專利名稱：靜態(tài)的分層微混合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于使至少兩種液相混合、彌散、乳化或懸浮的微混合器，其中這個(gè)混合器必須包括一個(gè)具有縫隙開口的縫隙板和一個(gè)設(shè)置在其上的具有小孔縫的小孔板。這些位于所述縫隙板和小孔板中的縫隙開口由透穿的開口構(gòu)成。所述開口可以任意成形，該開口最好具有一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何形狀(例如孔或矩形縫隙)。
對(duì)于靜態(tài)微混合器涉及一種微反應(yīng)技術(shù)的關(guān)鍵元件。靜態(tài)微混合器利用多層原理，用于通過擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)液相的快速混合。通過交替設(shè)置的薄片的幾何結(jié)構(gòu)能夠保證在顯微范圍中的良好混合。在文獻(xiàn)中早就描述過由結(jié)構(gòu)化的和周期堆疊的薄板構(gòu)成的多層混合器；例如對(duì)此在德國(guó)專利DE 44 16 343，DE 195 40 292和德國(guó)專利申請(qǐng)DE 19928 123中已知。此外德國(guó)專利申請(qǐng)DE 199 27 554描述了一種與由結(jié)構(gòu)化的和周期堆疊的薄板構(gòu)成的多層混合器不同的、用于混合兩種或多種離析物的微混合器，其中該混合器具有混合室。每個(gè)混合室都具有一個(gè)輸入腔，在該輸入腔上緊連著至少兩組指形通道，它們?yōu)榱诵纬苫旌蠀^(qū)梳形地嵌入到指形通道之間。在混合區(qū)上具有排出縫隙，它們垂直于指形通道延伸并通過它們逸出產(chǎn)品。通過在兩個(gè)空間方向上并聯(lián)連接就能夠明顯地提高流量。
在權(quán)利要求1中給出的本發(fā)明提出的問題是，微混合器可能添加雜質(zhì)顆粒并且由此具有堵塞傾向；由于不能實(shí)現(xiàn)的清潔方法使得微混合器的添加可能性受到明顯的限制。在由平板構(gòu)成的微混合器中所述平板最好固定地相互連接并且由此不再能夠自由地接觸到所述微結(jié)構(gòu)；因此不能以簡(jiǎn)單的方式和方法實(shí)現(xiàn)上述微混合器的清理。為了清理一種相應(yīng)的微混合器必須拆卸所述平板堆疊，這通常是非常費(fèi)事的。
這個(gè)問題通過在權(quán)利要求1中描述的靜態(tài)層式微混合器得以解決，該混合器為了混合至少兩種液相包括至少一個(gè)具有縫隙開口的縫隙板和一個(gè)設(shè)置在其上的具有小孔縫的小孔板。所述縫隙開口通常由透穿的開口構(gòu)成。
通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是，所述靜態(tài)的層式微混合器可以經(jīng)濟(jì)地制成，易于清潔并且使要被混合的液體迅速且有效地相互混合。此外壓力損失小到也可以應(yīng)用于大流量。
本發(fā)明的有利改進(jìn)方案在權(quán)利要求2和后面的權(quán)利要求中給出。按照權(quán)利要求2，所述小孔板中的小孔縫的數(shù)量和/或所述縫隙板中的縫隙開口的數(shù)量多于1。按照權(quán)利要求3，在縫隙板的縫隙開口中這樣導(dǎo)引由不同的液體分布區(qū)域引出的液流，使得該液流進(jìn)入到位于上方的縫隙板或小孔板的縫隙開口中。按照權(quán)利要求5這些液相一起進(jìn)入到小孔板的縫隙開口中。所述縫隙板中的縫隙開口在此可以相互平行錯(cuò)開地和/或以一個(gè)周期的圖案相互設(shè)置。按照權(quán)利要求6通過適當(dāng)?shù)膸缀涡螤詈腿∠?