DE10206707A1 - Mehrstufiges Kanalsystem für Fluide - Google Patents

Abstract

Die Erfindung ist gerichtet auf ein Kanalsystem (10) zum Beeinflussen eines durchgeleiteten Fluids, aufweisend zumindest zwei Gruppen (11, 14) von Kanälen (12, 15) zur Durchleitrung eines Fluids, die jeweils eine Querschnittsfläche und/oder Länge aufweisen; wobei die Kanäle (12) der ersten Gruppe (11) eine erste Querschnittsfläche und/oder Länge aufweisen, bei der das Fluid die Kanäle (12) der ersten Gruppe (11) dann durchfließen kann, wenn sich eine mit einer Einflußgröße korrelierte, fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines ersten Wertebereichs befindet; und die Kanäle (15) der zumindest zweiten Gruppe (14) eine zweite Querschnittsfläche und/oder Länge aufweisen, bei der das Fluid die Kanäle (15) der zweiten Gruppe (14) dann durchfließen kann, wenn sich die fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines zweiten Wertebereichs befindet; und wobei die Gruppen (11, 14) von Kanälen (12, 15) hintereinander geschaltet sind, so daß sie vom Fluid nacheinander durchströmt werden und in jeder der Gruppen (11) die fließbezogene Eigenschaft individuell beeinflusst werden kann oder wird, die dadurch näher am Wertebereich für die nachfolgende Gruppe (14) liegt.

