DE102007039713A1 - Device for mixing multi-fluid or multi-phase mixtures, comprises mixing channel/channel system with multi openings and actuators, which affect on liquid in mixing- and transportation chamber directly in actuator regions of the chamber - Google Patents

Device for mixing multi-fluid or multi-phase mixtures, comprises mixing channel/channel system with multi openings and actuators, which affect on liquid in mixing- and transportation chamber directly in actuator regions of the chamber Download PDF

Info

Publication number
DE102007039713A1
DE102007039713A1 DE102007039713A DE102007039713A DE102007039713A1 DE 102007039713 A1 DE102007039713 A1 DE 102007039713A1 DE 102007039713 A DE102007039713 A DE 102007039713A DE 102007039713 A DE102007039713 A DE 102007039713A DE 102007039713 A1 DE102007039713 A1 DE 102007039713A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
channel
mixing
actuator
resistive elements
mixing device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102007039713A
Other languages
German (de)
Inventor
Kamen Dr. Beronov
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Original Assignee
Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU filed Critical Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority to DE102007039713A priority Critical patent/DE102007039713A1/en
Publication of DE102007039713A1 publication Critical patent/DE102007039713A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/433—Mixing tubes wherein the shape of the tube influences the mixing, e.g. mixing tubes with varying cross-section or provided with inwardly extending profiles
    • B01F25/4338—Mixers with a succession of converging-diverging cross-sections, i.e. undulating cross-section
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/433—Mixing tubes wherein the shape of the tube influences the mixing, e.g. mixing tubes with varying cross-section or provided with inwardly extending profiles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/57—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms for material continuously moving therethrough
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/65—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms the materials to be mixed being directly submitted to a pulsating movement, e.g. by means of an oscillating piston or air column
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

The device for mixing multi-fluid or multi-phase mixtures, comprises mixing channel/channel system with multi openings, and actuators, which affect on liquid in mixing- and transportation chamber direct in actuator regions of the chamber. In the mixing- and transportation chamber, the channel wall form has asymmetrical resistive elements (52, 54) in relation to the channel center-axis. The dimension of the asymmetrical resistive elements is comparable with one of the channel cross section dimensions based on the magnitude. The actuator flow rates are produced with Reynolds number of 50-5000. The device for mixing multi-fluid or multi-phase mixtures, comprises mixing channel/channel system with multi openings, and actuators, which affect on liquid in mixing- and transportation chamber direct in actuator regions of this chamber. In the mixing- and transportation chamber, the channel wall form has asymmetrical resistive elements (52, 54) in relation to the channel center-axis. The dimension of the asymmetrical resistive elements is comparable with one of the channel cross section dimensions based on the magnitude. The actuator flow rates are produced with a Reynolds number of 50-5000. The Reynolds number is determined based on the maximum momentary flow rate and the cross-sectional dimension. A controlled time-periodic pressure curve in channel is produced, so that a large part of the material volume, which can be mixed more than once by a larger part of the mixing channel. Ten resistive elements are intended along the center-axis of the mixing channel. The height of the asymmetrical resistive elements in the section along the center channel axis is locally perpendicular to the channel wall of maximal 90% and minimal 5% of the channel diameter. The asymmetrical resistive elements are intended on two channel walls with polygonal channel cross section and on 20 % of the circumference with rounded cross section. A part of the asymmetrical resistive elements has a profile that has a nozzle effect through the reduction of the channel cross-section produced from it by flow rates in the operating region in one of the alignments of the mainstream along the center-axis of the mixing channel. The distance of the asymmetrical resistive elements in relation to the channel center-axis is a multiple of the height of the resistive elements and 1.5 times of the local height. The arrangement of the resistive elements is oppositely in pairs. A part of the resistive elements is uniform and the distance is not more than 5 % of the height of the resistive elements along the channel center-axis between corresponding characteristic points of the opposite resistive elements. The time period of the actuator drive is multiply longer than the time, which needs the fluid for passing a resistive element. The actuator drive is changeable in the amplitude, frequency and/or phase. The amplitude, frequency and/or phase of the actuator drive are independently adjustable for each range. Multi actuators are intended, whose drive is individually adjustable. The actuators operate in opposite phase with same frequency and are hydraulically connected together by connection channels with uneven wall form in area-wise manner. Mass transportation in or from the mixing channel takes place via an external pressure gradient or drive device. The actuator control system is intended so that a time-separate operating program of simultaneous pumping and mixing, and of mixing without pumps is possible.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung für Fluidmischungen, insbesondere solche, die als Hauptphase eine Flüssigkeit haben, wobei diese mit mindestens einer weiteren Phase gemischt wird, z.B. um Emulsionen oder Dispersionen herzustellen. Eine derartige Mischvorrichtung kann im Bereich der Mikrofluidik eingesetzt werden, ihre Anwendungen sind aber hierauf nicht beschränkt.The The invention relates to a mixing device for fluid mixtures, in particular those which have a liquid as the main phase, these being is mixed with at least one further phase, e.g. to emulsions or to prepare dispersions. Such a mixing device can be used in the field of microfluidics, their applications but are not limited to this.

Derzeit erfährt die Lab-on-a-Chip-Technologie, die der Mikro- und Nanotechnologie zuzuordnen ist, eine rasante Entwicklung und Anwendungserweiterung. Die dabei im Bereich des Massen- und Energietransports der zu bearbeitenden Fluide verwendeten Funktionsprinzipien beruhen auf grundsätzlich gut bekannten strömungsmechanisch beschriebenen Transportprozessen, Komponenten und Aufbauschemen, z.B. Pumpe → Ventil → Mischer → Separatur → Sensor. Die damit behandelbaren Fluidmengen sind bei ihrem Transport in bisher beschriebenen Mikrofluidik-Komponenten auf Kanalquerschnitte im Bereich von 10-8 bis 10-10 m2 begrenzt. Damit ist eine Beschränkung auf schleichende Strömungen bei den wichtigsten Anwendungen, z.B. bei der Blut- und DNA-Analyse oder bei subkutanen Infusionsgeräten, verbunden. Letztere stellt aber keine grundsätzliche Grenze dar. In anderen Fällen als bei den erwähnten Anwendungen wären vielfach höhere Massenflüsse (über die Grenze der schleichenden Strömungen hinaus, nicht aber unbedingt turbulent) und noch kürzere Mischkanallängen (in bezug auf Kanaldurchmesser im Vergleich zu bestehenden Lab-on-a-Chip-Vorrichtungen) durchaus erstrebenswert. Für deren Realisierung müsste der Bereich der schleichenden Strömungen (Reynoldszahl Re < 1) verlassen und im Bereich von etwa 10 < Re < 5.000 gearbeitet werden, in dem nicht nur Diffusions-, sondern auch Trägheitseffekte für den Fluidtransport und die Mischung wichtig sind. Während dies bei großindustriellen Anlagen oft zu niedrige Re-Werte sind, stellen sie einen spezifischen Parameterbereich dar, in dem in gewissem Sinn ein optimales Verhältnis zwischen Mischeffizienz und Druckverlust erzielt werden kann. Somit ist er interessant für Kleinanlagen sowie für Mikrofluidik-Vorrichtungen. Bei den letzteren können mit bestehender Technologie sehr wohl wesentlich erhöhte (im Vergleich zu bisher typischen Mikrofluidik-Anlagen)Massenflüsse und auch Druckwerte erreicht werden. Damit verbunden ist aber auch die Notwendigkeit, Energieverluste zu bewältigen, so dass nur die "kräftigsten" Antriebsarten eingesetzt werden, die in der Mikrofluidik bekannt sind. Es handelt sich dabei nach derzeit aktuellem Stand der Technik um Deformationen von Aktuatorflächen, die piezoelektrisch oder elektromagnetisch angetrieben werden.Currently, lab-on-a-chip technology, which is associated with micro and nanotechnology, is experiencing rapid development and application expansion. The functional principles used in the field of mass and energy transport of the fluids to be processed are based on fundamentally well-known transport processes, components and assembly schemes described in terms of fluid mechanics, eg pump → valve → mixer → separator → sensor. The amounts of fluid that can be treated in this way are limited to channel cross sections in the range of 10 -8 to 10 -10 m 2 in their transport in previously described microfluidic components. This is a limitation to creeping currents in the most important applications, such as in the blood and DNA analysis or subcutaneous infusion devices connected. However, the latter is not a fundamental limit. In other cases than in the applications mentioned would be many times higher mass flows (beyond the limit of the creeping currents, but not necessarily turbulent) and even shorter mixing channel lengths (in relation to channel diameter compared to existing Lab-on -a-chip devices) quite desirable. For their realization, the range of creeping flows (Reynolds number Re <1) would have to be left and worked in the range of about 10 <Re <5,000, in which not only diffusion, but also inertial effects are important for fluid transport and mixing. While these are often too low Re values for large-scale plants, they are a specific parameter range in which, in a sense, an optimal balance between mixing efficiency and pressure loss can be achieved. Thus it is interesting for small plants as well as for microfluidic devices. In the case of the latter, it is possible with existing technology to achieve substantially increased (compared to previously typical microfluidic systems) mass flows and also pressure values. However, this also involves the need to cope with energy losses, so that only the "strongest" drive types known in microfluidics are used. In the current state of the art, this involves deformations of actuator surfaces which are driven piezoelectrically or electromagnetically.

Eine der wichtigsten Aufgaben in der Verfahrenstechnik allgemein und insbesondere auch in der Mikrofluidik ist die Mischung. Bei Mikroanlagen ist die mechanische Mischung durch die sehr kurzen Wege und niedrigen Reynoldszahlen (und damit Fehlen der Turbulenz) sowie besonders bei Flüssigkeiten auch durch hohe Schmidtzahlen erschwert. Die komplizierte Auslegung entsprechender Mikrofluidik-Mischer wird in vielen Veröffentlichungen behandelt. Eine zusammenfassende Darstellung gibt z.B. das Standardwerk "Fundamentals and applications of microfluidics" von N-T. Ngyuen und S. T. Wereley, Artech House microelectromechanical system series, 2002 . Bei etwas höheren Reynoldszahlen wird aber die konvektive Mischung wichtiger als die diffusive, so dass die Mischeffizienz erhöht werden kann.One of the most important tasks in process engineering in general and especially in microfluidics is the mixture. In microsystems, the mechanical mixing is made difficult by the very short paths and low Reynolds numbers (and thus lack of turbulence) and especially in liquids by high Schmidt numbers. The complicated design of corresponding microfluidic mixers is covered in many publications. A summary is eg the standard work "Fundamentals and applications of microfluidics" by NT. Ngyuen and ST Wereley, Artech House microelectromechanical system series, 2002 , At slightly higher Reynolds numbers, however, the convective mixture becomes more important than the diffusive one, so that the mixing efficiency can be increased.

Eine Verkürzung der Mischkanäle ergibt sich aber hieraus ohne weiteres nicht.A shortening the mixing channels but it does not follow that easily.

Mit dem Verhalten Newtonscher Fluide mit niedrigen Reynoldszahlen, insbesondere deren Rektifikationsverhalten, befasst sich T. M. Squires in dem Übersichtsartikel "Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale", Rev. Mod. Phys., Vol. 77, No. 3, S. 977, Juli 2005 , siehe 29. Hier wird gezeigt, dass Newtonsche Fluide im Bereich niedriger Reynoldszahlen reversibel und in bezug auf die Strömungsrichtung indifferent sind. Der Fluss nicht-Newtonscher Fluide (z.B. von Polymerfluiden) hingegen kann durch elastische Beanspruchungen teilweise rektifiziert werden. Die Reynoldszahl wird als zwar häufig genannt bezeichnet, aber im Bereich der Mikrofluidik als wenig interessierende Größe angesehen (siehe a.a.O., S. 981, Abschnitt A, erster Absatz).The behavior of Newtonian fluids with low Reynolds numbers, in particular their rectification behavior, deals TM Squires in the review article "Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale", Rev. Mod. Phys., Vol. 77, no. 3, p. 977, July 2005 , please refer 29 , Here it is shown that Newtonian fluids are reversible in the range of low Reynolds numbers and indifferent with respect to the flow direction. The flow of non-Newtonian fluids (eg of polymer fluids), however, can be partially rectified by elastic stresses. The Reynolds number is often called, but in the field of microfluidics as a little of interest size considered (see above, p. 981, section A, first paragraph).

Eine weitere Übersicht findet sich in N.-T. Nguyen et al., "Micromixers – a review", J. Micromech. Microeng. 15, 2005 , R1 bis R16, die sich mit verschiedenen Mikromischern (passiv/aktiv) und deren Wirkungsprinzipien befasst. Es werden verschiedene geometrische Mischergestaltungen zur Erzielung einer chaotischen Advektion gezeigt.Another overview can be found in N.-T. Nguyen et al., "Micromixers-a review", J. Micromech. Microeng. 15, 2005 , R1 to R16, which deals with different micromixers (passive / active) and their principles of action. Various geometric mixer designs to achieve chaotic advection are shown.

Bei den für schleichende Strömungen wirkenden Mischern ist eine Vielzahl von Kanalgeometrien bekannt, die zur Zeit immer mehr erweitert und optimiert wird. Dabei wird entweder der Verlauf der Kanalhauptachse zunehmend komplex zwei- oder dreidimensional ausgelegt, um das Trennen und Wiedervereinen ("chaotische Mischung") von Stromlinien zu erzwingen, oder es werden Hindernisse quer zur Strömung an wenigstens einer Kanalwand angebracht, um Aufwirbelung auch bei niedrigen Reynoldszahlen (beispielsweise unter 50) zu erzwingen, wobei im entsprechenden Reynoldszahlenbereich der Anwendung kein chaotischer Zeitverlauf der Strömung, sehr wohl aber ein räumlich chaotischer Verlauf von Streichlinien beobachtet werden kann.at the for creeping currents acting mixers a variety of channel geometries is known which is currently being expanded and optimized. It will either the course of the channel main axis increasingly complex two- or three-dimensionally designed to separate and reunite ("chaotic mixture") of streamlines to force or there are obstacles across the flow at least one channel wall attached to whirl up even at to force low Reynolds numbers (for example, below 50) where in the corresponding Reynoldszahlenbereich the application no chaotic time course of the flow, but a spatial one chaotic course of streaks can be observed.

