WO2025191031A1 - Device and method for producing a fluid mixture - Google Patents
Device and method for producing a fluid mixtureInfo
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- WO2025191031A1 WO2025191031A1 PCT/EP2025/056793 EP2025056793W WO2025191031A1 WO 2025191031 A1 WO2025191031 A1 WO 2025191031A1 EP 2025056793 W EP2025056793 W EP 2025056793W WO 2025191031 A1 WO2025191031 A1 WO 2025191031A1
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- 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
- B01F25/4337—Mixers with a diverging-converging cross-section
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- 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
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- B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
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- B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
- B01F35/71—Feed mechanisms
- B01F35/717—Feed mechanisms characterised by the means for feeding the components to the mixer
- B01F35/71755—Feed mechanisms characterised by the means for feeding the components to the mixer using means for feeding components in a pulsating or intermittent manner
Definitions
- microfluidics or microfluidic mixers are known for the generation of nanoparticles.
- Microfluidic mixers typically have very small microchannels that generate low Reynolds numbers and thus generally laminar flow without significant turbulence, which is unfavorable for fluid mixing.
- the flow channels are quite long relative to their cross-sectional dimensions. These channels are expensive to manufacture and can easily become clogged during operation. Furthermore, their use in mass production can be difficult or even impossible.
- the present invention is based on the object of creating a device and a method for generating a fluid mixture (with nanoparticles with a specific particle size and defined size distribution) that are as minimally susceptible to failure as possible.
- the object is also to create a device and a method that can be used both on a laboratory scale (i.e., a few nanoliters per minute) and in mass production (i.e., several liters per minute).
- the device for generating a fluid mixture initially comprises a first mixing chamber with a first inlet opening, via which a first fluid can be introduced into the first mixing chamber along a first fluid flow direction, a second inlet opening, via which a second fluid can be introduced into the first mixing chamber along a second fluid flow direction, and an outlet opening, via which an intermediate fluid mixture comprising the first fluid and the second fluid can be discharged along a fluid mixture flow direction.
- a first mixing chamber with a first inlet opening, via which a first fluid can be introduced into the first mixing chamber along a first fluid flow direction
- a second inlet opening via which a second fluid can be introduced into the first mixing chamber along a second fluid flow direction
- an outlet opening via which an intermediate fluid mixture comprising the first fluid and the second fluid can be discharged along a fluid mixture flow direction.
- an outlet channel is formed, the cross-sectional area of which, defined transversely to the fluid mixture flow direction, decreases along the fluid mixture flow direction towards the outlet opening.
- the outlet channel forms a downstream
- the device comprises a second mixing chamber with a first inlet opening, via which the intermediate fluid mixture can be introduced into the second mixing chamber along the fluid mixture flow direction, a second inlet opening, via which a third fluid can be introduced into the second mixing chamber (stationary) can be introduced, and an outlet opening through which the fluid mixture comprising the first fluid, the second fluid, and the third fluid can be discharged.
- the second mixing chamber is thus arranged downstream of the first mixing chamber, wherein the first mixing chamber and the second mixing chamber are fluidically connected such that the intermediate fluid mixture exiting the outlet opening of the first mixing chamber enters the second mixing chamber via its first inlet opening.
- Supply devices can be provided for introducing the fluids into the mixing chambers.
- the device comprises a first supply device that is fluidically connected to the first mixing chamber via the first inlet opening and is configured to direct the first fluid into the first mixing chamber along the first fluid flow direction (variable in time and space).
- the first supply device comprises a fluidic component having an outlet opening fluidically connected to the first inlet opening of the first mixing chamber.
- the outlet opening of the fluidic component can correspond to the first inlet opening of the first mixing chamber.
- the fluidic component comprises at least one means for the targeted change of direction of the first fluid flowing through the fluidic component.
- alternating vortices e.g., generated by colliding fluid flows within the fluidic component or by a disruptive body within the fluidic component, can be used.
- this type of means for generating the targeted change of direction sufficient space must be provided for the generation and subsequent dissipation of the vortex structures.
- this at least one means is provided and designed to create a spatial oscillation of the first fluid at the outlet opening.
- the means for the targeted change of direction of the first fluid can be designed to bring about an oscillation of the first fluid in an oscillation plane.
- the first fluid is thus not fed into the first mixing chamber as a (quasi)stationary flow, but as an oscillating fluid flow that moves periodically and changes over time.
- the first fluid also has a lateral flow component (transverse to the first fluid flow direction) that changes over time. This can generate turbulence in the first mixing chamber, so that a high mixing quality can be achieved.
- the first fluid enters the first mixing chamber from the first supply device in a vibrating or dynamic manner. As a result, the first fluid receives a constantly changing flow velocity component perpendicular to its main flow direction (lateral flow component or first fluid flow direction).
- the device further comprises a first interaction channel arranged between the first mixing chamber and the second mixing chamber.
- the first interaction channel connects the outlet opening of the first mixing chamber and the first inlet opening of the second mixing chamber and has a cross-sectional area transverse to the fluid mixture flow direction, which is constant at least over a section immediately downstream of the outlet opening of the first mixing chamber. Accordingly, the outlet opening of the first mixing chamber or the inlet opening of the first interaction channel represents the downstream end of the outlet channel. Since the cross-sectional area of the outlet channel decreases along the fluid mixture flow direction toward the outlet opening, the cross-sectional area of the outlet channel is smallest at the outlet opening of the first mixing chamber or at the inlet opening of the first interaction channel. This position is further characterized in that it forms the upstream end of a section (of the first interaction channel) with a constant cross-sectional area.
- the first interaction channel in said section can be tubular.
- the first interaction channel can have a length that is at least three times its width at the level of the outlet opening of the first mixing chamber.
- the length is the extent of the first interaction channel along the fluid mixture flow direction from the outlet opening of the first mixing chamber to the first inlet opening of the second mixing chamber.
- the width is the extent of the first interaction channel in the oscillation plane perpendicular to the fluid mixture flow direction.
- the first interaction channel can serve to continue the mixing process downstream of the outlet opening of the first mixing chamber; and if particles are generated during the mixing process, these can grow in the first interaction channel (controlled by the length of the first interaction channel).
- the section of the first interaction channel with a constant cross-sectional area has the effect that the intermediate fluid mixture initially remains as undisturbed as possible in order to achieve a defined Reaction time for the intermediate fluid mixture without flow separation effects and simultaneous homogenization of the flow.
- the first interaction channel extends at least partially along a longitudinal axis, which is in particular parallel to the fluid mixture flow direction.
- the first interaction channel can also (alternatively or additionally) have a meandering section.
- the curvature(s) caused by the meandering shape can prevent the formation of so-called dead water areas.
- the first interaction channel may have a section in which the cross-sectional area increases downstream transverse to the fluid mixture flow direction.
- the transition between the first interaction channel and the second mixing chamber i.e., the position of the outlet opening of the first interaction channel or the first inlet opening of the second mixing chamber
- the transition between the first interaction channel and the second mixing chamber can be characterized by a sudden increase in the cross-sectional area (transverse to the fluid mixture flow direction).
- the second inlet opening of the second mixing chamber can be arranged in the region of the sudden increase in the cross-sectional area.
- the device comprises a second supply device which is fluidically connected to the first mixing chamber via the second inlet opening and is designed to guide the second fluid along the second fluid flow direction into the first mixing chamber, and a third supply device which is fluidically connected to the second mixing chamber via the second inlet opening and is designed to guide the third fluid along the third fluid flow direction into the second mixing chamber.
- the third fluid flow direction i.e., the fluid flow direction in which the third fluid enters the second mixing chamber
- the fluid mixture flow direction i.e., the direction in which the intermediate fluid mixture of the first and second fluid enters the second mixing chamber
- the third fluid flow direction can enclose an angle of less than or equal to 90°. This limits the shear rate of the fluids in the second mixing chamber. Particles present in the intermediate fluid mixture thus experience the lowest possible mechanical stress when they come into contact with the third fluid. Accordingly, damage to the particles or agglomeration/aggregation of the particles through fusion or sticking of the particles can be avoided. This has a positive effect on the polydispersity index of the particles.
- the velocity values of the third fluid and the intermediate fluid mixture should be chosen to be very similar. This can be achieved by selecting suitable process parameters.
- the particles mentioned above can be produced in the pharmaceutically required size with high quality, i.e., with a low polydispersity index.
- the angle between the fluid mixture flow direction and the third fluid flow direction is less than 45°, and in particular is between 5° and 40°. The smaller this angle, the lower the shear rate of the fluids.
- the third supply device is provided and configured to conduct the third fluid as a (quasi-)stationary flow into the second mixing chamber. This also limits the shear rate of the fluids in the second mixing chamber.
- the second supply device can also be provided and configured to conduct the second fluid as a (quasi-)stationary flow into the first mixing chamber.
- the third supply device has a supply channel that extends along the third fluid flow direction and opens into the second inlet opening of the second mixing chamber.
- the supply channel has, in particular, a rectilinear shape.
- the supply channel, or its shape, largely determines the fluid flow direction for the third fluid upon entry into the second mixing chamber.
- the means for deliberately changing the direction of the first fluid is designed to cause the first fluid to oscillate in an oscillation plane.
- the supply channel extends in a plane that is parallel to or corresponds to the oscillation plane.
- the flow chamber can have the aforementioned at least one bypass channel.
- a portion of the first fluid, the bypass flow can flow through the bypass channel.
- the portion of the first fluid that does not enter the bypass channel but exits the fluidic component is referred to as the main flow.
- the at least one bypass channel can have an inlet located near the outlet opening of the fluidic component and an outlet located near the inlet opening of the fluidic component.
- the at least one bypass channel can be arranged next to (not behind or in front of) the main flow channel, viewed along the first fluid flow direction (from the inlet opening to the outlet opening).
- two bypass channels can be provided which extend laterally next to the main flow channel (viewed along the first fluid flow direction), wherein the main flow channel is arranged between the two bypass channels.
- the secondary flow channels and the main flow channel are arranged in a row transverse to the first fluid flow direction and each extend along the first fluid flow direction.
- the at least one secondary flow channel can have a greater or lesser depth than the main flow channel. (The depth is the extent transverse to the oscillation plane of the first fluid.) This makes it possible to influence the oscillation frequency of the first fluid exiting the fluidic component.
- the oscillation frequency decreases if the other parameters remain essentially unchanged. Accordingly, the oscillation frequency increases if the component depth in the region of the at least one secondary flow channel is increased (compared to the main flow channel) and the other parameters remain essentially unchanged.
- the first supply device and the first inlet opening of the first mixing chamber on the one hand and the second supply device and the second inlet opening of the first mixing chamber, on the other hand are arranged relative to one another such that the first fluid flow direction and the second fluid flow direction enclose an angle of 45° to 90° in a plane parallel to the first fluid flow direction.
- An angle of substantially 45° is particularly preferred. This can positively influence the mixing quality and the mixing path length, or rather, the mixing duration. For manufacturing reasons, the angle can also be substantially 90°.
- the second supply device and the second inlet opening of the first mixing chamber can be arranged such that the second fluid flow direction and the oscillation plane of the first fluid enclose an angle of 30° to 150° in a plane transverse to the first fluid flow direction. This angle is preferably substantially 90°.
- the second supply device it can be provided that it is designed and configured to conduct the second fluid as a (quasi-)stationary flow into the first mixing chamber.
- the second supply device can be designed as a tube whose longitudinal axis (or its downstream elongated end section) determines the second fluid flow direction of the second fluid.
- the second fluid can be conducted through the tube and the second inlet opening into the first mixing chamber.
- the second supply device (like the first supply device) can also comprise a fluidic component.
- This fluidic component can operate according to the same principle as the fluidic component of the first supply device. For example, it can have at least one means for deliberately changing the direction of the second fluid flowing through the fluidic component, in particular for generating a spatial oscillation of this fluid at the outlet opening.
- the other features of the fluidic component of the first supply device can also be transferred to the fluidic component of the second supply device.
- a first oscillating fluid and a second oscillating fluid meet in the first mixing chamber.
- the fluidic component of the second supply device can have a smaller oscillation angle than the fluidic component of the first supply device. Both oscillation angles can also be the same.
- the first mixing chamber can have a longitudinal axis that is defined such that it extends along the first fluid flow direction or the fluid mixture flow direction.
- the cross-sectional area of the first mixing chamber increases transversely to the longitudinal axis along the longitudinal axis in at least one section. For example, starting from the first inlet opening of the first mixing chamber in an upstream end section of the first mixing chamber, the cross-sectional area can increase with increasing distance from the first inlet opening.
- the upstream end section can thus form an inlet channel (widening downstream) of the first mixing chamber.
- the outlet channel can be directly connected to the inlet channel.
- an intermediate section of the first mixing chamber can be provided between the inlet channel and the outlet channel, in which intermediate section the cross-sectional area of the first mixing chamber is essentially constant.
- the extent of the first mixing chamber in the oscillation plane and transversely to the longitudinal axis, starting from the first inlet opening of the first mixing chamber in the inlet channel, can increase with increasing distance from the first inlet opening, or the extent of the first mixing chamber in the oscillation plane and transversely to the longitudinal axis in the outlet channel can decrease with increasing distance from the first inlet opening.
- this extent of the first mixing chamber can also increase (immediately) downstream of the second inlet opening of the first mixing chamber in the inlet channel.
- the boundary walls of the first mixing chamber (viewed in the oscillation plane) thus enclose an angle that is preferably oriented towards the oscillation angle of the oscillating first fluid.
- This angle can be up to 10° smaller or up to 10° larger than the oscillation angle, or can assume a value between these two values. It is particularly preferred if this angle is up to 5° smaller or up to 5° larger than the oscillation angle, or can assume a value between these two values. This prevents the oscillation of the first fluid in the first mixing chamber from being adversely affected.
- the oscillation angle of the first fluid can be at least 5°, preferably at least 25°, particularly preferably at least 40°.
- an oscillation angle between 25° and 50°, in particular between 30° and 45° is suitable.
- a typical maximum value for the oscillation angle is 75°.
- the boundary walls of the first mixing chamber (viewed in the oscillation plane) also close in the outlet channel. an angle that is preferably smaller than the angle between the boundary walls of the first mixing chamber in the inlet channel.
- the angle of the outlet channel is up to 15° smaller than the angle of the inlet channel.
- the extent of the first mixing chamber transverse to the oscillation plane in the inlet channel can increase with increasing distance from the first inlet opening, or the extent of the first mixing chamber transverse to the oscillation plane in the outlet channel can decrease with increasing distance from the first inlet opening.
- the (relative) size of the inlet and outlet channels of the first mixing chamber can be designed depending on the application.
- the second inlet opening of the first mixing chamber is offset downstream from the first inlet opening of the first mixing chamber along the longitudinal axis of the first mixing chamber.
- the second inlet opening is formed within the inlet channel (i.e., in a boundary wall of the inlet channel).
- the distance between the first and second inlet openings can correspond to at least half the width of the first inlet opening of the first mixing chamber, wherein the width is defined parallel to the oscillation plane of the first fluid and transverse to the longitudinal axis of the first mixing chamber.
- the first inlet opening and the outlet opening of the first mixing chamber can be formed on opposite sides of the first mixing chamber.
- the first inlet opening can form the upstream end of the first mixing chamber, and the outlet opening the downstream end.
- the first inlet opening and the outlet opening can be located on the longitudinal axis.
- the first inlet opening and the outlet opening can be defined where the cross-sectional area of the first mixing chamber is smallest, transverse to its longitudinal axis, through which the incoming first fluid and the outgoing intermediate fluid mixture pass, respectively.
- the first mixing chamber has a volume that is larger than the volume of the fluidic component or the flow chamber of the fluidic component.
- both the width (extension transverse to the longitudinal axis of the first mixing chamber and in the oscillation plane of the first fluid) and the length (extension along the longitudinal axis) of the first mixing chamber can be be greater than the width (extension transverse to the first fluid flow direction and in the oscillation plane of the first fluid) or length (extension along the first fluid flow direction) of the flow chamber of the fluidic component.
- This volume ratio can prevent an undesirably high pressure from building up in the first mixing chamber.
- the volume of the first mixing chamber can be smaller than the volume of the flow chamber of the fluidic component.
- the width and/or length of the first mixing chamber can be smaller than the width or length of the flow chamber of the fluidic component.
- a second interaction channel can be connected downstream of the outlet opening of the second mixing chamber.
- the second mixing chamber and/or the second interaction channel each extend along an axis corresponding to the flow direction of the generated fluid mixture.
- This axis each forms an angle with the third fluid flow direction and the fluid mixture flow direction (of the intermediate fluid mixture).
- the angle between the axis and the third fluid flow direction and the angle between the axis and the fluid mixture flow direction are different (in the oscillation plane).
- the angle between the axis and the third fluid flow direction can be greater than the angle between the axis and the fluid mixture flow direction. Both angles are preferably less than 180°.
- the angle between the axis and the third fluid flow direction can be 170° to 179°.
- the volume flows of the first, second and third fluids can be selected such that the resulting velocity vector of the intermediate fluid mixture at the first inlet opening of the second mixing chamber and the resulting velocity vector of the third fluid at the second inlet opening of the second mixing chamber are in sum such that the resulting velocity vector of the fluid mixture is parallel to the axis of the second mixing chamber or the second interaction channel.
- the angle between the velocity vector of the fluid mixture and the third fluid flow direction can be 170° to 179°.
- the angle between the velocity vector of the fluid mixture and the fluid mixture flow direction (the velocity vector of the intermediate fluid mixture) can be 160° to 169°.
- the first, second, and third fluids can be supplied to the first, second, and third supply devices, respectively, by means of a pumping device.
- the pumping devices can be designed as syringe pumps or circulation pumps.
- HPLC pumps or diaphragm pumps can be used as alternatives to syringe pumps.
- the device further comprises a second mixing chamber with a first inlet opening, via which the intermediate fluid mixture can be introduced into the second mixing chamber along the fluid mixture flow direction, a second inlet opening, via which a third fluid can be introduced into the second mixing chamber along a third fluid flow direction, and an outlet opening, via which the fluid mixture comprising the first fluid, the second fluid and the third fluid is dischargeable.
- the second mixing chamber is thus arranged downstream of the first mixing chamber, wherein the first mixing chamber and the second mixing chamber are fluidically connected such that the intermediate fluid mixture exiting the outlet opening of the first mixing chamber (directly) enters the second mixing chamber via its first inlet opening.
- Supply devices can be provided for introducing the fluids into the mixing chambers.
- this device also comprises a first supply device that is fluidically connected to the first mixing chamber via the first inlet opening and is configured to conduct the first fluid into the first mixing chamber along the first fluid flow direction.
- a second supply device which is fluidically connected to the first mixing chamber via the second inlet opening and is designed to guide the second fluid along the second fluid flow direction into the first mixing chamber
- a third supply device which is fluidically connected to the second mixing chamber via the second inlet opening and is designed to guide the third fluid along the third fluid flow direction into the second mixing chamber
- the first supply device comprises a fluidic component.
- the fluidic component comprises an outlet opening fluidically connected to the first inlet opening of the first mixing chamber, and at least one means for selectively changing the direction of the first fluid flowing through the fluidic component, in particular for forming a spatial oscillation of the first fluid at the outlet opening.
- the device is characterized in that the first inlet opening of the second mixing chamber has a cross-sectional area transverse to the fluid mixture flow direction that is smaller than the cross-sectional area of the second inlet opening of the second mixing chamber.
- the cross-sectional area of the second inlet opening of the second mixing chamber is defined transversely to the third fluid flow direction.
- the device is characterized in that the sum of the cross-sectional area of the first inlet opening of the second mixing chamber and the cross-sectional area of the second inlet opening of the second mixing chamber is similar in size (if the third fluid flow direction and the fluid mixture flow direction lie in one plane) or (if the third fluid flow direction and the fluid mixture flow direction do not lie in one plane) is greater than the cross-sectional area of the outlet opening of the second mixing chamber. Consequently, the average velocity of the intermediate Fluid mixture at the first inlet opening of the second mixing chamber is greater than the average velocity of the third fluid at the second inlet opening of the second mixing chamber.