Description

• Die vorliegende Erfindung ist auf ein Kanalsystem gerichtet, in dem mehrere hintereinander geschaltete Gruppen von Kanälen dem Durchfluss eines zu beeinflussenden Fluids dienen.
• Durchflußreaktoren werden in verschiedenen Bereichen von Technik und Forschung eingesetzt. Reaktoren werden beispielsweise im Gebiet der Chemie und der Biotechnologie zur gezielten Durchführung von Reaktionen eingesetzt, aber ebenfalls in physikalischen Anwendungen wie Zustandswechseln (z. B. zum Verdampfen oder Kondensieren, oder zum Mischen von Fluiden), oder zum Abkühlen und Erwärmen. Es gibt sie in verschiedenen Bauformen und Anwendungen.
• Eine häufig verwendete Bauform besteht aus einer Reihe von Schichten, in denen jeweils eine Mehrzahl von Kanälen angeordnet sind, welche von den zu beeinflussenden Fluiden durchflossen werden. Auf diese Weise erhält man einen Durchflussreaktor, bei dem Substanzen in die Kanäle eingeleitet werden, in den Kanälen bearbeitet werden und am Ende der Kanäle in bearbeitetem Zustand entnommen werden können. Häufig werden derartige Reaktoren in Mikrostrukturtechnik hergestellt, beispielsweise unter Verwendung von Techniken, die aus der Halbleiterherstellung adaptiert worden sind, etwa Ätzverfahren und dergleichen, und die der Ausbildung der Reaktorstrukturen wie beispielsweise der Kanäle dienen. Auf diese Weise lassen sich einfach sogenannte Mikroreaktoren herstellen, die auf kleinstem Raum eine große Anzahl von Mikrokanälen aufweisen können, deren Breite und Höhe jeweils nur im Submillimeterbereich liegt. Solche Reaktoren bestehen beispielsweise aus einer Schichtfolge einzelner Schichten respektive Platten, wobei die einzelnen Schichten jeweils eine Anzahl von Mikrokanälen aufweisen.
• Reaktoren können auch als Wärmetauscher eingesetzt werden, um beispielsweise Flüssigkeiten wie Öle oder Wasser zu erhitzen oder abzukühlen bzw. ganz allgemein in einem wünschenswerten Temperaturbereich zu halten. Die Schichten sind bei solchen Wärmetauschern beispielsweise so angeordnet, daß die Mikrokanäle jeweils benachbarter Schichten in Kreuzstrombauweise ausgerichtet sind. Durch den einen Teil der Schichten, beziehungsweise deren Kanäle, strömt das zu temperierende Fluid, auf das oder von dem Wärme übertragen werden soll, während durch die Kanäle der jeweils benachbarten Schichten ein Heiz- oder Kühlmedium fließt. Andere Bauarten sind allerdings ebenfalls bekannt.
• Da die durch einen Reaktor durchgeleiteten Fluide ganz allgemein Änderungen ihrer physikalischen oder chemischen Beschaffenheit erfahren, kann es häufig vorkommen, daß sich ihre fließbezogenen Eigenschaften, wie Viskosität, ein Anteil an Festpartikeln oder auch die Zustandsform, im Verlauf des Durchgangs durch die Kanäle ändert und damit eine Behinderung des Durchflusses auftritt. Bedeutend kann ebenfalls eine Schwankung bezüglich der fließbezogenen Eigenschaften bereits vor dem Eintritt in den Mikrokanalreaktor sein, so daß ein Durchfluss auch von daher behindert werden kann.
• Als typisches Beispiel hierfür sei ein in Mikrostrukturtechnik ausgelegter Kühler für Öle wie Motor- oder Getriebeöle genannt. Ein solcher Kühler muß unter unterschiedlichsten Bedingungen arbeiten können. Bei großer Kälte ist das Öl selbst so zähflüssig, daß es den Kühler praktisch nicht durchfließen kann. Eine Vorwärmung zum schnelleren Erreichen eine betriebsoptimalen Temperaturzustands des Systems, das mit dem Öl geschmiert werden kann, mithilfe des Mikroreaktors ist damit nicht möglich. Auch kann selbst das erwärmte Öl den Reaktor mangels Durchfluss nicht auf eine Temperatur bringen, die diesem erlauben würde, das noch im Kühler selbst befindliche kalte Öl zu erwärmen.
• Derzeit wird bei herkömmlichen Kühlsystemen im Kraftfahrzeugbau mit ventilgesteuerten Bypass-Systemen gearbeitet, welche unterhalb einer bestimmten Temperatur die Öle am Kühler vorbei leiten, und bei Erreichen der Temperatur durch Umschalten eines Ventils ein Durchströmen des Kühlers ermöglichen. Eine solche Anordnung lässt sich jedoch in Mikrostrukturtechnik nicht realisieren, da die notwendigen Strukturen für einen Bypass nicht einfach herstellbar sind.
• Auch auf anderen technischen Gebieten gibt es einen Bedarf an entsprechend flexiblen Mikrokanalsystemen, beispielsweise auf dem Gebiet der chemischen Produktion. So können Substanzen, die in einem Mikroreaktor einem Umwandlungsprozess unterworfen werden - beispielsweise durch Ausflockung - ihre Fließeigenschaften so verändern, daß ein Durchtritt zumindest vorübergehend nicht mehr möglich ist. In diesem Fall kann es wünschenswert sein, den Durchfluss durch den Mikroreaktor dennoch zumindest teilweise zu erhalten.
• Es besteht daher auf dem Gebiet der Mikrostrukturtechnikreaktoren ein Bedarf, einen Reaktor bereitzustellen, der bei verschiedenen Zuständen bzw. Zustandsänderungen der durchgeleiteten Fluide seine Funktionsfähigkeit hinsichtlich der Durchleitbarkeit der Fluide und ihrer Beeinflussung im Reaktor möglichst aufrechterhält.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Bereitstellung eines Kanalsystems mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und die Verwendung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 23. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Aspekte und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kanalsystem beschrieben werden, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verwendung und umgekehrt.
• Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, ein Kanalsystem bereitzustellen, bei dem verschiedene, hintereinander geschaltete Gruppen von Kanälen ein unterschiedliches Verhalten gegenüber einem durchzuleitenden Fluid zeigen, und dieses Verhalten bei den verschiedenen Gruppen von Kanälen so zu staffeln, daß ein Durchfließen durch das Mikrokanalsystem auch bei Änderungen im Fluid während des Durchgangs ermöglicht wird, bzw. bei dem das Fluid während des Durchgangs durch eine Kanalgruppe so beeinflusst wird, daß es die darauffolgende durchströmen kann. Durch die Verwendung eines mehrstufigen Kanalsystems kann intensiver auf das Fluid eingewirkt werden als mit einer einzelnen Gruppe von Kanälen.
