DE20209009U1 - Comb-shaped micromixer - Google Patents
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- B01F25/4323—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa using elements provided with a plurality of channels or using a plurality of tubes which can either be placed between common spaces or collectors
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Description
E2G11E2G11
: Dr.Jileyer-Dulheuer: Dr.Jileyer-Dulheuer
5 Ehrfeld MikrotechnikAG Mikroforum Ring 15 Ehrfeld MikrotechnikAG Mikroforum Ring 1
55234 Wendelsheim55234 Wendelsheim
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15 Kammförmiger Mikrovermischer 15 Comb-shaped micromixer
10. Juni 2002June 10, 2002
E2G11E2G11
.Dr. Meyer-Dulheuer.Dr. Meyer-Dulheuer
Gegenstand der Erfindung ist ein kammförmiger Mikrovermischer für Mikroreaktionssysteme. The invention relates to a comb-shaped micromixer for microreaction systems.
Mikrovermischer bilden einen der Hauptbestandteile von Mikroreaktionssystemen. Da solche Mikroreaktionssysteme eine stetig zunehmende Bedeutung erlangen, haben folglich auch Mikrovermischer eine wachsende Bedeutung in den letzten Jahren erlangt.Micromixers are one of the main components of microreaction systems. Since such microreaction systems are becoming increasingly important, micromixers have also become increasingly important in recent years.
In Mikrovermischern werden stets zwei oder mehr Fluide aus getrennten Zufuhrkammern durch eine Schar von Mikrokanälen in räumlich getrennte FIuidströme aufgeteilt, die dann als Fluidstrahl mit einem weiteren Edukt in der Misch- oder Reaktionskammer in Kontakt gebracht werden und dort reagieren; die Vermischung erfolgt hierbei durch Diffusion und/oder Turbulenzen.In micromixers, two or more fluids from separate supply chambers are always divided into spatially separated fluid streams by a group of microchannels, which are then brought into contact with another reactant in the mixing or reaction chamber as a fluid jet and react there; the mixing takes place by diffusion and/or turbulence.
Die deutsche Patentschrift DE 195 40 292 C beschreibt einen statischen Mikrovermischer, bestehend aus plattenartigen Elementen, in denen eine Schar von benachbarten Nuten eingearbeitet sind, so dass beim Übereinanderlegen dieser Elemente eine Reihe von Kanälen für die Führung der zu mischenden Fluide entsteht. Die Nuten in den übereinandergeschichteten Folien verlaufen hierbei stets bogenförmig gekrümmt und jeweils abwechselnd zu je einer der Zuführungskammern für die Fluide A bzw. B. Alle so entstandenen Kanäle münden parallel zueinander ausgerichtet in die Mischkammer ein. Nachteilig an dieser Ausgestaltung ist, dass das Einbringen der Nuten in die Folien und das Übereinanderschichten der Folien zu einem statischen Mikrovermischer mit hohen Kosten verbunden sind. Zudem sind die Kanäle zwischen den übereinanderliegenden Folien schwer zugänglich, so dass dort vorhandene Verunreinigungen aus den Edukten nur mit großen Aufwand entfernt werden können.The German patent DE 195 40 292 C describes a static micromixer consisting of plate-like elements in which a group of adjacent grooves are incorporated, so that when these elements are placed on top of each other, a series of channels is created for guiding the fluids to be mixed. The grooves in the superimposed films always run in an arc-shaped curve and alternately lead to one of the feed chambers for fluids A and B. All of the channels created in this way open into the mixing chamber in parallel to one another. The disadvantage of this design is that making the grooves in the films and stacking the films on top of each other to form a static micromixer is very expensive. In addition, the channels between the superimposed films are difficult to access, so that impurities present there can only be removed from the reactants with great effort.
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.2Dr. Meyer-Dulheuer. 2 Dr. Meyer-Dulheuer
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Ausgehend von diesem Stand der Technik hat die Erfindung zur Aufgabe, einen statischen IVIikrovermischerfürdie getrennte Zufuhr von zu mischenden Fiuiden zu einer Mischkammer so auszugestalten, dass eine hohe örtliche und zeitliche Effektivität der Vermischung in der Mischkammer erzielt werden kann. Desweiteren soll der Mikrovermischer hinsichtlich der Reinigungsmöglichkeiten so ausgestattet sein, dass eine mechanische Reinigung leicht möglich ist.Based on this prior art, the invention aims to design a static micromixer for the separate supply of fluids to be mixed to a mixing chamber in such a way that a high level of local and temporal effectiveness of the mixing in the mixing chamber can be achieved. Furthermore, the micromixer should be equipped with cleaning options in such a way that mechanical cleaning is easily possible.