- the means for deliberately changing the direction of the first fluid can be designed to cause the first fluid to oscillate in an oscillation plane.
- the second mixing chamber has a constant extension parallel to the oscillation plane and transverse to the fluid mixture flow direction. This extension can be referred to as the width of the second mixing chamber.
- the width of the second mixing chamber can be constant over its entire length (extension along the fluid mixture flow direction).
- the second mixing chamber can have an extension parallel to the oscillation plane and transverse to the fluid mixture flow direction that is equal to the extension parallel to the oscillation plane and transverse to the fluid mixture flow direction of the outlet opening of the first mixing chamber and/or the first inlet opening of the second mixing chamber.
- the first inlet opening and the outlet opening of the second mixing chamber can have the same width, which, for example, corresponds to the width of the second mixing chamber. This can also simplify the structural design of the second mixing chamber.
- the second mixing chamber has an extension transverse to the oscillation plane that is greater than the extension of the first inlet opening of the second mixing chamber transverse to the oscillation plane.
- the extension transverse to The oscillation plane can be referred to as depth.
- the depth of the second mixing chamber can be greater than the depth of the first inlet opening of the second mixing chamber.
- the depth of the second mixing chamber can be constant over its entire length (extension along the fluid mixture flow direction).
- the cross-sectional area (transverse to the fluid mixture flow direction) of the first inlet opening of the second mixing chamber can be smaller than the cross-sectional area (transverse to the fluid mixture flow direction) of the second mixing chamber.
- the cross-sectional change can be abrupt and, for example, realized by a stepped shape that abruptly changes the depth.
- a stepped shape can lead to the formation of recirculation regions (also called dead water regions) in the second mixing chamber immediately downstream of the first inlet opening and thus impair the function of the second mixing chamber.
- the second inlet opening can be arranged immediately downstream of the first inlet opening, i.e., in a region of potential recirculation regions, so that the third fluid flows through the potential recirculation regions.
- the residence time of the third fluid in the second mixing chamber may be indeterminate, but not that of the intermediate fluid mixture, so that ultimately the function of the second mixing chamber is not impaired.
- a first interaction channel is arranged between the first mixing chamber and the second mixing chamber, connecting the outlet opening of the first mixing chamber and the first inlet opening of the second mixing chamber.
- the first interaction channel has a cross-sectional area transverse to the fluid mixture flow direction, which is constant at least in some sections.
- the cross-sectional area of the first interaction channel can be smaller than the cross-sectional area of the second mixing chamber.
- the depth (extension transverse to the oscillation plane) of the first interaction channel can be less than the depth of the second mixing chamber, while their widths (extension parallel to the oscillation plane and transverse to the fluid mixture flow direction) can be the same.
- the depth of the second mixing chamber can be (constant and) twice the depth of the first interaction channel (in a section immediately upstream of the second mixing chamber).
- the ratio of the depths (first interaction channel / second mixing chamber) to each other can be based on the ratio of the volume flow of the intermediate fluid mixture to the sum of the volume flows within the second mixing chamber.
- the ratio of the depths (first interaction channel / second mixing chamber) corresponds to the Ratio of volume flows (intermediate fluid mixture / (intermediate fluid mixture + third fluid)).
- the depth (extension transverse to the oscillation plane) of the first interaction channel is less than the width (extension parallel to the oscillation plane and transverse to the fluid mixture flow direction) of the first interaction channel.
- the ratio of width to depth can be in a range between 1.5 and 100, preferably between 2 and 10.
- the first interaction channel can have a length that is at least three times its width at the level of the outlet opening of the first mixing chamber.
- the length is the extent of the first interaction channel along the fluid mixture flow direction from the outlet opening of the first mixing chamber to the first inlet opening of the second mixing chamber.
- the width is the extent of the first interaction channel in the oscillation plane transverse to the fluid mixture flow direction.
- the transition between the first interaction channel and the second mixing chamber i.e., the position of the outlet opening of the first interaction channel or the first inlet opening of the second mixing chamber
- the depth and/or width can change abruptly at the transition.
- the transition between the first mixing chamber and the first interaction channel (i.e. the position of the outlet opening of the first mixing chamber or the inlet opening of the first interaction channel) can be defined by arranging a section (outlet channel of the first mixing chamber) immediately upstream, the cross-sectional area of which decreases along the fluid mixture flow direction in the direction of the outlet opening, wherein the cross-sectional area is smallest at the outlet opening of the first mixing chamber or at the inlet opening of the first interaction channel.
- the first interaction channel can extend along a longitudinal axis that is particularly parallel to the first fluid flow direction or the fluid mixture flow direction.
- the first interaction channel can comprise a meandering section.
- a second interaction channel is connected to the outlet opening of the second mixing chamber.
- the device according to the invention can be manufactured using machining or subtractive manufacturing processes, replicative processes, for example, injection molding, or additive processes (3D printing). Processes with specific cutting edges (e.g., milling) or subtractive processes (e.g., spark erosion) are also suitable for manufacturing.
- the device according to the invention can be manufactured from a variety of materials. Possible materials include plastics (PEEK, PVDF, COC), metals or alloys (stainless steel, aluminum), glass, or ceramic.
- the invention further relates to a method for producing a fluid mixture.
- the method is carried out using the device according to the invention.
- a device according to the invention according to one of the embodiments described here a first fluid, a second fluid, and a third fluid are first provided.
- the first fluid is introduced into the first mixing chamber at a first volume flow via the first supply device.
- the second fluid is introduced into the first mixing chamber at a second volume flow via the second supply device
- the third fluid is introduced into the second mixing chamber at a third volume flow via the third supply device.
- the first and second fluids are given the opportunity to mix, thereby forming an intermediate fluid mixture (with particles).
- the formation of (nano)particles can be achieved by changing the solubility of substances dissolved in the second fluid through contact/dilution of the second fluid with the first fluid. Nanoparticles are precipitated by nanoprecipitation. Due to the design of the first supply device, which causes spatial oscillation of the first fluid, the velocities or Velocity differences between the first and second fluids in the first mixing chamber are significant, resulting in turbulent mixing.
- the residence time of the two fluids in the first mixing chamber can vary depending on the application.
- the intermediate fluid mixture generated in the first mixing chamber and the third fluid are combined. Due to the design of the second mixing chamber in the region of its first and second inlet openings, the shear rates in the second mixing chamber are low, so that, in particular, turbulent mixing (rather, quasi-laminar mixing) does not occur in the second mixing chamber. This allows the mechanical stress on the particles to be kept as low as possible.
- the mixing process in the second mixing chamber serves to stabilize particles of the intermediate fluid mixture.
- the size and size distribution of the particles can be influenced by the volume flow rates of the first and second fluids, the oscillation frequency of the first oscillating fluid, and the geometry of the first and second mixing chambers.
- the width (extension in the oscillation plane and perpendicular to the first fluid flow direction/fluid mixture flow direction) plays a particularly important role.
- the oscillation frequency of the oscillating first fluid can be at least 100 Hz, typically over 2000 Hz.
- the fluid mixture comprising the first fluid, the second fluid and the third fluid is discharged from the second mixing chamber via its outlet opening.
- the volume flows are set such that the first volume flow is greater than the second volume flow or that the first volume flow and the second volume flow are the same.
- the third volume flow can be set such that the volume flow with which the intermediate fluid mixture enters the second mixing chamber is greater than the third volume flow or is the same as the third volume flow.
- the third volume flow can also be greater than the volume flow with which the intermediate fluid mixture enters the second mixing chamber.
- the volume flow of the intermediate fluid mixture results from the volume flows of the first and the second fluid. It is conceivable that the first volume flow, the second volume flow and the third volume flow are each constant over the duration of the mixing process.
- the volume flow of the first, second, and third fluids can be controlled by pumping devices that pump the first, second, and third fluids via the first, second, and third supply devices into the first and second mixing chambers, respectively.
- the pressure of the introduced fluids can range from a few millibars (mbar) to several hundred bar (relative to ambient pressure).
- the inlet pressure can be between 1 and 50 bar, preferably between 1 and 25 bar, particularly preferably between 1 and 10 bar.
- the pressure can be several hundred bar.
- a pressure range between 2 and 500 bar is preferred.
- a pressure range between 10 and 250 bar is particularly preferred.
- the introduction of the first fluid into the first mixing chamber, the introduction of the second fluid into the first mixing chamber and the introduction of the third fluid into the second mixing chamber can each be carried out continuously.
- the method is carried out using a liquid or a suspension as the first fluid.
- the second fluid is also either a liquid or a suspension.
- the two fluids can differ (exclusively) in particle size, for example. Due to the turbulence prevailing in the first mixing chamber, in the case of identical suspensions (as the first and second fluids), the size of the particles in the suspension can be varied, for example. This can also influence the size distribution of the particles.
- the first fluid and the second fluid can be different or identical with regard to chemical composition and/or concentration of individual components.
- the first fluid can comprise an aqueous buffer solution and the second fluid a polymer, a pharmaceutically active ingredient, a polymer-drug conjugate, or a lipid, each in a solvent.
- the aqueous buffer solution (first fluid) can be, for example, acetate, citrate, phosphate, or TRIS buffer.
- the buffer solution can contain one or more nucleic acids (DNA, RNA, or mRNA).
- the buffer solution can have a pH of 3 to 7, preferably 3 to 6.
- the aqueous solution (first fluid) can further contain surface-active substances such as polyaxamers, polyvinyl alcohols.
- the solvent of the second fluid can be water-miscible (e.g. ethanol, acetonitrile, acetone) or water-insoluble (e.g. ethyl acetate, chloroform).
- the first fluid is a suspension comprising a solvent and a nucleic acid.
- the second fluid may comprise a lipid mixture and be suitable for enclosing the nucleic acid of the first fluid during the mixing process and acting as a carrier or vehicle for the nucleic acid in the resulting intermediate fluid mixture.
- the nucleic acid may be DNA, RNA, or mRNA.
- the first fluid and the third fluid may be identical or different with regard to chemical composition and/or concentration of individual components.
- the third fluid can have a specific function.
- the third fluid can be used to adjust the pH, particle density, or solvent content in the intermediate fluid mixture and/or contain a surfactant.
- the chemical composition of the fluids used also determines the particle size of the particles in the produced fluid mixture.
- the oscillating first fluid has a Reynolds number Re of more than 500, preferably more than 1000, particularly preferably more than 2000.
- the intermediate fluid mixture has a Reynolds number Re of more than 50, preferably more than 100, particularly preferably more than 200.
- the process can be used to produce lipid nanoparticles, polymer nanoparticles or liposomes.
- FIG. 1 shows a cross section through a device for producing a fluid mixture according to an embodiment
- Fig. 2 shows a cross section through a section of a device for producing a fluid mixture according to a further embodiment, the section showing in particular a first mixing chamber and a first supply device;
- Fig. 3-5 a sectional view of the device from Figure 2 along the lines A'-A", B'-B" and C'-C" respectively;
- Fig. 6 shows a cross section through a device for producing a fluid mixture according to a further embodiment
- Fig. 7 Deflection of the oscillating first fluid as a function of time upon entry into the first mixing chamber of the device generating a fluid mixture
- Fig. 8 shows a cross section through a device for producing a fluid mixture according to a further embodiment
- Fig. 9 shows a cross section through a device for producing a
- Fig. 10 shows a cross section through a device for producing a
- Fig. 11 is a sectional view of the device of Figure 10 along the lines D‘- D“;
- Fig. 12 is a schematic representation of a second mixing chamber according to a further embodiment.
- Fig. 13 is a schematic representation of a method for producing a fluid mixture.
- the devices and their components shown in the figures are not drawn to scale. Other combinations of the illustrated embodiments are also possible.
- Figure 1 schematically shows a device 1 for producing a fluid mixture according to an embodiment of the invention.
- the device 1 comprises a first mixing chamber 20, a first interaction channel 30, a second mixing chamber 40, a second interaction channel 50, a first feed device 60, a second feed device 50, and a third feed device 80.
- Figure 2 shows the first mixing chamber 20 and the first feed device 60 of a device according to a further embodiment. While the first mixing chamber 20 and the first feed device 60 of the device in Figure 2 differ from the embodiment in Figure 1 in a few details, the remaining components (first interaction channel 30, second mixing chamber 40, second interaction channel 50, second feed device 50, and third feed device 80) can be identical to those in Figure 1.
- Figures 3 to 5 each show a sectional view of the device 1 from Figure 2 along the lines A'-A", B'-B", and C'-C", respectively. In the following, the embodiments of Figures 1 and 2 are described together due to their many similarities. Differences will be discussed where appropriate.
- the first mixing chamber 20 has a first inlet opening 201, a second inlet opening 202, and an outlet opening 203.
- a first fluid Fi can be introduced into the first mixing chamber 20 via the first inlet opening 201, and a second fluid F 2 can be introduced via the second inlet opening 202.
- the first and second fluids Fi, F 2 form an intermediate fluid mixture F12, which can be discharged via the outlet opening 203 of the first mixing chamber 20.
- the first supply device 60 is connected (fluidically) to the first mixing chamber 20 via the first inlet opening 201 and serves to introduce the first fluid Fi into the first mixing chamber 20.
- the second supply device 70 is connected (fluidically) to the first mixing chamber 20 via the second inlet opening 202 and serves to introduce the second fluid F 2 into the first mixing chamber 20.
- the first interaction channel 30 is connected downstream of the outlet opening 203.
- This channel has an inlet opening 301 and an outlet opening 302.
- the inlet opening 301 of the first interaction channel 30 coincides with the outlet opening 203 of the first mixing chamber 20, so that the intermediate fluid mixture F12 can flow from the first mixing chamber 20 into the first interaction channel 30.
- the second mixing chamber 40 has a first inlet opening 401, a second inlet opening 402, and an outlet opening 402.
- the first inlet opening 401 coincides with the outlet opening 302 of the first interaction channel 30.
- the intermediate fluid mixture F12 can be introduced into the second mixing chamber 40 via the first inlet opening 401, and a third fluid F3 can be introduced via the second inlet opening 402.
- the intermediate fluid mixture F12 and the third fluid F3 form the fluid mixture F123, which can be discharged via the outlet opening 403 of the second mixing chamber 40.
- the second interaction channel 50 is connected downstream of the outlet opening 402. This channel has an inlet opening 501 and an outlet opening 502.
- the inlet opening 501 of the second interaction channel 50 coincides with the outlet opening 403 of the second mixing chamber 40.
- the generated fluid mixture F123 can be removed from the device 1 via the outlet opening 502.
- the device 1 does not have a second interaction channel, and the generated fluid mixture F123 can be removed from the device 1 via the outlet opening 403 of the second mixing chamber 40.
- the first supply device 60 comprises a fluidic component 10 with two bypass channels (feedback channels) 104a, 104b as a means for generating a spatially and/or temporally mobile first fluid Fi and, in particular, for generating a spatial oscillation of the first fluid Fi.
- the fluidic component 10 shown in Figure 1 with the bypass channels 104a, 104b is merely exemplary. In principle, other fluidic components can also be used, such as so-called feedback-free components.
- the fluidic component 10 comprises a flow chamber 100 through which a first fluid (stream) Fi can flow.
- the fluidic component 10 has the function of inducing an oscillation of the first fluid Fi, so that the first fluid Fi oscillates temporally and/or spatially upon entering the first mixing chamber 20 through the first inlet opening 201 of the mixing chamber 20.
- the temporal frequency of the oscillation is typically 1 Hz to 10 kHz, preferably 10 Hz to 10 kHz, and particularly preferably 100 Hz to 5 kHz.
- the flow chamber 100 comprises an inlet opening 101 with an inlet width bioi, through which the first fluid flow Fi enters the flow chamber 100, and an outlet opening 102 with an outlet width b 2, through which the first fluid flow Fi exits the flow chamber 100.
- the inlet opening 101 and the outlet opening 102 are each defined where the cross-sectional area (transverse to the fluid flow direction) of the fluidic component 10, which the fluid flow passes through when it enters the flow chamber 100 or exits the flow chamber 100, is the smallest.
- the widths bi and b 2 of the inlet and outlet openings 101, 102, respectively, correspond to the extent of the inlet and outlet openings 101, 102, respectively, transverse to the fluid flow direction and within the oscillation plane of the first fluid Fi (explained later).
- the outlet opening 102 of the flow chamber 100 of the fluidic component 10 corresponds here to the first inlet opening 201 of the first mixing chamber 20.
- the inlet width bi can range from 0.15 pm to 5,000 pm.
- the minimum dimensions of the narrowest cross-sectional areas within the fluidic component 10 can be selected depending on the desired volume flow. The higher the volume flow at a constant inlet pressure (at the inlet opening 101 of the flow chamber 100), the larger the dimensions, e.g., of the inlet width bi oi and/or the inlet height hi, must be.
- Typical dimensions range from 100 pm to 1,500 pm. Typical values for the width bi are 100 pm, 150 pm, 300 pm, 600 pm, and 1,200 pm.
- the inlet opening 101 and the outlet opening 102 are arranged on two fluidically opposite sides of the fluidic component 10.
- the flow chamber 100 connects the inlet opening 101 and the outlet opening 102 in a non-obstruction-free manner.
- the inlet opening 101 and the outlet opening 102 can be connected by means of a non-obstruction-free flow chamber.
- the first fluid flow Fi moves in the flow chamber 100 essentially along a longitudinal axis A of the fluidic component 1 (which connects the inlet opening 101 and the outlet opening 102) from the inlet opening 101 to the outlet opening 102.
- the longitudinal axis A forms an axis of symmetry of the fluidic component 1.
- the longitudinal axis A lies in two mutually perpendicular planes of symmetry S1 and S2, with respect to which the fluidic component 1 is mirror-symmetrical.
- the flow chamber 100 comprises two secondary flow channels 104a, 104b in addition to the main flow channel 103.
- the main flow channel 103 and the two secondary flow channels 104a, 104b extend substantially along the longitudinal axis A of the fluidic component 10, with the main flow channel 103 (viewed transversely to the longitudinal axis A) being arranged between the two secondary flow channels 104a, 104b.
- the flow chamber 100 divides into the main flow channel 103 and the two secondary flow channels 104a, 104b, which rejoin immediately before the outlet opening 102.
- the two secondary flow channels 104a, 104b are arranged symmetrically with respect to the plane of symmetry S2 ( Figure 4).
- These secondary flow channels can also be arranged outside the illustrated flow plane. These channels can be realized, for example, by pipes that are also located outside the plane of symmetry S1 or by channels that are at an angle to the flow plane (plane of symmetry S1).
- the main flow channel 103 connects the inlet opening 101 and the outlet opening 102 to one another in a substantially straight line, so that the fluid flow Fi flows substantially along the longitudinal axis A of the fluidic component 10.
- the secondary flow channels 104a, 104b each extend in a first section at an angle of substantially 90° to the longitudinal axis A in opposite directions. Subsequently, the secondary flow channels 104a, 104b bend so that they each extend substantially parallel to the longitudinal axis A (in the direction of the outlet opening 102) (second section).
- the secondary flow channels 104a, 104b change their direction again at the end of the second section so that they are each directed substantially toward the longitudinal axis A (third section).
- the direction of the secondary flow channels 104a, 104b changes by an angle of approximately 120° at the transition from the second to the third section.
- angles other than the one mentioned here can be selected or even follow a completely different course.
- the bypass channels 104a, 104b are a means for influencing the direction of the first fluid flow Fi flowing through the flow chamber 100.
- the bypass channels 104a, 104b each have an inlet 104a1, 104b1, formed by the end of the bypass channels 104a, 104b facing the outlet opening 102, and an outlet 104a3, 104b3, formed by the end of the bypass channels 104a, 104b facing the inlet opening 101.