• Die Erfindung ist daher zunächst gerichtet auf ein Kanalsystem zum Beeinflussen eines durchgeleiteten Fluids, welches aufweist zumindest zwei Gruppen von Kanälen zur Durchleitung eines Fluids, die jeweils eine Querschnittsfläche und/oder Länge aufweisen; wobei die Kanäle der ersten Gruppe eine erste Querschnittsfläche und/oder Länge aufweisen, bei der das Fluid die Kanäle der ersten Gruppe dann durchfließen kann, wenn sich eine mit einer Einflußgröße korrelierte, fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines ersten Wertebereichs befindet; und die Kanäle der zumindest zweiten Gruppe eine zweite Querschnittsfläche und/oder Länge aufweisen, bei der das Fluid die Kanäle der zweiten Gruppe dann durchfließen kann, wenn sich die fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines zweiten Wertebereichs befindet; und wobei die Gruppen von Kanälen hintereinander geschaltet sind, so daß sie vom Fluid nacheinander durchströmt werden und in jeder der Gruppen die fließbezogene Eigenschaft individuell beeinflusst werden kann oder wird, die dadurch näher am Wertebereich für die nachfolgende Gruppe liegt.
• Unter einem Kanalsystem ist dabei eine Anordnung von beispielsweise in Mikrostrukturtechnik oder einer anderen Technik hergestellten Kanälen zum Durchleiten von Fluiden zu verstehen.
• Wie aus dem Stand der Technik bekannt, hat jeder Kanal ein Ende (Eingang), durch welches das Fluid eingeleitet wird (beispielsweise mittels einer einen Überdruck erzeugenden Pumpe), und ein Ende (Ausgang), durch welches das Fluid wieder aus dem Kanal austritt.
• Zwei charakteristische Merkmale eines Kanals, die seine Eigenschaften bezüglich des Durchleitens eines Fluids mit bestimmen, sind die Querschnittsfläche und die Länge des Kanals. Die Querschnittsfläche eines Kanals ist dabei die Fläche eines Anschnitts durch den Kanal quer zur Flußrichtung des ihn durchströmenden Fluids. Bei Kanälen mit nichtkonstantem Durchmesser kann die Querschnittsfläche beispielsweise an der engsten Stelle genommen werden oder sich als Durchschnitt einer Mehrzahl von Querschnittsflächen an verschiedenen Stellen des Kanals ergeben. Die Länge eines Kanals definiert sich als die Strecke zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang.
• Beide Größen können einen Einfluß auf die Durchgängigkeit des Kanals haben. Bei engeren Kanälen kann bei verschlechterten Fließeigenschaften eine Interaktion mit der Kanalwandung den Fluß ebenso behindern bzw. bremsen, wie dies bei zu großer Kanallänge durch die Summation der hemmenden Wirkung der Gesamtwandung der Fall sein kann. Andererseits können gerade engere oder längere Kanäle für den eigentlichen Zweck und Einsatz eines Mikrokanalsystems von großer Wichtigkeit sein.
• Unter einer fließbezogenen Eigenschaft sind alle solchen physikalischen Eigenschaften zu verstehen, welche die Fließfähigkeit eines Fluids in den Kanälen bestimmen. Diese Eigenschaften sind keine unveränderlichen Fluid-immanenten Eigenschaften, sondern unterliegen vielmehr einer Änderungsmöglichkeit durch eine externe Einflußgröße.
• Ein Fluid schließlich ist, wie allgemein bekannt, eine Flüssigkeit oder ein Gas.
• Erfindungsgemäß besteht das Mikrokanalsystem aus einer Reihe von Kanälen zum Durchleiten des Fluids, die in zumindest zwei Gruppen getrennt sind. Zum einen sind dies eine erste Gruppe von Kanälen, welche eine erste Querschnittsfläche und/oder, eine erste Länge aufweisen, und die dem primären Durchfluss und der Beeinflussung des frisch zugeführten Fluids dienen.
• Darüber hinaus gibt es zumindest eine zweite Gruppe von Kanälen, die in ihrer Querschnittsfläche und/oder Länge von denen der ersten Gruppe abweichen, und durch die das Fluid nach Verlassen der Kanäle der ersten Gruppe durchgeleitet wird. Erfindungsgemäß unterscheiden sich die beiden Gruppen hinsichtlich des Wertebereichs der fließbezogenen Eigenschaft, bei der das Fluid die Gruppen von Kanälen jeweils zu durchfließen vermag, um dadurch Änderungen der fließbezogenen Eigenschaft, welche das Fluid beim Durchtritt durch die erste Gruppe von Kanälen erfahren hat, Rechnung zu tragen.
• Die zweite Gruppe von Kanälen weist erfindungsgemäß einen anderen Wertebereich auf als die erste Gruppe. Hierunter ist zu verstehen, daß die von den Gruppen abgedeckten Wertebereiche zumindest in einer ihrer Grenzwerte zueinander versetzt sind, und in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander stehen.
• Insbesondere wird es für die vorliegende Erfindung bevorzugt, daß in jeder durchströmten Gruppe die fließbezogene Eigenschaft des Fluid so beeinflusst werden kann, daß es die nachfolgende Gruppe von Kanälen besser durchströmen kann als ohne diese Beeinflussung. So kann es beispielsweise möglich sein, eine viskose Flüssigkeit in einer ersten Gruppe von Kanälen mit größerer Querschnittsfläche vorzuwärmen, so daß sie besser fließt und eine zweite Gruppe von Kanälen mit kleinerer Querschnittsfläche besser durchströmen kann.
• Anderseits sind auch Anwendungen und damit Ausführungsformen vorstellbar, wo das durchströmende Fluid von selbst, beispielsweeise durch eine katalytisch vermittelte chemische Reaktion, seine Fließfähigkeit so verschlechtert (Ausflockung), daß die nachfolgende Gruppe von Kanälen größere Querschnittsflächen aufweisen muss, um überhaupt noch Fluid passieren lassen zu können. Hier sind die Kausalitäten also andere. Im einen Fall wird das Fluid beeinflusst, um es durch engere Kanäle leiten zu können, im anderen Fall werden die Kanäle "beeinflusst" (d. h. entsprechend konstruktiv ausgelegt), um das Fluid noch durchleiten zu können.