C.-H. Tai et al., "Micromixer utilizing electrokinetic instability-induced shedding effet", Electrophoresis 2006, 27, S. 4982 bis 4990 beschreiben Experimente mit einem T-förmigen Mikromischer mit zwei Paaren von 45°-Parallelogramm-Barrieren im Mischkanal, die zur Verbesserung der Mischwirkung und Reduzierung der Erwärmung im elektrischen Feld verwendet werden. C.-H. Tai et al., "Micromixer utilizing electrokinetic instability-induced shedding effet", Electro Phoresis 2006, 27, p. 4982-4990 describe experiments using a T-shaped micromixer with two pairs of 45 ° parallelogram barriers in the mixing channel used to improve mixing efficiency and reduce heating in the electric field.

Aus P. B. Howell et al., "A microfluidic mixer with grooves placed an the top and bottom of the channel", Lab Chip, 2005, S. 524 bis 530 ist ein mikrofluidischer Mischer bekannt, bei dem die oberen und unteren Wandungen von rechteckförmigen Kanälen mit Rillen versehen sind, um Störungen und Wirbel zu erzeugen. Es wird das Auftreten eines Entmischungseffekts beschrieben, siehe a.a.O., Seite 529, linke Spalte.Out PB Howell et al., "A microfluidic mixer with grooves placed at the top and bottom of the channel", Lab Chip, 2005, pp. 524-530 For example, a microfluidic mixer is known in which the upper and lower walls of rectangular channels are grooved to create perturbations and vortices. The occurrence of a segregation effect is described, see above, page 529, left column.

Sogenannte Riblets, die für die Gestaltung von in Fluidkontakt stehenden Oberflächen eingesetzt werden und parallel zu ihrer Längsachse angeströmt werden, bewirken eine Verminderung des Reibungswiderstandes auf turbulent überströmten Oberflächen. Üblicherweise sind sie (bei vorgesehener Umströmung durch Wasser) 0,02 bis 0,2 mm hoch und ihre Scheitelpunkte im Abstand ihrer Höhe angeordnet. Bei entsprechender Auslegung wirken sie als hydraulisch glatte Elemente und vermindern angeblich bis zu 10 % der Wandreibung bei entwickelten turbulenten Strömungen, also Reynoldszahlen über etwa 10.000. Im entgegengesetzten Extremfall von Re < 1 können derartige Rillen zur chaotischen Mischung führen.So-called Riblets for the design of surfaces in fluid contact is used be and parallel to its longitudinal axis flows against be, cause a reduction of the frictional resistance on turbulent surfaces overflowed. Usually are they (with intended flow around by water) from 0.02 to 0.2 mm high and their vertices spaced apart their height arranged. With appropriate design, they act as hydraulic smooth elements and allegedly reduce up to 10% of wall friction in developed turbulent flows, so Reynolds numbers about 10,000. In the opposite extreme case of Re <1, such grooves can become chaotic Lead mixture.

Bisher wurden somit bei Mikrofluidikvorrichtungen nur statische Mischer eingebaut, was den Weg zu Hochleistungsanwendungen verschloss. Die benötigten Kanallängen konnten nur durch aufwändige Designgeometrien eingeschränkt werden und eine getrennte Pumpvorrichtung war erforderlich.So far Thus, in microfluidic devices, only static mixers were used built in, which closed the way to high performance applications. The required channel lengths could only by consuming Design geometries restricted and a separate pumping device was required.

Zu den wichtigsten Aktuator-Aufgaben, denen auch die Ventilbetätigung zuzurechnen ist, gehört in Mikrofluidik-Geräten der Antrieb des Fluidmediums. Bei sehr engen Kanälen steigt der notwendige Druck sehr schnell, nämlich mit der inversen vierten Potenz des hydraulischen Durchmessers bei gegebenem Massenstrom, siehe P. Tabling, "Introduction to Microfluidics", S. 85, Oxford, 2005 . Antriebe, die auf das Fluid direkt mechanisch, d.h. durch Druck- oder mechanische Verschiebung, einwirken, werden deswegen durch andere (elektromagnetische, elektrostatische, akustische usw., siehe oben) Aktuatorkonzepte bei weitgehender Miniaturisierung ersetzt. Die höchsten Druckdifferenzen oder Massenflüsse, die bislang in der Mikrofluidik erzeugt werden konnten, wurden indessen mittels mechanischer Aktuatoren erzielt. Bei dieser am meisten verbreiteten Art des Mikroantriebs ist es üblich, regelmäßig schwingende Flächen mit elektromagnetischem oder Piezoantrieb zu verwenden, die wenigstens eine der größeren Wände einer Pumpkammer darstellen. Als Pumpkammer kann der Aktuatorbereich in dem vom beförderten Fluid besetzten Volumen bezeichnet werden, wenn weitere funktionale Elemente wie Mischer und Ventile räumlich getrennt davon sind. Bekannt sind aber auch Konstruktionen, die unmittelbar im Aktuatorbereich auch Misch- oder Ventilfunktionen bewerkstelligen.One of the most important actuator tasks, which also includes valve actuation, is the drive of the fluid medium in microfluidic devices. For very narrow channels, the necessary pressure increases very quickly, namely with the inverse fourth power of the hydraulic diameter at a given mass flow, see P. Tabling, "Introduction to Microfluidics," p. 85, Oxford, 2005 , Actuators that act on the fluid directly mechanically, ie by pressure or mechanical displacement, are therefore replaced by other (electromagnetic, electrostatic, acoustic, etc., see above) actuator concepts with extensive miniaturization. Meanwhile, the highest pressure differences or mass fluxes that could be produced in microfluidics were achieved by means of mechanical actuators. In this most common type of microdrive, it is common practice to use electromagnetic or piezoelectric vibrating surfaces which are at least one of the larger walls of a pumping chamber. As the pumping chamber, the actuator area in the volume occupied by the conveyed fluid can be designated, if other functional elements such as mixers and valves are spatially separate therefrom. However, constructions are also known which accomplish mixing or valve functions directly in the actuator area.

Um die von solchen Membranen erzeugte, rein oszillatorische Antriebsbewegung ohne zeitgemittelten Massenfluss in eine gerichtete Fluidbewegung umzuwandeln, werden entweder Mikroventilsysteme oder ventillose Pumpkonzepte eingesetzt. Ziel ist dabei eine Stromrektifikation, d.h. das Fluid wird im Durchschnitt in eine vorbestimmte Richtung befördert. Die effektiv beförderte Fluidmenge der zeitgemittelten Strömung ist von der Kanalgeometrie und der applizierten Amplitude und Frequenz der Oszillationen stark und nichtlinear abhängig. Bei den ventillosen Mikropumpen kann eine Änderung der Antriebskraft sogar die Richtung der zeitgemittelten Strömung umkehren, siehe N.-T. Ngyuen und S. T. Wereley, a.a.O., S. 310 ).In order to convert the pure oscillatory drive movement generated by such membranes into a directed fluid movement without time-averaged mass flow, either microvalve systems or valveless pump concepts are used. The goal is a Stromrektifikation, ie the fluid is transported on average in a predetermined direction. The effectively conveyed fluid quantity of the time-averaged flow is strongly and non-linearly dependent on the channel geometry and the applied amplitude and frequency of the oscillations. In the case of the valveless micropumps, a change in the driving force may even reverse the direction of the time-averaged flow, see N.-T. Ngyuen and ST Wereley, op. Cit., P. 310 ).

In der DE 42 23 019 C1 ist eine ventillose Mikropumpe beschrieben, die mittels photolithographischer Herstellungsverfahren mit Halbleitermaterialien hergestellt werden kann. Die Mikropumpe umfasst eine oszillierende Aktuatorvorrichtung in der Kanalwand, wobei der von dem Fluid durchströmte Bereich der Mikropumpe wenigstens einen spaltartigen Bereich umfasst, der auch die Form einer spaltartigen Öffnung haben kann und dort eine in strömungstechnischer Hinsicht anisotrope Struktur aufweist. Die Abmessungen der anisotropen Struktur sind deutlich kleiner als die des Kanalquerschnitts, zum Teil kann die anisotrope Struktur auch versenkt in bezug auf die Kanalwand ausgeführt sein. Durch den in der erwünschten effektiven Strömungsrichtung geringeren Strömungswiderstand soll die von der Aktuatorvorrichtung erzwungene Hin- und Herbewegung des Fluids in eine Nettopumpwirkung umgesetzt werden. Eine Anwendung auf das Mischen von Fluiden oder verschiedenen Phasen ist nicht beschrieben. Ebenso findet sich kein Hinweis auf den Reynoldszahlenbereich, in dem die Mikropumpe arbeiten soll. Dabei ist dem Fachkundigen bekannt, dass die beanspruchte Wirkung – ein Nettofluss bei Wechselströmung mit unterschiedlichem Widerstand je nach Strömungsrichtung, sogenannte partielle Rektifikation – durch Inertialeffekte nur im Bereich ausreichend hoher Reynoldszahlen entstehen kann, d.h. die beschriebene Vorrichtung würde bei den zur Zeit der Beschreibung bekannten Anwendungen zumindest bei Newtonschen Fluiden nicht wirksam sein.In the DE 42 23 019 C1 is described a valveless micropump, which can be prepared by means of photolithographic manufacturing process with semiconductor materials. The micropump comprises an oscillating actuator device in the channel wall, wherein the area of the micropump through which the fluid flows comprises at least one gap-like region, which may also have the shape of a gap-like opening and there has an aerodynamically anisotropic structure. The dimensions of the anisotropic structure are significantly smaller than those of the channel cross section, in part, the anisotropic structure can also be designed sunk with respect to the channel wall. By virtue of the lower flow resistance in the desired effective flow direction, the reciprocation of the fluid forced by the actuator device should be converted into a net pumping action. An application to the mixing of fluids or different phases is not described. There is also no indication of the Reynolds number range in which the micropump should work. It is known to those skilled in the art that the claimed effect - a net flow with alternating flow with different resistance depending on the direction of flow, so-called partial rectification - by inertial effects can only occur in the range of sufficiently high Reynolds numbers, ie the device described would be in the applications known at the time of description at least not be effective with Newtonian fluids.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischvorrichtung zu schaffen, die eine hohe Mischeffizienz bei vertretbarem Energieaufwand aufweist und wenig Raum benötigt sowie kostengünstig realisierbar ist.The invention has for its object to provide a mixing device, which has a high mixing efficiency at a reasonable energy consumption points and requires little space and is inexpensive to implement.

Diese Aufgabe ist bei einer Mischvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.These Task is with a mixing device with the features of the claim 1 solved. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.

Eine Mischvorrichtung für Fluidmischungen gemäß der Erfindung umfasst somit einen Kanal oder ein Kanalsystem mit drei oder mehr Öffnungen, wobei der Kanal bzw. das Kanalsystem einen Misch- und Transportraum bildet, und mindestens einen Aktua tor, der auf das Fluid im Misch- und Transportraum unmittelbar in einem oder mehreren Aktuatorbereichen dieses Raums einwirkt. Im Misch- und Transportraum weist der Kanalwandverlauf in bezug auf die Kanalhauptachse zumindest bereichsweise asymmetrische Widerstandselemente bzw. Unebenheiten auf, wobei die Abmessung der asymmetrischen Widerstandselemente in der Größenordnung vergleichbar mit mindestens einer der Kanalquerschnittsabmessungen ist. Es werden durch den Aktuator Flussraten mit einer Reynoldszahl im Bereich von 50 bis 5.000 erzeugt. Die Reynoldszahl wird dabei basierend auf der maximalen momentanen Flussrate und der genannten Querschnittsabmessung bestimmt. Im Kanal wird ein kontrollierter zeitperiodischer Druckverlauf erzeugt.A Mixing device for Fluid mixtures according to the invention thus comprises a channel or channel system with three or more openings, wherein the channel or the channel system a mixing and transport space forms at least one Aktua tor, which on the fluid in the mixed and transport space directly in one or more actuator areas this space acts. In the mixing and transport room has the channel wall with respect to the channel main axis at least partially asymmetric Resistance elements or unevenness, wherein the dimension of the asymmetric resistance elements of the order comparable to is at least one of the channel cross-sectional dimensions. It will through the actuator flow rates with a Reynolds number in the range of 50 to 5,000 generated. The Reynolds number is based on the maximum instantaneous flow rate and cross-sectional dimension certainly. In the channel is a controlled time-periodic pressure curve generated.

Ein Hauptmerkmal einer Mischvorrichtung gemäß der Erfindung ist die mehrfache Durchströmung desselben Kanalabschnitts durch dasselbe Fluidvolumen. Dadurch können sowohl die Dauer als auch die maximale Intensität der Durchmischung je nach Bedarf und verfahrenstechnischen Einschränkungen (z.B. für die minimale Mischrate des Gemischs oder für die maximale lokale Scherrate bei empfindlichen Substanzen oder gar umgekehrt die minimale durchschnittliche Scherrate, wenn eine Zertrümmerung von Klumpen oder Zellen erwünscht ist) allein durch Regelung des Antriebs angepasst werden, ohne die Vorrichtung neu dimensionieren zu müssen. Des weiteren kann die mehrfache Durchströmung desselben Kanals für eine Verkleinerung der Mischvorrichtung genutzt werden.One The main feature of a mixing device according to the invention is the multiple flow the same channel section by the same volume of fluid. This can both the duration as well as the maximum intensity of the mixing depending on Demand and procedural constraints (e.g., for the minimum Mixed rate of the mixture or for the maximum local shear rate for sensitive substances or even the minimum average shear rate, if any destruction of lumps or cells desired is) to be adjusted solely by regulation of the drive, without the To resize the device. Furthermore, the multiple flow same channel for a reduction of the mixing device can be used.