- the remaining portion of the first fluid flow Fi exits the fluidic component 10 via the outlet opening 102.
- the secondary flows exit the secondary flow channels 104a, 104b at the outlets 104a3, 104b3, where they can exert a lateral (transverse to the longitudinal axis A) impulse on the first fluid flow Fi entering through the inlet opening 101.
- the direction of the first fluid flow Fi is influenced such that the main flow exiting the outlet opening 102 spatially oscillates, specifically in a plane in which the main flow channel 103 and the secondary flow channels 104a, 104b are arranged.
- the plane in which the main flow oscillates is also referred to as the oscillation plane and essentially corresponds to the plane of symmetry S1 or is parallel to the plane of symmetry S1 ( Figure 3).
- the secondary flow channels 104a, 104b each have a cross-sectional area which, over the entire length (from the inlet 104a1, 104b1 to the outlet 104a2, 104b2) of the secondary flow channels 104a, 104b, is almost is constant.
- the size of the cross-sectional area of the main flow channel 103 increases substantially continuously in the flow direction of the main flow (i.e., in the direction from the inlet opening 101 to the outlet opening 102) ( Figures 1 and 2).
- the shape of the main flow channel 103 is, for example, mirror-symmetrical to the planes of symmetry S1 and S2.
- the cross-sectional area of the main flow channel 103 can in principle also decrease downstream.
- the main flow channel 103 is separated from each secondary flow channel 104a, 104b by a block 11a, 11b.
- the two blocks 11a, 11b are arranged symmetrically with respect to the mirror plane S2. In principle, however, they can also be designed differently and not aligned symmetrically. If the alignment is not symmetrical, the shape of the main flow channel 103 is also not symmetrical with respect to the mirror plane S2. A symmetrical embodiment of the two blocks 11a, 11b is preferred.
- Blocks 11a, 11b shown in Figures 1 and 2 are only examples and can be varied. Blocks 11a, 11b have rounded edges. Sharp edges are also possible. The design variant with rounded edges is preferred. Blocks 11a, 11b in Figures 1 and 2 differ in the shape of their side facing the main flow channel 103. While in Figure 1 this side is almost flat, in Figure 2 it has a curvature.
- a funnel-shaped extension 106 Upstream of the inlet opening 101 of the flow chamber 100 is a funnel-shaped extension 106, which tapers towards the inlet opening 101 (downstream).
- an extension 106 is also possible that has a substantially constant cross-section or, in sections, an expanded cross-sectional area.
- This funnel-shaped extension can also be referred to as an inlet channel.
- the flow chamber 100 also tapers, specifically in the region of the outlet opening 102 downstream of the inner blocks 11a, 11b.
- the taper is formed by an outlet channel 107 and begins at the bypass channel inlet 104a1, 104b1.
- the extension 106 and the outlet channel 107 taper in such a way that only their width, i.e.
- extension 106 and outlet channel 107 decreases downstream.
- the taper does not affect the depth (i.e. the extent in the symmetry plane S2 perpendicular to the longitudinal axis A) of the extension 106 and the outlet channel 107 ( Figure 3).
- the Extension 106 and outlet channel 107 also taper in width and depth, respectively.
- only extension 106 can taper in depth or width, while outlet channel 107 tapers in both width and depth, and vice versa.
- the shape of extension 106 and outlet channel 107 are shown in Figures 1 and 2 only as examples.
- the width of the inlet channel of the funnel-shaped extension 106 corresponds, for example, to at least 1.5 times the inlet width bioi, so hoe ⁇ 1.5xb i. According to a preferred embodiment, the length hoe of the funnel-shaped extension 106 is greater than 7.5 times the width bioi. For a given and fixed value of the width bi, the following applies: the smaller the angle £, the longer the inlet channel 106 should be.
- the inlet opening 101 and the outlet opening 102 each have an idealized rectangular cross-sectional area. These each have the same depth (extension in the plane of symmetry S2 perpendicular to the longitudinal axis A, Figure 3), but differ in their width b1i, b2 (extension in the plane of symmetry S1 perpendicular to the longitudinal axis A, Figure 2).
- the corners of the cross-sectional areas can be rounded, and the opposing surfaces that define the inlet and outlet openings 101 and 102, respectively, do not have to be parallel.
- the outlet opening 102 of the flow chamber 100 of the fluidic component 10 corresponds in Figures 1 and 2 to the first inlet opening 201 of the first mixing chamber 20.
- the tapered outlet channel 107 of the fluidic component 10 and the later-explained, widening inlet channel 206 of the first mixing chamber 20 meet, so that an edge is formed in this transition region.
- This transition region can preferably be rounded.
- the rounding can have a radius 109 that is smaller than the minimum width of bi (width of the inlet opening 101) and bn (corresponding width of the smallest cross-sectional area An in the main flow channel 103 between the inner blocks 11a, 11b, Figure 2).
- An extreme value, which results in a sharp-edged outlet 102, is a radius of zero. Due to its greater mechanical stability, a radius of 109 is preferable.
- the widths bioi, bn, and b2 are approximately equal. For example, they can be approximately 0.3 mm.
- the radius 109 at the outlet opening 102 can then be approximately 0.025 mm.
- Downstream of the first inlet opening 201 of the first mixing chamber 20 is an inlet channel 206.
- the inlet channel 206 has a cross-sectional area that increases downstream (transverse to the first fluid flow direction or to the longitudinal axis L of the first mixing chamber 20). In particular, the width (extension in the oscillation plane and transverse to the longitudinal axis L) of the inlet channel 206 increases downstream.
- the width increases linearly here. However, the increase in width can also follow a polynomial.
- the walls delimiting the inlet channel 206 enclose an angle ⁇ when viewed in the oscillation plane. This angle ⁇ can have different dimensions.
- An angle ⁇ that is selected depending on the oscillation angle ⁇ is advantageous.
- a deviation from the oscillation angle ⁇ of +40° and -10° is possible, i.e. ⁇ - 10° ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ + 40°.
- a particularly preferred value for the angle ⁇ is ⁇ - 5° ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ + 20°.
- the oscillation angle ⁇ here corresponds to the natural oscillation angle of the oscillating first fluid Fi, which would occur in the absence of the inlet channel 206 and the first mixing chamber 20.
- the angle ⁇ is different.
- the first inlet opening 201 is thus defined in the inlet channel 206 where it has the smallest cross-sectional area (transverse to the first fluid flow direction Ri) or the smallest width (parallel to the oscillation plane and transverse to the first fluid flow direction Ri).
- the width b2o of the first mixing chamber 20 is defined by two approximately parallel and flat surfaces that function as boundary walls in an intermediate section of the first mixing chamber 20.
- the intermediate section is formed along the first fluid flow direction Ri between the inlet channel 206 and an outlet channel 207 of the first mixing chamber 20.
- the boundary walls can also be designed differently (other than flat and parallel).
- the outlet channel 207 adjoins the downstream end of the intermediate section. Its cross-sectional area (transverse to the first fluid flow direction or to the longitudinal axis L of the mixing chamber 20) decreases downstream along the longitudinal axis L. In particular, the width (extension in the oscillation plane and transverse to the longitudinal axis L) of the outlet channel 207 decreases downstream. The width decreases linearly here. However, the decrease in width can also follow a polynomial.
- the walls delimiting the outlet channel 207 enclose an angle w when viewed in the oscillation plane. In the embodiments of Figures 1 and 2, the angle w is different.
- the downstream end of the outlet channel 207 is formed by the outlet opening 203.
- the outlet opening 203 is thus defined in the outlet channel 207 where it has the smallest cross-sectional area (transverse to the fluid mixture flow direction R12) or the smallest width (parallel to the oscillation plane and transverse to the fluid mixture flow direction R12).
- the intermediate fluid mixture F12 consisting of the first and second fluids F1, F2 leaves the first mixing chamber 20 through its outlet opening 203.
- the length I20 of the first mixing chamber 20 is defined as a function of 20 times the diameter D202 of the second inlet opening 202 of the first mixing chamber 20. Therefore, I20 ⁇ 20XD202 applies.
- the outlet opening 203 has a cross-sectional area A203, which is, for example, rectangular and therefore has a width b203 and a height h2os . In principle, a non-rectangular cross-sectional area of the outlet opening 203 is also possible.
- the cross-sectional area A203 is larger than the smallest cross-sectional area of the fluidic component 10 (A101, An, or A102).
- the cross-sectional area A203 is equal to or larger than the sum of the cross-sectional area A202 of the second inlet opening 202 of the first mixing chamber 20 and the smallest cross-sectional area of the fluidic component 10 (A101, An, or A102).
- the outlet channel 207 has the fluidic effect of contracting the vortices generated by the Fulda component 10 to a smaller cross-section. Since the circulation present in a vortex must be maintained according to Helmholtz's vortex laws, the contraction of the vortices leads to an increase in the vortex velocity and thus to an increase in the transverse velocities in the fluid. The higher velocities lead to faster mixing of the fluids and also to faster decay of the vortices, which in turn leads to better mixing on the smaller scales. This vortex decay essentially determines the length I30 of the first interaction channel 30, which adjoins the first flow chamber 20. The outlet channel 207 of the first mixing chamber 20 thus contributes significantly to the rapid mixing of the fluids F1, F2.
- several outlet openings 203 can also be provided, which open into parallel-connected interaction channels 30 and then into parallel-connected second mixing chambers.
- the sum of the cross-sectional areas A203 of the individual outlet openings 203 is greater than the smallest cross-sectional area of the fluidic component 10 (A101, A102, or A103).
- the second inlet opening 202 is formed in the inlet channel 206.
- the second inlet opening 202 can be formed in the outlet channel 207. It is conceivable that more than one second inlet opening (for introducing the second fluid F2 or other fluids) is provided. Preferably, at least one of the second inlet openings 202 is located in the inlet channel 206.
- the second inlet opening 20 is circular, but a non-circular shape of the second inlet opening 202 is also possible.
- the cross-sectional area of the second inlet opening 202 is approximately the same size as the cross-sectional area of the first inlet opening 201.
- the distance of the second inlet opening 202 from the first inlet opening 201 along the first fluid flow direction Ri is shown in Figure 2 as I202. It is advantageous if the length I202 corresponds at least to the width b2oi of the first inlet opening 201 (or outlet opening 102), i.e., I202 s b2oi. It is particularly advantageous if the length I202 corresponds at least to the sum of the width b2oi and the width b2oi of the first and second inlet openings 201, 202 or at least twice the width of b2oi, i.e., I202 s (b2oi + b202) or I202 s 2 x b2oi.
- Figure 3 shows a sectional view of the device 1 from Figure 2 along the line A'-A" (perpendicular to the sectional plane in Figure 2).
- the fluidic component 10, the first mixing chamber 20 and at least the upstream end of the first interaction channel 30 have a constant height h.
- the height (also called depth) is the extent transverse to the oscillation plane of the first fluid Fi .
- the height h may not be constant.
- the height h may deviate from the height in the rest of the device.
- FIG. 3 shows that the second feed device 70 opens into the second inlet opening 202 of the first mixing chamber 20.
- the second feed device 70 which is used to introduce of the second fluid F2 into the first mixing chamber 20, comprises a supply channel 701 which extends along a longitudinal axis and predetermines the fluid flow direction R 2 for the second fluid F 2 ( Figure 3).
- the supply channel 701 is connected to the first mixing chamber 20 via the second inlet opening 202 of the first mixing chamber 20.
- the supply channel 701 is (as viewed in the plane of symmetry S2 or a plane which runs perpendicular to the oscillation plane and along the longitudinal axis L) at an angle ß to the oscillation plane of the fluidic component 10 or the plane of symmetry S1.
- the angle ß 90°.
- the angle can assume a different value.
- the angle ß influences the mixing quality and/or the mixing path length or the mixing time.
- Figure 4 shows a sectional view of the device 1 from Figure 2 along the line B'-B".
- the cross-sectional area of the main flow channel 103 and the secondary flow channels 104a, 104b of the fluidic component 10 can be seen.
- the heights hios, hi 0 4a, hi 0 4b of the channels 103, 104a, 104b are the same. However, they can in principle also differ from one another.
- the cross-sectional areas of the main and secondary flow channels 103, 104a, 104b are shown in a simplified manner with sharp edges. However, the corners can be provided with radii, i.e., rounded.
- Figure 5 shows a sectional view of the device 1 from Figure 2 along the line O-C".
- a cross-section through the inlet channel 206 of the first mixing chamber 20 can be seen. Again, for simplicity, the corners are not shown with radii, although these may be present.
- the distance between the lateral boundary walls of the inlet channel 206 is constant over the entire height h 20 6 . However, this distance can also change along the height h 20 6 .
- Figure 5 also shows that the second inlet opening 202 of the first mixing chamber 20 is formed in its inlet channel 206.
- the supply channel 701 forms an angle q with the oscillation plane.
- the angle q 90°.
- the angle can assume a different value, e.g., between 30° and 150°.
- An angle q of 90° is preferred.
- the mixing of the first and second fluids Fi, F2 in the first mixing chamber 20 is characterized by the fact that the fluidic component 10 generates strong velocity fluctuations transverse to the main flow direction of the first fluid flow direction Ri (i.e. essentially in the Y direction ( Figure 1 )), which lead to a rapid mixing of the two fluid flows by chaotic advection.
- the fluidic component 10 creates large-scale vortices, which successively break down into smaller vortices through fluid-mechanical processes and are finally dissipated by viscous processes.
- This cascade of vortices in addition to the dissipation of the vortices, leads to a mixing of the fluids F1 and F2 on increasingly smaller scales. This mixing takes place (mostly) in the first mixing chamber 20.
- the first interaction channel 30 is connected to the outlet opening 203 of the first mixing chamber 20.
- mixing continues continuously until, after a characteristic mixing time tmix, a sufficiently homogeneous mixture of the two fluids F1, F2 is obtained.
- This mixing time tmix can be in the range from 0.1 ms to 1000 ms (0.1 ms to 1 ms, 1 ms to 1000 ms).
- the mixing time tmix is between 0.1 ms and 500 ms (1 ms to 500 ms) and in particular between 0.1 ms and 100 ms (1 ms to 100 ms). Mixing should be completed in the first interaction channel 30.
- the length I20 of the first mixing chamber 20 and the length I30 of the first interaction channel 30 can be selected to be so large that a particle transported at the average speed can completely pass through the first mixing chamber 20 and the first interaction channel 30 within the mixing time tmix.
- the first interaction channel 30 can widen one or more times (increase in the cross-sectional area, in particular increase in the width transverse to the fluid mixture flow direction Ri2 and parallel to the oscillation plane). It is also possible for the first interaction channel 30 to taper one or more times (decrease in cross-sectional area, in particular increase in width transverse to the fluid mixture flow direction R12 and parallel to the oscillation plane).
- the cross-sectional changes are within a range that prevents separation (so-called dead water areas), which could lead to indefinite residence times of the intermediate fluid mixture in the first interaction channel 30.
- This angle is defined between the center line of the interaction channel 30 and the bounding wall of the interaction channel 30 in a widening section (viewed in the fluid mixture flow direction R12). If the first interaction channel 30 widens several times (viewed in the fluid mixture flow direction R12), there are multiple angles A30, for example, the upstream angles A30 and A30ib and the downstream angle A30OÜ in Figure 1.
- the angle A30 is less than 8°.
- the angle A30 is between 2° and 6°.
- an upstream symmetrical widening is realized in the interaction channel 30, in which the angles A30 and A30ib are equal.
- the interaction channel 30 is designed to be rectilinear (extending along the fluid mixture flow direction R12). In principle, it can also be non-reciprocal and, for example, have at least one meandering section, as shown by way of example in Figure 6. Depending on the fluids Fi, F2 to be mixed, such meanders can extend the residence time in the interaction channel 30 and thus enable secondary mixing. This is advantageous for certain intermediate fluid mixtures F12 consisting of the fluids Fi, F2, which require a certain maturation time and thus have a longer mixing time tmix.
- the intermediate fluid mixture F12 (with the particles) is combined with the third fluid F3 in the second mixing chamber 40.
- the intermediate fluid mixture F12 enters the second mixing chamber 40 from the first interaction channel 30 via the first inlet opening 401 and the third fluid F3 via the second inlet opening 402.
- the third fluid F3 flows from a supply channel 801 of the third Feed device 80.
- the particles are exposed to as little mechanical stress as possible to prevent damage to the particles, as well as fusion and sticking (agglomeration and aggregation) of the particles.
- the magnitude and direction of the stress are very similar to those of the intermediate fluid mixture F12 and the third fluid F3.
- the claimed method for generating a fluid mixture may require that the intermediate fluid mixture F12 has an average velocity U302 at the outlet opening 302 of the first interaction channel 30, the third fluid F3 has an average velocity U402 at the second inlet opening 402 of the second mixing chamber 40, and the fluid mixture F123 has an average velocity U403 at the outlet opening 403 of the second mixing chamber 40, wherein the ratio of the velocities is 0.8 ⁇ U402/U302 ⁇ 1.2 and 0.8 ⁇ U403/U302 ⁇ 1.2.
- the desired velocity ratio can be adjusted by the size of the cross-sectional areas of the outlet openings 302, 403 and the second inlet opening 402, taking into account the volume flows of the intermediate fluid mixture F12 and the third fluid F3.
- the cross-sectional area of the outlet opening A403 of the second mixing chamber 40 approximately corresponds to the sum of the cross-sectional area of the outlet opening A302 (the first inlet opening A401) and the cross-sectional area of the second inlet opening A402. This is particularly the case when the direction R3 of the third fluid F3 and the direction R12 of the intermediate fluid mixture F12 are within the oscillation plane or parallel to the oscillation plane.
- the transition from the first interaction channel 30 to the second mixing chamber 40 is characterized by a sudden increase in the cross-sectional area (transverse to the fluid mixture flow direction R12).
- a Feed channel 801 of the third feed device 80 into the second mixing chamber 40 is characterized by a sudden increase in the cross-sectional area (transverse to the fluid mixture flow direction R12).
- the feed channel 801 extends (rectilinearly) along the third fluid flow direction R 3 .
- the third fluid flow direction R 3 and the fluid mixture flow direction R 12 enclose an angle £ that is less than or equal to 90°, preferably less than 45°, particularly preferably between 5° and 40°.
- the generated fluid mixture FI 23 flows from the outlet opening 403 of the second mixing chamber 40 into the second interaction channel 50 and leaves the device 1 through the outlet opening 502 of the second interaction channel 50.
- Figure 6 shows a device 1 according to a further embodiment. This differs from the embodiments of Figures 1 to 5 particularly in the shape of the first interaction channel 30.
- the first interaction channel 30 has a meandering section with (here, by way of example) a 180° deflection 303 and two 90° deflections 304.
- the meandering section extends the first interaction channel 30, so that the residence time of the intermediate fluid mixture F12 in the first interaction channel 30 is extended (compared to the embodiment of Figure 1).
- the interaction channel 30 has a constant channel width b 3 oo in the deflections 303, 304.
- the straight-line section 305 has a length l 3 os that is at least three times the channel width b 3 oo (l 3 0 5 x b 3 oo), preferably at least five times the channel width b 3 oo (l 3 0 5 x b 3 oo).
- the straight-line section 305 serves to even out the velocity profile of the intermediate fluid mixture F12.
- asymmetric section 307. Downstream of the straight-line section 305 is an asymmetric section 307.
- the asymmetric section 307 accommodates the asymmetric flow velocity profile of the intermediate fluid mixture F12.
- the asymmetric section 307 prevents the formation of recirculation regions. This widening is achieved by the angle A 3 o.
- asymmetric section 307 Immediately downstream of the asymmetric section 307, another straight-shaped section 308 is arranged.
- the length l 3 os of this section depends on the desired mixing time tmix of the fluids Fi, F 2 to be mixed in order to produce particles with the desired Size and shape. Mixing times of around 10 ms are required to produce lipid nanoparticles.