• Um einen gleichmäßigen Strom des Fluids durch alle Kanalgruppen sicherzustellen, kann es weiterhin bevorzugt sein, daß die Gesamtquerschnittsflächen der Kanäle aller Gruppen im wesentlichen gleich sind. Es ist jedoch auch möglich, die Gesamtquerschnittsflächen den sich ändernden Bedingungen anzupassen, um im Ergebnis einen gleichmäßigen Durchfluss des Fluids durch alle Kanalgruppen zu erzielen.
• Zur Verbindung der im Kanalsystem integrierten Gruppen von Kanälen stehen verschiedene Möglichkeiten offen. So können die Gruppen von Kanälen durch Leitungen miteinander verbunden sein. In diesem Fall können sich die Kanalgruppen in jeweils eigenen Gehäusen befinden bzw. mit Vorrichtungen zur Zu- und Ableitung des Fluids ausgestattet sein. Die einzelnen Einheiten mit jeweils einer Gruppe von Kanälen werden dann über Leitungen wie Schläuche oder Rohre miteinander so verbunden, daß jeweils der Ausgang einer Gruppe an den Eingang der darauffolgenden Gruppe angeschlossen wird. Auf diese Weise ist ein besonders flexibler Aufbau realisierbar, der hinsichtlich der räumlichen Anordnung der Komponenten und der Auswahl der einzelnen Gruppen große Variabilität gestattet.
• Die Gruppen von Kanälen können auch auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sein. Unter einem Träger ist hierbei jegliche Vorrichtung zu verstehen, welche die Anordnung/Halterung von Kanälen gestattet. Bei Verwendung von Mikrostrukturtechniken können beispielsweise die verschiedenen Gruppen von Kanälen alle in dieselbe Ausgangsplatte eingeätzt oder sonstwie eingearbeitet werden. Ein Träger kann auch eine Halterung sein, welche die Anordnung mehrerer Gruppen von Kanälen in unmittelbarer Juxtaposition ermöglicht, so daß die Ausgänge einer Kanalgruppe unmittelbar oder mittels eines Zwischenadapters an die Eingänge der darauf folgenden Gruppe von Kanälen anstoßen.
• Unabhängig von der Verwendung von Leitungen oder Trägern wird es ganz allgemein bevorzugt, daß zwischen den Ausgängen der Kanäle einer Gruppe und den Eingängen der Kanäle der nachfolgenden Gruppe eine Zwischenkammer ausgebildet ist. Diese dient der Durchmischung und damit Homogenisierung des austretenden Fluids, um Unterschiede zwischen den einzelnen Kanälen einer Gruppe auszugleichen und einen gleichmäßigen Druckaufbau für die Eingänge auch der nachgeschalteten Kanalgruppen zu erreichen.
• Auch für die konkrete Anordnung der Gruppen von Kanälen stehen verschiedenste Möglichkeiten zur Verfügung, die sich nach dem Anwendungszweck und dem gewünschten Effekt richten sollten. So wird es für bestimmte Ausführungsformen bevorzugt, daß die aufeinanderfolgenden Gruppen jeweils Kanäle abnehmender Querschnittsflächen aufweisen, d. h. daß die Kanäle zweiten Gruppe einen kleineren Querschnitt aufweisen als die der ersten Gruppe, die der dritten kleinere als der zweiten usw. Auch die umgekehrte Abfolge ist möglich, oder an- und wieder absteigende Abfolgen oder umgekehrt. Das Gleiche gilt bei Variation der Kanallängen anstelle der Querschnittsflächen.
• Bei Variation der Längen ist es sinnvoll, daß das Kanalsystem weiterhin aufweist Zwischenräume zum Sammeln des Fluids nach Durchströmen einer Gruppe von Kanälen. Nur auf diese Weise lässt sich eine Entspannung des Fluids und damit die Vorbereitung für den Eintritt in die nächste Gruppe erreichen. Eine direkte Aneinanderreihung der Kanäle käme ja lediglich einer Verlängerung der Kanäle gleich, nicht hingegen dem dedizierten Bereitstellen mehrerer Gruppen von Kanälen.
• Die Zwischenräume können weiterhin Mittel zum weiteren Beeinflussen des Fluids aufweisen, so daß es die nachgeschaltete Gruppe von Kanälen durchfließen kann. Diese Beeinflussung kann zusätzlich oder alternativ zu einer eventuell in den Kanälen selbst erfolgenden Beeinflussung durchgeführt werden, beispielsweise durch zusätzliche Heiz- oder Kühlelemente, die an den Zwischenräumen angeordnet sind.
• Vorzugsweise wird der erste Wertebereich so gewählt, daß das Fluid die erste Gruppe von Kanälen unter zu erwartenden, normalen Betriebsbedingungen des Kanalsystems durchfließen kann. Unter einer normalen Betriebsbedingung ist hierbei eine solche zu verstehen, in der sich das System bei seinem Betrieb die meiste Zeit befindet.
• Die Wertebereiche der Gruppen sind vorzugsweise so gestaffelt, daß sie einen gemeinsamen Grenzwert und/oder einen überlappenden Werteteilbereich aufweisen. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß auch bei nicht optimal eingestellten Beeinflussungen des Fluids alle Gruppen von Kanälen verwendbar bleiben, um einen Durchfluss durch das Kanalsystem zu gestatten.
• Im Kanalsystem kann insbesondere der gemeinsame Grenzwert so gewählt sein, daß das Fluid alle Gruppen von Kanälen unter zu erwartenden, normalen Betriebsbedingungen Kanalsystems durchfließen kann.
• Wird zur Ausgestaltung der Kanäle die Querschnittsfläche variiert, so können die Kanäle sich in ihrer Breite unterscheiden. Die Kanäle können sich auch in ihrer Höhe unterscheiden, wobei beide Varianten auch kombiniert werden können.
• Fertigungstechnisch einfacher ist in den meisten Fällen eine Variation der Kanalbreiten, da von einheitlichen Platten ausgegangen wird und beispielsweise bei einem einfachen Ätzverfahren in die Oberfläche hinein Kanäle einheitlicher Höhe entstehen.
• Wie oben erläutert, tritt das Problem, das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, insbesondere bei Kanälen auf, die Bestandteile von in Mikrostrukturtechnik gefertigten Bauteilen sind. Von der Erfindung werden jedoch verschiedene Techniken erfasst, die in der Lage sind, entsprechende Kanalstrukturen herzustellen. Allerdings wird es insbesondere bevorzugt, daß das erfindungsgemäße Mikrokanalsystem tatsächlich in Mikrostrukturtechnik gefertigt ist.