Diese Aufgaben werden mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Die hierauf bezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterentwicklungen dieser Lösung. Der hier beschriebene statische Mikrovermischer, der mindestens Zuleitungen für zwei zu vermischende Stoffströme aufweist, besteht aus einem Gehäuse und einem darin angebrachten keilförmig und nach oben sich verjüngendem Strukturelement, das an der Spitze Nuten aufweist.These objects are achieved with the characterizing features of patent claim 1. The subclaims related thereto contain advantageous further developments of this solution. The static micromixer described here, which has at least feed lines for two material flows to be mixed, consists of a housing and a wedge-shaped structural element mounted therein, which tapers towards the top and has grooves at the tip.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ein so ausgestalteter Mikrovermischer eine erhöhte örtliche und zeitliche Effektivität der Vermischung in der Mischkammer erlaubt, und zudem leicht mechanisch zu reinigen ist. Durch die beidseitig gegeneinander versetzten Nuten, deren Tiefe mit zunehmendem Abstand von der Seitenwand abnimmt, wird eine über den gesamten Ausströmquerschnitt gleichmäßige hohe Vermischung bei Vermeidung von Totvolumina erzielt. Aufgrund der Nuten an der Spitze des Strukturelementes werden die zu vermischenden Stoffströme in eine Vielzahl feiner und benachbarter Stoffströme unterteilt, die sich beim Eintritt in die Mischkammer auf schnellsten und kürzesten Wegen miteinander vermischen.The advantages achieved with the invention are in particular that a micromixer designed in this way allows for increased local and temporal effectiveness of mixing in the mixing chamber and is also easy to clean mechanically. The grooves are offset from one another on both sides and their depth decreases with increasing distance from the side wall, resulting in uniform, high mixing across the entire outflow cross-section while avoiding dead volumes. Due to the grooves at the tip of the structural element, the material flows to be mixed are divided into a large number of fine and adjacent material flows, which mix with one another as they enter the mixing chamber in the quickest and shortest ways.
3030
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Eatefl-tünsprüchen 2 und folgenden angegeben. In einer vorzugsweisen Ausgestaltung verjüngt sich das modular aufgebaute Strukturelement in Richtung Austrittsöffnung keilförmig, wobei das Strukturelement Ablenkflächen aufweist, die in Form eines ellipsoiden oder eines kreisförmigen Segments nach oben verjüngend ausgestaltet sind. Die an der Spitze des Strukturelementes angeordneten Nuten weisen eine periodisch und in alternierender Abfolge gegeneinander versetzteAn advantageous embodiment of the invention is specified in claims 2 and following. In a preferred embodiment, the modular structural element tapers in a wedge shape in the direction of the outlet opening, the structural element having deflection surfaces which are designed to taper upwards in the form of an ellipsoidal or circular segment. The grooves arranged at the tip of the structural element have a periodic and alternating sequence of offset grooves.