- the cross-sectional area A201 of the first inlet opening 201 of the first mixing chamber 20 is approximately 25% larger than the cross-sectional area A202 of the second inlet opening 202 of the first mixing chamber 20.
- first interaction channel 30 does not comprise the deflections 303 and 304, but only the rectilinear section 305 (which directly adjoins the first mixing chamber 20), a widening symmetrical section 307 and the rectilinear section 308.
- the second interaction channel 50 extends (generally) along an axis corresponding to the direction of the fluid mixture F123.
- the direction of the fluid mixture F123 results from the velocity vector of the fluid mixture F123.
- the velocity vector of the fluid mixture F123 corresponds to the sum of the velocity vector of the intermediate fluid mixture F12 at the first inlet opening 401 and the velocity vector of the third fluid F3 at the second inlet opening 402.
- the axis of the second interaction channel 50 and the fluid mixture flow direction R12 enclose an angle e, which in the embodiment of Figure 6 is less than 180°.
- the axis of the second interaction channel 50 and the third fluid flow direction R3 enclose an angle K, which in the embodiment of Figure 6 is less than 180°.
- angles e and K are different sizes here, in particular, the angle K is greater than the angle e.
- the angle K is between 170° and 179° (174°) and the angle e is between 160° and 169° (166°).
- the angle between the fluid mixture flow direction R12 and the third fluid flow direction R3 and the angles e and K add up to 360°.
- Figure 7 schematically illustrates the displacement of the moving (oscillating) first fluid Fi (at the outlet opening 102 of the fluidic component 10) over time.
- the first fluid Fi oscillates periodically between two maximum displacements, for example, approximately +25° and -25°.
- the dashed line represents an idealized sinusoidal curve.
- an additional intermediate oscillation is advantageous.
- the curve shown with a solid line includes such an intermediate oscillation.
- the intermediate oscillation is provided at approximately ⁇ 5°.
- the temporal progression, as shown by the solid line can be generated, for example, with the fluidic components 10 according to Figure 1 or 2.
- the oscillation angle ⁇ can be selected depending on the desired mixing quality, the fluids to be mixed, and their volumes.
- the first fluid Fi preferably has a degree of turbulence TU20 greater than 0.05, particularly preferably the degree of turbulence is between 0.1 and 0.5.
- the degree of turbulence indicates the variation in speed in relation to the average speed.
- the temporal variance ou of the speed is determined with the aid of a transient numerical simulation of the flow (CFD) of the first fluid Fi.
- the spatial maximum of ou in the mixing chamber 20 is identified.
- the degree of turbulence TU40 is less than 0.1, more preferably less than 0.05, and especially preferably less than 0.025.
- a Kolmogorov scale Lk length scale of the smallest vortices in the turbulent flow
- the Kolmogorov scale Lk can be estimated from the results of a turbulent CFD (Reynolds Averaged Navier Stokes, RANS for short).
- the turbulent dissipation rate, e which is defined as The transport quantity of a so-called k-e turbulence model is calculated and related to the kinematic viscosity v of the fluid mixture F12 as follows:
- the mixing in the second mixing chamber 40 should occur with the lowest possible shear of the intermediate fluid mixture F12.
- the relative differences between the velocities U401 at the first inlet opening 401 of the second mixing chamber 40 (or at the outlet opening 302 of the first interaction channel 30) and U402 at the second inlet opening 402 of the second mixing chamber 40 are as small as possible.
- the turbulence in the second mixing chamber 40 should also be lower than in the first mixing chamber 20.
- the absolute velocities in the second mixing chamber 40 can be lower than in the first mixing chamber 20.
- U401 ⁇ U201 is the velocity of the intermediate fluid mixture F12 at the first inlet opening 401 of the second mixing chamber 40 and U201 is the velocity of the first fluid Fi at the first inlet opening 201 of the first mixing chamber 20.
- Figure 8 shows a further embodiment of the device 1. This embodiment differs from those of Figures 1 to 6, in particular in the design of the first supply device 60 and in the number of third supply devices 80a, 80b, 80c, 80d.
- the fluidic component 10 of the first supply device 60 has only one secondary flow channel 104.
- This secondary flow channel 104 is annular and arranged upstream of the main flow channel 103.
- Four third supply channels 801a, 801b, 801c, 801d open into the second mixing chamber 40.
- the bypass channel 104 has a substantially constant cross-sectional area over its entire length (between points 104a1 and 104b1). In the region of each bypass channel inlet or outlet (at points 104a1 and 104b1), an increase in the respective cross-sectional area is provided. In principle, the size of the cross-sectional area here can also be as large as over the entire length of the bypass channel 104.
- the fluidic component 10 has a width bn (extension parallel to the oscillation plane and transverse to the first fluid flow direction Ri).
- the inlet width bi is smaller than the width bn.
- the width of the main flow channel 103 initially increases and then decreases downstream, starting from the transition region to the secondary flow channel 104.
- this fluidic component 10 generates a higher oscillation frequency at the same inlet pressure PIOIN.
- a higher oscillation frequency shortens the mixing time of the first fluid Fi and the second fluid F2 in the first mixing chamber 20 and the adjoining first interaction channel 30.
- the length I20 (extension along the first fluid flow direction Ri) of the first mixing chamber 20 is smaller than the length I of the fluidic component 10.
- the length I includes the length Iwe.
- the length Iw is defined from a point on the outer boundary wall of the bypass channel 104, which is at the maximum distance from the outlet opening 102 along the axis X, to the outlet opening 102.
- the main flow channel 103 and the bypass channel 104 lie in one plane.
- the bypass channel 104 can lie in a plane parallel to the plane of the main flow channel 103.
- the length Iw does not include the length Iwe.
- the length Iw extends from the inlet opening 101 to the outlet opening 102. It is also conceivable that the length I20 is greater than the length Iw.
- the third fluid F3 is fed into the second mixing chamber 40 via a plurality of third supply channels 801a, 801b, 801c, 801d.
- third supply channels 801a, 801b, 801c, 801d there are four third supply channels 801a, 801b, 801c, 801d in Figure 8.
- the two third supply channels 801a, 801c arranged further upstream are arranged symmetrically to one another (relative to the second mixing chamber 40), while the two third supply channels 801b, 801d arranged further downstream are not arranged symmetrically to one another (or are offset along the fluid mixture flow direction R12).
- the supply channels 801a, 801b, 801c, 801d are each part of a third supply device 80a, 80b, 80c, 80d.
- the supply channels 801 a, 801 b, 801 c, 801 d can also be part of a common third supply device and be fed by a common inlet which branches into the individual supply channels 801 a, 801 b, 801 c, 801 d.
- the plurality of third supply channels 801 a, 801 b, 801 c, 801 d causes the impulse exerted by the third fluid F 3 on the intermediate fluid mixture F 12 to be comparatively small (relative to the embodiments of Figures 1 to 6), since the impulse is spatially distributed.
- the cross-sections are designed so that the average velocities at the inlet and outlet openings are as similar as possible.
- the average velocity U302 of the intermediate fluid mixture F12 at the outlet opening 302 of the first interaction channel 30 is related to the average velocities U402a and U402c of the third fluid F3 at the second inlet openings 402a and 402c of the second mixing chamber 40: 0.8 ⁇ U402a/ u302 ⁇ 1.2 and 0.8 ⁇ U402c/ u302 ⁇ 1.2.
- the volume flow rates through the second inlet openings 402a and 402c, as well as the volume flow rate of the intermediate fluid mixture F12 through the first inlet opening 401, determine the size of the cross-sectional areas at these openings.
- the cross-sectional areas of the second inlet openings 402a and 402c are equal and each half as large as the cross-sectional area of the first inlet opening 401.
- Figure 9 shows a further embodiment of the device 1. This differs from those of Figures 1 to 6 and 8 in particular in the design of the first supply device 60.
- the first supply device 60 in Figure 9 has two inlet openings 101a, 101b, but no bypass channel. Upstream of the inlet openings 101a, 101b, a projection 106 is provided which, viewed in the fluid flow direction, divides into two channels 106a and 106b.
- the channels 106a, 106b open into the inlet openings 101a, 101b.
- the channels 106a, 106b serve to condition the fluid flow of the first fluid Fi.
- the shape of the two channels 106a, 106b in Figure 9 is only an example.
- the channels 106a, 106b are arranged mirror-symmetrically with respect to a longitudinal axis of the device 1, as are the inlet openings 101a, 101b.
- the inlet openings 101a, 101b form the transition between the channels 106a, 106b, on the one hand, and the main flow channel 103, on the other.
- the downstream, straight end sections of the channels 106a and 106b enclose an angle ⁇ .
- This angle ⁇ takes on values between 95° and 175°.
- the apex of the angle ⁇ lies downstream of the inlet openings 101a, 101b.
- the angle o is measured upstream of the apex. The smaller the angle o, the longer the fluidic component 10 becomes.
- the embodiment of Figure 9 also differs from the other embodiments in the design of the first interaction channel 30 and the supply channel 801 of the third supply device 80.
- the first interaction channel 30 has a section 307 whose cross-section decreases downstream.
- the section 307 is located closer at the outlet opening 302 than at the inlet opening 301.
- the feed channel 801 has a section 807 whose cross-section decreases downstream.
- the cross-sectional area of the outlet opening 302 can be reduced by a factor of 2 to 100, preferably by a factor of 2 to 20, and particularly preferably by a factor of 2 to 10, compared to the maximum cross-sectional area of the first interaction channel 30.
- the cross-sectional area of the second inlet opening 402 can be reduced by a factor of 2 to 100, preferably by a factor of 2 to 20, and particularly preferably by a factor of 2 to 10, compared to the maximum cross-sectional area of the supply channel 801 of the third supply device 80.
- the embodiment of the device 1 shown in Figure 10 differs from the embodiment of Figure 1 in particular in the design of the fluidic component 10, the first interaction channel 30 and the relative arrangement of the third supply device 80 to the second mixing chamber 40.
- the relative arrangement is such that the intermediate fluid mixture F12 and the third fluid F3 meet at an angle of substantially 90° or that the fluid mixture flow direction R12 and the third fluid flow direction R3 enclose an angle of substantially 90°. In the devices 1 of the other embodiments, this angle is denoted by £ and is smaller than 90°.
- the direction R3 of the third fluid F3 does not extend in the oscillation plane or parallel to the oscillation plane.
- the first interaction channel 30 is tubular with a constant cross-sectional area and constant width along its extension between the inlet opening 301 and the outlet opening 302.
- the second mixing chamber 40 is formed by an extension of the first interaction channel 30, with the width remaining unchanged. However, the depth of the second mixing chamber 40 is greater than the depth of the first interaction channel. 30. Specifically, in the embodiment of Figure 10 (see also Figure 11), the depth of the second mixing chamber 40 is twice the depth of the first interaction channel 30. Thus, the first inlet opening 401 of the second mixing chamber 40 has a smaller cross-sectional area (depth) than the outlet opening 403 of the second mixing chamber 40.
- the ratio of the depth of the first inlet opening 401 to the depth of the outlet opening 403 depends on the ratio of the volume flows of the intermediate fluid mixture F12 and the fluid mixture F123.
- the ratio of the depths tt ⁇ i is greater than or equal to the ratio of the volume flow of F123 to the volume flow of F12.
- the second mixing chamber 40 has a length (extension along the fluid mixture flow direction R12) and a width (extension transverse to the fluid mixture flow direction R12 and transverse to the third fluid flow direction R3), each of which corresponds to the diameter of the second inlet opening 402 of the second mixing chamber 40.
- the width of the second mixing chamber 40 corresponds to the width of the first inlet opening 401.
- the ratio of the width of the second mixing chamber 40 to the diameter of the second inlet opening 402 can range from 1:1 to 2:1.
- the second inlet opening 402 has, for example, a round cross-sectional area. Alternatively, it can be square or oval.
- the depth tso2 of the outlet opening 302 of the first interaction channel 30 is significantly smaller than the depth t403 of the outlet opening 403 of the second mixing chamber 40.
- the cross-sectional area A302 is formed by the width 0302 at the outlet opening 302 and the depth tso2.
- the cross-sectional area A403 is formed by the width b403 at the outlet opening 403 and the depth t403.
- the cross-sectional area A402 of the second inlet opening 402 of the second mixing chamber 40 is formed in this embodiment by the diameter dsoi at the outlet opening 402.
- the cross-sectional area of the second inlet opening 402 is significantly larger than that of the first inlet opening 401 (which corresponds to the outlet opening 302), whereby the average velocity at the second inlet opening 402 is significantly lower than the average velocity at the first inlet opening 401.
- the intermediate fluid mixture F12 and the third fluid F3 meet essentially at a right angle, the different momenta result in only minimal shear of the intermediate fluid mixture F12.
- the cross-sectional area of the outlet opening A403 is smaller than the sum of the cross-sectional area A302 at the outlet opening 302 and the cross-sectional area A402 at the second inlet opening 402. This is the case when the direction R3 of the third fluid F3 is at an angle to the direction R12 of the intermediate fluid mixture F12 and is not within the oscillation plane. In the embodiment shown in Figures 10 and 11, the direction R3 is orthogonal to the oscillation plane.
- the cross-sectional area A403 should be larger than the cross-sectional area A401 (A403 > A401).
- the following area relationship is preferred: 1.1 A403 ⁇ A401 + A402 ⁇ 10 A403.
- the following area relationship is particularly preferred: 1.9 A403 ⁇ A401 + A402 ⁇ 7.9 A403.
- a further feature of the embodiment shown in Figures 10 and 11 is the sudden expansion of the cross-sectional area (transverse to the fluid mixture flow direction R12) at the first inlet opening 401.
- the expansion of the cross-sectional area is step-like. The step is pronounced in the direction of the feed channel 801.
- the inflow of the third fluid F3 into the mixing chamber 40 takes place downstream of the step, viewed in the fluid mixture flow direction R12 of the intermediate fluid mixture F12.
- steps should be avoided, as they lead to the formation of recirculation regions (dead water regions), which lead to indefinite residence times of the fluid mixture F123 in the mixing chamber 40 and thus impair its function.
- the ratio of the depth t403 at the outlet opening 403 to the depth tso2 at the outlet opening 302 depends on the velocity ratio of the fluid F12 and the fluid F3 .
- the embodiment of Figures 10 and 11 combines fluid mechanics aspects for a gentle mixing of the intermediate fluid mixture F12 and the third fluid F3 with a minimalist design.
- Figure 12 shows a further embodiment. This differs from that of Figures 10 and 11 particularly in the design of the first interaction channel 30 and the second mixing chamber 40.
- the second mixing chamber 40 is tubular with a bend. Specifically, the bend here is L-shaped with two sections arranged at a 90° angle to each other, each of which opens into an open end.
- the end of the first section of the tubular mixing chamber 40 forms the second inlet opening 402, through which the third fluid F3 enters the mixing chamber 40.
- the end of the second section of the tubular mixing chamber 40 forms the outlet opening 403, through which the fluid mixture F123 exits the mixing chamber 40.
- the first interaction channel 30 is also tubular and has a smaller diameter than the second mixing chamber 40.
- the tubular interaction channel 30 and the second section of the tubular mixing chamber 40 are arranged concentrically and extend along an axis on which the outlet opening 403 also lies.
- the first interaction channel 30 protrudes into the mixing chamber 40 in the region of the bend.
- an opening is provided in the wall of the mixing chamber 40, which corresponds in shape and size to the cross-sectional area of the interaction channel 30.
- the outlet opening 302 of the first interaction channel 30, which is simultaneously the first inlet opening 401 of the mixing chamber 40, is located upstream of the outlet opening 403.
- the intermediate fluid mixture F12 enters the mixing chamber 40 via the first inlet opening 401.
- the intermediate fluid mixture F12 flows in a round jet with the average velocity U302 and the third fluid F3 flows over the concentric annular gap with the average velocity U401 at the level of the first inlet opening 401.
- the ratio of the velocities is 0.5 ⁇ U401/U302 ⁇ 2.
- the velocities are adjusted via the diameter/cross-sectional areas of the tubes (which form the first interaction channel 30 and the second mixing chamber 40) so that the desired velocity ratios are achieved for the volume flow required for the process.
- a ratio of the diameter of the outer pipe to the inner pipe of 2:1 is selected so that an area ratio of 3:1 from the annular gap to the inner pipe results.
- Figure 13 schematically shows the sequence of a method for continuously mixing multiple (three or more) fluids to produce a fluid mixture according to one embodiment. Steps shown in dashed or dotted lines represent merely optional process steps.
- the process is characterized by the fact that different mixing techniques are combined at very short intervals using a device 1 according to the invention. This achieves high reproducibility and minimizes the risk of errors, thus ensuring consistent quality of the produced fluid mixture and reducing costs.
- a rapid/turbulent mixing (degree of turbulence greater than 0.1) of the first and second fluids Fi, F 2 takes place to produce the intermediate fluid mixture F12, which in the second mixing chamber 40, together with the third fluid F3 (and further fluids), is subjected to a quasi-laminar mixing (degree of turbulence less than 0.1) with low shear rates.
- the first process steps relate to the first fluid F1 and will take place in parallel with the process steps P1.2, P2.2, which relate to the second fluid F2 , as well as with the process steps P1.3 and P2.3, which relate to the third fluid F3 .
- these can also take place in parallel with the optional process steps P1.4 and P2.4, which relate to other fluids.
- the first fluid Fi, the second fluid F 2 , the third fluid F3 (and the other fluids) are present in separate form.
- the volume flow (flow rate) of the first fluid Fi, the second fluid F2 and the third fluid F3 (and the other fluids) is set.
- their volume flows are adjusted.
- the particle size can also be influenced and adjusted by the ratio of the volume flows.
- the ratio between the flow rate of the first fluid Fi and the flow rate of the second fluid F2 is greater than or equal to 1:1 (e.g., 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 6:1, 7:1, 8:1, 9:1, or 10:1, and values therebetween). In other cases, the ratio between the flow rate of the second fluid F2 and the flow rate of the first fluid Fi is greater than 1:1 (e.g., 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 6:1, 7:1, 8:1, 9:1, or 10:1, and values therebetween).
- the inlet pressure of the first fluid Fi (at the inlet opening 101 of the fluidic component 10), the inlet pressure of the second fluid F2 (at the second inlet opening 202 of the first mixing chamber 20), the inlet pressure of the third fluid F3 (at the second inlet opening 402 of the second mixing chamber 40) (and optionally the inlet pressures of the further fluids) are adjusted using suitable pumping devices (depending on the quantity, for example syringe pumps, multi-piston pumps, diaphragm pumps, gear pumps, circulation pumps, peristaltic pumps or other positive displacement pumps).
- the first, second and third fluids Fi, F 2 , F 3 (and optionally further fluids) are fed into the first, second and third feed devices 60, 70, 80 (and optionally further feed devices).
- the flow properties of the first fluid Fi are adjusted with the aid of the supply devices 60 in method steps P3.1.
- P3.1 an oscillation of the first fluid Fi is generated with the aid of the fluidic component 10.
- the oscillation frequency is generally higher than 100 Hz.
- the Strouhal number defined in this way can be in the range 0.001 ⁇ St ⁇ 1, preferably 0.005 ⁇ St ⁇ 0.5 and particularly preferably 0.01 ⁇ St ⁇ 0.05.
- a passively oscillating first fluid Fi is provided at the outlet opening 102 of the fluidic component 10.
- the oscillation angle ⁇ of the first fluid Fi can be at least 5°, preferably at least 25°, particularly preferably at least 40°.
- a Oscillation angles between 25° and 50° are suitable, especially between 30° and 45°.
- a typical maximum value for the oscillation angle is 75°.