Es können mit der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung zwei oder mehr Fluide miteinander gemischt werden, ebenso kann aber auch einem Fluid eine Phase (z.B. Gas oder kleine Festkörper in eine Trägerflüssigkeit) zugemischt werden, Lösungen gemischt werden. Besonders bei schwer miteinander vermischbaren Phasen hat die erfindungsgemäße Mischvorrichtung mit ihrer oszillierenden Strömungsführung und der Möglichkeit, scharfeckige Stauzonen zu minimieren, große Vorteile in bezug auf eine Vermeidung oder Minderung von Ablagerungen im Mischkanal. Es kön nen beispielsweise eine Dispersion von in einem Trägerfluid suspendierten Partikeln erzielt werden, schwer mischbare Komponenten homogenisiert werden, die Wärmeübertragung zwischen gegenüberliegenden Kanalwänden verbessert werden. Letzteres kann durch eine Erhöhung der zeitgemittelten Nusseltzahl auf mindestens das Doppelte im Vergleich zu bekannten Wärmetauscherkanalgeometrien quantifiziert werden, die üblicherweise mit rechteckigen Widerstandselementen ausgestattet sind.It can with the mixing device according to the invention two or more fluids are mixed together, but so can Also a fluid a phase (for example, gas or small solids in a Carrier fluid) be mixed, solutions be mixed. Especially with difficult to mix with each other Phases has the mixing device according to the invention with its oscillating flow guidance and The possibility, To minimize sharp-cornered congestion zones, great advantages in terms of one Avoidance or reduction of deposits in the mixing channel. It can Kings, for example a dispersion of in a carrier fluid suspended particles are obtained, difficult to mix components be homogenized, the heat transfer between opposite Canal walls improved become. The latter can be achieved by increasing the time-averaged Nusselt number at least twice compared to known heat exchanger channel geometries be quantified, usually equipped with rectangular resistor elements.

Die Fluidbeförderung (Einführung der zu vermischenden Fluide, mehrfaches Durchströmen der Mischkanäle mit zeitlich wechselnder Abführung des fertigen Gemischs) wird hauptsächlich durch Druckgradienten bewerkstelligt, ohne weitere Antriebsmechanismen auszuschließen, die als Verstärker oder reibungswiderstandsmindernd wirken können. Für die Erzeugung von zeitabhängigen Druckgradienten können als Aktuator bzw. Aktuatoren verschiedene Elemente eingesetzt werden, beispielsweise Membranen, die durch ein Piezostack oder elektromagnetisch bewegt werden, Ballons (thermisch aktuierte Ventilsysteme mit Ein- und Aus-Betätigung), peristaltische Antriebe. Die Auslegung und Steuerung der Aktuatoren erfolgt entsprechend den Kanalabmessungen und der Kanalführung, ferner auch abhängig von den zusammenzuführenden Stoffen sowie dem Hauptziel der jeweiligen Vorrichtung (Transport, Mischen, Dissoziieren, etc.). Durch einfache und präzise Steuerung des Antriebs können so gleichzeitig oder zeitlich getrennt zwei unterschiedliche mikrofluidische Operationen wie zuvor aufgeführt durchgeführt werden, nämlich reines Mischen und die Fluidförderung.The fluid transfer (Introduction the fluids to be mixed, multiple passage of the mixing channels with time changing exhaustion of the final mixture) is mainly due to pressure gradients accomplished without excluding further drive mechanisms, the as an amplifier or friction-reducing effect. For the generation of time-dependent pressure gradients as Actuator or actuators used different elements, For example, diaphragms that are powered by a piezoelectric stack or electromagnetically balloons (thermally actuated valve systems with on and off actuation), peristaltic drives. The design and control of the actuators takes place according to the channel dimensions and the ducting, also also dependent on the merging Substances and the main objective of each device (transport, Mixing, dissociating, etc.). By simple and precise control of the drive can so simultaneously or separately in time two different microfluidic Operations as listed above carried out be, namely pure mixing and fluid delivery.

Die Kanalführung ist so, dass die Zuführung von Fluid durch Öffnungen des Kanals bzw. Kanalsystems, beispielsweise Zuleitungen, erfolgt und dass das Fluid aus diesem wiederum durch eine Öffnung bzw. Ableitung abgeführt wird. Der Kanal kann dabei einen geradlinigen, aber auch einen gekrümmten Verlauf haben. Die Mikrokanäle der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung können unterschiedliche Querschnittsgeometrien aufweisen, insbesondere nicht nur schlitzförmig sein. Sie können z.B. auch einen etwa rechteckigen Querschnitt mit unterschiedlichen (auch gleichen) Seitenlängen, aber auch einen abgerundeten oder sogar kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Die Mischung kann – bei erfindungsgemäßer Fluidführung und insbesondere Einstellung der gemittelten Reynoldszahl – im gesamten Kanalquerschnitt stattfinden.The ducting is such that the feeder of Fluid through openings the channel or channel system, for example leads, takes place and that the fluid from this in turn through an opening or Dissipation dissipated becomes. The channel can be a straight line, but also a curved course to have. The microchannels the mixing device according to the invention can have different cross-sectional geometries, especially not only slit-shaped be. You can e.g. also an approximately rectangular cross-section with different (also same) side lengths, but also have a rounded or even circular cross-section. The mixture can - at inventive fluid guide and in particular adjustment of the average Reynolds number - throughout Channel cross section take place.

Neben der Wirkung der durch die Widerstandselemente erregten Wirbel quer zur Hauptströmungsrichtung kann eine weitere Verbesserung – insbesondere sehr gute Mikromischung – durch dünnere Wirbel erzielt werden, deren Achsen mit kleinem Winkel zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtet sind. Bei kurzen und geraden Kanälen können diese extern, bei gekrümmten Kanälen auch durch die Führung der Kanalachse angeregt werden.In addition to the effect of the excited by the resistive elements vortex transverse to the main flow direction, a further improvement - especially very good micromixing - can be achieved by thinner vortex whose axes are aligned at a small angle to the main flow direction. For short and straight channels, these can externally, in curved channels also be excited by the leadership of the channel axis.

Den Hauptbeitrag zur Mischung tragen querstehende Wirbelstrukturen bei – sowohl solche, die über die ganze Kanalbreite greifen, als auch kleinere, die schräg ausgelegte Teile der Widerstandselemente "abputzen". Diese Strukturen werden dadurch erregt, dass im Parameterbereich von Reynoldszahlen zwischen 50 und 5.000 ein kürzerer Kanal mehrfach durchströmt wird, wodurch die Längenabmessung, ferner auch der Widerstand und die Vorrichtungsabmessungen beträchtlich reduziert werden können.The The main contribution to mixing is due to transverse vortex structures - both those that over the whole width of the channel, as well as smaller, the obliquely designed Parts of the resistance elements "clean". These structures are excited by the fact that in the parameter range of Reynolds numbers between 50 and 5,000 a shorter one Channel flows through several times is, whereby the length dimension, further also the resistance and the device dimensions considerably can be reduced.

Im Bereich hohen Durchsatzes wirkt sich vorteilhaft aus, dass keine schließenden Ventile für den Pumpvorgang benötigt werden (auch wenn solche im Zusammenhang mit der Gesamthydraulik und -strömungsführung bei komplexeren Anlagen notwendig sein können, im Bereich der Mischvorrichtung jedoch nicht unbedingt vorhanden sein müssen), sondern es sich aufgrund der Rektifikationswirkung um eine Düsenvorrichtung handelt. Der oder die Kanäle mit ihren Widerstandselementen dienen dabei als Effektorteil der Vorrichtung, wobei sie je nach Anwendung als (Mikro-)Mischer, (Mikro-)Dispergierer etc. wirksam sind. Durch entsprechende Auslegung und Steuerung der Aktuatoren können beide Parameterbereiche (Pumpen, reines Mischen) in einer Kon struktion, zu verschiedenen Zeiten sogar in einem Mischkanal realisiert werden. Über die Amplitude der Aktuator-Oszillationen können die Richtung und Menge des Fluidtransports bis zur reinen Mischung ohne Netto-Transport kontrolliert werden. So lassen sich Mischvorgänge bei der Klein- und Mikroverfahrenstechnik bei reduzierter Kanallänge intensivieren und genauer steuern.in the High throughput range has an advantageous effect that no closing Valves for needed the pumping process (even if they are related to total hydraulics and flow guide at More complex systems may be necessary in the field of mixing device but not necessarily exist), but it is due to the rectification effect is about a nozzle device. Of the or the channels with their resistance elements serve as Effektorteil the Device, depending on the application as (micro) mixer, (micro) disperser etc. are effective. By appropriate design and control of Actuators can both parameter ranges (pumps, pure mixing) in a con struction different times even be realized in a mixing channel. About the Amplitude of actuator oscillations can change the direction and amount of Fluid transport controlled to pure mixture without net transport become. This allows mixing operations intensify in small and micro process engineering with reduced channel length and more precisely.

Wichtig ist, dass die auf der Kanalwandung vorgesehenen Widerstandselemente, Unebenheiten (Riblets) bzw. Barrieren asymmetrisch in bezug auf die Kanalhauptachse sind. Die Abmessungen dieser Widerstandselemente liegen in der Größenordnung mindestens einer der Querschnittsabmessungen. Der unterschiedliche Widerstand je nach Strömungsrichtung führt dazu, dass abhängig von den gewählten Betriebsbedingungen, der Dimensionierung und Gestalt der Widerstandselemente die Durchströmung der Mischvorrichtung zu einer partiellen Rektifikation führt, d.h. neben einer Hin- und Herbewegung des Fluids der Fluss mehr in Vorwärtsrichtung erfolgt. Über einer bestimmten Reynoldszahl hat dieser periodische Strömungsverlauf einen nicht unerheblichen Durchschnittswert über die Zeit. Es entsteht so neben dem Mischeffekt eine partielle Rektifikation, deren Effizienz über 10 % sein kann. Die Rektifikation kann gezielt zur weiteren Minderung von Raumverbrauch und Kosten eingesetzt werden. Durch die Anordnung und Auslegung der Widerstandselemente wird auch verhindert, dass diese wie herkömmlich eingesetzte Gräten- oder Rillenmuster wirken.Important is that the resistor elements provided on the channel wall, Unevenness (riblets) or barriers asymmetric with respect to Channel main axis are. The dimensions of these resistor elements are at least on the order of magnitude one of the cross-sectional dimensions. The different resistance depending on the direction of flow leads to, that dependent from the chosen ones Operating conditions, the dimensioning and shape of the resistive elements the flow the mixing device leads to a partial rectification, i. in addition to a back and forth movement of the fluid, the flow is more in the forward direction. About one certain Reynolds number has this periodic flow a not insignificant average value over time. It arises like this in addition to the mixing effect, a partial rectification whose efficiency exceeds 10% can be. The rectification can be targeted for further reduction of space consumption and costs are used. By the arrangement and design of the resistive elements will also prevent that these as usual used fish bone or groove patterns act.

Vorzugsweise werden zumindest drei und bevorzugt mindestens sechs und weiter bevorzugt mindestens zehn Widerstandselemente entlang der Hauptachse des Kanals und damit der durchschnittlichen lokalen Strömung auf einer oder mehreren Kanalwänden bzw. Kanalumfangsbereichen eingesetzt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Zeitperiode des Aktuatorantriebs (bei modulierten Oszillationen – die Trägerfrequenz) außerdem länger als die Zeit gewählt, die das Fluid (mit seiner gemittelten Strömungsgeschwindigkeit) für das Passieren von einem, vorzugsweise aber mehreren Widerstandselementen benötigt. Dies gewährleistet, dass der Strömungswiderstand nicht durch eine überhöhte Aktuatorfrequenz zu hoch wird und der Wirkungsgrad der Vorrichtung ausreichend hoch bleibt.Preferably be at least three and preferably at least six and further preferably at least ten resistance elements along the major axis of the channel and thus the average local flow one or more channel walls or channel perimeter areas used. In a preferred embodiment The present invention is the time period of the actuator drive (at modulated oscillations - the Carrier frequency) Furthermore longer chosen as the time the fluid (with its averaged flow rate) for passing of one, but preferably several resistor elements needed. This guaranteed that the flow resistance not by an excessive actuator frequency too becomes high and the efficiency of the device sufficiently high remains.