，縫隙板中的縫隙開口結(jié)構(gòu)有利于產(chǎn)生二次影響(Sekundaereffekt)。這些二次影響例如可以通過板后面的渦流分離或者通過來自輸入管道的橫向分量產(chǎn)生。由此使二次通流疊加到通過擴(kuò)散產(chǎn)生的分子表面上的混合之上，這使得擴(kuò)散路徑縮短并由此使混合時(shí)間縮短。按照權(quán)利要求7所述縫隙開口可以相互間傾斜地設(shè)置。另一改進(jìn)方案允許所述縫隙開口漏斗形地或者瓣形地構(gòu)成。所述形狀的這種方案適宜使壓力均勻地分布在輸送通道中。這是在整個(gè)結(jié)構(gòu)部件中產(chǎn)生均勻的混合品質(zhì)的前提。此外可以使多個(gè)縫隙板和/或小孔板緊挨著上下錯(cuò)開地相互設(shè)置。按照權(quán)利要求9如果安裝緊挨著上下放置或錯(cuò)開設(shè)置的縫隙板和/或小孔板，則可以實(shí)現(xiàn)液流的轉(zhuǎn)向。按照權(quán)利要求11的轉(zhuǎn)向作用可以用于使一個(gè)或多個(gè)液流有目的地向著一個(gè)或多個(gè)液流的配量位置導(dǎo)引。
按照權(quán)利要求12所述混合腔可以安置在小孔板的上方。按照權(quán)利要求13也可以使所述小孔板中的小孔縫相互平行錯(cuò)開地和/或以一個(gè)周期式的圖形相互設(shè)置。根據(jù)本發(fā)明的另一改進(jìn)方案，可以使所述縫隙板中的縫隙開口和所述小孔板中的小孔縫以任意的角度、最好90°相互旋轉(zhuǎn)地設(shè)置。按照權(quán)利要求15還可以使所述縫隙板中的縫隙開口和所述小孔板中的小孔縫具有一個(gè)小于500μm的寬度。為了改善在液體混合、乳化或懸浮時(shí)的結(jié)果尤其選擇縫隙開口的寬度小于100μm。在所述縫隙板中的縫隙開口的寬度在混合器的基本型式中對(duì)于所有液相都是相同的。但是已經(jīng)證實(shí)，在不同液體粘度的液體組合時(shí)、和/或在體積流相互間處于不同于1∶1的比例時(shí)有利的是，在所述縫隙板中的縫隙開口的寬度和/或形狀和橫截面對(duì)于不同的液體是不同的。另一有利的方案是，所述縫隙板和小孔板可以局部地或全部地由金屬、玻璃、陶瓷和塑料或者由這些材料的組合物制成。按照權(quán)利要求17所述縫隙板和小孔板可以通過沖裁、模壓、銑削、腐蝕、刻蝕、等離子刻蝕、激光切割、激光燒蝕或者通過LIGA技術(shù)、但是最好通過激光切割或LIGA技術(shù)進(jìn)行加工。另一有利的方案允許所述縫隙板和小孔板由一堆疊微型結(jié)構(gòu)化的薄板構(gòu)成；這些結(jié)構(gòu)化的的薄板可以材料配合連接地通過釬焊、焊接、擴(kuò)散焊接或粘接或者傳力連接地通過螺栓、擠壓(例如在一個(gè)外殼中)或者鉚接相互連接起來。按照權(quán)利要求20的一個(gè)優(yōu)選方案所述小孔板中的小孔縫和所述縫隙板中的縫隙開口可以分支地構(gòu)成。按照權(quán)利要求21可以將這樣得到的靜態(tài)微混合器安置在一個(gè)為其所設(shè)置的外殼中。按照權(quán)利要求22所述外殼可以包含通道并因此能夠?qū)崿F(xiàn)液體的空間分布。按照權(quán)利要求23這些通道可以相互平行地、徑向地、同心地或前后地設(shè)置。為了使速度沿著通道適當(dāng)?shù)胤植?，有利的是，按照?quán)利要求24使通道的橫截面在其長(zhǎng)度上保持不變或者改變。
按照權(quán)利要求25所述微混合器可以單獨(dú)地或者作為一個(gè)模塊式構(gòu)成的裝置的組成部分用于進(jìn)行物理的或者化學(xué)的轉(zhuǎn)換，或者按照權(quán)利要求26與其它的功能模塊一起組合成一個(gè)構(gòu)件。
在附圖中示出本發(fā)明的實(shí)施例并在下面詳細(xì)描述。
附圖中