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kammartige Ausgestaltung auf, wobei diese Nuten einem vorgegebenen Mischungsverhältnis genau angepasst werden können, wobei die vorhandenen Nuten die Seitenflächen durchdringen. Der Abstand zwischen Nutgrund und Stirnfläche nimmt mit zunehmendem Abstand von der durch die Nut durchdrungenen Seitenflächen ab. Das Strukturelement ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung modular aufgebaut, sodass durch den Austausch des Ablenk- oder des Mischelements das Strukturelement der jeweiligen Aufgabenstellung genau angepasst werden kann. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung deckt die Querschnittsfläche des Strukturelementes die Innenquerschnittsfläche des Gehäuses vollständig ab, so dass eine Rückvermischung oder die Vermischung der zu mischenden Stoffströme außerhalb der Mischkammer vollständig ausgeschlossen werden kann. In einer weiteren Ausgestaltung ist das Strukturelement senkrecht zur Anströmrichtung der zu mischenden Stoffströme im Gehäuse angebracht. In einer weiteren bevorzugten Ausstattungsform können die gegeneinander versetzten Nuten an der Spitze des Strukturelements durch ein Formteil teilweise so abgedeckt werden, dass die Durchflussgeschwindigkeit in den nicht abgedeckten Bereichen der Spitze des Formteils erhöht wird. So ist es auch möglich, geringere Stoffströme mit hoher Effektivität miteinander in Kontakt zu bringen und zu vermischen. Die an der Spitze des Strukturelements vorhandenen Nuten können durch Stanzen, Ätzen, Drahterodieren, Senkerodieren, Schleifen, Zerspannen oder durch die Bestrahlung mittels eines Laserstrahls hergestellt werden. Als Material zur Herstellung des Strukturelementes, des Formteils zum Anbringen an der Spitze des Strukturelementes und des Gehäuses bieten sich Metall, eine Metalllegierung, Kunststoff, Keramik oder Glas an.comb-like design, whereby these grooves can be precisely adapted to a predetermined mixing ratio, whereby the existing grooves penetrate the side surfaces. The distance between the groove base and the front surface decreases with increasing distance from the side surfaces penetrated by the groove. In an advantageous design, the structural element is modular, so that by replacing the deflection or mixing element, the structural element can be precisely adapted to the respective task. In a further preferred design, the cross-sectional area of the structural element completely covers the inner cross-sectional area of the housing, so that backmixing or mixing of the material flows to be mixed outside the mixing chamber can be completely excluded. In a further design, the structural element is mounted in the housing perpendicular to the flow direction of the material flows to be mixed. In a further preferred design, the mutually offset grooves at the tip of the structural element can be partially covered by a molded part in such a way that the flow rate in the uncovered areas of the tip of the molded part is increased. This makes it possible to bring smaller material flows into contact with one another and to mix them with high efficiency. The grooves at the tip of the structural element can be produced by punching, etching, wire erosion, sinking erosion, grinding, machining or by irradiation with a laser beam. Metal, a metal alloy, plastic, ceramic or glass are suitable materials for producing the structural element, the molded part for attachment to the tip of the structural element and the housing.
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.The embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are described in more detail below.
Es zeigen: 35Showing: 35
Fig. 1 schematische Darstellung des Mikrovermischers bestehend ausFig. 1 schematic representation of the micromixer consisting of
Gehäuse und innen liegendem Strukturelement,Housing and internal structural element,
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&iacgr; &Iacgr; . I ;:·%.:' :' .Or. Meyer-Dulheuer .&igr;. · · · . . ... *&iacgr;&Iacgr; . I ;:·%.:' :' .Or. Meyer-Dulheuer .&igr;. · · · . . ... *
5 Fig. 25 Fig. 2
Schematische Darstellung des Mischelements,Schematic representation of the mixing element,
1010
Fig. 3 Schematische Darstellung des Mischelements mit linear zur MitFig. 3 Schematic representation of the mixing element with linear to
telachse des Mischelements verlaufenden Nuten und ebener 0-berfläche, grooves running along the axis of the mixing element and a flat surface,
Fig. 4 Schematische Darstellung des Mischelements mit Nuten in FormFig. 4 Schematic representation of the mixing element with grooves in the form
einer Parabel.a parable.
1515
Fig. 5 Schematische Darstellung des Mischelements mit Nuten in FormFig. 5 Schematic representation of the mixing element with grooves in the form
einer Hyperbel,a hyperbola,
Fig. 6 Schematische Darstellung des Mischelements mit keilförmigerFig. 6 Schematic representation of the mixing element with wedge-shaped
sich zur Spitze hin verjüngenden Ausgestaltung,tapering towards the tip,
Fig. 7 Schematische Darstellung des Mischelements mit konvex kreisFig. 7 Schematic representation of the mixing element with convex circle
förmiger ausgestalteter Oberkante,shaped upper edge,
2525
Fig. 8 Schematische Darstellung des Mischelements mit konkav kreisFig. 8 Schematic representation of the mixing element with concave circle
förmiger ausgestalteter Oberkante,shaped upper edge,
Fig. 9 Schematische Darstellung des Strukturelements,Fig. 9 Schematic representation of the structural element,
Fig. 10 Draufsicht auf das Strukturelement,Fig. 10 Top view of the structural element,
30 Fig. 1130 Fig. 11
Schematische Darstellung der gegeneinander versetzten Nuten an der Spitze des Strukturelements,Schematic representation of the offset grooves at the tip of the structural element,
3535
Fig. 12 schematische Darstellungen des Formteils zur Anbringung an derFig. 12 schematic representations of the molded part for attachment to the
Spitze des Strukturelements.Tip of the structural element.