Dadurch, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich von in der Mikrofluidik als hoch bezeichneten Reynoldszahlen, etwa Re > 50, arbeitet, kann deren Funktion gezielter eingestellt werden und eine gute Durchmischung durch Inertionseffekte oder zeitabhängige Aufwirbelung gesichert werden. Es ist möglich, zugleich zu mischen und zu transportieren, oder die Fluide bzw. Fluidanteile können im Kanal für effektives Mischen, Dispergieren, etc. gehalten und dann erst weiter transportiert werden. Dies kann mit zusätzlichen, für den Fluidtransport allein vorgesehenen Pumpelementen erreicht werden, aber auch ohne Anwendung weiterer Elemente neben den für den Mischvorgang vorgesehenen Aktuatoren, indem die Aktuatoren zum Austausch des im Mischer befindlichen Fluids erst eine Hin- und Herbewegung des Fluids mit etwas höheren Reynoldszahlen herbeiführen, wobei ein partieller Rektifikationseffekt eintritt, nach dem gegebenenfalls teilweisen Austausch des Fluids aber vorübergehend eine geringere Strömungsgeschwindigkeit erzeugen, so dass sich eine geringe Strömungsdifferenz zwischen dem Fluss zu und von dem Aktuatorbereich ergibt und der Rektifikationseffekt wegfällt. Das Fluid hält sich dann ausreichend lang im Mischkanal auf und wird gut vermischt. Die Vorrichtung arbeitet dann nur als Mischer, Dispergierer, etc. mit der gewünschten Dehnungs-, Scherungs- und Dispersionsrate dynamisch angepasst, transportiert aber das Fluid nicht wirksam. Die Bildung von Ablagerungen kann bereits in diesem Betriebsregime durch die wechselnde Strömungsrichtung und geeignete Auslegung der Mischelemente vermindert werden. Wird die Pumpleistung wieder gezielt erhöht, fließt das gemischte Fluid nach einer ausreichenden Anzahl von Strömungszyklen und mit überwiegendem Volumenanteil aus der Vorrichtung ab. Durch zeitliche Steuerung des Druckverlaufs kann so die Betriebsart der Vorrichtung geändert werden, so dass diese praktisch mehrstufig arbeiten kann.Due to the fact that the device according to the invention operates in the range of Reynolds numbers which are designated as high in microfluidics, for example Re> 50, their function can be set in a more targeted manner and a good mixing by inertion effects or time-dependent fluidization can be ensured. It is possible to mix and transport at the same time, or the fluids or fluid fractions can be kept in the channel for effective mixing, dispersing, etc. and then transported further. This can be achieved with additional, provided for the fluid transport pumping elements alone, but also without the use of other elements in addition to the intended for the mixing actuators by the actuators to replace the fluid in the mixer until a reciprocating motion of the fluid with slightly higher Reynolds numbers bring about a partial rectification effect, but after the partial replacement of the fluid but temporarily produce a lower flow velocity, so that there is a small flow difference between the flow to and from the Aktuatorbereich and the rectification effect is eliminated. The fluid then stays in the mixing channel for a sufficient time and mixes well. The device then works dynamically only as a mixer, disperser, etc. with the desired rate of elongation, shear, and dispersion, but does not effectively transport the fluid. The formation of deposits can already be reduced in this operating regime by the changing flow direction and appropriate design of the mixing elements. If the pumping power is purposefully increased again, the mixed fluid flows out of the device after a sufficient number of flow cycles and with a predominant volume fraction. By temporal control of the pressure curve so the mode of operation of the device can be changed so that they work practically multi-stage can.

Die Höhe der in bezug auf die Kanalhauptache asymmetrischen Unebenheiten bzw. Widerstandselemente auf mindestens einer Wand eines jeden Mischkanals ist zweckmäßig mit dem halben Kanaldurchmesser bzw. Kanalbreite/höhe vergleichbar. Sie sollte 10 % dieser Abmessungen nicht unterschreiten und 190 % nicht überschreiten (bei erwünschtem wesentlichen Pumpeffekt von 100 %).The height of with respect to the channel main axis asymmetric unevenness or Resistance elements on at least one wall of each mixing channel is useful with the half channel diameter or channel width / height comparable. she should Do not fall below 10% of these dimensions and do not exceed 190% (if desired significant pumping effect of 100%).

Durch die Strömungsanregung seitens dieser Elemente erst wird eine effektive Mischung bzw. Förderung des Fluids erzielt, zu der es ansonsten bei zu klein ausgeführtem Profil der Widerstandsselemente nicht kommt. Andererseits ist die Querschnittsverengung bzw. -änderung durch die Widerstandselemente auch nicht derart, dass sich eine turbulente Strömung mit großer Strömungsgeschwindigkeit und/oder verhältnismäßig hohem Strömungswiderstand ergibt. Bei erfindungsgemäßer Auslegung und Betrieb der Mischvorrichtung üben die Kanäle in der Regel keinen größeren Widerstand (durch Reibungs- und Druckverluste) als ein Kanal mit konstantem Querschnitt aus, der dem kleinsten Querschnitt des entsprechen Mischkanals gleich ist.By the current excitation on the part of these elements only becomes an effective mix or promotion achieved the fluid to which it otherwise in too small profile executed the resistance elements does not come. On the other hand, the cross-sectional constriction or change by the resistance elements also not such that a turbulent flow with big ones flow rate and / or relatively high flow resistance results. In the inventive design and operation of the mixing device, the channels usually do not exert much resistance (by friction and pressure losses) as a channel with constant Cross section, which is the smallest cross section of the corresponding mixing channel is equal to.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die asymmetrischen Widerstandselemente ein Profil auf, das in einer der beiden Hauptströmungsrichtungen Düsenwirkung bzw. in der entgegengesetzten Strömungsrichtung eine Diffusorwirkung hat. Das Profil der asymmetrischen Widerstandselemente kann auch entlang der Kanalhauptachse unterschiedlich sein. Es muss eine Strömungsrektifikation etwa ab Re > 200 ermöglichen, gegenbenfalls auch bei niedrigeren Reynoldszahlen (nach der engsten Kanalhöhe).According to one advantageous embodiment of the Invention, the asymmetric resistance elements profile on, in one of the two main flow directions nozzle action or in the opposite direction of flow a diffuser effect Has. The profile of the asymmetric resistance elements can also be different along the main channel axis. It has to be a flow rectification about Re> 200 allow, by the way even at lower Reynolds numbers (after the narrowest channel height).

Vorzugsweise ist der Abstand der asymmetrischen Widerstandselemente in bezug auf die Kanalhauptachse ein Vielfaches der Höhe der Widerstandselemente. Bei mehreckigen Kanalquerschnit ten ist es vorteilhaft, bei Misch- und Scherungsvorgängen die Anordnung der asymmetrischen Widerstandselemente paarweise gegenüberliegend zu gestalten. Bei Anwendungen, die auf effektive Wärmeübertragung quer zur Strömung abgestellt sind, kann eine einseitige Anordnung vorteilhaft sein.Preferably is the distance of the asymmetric resistance elements with respect on the channel main axis a multiple of the height of the resistance elements. In polygonal Kanalquerschnit th it is advantageous in mixed and shear processes the arrangement of the asymmetric resistance elements in pairs opposite to design. For applications that rely on effective heat transfer across the flow turned off, a one-sided arrangement may be advantageous.

Der Neigungswinkel zur Kanalhauptachse wird für die Widerstandselemente, gegebenenfalls auch für jedes einzelne Widerstandselement in einem Mischkanal bei der Profilauslegung in Abhängigkeit von der Betriebspunkt-Reynoldszahl bestimmt. Dieser Winkel nimmt in der Regel mit steigender Reynoldszahl ab. In Transversalrichtung, d.h. quer zur Kanalhauptachse und entlang der Kanalwand, können die Widerstandselemente schräg angebracht oder mit variablem Profil vorgesehen werden.Of the Inclination angle to the channel main axis becomes for the resistance elements, possibly also for each individual resistance element in a mixing channel during profile design dependent on determined by the operating point Reynolds number. This angle is taking usually with increasing Reynolds number. In the transversal direction, i.e. transverse to the channel main axis and along the channel wall, the Resistor elements at an angle attached or provided with a variable profile.

Eine wesentliche Beschränkung bei der Miniaturisierung der Misch- und Pumpvorrichtung bis weit unter 100 μm Kanaldurchmesser besteht in der Gefahr von Stoßwellen bzw. Kavitation bei Gas- bzw. Flüssigkeitsströmungen. Dagegen kann z.B. ein insgesamt erhöhter Druckpegel im hydraulischen System wirken.A significant restriction in the miniaturization of the mixing and pumping device to far below 100 μm channel diameter is in danger of shockwaves or cavitation in gas or liquid flows. In contrast, e.g. an overall increased pressure level in the hydraulic System act.

Eine wie beschrieben ausgelegte Vorrichtung induziert selbst Strömungsoszillationen mit viel höheren Frequenzen als der Antriebsfrequenz. Ihre Zeitspektren sind in der Regel bei Re < 200 von einzelnen Hauptfrequenzen im Bereich 0,01 < f < 0,1 dominiert, wobei aus der dimensionslosen Frequenz der Strouhal-Zahl St die Wirbelablösefrequenz f basiert auf der durch Kanalhöhe und Viskosität definierten Zeitskala bestimmt wird. Bei Re > 600 übertrifft der "Hintergrund"-Pegel der induzierten Strömungsoszillationen die Einzelfrequenzen, die bei niedrigeren Reynoldszahlen zu beobachten sind, wie bei entwickelter Turbulenz. Das Energiespektrum des "Hintergrunds" skaliert wie f–a mit 1 ≤ a ≤ 2. Darüber hinaus ist etwa bei Re > 400 die spontane Entwicklung und Fortdauer von dreidimensionaler Turbulenz zu erwarten, die den Widerstand und die Mischeffizienz weiter erhöht, jedoch nicht um ein Vielfaches, sondern typischerweise um 10 bis 20 %. Sie führt auch keine qua litativen Veränderungen am Energiespektrum der Fluktuationen herbei. Diese Angaben werden bei der Wahl der Reynoldszahl, des Baumaterials und seiner Dicke verwendet, um Resonanzen und übermäßige Geräuschbelastung zu vermeiden.A device designed as described induces even flow oscillations at much higher frequencies than the drive frequency. Their time spectra are usually dominated at Re <200 of individual main frequencies in the range 0.01 <f <0.1, where from the dimensionless frequency of the Strouhal number St the vortex shedding frequency f based on the time scale defined by the channel height and viscosity is determined , At Re> 600, the "background" level of the induced flow oscillations surpasses the single frequencies seen at lower Reynolds numbers, such as with developed turbulence. The energy spectrum of the "background" scales like f -a with 1 ≤ a ≤ 2. Moreover, at about Re> 400 the spontaneous development and continuation of three-dimensional turbulence is expected, which further increases the resistance and the mixing efficiency, but not one Multiples, but typically by 10 to 20%. It also does not cause any qualitative changes in the energy spectrum of the fluctuations. This information is used when choosing the Reynolds number, construction material and thickness to avoid resonances and excessive noise.

Bis zu einer Reynoldszahl im Bereich 500 bis 1.000 (je nach Anwendung und Kanalart) bleibt bei optimaler Gestalt und Dimensionierung der Widerstandselemente der hydraulische Widerstand der Vorrichtung unter dem eines Kanals mit glatten Wänden, der einen Querschnitt hat, der gleich dem kleinsten in der Vorrichtung ist. Da in der Regel bei Re > 600 mit wesentlicher dreidimensionaler Turbulenz zu rechnen ist, wird für diesen Parameterbereich das Design angepasst, indem entweder der Kanalquerschnitt kleiner (näher einem Quadrat oder Kreis und nicht einem Schlitz) oder die Profilhöhe der Widerstandselemente in Transversalrichtung variiert wird. Letzteres dient zur Anregung von in die Strömungsrichtung ausgedehnten und im wesentlichen mit dieser Richtung koaxialen Wirbelstrukturen, die sonst unregelmäßig entstehen. Da diese den Mischvorgang, aber auch die Energiedissipation wesentlich verstärken können (siehe oben), muss ihr Abstand kontrolliert und je nach Einsatz der Vorrichtung unterschiedlich optimiert werden. Die Asymmetrie der einzelnen Widerstandselemente in Hauptströmungsrichtung ist nicht nur für ein ventilloses Pumpen unbedingt notwendig, das je nach Design der Widerstandselemente erst ab Re zwischen 100 und 200 spürbar ist. Sie wird vor allem für die Mischung, insbesondere für eine Dispergierung benötigt, die auch bei niedrigeren Reynoldszahlen effizient (je nach Geometrie bis unter 40, wenn auch nicht optimal) ist.Up to a Reynolds number in the range of 500 to 1000 (depending on application and channel type), with optimum shape and dimensioning of the resistive elements, the hydraulic resistance of the device remains below that of a smooth-walled channel having a cross section equal to the smallest in the device , Since significant three-dimensional turbulence is generally to be expected at Re> 600, the design is adapted for this parameter range by varying either the channel cross-section smaller (closer to a square or circle and not a slot) or the profile height of the resistance elements in the transverse direction. The latter is used to excite in the flow direction and substantially coaxial with this direction vortex structures that otherwise arise irregular. Since these can significantly increase the mixing process as well as the energy dissipation (see above), their spacing must be controlled and optimized differently depending on the use of the device. The asymmetry of the individual resistance elements in the main flow direction is not only essential for valveless pumping, which, depending on the design of the resistance elements, can only be felt from 100 to 200 at Re. It is needed especially for the mixture, in particular for a dispersion, which also at niedri Reynolds numbers are efficient (up to less than 40, depending on geometry, though not optimal).

Beim Transport von Gasen mit spürbarem Knudsen-Effekt (sog. "Slip" an festen Wänden) in sehr kleinen Mikrokanälen kann auch durch Asymmetrie in den Kompressions- und Dekompressionsvorgängen aufgrund der Anordnung der Widerstandselemente ein geringer Pumpeffekt entstehen. Er ist bereits bei niedrigen Flussraten vorhanden, allerdings ist die Rektifikationseffizienz bei luftähnlichen Gasen und laminaren Reynoldszahlen in Mikrokanälen niedrig. Seine Auswirkung ist meistens so, dass ein vorhandener Rektifikationseffekt verstärkt wird. Er muss individuell berechnet und im Design berücksichtigt werden.At the Transport of gases with a noticeable Knudsen effect (so-called "slip" on solid walls) in very small microchannels may also be due to asymmetry in the compression and decompression processes the arrangement of the resistive elements cause a small pumping effect. It is already present at low flow rates, however the rectification efficiency of air-like gases and laminar Reynolds numbers in microchannels low. Its effect is usually that of an existing one Reinforced rectification effect becomes. He must be calculated individually and taken into account in the design become.