圖1是由一個(gè)縫隙板和一個(gè)小孔板組成的靜態(tài)微混合器的示意圖；圖2a示出一個(gè)靜態(tài)層式微混合器的分解圖，它由外殼底部部件(10)、輸入通道(11)、縫隙板(20)和小孔板(30)組成；圖2b示出一個(gè)靜態(tài)層式微混合器的視圖，它由外殼底部部件(10)、輸入通道(11)、縫隙板(20)和小孔板(30)組成；圖3a示出一個(gè)靜態(tài)層式微混合器的輸入通道(11)、縫隙開口(22a，22b)和小孔縫(31)的俯視圖；圖3b示出在一個(gè)靜態(tài)層式微混合器的一個(gè)縫隙板(20)中的不同幾何形狀和取向的縫隙開口(22)的俯視圖；圖3c示出在一個(gè)靜態(tài)層式微混合器的一個(gè)縫隙板(20)中的不同幾何形狀和取向的縫隙開口(22)的俯視圖3d示出在一個(gè)縫隙板(20)中的不同幾何形狀和取向的縫隙開口(22)的俯視圖，其中用于兩種液體的縫隙開口在縫隙板平面中搭接；圖3c示出在一個(gè)縫隙板(20)中的不同幾何形狀和取向的縫隙開口(22)的俯視圖，其中縫隙開口具有不同的寬度和形狀；圖3f示出在一個(gè)縫隙板(20)中的不同幾何形狀和取向的縫隙開口(22)的俯視圖，其中縫隙開口、小孔縫(31)和/或輸入通道(11)具有不同的和變化的寬度和形狀；圖4a示出一個(gè)靜態(tài)的層式微混合器的俯視圖，它由外殼底部部件(10)、縫隙板(20)和小孔板(30)組成；圖4b示出一個(gè)靜態(tài)的層式微混合器的俯視圖；圖5示出一個(gè)靜態(tài)的微混合器的分解圖；圖6示出一個(gè)從下面看去的靜態(tài)微混合器的分解圖；圖7a示出外殼底部部件(10)的示意圖；圖7b示出沿著平面B-B的外殼底部部件(10)的橫截面圖；圖7c示出沿著平面C-C的外殼底部部件(10)的橫截面圖；圖8a示出一個(gè)靜態(tài)的微混合器的示意圖，它具有兩個(gè)不同的縫隙板和相互錯(cuò)開設(shè)置的縫隙開口(22，23)；圖8b示出一個(gè)組裝的靜態(tài)層式微混合器的示意圖，它具有兩個(gè)不同的縫隙板；圖9a示出層式微混合器的分解圖，它具有平行錯(cuò)開布置的通道結(jié)構(gòu)用于散開外殼中的液體；圖9b示出層式微混合器的分解圖，它具有徑向同心的通道結(jié)構(gòu)用于散開外殼中的液體；圖10示出一個(gè)層式微混合器(60)(參見圖9a)作為與一個(gè)熱交換單元(70)組合到一起的工藝裝置的組成部分。
圖1示出一個(gè)靜態(tài)層式微混合器的示意圖，它由底部部件10、一個(gè)縫隙板20和一個(gè)小孔板30組成。所述底部部件10包括用于液體A的輸入通道11a和用于液體B的輸入通道11b。所述縫隙板20具有用于液體A和B的縫隙開口22a和22b，它們由輸入通道11a和11b供液。具有一個(gè)小孔縫31的小孔板30位于所述縫隙板20的上方。該小孔板30在此遮蓋縫隙開口22a和22b的外部區(qū)域，而縫隙開22a和22b的中間區(qū)域與小孔縫31搭接并由此保持流通。
圖2a示出一個(gè)靜態(tài)微混合器的分解圖，它由底部部件10、輸入通道11a和11b、縫隙板20和小孔板30組成。所述輸入通道11a和11b分別含有液體A和B；具有縫隙開口22a和22b的縫隙板20位于這些輸入通道上方。所述小孔板30位于縫隙板的上方，該小孔板的小孔縫與縫隙開口22a和22b成90°角地設(shè)置。
圖2b示出一個(gè)靜態(tài)微混合器的示意圖，與圖2a一樣，它由底部部件10、縫隙板20和小孔板30組成。
圖3a以縫隙區(qū)21的形式示出以雙排設(shè)置的縫隙開口22a和22b。這些縫隙區(qū)21通過輸入通道11a和11b供以液體。該縫隙開口22a的一半與輸入通道11a搭接，而另一半與輸入通道11b搭接。在雙排的中間部位中所述縫隙開口22與安置在位于其上方的小孔縫31搭接。如圖所示，所述縫隙開22也可以傾斜地設(shè)置。