- the oscillating first fluid jet Fi which is provided by the first supply device 60
- the (quasi-)stationary second fluid jet F 2 which is provided by the second supply device 70
- the first and second inlet openings 201, 202 into the first mixing chamber 20, respectively, and combined there to form the intermediate fluid mixture F12.
- the collision occurs at the angles ß and q, which were already explained in more detail above in connection with the device 1.
- the first and second fluids Fi, F 2 are guided into the first mixing chamber 20 with a continuous volume flow.
- the fluid mixture F12 which exits the first mixing chamber 20 via its outlet opening 203 at the end of the mixing process P4, is passed into a downstream first interaction channel 30 of length I30, in which the mixing continues until, after a characteristic mixing time tmix, a sufficiently homogeneous mixture of the two fluids Fi, F2 is present. If particles (e.g., lipid nanoparticles, polymer nanoparticles, liposomes) or crystals have formed during the mixing process P4, they have time to mature in the first interaction channel 30.
- particles e.g., lipid nanoparticles, polymer nanoparticles, liposomes
- the intermediate fluid mixture F12 emerging from the first interaction channel 30 is directed into the second mixing chamber 40 in process step P6.1 and combined with the third fluid F3 (and optionally the other fluids one after the other).
- the third fluid F3 and the other fluids can be different or identical.
- the third fluid F3 and the intermediate fluid mixture F12 are combined under specific fluid-mechanical criteria, which are demonstrated below using various exemplary embodiments.
- the velocities of the third fluid F3 and the intermediate fluid mixture F12 must be as similar as possible in terms of magnitude and direction. If particles were formed during the mixing process P4, process step P6.1 can serve to stabilize the particles. Gentle mixing with low shear rates minimizes the mechanical stress on the particles, thereby achieving better particle quality.
- increased stability of the particles is achieved by diluting the particle stream (intermediate fluid mixture F12) with an aqueous solution, e.g., buffer solution (third fluid F3).
- the diluting fluid (third fluid F3 ) is the same buffer solution used in the first fluid F1. In some process variants, the diluting fluid (third fluid F3) differs from the buffer solution used in the first fluid F1. In this case, the solvent content of the intermediate fluid mixture F12 is reduced, which leads to increased stability of the nanoparticles. For some nanoparticles, a solvent content of less than 50% leads to increased particle stability. In another embodiment, a solvent content of less than 25% leads to increased nanoparticle stability. In another embodiment, a solvent content of less than 10% leads to increased nanoparticle stability.
- the stability of the particles is increased by increasing, decreasing or neutralizing the pH value of the particle stream (intermediate fluid mixture F12) from mixing process P4 by diluting it with an appropriate medium (third fluid F3 ) (e.g. by acidic or basic buffer solution).
- the stability of the particles is increased by adding a diluting medium (third fluid F3 ) containing a surfactant to the particle stream (intermediate fluid mixture F12) from mixing process P4.
- the surfactant can be, for example, polyaxamers or polyvinyl alcohols, but is not limited to these substances.
- the aforementioned embodiments can be combined, whereby several fluids (e.g., two; but not limited to two) are successively fed to the particle stream (intermediate fluid mixture F12) from mixing process P4.
- the third fluid F3 is first fed to the particle stream before another fluid is fed to the resulting fluid mixture F123.
- the ratio between the flow rate of the intermediate fluid mixture F12 and the flow rate of the third fluid F3 is greater than or equal to 1:1 (e.g. 1:1, 2:1, 3:1, 4:1 or 5:1 and values in between). In other cases, the ratio between the flow rate of the third fluid F 3 and the flow rate of the intermediate fluid mixture F12 is greater than 1:1 (e.g. 2:1, 3:1, 4:1 or 5:1 and values in between).
- process step P7.1 the fluid mixture F123, which exits from the second mixing chamber 40 via its outlet opening 403 at the end of the mixing process P6.1, is passed into a downstream second interaction channel 50 of length I50, in which the mixing from the second mixing chamber 40 is continued.
- This second mixing process in the second mixing chamber 40 can be cascaded (optional process steps P6.2 and P7.2) by arranging several second mixing chambers 40 (optionally combined with a second interaction channel 50).
- P6.2 and P7.2 analogous to P6.1 and P7.1, one or more additional fluids are combined with the fluid mixture generated from the previous mixing process.
- the fluids added in the optional steps can be identical to or different from the third fluid F3.
- Process step P7.1 (optionally P7.2) is followed by process step P8, in which the produced fluid mixture is removed from the device 1.
- Process step P8 can be followed by a thermal treatment (e.g., cooling) of the produced fluid mixture and/or the separation of a component (e.g., a solvent) from the fluid mixture.
- a thermal treatment e.g., cooling
- a component e.g., a solvent
- process parameters must be defined. These depend on the size of the device. The size of the device influences the fluid velocity, which imposes limitations on the volume flow.
- the volume flows of the other fluid flows then result from the respective ratios of the volume flows for certain embodiments of the process.
- fluidic components can be used. These can include bypass channels or other means for targeted direction change.
- height h and depth t are used synonymously for the extension transverse to the oscillation plane of the first fluid.
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Abstract
Description
Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines Fluidgemischs Device and method for producing a fluid mixture
Die Erfindung betrifft generell eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Fluidgemischs sowie ein entsprechendes Verfahren. Ein Fluidgemisch kann eine Mischung von zwei Fluiden (Flüssigkeiten) sein, aber im Sinne der vorliegenden Anmeldung insbesondere auch eine Dispersion. Eine Dispersion ist ein heterogenes Stoffgemisch von mindestens zwei Stoffen, die sich nicht oder wenig ineinander lösen. Dabei ist eine disperse Phase in einem Dispersionsmedium verteilt. Vorliegend dienen die Vorrichtung und das Verfahren insbesondere der Herstellung einer Suspension, in der eine Flüssigkeit als Dispersionsmedium dient und ein Feststoff als disperse Phase, oder einer Emulsion, bei der sowohl die disperse Phase als auch das Dispersionsmedium flüssig sind. The invention generally relates to a device for generating a fluid mixture and a corresponding method. A fluid mixture can be a mixture of two fluids (liquids), but in the sense of the present application, it can also be a dispersion. A dispersion is a heterogeneous mixture of at least two substances that are insoluble or only slightly soluble in one another. A disperse phase is distributed in a dispersion medium. In the present case, the device and method are used in particular to produce a suspension in which a liquid serves as the dispersion medium and a solid as the disperse phase, or an emulsion in which both the disperse phase and the dispersion medium are liquid.
Die Erfindung befasst sich damit, mindestens drei separate Fluide miteinander zu kombinieren bzw. zu vermischen. Je nach Art der eingesetzten Fluide können bei dem Prozess Partikel entstehen, die beispielsweise in einer Flüssigkeit verteilt sind, so dass insgesamt eine Suspension erzeugt wird. Die Partikel können als Feststoff aufgefasst werden, der die disperse Phase bildet. In vielen Anwendungsfällen sind Partikel von kleinem Durchmesser wünschenswert. Partikel im Größenbereich von Nanometern werden auch als Nanopartikel bezeichnet. Diese Nanopartikel können bei chemischen, biochemischen oder pharmazeutischen Prozessen relevant sein. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen derartiger Nanopartikel oder von Partikeln im Mikrometerbereich. The invention relates to combining or mixing at least three separate fluids. Depending on the type of fluid used, the process can produce particles that are, for example, distributed in a liquid, creating an overall suspension. The particles can be considered a solid that forms the dispersed phase. In many applications, particles with a small diameter are desirable. Particles in the nanometer size range are also referred to as nanoparticles. These nanoparticles can be relevant in chemical, biochemical, or pharmaceutical processes. The invention particularly relates to a device and a method for producing such nanoparticles or particles in the micrometer range.
Ein Beispiel für Suspensionen von pharmazeutischer Bedeutung sind liposomal formulierte Arzneimittel. Dabei stellen die Partikel- bzw. Vesikelgröße und der Polydispersitätsindex physikalische Schlüsselparameter dar, die den therapeutischen Index liposomal formulierter Arzneimittel beeinflussen. Es ist bekannt, dass kleinere Liposomen eine langsamere Blut-Clearance aufweisen und somit die Bioverfügbarkeit von Medikamenten erhöhen. Daher besteht ein Bedarf, Partikel in der pharmazeutisch erforderlichen Größe mit hoher Qualität, sprich mit geringem Polydispersitätsindex, erzeugen zu können. Für die Erzeugung von Nanopartikeln sind Vorrichtungen bekannt, die als Mikrofluidik oder mikrofluidische Mischer bezeichnet werden. Mikrofluidische Mischer haben in der Regel sehr kleine Mikrokanäle, die kleine Reynolds-Zahlen erzeugen und damit in der Regel eine laminare Strömung ohne nennenswerte Turbulenzen, was für das Mischen von Fluiden ungünstig ist. Dabei sind die Strömungskanäle im Verhältnis zur Querschnittsabmessung recht lang. Diese Kanäle sind teuer in der Herstellung und können im Betrieb leicht verstopfen. Auch kann eine Anwendung dieser Kanäle in der Massenproduktion schwierig bis unmöglich sein. An example of suspensions of pharmaceutical importance are liposomally formulated drugs. The particle or vesicle size and the polydispersity index are key physical parameters that influence the therapeutic index of liposomally formulated drugs. It is known that smaller liposomes exhibit slower blood clearance and thus increase the bioavailability of drugs. Therefore, there is a need to be able to produce particles in the pharmaceutically required size with high quality, i.e., with a low polydispersity index. Devices known as microfluidics or microfluidic mixers are known for the generation of nanoparticles. Microfluidic mixers typically have very small microchannels that generate low Reynolds numbers and thus generally laminar flow without significant turbulence, which is unfavorable for fluid mixing. The flow channels are quite long relative to their cross-sectional dimensions. These channels are expensive to manufacture and can easily become clogged during operation. Furthermore, their use in mass production can be difficult or even impossible.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen eines Fluidgemischs (mit Nanopartikeln mit spezifischer Partikelgröße und definierter Größenverteilung) zu schaffen, die möglichst wenig störanfällig sind. Insbesondere besteht die Aufgabe auch darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die sowohl im Labormaßstab (d.h. wenige Nanoliter pro Minute) als auch in der Massenproduktion (d.h. mehrere Liter pro Minute) einsetzbar sind. The present invention is based on the object of creating a device and a method for generating a fluid mixture (with nanoparticles with a specific particle size and defined size distribution) that are as minimally susceptible to failure as possible. In particular, the object is also to create a device and a method that can be used both on a laboratory scale (i.e., a few nanoliters per minute) and in mass production (i.e., several liters per minute).
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. This object is achieved according to the invention by a device having the features of claim 1. Embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Danach umfasst die Vorrichtung zum Erzeugen eines Fluidgemischs zunächst eine erste Mischungskammer mit einer ersten Einlassöffnung, über die ein erstes Fluid entlang einer ersten Fluidstromrichtung in die erste Mischungskammer einleitbar ist, einer zweiten Einlassöffnung, über die ein zweites Fluid entlang einer zweiten Fluidstromrichtung in die erste Mischungskammer einleitbar ist, und einer Auslassöffnung, über die ein intermediäres Fluidgemisch umfassend das erste Fluid und das zweite Fluid entlang einer Fluidgemischstromrichtung ableitbar ist. (Unmittelbar) stromaufwärts der Auslassöffnung ist ein Auslasskanal ausgebildet, dessen Querschnittsfläche, die quer zur Fluidgemischstromrichtung definiert ist, entlang der Fluidgemischstromrichtung in Richtung der Auslassöffnung abnimmt. Der Auslasskanal bildet einen stromabwärtigen Endabschnitt der ersten Mischungskammer. Durch den Auslasskanal kann die Ausbildung sogenannter Totwassergebiete in der ersten Mischungskammer vermieden werden. According to this, the device for generating a fluid mixture initially comprises a first mixing chamber with a first inlet opening, via which a first fluid can be introduced into the first mixing chamber along a first fluid flow direction, a second inlet opening, via which a second fluid can be introduced into the first mixing chamber along a second fluid flow direction, and an outlet opening, via which an intermediate fluid mixture comprising the first fluid and the second fluid can be discharged along a fluid mixture flow direction. (Immediately) upstream of the outlet opening, an outlet channel is formed, the cross-sectional area of which, defined transversely to the fluid mixture flow direction, decreases along the fluid mixture flow direction towards the outlet opening. The outlet channel forms a downstream end section of the first mixing chamber. The outlet channel makes it possible to prevent the formation of so-called dead water regions in the first mixing chamber.
Ferner umfasst die Vorrichtung eine zweite Mischungskammer mit einer ersten Einlassöffnung, über die das intermediäre Fluidgemisch entlang der Fluidgemischstromrichtung in die zweite Mischungskammer einleitbar ist, einer zweiten Einlassöffnung, über die ein drittes Fluid entlang einer dritten Fluidstromrichtung in die zweite Mischungskammer (stationär) einleitbar ist, und einer Auslassöffnung, über die das Fluidgemisch umfassend das erste Fluid, das zweite Fluid und das dritte Fluid ableitbar ist. Die zweite Mischungskammer ist folglich stromabwärts der ersten Mischungskammer angeordnet, wobei die erste Mischungskammer und die zweite Mischungskammer derart fluidisch verbunden sind, dass das intermediäre Fluidgemisch, das aus der Auslassöffnung der ersten Mischungskammer austritt, in die zweite Mischungskammer über deren erste Einlassöffnung eintritt. Furthermore, the device comprises a second mixing chamber with a first inlet opening, via which the intermediate fluid mixture can be introduced into the second mixing chamber along the fluid mixture flow direction, a second inlet opening, via which a third fluid can be introduced into the second mixing chamber (stationary) can be introduced, and an outlet opening through which the fluid mixture comprising the first fluid, the second fluid, and the third fluid can be discharged. The second mixing chamber is thus arranged downstream of the first mixing chamber, wherein the first mixing chamber and the second mixing chamber are fluidically connected such that the intermediate fluid mixture exiting the outlet opening of the first mixing chamber enters the second mixing chamber via its first inlet opening.
Zum Einleiten der Fluide in die Mischungskammern können Zufuhrvorrichtungen vorgesehen sein. Konkret umfasst die Vorrichtung eine erste Zufuhrvorrichtung, die fluidisch mit der ersten Mischungskammer über die erste Einlassöffnung verbunden und ausgebildet ist, das erste Fluid entlang der ersten Fluidstromrichtung (zeitlich und räumlich veränderlich) in die erste Mischungskammer zu leiten. Supply devices can be provided for introducing the fluids into the mixing chambers. Specifically, the device comprises a first supply device that is fluidically connected to the first mixing chamber via the first inlet opening and is configured to direct the first fluid into the first mixing chamber along the first fluid flow direction (variable in time and space).
Dabei umfasst die erste Zufuhrvorrichtung ein fluidisches Bauteil, das eine Auslassöffnung aufweist, die mit der ersten Einlassöffnung der ersten Mischungskammer fluidisch verbunden ist. Insbesondere kann die Auslassöffnung des fluidischen Bauteils der ersten Einlassöffnung der ersten Mischungskammer entsprechen. The first supply device comprises a fluidic component having an outlet opening fluidically connected to the first inlet opening of the first mixing chamber. In particular, the outlet opening of the fluidic component can correspond to the first inlet opening of the first mixing chamber.
Das fluidische Bauteil umfasst mindestens ein Mittel zur gezielten Richtungsänderung des ersten Fluids, das das fluidische Bauteil durchströmt. Zur gezielten Richtungsänderung können alternierende Wirbel, z.B. erzeugt durch kollidierende Fluidströme innerhalb des fluidischen Bauteils, oder durch einen Störkörper innerhalb des fluidischen Bauteils, verwendet werden. Bei dieser Art der Mittel zur Erzeugung der gezielten Richtungsänderung muss ausreichend Platz für die Erzeugung und den anschließenden Abbau der Wirbelstrukturen vorgesehen werden. Insbesondere ist dieses mindestens eine Mittel zur Ausbildung einer räumlichen Oszillation des ersten Fluids an der Auslassöffnung vorgesehen und ausgebildet. In einer Ausführungsform kann das Mittel zur gezielten Richtungsänderung des ersten Fluids ausgebildet sein, eine Oszillation des ersten Fluids in einer Oszillationsebene herbeizuführen. The fluidic component comprises at least one means for the targeted change of direction of the first fluid flowing through the fluidic component. For the targeted change of direction, alternating vortices, e.g., generated by colliding fluid flows within the fluidic component or by a disruptive body within the fluidic component, can be used. With this type of means for generating the targeted change of direction, sufficient space must be provided for the generation and subsequent dissipation of the vortex structures. In particular, this at least one means is provided and designed to create a spatial oscillation of the first fluid at the outlet opening. In one embodiment, the means for the targeted change of direction of the first fluid can be designed to bring about an oscillation of the first fluid in an oscillation plane.
Das erste Fluid wird somit nicht als (quasi)stationärer Strom in die erste Mischungskammer geleitet, sondern als oszillierender Fluidstrom, der sich periodisch zeitlich veränderlich bewegt. Neben einer longitudinalen Strömungskomponente entlang der ersten Fluidstromrichtung weist das erste Fluid auch eine laterale Strömungskomponente (quer zur ersten Fluidstromrichtung) auf, die sich zeitlich verändert. Dadurch können in der ersten Mischungskammer Turbulenzen erzeugt werden, so dass in der ersten Mischungskammer eine hohe Mischungsqualität erreicht werden kann. Demnach tritt das erste Fluid schwingend bzw. dynamisch aus der ersten Zufuhrvorrichtung in die erste Mischungskammer ein. Dadurch erhält das erste Fluid eine sich ständig ändernde Strömungsgeschwindigkeitskomponente quer zu seiner Hauptströmungsrichtung (laterale Strömungskomponente bzw. erste Fluidstromrichtung). The first fluid is thus not fed into the first mixing chamber as a (quasi)stationary flow, but as an oscillating fluid flow that moves periodically and changes over time. In addition to a longitudinal flow component along the first fluid flow direction, the first fluid also has a lateral flow component (transverse to the first fluid flow direction) that changes over time. This can generate turbulence in the first mixing chamber, so that a high mixing quality can be achieved. Accordingly, the first fluid enters the first mixing chamber from the first supply device in a vibrating or dynamic manner. As a result, the first fluid receives a constantly changing flow velocity component perpendicular to its main flow direction (lateral flow component or first fluid flow direction).
Ferner umfasst die Vorrichtung einen ersten Interaktionskanal, der zwischen der ersten Mischungskammer und der zweiten Mischungskammer angeordnet ist. Der erste Interaktionskanal verbindet die Auslassöffnung der ersten Mischungskammer und die erste Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer miteinander und weist eine Querschnittsfläche quer zur Fluidgemischstromrichtung auf, die zumindest über einen Abschnitt unmittelbar stromabwärts der Auslassöffnung der ersten Mischungskammer konstant ist. Demnach stellt die Auslassöffnung der ersten Mischungskammer bzw. die Einlassöffnung des ersten Interaktionskanals das stromabwärtige Ende des Auslasskanals dar. Da die Querschnittsfläche des Auslasskanals entlang der Fluidgemischstromrichtung in Richtung der Auslassöffnung abnimmt, ist die Querschnittsfläche des Auslasskanals an der Auslassöffnung der ersten Mischungskammer bzw. an der Einlassöffnung des ersten Interaktionskanals am kleinsten. Diese Position zeichnet sich ferner dadurch aus, dass sie das stromaufwärtige Ende eines Abschnitts (des ersten Interaktionskanals) mit konstanter Querschnittsfläche bildet. The device further comprises a first interaction channel arranged between the first mixing chamber and the second mixing chamber. The first interaction channel connects the outlet opening of the first mixing chamber and the first inlet opening of the second mixing chamber and has a cross-sectional area transverse to the fluid mixture flow direction, which is constant at least over a section immediately downstream of the outlet opening of the first mixing chamber. Accordingly, the outlet opening of the first mixing chamber or the inlet opening of the first interaction channel represents the downstream end of the outlet channel. Since the cross-sectional area of the outlet channel decreases along the fluid mixture flow direction toward the outlet opening, the cross-sectional area of the outlet channel is smallest at the outlet opening of the first mixing chamber or at the inlet opening of the first interaction channel. This position is further characterized in that it forms the upstream end of a section (of the first interaction channel) with a constant cross-sectional area.