• Das gesamte Mikrokanalsystem kann, auch wenn in Mikrostrukturtechnik hergestellt, mehr als eine Kanalplatte enthalten. So wird es insbesondere bevorzugt, daß es mehrere in Mikrostrukturtechnik gefertigte Lagen von Kanalträgern mit Kanälen aufweist. Diese können beispielsweise unmittelbar aufeinander laminiert sein, so daß die Rückseite der Platten jeweils zugleich als Deckel der Kanäle der auf der entsprechenden Seite benachbarten Platten dienen. Auch können alle Lagen mit eigenen Deckelelementen versehen und dann als Ganzes miteinander laminiert sein. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, entweder alle Gruppen von Kanälen jeweils schichtweise auf den gleichen Kanalträgerplatten anzuordnen, oder jeweils getrennte Stapel von Kanalträgern für jede der Gruppen von Kanälen zu verwenden.
• Das erfindungsgemäße Kanalsystem ist grundsätzlich geeignet, die im Zusammenhang mit beliebigen fließbezogenen Eigenschaften auftretenden Durchflussprobleme zu lösen. Insbesondere kann die fließbezogene Eigenschaft die Viskosität des Fluids oder ein Anteil an Festpartikeln im Fluid sein. Beide Eigenschaften beeinflussen die Fließfähigkeit. Weitere vorstellbare Eigenschaften sind eine sich im Laufe des Durchtritts durch den Kanal durch eine dort initiierte chemische Reaktion ändernde chemische Zusammensetzung des Fluids oder Phasenwechsel, die den freien Durchtritt erschweren können.
• Die Einflußgröße, welche die fließbezogene Eigenschaft (mit)bestimmt, kann beispielsweise die Temperatur oder ein auf das Fluid einwirkender Druck sein, die z. B. die Viskosität des Fluids beeinflussen können. Die Einflußgröße kann auch eine chemische Umwandlung des Fluids sein, die dessen Eigenschaften ändert.
• Davon zu unterscheiden ist die auf das Fluid wirkende Beeinflussung, die bei gattungsgemäßen Mikroreaktoren ein prinzipieller Aspekt ist, der die Kernfunktion solcher Reaktoren darstellt. Diese wird in vielen Fällen mit der Einflußgröße identisch sein, ist jedoch prinzipiell von ihr zu unterscheiden. So kann die Beeinflussung in einer Temperaturänderung des Fluids bestehen, die häufig, beispielsweise über die Viskosität, auch als Einflußgröße wirksam ist. Ein Gegenbeispiel könnte in einer katalytischen Beeinflussung des Fluids durch eine Beschichtung der Kanalwände gesehen werden, das aufgrund der einsetzenden Reaktion eine Temperaturveränderung erfährt, welche wiederum die Viskosität ändert.
• Die Beeinflussung kann also beispielsweise auch im Initiieren einer chemischen Reaktion im Fluid bestehen.
• In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das Fluid eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Öl mit temperaturabhängiger Viskosität.
• Es wird insbesondere bevorzugt, daß das Mikrokanalsystem ein Ölkühler ist, beispielsweise ein Ölkühler für Getriebeöl oder für andere Öle wie Motorenöl oder Turbinenöl.
• Die Erfindung ist weiterhin gerichtet auf die Verwendung eines mindestens zweistufigen Kanalsystems zum Beeinflussen der fließbezogenen Eigenschaften eines Fluids, wobei das Kanalsystem aufweist:
  eine erste Gruppe von Kanälen mit einer ersten Querschnittsfläche und/oder Länge, bei der das Fluid die Kanäle der ersten Gruppe dann durchfließen kann, wenn sich eine mit einer Einflußgröße korrelierte, fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines ersten Wertebereichs befindet; und
  zumindest eine zweite Gruppe von Kanälen mit einer zweiten Querschnittsfläche und/oder Länge, bei der das Fluid die Kanäle der zweiten Gruppe dann durchfließen kann, wenn sich die fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines zweiten Wertebereichs befindet, und wobei die Gruppen von Kanälen hintereinander geschaltet sind, so daß sie vom Fluid nacheinander durchströmt werden und in jeder der Gruppen die fließbezogene Eigenschaft individuell beeinflusst werden kann oder wird, die dadurch näher am Wertebereich für die nachfolgende Gruppe liegt.
• Im folgenden soll die Erfindung anhand konkreterer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen werden wird, in denen folgendes dargestellt ist:
• Fig. 1 zeigt in Aufsicht ein zweistufiges Kanalsystem gemäß der Erfindung auf einem gemeinsamen Kanalträger;
• Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kanalsystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit Kanälen auf zwei separaten Platten;
• Fig. 3 zeigt in perspektivischer Ansicht ein dreistufiges Kanalsystem mit einen mehrschichtigen Plattenaufbau, und
• Fig. 4 zeigt drei getrennte Kanalgruppen in Würfelform, die über Leitungen miteinander verbunden sind.
• Die Erfindung ist auf ein Kanalsystem gerichtet, in dem eine Reihe von Kanälen ein Fluid, zumeist eine Flüssigkeit wie Öl, von einem Eingang zu einem Ausgang leiten können. Die Kanäle sind häufig parallel nebeneinander angeordnet.
• Ein Beispiel für einen zweistufigen Aufbau des erfindungsgemäßen Kanalsystems zeigt Fig. 1. Dargestellt ist eine Platte 10, in welche die Kanäle eingebracht worden sind. Diese bilden einen ersten Bereich 10a mit einer ersten Gruppe 11 von Kanälen 12 mit einer größeren Querschnittsfläche, welche durch Zwischenwände 13, den Grund der Platte sowie eine (nicht dargestellte) Abdeckung gebildet werden. Das Fluid fließt von links über die Eingänge 12a in die Kanäle 12 ein und verlässt diese durch Ausgänge 12b.
• In einem zweiten Bereich 10b der Platte 10 ist eine zweite Gruppe 14 von Kanälen 15 angeordnet, welche kleinere Querschnittsflächen aufweisen, und die durch Zwischenwände 16, den Grund der Platte sowie die Abdeckung gebildet werden.