圖3b、圖3c、圖3d、圖3e和圖3f示出具有不同幾何結(jié)構(gòu)和取向的縫隙開口22。所述輸入通道11位于縫隙開口下方。所述小孔縫31位于縫隙開口上方。所述輸入通道11和小孔縫31的橫截面可以沿著其走向變化(見圖3f)。所述縫隙開口22可以漏斗形地?cái)U(kuò)展。所述縫隙開口22的寬度和形狀可以在液體之間(見圖3e)和液體內(nèi)部(見圖3f)變化。
圖4a示出外殼底部部件10的俯視圖。該外殼底部部件10配有大量的縫隙形輸入通道11a和11b，它們交替地向右或向左偏移地示出。由黑線條表示的縫隙區(qū)21位于設(shè)置在底部部件上方的縫隙板20中；所述縫隙區(qū)21在此分別定位在兩個(gè)輸入通道11a與11b之間，因此使這個(gè)縫隙區(qū)被兩個(gè)輸入通道搭接。位于縫隙板上方的小孔板30的小孔縫31中間地位于縫隙板20的縫隙區(qū)21上面。
圖4b示出由輸入通道11a和11b、縫隙區(qū)21和小孔縫31的示意結(jié)構(gòu)。
圖5示出一個(gè)靜態(tài)層式微混合器的分解圖；該微混合器由外殼底部部件10和外殼頂部部件40組成。所述縫隙板20和小孔板30位于外殼底部部件10與外殼頂部部件40之間。一個(gè)槽13位于外殼底部部件10中，在該槽中可以嵌入一個(gè)密封環(huán)50，用于使微混合器相對(duì)于外界密封。所述外殼底部部件10和外殼頂部部件40分別配有用于固定部件44的開孔，通過該固定部件可以使這兩者相互固定。所述外殼底部部件10在外表面上包括兩個(gè)用于要被混合的液體A和B的液體流入通道12a和12b。在外殼底部部件10的上表面上加工出許多縫隙形的輸入通道11a和11b，它們交替地向著所述一側(cè)或者所述另一側(cè)延長(zhǎng)地構(gòu)成，并因此可以供以液體A和液體B。所述縫隙板20包括許多縫隙區(qū)21；在縫隙板20的上方安置小孔板30，該小孔板具有許多小孔縫31。所述外殼頂部部件40包括一個(gè)用于排出所獲得的混合物的液體出口42。
圖6與圖5類似以從下面看去的角度示出一個(gè)靜態(tài)層式微混合器的分解圖。所述外殼頂部部件40包括一個(gè)大的混合腔45，所述小孔板30的所有小孔縫31通入到該混合腔中。為了支承小孔板30，在外殼頂部部件40中設(shè)置許多支承結(jié)構(gòu)41。
圖7a示出所述外殼底部部件10的示意圖。該外殼底部部件10配有用于要被混合的液體A和B的輸入通道11a和11b。在外殼底部部件的外側(cè)面上存在液體入口12a和12b。在外殼底部部件10的四個(gè)角上的空隙44構(gòu)成外殼底部部件的固定。
圖7b示出沿著圖7a中的B-B線的外殼底部部件10的截面圖。所述入口12a在用于液體A的液體流入通道14中是連續(xù)的。用于液體的輸入通道11a位于液體流入通道14的上側(cè)面上。一個(gè)用于嵌入一個(gè)密封環(huán)的槽13位于外殼底部部件10的上側(cè)面上。
圖7c示出沿著圖7a中的C-C線的外殼底部部件10的截面圖。用于液體A的輸入通道11a和用于液體B的輸入通道11b交替地平行延伸，而不存在這兩個(gè)輸入通道之間的橫向連接。一個(gè)用于嵌入一個(gè)密封環(huán)的槽13仍然位于外殼底部部件10的上側(cè)面上。
圖8a示出一個(gè)靜態(tài)層式微混合器的示意圖，它具有兩種不同的縫隙開口22a/22b和23a/23b。所述第一縫隙板的縫隙開口22a和22b構(gòu)成用于具有小縫隙開口23a和23b的第二縫隙板的輸入通道。所述縫隙開口22a/22b和23a/23b分別相互旋轉(zhuǎn)90°地設(shè)置。
圖8b示出按照?qǐng)D8a的這種靜態(tài)微混合器的俯視圖，它由兩個(gè)不同的縫隙板組成，其縫隙開口相互旋轉(zhuǎn)90°。
