittelbar an den Einmündungen
angestrebt wird. Der Winkelunterschied liegt dabei bevorzugt oberhalb
10°. Liegt
er oberhalb von 90°,
kommt es zu einem Gegeneinanderströmen der Fluidstromfäden und damit
zu einem unerwünschten
erhöhten
Staudruck.
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Eine
zweite Ausführungsform
des statischen Mikrovermischers geben 3 bis 5 wieder.
Sie zeichnet sich durch eine um eine Symmetrieachse 13 rotationssymmetrische
vorzugsweise zylinderförmige Mischkammer 12 mit
zwei Endbereichen aus. Das Führungsbauteil 1 umfasst
wie in der ersten Ausführungsform
eine Vielzahl von Folien 2 und 3 mit Fluidkanäle bildenden
Durchbrüchen 8 und
Kanalstrukturen, d.h. den Zuführungen 5 und
Einmündungen 6, sowie
eine Deckfolie 4 mit den Anschlussöffnungen 7 für eine Zuführung der
Fluide A und B. Das Führungsbauteil 1 ist
wiederum dichtend auf ein Mischkammergehäuse 14 aufgesetzt,
-geklebt oder -geschweißt.
Vorzugsweise ist die Symmetrieachse orthogonal zu den Ebenen, die
durch die Folien gebildet werden ausgerichtet.
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Die
Folien 2 und 3 und damit die Einmündungen
(vgl. 3 und 4) und die Ausmündungen 11 (vgl. 3)
befinden sich in je einem dieser Endbereiche, wobei das vorgenannte
Führungsbauteil 1 das
eine Ende der rotationssymmetrischen Mischkammer 12 vollständig umschließt. Analog
zu den in 2 dargestellten Folien 2 und 3 weisen
die dargestellten Zuführungen 5 auf
der zweiten Folie 3 einen Versatz zu den Durchbrüchen 8 auf,
womit sich die Einmündungen 6 an
der Mischkammerwandung 9 bei abwechselnder Reihenfolge
der Folien 2 und 3 und bei einer um je eine Einmündung pro
Ebene (Folie) versetzter Anordnung der Einmündungen gemäß eines Schachbrettmusters
anordnen (vgl. 4 und 5).
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In
der dargestellten Form sind die Einmündungen zur Symmetrieachse
hin ausgerichtet und bilden mit dieser jeweils einen rechten Winkel.
Alternativ lassen sich die Einmündungen
windschief zu der Symmetrieachse anordnen, womit man in einer rotationssymmetrischen
Mischkammer eine Strömungsrichtung,
vorzugsweise eine wendelförmige
insbesondere im außen
liegenden Bereich der Mischkammer, vorgibt. Dabei bietet es sich
an, die Mischkammer als Ringspaltvolumen zu gestalten und/oder die Ausmündungen
in Strömungsrichtung
anzuordnen. Vorzugsweise sind die Ausmündungen außerhalb der Symmetrieachse
angeordnet. Eine möglichst strickte
gleichartige geometrische Ausrichtung aller Einmündungen in ihrer Anordnung
zu der Symmetrieachse für
beide der Fluidfraktionen begünstigt
eine laminare Vermischung der Fluidstromfäden in vorgenannter Weise.
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6 zeigt
eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform mit Ringspaltvolumen
als rotationssymmetrische Mischkammer 12. Sie unterscheidet
sich von der in 3 bis 5 dargestellten zweiten
Ausführungsform
durch den um die Symmetrieachse 13 angeordneten Kern 15.
Sind die Einmündungen
im vorgenannten Sinne windschief zu der Symmetrieachse 13 und
zu dieser auch gleichartig ausgerichtet, baut sich im Ringspaltvolumen
um den Kern 15 in Richtung der Ausmündung 11 eine Strömungswendel
auf. 6 zeigt zudem beispielhaft den verlauf der durch
die Durchbrüche
der Folien 2 und 3 gebildeten Fluidkanäle 16.
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8 zeigt
die Ausführungsform
gemäß 6,
jedoch mit einer Temperiervorrichtung in der Mischkammergehäuseseitigen
Mischkammerwandung. In der dargestellten Ausführung umfasst die Temperaturvorrichtung
einen mikrofluidischen Wärmetauscher
mit Mikrokanalstruktur und einem durchfließenden Temperiermedium, d.h.
mit zwei Anschlüssen 1 und
zwei Verteilerkanälen 18,
zwischen denen eine Vielzahl von parallel geschalteten Einzelkanälen 19 das
Mischkammergehäuse 14 durchdringt.
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Alternativ
lassen sich auch andere Komponenten des statischen Mikrovermischers
temperieren, d.h. heizen oder kühlen,
wie z.B. im Bereich des Kerns, selektiv die Zuführungen und Einmündugen für eine Fluidfraktion
oder die Ausmündung.
Insbesondere bei einer Temperierung der Einmündungen lassen sich unerwünschte Auswirkungen
von größeren Temperatur-
und Druckgradienten, beispielsweise Kavitation oder Änderungen
des Aggregatzustands, bei Eintritt von Fluidstromfäden einer
Fluidfraktion aus den Einmündungen
in die Mischkammer reduzieren.
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8 zeigt
einen Kern 15 (vgl. 6 und 7),
welcher als dop peltes Rohr in zwei Teilvolumina unterteilt ist.
Im Innenrohr 20 wird das Temperiermedium axial in eine
Richtung zum einen Ende des Kerns geführt, um es zwischen Innen-
und Außenrohr
unter Wärmeabgabe
in den umgebenden Bereich der Mischkammer 12 axial wieder
zurück
zuleiten.
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- 1
- Führungsbauteil
- 2
- erste
Folie
- 3
- zweite
Folie
- 4
- Deckfolie
- 5
- Zuführung
- 6
- Einmündung
- 7
- Anschlussöffnung
- 8
- Durchbruch
- 9
- Wandung
- 10
- fortlaufender
Bereich
- 11
- Ausmündung
- 12
- Mischkammer
- 13
- Symmetrieachse
- 14
- Mischkammergehäuse
- 15
- Kern
- 16
- Fluidkanal