Die erreichbare Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Vermischung, Agglomerat-Zerstreuung, usw.) wird bei gegebener Kanallänge nur unter Einsatz einer oszillierenden Strömung erreicht. Wenn die angesteuerten Aktuatoren nur rein harmonische Oszillationen einbringen (wie z.B. bei Piezoelementen in der Nähe ihrer Eigenfrequenz), kann durch den Rektifikationseffekt eine zeitgemittelte Strömung erzeugt werden, deren Amplitude über 10 % der maximalen Strömung in einer Richtung erreichen kann. Durch präzisere Regelung der Oszillation mit einem komplexeren Zeitverlauf noch bei Null Verdrängungsvolumen über eine Zeitperiode) kann dieser Effekt spürbar verbessert werden.The achievable effect of the device according to the invention (mixing, Agglomerate scattering, etc.) is at a given channel length only below Use of an oscillating flow reached. If the driven actuators are purely harmonic Introduce oscillations (as in the case of piezo elements close to them) Natural frequency), the time-averaged flow can be generated by the rectification effect whose amplitude is above 10% of the maximum flow can reach in one direction. By more precise control of the oscillation with a more complex time course even at zero displacement volume over a Time period), this effect can be noticeably improved.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch vorteilhaft zwei Aktuatorbereiche vorgesehen sein, die in Gegenphase mit gleicher Frequenz arbeiten. Für diesen Effekt werden nicht unbedingt zwei Aktuatoren gebraucht. Möglich sind auch Konstruktionen, bei denen ein Aktuator z.B. über Membranen an zwei benachbarte Aktuatorbereiche in Gegenphase gekoppelt ist.at the device according to the invention can It is also advantageous to provide two actuator areas that are in antiphase work with the same frequency. For this effect will not necessarily two actuators needed. Constructions are also possible where an actuator e.g. above Membranes coupled to two adjacent Aktuatorbereiche in antiphase is.

Der Aktuatorantrieb ist zweckmäßig in der Amplitude, Frequenz und/oder Phase änderbar, wobei diese Größen vorzugsweise unabhängig einstellbar sind. Sind mehrere Aktuatoren vorgesehen, ist deren Antrieb vorzugsweise einzeln einstellbar. Ebenso kann eine solche unabhängige Einstellung gewählt werden, wenn stattdessen mehrere Aktuatorbereiche vorgesehen sind. Im Falle mehrerer Aktuatoren oder Aktuatorbereiche kann vorgesehen werden, dass letztere über Verbindungskanäle mit zumindest bereichsweise unebenem Wandverlauf miteinander verbunden sind, wobei wenigstens 20 % der Wandfläche mit unebenem Wandverlauf mit Widerstandselementen versehen sind. Die Aktuatorbereiche können über mehr als einen Weg hydraulisch direkt oder über andere Kanäle in der Mischvorrichtung verbunden sein. Eine ausreichende Mischwirkung wird erreicht, und zwar qualitativ unabhängig davon, ob die Fluidförderung in und aus der Mischvorrichtung zeitgetrennt oder gleichzeitig mit dem Mischvorgang erfolgt und ob diese zum Teil, vollständig oder gar nicht durch dieselben Aktuatoren ausgeführt wird.Of the Actuator drive is appropriate in amplitude, Frequency and / or phase changeable, these sizes preferably independently are adjustable. If several actuators are provided, their is Drive preferably individually adjustable. Likewise, such independent Setting selected be, if instead several actuator areas are provided. In the case of several actuators or actuator areas can be provided that latter over connecting channels connected with at least partially uneven wall course are at least 20% of the wall surface with uneven wall course are provided with resistor elements. The actuator areas can have more as a way hydraulically directly or through other channels in the Be connected mixing device. A sufficient mixing effect is achieved, regardless of whether the fluid delivery in and out of the mixing device time-separated or simultaneously with the mixing process and whether this partial, complete or not executed by the same actuators.

Die durch die Erfindung geschaffene Möglichkeit, das Mischen und das Pumpen in einer Vorrichtung am selben Ort, aber zeitgetrennt durchzuführen, kann genutzt werden, da mit festgelegten Dimensionierungen und Größen gearbeitet wird, so dass Widerstandswerte und die praktisch erreichbaren Parameterbereiche genau bekannt sind. Die Auswirkung der anisotropen Struktur der Widerstandselemente auf die Wirbelbildung wird in Kenntnis der Strömungsverhältnisse (Reynoldszahlenbereich) dazu genutzt, eine damit verbundene Vermischung oder effektive Dispergierung zu erhalten. Zugleich sind die Größe und die Kosten der Vorrichtung verringert und der Aufbau vereinfacht worden. Insbesondere kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf die Verwendung von bei herkömmlichen Mikromischern üblichen komplexen, unregelmäßigen, dreidimensional aus vielen Einzelschichten hergestellten Mischkanälen verzichtet werden.The Possibility created by the invention, the mixing and pumping in a device in the same place, but time-separated perform, can be used because it worked with fixed dimensions and sizes so that resistance values and the practically achievable parameter ranges are known exactly. The effect of the anisotropic structure of the Resistance elements on the vortex formation becomes aware of the flow conditions (Reynoldszahlenbereich) used, an associated mixing or to obtain effective dispersion. At the same time the size and the Cost of the device has been reduced and the construction has been simplified. In particular, in the device according to the invention on the use from at conventional Micromixers usual complex, irregular, three-dimensional omitted mixing channels made of many individual layers become.

Die Zeit und dadurch der Grad der Vermischung werden nicht mehr maßgeblich über die Länge des Kanals, sondern über die präzise steuerbare Anzahl und Amplitude von Aktuator-Oszillationen geregelt und es reichen wesentlich kürzere Kanäle. Bei Flüssigkeiten mit niedrigen Diffusionskoeffizienten einschließlich Lösungen können die Kanäle um Größenordnungen kürzer sein. Bei der Regelung können besonderes bei den nun möglichen sehr kurzen Kanälen auch hohe Frequenzen verwendet und auf die detaillierte Gestaltung der einzelnen Oszillation verzichtet werden, ohne dass die grundlegenden Effekte wesentlich beeinträchtigt werden. Beide letzteren Bemerkungen gelten auch für die neuartigen Anwendungen wie Dispergierung und Zellenzerstörung. Es können so im Vergleich zu herkömmlichen passiven Mischern mit Ribletstrukturen auf der Kanalwand Kanalverkürzungen von beispielsweise 10 cm auf 0,5 cm erreicht und Voraussetzungen für komplexe integrierte Lab-on-Chip-Schemen geschaffen werden.The Time and thus the degree of mixing are no longer relevant to the Length of the Channels, but over the precise one controllable number and amplitude of actuator oscillations regulated and much shorter ones are enough Channels. For liquids With low diffusion coefficients including solutions, the channels can be orders of magnitude shorter be. In the scheme can be special in the now possible very short channels also used high frequencies and on the detailed design the individual oscillation are dispensed without the basic Effects significantly impaired become. Both latter remarks also apply to the novel ones Applications such as dispersion and cell destruction. It can be so compared to conventional passive mixers with riblet structures on the channel wall channel shortenings from, for example, 10 cm to 0.5 cm and conditions for complex integrated lab-on-chip schemes are created.

Die für alle beschriebenen Effekte verantwortlichen Widerstandselemente müssen nicht auf dem Boden des Mischkanals angebracht werden, sondern können auch ein- oder doppelseitig auf den Seitenwänden eines sonst konventionellen Mikrokanals mit rechteckigem Querschnitt vorgesehen werden, was ähnlich dem Bau von ventillosen Mikropumpen und wesentlich einfacher als der übliche Aufbau von Strukturen einseitig auf dem Kanalboden (Substratseite) ist. Auch die einfachsten (und billigsten) Formen von Widerstandskörpern haben eine ausreichende Wirkung. Die Art des oszillierenden Antriebs kann frei gewählt werden.The for all described effects responsible resistor elements do not have to can be mounted on the bottom of the mixing channel, but also can single or double sided on the side walls of an otherwise conventional Microchannels are provided with rectangular cross-section, which is similar to the Construction of valveless micropumps and much easier than the usual construction of Structures is one-sided on the channel bottom (substrate side). Also have the simplest (and cheapest) forms of resistance bodies a sufficient effect. The type of oscillating drive can freely selected become.

Für zumindeste einen Teil des Massentransports in den Mischkanal vor oder während des Mischvorgangs und aus dem Kanal nach oder während des Mischvorgangs kann ein externer Druckgradient vorgesehen werden. Durch einen in der Mischvorrichtung eingebauten, speziell dafür vorgesehenen Antrieb (z.B. weitere Membranpumpen und -ventile, elektrokinetische und elektromagnetische Ventile, Kreiselpumpen, etc.) kann der Transport ebenfalls durchgeführt werden. Es kann auch, muss aber nicht vorgesehen werden, dass die Beförderung der zu vermischenden Fluide und/oder des Gemischs zumindest teilweise durch einen Rektifikationseffekt erfolgt, der in den Mischkanälen der Mischvorrichtung bei geeignet gewählten Betriebsparametern der Aktuatoren entsteht und als Nebeneffekt einer zur Mischung eingesetzten, mit der Zeit periodisch ihre Richtung in die Gegenrichtung wechselnden Fluidbewegung in diesen Mischkanälen zustande kommt.For at least a portion of the mass transport into the mixing channel before or during the Mixing and out of the channel after or during the mixing process can an external pressure gradient can be provided. By one in the Mixing device built-in, specially provided drive (e.g. other diaphragm pumps and valves, electrokinetic and electromagnetic Valves, centrifugal pumps, etc.), the transport can also be carried out. It may also, but does not have to be, that carriage the fluids to be mixed and / or the mixture at least partially by a rectification effect, which in the mixing channels of the Mixing device with suitably selected operating parameters of Actuators is created and as a side effect of a mixture used for mixing periodically changing their direction in the opposite direction Fluid movement in these mixing channels comes about.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichung ist, dass mit einer Vorrichtung (sogar im selben Teil) durch einfache und präzise Steuerung des Antriebs mehr als zwei unterschiedliche verfahrenstechnische Operationen (Transport, Mischen, Dissoziieren, etc.) gleichzeitig oder zeitgetrennt durchgeführt werden können. Sie eignet sich für Aufgaben wie z.B. eine Dispersion von im Trägerfluid suspendierten Partikeln, eine Zerlegung von Zellenpräparaten, Kulturen- und Probenpräparation in Medizin und Biotechnologie, eine Homogenisierung von schwer mischbaren Komponenten, eine verbesserte Übertragung von Wärme oder Konzentration zwischen gegenüberliegenden Kanalwänden, etc. Es können für festgelegte Parameterbereiche hohe Massenflussraten erzielt werden, was z.B. für Kühlvorrichtungen bei Hochleistungselektronik vorteilhaft ist. Zu den mit der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung realisierbaren Anwendungen gehört die Kleinserien-Verfahrenstechnik, ferner auch eine neue, verbesserte "künstlichen Nasen und Zungen"-Technologie, bei der die Verweilzeit, die Ausbreitung erzeugten Reaktionsprodukten und somit schließlich die Empfindlichkeit und Anwendungsbreite solcher Analysegeräte gesteigert werden. Bei entsprechender Auslegung der Konstruktionen können nicht nur eine starke Mischwirkung, sondern auch durchschnittlich hohe Dehnungsraten und örtlich hohe Scherraten erzeugt werden, die zur Dissoziation von Partikelagglomeraten z.B. in der Inhalationstechnik oder zur Bearbeitung von Proben- bzw. Hefezellen durch Aufreißen von Zellmembranen und -strukturen in der Medizin bzw. Biotechnologie mit gleichzeitiger Vermischung und Transport der zu extrahierenden Stoffe in entsprechenden chemisch oder physikalisch homogen funktionierenden Vorrichtungen führen. Anwendungen bei Kraftfahrzeugen, etwa bei Direkteinspritzen von Kraftstoff, sind möglich.One An essential advantage of Vorrichung invention is that with a device (even in the same part) by simple and precise control of the Drive more than two different procedural operations (Transport, mixing, dissociation, etc.) are carried out simultaneously or time-separated can. It is suitable for Tasks such as a dispersion of particles suspended in the carrier fluid, a decomposition of cell preparations, Culture and sample preparation in medicine and biotechnology, a homogenization of difficult to mix Components, improved transmission of heat or concentration between opposite channel walls, etc. It can for fixed Parameter ranges high mass flow rates can be achieved, which is e.g. for cooling devices is advantageous for high power electronics. To those with the mixing device according to the invention realizable applications belongs the small-batch process technology, as well as a new, improved "artificial nose and tongue" technology the residence time, the spread generated reaction products and thus finally increased the sensitivity and scope of such analyzers become. With appropriate design of the structures can not only a strong mixing effect, but also average high Strain rates and local high shear rates are generated, which dissociate particle agglomerates e.g. in the inhalation technique or for processing sample or yeast cells by tearing of cell membranes and structures in medicine or biotechnology with simultaneous mixing and transport of the extractable Substances in corresponding chemically or physically homogeneously functioning Guide devices. Applications in motor vehicles, such as direct injection of Fuel is possible.