Beispielsweise kann der erste Interaktionskanal in dem besagten Abschnitt röhrenförmig gestaltet sein. Der erste Interaktionskanal kann eine Länge aufweisen, die mindestens drei mal so groß ist wie dessen Breite auf Höhe der Auslassöffnung der ersten Mischungskammer. Die Länge ist dabei die Ausdehnung des ersten Interaktionskanals entlang der Fluidgemischstromrichtung von der Auslassöffnung der ersten Mischungskammer bis zur ersten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer. Die Breite ist dabei die Ausdehnung des ersten Interaktionskanals in der Oszillationsebene quer zur Fluidgemischstromrichtung. For example, the first interaction channel in said section can be tubular. The first interaction channel can have a length that is at least three times its width at the level of the outlet opening of the first mixing chamber. The length is the extent of the first interaction channel along the fluid mixture flow direction from the outlet opening of the first mixing chamber to the first inlet opening of the second mixing chamber. The width is the extent of the first interaction channel in the oscillation plane perpendicular to the fluid mixture flow direction.
Der erste Interaktionskanal kann der Fortsetzung des Mischvorgangs stromabwärts der Auslassöffnung der ersten Mischungskammer dienen; und wenn bei dem Mischvorgang Partikel erzeugt werden, können diese (durch die Länge des ersten Interaktionskanals kontrolliert) im ersten Interaktionskanal wachsen. Der Abschnitt des ersten Interaktionskanals mit konstanter Querschnittsfläche hat die Wirkung, dass das intermediäre Fluidgemisch zunächst möglichst ungestört bleibt, um eine definierte Reaktionszeit für das intermediäre Fluidgemisch ohne Ablöseeffekte der Strömung bei gleichzeitiger Vergleichmäßigung der Strömung zu realisieren. The first interaction channel can serve to continue the mixing process downstream of the outlet opening of the first mixing chamber; and if particles are generated during the mixing process, these can grow in the first interaction channel (controlled by the length of the first interaction channel). The section of the first interaction channel with a constant cross-sectional area has the effect that the intermediate fluid mixture initially remains as undisturbed as possible in order to achieve a defined Reaction time for the intermediate fluid mixture without flow separation effects and simultaneous homogenization of the flow.
Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich der erste Interaktionskanal zumindest abschnittsweise entlang einer Längsachse, die insbesondere parallel zu der Fluidgemischstromrichtung ist. Auch (alternativ oder zusätzlich) kann der erste Interaktionskanal einen mäanderförmigen Abschnitt aufweisen. Die durch die Mäanderform bedingte(n) Krümmung(en) können bewirken, dass die Ausbildung sogenannter Totwassergebiete unterbunden wird. According to one embodiment, the first interaction channel extends at least partially along a longitudinal axis, which is in particular parallel to the fluid mixture flow direction. The first interaction channel can also (alternatively or additionally) have a meandering section. The curvature(s) caused by the meandering shape can prevent the formation of so-called dead water areas.
Zusätzlich kann der erste Interaktionskanal einen Abschnitt aufweisen, in dem die Querschnittsfläche quer zur Fluidgemischstromrichtung stromabwärts zunimmt. In addition, the first interaction channel may have a section in which the cross-sectional area increases downstream transverse to the fluid mixture flow direction.
Der Übergang zwischen dem ersten Interaktionskanal und der zweiten Mischungskammer (also die Position der Auslassöffnung des ersten Interaktionskanals bzw. der ersten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer) kann durch eine sprunghafte Vergrößerung der Querschnittsfläche (quer zur Fluidgemischstromrichtung) charakterisiert sein. Dabei kann die zweite Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer im Bereich der sprunghaften Vergrößerung der Querschnittsfläche angeordnet sein. The transition between the first interaction channel and the second mixing chamber (i.e., the position of the outlet opening of the first interaction channel or the first inlet opening of the second mixing chamber) can be characterized by a sudden increase in the cross-sectional area (transverse to the fluid mixture flow direction). The second inlet opening of the second mixing chamber can be arranged in the region of the sudden increase in the cross-sectional area.
Ferner umfasst die Vorrichtung eine zweite Zufuhrvorrichtung, die fluidisch mit der ersten Mischungskammer über die zweite Einlassöffnung verbunden und ausgebildet ist, das zweite Fluid entlang der zweiten Fluidstromrichtung in die erste Mischungskammer zu leiten, und eine dritte Zufuhrvorrichtung, die fluidisch mit der zweiten Mischungskammer über die zweite Einlassöffnung verbunden und ausgebildet ist, das dritte Fluid entlang der dritten Fluidstromrichtung in die zweite Mischungskammer zu leiten. Furthermore, the device comprises a second supply device which is fluidically connected to the first mixing chamber via the second inlet opening and is designed to guide the second fluid along the second fluid flow direction into the first mixing chamber, and a third supply device which is fluidically connected to the second mixing chamber via the second inlet opening and is designed to guide the third fluid along the third fluid flow direction into the second mixing chamber.
Die dritte Fluidstromrichtung, also die Fluidstromrichtung, mit der das dritte Fluid in die zweite Mischungskammer eintritt, und die Fluidgemischstromrichtung, also die Richtung, mit der das intermediäre Fluidgemisch aus erstem und zweitem Fluid in die zweite Mischungskammer eintritt, können einen Winkel kleiner als oder gleich 90° einschließen. Hierdurch wird die Scherrate der Fluide in der zweiten Mischungskammer begrenzt. In dem intermediären Fluidgemisch vorhandene Partikel erfahren damit möglichst geringe mechanische Belastungen beim Zusammentreffen mit dem dritten Fluid. Demnach kann eine Schädigung der Partikel oder eine Agglomeration / Aggregation der Partikel durch Verschmelzen oder Verkleben der Partikel vermieden werden. Dies wirkt sich positiv auf den Polydispersitätsindex der Partikel aus. Um diesen Effekt zu verstärken ist es vorteilhaft, den Betrag der Geschwindigkeiten des dritten Fluids und des intermediären Fluidgemischs sehr ähnlich zu wählen. Dies kann durch Wahl geeigneter Prozessparameter realisiert werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem weiter unten dargestellten Verfahren können die eingangs erwähnten Partikel in der pharmazeutisch erforderlichen Größe mit hoher Qualität erzeugt werden, sprich mit geringem Polydispersitätsindex. The third fluid flow direction, i.e., the fluid flow direction in which the third fluid enters the second mixing chamber, and the fluid mixture flow direction, i.e., the direction in which the intermediate fluid mixture of the first and second fluid enters the second mixing chamber, can enclose an angle of less than or equal to 90°. This limits the shear rate of the fluids in the second mixing chamber. Particles present in the intermediate fluid mixture thus experience the lowest possible mechanical stress when they come into contact with the third fluid. Accordingly, damage to the particles or agglomeration/aggregation of the particles through fusion or sticking of the particles can be avoided. This has a positive effect on the polydispersity index of the particles. To enhance this effect, it is advantageous to The velocity values of the third fluid and the intermediate fluid mixture should be chosen to be very similar. This can be achieved by selecting suitable process parameters. With the device according to the invention and the method described below, the particles mentioned above can be produced in the pharmaceutically required size with high quality, i.e., with a low polydispersity index.
Vorzugsweise ist der Winkel zwischen der Fluidgemischstromrichtung und der dritten Fluidstromrichtung kleiner als 45°, und liegt insbesondere zwischen 5° und 40°. Je geringer dieser Winkel ist, umso geringer ist die Scherrate der Fluide. Preferably, the angle between the fluid mixture flow direction and the third fluid flow direction is less than 45°, and in particular is between 5° and 40°. The smaller this angle, the lower the shear rate of the fluids.
Gemäß einer Ausführungsform ist die dritte Zufuhrvorrichtung vorgesehen und ausgebildet, das dritte Fluid als (quasi)stationären Strom in die zweite Mischungskammer zu leiten. Hierdurch wird ebenfalls die Scherrate der Fluide in der zweiten Mischungskammer begrenzt. Auch die zweite Zufuhrvorrichtung kann vorgesehen und ausgebildet sein, das zweite Fluid als (quasi)stationären Strom in die erste Mischungskammer zu leiten. According to one embodiment, the third supply device is provided and configured to conduct the third fluid as a (quasi-)stationary flow into the second mixing chamber. This also limits the shear rate of the fluids in the second mixing chamber. The second supply device can also be provided and configured to conduct the second fluid as a (quasi-)stationary flow into the first mixing chamber.
Die dritte Zufuhrvorrichtung weist einen Zufuhrkanal auf, der sich entlang der dritten Fluidstromrichtung erstreckt und in die zweite Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer mündet. Dabei weist der Zufuhrkanal insbesondere eine geradlinige Form auf. Größtenteils gibt der Zufuhrkanal bzw. dessen Form dem dritten Fluid die Fluidstromrichtung beim Eintritt in die zweite Mischungskammer vor. The third supply device has a supply channel that extends along the third fluid flow direction and opens into the second inlet opening of the second mixing chamber. The supply channel has, in particular, a rectilinear shape. The supply channel, or its shape, largely determines the fluid flow direction for the third fluid upon entry into the second mixing chamber.
Das Mittel zur gezielten Richtungsänderung des ersten Fluids ist ausgebildet, eine Oszillation des ersten Fluids in einer Oszillationsebene herbeizuführen. Der Zufuhrkanal erstreckt sich in einer Ebene, die parallel zu der Oszillationsebene ist bzw. der Oszillationsebene entspricht. Hierdurch bewegen sich das intermediäre Fluidgemisch und das dritte Fluid in einer gemeinsamen Ebene. The means for deliberately changing the direction of the first fluid is designed to cause the first fluid to oscillate in an oscillation plane. The supply channel extends in a plane that is parallel to or corresponds to the oscillation plane. As a result, the intermediate fluid mixture and the third fluid move in a common plane.
Wie bereits erwähnt, umfasst das fluidische Bauteil mindestens ein Mittel zur gezielten Richtungsänderung des ersten Fluids, das das fluidische Bauteil durchströmt. Diese Ausgestaltung der ersten Zufuhrvorrichtung führt die gezielte Richtungsänderung des ersten Fluids herbei, so dass sich das erste Fluid innerhalb der ersten Mischungskammer zeitlich veränderlich bewegt, wobei das erste Fluid eine Bewegungskomponente entlang der ersten Fluidstromrichtung und eine Bewegungskomponente quer zur ersten Fluidstromrichtung aufweist. Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das fluidische Bauteil eine Strömungskammer umfasst, die neben der bereits erwähnten Auslassöffnung auch eine Einlassöffnung aufweist und die von dem ersten Fluid durchströmbar ist, das durch die Einlassöffnung in die Strömungskammer eintritt und durch die Auslassöffnung aus der Strömungskammer austritt. Gemäß einer Ausführungsform können die Einlassöffnung und die Auslassöffnung des fluidischen Bauteils unterschiedlich große Breiten aufweisen. Insbesondere weist die Strömungskammer einen Hauptstromkanal, der die Einlassöffnung der Strömungskammer (beziehungsweise des fluidischen Bauteils) und die Auslassöffnung der Strömungskammer (beziehungsweise des fluidischen Bauteils) miteinander verbindet, und mindestens einen Nebenstromkanal als Mittel zur gezielten Richtungsänderung des ersten Fluids auf. Auf bewegliche Komponenten zur Erzeugung der Oszillation kann in dem fluidischen Bauteil verzichtet werden, so dass hierdurch bedingte Kosten und Aufwendungen nicht anfallen. Zudem ist durch den Verzicht auf bewegliche Komponenten die Vibrations- und Geräuschentwicklung relativ gering. As already mentioned, the fluidic component comprises at least one means for deliberately changing the direction of the first fluid flowing through the fluidic component. This configuration of the first supply device brings about the targeted change in direction of the first fluid, so that the first fluid moves within the first mixing chamber in a temporally variable manner, wherein the first fluid has a movement component along the first fluid flow direction and a movement component transverse to the first fluid flow direction. According to one embodiment, the fluidic component comprises a flow chamber which, in addition to the aforementioned outlet opening, also has an inlet opening and through which the first fluid can flow, entering the flow chamber through the inlet opening and exiting the flow chamber through the outlet opening. According to one embodiment, the inlet opening and the outlet opening of the fluidic component can have different widths. In particular, the flow chamber has a main flow channel that connects the inlet opening of the flow chamber (or of the fluidic component) and the outlet opening of the flow chamber (or of the fluidic component), and at least one secondary flow channel as a means for deliberately changing the direction of the first fluid. Moving components for generating the oscillation can be dispensed with in the fluidic component, thus eliminating the associated costs and expenditures. Furthermore, by omitting moving components, vibration and noise development are relatively low.
Als Mittel zur gezielten Richtungsänderung des ersten Fluids kann die Strömungskammer den bereits erwähnten mindestens einen Nebenstromkanal aufweisen. Der Nebenstromkanal ist von einem Teil des ersten Fluids, dem Nebenstrom, durchströmbar. Der Teil des ersten Fluids, der nicht in den Nebenstromkanal eintritt, sondern aus dem fluidischen Bauteil austritt, wird als Hauptstrom bezeichnet. Der mindestens eine Nebenstromkanal kann einen Eingang, der sich in der Nähe der Auslassöffnung des fluidischen Bauteils befindet, und einen Ausgang aufweisen, der sich in der Nähe der Einlassöffnung des fluidischen Bauteils befindet. Der mindestens eine Nebenstromkanal kann entlang der ersten Fluidstromrichtung (von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung) betrachtet neben (nicht hinter oder vor) dem Hauptstromkanal angeordnet sein. Insbesondere können zwei Nebenstromkanäle vorgesehen sein, die sich (entlang der ersten Fluidstromrichtung betrachtet) seitlich neben dem Hauptstromkanal erstrecken, wobei der Hauptstromkanal zwischen den beiden Nebenstromkanälen angeordnet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Nebenstromkanäle und der Hauptstromkanal in einer Reihe quer zur ersten Fluidstromrichtung angeordnet und erstrecken sich jeweils entlang der ersten Fluidstromrichtung. As a means for deliberately changing the direction of the first fluid, the flow chamber can have the aforementioned at least one bypass channel. A portion of the first fluid, the bypass flow, can flow through the bypass channel. The portion of the first fluid that does not enter the bypass channel but exits the fluidic component is referred to as the main flow. The at least one bypass channel can have an inlet located near the outlet opening of the fluidic component and an outlet located near the inlet opening of the fluidic component. The at least one bypass channel can be arranged next to (not behind or in front of) the main flow channel, viewed along the first fluid flow direction (from the inlet opening to the outlet opening). In particular, two bypass channels can be provided which extend laterally next to the main flow channel (viewed along the first fluid flow direction), wherein the main flow channel is arranged between the two bypass channels. According to a preferred embodiment, the secondary flow channels and the main flow channel are arranged in a row transverse to the first fluid flow direction and each extend along the first fluid flow direction.
Vorzugsweise wird der mindestens eine Nebenstromkanal durch einen Block von dem Hauptstromkanal getrennt. Dieser Block kann unterschiedliche Formen aufweisen. So kann sich der Querschnitt des Blocks entlang der ersten Fluidstromrichtung (von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung) betrachtet verjüngen. Zudem kann der Block abgerundete Kanten aufweisen. Scharfe Kanten können an dem Block insbesondere in der Nähe der Einlassöffnung und/oder der Auslassöffnung vorgesehen sein. Preferably, the at least one secondary flow channel is separated from the main flow channel by a block. This block can have different shapes. For example, the cross section of the block can taper along the first fluid flow direction (from the inlet opening to the outlet opening). In addition, the block can have rounded edges. Sharp edges may be provided on the block, particularly near the inlet and/or outlet ports.
Gemäß einer Ausführungsform kann der mindestens eine Nebenstromkanal eine größere oder kleinere Tiefe als der Hauptstromkanal aufweisen. (Die Tiefe ist dabei die Ausdehnung quer zur Oszillationsebene des ersten Fluids.) Hierdurch kann Einfluss auf die Oszillationsfrequenz des aus dem fluidischen Bauteil austretenden ersten Fluids genommen werden. Durch eine Reduktion der Bauteiltiefe im Bereich des mindestens einen Nebenstromkanals (im Vergleich zum Hauptstromkanal) sinkt die Oszillationsfrequenz, wenn die übrigen Parameter im Wesentlichen unverändert bleiben. Entsprechend steigt die Oszillationsfrequenz, wenn die Bauteiltiefe im Bereich des mindestens einen Nebenstromkanals (im Vergleich zum Hauptstromkanal) erhöht wird und die übrigen Parameter im Wesentlichen unverändert bleiben. According to one embodiment, the at least one secondary flow channel can have a greater or lesser depth than the main flow channel. (The depth is the extent transverse to the oscillation plane of the first fluid.) This makes it possible to influence the oscillation frequency of the first fluid exiting the fluidic component. By reducing the component depth in the region of the at least one secondary flow channel (compared to the main flow channel), the oscillation frequency decreases if the other parameters remain essentially unchanged. Accordingly, the oscillation frequency increases if the component depth in the region of the at least one secondary flow channel is increased (compared to the main flow channel) and the other parameters remain essentially unchanged.
Eine weitere Möglichkeit, die Oszillationsfrequenz des aus dem fluidischen Bauteil austretenden ersten Fluids zu beeinflussen, kann durch mindestens einen Separator geschaffen werden, der vorzugsweise am Eingang des mindestens einen Nebenstromkanals vorgesehen ist. Der Separator unterstützt die Abspaltung des Nebenstroms von dem Strom des ersten Fluids. Dabei ist unter einem Separator ein (quer zu der in dem Nebenstromkanal vorherrschenden Strömungsrichtung) am Eingang des mindestens einen Nebenstromkanals in die Strömungskammer hineinragendes Element zu verstehen. Der Separator kann als eine Verformung (insbesondere eine Einbuchtung) der Nebenstromkanalwand oder als ein anderweitig ausgebildeter Vorsprung vorgesehen sein. So kann der Separator (kreis)kegelförmig oder pyramidal ausgebildet sein. Die Verwendung eines solchen Separators ermöglicht neben der Beeinflussung der Oszillationsfrequenz, auch den sogenannten Oszillationswinkel zu variieren. Der Oszillationswinkel ist der Winkel, den der oszillierende Fluidstrahl (zwischen seinen beiden maximalen Auslenkungen) überstreicht. Sind mehrere Nebenstromkanäle vorgesehen, so kann für jeden der Nebenstromkanäle oder nur für einen Teil der Nebenstromkanäle ein Separator vorgesehen sein. A further possibility for influencing the oscillation frequency of the first fluid exiting the fluidic component can be created by at least one separator, which is preferably provided at the inlet of the at least one bypass channel. The separator supports the separation of the bypass flow from the flow of the first fluid. A separator is understood to be an element that projects into the flow chamber at the inlet of the at least one bypass channel (transverse to the flow direction prevailing in the bypass channel). The separator can be provided as a deformation (in particular an indentation) of the bypass channel wall or as a projection of another design. For example, the separator can be (circular) conical or pyramidal. The use of such a separator makes it possible not only to influence the oscillation frequency but also to vary the so-called oscillation angle. The oscillation angle is the angle covered by the oscillating fluid jet (between its two maximum deflections). If several bypass channels are provided, a separator can be provided for each of the bypass channels or only for some of the bypass channels.