• Das aus den Ausgängen 12b der ersten Gruppe 11 ausströmende Fluid gelangt über einen Zwischenbereich 17, welcher der Durchmischung und Verteilung des Fluids zwischen den Gruppen dient, zu Eingängen 15a der Kanäle 15 geleitet. Nach Durchströmen der Kanäle 15 verlässt das Fluid die Anordnung schließlich über Ausgänge 15b der Kanäle 15. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, reichen die Kanäle 15 bis zum rechten Rand der Platte 10, während die Kanäle 12 erst nach dem linken Rand der Platte 10 beginnen. Diese unterschiedliche Ausgestaltung der Ansätze bedingt auch eine unterschiedliche Behandlung der Zu- und Abführung des Fluids bzw. der Ausgestaltung dieser Elemente. Während links eine Verteilung im Bereich der Platte 10 möglich ist, und damit ein einfacher, direkt an der Platte mündender Anschluß ausreicht, muß am Ausgang neben der eigentlichen Ableitung auch eine Sammelführung in einer Abschlußkappe integriert werden, der eine Vereinigung der einzelnen Fluidströme der Kanäle 15 bewirkt. Am Rand der Platte 10 sind zusätzlich Randbereiche 18 ausgebildet, die der Stabilisierung der Platte dienen und eine Dichtung bewirken.
• Eine einzelne Platte 10 dieser Bauart ist im Prinzip bereits ein funktionsfähiges Kanalsystem. Es wir in der Praxis jedoch in aller Regel so sein, daß eine Mehrzahl solcher Platten aufeinander gestapelt wird, um ein Kanalsystem mit einer geeigneten Durchflussrate zu erzielen. Gerade bei in Mikrostrukturtechnik gefertigten Kanalsystem kann die Zahl der solcherart gestapelten Platten recht groß sein.
• Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei der die zwei Stufen des Kanalsystems stärker voneinander getrennt sind. Gleiche Bezugszeichen sollen hier gleiche Elemente der Erfindung kennzeichnen. Aufgrund der stärkeren Trennung der einzelnen Stufen des Kanalsystems mit den Gruppen 11, 14 von Kanälen 12, 15 ist es hier notwendig, hinter den Ausgängen 12b einen Sammelraum 19 und vor den Eingängen 15a einen Verteilraum 20 bereitzustellen. Diese Verteil- und Sammelräume können zur besseren Durchmischung bei Verwendung von Plattenstapeln zur Realisierung des erfindungsgemäßen Kanalsystems auch Durchbrüche aufweisen, um eine Fluidkommunikation zwischen den einzelnen Schichten des Stapels zu ermöglichen.
• Die beiden Bereiche 10a und 10b sind durch eine Verbindung 21 miteinander verbunden. Diese Verbindung kann ein Rohr oder ein Schlauch sein. In Ausführungsformen, in denen trotz der Trennung der beiden Bereiche 10a, 10b beide auf einer gemeinsamen Platte angeordnet sind, kann die Verbindung 21 auch ein entsprechend auf der Platte (oder auf jeder Platte eines Stapels) ausgebildeter, verengter Kanalbereich sein.
• Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Bei diesem dreistufigen Kanalsystem sind voneinander getrennte Einheiten 22, 23, 24 jeweils mit Gruppen von Kanälen miteinander durch Verbindungsstücke 25, 26 verbunden.
• Die Einheiten enthalten jeweils Gruppen von Kanälen 12, 14, die an den Verbindungsstücken 25, 26 münden, in denen das Fluid gesammelt und durchmischt wird. Die Verbindungsstücke können einfache Rahmen sein, in welche die Elemente 22, 23, 24 eingeführt werden können. Die einzelnen Elemente der Stufen können aus Platten gestapelt sein, beispielsweise solche wie im Prinzip in Fig. 1 gezeigt (jedes der Elemente kann auch mehr als eine Gruppe von Kanälen enthalten), oder die Kanäle können in anderer Weise in die, die Elemente bildenden Blöcke eingebracht worden sein, beispielsweise mittels eines Bohrers oder eines Lasers. Die einzelnen Elemente 22, 23, 24 können sich in den Querschnittsflächen der Kanäle 12, 15 unterscheiden, die in ihnen liegen.
• Eine weitere Ausführungsform eines Kanalsystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Hier sind drei voneinander getrennte Einheiten 27, 28, 29 als "Stand alone" Elemente ausgeführt, die nicht nur jeweils Gruppen von Kanälen mit vorgegebenen Querschnittsflächen enthalten, sondern darüber hinaus auch Kappen oder ähnliches, die über die offenen Enden der Kanäle gesetzt sind und der Verteilung und Zusammenführung des Fluids vor bzw. nach dem Durchleiten durch die Kanäle dienen. Diese Kappen weisen beispielsweise Öffnungen auf, an denen wiederum die Zu- und Ableitungen angeschlossen werden können. Die in Fig. 4 wiedergegebenen elastischen Schläuche 30 dienen zur Verbindung der einzelnen Elemente und zur Zu- und Ableitung des Fluids zu und vom Kanalsystem.
• Es versteht sich, daß die Kanalsysteme gemäß der vorliegenden Erfindung weitere Elemente aufweisen können. So können an den Elemente Halterungen zur Montage angebracht sein. Die Elemente können mit Heiz- und oder Kühlvorrichtungen ausgestattet sein, wobei diese ebenfalls als Kanalgruppen ausgelegt sein können, um beispielsweise eine kühlende/wärmende Flüssigkeit zwischen den einzelnen Kanälen oder den Schichten von Kanälen hindurchleiten zu können und damit einen effizienten Energieaustausch zu ermöglichen.
• Auch ein elektrisches Heizsystem, welches beispielsweise mittels zwischen den Kanälen geführten Heizdrähten realisiert werden kann, ist vorstellbar. Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Prinzips wurde auf die Darstellung solcher zusätzlicher Elemente in den Figuren verzichtet. Bezugszeichenliste 10 Platte (Kanalträger)
  10a Erster Bereich
  10b Zweiter Bereich
  11 Erste Gruppe von Kanälen
  12 Kanäle der ersten Gruppe
  12a Eingänge der Kanäle
  12b Ausgänge der Kanäle
  13 Zwischenwände
  14 Zweite Gruppe von Kanälen
  15 Kanäle der zweiten Gruppe
  15a Eingänge der Kanäle
  15b Ausgänge der Kanäle
  16 Zwischenwände
  17 Zwischenraum
  18 Randbereich
  19 Sammelraum
  20 Verteilraum
  21 Verbindung
  22 Element mit erster Gruppe von Kanälen
  23 Element mit zweiter Gruppe von Kanälen
  24 Element mit dritter Gruppe von Kanälen
  25 Verbindungsstück zwischen Elementen 22 und 23
  26 Verbindungsstück zwischen Elementen 23 und 24
  27 Einheit mit erster Gruppe von Kanälen
  28 Einheit mit zweiter Gruppe von Kanälen
  29 Einheit mit dritter Gruppe von Kanälen
  30 Verbindung/Schlauch
  