Die Erfindung wird im folgenden weiter anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung erläutert, wobei diese Darstellung ebenso wenig wie die Zusammenfassung von Merkmalen in den Unteransprüchen die Erfindung beschränken soll, sondern lediglich zu Erläuterungszwecken dient. In der Zeichnung zeigen:The Invention will continue in the following with reference to embodiments and the drawing explains this representation as well as the summary of Features in the dependent claims to limit the invention but only for explanatory purposes serves. In the drawing show:

1 und 2 zwei Beispiele für entlang der Kanallänge in Hauptstromrichtung in eine Mischvorrichtung gemäß der Erfindung eingebaute Widerstandselemente, 1 and 2 two examples of resistance elements installed along the channel length in the main current direction in a mixing device according to the invention,

3 und 4 eine Veranschaulichung der Mischfunktion der in 1 und 2 gezeigten Widerstandselemente, 3 and 4 an illustration of the mixing function of in 1 and 2 shown resistance elements,

5 Beispiele für typische dimensionslose Kennlinien, die die Abhängigkeit des über die Kanalbreite und in beiden Strömungsrichtungen gemittelten Massenflusses von der angewendeten Druckdifferenz darstellen, 5 Examples of typical dimensionless characteristic curves representing the dependence of the mass flow, averaged over the channel width and in both directions of flow, on the applied pressure difference,

6 und 7 Beispiele für Rektifikationskennlinien, 6 and 7 Examples of rectification characteristics,

8 und 9 Beispiele für Pumpeffizienzkenninien, den den Rektifikationskennlinien von 6 und 7 entsprechen, und 8th and 9 Examples of pump efficiency characteristics corresponding to the rectification characteristics of 6 and 7 correspond, and

10 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Mischvorrichtung, ausgeführt in einer Schnittebene parallel zur Hauptebene des Substrats. 10 a schematic representation of an embodiment of a mixing device, executed in a sectional plane parallel to the main plane of the substrate.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele für Widerstandselemente und deren Vermischungswirkung anhand von 1 bis 4 beschrieben. Bei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform sind in Strömungsrichtung mehrere Widerstandselemente entlang einer Kanalwand angeordnet, von denen nur zwei aufeiander folgende Widerstandselemente 10, 14 gezeigt sind. Des weiteren sind Parameter, insbesondere der Parameter a für Neigung zur Geometriebestimmung mit eingezeichnet. Bei der zweiten Ausführungsform sind entsprechende Widerstandselemente 10, 12 bzw. 14, 16 einander gegenüberliegend in zwei gegenüberliegenden Wänden 6, 8 des Kanals eingebaut. Ihre Gestalt ist asymmetrisch, wobei sie eine bei Strömungsrichtung von links nach rechts zunehmend nach innen geneigte Abschrägung der Länge al und dann einen Abschnitt der Länge bl mit gleichbleibender Höhe 1 aufweisen, der für sich Quadergestalt hat. Die Widerstandselemente bilden so eine Verengung mit Abmessung cl, die eine Düsenwirkung bei höheren Reynoldszahlen hat. Der Abstand zwischen einander nachfolgend angeordneten Widerstandselementen 10, 14 und 12, 16 ist dl. Die Profile der Widerstandselemente können anders als bei diesem Ausführungsbeispiel ausgeführt sein, müssen aber mindestens eine schräge Kante mit Neigung von mindestens a = 1 aufweisen und durch Neigungsunterschiede eine Strömungsrektifikation erlauben. Der Neigungswinkel der Abschrägung beispielsweise muss abhängig von der Betriebspunkt-Reynoldszahl gewählt werden und nimmt mit größer werdender Reynoldszahl ab.In the following two embodiments of resistance elements and their mixing effect based on 1 to 4 described. At the in 1 shown first embodiment, a plurality of resistance elements along a channel wall are arranged in the flow direction, of which only two aufeiander following resistive elements 10 . 14 are shown. Furthermore, parameters, in particular the parameter a for inclination for geometry determination, are also shown. In the second embodiment, corresponding resistance elements 10 . 12 respectively. 14 . 16 Opposite each other in two opposite walls 6 . 8th the channel installed. Their shape is asymmetrical, with a bevel in the direction of flow from left to right increasingly inwardly inclined bevel of length al and then a portion of the length bl with constant height 1 have, which has cuboid shape for itself. The resistance elements thus form a constriction of dimension cl, which has a nozzle effect at higher Reynolds numbers. The distance between successively arranged resistive elements 10 . 14 and 12 . 16 is dl. The profiles of the resistance elements may be designed differently than in this embodiment, but must at least have an oblique edge with a slope of at least a = 1 and allow by inclination differences a flow rectification. For example, the inclination angle of the taper must be selected depending on the operating point Reynolds number and decreases as the Reynolds number increases.

Es sind in 1 und 2 der räumlich periodische Aufbau und die vier Ähnlichkeitsparameter (a, b, c, d) veranschaulicht, die das jeweilige Muster der Widerstandselemente bestimmen. Allgemein kann die Mustergeometrie beliebig komplex, insbesondere auch ohne scharfe Kanten, gestaltet werden, auch ohne in der Hauptströmungsrichtung räumliche Periodizität zu verlangen. Es können unterschiedliche Muster entlang desselben Kanals in gemischter oder getrennter Reihenfolge aufgebaut werden. Es werden Verhältnisse gemieden, die im Fall des hier gegebenen Beispiels b >> 1 oder c >> 1 entsprechen. Insbesondere sollte c nicht 20 überschreiten.There are in 1 and 2 the spatially periodic structure and the four similarity parameters (a, b, c, d), which determine the respective pattern of the resistive elements. Generally, the pattern geometry can be arbitrarily complex, especially without sharp edges, even without requiring spatial periodicity in the main flow direction. Different patterns can be built along the same channel in mixed or separate order. Conditions are avoided which, in the case of the example given here, correspond to b >> 1 or c >> 1. In particular, c should not exceed 20.

3 und 4 zeigen zwei Momentaufnahmen eines Skalarfelds (dunkel: hohe Werte), das der Temperatur in einer Luftströmung im Kanal bei Reynoldszahlen im hier empfohlenen Bereich entspricht. Die Widerstandselemente haben eine düsenartige Wirkung mit instationärer Wirbelbildung im Fluid, gefolgt von Ablösungen, die einen Strömungsverlauf herbeiführen, der zum Teil aus nahezu zeitperiodischen, zum Teil aus aperiodischen (chaotischen) Komponenten besteht. Die gezeigten Momentanaufnahmen veranschaulichen, wie dies die Mischfunktion durch (chaotischen) konvektiven Transport verstärkt. 3 and 4 show two snapshots of a scalar field (dark: high values), which corresponds to the temperature in an air flow in the channel at Reynolds numbers in the recommended range here. The resistance elements have a nozzle-like effect with transient vortex formation in the fluid, followed by separations, which cause a flow, which consists partly of almost periodic, partly of aperiodic (chaotic) components. The instantaneous shots shown illustrate how this enhances the mixing function by (chaotic) convective transport.

Ein Vergleich von 3 und 4, die derselben Geometrie zum selben Zeitpunkt bei demselbem Druckgradienten entsprechen, der aber in entgegengesetzten Richtungen vorgegeben ist, veranschaulicht die Unterschiede, die durch die Richtung der Durchströmung bedingt sind. Durch die asymmetrische Gestalt der Widerstandselemente kann bei oszillierend betriebenem Aktuator eine Strömungsrektifikation erreicht werden. Abhängig von den Betriebsparametern kann der Misch- und Pumpbetrieb ein- und abgeschaltet werden.A comparison of 3 and 4 , which correspond to the same geometry at the same time at the same pressure gradient, but given in opposite directions, illustrates the differences due to the direction of the flow. Due to the asymmetrical shape of the resistance elements, flow rectification can be achieved with an oscillating actuator. Depending on the operating parameters, the mixing and pumping operation can be switched on and off.

5 veranschaulicht die Mischfunktion einer entsprechend den Ausführungsbeispielen von 1 und 2 aufgebauten Vorrichtung, wobei auf der Abszisse die Grasshofzahl Gr (welche die Stärke des Strömungsantriebs, in diesem Fall des vorgegebenen Druckgradienten, in dimensionsloser Form darstellt) und auf der Ordinate die Reynoldszahl Re (welche die räumlich Bemittelte Strömungsgeschwindigkeit zum gewählten Zeitpunkt in dimensionsloser Form darstellt) aufgetragen ist. Es ergeben sich typische dimensionslose Kennlinien, welche die Abhängigkeit des über die Kanalbreite und in beiden Strömungsrichtungen Bemittelten Massenflusses von der angewendeten Druckdifferenz darstellen. Die beiden punktierten Linien zeigen die Kennlinien von flachen Kanälen, die dem minimalen und dem maximalen Querschnitt des Mischkanals und der Annahme einer stationären laminaren Strömung entsprechen. Die untere Kennlinie repräsentiert einen schmalen Kanal mit laminarer Strömung und die obere einen breiten Kanal mit laminarer Strömung. Unterschiedliche Grauwerte entsprechen unterschiedlichen Mischelement-Mustern. 5 illustrates the blending function of one according to the embodiments of FIG 1 and 2 constructed apparatus, wherein on the abscissa the Grasshofzahl Gr (which represents the strength of the flow drive, in this case the predetermined pressure gradient, in dimensionless form) and on the ordinate the Reynolds number Re (which represents the spatially averaged flow velocity at the selected time in dimensionless form) is applied. This results in typical dimensionless characteristic curves, which represent the dependence of the over the channel width and in both directions of flow averaged mass flow of the applied pressure difference. The two dotted lines show the characteristics of shallow channels corresponding to the minimum and maximum cross section of the mixing channel and the assumption of a stationary laminar flow. The lower characteristic represents a narrow channel with laminar flow and the upper one represents a wide channel with laminar flow. Different gray values correspond to different mixing element patterns.

Wie aus 5 ersichtlich ist, ist der hydraulische Widerstand bis zu einer Reynoldszahl von etwa 500 bis 1.000 niedrig. Ab etwa Re > 600 müssen die Kanal- und Widerstandselementgestalt so ausgelegt werden, dass das Entstehen von Turbulenz kontrolliert wird. Bei Pumpaufgaben wird es möglichst verhindert oder reduziert, bei bestimmten Wärmübertragungsaufgaben möglichst verstärkt, auch durch dreidimensonale Aufwirbelung, die in 3 und 4 nicht darstellbar ist. Während bis zu diesem Bereich die Mischfunktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung dominierend ist, liegt ihre Transportfunktion etwa im Bereich Re 500 bis 5.000, insbesondere 600 bis 2.000. Die Fluidmischung erfolgt auch in diesem Betriebsbereich durch Wirbel, die im ganzen Querschnitt des Kanals durchgreifen.How out 5 As can be seen, the hydraulic resistance is low up to a Reynolds number of about 500 to 1,000. From about Re> 600, the channel and resistor element shapes must be designed to control the onset of turbulence. In the case of pumping tasks, it is prevented or reduced as much as possible and intensified as much as possible in the case of certain heat transfer tasks, also by three-dimensional levitation, which in 3 and 4 can not be displayed. While up to this range, the mixing function of the device according to the invention is dominant, its transport function is approximately in the range Re 500 to 5000, in particular 600 to 2000. Fluid mixing also takes place in this operating region by means of vortices that penetrate the entire cross section of the channel.

6 und 7 veranschaulichen Rektifikationslinien, bei denen der Rektifikationsgrad ε (Verhältnis zwischen Netto-Massenfluss räumlich gemitteltem Fluss – eine dimensionslose Größe, die zwangsläufig zwischen 0 und 1 liegt) gegen die Grasshofzahl (siehe oben) aufgetragen ist. Dabei ist ε = ΔRe/2 Re, wobei Re(Gr) = (Re+ + Re)/2 und ΔRe = |Re+ – Re_|, die Reynoldszahl Re = U H/v, die Grasshofzahl Gr = ΔP H3/v2, H die Kanalbreite, v die kinematische Viskosität, U die gemittelte Geschwindigkeit für die Mischelementtypen entsprechend 1 und 2 für a = 5 (oben) und a = 25 (unten) mit unterschiedlichen Grauwerten für unterschiedliche Typen oder c-Werte sind. Die Rektifikationskennlinien geben Hinweise, aber keine konkreten Informationen zum Zusammenhang zwischen der durchgeführten Fluidmenge und der Pumpkraft. Dafür sind sie aber ein unmittelbares Maß für die Energie-Effizienz und damit die Güte der Auslegung. 6 and 7 illustrate rectification lines in which the degree of rectification ε (ratio between net mass flow spatially averaged flow - a dimensionless size, which is necessarily between 0 and 1) is plotted against the Grasshof number (see above). Where ε = ΔRe / 2 Re, where Re (Gr) = (Re + + Re) / 2 and ΔRe = | Re + - Re_ |, the Reynolds number Re = UH / v, the Grasshof number Gr = ΔP H 3 / v 2 , H is the channel width, v is the kinematic viscosity, U is the average velocity for the mixing element types 1 and 2 for a = 5 (top) and a = 25 (bottom) with different gray levels for different types or c-values. The rectification characteristics give hints, but no specific information about the relationship between the amount of fluid carried out and the pumping force. But they are a direct measure of energy efficiency and thus the quality of the design.

Die in 8 und 9 gezeigten Pumpeffizienz-Kennlinien entsprechen den Kennlinien von 6 und 7. Da der Pumpeffekt erst bei hohen Reynoldszahlen entsteht und bei solchen die dimensionslose Kraft Gr etwa mit dem Quadrat der dimensionslosen Geschwindigkeit Re zunimmt, ist diese Art von Kennlinien das richtige Maß für die quantitative Auslegung der Mischvorrichtung. Mit berücksichtigt werden sollte auch die Antriebsfrequenz des bzw. der Aktuatoren, um die zeitabhängigen Widerstände festzulegen.In the 8th and 9 shown pump efficiency curves correspond to the characteristics of 6 and 7 , Since the pumping effect only occurs at high Reynolds numbers and in such cases the dimensionless force Gr increases approximately with the square of the dimensionless velocity Re, this type of characteristic curve is the correct measure for the quantitative design of the mixing device. The drive frequency of the actuator or actuators should also be taken into account in order to determine the time-dependent resistances.