Die Querschnittsfläche der Ein- und Auslassöffnung des fluidischen Bauteils (aber auch der ersten Mischungskammer und der zweiten Mischungskammer) kann eine beliebige Form, wie beispielsweise quadratisch, rechteckig, polygonal, rund, oval usw. haben. The cross-sectional area of the inlet and outlet openings of the fluidic component (but also of the first mixing chamber and the second mixing chamber) can have any shape, such as square, rectangular, polygonal, round, oval, etc.
Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Zufuhrvorrichtung und die erste Einlassöffnung der ersten Mischungskammer einerseits und die zweite Zufuhrvorrichtung und die zweite Einlassöffnung der ersten Mischungskammer andererseits derart zueinander angeordnet, dass die erste Fluidstromrichtung und die zweite Fluidstromrichtung in einer Ebene parallel zur ersten Fluidstromrichtung einen Winkel von 45° bis 90° einschließen. Insbesondere bevorzugt ist ein Winkel von im Wesentlichen 45°. Hierdurch kann die Mischungsqualität und die Mischungsweglänge beziehungsweise die Mischungsdauer positiv beeinflusst werden. Aus fertigungstechnischen Gründen kann der Winkel auch im Wesentlichen 90° betragen. According to one embodiment, the first supply device and the first inlet opening of the first mixing chamber on the one hand and the second supply device and the second inlet opening of the first mixing chamber, on the other hand, are arranged relative to one another such that the first fluid flow direction and the second fluid flow direction enclose an angle of 45° to 90° in a plane parallel to the first fluid flow direction. An angle of substantially 45° is particularly preferred. This can positively influence the mixing quality and the mixing path length, or rather, the mixing duration. For manufacturing reasons, the angle can also be substantially 90°.
Sofern das Mittel zur gezielten Richtungsänderung des ersten Fluids ausgebildet ist, eine Oszillation des ersten Fluids in einer Oszillationsebene herbeizuführen, können die zweite Zufuhrvorrichtung und die zweite Einlassöffnung der ersten Mischungskammer derart angeordnet sein, dass die zweite Fluidstromrichtung und die Oszillationsebene des ersten Fluids in einer Ebene quer zur ersten Fluidstromrichtung einen Winkel einschließen, der 30° bis 150° beträgt. Vorzugsweise beträgt dieser Winkel im Wesentlichen 90°. If the means for deliberately changing the direction of the first fluid is designed to cause the first fluid to oscillate in an oscillation plane, the second supply device and the second inlet opening of the first mixing chamber can be arranged such that the second fluid flow direction and the oscillation plane of the first fluid enclose an angle of 30° to 150° in a plane transverse to the first fluid flow direction. This angle is preferably substantially 90°.
Hinsichtlich der zweiten Zufuhrvorrichtung kann vorgesehen sein, dass diese vorgesehen und ausgebildet ist, das zweite Fluid als (quasi)stationären Strom in die erste Mischungskammer zu leiten. So kann die zweite Zufuhrvorrichtung beispielsweise als Rohr ausgebildet sein, dessen Längsachse (beziehungsweise dessen stromabwärtiger länglicher Endabschnitt) die zweite Fluidstromrichtung des zweiten Fluids vorgibt. Mittels einer Pumpvorrichtung kann das zweite Fluid durch das Rohr und die zweite Einlassöffnung in die erste Mischungskammer geleitet werden. With regard to the second supply device, it can be provided that it is designed and configured to conduct the second fluid as a (quasi-)stationary flow into the first mixing chamber. For example, the second supply device can be designed as a tube whose longitudinal axis (or its downstream elongated end section) determines the second fluid flow direction of the second fluid. By means of a pumping device, the second fluid can be conducted through the tube and the second inlet opening into the first mixing chamber.
Alternativ kann die zweite Zufuhrvorrichtung (wie bereits die erste Zufuhrvorrichtung) ebenfalls ein fluidisches Bauteil umfassen. Dieses fluidische Bauteil kann nach demselben Prinzip arbeiten wie das fluidische Bauteil der ersten Zufuhrvorrichtung. So kann es mindestens ein Mittel zur gezielten Richtungsänderung des zweiten Fluids, das das fluidische Bauteil durchströmt, insbesondere zur Ausbildung einer räumlichen Oszillation dieses Fluids an der Auslassöffnung aufweisen. Auch die übrigen Merkmale des fluidischen Bauteils der ersten Zufuhrvorrichtung sind auf das fluidische Bauteil der zweiten Zufuhrvorrichtung übertragbar. In der ersten Mischungskammer treffen somit ein erstes oszillierendes Fluid und eine zweites oszillierendes Fluid aufeinander. Das fluidische Bauteil der zweiten Zufuhrvorrichtung kann einen kleineren Oszillationswinkel als das fluidische Bauteil der ersten Zufuhrvorrichtung aufweisen. Auch können beide Oszillationswinkel gleich groß sein. Die erste Mischungskammer kann eine Längsachse aufweisen, die so definiert ist, dass sie sich entlang der ersten Fluidstromrichtung bzw. der Fluidgemischstromrichtung erstreckt. Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Querschnittsfläche der ersten Mischungskammer quer zur Längsachse entlang der Längsachse in mindestens einem Abschnitt zunimmt. Beispielsweise kann die Querschnittsfläche ausgehend von der ersten Einlassöffnung der ersten Mischungskammer in einem stromaufwärtigen Endabschnitt der ersten Mischungskammer mit zunehmendem Abstand von der ersten Einlassöffnung zunehmen Der stromaufwärtige Endabschnitt kann so einen (sich stromabwärts erweiternden) Einlasskanal der ersten Mischungskammer bilden. Dabei kann sich der Auslasskanal unmittelbar an den Einlasskanal anschließen. Alternativ kann zwischen dem Einlasskanal und dem Auslasskanal ein Zwischenabschnitt der ersten Mischungskammer vorgesehen sein, in dem die Querschnittsfläche der ersten Mischungskammer im Wesentlichen konstant ist. Alternatively, the second supply device (like the first supply device) can also comprise a fluidic component. This fluidic component can operate according to the same principle as the fluidic component of the first supply device. For example, it can have at least one means for deliberately changing the direction of the second fluid flowing through the fluidic component, in particular for generating a spatial oscillation of this fluid at the outlet opening. The other features of the fluidic component of the first supply device can also be transferred to the fluidic component of the second supply device. Thus, a first oscillating fluid and a second oscillating fluid meet in the first mixing chamber. The fluidic component of the second supply device can have a smaller oscillation angle than the fluidic component of the first supply device. Both oscillation angles can also be the same. The first mixing chamber can have a longitudinal axis that is defined such that it extends along the first fluid flow direction or the fluid mixture flow direction. According to one embodiment, the cross-sectional area of the first mixing chamber increases transversely to the longitudinal axis along the longitudinal axis in at least one section. For example, starting from the first inlet opening of the first mixing chamber in an upstream end section of the first mixing chamber, the cross-sectional area can increase with increasing distance from the first inlet opening. The upstream end section can thus form an inlet channel (widening downstream) of the first mixing chamber. The outlet channel can be directly connected to the inlet channel. Alternatively, an intermediate section of the first mixing chamber can be provided between the inlet channel and the outlet channel, in which intermediate section the cross-sectional area of the first mixing chamber is essentially constant.
Sofern das Mittel zur gezielten Richtungsänderung des ersten Fluids ausgebildet ist, eine Oszillation des ersten Fluids in einer Oszillationsebene herbeizuführen, kann die Ausdehnung der ersten Mischungskammer in der Oszillationsebene und quer zur Längsachse ausgehend von der ersten Einlassöffnung der ersten Mischungskammer in dem Einlasskanal mit zunehmendem Abstand von der ersten Einlassöffnung zunehmen beziehungsweise kann die Ausdehnung der ersten Mischungskammer in der Oszillationsebene und quer zur Längsachse in dem Auslasskanal mit zunehmendem Abstand von der ersten Einlassöffnung abnehmen. Insbesondere kann diese Ausdehnung der ersten Mischungskammer auch (unmittelbar) stromabwärts der zweiten Einlassöffnung der ersten Mischungskammer in dem Einlasskanal zunehmen. In dem Einlasskanal schließen die Begrenzungswände der ersten Mischungskammer (in der Oszillationsebene betrachtet) somit einen Winkel ein, der sich vorzugsweise an dem Oszillationswinkel des oszillierenden ersten Fluids orientiert. Dieser Winkel kann bis zu 10° geringer oder bis zu 10° größer als der Oszillationswinkel sein oder einen Wert zwischen diesen beiden Werten annehmen. Besonders bevorzugt ist, wenn dieser Winkel bis zu 5° geringer oder bis zu 5° größer als der Oszillationswinkel ist oder einen Wert zwischen diesen beiden Werten annimmt. Somit kann vermieden werden, dass die Oszillation des ersten Fluids in der ersten Mischungskammer nachteilig beeinflusst wird. Der Oszillationswinkel des ersten Fluids kann mindestens 5°, vorzugsweise mindestens 25°, insbesondere bevorzugt mindestens 40° betragen. Für viele Anwendungsfälle ist ein Oszillationswinkel zwischen 25° und 50°, insbesondere zwischen 30°und 45° geeignet. Ein typischer Maximalwert für den Oszillationswinkel ist 75°. Auch in dem Auslasskanal schließen die Begrenzungswände der ersten Mischungskammer (in der Oszillationsebene betrachtet) einen Winkel ein, der vorzugsweise kleiner ist als der Winkel zwischen den Begrenzungswänden der ersten Mischungskammer im Einlasskanal. Besonders bevorzugt ist der Winkel des Auslasskanals bis zu 15° kleiner als der Winkel des Einlasskanals. Zusätzlich kann auch die Ausdehnung der ersten Mischungskammer quer zur Oszillationsebene in dem Einlasskanal mit zunehmendem Abstand von der ersten Einlassöffnung zunehmen beziehungsweise kann die Ausdehnung der ersten Mischungskammer quer zur Oszillationsebene in dem Auslasskanal mit zunehmendem Abstand von der ersten Einlassöffnung abnehmen. If the means for deliberately changing the direction of the first fluid is designed to cause the first fluid to oscillate in an oscillation plane, the extent of the first mixing chamber in the oscillation plane and transversely to the longitudinal axis, starting from the first inlet opening of the first mixing chamber in the inlet channel, can increase with increasing distance from the first inlet opening, or the extent of the first mixing chamber in the oscillation plane and transversely to the longitudinal axis in the outlet channel can decrease with increasing distance from the first inlet opening. In particular, this extent of the first mixing chamber can also increase (immediately) downstream of the second inlet opening of the first mixing chamber in the inlet channel. In the inlet channel, the boundary walls of the first mixing chamber (viewed in the oscillation plane) thus enclose an angle that is preferably oriented towards the oscillation angle of the oscillating first fluid. This angle can be up to 10° smaller or up to 10° larger than the oscillation angle, or can assume a value between these two values. It is particularly preferred if this angle is up to 5° smaller or up to 5° larger than the oscillation angle, or can assume a value between these two values. This prevents the oscillation of the first fluid in the first mixing chamber from being adversely affected. The oscillation angle of the first fluid can be at least 5°, preferably at least 25°, particularly preferably at least 40°. For many applications, an oscillation angle between 25° and 50°, in particular between 30° and 45°, is suitable. A typical maximum value for the oscillation angle is 75°. The boundary walls of the first mixing chamber (viewed in the oscillation plane) also close in the outlet channel. an angle that is preferably smaller than the angle between the boundary walls of the first mixing chamber in the inlet channel. Particularly preferably, the angle of the outlet channel is up to 15° smaller than the angle of the inlet channel. In addition, the extent of the first mixing chamber transverse to the oscillation plane in the inlet channel can increase with increasing distance from the first inlet opening, or the extent of the first mixing chamber transverse to the oscillation plane in the outlet channel can decrease with increasing distance from the first inlet opening.
Die (relative) Größe von Einlasskanal und Auslasskanal der ersten Mischungskammer kann in Abhängigkeit der Anwendung gestaltet werden. The (relative) size of the inlet and outlet channels of the first mixing chamber can be designed depending on the application.
Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Einlassöffnung der ersten Mischungskammer gegenüber der ersten Einlassöffnung der ersten Mischungskammer entlang der Längsachse der ersten Mischungskammer stromabwärts versetzt. Vorzugsweise ist die zweite Einlassöffnung dabei innerhalb des Einlasskanals (also in einer Begrenzungswand des Einlasskanals) ausgebildet. Entlang der Längsachse betrachtet kann der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Einlassöffnung mindestens der halben Breite der ersten Einlassöffnung der ersten Mischungskammer entsprechen, wobei die Breite parallel zur Oszillationsebene des ersten Fluids und quer zur Längsachse der ersten Mischungskammer definiert ist. According to one embodiment, the second inlet opening of the first mixing chamber is offset downstream from the first inlet opening of the first mixing chamber along the longitudinal axis of the first mixing chamber. Preferably, the second inlet opening is formed within the inlet channel (i.e., in a boundary wall of the inlet channel). Viewed along the longitudinal axis, the distance between the first and second inlet openings can correspond to at least half the width of the first inlet opening of the first mixing chamber, wherein the width is defined parallel to the oscillation plane of the first fluid and transverse to the longitudinal axis of the first mixing chamber.
Die erste Einlassöffnung und die Auslassöffnung der ersten Mischungskammer können auf einander gegenüberliegenden Seiten der ersten Mischungskammer ausgebildet sein. So kann die erste Einlassöffnung das stromaufwärtige Ende der ersten Mischungskammer bilden, und die Auslassöffnung das stromabwärtige Ende. Insbesondere können die erste Einlassöffnung und die Auslassöffnung auf der Längsachse liegen. Die erste Einlassöffnung und die Auslassöffnung können dort definiert sein, wo die Querschnittsfläche der ersten Mischungskammer quer zu ihrer Längsachse, die das eintretende erste Fluid bzw. das austretende intermediäre Fluidgemisch passiert, jeweils am kleinsten ist. The first inlet opening and the outlet opening of the first mixing chamber can be formed on opposite sides of the first mixing chamber. Thus, the first inlet opening can form the upstream end of the first mixing chamber, and the outlet opening the downstream end. In particular, the first inlet opening and the outlet opening can be located on the longitudinal axis. The first inlet opening and the outlet opening can be defined where the cross-sectional area of the first mixing chamber is smallest, transverse to its longitudinal axis, through which the incoming first fluid and the outgoing intermediate fluid mixture pass, respectively.
Ferner ist denkbar, dass die erste Mischungskammer ein Volumen aufweist, das größer ist als das Volumen des fluidischen Bauteils beziehungsweise der Strömungskammer des fluidischen Bauteils. Dabei können insbesondere sowohl die Breite (Ausdehnung quer zur Längsachse der ersten Mischungskammer und in der Oszillationsebene des ersten Fluids) als auch die Länge (Ausdehnung entlang der Längsachse) der ersten Mischungskammer größer sein als die Breite (Ausdehnung quer zur ersten Fluidstromrichtung und in der Oszillationsebene des ersten Fluids) beziehungsweise Länge (Ausdehnung entlang der ersten Fluidstromrichtung) der Strömungskammer des fluidischen Bauteils. Durch dieses Volumenverhältnis kann vermieden werden, dass in der ersten Mischungskammer ein unerwünscht hoher Druck aufgebaut wird. Alternativ kann das Volumen der ersten Mischungskammer kleiner sein als das Volumen der Strömungskammer des fluidischen Bauteils. Hierbei können die Breite und/oder die Länge der ersten Mischungskammer kleiner sein als die Breite beziehungsweise Länge der Strömungskammer des fluidischen Bauteils. Furthermore, it is conceivable that the first mixing chamber has a volume that is larger than the volume of the fluidic component or the flow chamber of the fluidic component. In particular, both the width (extension transverse to the longitudinal axis of the first mixing chamber and in the oscillation plane of the first fluid) and the length (extension along the longitudinal axis) of the first mixing chamber can be be greater than the width (extension transverse to the first fluid flow direction and in the oscillation plane of the first fluid) or length (extension along the first fluid flow direction) of the flow chamber of the fluidic component. This volume ratio can prevent an undesirably high pressure from building up in the first mixing chamber. Alternatively, the volume of the first mixing chamber can be smaller than the volume of the flow chamber of the fluidic component. In this case, the width and/or length of the first mixing chamber can be smaller than the width or length of the flow chamber of the fluidic component.
Analog zu dem ersten Interaktionskanal kann sich an die Auslassöffnung der zweiten Mischungskammer stromabwärts ein zweiter Interaktionskanal anschließen. Analogous to the first interaction channel, a second interaction channel can be connected downstream of the outlet opening of the second mixing chamber.
Die zweite Mischungskammer und/oder der zweite Interaktionskanal erstrecken sich jeweils entlang einer Achse, die der Stromrichtung des erzeugten Fluidgemischs entspricht. Diese Achse schließt jeweils einen Winkel mit der dritten Fluidstromrichtung und der Fluidgemischstromrichtung (des intermediären Fluidgemischs) ein. Gemäß einer Ausführungsform sind (in der Oszillationsebene) der Winkel zwischen der Achse und der dritten Fluidstromrichtung und der Winkel zwischen der Achse und der Fluidgemischstromrichtung unterschiedlich groß. Insbesondere kann der Winkel zwischen der Achse und der dritten Fluidstromrichtung größer sein als der Winkel zwischen der Achse und der Fluidgemischstromrichtung. Beide Winkel sind vorzugsweise kleiner als 180°. Beispielsweise kann der Winkel zwischen der Achse und der dritten Fluidstromrichtung 170° bis 179° betragen. Beispielsweise kann der Winkel zwischen der Achse und der Fluidgemischstromrichtung 160° bis 169° betragen. Der Winkel zwischen der Achse und der dritten Fluidstromrichtung, der Winkel zwischen der Achse und der Fluidgemischstromrichtung und ein weiterer Winkel zwischen der Fluidgemischstromrichtung und der dritten Fluidstromrichtung betragen in der Summe 360°. The second mixing chamber and/or the second interaction channel each extend along an axis corresponding to the flow direction of the generated fluid mixture. This axis each forms an angle with the third fluid flow direction and the fluid mixture flow direction (of the intermediate fluid mixture). According to one embodiment, the angle between the axis and the third fluid flow direction and the angle between the axis and the fluid mixture flow direction are different (in the oscillation plane). In particular, the angle between the axis and the third fluid flow direction can be greater than the angle between the axis and the fluid mixture flow direction. Both angles are preferably less than 180°. For example, the angle between the axis and the third fluid flow direction can be 170° to 179°. For example, the angle between the axis and the fluid mixture flow direction can be 160° to 169°. The angle between the axis and the third fluid flow direction, the angle between the axis and the fluid mixture flow direction, and a further angle between the fluid mixture flow direction and the third fluid flow direction add up to 360°.
Bei der Verwendung der Vorrichtung, beispielsweise in einem weiter unten beschriebenen Verfahren zum Erzeugen eines Fluidgemischs, können die Volumenströme des ersten, zweiten und dritten Fluids derart gewählt werden, dass der resultierende Geschwindigkeitsvektor des intermediären Fluidgemischs an der ersten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer und der resultierende Geschwindigkeitsvektor des dritten Fluids an der zweiten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer in der Summe dergestalt sind, dass der resultierende Geschwindigkeitsvektor des Fluidgemischs parallel zu der Achse der zweiten Mischungskammer bzw. des zweiten Interaktionskanals ist. So kann der Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor des Fluidgemischs und der dritten Fluidstromrichtung (dem Geschwindigkeitsvektor des dritten Fluids) 170° bis 179° betragen. Ferner kann der Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor des Fluidgemischs und der Fluidgemischstromrichtung (dem Geschwindigkeitsvektor des intermediären Fluidgemischs) 160° bis 169° betragen. When using the device, for example in a method for producing a fluid mixture described below, the volume flows of the first, second and third fluids can be selected such that the resulting velocity vector of the intermediate fluid mixture at the first inlet opening of the second mixing chamber and the resulting velocity vector of the third fluid at the second inlet opening of the second mixing chamber are in sum such that the resulting velocity vector of the fluid mixture is parallel to the axis of the second mixing chamber or the second interaction channel. Thus, the angle between the velocity vector of the fluid mixture and the third fluid flow direction (the velocity vector of the third fluid) can be 170° to 179°. Furthermore, the angle between the velocity vector of the fluid mixture and the fluid mixture flow direction (the velocity vector of the intermediate fluid mixture) can be 160° to 169°.