Fig. 1 zeigt den statischen Mikrovermischer, bestehend aus Gehäuse 1, Verschlussdeckel für das Gehäuse 2 und Strukturelement 3. Das Strukturelement 3Fig. 1 shows the static micromixer, consisting of housing 1, cover for the housing 2 and structural element 3. The structural element 3
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.C.C
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/Dr. Meyer-Dulheuer/Dr. Meyer-Dulheuer
befindet sich im Inneren des Gehäuses 1; an die Spitze des Strukturelements 3 kann das Formteil 4 aufgesteckt werden, um so eine höhere Durchflussgeschwindigkeit in einem kleineren Querschnitt des Strukturelementes zu realisieren. Der Deckel des Gehäuses 2 wird durch Schrauben 5 auf dem Gehäuse 1 befestigt. Um eine Dichtigkeit zwischen Deckel und Gehäuse sicherzustellen, wird eine Dichtung, hier nicht dargestellt, in eine dafür vorgesehene Aussparung 8 eingelegt. Durch die Zuführungen 6 werden die zu mischenden Stoffe in den Behälter eingebracht, am Strukturelement 3 abgelenkt und an den Nuten, die sich an der Spitze des Strukturelements 3 befinden, in eine Vielzahl feiner benachbarter Ströme unterteilt, die durch die Öffnung 7 den statischen Vermischer verlassen und von dort in die Mischkammer, hier nicht dargestellt, eintreten. is located inside the housing 1; the molded part 4 can be plugged onto the tip of the structural element 3 in order to achieve a higher flow rate in a smaller cross-section of the structural element. The cover of the housing 2 is attached to the housing 1 by screws 5. To ensure a tight seal between the cover and the housing, a seal, not shown here, is inserted into a recess 8 provided for this purpose. The substances to be mixed are introduced into the container through the feed lines 6, deflected at the structural element 3 and divided at the grooves located at the tip of the structural element 3 into a plurality of fine adjacent streams, which leave the static mixer through the opening 7 and from there enter the mixing chamber, not shown here.
Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung des Mischelements 12, das an seiner Spitze Nuten 9 aufweist. An der Spitze des Mischelements befinden sich periodisch gegeneinander versetzt und in alternierender Abfolge angeordnete, kammartige Nuten 9; durch diese kammartigen Nuten werden die zu mischenden Stoffe in eine Vielzahl feiner benachbarter Stoffströme zerteilt, die dann der Mischkammer, hier nicht dargestellt, zugeleitet werden. Die Nuten 9 sind hierbei so ausgestaltet, dass diese die Seitenflächen 13 des Mischelements durchdrin-Fig. 2 shows the schematic representation of the mixing element 12, which has grooves 9 at its tip. At the tip of the mixing element there are comb-like grooves 9, periodically offset from one another and arranged in an alternating sequence; these comb-like grooves divide the materials to be mixed into a large number of fine, adjacent material streams, which are then fed to the mixing chamber, not shown here. The grooves 9 are designed in such a way that they penetrate the side surfaces 13 of the mixing element.
25 gen.25 years
Fig. 3 zeigt die schematische Darstellung des Mischelements 12. An der Spitze des Mischelements sind periodisch gegeneinander versetzte und alternierend angeordnete, kammartige Nuten 9 vorhanden, die eine Zerteilung der zu mischenden Stoffströme in sehr fein dispergierte Stoffströme bewirken, wobei die Stirnfläche 16 des Mischelements eben ausgestaltet ist und die Nuten linear zur Mittelachse des Mischelements verlaufen. Der Abstand zwischen Nutgrund 17 und Stirnfläche 16 nimmt mit zunehmendem Abstand von der durch die Nuten 9 durchdrungenen Seitenfläche 13 ab.Fig. 3 shows the schematic representation of the mixing element 12. At the tip of the mixing element there are periodically offset and alternately arranged, comb-like grooves 9 which cause the material flows to be mixed to be divided into very finely dispersed material flows, with the front surface 16 of the mixing element being flat and the grooves running linearly to the center axis of the mixing element. The distance between the groove base 17 and the front surface 16 decreases with increasing distance from the side surface 13 penetrated by the grooves 9.