Es ist möglich, für die oben beschriebenen Wirbel in der Hauptströmungsrichtung unter Einsatz experimenteller Untersuchungen und Beobachtungen die 2D-Ergebnisse mit einem geringen Korrekturfaktor (bis 15 % Unterschied) im hier hauptsächlich interessierenden Bereich (600 < Re < 2.000) zu übernehmen. Möglich ist dies erst durch den aufgefundenen einfachen geometrischen Aufbau von Kanal(system) und Widerstandselementen, d.h. dadurch, dass auf herkömmlich komplizierte geometrische Kanalführungen verzichtet werden kann und so die Untersuchungen und dann auch die praktische Ausführung vereinfacht sind. Zugleich ermöglichen die sich ergebenden kürzeren Kanäle eine Verkleinerung der Vorrichtung bzw. weniger mit Flüssigkeit zu befüllendes Totvolumen, und es können höhere Durchsatzraten realisiert werden.It is possible, for the vortex described above in the main flow direction using experimental Investigations and observations the 2D results with a low Correction factor (up to 15% difference) in the main interest here Range (600 <Re <2,000). Possible This is only by the found simple geometric structure of channel (system) and resistive elements, i. in that on conventional complicated geometric canal guides can be dispensed with and so the investigations and then the simplified practical design are. At the same time enable the resulting shorter ones channels a reduction of the device or less with liquid to be filled dead volume, and it can higher Throughput rates can be realized.

Im folgenden wird anhand von 10 ein konkretes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Misch- und Pumpvorrichtung für zwei Flüssigkeiten mit Antiphasen-Doppelaktuator erläutert. 10 zeigt nur einen Schnitt parallel zur Hauptebene des Substrats (schraffiert dargestellt), auf dem die Mikrofluidikvorrichtung aufgebaut ist, wobei die Darstellung auf nur eine Hälfte des symmetrischen Aufbaus beschränkt ist.The following is based on 10 a concrete embodiment of a mixing and pumping device according to the invention for two liquids with anti-phase double actuator explained. 10 shows only a section parallel to the main plane of the substrate (shown hatched), on which the microfluidic device is constructed, wherein the representation is limited to only one half of the symmetrical structure.

Die Mischvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels umfasst je einen Behälter für ein Fluid, von denen der Behälter 40 für das erste Fluid dargestellt ist. Am Behälterausgang befindet sich ein optionales, aktives Ventil 20, das während des Fluidtransports offen ist und nur vor und gegegebenfalls nach dem Pumpvorgang geschlossen ist. Es ist auch ein Betrieb denkbar, bei dem nur das eine der beiden symmetrisch zur gezeichneten Achse A liegenden Ventile für das erste Fluid geschlossen ist. Wenn die Aktuatoren dann im Pumpregime und nicht nur im reinen Mischregime aktiviert werden, erfolgt die Durchspülung der Mischvorrichtung mit dem zweiten, von seinem Ventil nicht aufgehaltenen Fluid.The mixing device of this embodiment each comprises a container for a fluid, of which the container 40 is shown for the first fluid. There is an optional, active valve at the tank outlet 20 , which is open during fluid transport and closed only before and possibly after pumping. It is also an operation conceivable in which only one of the two symmetrically to the drawn axis A lying valves for the first fluid is closed. If the actuators are then activated in the pumping regime and not only in the pure mixing regime, the flushing of the mixing device takes place with the second, not stopped by its valve fluid.

Von dem Ventil 20 aus führt ein Zuleitungskanal 42 zu einem sich erweiternden Einleitungskanalabschnitt 44, der in einen zum Misch- und Transportraum führenden Eintrittskanal 46 mündet. Der Querschnitt des Eintrittskanals 46 ist größer als der aller anderen Kanäle. An den Eintrittskanal 46 schließen sich zwei weitere Kanäle 48 und 50 mit unterschiedlichem Querschnitt an. Die Kanäle 46, 48, 50 sind mit Widerstandselementen 52, 54, 56, 60, 62, 64, 66, 68, 70, etc. versehen, die ähnlich wie in 1 und 2 dargestellt geformt sind. Die Geometrie und Zahl der Widerstandselemente, ebenso auch diejenige der Kanäle bzw. Stufen der Misch- und Transportkammer können anders gewählt werden. Hier veranschaulicht ist, dass Kanäle und Widerstandselemente mit unterschiedlicher Höhe kombiniert werden können. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl von Kanälen oder von Stufen in einem Kanal etwa drei pro Kanal. Die Geometrie der Widerstandselemente (eine Reihe pro Stufe oder wie in der Abbildung gezeigt zwei Widerstandselemente auf Gegenseiten eines Kanals) in jeder einzelnen Stufe können anders ausgebildet sein. Der Kanal 48 führt zu einem Misch- und Sammelbereich 80, der ebenso wie der Kanal 50 mit einem Ableitungskanal 90 verbunden ist.From the valve 20 from leads a supply channel 42 to a widening introduction channel section 44 which enters an inlet channel leading to the mixing and transport space 46 empties. The cross section of the inlet channel 46 is bigger than all other channels. To the entrance channel 46 close two more channels 48 and 50 with different cross section. The channels 46 . 48 . 50 are with resistance elements 52 . 54 . 56 . 60 . 62 . 64 . 66 . 68 . 70 , etc., which are similar to 1 and 2 are shown formed. The geometry and number of resistance elements, as well as those of the channels or stages of the mixing and transport chamber can be chosen differently. Here it is illustrated that channels and resistive elements of different height can be combined. In the embodiment shown, the number of channels or stages in a channel is about three per channel. The geometry of the resistive elements (one row per stage or, as shown in the figure, two resistive elements on opposite sides of a channel) in each individual stage may be designed differently. The channel 48 leads to a mixing and collecting area 80 as well as the channel 50 with a discharge channel 90 connected is.

Die Kanäle 46, 48, 50 einschließlich Sammelbereich 80 bilden den Misch- und Transportbehälter, in dem sowohl der Fluidtransport, als auch der Mischvorgang erfolgen. Auf jeweils einer Seite des Misch- und Transportraums befindet sich ein Aktuator 30. Diese arbeiten in Gegenphase mit gleicher Amplitude und Frequenz. Ihr Typ und entsprechend ihre Anordnung im oder auch außerhalb des Kanalsystems (etwa im Fall eines Aktuators mit Membranbetätigung oder peristaltischen Aktuators) ist beliebig.The channels 46 . 48 . 50 including collection area 80 form the mixing and transport container, in which both the fluid transport, as well as the mixing process done. On each side of the mixing and transport space is an actuator 30 , These work in antiphase with the same amplitude and frequency. Their type and according to their arrangement in or outside the channel system (such as in the case of an actuator with diaphragm actuation or peristaltic actuator) is arbitrary.

Die Kanäle weisen durchweg asymmetrische Widerstandselemente auf, die jeweils eine Hauptströmungsrichtung festlegen, wodurch sich aufgrund des periodischen Taktbetriebs eine Hin- und Herbewegung des sich vermischenden Fluids in dem Misch- und Transportbehälter ergibt. Dies ist durch verschieden große Pfeile 100, 102 veranschaulicht. Durch diese Asymmetrie der Konstruktion der Widerstandselemente entsteht lokal ein Unterschied im Massenfluss, was symbolisch durch unterschiedliche Pfeillängen dargestellt ist. Längen sind nicht maßstäblich korrekt gezeichnet. Die Barrierenform in den Kanälen, ferner die Lage von Zufluss und Abfluss bewirken, dass abwechselnd durch die Aktuatoren ein An- und Absaugen, d.h. eine Pumpbetätigung erfolgt. Je nachdem, welcher Aktuator wirksam ist bzw. in welche Richtung der Hauptfluss erfolgt, wird wieder neues Fluid aus einem Behälter angesaugt. Ist die Geschwindigkeit niedrig, d.h. gibt es nur eine geringe Flussdifferenz in beiden Richtungen zu und von dem Aktuator, ist die Pumpeffizienz niedrig und es liegt im wesentlichen Mischbetrieb vor. Ist die Pumpeffizienz indessen höher, dann kommt es ab einem bestimmten Punkt zur Wirbelablösung und Strömungsinstabilitäten und mit der sich ergebenden höheren Flussrate wird die Fluidmischung dann wirksam aus der Misch- und Transportkammer transportiert.The channels all have asymmetric resistance elements, each defining a main flow direction, resulting in a reciprocating motion of the mixing fluid in the mixing and shipping container due to the periodic cycling. This is by different sized arrows 100 . 102 illustrated. Due to this asymmetry of the construction of the resistance elements, a difference in the mass flow occurs locally, which is represented symbolically by different arrow lengths. Lengths are not drawn to scale correctly. The barrier shape in the channels, also the position of inflow and outflow cause alternately by the actuators suction and suction, ie a pumping operation takes place. Depending on which actuator is effective or in which direction the main flow takes place, new fluid is drawn in again from a container. If the velocity is low, that is, there is only a small flow difference in both directions to and from the actuator, the pumping efficiency is low and essentially mixed operation is present. If, however, the pumping efficiency is higher, then at some point vortex shedding and flow instabilities occur and, with the resulting higher flow rate, the fluid mixture is then effectively transported out of the mixing and transporting chamber.

Dies sowie eine mehrstufige effiziente Vermischung im "Pumpbereich" ist mit herkömmlichen reinen Pumpvorrichtungen mit zwei in Antiphase oszillierenden symmetrisch liegenden Aktuatoren nicht erreichbar. Stets findet ein Mischvorgang statt. Im Bereich niedrigerer Reynoldszahlen ist der Transporteffekt gering und die Mischfunktion der Vorrichtung überwiegt. Dies kann dazu genutzt werden, intermittierend im Mischbetrieb zu arbeiten. Bei höheren Reynoldszahlen wiederum erfolgt weiterhin ein Mischen der Fluidkomponenten. Der Transport ist jedoch weitaus effizienter. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass beide Funktionsweisen mit einer einzigen Vorrichtung realisierbar sind.This as well as a multi-stage efficient mixing in the "pumping area" can not be achieved with conventional pure pumping devices with two symmetrically located actuators oscillating in antiphase. There is always a mixing process. In the region of lower Reynolds numbers, the transport effect is low and the mixing function of the device outweighs. This can be used to work intermittently in mixed operation. At higher Reynolds numbers in turn is still a Mixing the fluid components. However, transport is far more efficient. A significant advantage is that both modes of operation can be realized with a single device.

Es ist möglich, Teile der Seitenwände der Vorrichtung sowie Boden und Oberseite, die hier nicht dargestellt sind, zu beschichten.It is possible, Parts of the side walls the device as well as bottom and top, not shown here are to coat.

Eine andere Anwendung der erfindungsgemäßen Misch- und Pumpvorrichtung ist ein Homogenisator, der Zellen oder Partikel, die in der Strömung durch die Mikrokanäle getragen werden, trennt und gegebenenfalls durch starke Scherung auch zertrümmert. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel sind sehr kleine Winkel in die Hauptströmungsrichtung vorteilhaft, so dass die Wirbelablösung bei einer Strömung in die Richtung minimiert wird, bei der die Widerstandselemente als Diffusoren wirken, während in der anderen Strömungsrichtung große Rezirkulations zonen entstehen, in denen sich die leichteren, bereits "bearbeiteten" Partikel leichter verfangen. Die schmalsten Kanaldurchmesser müssen mindestens die vierfache Abmessung der größten erwarteten Partikel aufweisen, um die Gefahr von Verstopfungen zu verringern. Bei Anwendungen, die auf hohen Durchsatz optimiert werden, soll das Verhältnis zwischen dem engsten und dem breitesten Kanaldurchmesser bei einem Widerstandselement 0,5 nicht überschreiten und eher kleiner sein, um eine ausreichend starke Dehnung erzeugen zu können. Bei Anwendungen, die wiederum auf hohen Scherraten ohne hohen Miniaturisierungsgrad aufbauen, darf dieses Verhältnis wesentlich höher sein, sollte aber 0,95 nicht überschreiten. Der Wechsel zwischen Dehnung, Scherung, und Mischen – mehrfaches Wiederholen in dieser Reihenfolge – in der Vorrichtung ist für die Dispergierung, Trennung und anschließende Homogenisierung verantwortlich.A another application of the mixing and pumping device according to the invention is a homogenizer that contains cells or particles that flow through the microchannels be worn, and if necessary by strong shear also smashed. In such an embodiment are very small angles in the main flow direction advantageous so that the vortex shedding at a current is minimized in the direction in which the resistive elements act as diffusers while in the other flow direction size Recirculation zones arise in which the lighter, already "processed" particles lighter caught. The narrowest channel diameters must be at least four times Dimension of the largest expected particles to reduce the risk of blockage. For applications, which are optimized for high throughput, should be the ratio between the narrowest and the widest channel diameter in a resistive element Do not exceed 0.5 and tend to be smaller to produce a sufficiently strong stretch to be able to. For applications that turn to high shear rates without high levels of miniaturization may build up this relationship significantly higher but should not exceed 0.95. The change between stretching, shear, and mixing - multiple repetitions in this order - in the device is for the dispersion, separation and subsequent homogenization are responsible.