Claims (23)

1. Kanalsystem (10) zum Beeinflussen eines durchgeleiteten Fluids, aufweisend zumindest zwei Gruppen (11, 14) von Kanälen (12, 15) zur Durchleitung eines Fluids, die jeweils eine Querschnittsfläche und/oder Länge aufweisen;
wobei die Kanäle (12) der ersten Gruppe (11) eine erste Querschnittsfläche und/oder Länge aufweisen, bei der das Fluid die Kanäle (12) der ersten Gruppe (11) dann durchfließen kann, wenn sich eine mit einer Einflußgröße korrelierte, fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines ersten Wertebereichs befindet; und
die Kanäle (15) der zumindest zweiten Gruppe (14) eine zweite Querschnittsfläche und/oder Länge aufweisen, bei der das Fluid die Kanäle (15) der zweiten Gruppe (14) dann durchfließen kann, wenn sich die fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines zweiten Wertebereichs befindet;
und wobei die Gruppen (11, 14) von Kanälen (12, 15) hintereinander geschaltet sind, so daß sie vom Fluid nacheinander durchströmt werden und in jeder der Gruppen (11) die fließbezogene Eigenschaft individuell beeinflusst werden kann oder wird, die dadurch näher am Wertebereich für die nachfolgende Gruppe (14) liegt.

2. Kanalsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder durchströmten Gruppe (11) die fließbezogene Eigenschaft des Fluid so beeinflusst werden kann, daß es die nachfolgende Gruppe (14) von Kanälen (15) besser durchströmen kann als ohne diese Beeinflussung.

3. Kanalsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtquerschnittsflächen der Kanäle (12, 15) aller Gruppen (11, 14) im wesentlichen gleich sind.

4. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen (11, 14) von Kanälen (12, 15) durch Leitungen (21, 30) miteinander verbunden sind.

5. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen (11, 14) von Kanälen (12, 15) auf einem gemeinsamen Träger (10) angeordnet sind.

6. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (12b) der Kanäle (12) einer Gruppe (11) unmittelbar vor den Eingängen (15a) der Kanäle (15) der nachfolgenden Gruppe (14) angeordnet sind.

7. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgängen (12b) der Kanäle (12) einer Gruppe (11) und den Eingängen (15a) der Kanäle (15) der nachfolgenden Gruppe (14) ein Zwischenraum (17, 25, 26) ausgebildet ist.

8. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Gruppen (11, 14) jeweils Kanäle abnehmender Querschnittsflächen aufweisen.

9. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen (11, 14) von Kanälen (12, 15) sich in ihrer Länge unterscheiden und das Kanalsystem weiterhin aufweist Zwischenräume (17, 25, 26) zum Sammeln des Fluids nach Durchströmen einer Gruppe (11) von Kanälen.

10. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (17, 25, 26) aufweisen Mittel zum weiteren Beeinflussen des Fluids, so daß es die nachgeschaltete Gruppe (14) von Kanälen durchfließen kann.

11. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wertebereich so gewählt ist, daß das Fluid zumindest eine der Gruppen von Kanälen (11, 14) unter zu erwartenden, normalen Betriebsbedingungen des Mikrokanalsystems durchfließen kann.

12. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wertebereiche der Gruppen (11, 14) so gestaffelt sind, daß sie einen gemeinsamen Grenzwert und/oder einen überlappenden Werteteilbereich aufweisen.

13. Kanalsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Grenzwert so gewählt ist, daß das Fluid alle Gruppen (11, 14) von Kanälen (12, 15) unter zu erwartenden, normalen Betriebsbedingungen des Kanalsystems durchfließen kann.

14. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (12, 15) sich in ihrer Breite unterscheiden.

15. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (12, 15) sich in ihrer Höhe unterscheiden.

16. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es in Mikrostrukturtechnik gefertigt ist.

17. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe (11, 14) aufweist mehrere in Mikrostrukturtechnik gefertigte Lagen von Kanalträgern mit Kanälen (12).

18. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die fließbezogene Eigenschaft die Viskosität des Fluids ist.

19. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die fließbezogene Eigenschaft ein Anteil an Festpartikeln im Fluid ist.

20. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einflußgröße die Temperatur, ein auf das Fluid einwirkender Druck oder eine chemische Umwandlung des Fluids ist.

21. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Beeinflussung in einer Temperaturänderung des Fluids oder im Initiieren einer chemischen Reaktion im Fluid besteht.

22. Kanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid eine Flüssigkeit ist.

23. Verwendung eines mindestens zweistufigen Kanalsystems zum Beeinflussen der fließbezogenen Eigenschaften eines Fluids, wobei das Kanalsystem aufweist:
eine erste Gruppe (11) von Kanälen (12) mit einer ersten Querschnittsfläche und/oder Länge, bei der das Fluid die Kanäle (12) der ersten Gruppe (11) dann durchfließen kann, wenn sich eine mit einer Einflußgröße korrelierte, fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines ersten Wertebereichs befindet; und zumindest eine zweite Gruppe (14) von Kanälen (15) mit einer zweiten Querschnittsfläche und/oder Länge, bei der das Fluid die Kanäle (15) der zweiten Gruppe (14) dann durchfließen kann, wenn sich die fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines zweiten Wertebereichs befindet, und wobei die Gruppen (11, 14) von Kanälen (12, 15) hintereinander geschaltet sind, so daß sie vom Fluid nacheinander durchströmt werden und in jeder der Gruppen (11) die fließbezogene Eigenschaft individuell beeinflusst werden kann oder wird, die dadurch näher am Wertebereich für die nachfolgende Gruppe (14) liegt.