圖9a和9b以分解圖示出兩個(gè)用于層式微混合器的實(shí)施例。據(jù)此縫隙板中的縫隙開口、小孔板中的縫隙開口以及用于分布液體的通道圓形或平行錯(cuò)開地設(shè)置。
圖10示出一個(gè)用于層式微混合器的實(shí)施例作為一個(gè)用于執(zhí)行物理-化學(xué)轉(zhuǎn)換的組合裝置的組成部分。在所示情況中層式微混合器(60)與管束熱交換器(70)組合成一個(gè)結(jié)構(gòu)部件。
附圖標(biāo)記列表10，10a外殼底部部件11a用于液體A的輸入通道11b用于液體B的輸入通道12a用于液體A的液體入口12b用于液體B的液體入口13 用于密封環(huán)的槽14 液體入口通道20 縫隙板21 縫隙區(qū)22a用于液體A的縫隙開口22b用于液體B的縫隙開口23a用于液體A的縫隙開口23b用于液體B的縫隙開口30 小孔板31 小孔縫40，40a外殼頂部部件41 支承結(jié)構(gòu)42 液體出口44 用于固定部件的開孔45 混合腔50 密封環(huán)60 微混合器70 管束熱交換器
權(quán)利要求
1.用于使至少兩種液相混合、彌散、乳化或懸浮的靜態(tài)的分層微混合器，其特征在于，該混合器包括至少一個(gè)具有縫隙開口的縫隙板以及一個(gè)設(shè)置在該縫隙板之上的、具有小孔縫的小孔板，該小孔板的縫隙由透穿的開口加工而成。
2.如權(quán)利要求1所述的微混合器，其特征在于，所述縫隙板中的縫隙開口的數(shù)量和/或所述小孔板中的小孔縫的數(shù)量多于一個(gè)。
3.如權(quán)利要求1和2所述的微混合器，其特征在于，在所述液相進(jìn)入到一個(gè)位于縫隙板上方的板的開口中之前，該液相在其進(jìn)入到縫隙板的縫隙開口之后首先相互輸入。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述縫隙板中的縫隙開口這樣相互設(shè)置，使得液相進(jìn)入一個(gè)位于縫隙板上方的小孔板或縫隙板的縫隙開口中。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述液相在小孔板的縫隙開口中相互接觸。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述縫隙板中的縫隙開口的幾何形狀和取向有利于產(chǎn)生二次影響。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述縫隙開口相互傾斜地設(shè)置。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述縫隙板中的縫隙開口的橫截面漏斗形或瓣形地構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，多個(gè)縫隙板和/或小孔板緊挨著上下地或相互錯(cuò)開地設(shè)置。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，將所述結(jié)構(gòu)安置到縫隙板上或者由板加工出來。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，通過一個(gè)或多個(gè)縫隙板和/或小孔板的適當(dāng)結(jié)構(gòu)使一種液體向著另一種液體的出口導(dǎo)引。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述微混合器設(shè)置在小孔板的上方。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述小孔板中的小孔縫相互平行地錯(cuò)置和/或以一個(gè)周期式的圖案相互設(shè)置。