Claims (17)

Mischvorrichtung für Mehrfluid- oder Mehrphasen-Mischungen, umfassend einen Mischkanal oder ein Kanalsystem mit drei oder mehr Öffnungen, wobei der Kanal (das Kanalsystem) einen Misch- und Transportraum bildet, mindestens einen Aktuator, der auf das Fluid im Misch- und Transportraum unmittelbar in einem oder mehreren Aktuatorbereichen dieses Raums einwirkt, wobei im Misch- und Transportraum der Kanalwandverlauf in bezug auf die Kanalhauptachse zumindest bereichsweise asymmetrische Widerstandselemente (10, 12, 14, 16) aufweist, wobei die Abmessung der asymmetrischen Widerstandselemente (10, 12, 14, 16) in der Größenordnung vergleichbar mit mindestens einer der Kanalquerschnittsabmessungen ist, wobei durch den Aktuator Flussraten mit einer Reynoldszahl im Bereich von 50 bis 5.000 erzeugt werden und die Reynoldszahl basierend auf der maximalen momentanen Flussrate und der genannten Querschnittsabmessung bestimmt wird und wobei ein kontrollierter zeitperiodischer Druckverlauf im Kanal (46, 48, 50) erzeugt wird, so dass ein großer Teil des zu vermischenden Materialvolumens mehr als einmal durch einen größeren Teil des Mischkanals fließt.A mixing device for multi-fluid or multi-phase mixtures, comprising a mixing channel or channel system having three or more openings, the channel (the channel system) forming a mixing and transporting space, at least one actuator acting directly on the fluid in the mixing and transporting space acts one or more actuator areas of this space, wherein in the mixing and transport space of the channel wall with respect to the channel main axis at least partially asymmetric resistance elements ( 10 . 12 . 14 . 16 ), wherein the dimension of the asymmetrical resistance elements ( 10 . 12 . 14 . 16 ) is of the order of magnitude comparable to at least one of the channel cross-sectional dimensions, wherein the actuator generates flow rates having a Reynolds number in the range of 50 to 5,000 and the Reynolds number is determined based on the maximum instantaneous flow rate and said cross-sectional dimension and wherein a controlled time-periodic pressure trace in the Channel ( 46 . 48 . 50 ) is generated, so that a large part of the volume of material to be mixed flows more than once through a larger part of the mixing channel. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei, vorzugsweise mindestens zehn asymmetrische Widerstandselemente (10, 12, 14, 16) entlang der Hauptachse des Mischkanals (46, 48, 50) vorgesehen sind.Mixing device according to claim 1, characterized in that at least three, preferably at least ten asymmetric resistance elements ( 10 . 12 . 14 . 16 ) along the main axis of the mixing channel ( 46 . 48 . 50 ) are provided. Mischvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (1) der asymmetrischen Widerstandselemente (10, 12, 14, 16) im Schnitt entlang der Hauptkanalachse lokal senkrecht zur Kanalwand maximal 90 % und minimal 5 % des Kanaldurchmessers ist.Mixing device according to claim 1 or 2, characterized in that the height ( 1 ) of the asymmetric resistance elements ( 10 . 12 . 14 . 16 ) is in the section along the main channel axis locally perpendicular to the channel wall a maximum of 90% and a minimum of 5% of the channel diameter. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die asymmetrischen Widerstandselemente (10, 12, 14, 16) bei mehreckigem Kanalquerschnitt auf mindestens zwei Kanalwänden und bei gerundetem Querschnitt auf mindestens 20 % des Umfangs vorgesehen sind.Mixing device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the asymmetric resistance elements ( 10 . 12 . 14 . 16 ) are provided with polygonal channel cross-section on at least two channel walls and with rounded cross-section to at least 20% of the circumference. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der asymmetrischen Widerstandselemente (10, 12, 14, 16) ein Profil hat, das durch die von ihm erzeugte Verjüngung des Kanalquerschnitts bei Flussraten im Betriebsbereich in mindestens einer der möglichen Ausrichtungen der Hauptströmung entlang der Hauptachse des Mischkanals eine Düsenwirkung hat.Mixing device according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least a part of the asymmetric resistance elements ( 10 . 12 . 14 . 16 ) has a profile which, due to the tapering of the channel cross-section produced by it, has a nozzle effect at flow rates in the operating region in at least one of the possible orientations of the main flow along the main axis of the mixing channel. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der asymmetrischen Widerstandselemente (10, 12, 14, 16) in bezug auf die Kanalhauptachse ein Vielfaches der Höhe (1) der Widerstandselemente und mindestens das 1,5fache der lokalen Höhe ist.Mixing device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the distance of the asymmetric resistance elements ( 10 . 12 . 14 . 16 ) with respect to the channel main axis a multiple of the height ( 1 ) of the resistive elements and at least 1.5 times the local height. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der asymmetrischen Widerstandselemente (10, 12, 14, 16) paarweise gegenüberliegend ist.Mixing device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the arrangement of the asymmetric resistance elements ( 10 . 12 . 14 . 16 ) in pairs opposite each other. Mischvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Widerstandselemente gleichförmig ist und bei einander gegenüberliegenden gleichförmigen Widerstandselementen der Abstand entlang der Kanalhauptachse zwischen entsprechenden Kennpunkten der gegen überliegenden Widerstandselemente nicht mehr als 5 % der Kanalbreite ist.Mixing device according to claim 7, characterized in that that at least a part of the resistance elements is uniform and opposite each other uniform Resistance elements the distance along the channel main axis between corresponding characteristic points of the opposite resistance elements not more than 5% of the channel width. Mischvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand entlang der Kanalhauptachse zwischen entsprechenden Kennpunkten der gegenüberliegenden Widerstandselemente nicht mehr als 5 % der Höhe der Widerstandselemente ist.Mixing device according to claim 8, characterized in that that the distance along the channel main axis between corresponding Characteristics of the opposing resistive elements not more than 5% of the height the resistance elements is. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitperiode des Aktuatorantriebs mehrfach länger als die Zeit ist, die das Fluid für das Passieren eines Widerstandselements benötigt. Mixing device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the time period of the actuator drive several times longer as the time is passing the fluid for the passage of a resistive element needed. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuatorantrieb in der Amplitude, Frequenz und/oder Phase änderbar ist.Mixing device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the actuator drive in amplitude, Frequency and / or phase changeable is. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Aktuatorbereiche vorhanden sind und die Amplitude, Frequenz und/oder Phase des Aktuatorantriebs für jeden Bereich unabhängig einstellbar sind.Mixing device according to one of claims 1 to 11, characterized in that a plurality of actuator areas present are and the amplitude, frequency and / or phase of the actuator drive for each Area independent are adjustable. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Aktuatoren vorgesehen sind, deren Antrieb einzeln einstellbar ist.Mixing device according to one of claims 1 to 11, characterized in that a plurality of actuators are provided, whose drive is individually adjustable. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Aktuatoren vorgesehen sind, die in Gegenphase mit gleicher Frequenz arbeiten.Mixing device according to one of claims 1 to 13, characterized in that two actuators are provided, working in the opposite phase with the same frequency. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Aktuatoren (30) vorgesehen sind, die über mehrere Verbindungskanäle (46, 48, 50) mit zumindest bereichsweise unebenem Wandverlauf hydraulisch miteinander verbunden sind.Mixing device according to one of claims 1 to 14, characterized in that a plurality of actuators ( 30 ) are provided, which via multiple connection channels ( 46 . 48 . 50 ) are connected to each other at least partially uneven wall course hydraulically. Mischvorrichung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Massentransport in den Mischkanal und aus diesem heraus zumindest teilweise durch einen externen Druckgradienten erfolgt oder hierfür eine gesonderte Antriebseinrichtung vorgesehen ist.Mixing device according to one of claims 1 to 15, characterized in that the mass transport into the mixing channel and out of this at least partially by an external pressure gradient done or for this a separate drive device is provided. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekenzeichnet, dass die Aktuatorsteuerung so vorgesehen ist, dass ein zeitgetrenntes Arbeitsregime von gleichzeitigem Pumpen und Mischen und von Mischen ohne Pumpen möglich ist.Mixing device according to one of claims 10 to 13, characterized in that the actuator control is provided is that a time-separated work regime of simultaneous pumping and mixing and mixing without pumps is possible.
DE102007039713A 2006-08-22 2007-08-22 Device for mixing multi-fluid or multi-phase mixtures, comprises mixing channel/channel system with multi openings and actuators, which affect on liquid in mixing- and transportation chamber directly in actuator regions of the chamber Withdrawn DE102007039713A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007039713A DE102007039713A1 (en) 2006-08-22 2007-08-22 Device for mixing multi-fluid or multi-phase mixtures, comprises mixing channel/channel system with multi openings and actuators, which affect on liquid in mixing- and transportation chamber directly in actuator regions of the chamber

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006040133 2006-08-22
DE102006040133.6 2006-08-22
DE102007039713A DE102007039713A1 (en) 2006-08-22 2007-08-22 Device for mixing multi-fluid or multi-phase mixtures, comprises mixing channel/channel system with multi openings and actuators, which affect on liquid in mixing- and transportation chamber directly in actuator regions of the chamber

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102007039713A1 true DE102007039713A1 (en) 2008-02-28

Family

ID=38973470

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102007039713A Withdrawn DE102007039713A1 (en) 2006-08-22 2007-08-22 Device for mixing multi-fluid or multi-phase mixtures, comprises mixing channel/channel system with multi openings and actuators, which affect on liquid in mixing- and transportation chamber directly in actuator regions of the chamber

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102007039713A1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008019585A1 (en) * 2008-04-18 2009-11-19 Advanced Display Technology Ag Apparatus to move liquid droplets, by an electro-wetting effect, has a plane with groups of base electrodes and a plane with groups of control electrodes with narrow electrode gaps and wide electrode widths
DE102009028496A1 (en) * 2009-08-13 2011-02-17 Robert Bosch Gmbh Microfluidic cell i.e. flow cell, for e.g. dielectrophoretically separating bacteria in integrated microfluidic lab-on-a-chip system, has interdigital electrode system and laminar electrode arranged at opposite sides of microfluidic cell
US8197657B2 (en) 2009-10-12 2012-06-12 Advanced Display Technology Ag Liquid transport using electrowetting supported by effective arrangement of electrodes
WO2017175207A1 (en) * 2016-04-08 2017-10-12 Universidade Do Minho Modular oscillatory flow plate reactor
CN108927233A (en) * 2018-09-06 2018-12-04 广州大学 A kind of no external force controls the microfluidic chip structure and preparation method thereof of unidirectional liquid transporting
DE102020211883A1 (en) 2020-09-23 2022-03-24 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Support plate for a microfluidic analysis cartridge, analysis cartridge with support plate and method for producing a support plate

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008019585A1 (en) * 2008-04-18 2009-11-19 Advanced Display Technology Ag Apparatus to move liquid droplets, by an electro-wetting effect, has a plane with groups of base electrodes and a plane with groups of control electrodes with narrow electrode gaps and wide electrode widths
DE102008019585B4 (en) * 2008-04-18 2012-02-09 Advanced Display Technology Ag Device for liquid transport by electrowetting by means of an effective electrode arrangement
DE102009028496A1 (en) * 2009-08-13 2011-02-17 Robert Bosch Gmbh Microfluidic cell i.e. flow cell, for e.g. dielectrophoretically separating bacteria in integrated microfluidic lab-on-a-chip system, has interdigital electrode system and laminar electrode arranged at opposite sides of microfluidic cell
US8197657B2 (en) 2009-10-12 2012-06-12 Advanced Display Technology Ag Liquid transport using electrowetting supported by effective arrangement of electrodes
WO2017175207A1 (en) * 2016-04-08 2017-10-12 Universidade Do Minho Modular oscillatory flow plate reactor
CN108927233A (en) * 2018-09-06 2018-12-04 广州大学 A kind of no external force controls the microfluidic chip structure and preparation method thereof of unidirectional liquid transporting
DE102020211883A1 (en) 2020-09-23 2022-03-24 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Support plate for a microfluidic analysis cartridge, analysis cartridge with support plate and method for producing a support plate

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1171227B1 (en) Method and micromixer for producing a dispersion
EP1280598B1 (en) Cavitation mixer
DE102007039713A1 (en) Device for mixing multi-fluid or multi-phase mixtures, comprises mixing channel/channel system with multi openings and actuators, which affect on liquid in mixing- and transportation chamber directly in actuator regions of the chamber
DE60216748T2 (en) FLUID PUMP SYSTEM
DE10041823C2 (en) Method and static micromixer for mixing at least two fluids
DE102009034977B4 (en) Cavitation reactor and a method for the hydrodynamic generation of homogeneous, oscillating cavitation bubbles in a fluid, a method for disinfecting a fluid and a method for emulsifying or suspending or for the reaction favoring at least two substances
DE3926348C2 (en)
EP2038050B1 (en) Static mixer comprising at least one couple of blades for generating an eddy flow in a duct
US4673296A (en) Mixing pump for transport and effective mixing (homogenization) of two or more liquids (gases) with a constant, but adjustable, ratio of the liquids
DE102014013158A1 (en) Free jet facility
EP1278593B1 (en) Static mixing element
DE102005012611A1 (en) ejector
DE60201017T2 (en) MICRO-CHANNEL DEVICE AND METHOD
WO2014041146A1 (en) Stationary and mobile apparatus for energy-optimal introduction of a gas, gas mixture or fluid into a liquid by controlled introduction of individual bubbles or droplets of a gas, gas mixture or fluid
DE602005004002T2 (en) Method for mixing fluids and mixing device
EP1771385B1 (en) Hydrodynamic homogenization
DE4308697A1 (en) Process for enriching a first gaseous or liquid medium with a second gas or a second liquid and a reactor for carrying out the process
DE10250406B4 (en) Reaction device and mixing system
WO2007098910A1 (en) Electrohydrodynamic micropump and its use
DE19844518A1 (en) Hydraulic flow amplifier for microsystems with drive diaphragm bending under energy supply
DE10159985B4 (en) microemulsifying
Eisner Emulsion processing with a rotating membrane (ROME)
DE102013109240A1 (en) MICROFLUIDIC MIXER DEVICES AND METHOD FOR MIXING A FLUID
DE102006016482A1 (en) Passive micro-mixer for single- or multi-phase fluids has two inlets and an outlet plus numerous mixer elements located in different three-dimensional planes
EP4035719A1 (en) Valve, in particular for a device for administering a liquid medicament, and a corresponding device for administering a liquid medicament

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20110301