Fig. 4 zeigt die schematische Darstellung des Mischelements 12, wobei an der Spitze des Mischelements periodisch gegeneinander versetzte und in alternie-Fig. 4 shows the schematic representation of the mixing element 12, with periodically offset and alternating
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render Reihenfolge angeordnete Nuten 9 vorhanden sind, welche in Form einer Parabel zur Mittelachse des Mischelements verlaufen, wobei der Abstand zwischen Nutgrund 17 und Stirnfläche 16 mit zunehmendem Abstand von der durch die Nuten 9 durchdrungenen Seitenfläche 14 abnimmt.There are grooves 9 arranged in a sequence which run in the form of a parabola to the central axis of the mixing element, the distance between the groove base 17 and the end face 16 decreasing with increasing distance from the side surface 14 penetrated by the grooves 9.
Fig. 5 zeigt die schematische Darstellung des Mischelements 12, an dessen Spitze periodisch gegeneinander versetzte und in alternierende Reihenfolge angeordnete Nuten 9 vorhanden sind, die in Form einer Hyperbel in Richtung Mittelachse des Mischelements 12 verlaufen.Fig. 5 shows the schematic representation of the mixing element 12, at the tip of which there are grooves 9 which are periodically offset from one another and arranged in alternating sequence and which extend in the form of a hyperbola in the direction of the central axis of the mixing element 12.
Fig. 6 zeigt die schematische Darstellung des Mischelements 12, an dessen Spitze Nuten 9 vorhanden sind, wobei das Mischelement keilförmig zur Spitze sich verjüngend ausgestaltet ist.Fig. 6 shows the schematic representation of the mixing element 12, at the tip of which grooves 9 are present, wherein the mixing element is designed wedge-shaped tapering towards the tip.
Fig. 7 zeigt die schematische Darstellung des Mischelements 12, an dessen Spitze Nuten 9 vorhanden sind, wobei die Stirnfläche 16 des Mischelements konvex gekrümmt ist.Fig. 7 shows the schematic representation of the mixing element 12, at the tip of which grooves 9 are present, wherein the front surface 16 of the mixing element is convexly curved.
Fig. 8 zeigt die schematische Darstellung des Mischelements 12, an dessen Spitze Nuten 9 vorhanden sind, wobei die Stirnfläche 16 des Mischelements konkav gekrümmt ist.Fig. 8 shows the schematic representation of the mixing element 12, at the tip of which grooves 9 are present, wherein the front surface 16 of the mixing element is concavely curved.
Fig. 9 zeigt die schematische Darstellung des modular aufgebauten Strukturelements 3 bestehend aus Mischelement 12 und Ablenkelement 11. An der Stirnfläche 16 des Ablenkelements 11 befinden sich ellipsoide oder kreisförmige Ablenkflächen 10, die die zu mischenden Stoffe in Richtung Spitze des Mischelements ablenken.Fig. 9 shows the schematic representation of the modular structural element 3 consisting of mixing element 12 and deflection element 11. On the front surface 16 of the deflection element 11 there are ellipsoidal or circular deflection surfaces 10 which deflect the substances to be mixed towards the tip of the mixing element.
Fig. 10 zeigt die seitliche Draufsicht auf das Strukturelement 3, wobei an der Spitze des Mischelements 12 Nuten vorhanden sind.
35Fig. 10 shows the side view of the structural element 3, wherein 12 grooves are present at the tip of the mixing element.
35
Fig. 11 zeigt die Draufsicht auf das Strukturelement 3, wobei an der Spitze des Mischelements 12 Nuten vorhanden sind.Fig. 11 shows the top view of the structural element 3, wherein 12 grooves are present at the tip of the mixing element.
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Fig. 12 zeigt das Formbauteil 4, das an der Spitze des Strukturelements 3 befestigt werden kann. Durch ein solches Formbauteil ist es möglich, die Strömungsgeschwindigkeit in ausgewählten Bereichen der Spitzen des Strukturelementes 3 gezielt zu beeinflussen und so selbst bei kleinen Stoffmengen eine gute Durchmischung der Stoffströme zu erzielen.Fig. 12 shows the molded component 4, which can be attached to the tip of the structural element 3. Using such a molded component, it is possible to specifically influence the flow velocity in selected areas of the tips of the structural element 3 and thus achieve good mixing of the material flows even with small amounts of material.
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