14.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述縫隙板中的縫隙開口和所述小孔板中的小孔縫相互間以任意的角度、最好以90°角旋轉(zhuǎn)地設(shè)置。
15.如權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述縫隙板中的縫隙開口和所述小孔板中的小孔縫具有一個(gè)小于500μm、但是最好小于100μm的寬度。
16.如權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述縫隙板和小孔板可以局部地或全部地由金屬、玻璃、陶瓷和塑料或者由這些材料的組合物制成。
17.如權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述縫隙板和小孔板通過沖裁、模壓、銑削、腐蝕、刻蝕、等離子刻蝕、激光切割、激光燒蝕或者通過LIGA技術(shù)、但是最好通過激光切割或LIGA技術(shù)進(jìn)行加工。
18.如權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述縫隙板和小孔板由一個(gè)微結(jié)構(gòu)的薄板堆疊構(gòu)成。
19.如權(quán)利要求18所述的微混合器，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)化的的薄板可以材料配合連接地通過釬焊、焊接、擴(kuò)散焊接或粘接或者傳力配合地通過螺栓、擠壓或者鉚接相互連接。
20.如權(quán)利要求1至19中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述小孔板中的小孔縫和所述縫隙板中的縫隙開口可以分支地構(gòu)成。
21.如權(quán)利要求1至20中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述微混合器安置在一個(gè)為其所設(shè)置的外殼中。
22.如權(quán)利要求1至21中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述外殼可以包含構(gòu)成液相的空間分布的通道。
23.如權(quán)利要求1至22中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述通道為了使液體在外殼中分布而相互平行錯(cuò)開地、徑向地、同心地或前后地設(shè)置。
24.如權(quán)利要求1至23中任一項(xiàng)所述的微混合器，其特征在于，所述通道為了使液體在外殼中分布而以保持相同的或變化的橫截面構(gòu)成。
25.一種用于使至少兩種液相混合、彌散、乳化或懸浮的方法，其特征在于，這些液相通過至少一個(gè)具有縫隙開口的縫隙板和一個(gè)位于縫隙板上方的具有小孔縫的小孔板導(dǎo)引，所述縫隙開口的縫隙由透穿的開口加工而成。
全文摘要
在這里描述一種用于使至少兩種液相混合、彌散、乳化或懸浮的靜態(tài)的分層微混合器，該混合器包括至少一個(gè)具有縫隙開口的縫隙板和一個(gè)設(shè)置在其上的具有小孔縫的小孔板，其縫隙由透穿的開口加工而成。
文檔編號(hào)B01F13/00GK1780681SQ200380105325
公開日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2003年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月7日
發(fā)明者W·埃爾費(fèi)爾德, M·克羅謝爾, T·默克爾, F·赫爾布斯特里特 申請(qǐng)人:埃爾費(fèi)爾德微技術(shù)Bts有限責(zé)任公司