Der ersten, zweiten und der dritten Zufuhrvorrichtung kann das erste, zweite beziehungsweise dritte Fluid jeweils mit Hilfe einer Pumpvorrichtung zugeführt werden. Beispielsweise können die Pumpvorrichtungen als Spritzenpumpen oder als Umlagepumpen ausgebildet sein. Alternativ zu Spritzenpumpen können HPLC Pumpen oder Membranpumpen eingesetzt werden. The first, second, and third fluids can be supplied to the first, second, and third supply devices, respectively, by means of a pumping device. For example, the pumping devices can be designed as syringe pumps or circulation pumps. HPLC pumps or diaphragm pumps can be used as alternatives to syringe pumps.
Die hier vorgestellte Vorrichtung zum Erzeugen eines Fluidgemischs wurde bisher mit einer ersten Mischungskammer und einer zweiten Mischungskammer beschrieben. Es ist jedoch denkbar, dass die Vorrichtung mindestens eine weitere Mischungskammer mit entsprechender Zufuhrvorrichtung umfasst. Dabei kann die mindestens eine weitere Mischungskammer dem beschriebenen Prinzip folgend angeordnet sein, so dass die erste Einlassöffnung der n-ten Mischungskammer mit der Auslassöffnung der (n-1 )-ten Mischungskammer fluidisch verbunden ist. Daraus ergibt sich eine kaskadenartige Anordnung der n Mischungskammern. The device presented here for generating a fluid mixture has so far been described with a first mixing chamber and a second mixing chamber. However, it is conceivable that the device comprises at least one further mixing chamber with a corresponding supply device. The at least one further mixing chamber can be arranged according to the described principle, so that the first inlet opening of the nth mixing chamber is fluidly connected to the outlet opening of the (n-1)th mixing chamber. This results in a cascade-like arrangement of the n mixing chambers.
Die eingangs erläuterte Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. The object explained at the outset is also achieved by a device having the features of claim 9.
Danach umfasst die Vorrichtung zum Erzeugen eines Fluidgemischs zunächst eine erste Mischungskammer mit einer ersten Einlassöffnung, über die ein erstes Fluid entlang einer ersten Fluidstromrichtung in die erste Mischungskammer einleitbar ist, einer zweiten Einlassöffnung, über die ein zweites Fluid entlang einer zweiten Fluidstromrichtung in die erste Mischungskammer einleitbar ist, und einer Auslassöffnung, über die ein intermediäres Fluidgemisch umfassend das erste Fluid und das zweite Fluid entlang einer Fluidgemischstromrichtung ableitbar ist. Die Vorrichtung umfasst ferner eine zweite Mischungskammer mit einer ersten Einlassöffnung, über die das intermediäre Fluidgemisch entlang der Fluidgemischstromrichtung in die zweite Mischungskammer einleitbar ist, einer zweiten Einlassöffnung, über die ein drittes Fluid entlang einer dritten Fluidstromrichtung in die zweite Mischungskammer einleitbar ist, und einer Auslassöffnung, über die das Fluidgemisch umfassend das erste Fluid, das zweite Fluid und das dritte Fluid ableitbar ist. Die zweite Mischungskammer ist folglich stromabwärts der ersten Mischungskammer angeordnet, wobei die erste Mischungskammer und die zweite Mischungskammer derart fluidisch verbunden sind, dass das intermediäre Fluidgemisch, das aus der Auslassöffnung der ersten Mischungskammer austritt, (unmittelbar) in die zweite Mischungskammer über deren erste Einlassöffnung eintritt. According to this, the device for generating a fluid mixture initially comprises a first mixing chamber with a first inlet opening, via which a first fluid can be introduced into the first mixing chamber along a first fluid flow direction, a second inlet opening, via which a second fluid can be introduced into the first mixing chamber along a second fluid flow direction, and an outlet opening, via which an intermediate fluid mixture comprising the first fluid and the second fluid can be discharged along a fluid mixture flow direction. The device further comprises a second mixing chamber with a first inlet opening, via which the intermediate fluid mixture can be introduced into the second mixing chamber along the fluid mixture flow direction, a second inlet opening, via which a third fluid can be introduced into the second mixing chamber along a third fluid flow direction, and an outlet opening, via which the fluid mixture comprising the first fluid, the second fluid and the third fluid is dischargeable. The second mixing chamber is thus arranged downstream of the first mixing chamber, wherein the first mixing chamber and the second mixing chamber are fluidically connected such that the intermediate fluid mixture exiting the outlet opening of the first mixing chamber (directly) enters the second mixing chamber via its first inlet opening.
Zum Einleiten der Fluide in die Mischungskammern können Zufuhrvorrichtungen vorgesehen sein. Konkret umfasst auch diese Vorrichtung eine erste Zufuhrvorrichtung, die fluidisch mit der ersten Mischungskammer über die erste Einlassöffnung verbunden und ausgebildet ist, das erste Fluid entlang der ersten Fluidstromrichtung in die erste Mischungskammer zu leiten. Supply devices can be provided for introducing the fluids into the mixing chambers. Specifically, this device also comprises a first supply device that is fluidically connected to the first mixing chamber via the first inlet opening and is configured to conduct the first fluid into the first mixing chamber along the first fluid flow direction.
Ferner können eine zweite Zufuhrvorrichtung, die fluidisch mit der ersten Mischungskammer über die zweite Einlassöffnung verbunden und ausgebildet ist, das zweite Fluid entlang der zweiten Fluidstromrichtung in die erste Mischungskammer zu leiten, und eine dritte Zufuhrvorrichtung, die fluidisch mit der zweiten Mischungskammer über die zweite Einlassöffnung verbunden und ausgebildet ist, das dritte Fluid entlang der dritten Fluidstromrichtung in die zweite Mischungskammer zu leiten, vorgesehen sein. Furthermore, a second supply device which is fluidically connected to the first mixing chamber via the second inlet opening and is designed to guide the second fluid along the second fluid flow direction into the first mixing chamber, and a third supply device which is fluidically connected to the second mixing chamber via the second inlet opening and is designed to guide the third fluid along the third fluid flow direction into the second mixing chamber can be provided.
Die erste Zufuhrvorrichtung umfasst ein fluidisches Bauteil. Das fluidische Bauteil umfasst eine Auslassöffnung, die mit der ersten Einlassöffnung der ersten Mischungskammer fluidisch verbunden ist, und mindestens ein Mittel zur gezielten Richtungsänderung des ersten Fluids, das das fluidische Bauteil durchströmt, insbesondere zur Ausbildung einer räumlichen Oszillation des ersten Fluids an der Auslassöffnung. The first supply device comprises a fluidic component. The fluidic component comprises an outlet opening fluidically connected to the first inlet opening of the first mixing chamber, and at least one means for selectively changing the direction of the first fluid flowing through the fluidic component, in particular for forming a spatial oscillation of the first fluid at the outlet opening.
Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer eine Querschnittsfläche quer zur Fluidgemischtromrichtung aufweist, die kleiner ist als die Querschnittsfläche der zweiten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer. Die Querschnittsfläche der zweiten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer ist quer zur dritten Fluidstromrichtung definiert. Alternativ oder zusätzlich zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass die Summe der Querschnittsfläche der ersten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer und der Querschnittsfläche der zweiten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer ähnlich groß (wenn die dritte Fluidstromrichtung und die Fluidgemischstromrichtung in einer Ebene liegen) oder (wenn die dritte Fluidstromrichtung und die Fluidgemischstromrichtung nicht in einer Ebene liegen) größer ist als die Querschnittsfläche der Auslassöffnung der zweiten Mischungskammer. Demzufolge ist die mittlere Geschwindigkeit des intermediären Fluidgemischs an der ersten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer größer als die mittlere Geschwindigkeit des dritten Fluids an der zweiten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer. Daraus resultiert der fluidmechanische Effekt, dass der Impuls des intermediären Fluidgemischs beim Eintritt in die zweite Mischungskammer größer ist als der Impuls des dritten Fluidstroms beim Eintritt in die zweite Mischungskammer. Dieser Impulsunterschied ermöglicht, dass die Fluidgemischstromrichtung an der ersten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer und die dritte Fluidstromrichtung an der zweiten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer einen relativ großen Winkel, von beispielsweis 90°, einschließen können, ohne dass es zu einer nennenswerten Scherung des intermediären Fluidgemisches in der zweiten Mischungskammer kommt. Durch die Möglichkeit, für den genannten Winkel 90° zu wählen, können die zweite Mischungskammer im Bereich der zweiten Einlassöffnung sowie die dritte Zufuhrvorrichtung konstruktiv einfach gestaltet werden. The device is characterized in that the first inlet opening of the second mixing chamber has a cross-sectional area transverse to the fluid mixture flow direction that is smaller than the cross-sectional area of the second inlet opening of the second mixing chamber. The cross-sectional area of the second inlet opening of the second mixing chamber is defined transversely to the third fluid flow direction. Alternatively or additionally, the device is characterized in that the sum of the cross-sectional area of the first inlet opening of the second mixing chamber and the cross-sectional area of the second inlet opening of the second mixing chamber is similar in size (if the third fluid flow direction and the fluid mixture flow direction lie in one plane) or (if the third fluid flow direction and the fluid mixture flow direction do not lie in one plane) is greater than the cross-sectional area of the outlet opening of the second mixing chamber. Consequently, the average velocity of the intermediate Fluid mixture at the first inlet opening of the second mixing chamber is greater than the average velocity of the third fluid at the second inlet opening of the second mixing chamber. This results in the fluid-mechanical effect that the momentum of the intermediate fluid mixture upon entering the second mixing chamber is greater than the momentum of the third fluid stream upon entering the second mixing chamber. This momentum difference enables the fluid mixture flow direction at the first inlet opening of the second mixing chamber and the third fluid flow direction at the second inlet opening of the second mixing chamber to enclose a relatively large angle, for example 90°, without any significant shearing of the intermediate fluid mixture in the second mixing chamber occurring. The option of choosing 90° for the aforementioned angle allows the second mixing chamber in the region of the second inlet opening, as well as the third feed device, to be designed with a simple structure.
Mögliche Ausgestaltungen und Ausführungsformen des fluidischen Bauteils sind bereits weiter oben beschrieben. So kann auch hier wieder das Mittel zur gezielten Richtungsänderung des ersten Fluids ausgebildet sein, eine Oszillation des ersten Fluids in einer Oszillationsebene herbeizuführen. Possible configurations and embodiments of the fluidic component have already been described above. Here, too, the means for deliberately changing the direction of the first fluid can be designed to cause the first fluid to oscillate in an oscillation plane.
Gemäß einer Ausführungsform hat die zweite Mischungskammer eine Ausdehnung parallel zu der Oszillationsebene und quer zur Fluidgemischstromrichtung, die konstant ist. Diese Ausdehnung kann als Breite der zweiten Mischungskammer bezeichnet werden. Dabei kann die Breite der zweiten Mischungskammer kann über ihre gesamte Länge (Ausdehnung entlang der Fluidgemischstromrichtung) betrachtet konstant sein. According to one embodiment, the second mixing chamber has a constant extension parallel to the oscillation plane and transverse to the fluid mixture flow direction. This extension can be referred to as the width of the second mixing chamber. The width of the second mixing chamber can be constant over its entire length (extension along the fluid mixture flow direction).
Denkbar ist auch, dass die zweite Mischungskammer eine Ausdehnung parallel zu der Oszillationsebene und quer zur Fluidgemischstromrichtung hat, die gleich groß ist wie die Ausdehnung parallel zu der Oszillationsebene und quer zur Fluidgemischstromrichtung der Auslassöffnung der ersten Mischungskammer und/oder der ersten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer. Ferner können die erste Einlassöffnung und die Auslassöffnung der zweiten Mischungskammer die gleiche Breite aufweisen, die beispielsweise der Breite der zweiten Mischungskammer entspricht. Auch hierdurch kann die konstruktive Ausgestaltung der zweiten Mischungskammer vereinfacht werden. It is also conceivable for the second mixing chamber to have an extension parallel to the oscillation plane and transverse to the fluid mixture flow direction that is equal to the extension parallel to the oscillation plane and transverse to the fluid mixture flow direction of the outlet opening of the first mixing chamber and/or the first inlet opening of the second mixing chamber. Furthermore, the first inlet opening and the outlet opening of the second mixing chamber can have the same width, which, for example, corresponds to the width of the second mixing chamber. This can also simplify the structural design of the second mixing chamber.
Gemäß einer Ausführungsform hat die zweite Mischungskammer eine Ausdehnung quer zu der Oszillationsebene, die größer ist als die Ausdehnung der ersten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer quer zu der Oszillationsebene. Die Ausdehnung quer zur Oszillationsebene kann als Tiefe bezeichnet werden. Demnach kann die Tiefe der zweiten Mischungskammer größer als die Tiefe der ersten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer sein. Die Tiefe der zweiten Mischungskammer kann über ihre gesamte Länge (Ausdehnung entlang der Fluidgemischstromrichtung) betrachtet konstant sein. Insbesondere kann die Querschnittsfläche (quer zur Fluidgemischstromrichtung) der ersten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer geringer sein als die Querschnittsfläche (quer zur Fluidgemischstromrichtung) der zweiten Mischungskammer. Die Querschnittsänderung kann insbesondere sprunghaft sein und beispielsweise durch eine die Tiefe sprunghaft ändernde Stufenform realisiert sein. Eine derartige Stufenform kann zwar zur Bildung von Rezirkulationsgebieten (auch Totwassergebiete genannt) in der zweiten Mischungskammer unmittelbar stromabwärts der ersten Einlassöffnung führen und damit die Funktion der zweiten Mischungskammer beeinträchtigen. Jedoch kann die zweite Einlassöffnung unmittelbar stromabwärts der ersten Einlassöffnung, also in einem Bereich potentieller Rezirkulationsgebiete, angeordnet sein, so dass das dritte Fluid die potentiellen Rezirkulationsgebiete durchströmt. Hierdurch kann zwar die Aufenthaltszeit des dritten Fluids in der zweiten Mischungskammer unbestimmt sein, nicht aber die des intermediären Fluidgemisches, so dass letztlich die Funktion der zweiten Mischungskammer nicht beeinträchtigt wird. According to one embodiment, the second mixing chamber has an extension transverse to the oscillation plane that is greater than the extension of the first inlet opening of the second mixing chamber transverse to the oscillation plane. The extension transverse to The oscillation plane can be referred to as depth. Accordingly, the depth of the second mixing chamber can be greater than the depth of the first inlet opening of the second mixing chamber. The depth of the second mixing chamber can be constant over its entire length (extension along the fluid mixture flow direction). In particular, the cross-sectional area (transverse to the fluid mixture flow direction) of the first inlet opening of the second mixing chamber can be smaller than the cross-sectional area (transverse to the fluid mixture flow direction) of the second mixing chamber. The cross-sectional change can be abrupt and, for example, realized by a stepped shape that abruptly changes the depth. Such a stepped shape can lead to the formation of recirculation regions (also called dead water regions) in the second mixing chamber immediately downstream of the first inlet opening and thus impair the function of the second mixing chamber. However, the second inlet opening can be arranged immediately downstream of the first inlet opening, i.e., in a region of potential recirculation regions, so that the third fluid flows through the potential recirculation regions. As a result, the residence time of the third fluid in the second mixing chamber may be indeterminate, but not that of the intermediate fluid mixture, so that ultimately the function of the second mixing chamber is not impaired.
Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen der ersten Mischungskammer und der zweiten Mischungskammer ein erster Interaktionskanal angeordnet, der die Auslassöffnung der ersten Mischungskammer und die erste Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer miteinander verbindet. Der erste Interaktionskanal weist eine Querschnittsfläche quer zur Fluidgemischstromrichtung auf, die zumindest abschnittsweise konstant ist. Insbesondere kann die Querschnittsfläche des ersten Interaktionskanals kleiner sein als die Querschnittsfläche der zweiten Mischungskammer. Dabei kann die Tiefe (Ausdehnung quer zu der Oszillationsebene) des ersten Interaktionskanals geringer sein als die Tiefe der zweiten Mischungskammer, während deren Breiten (Ausdehnung parallel zu der Oszillationsebene und quer zur Fluidgemischstromrichtung) gleich groß sein können. Insbesondere kann die Tiefe der zweiten Mischungskammer (konstant und) doppelt so groß sein wie die Tiefe des ersten Interaktionskanals (in einem Abschnitt unmittelbar stromaufwärts der zweiten Mischungskammer). Das Verhältnis der Tiefen (erster Interaktionskanal / zweite Mischungskammer) zueinander kann sich dabei nach dem Verhältnis des Volumenstroms des intermediären Fluidgemisches zu der Summe der Volumenströme innerhalb der zweiten Mischungskammer richten. Vorzugsweise entspricht das Verhältnis der Tiefen (erster Interaktionskanal / zweite Mischungskammer) dem Verhältnis der Volumenströme (intermediäres Fluidgemisch / (intermediäres Fluidgemisch + drittes Fluid)). According to one embodiment, a first interaction channel is arranged between the first mixing chamber and the second mixing chamber, connecting the outlet opening of the first mixing chamber and the first inlet opening of the second mixing chamber. The first interaction channel has a cross-sectional area transverse to the fluid mixture flow direction, which is constant at least in some sections. In particular, the cross-sectional area of the first interaction channel can be smaller than the cross-sectional area of the second mixing chamber. The depth (extension transverse to the oscillation plane) of the first interaction channel can be less than the depth of the second mixing chamber, while their widths (extension parallel to the oscillation plane and transverse to the fluid mixture flow direction) can be the same. In particular, the depth of the second mixing chamber can be (constant and) twice the depth of the first interaction channel (in a section immediately upstream of the second mixing chamber). The ratio of the depths (first interaction channel / second mixing chamber) to each other can be based on the ratio of the volume flow of the intermediate fluid mixture to the sum of the volume flows within the second mixing chamber. Preferably, the ratio of the depths (first interaction channel / second mixing chamber) corresponds to the Ratio of volume flows (intermediate fluid mixture / (intermediate fluid mixture + third fluid)).
Gemäß einer Ausführungsform ist die Tiefe (Ausdehnung quer zu der Oszillationsebene) des ersten Interaktionskanals geringer als die Breite (Ausdehnung parallel zu der Oszillationsebene und quer zur Fluidgemischstromrichtung) des ersten Interaktionskanals. Das Verhältnis von Breite zu Tiefe kann dabei in einem Bereich zwischen 1 ,5 und 100 liegen, vorzugsweise zwischen 2 und 10. According to one embodiment, the depth (extension transverse to the oscillation plane) of the first interaction channel is less than the width (extension parallel to the oscillation plane and transverse to the fluid mixture flow direction) of the first interaction channel. The ratio of width to depth can be in a range between 1.5 and 100, preferably between 2 and 10.
Der erste Interaktionskanal kann eine Länge aufweisen, die mindestens drei mal so groß ist wie dessen Breite auf Höhe der Auslassöffnung der ersten Mischungskammer. Die Länge ist dabei die Ausdehnung des ersten Interaktionskanals entlang der Fluidgemischstromrichtung von der Auslassöffnung der ersten Mischungskammer bis zur ersten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer. Die Breite ist dabei die Ausdehnung des ersten Interaktionskanals in der Oszillationsebene quer zur Fluidgemischstromrichtung The first interaction channel can have a length that is at least three times its width at the level of the outlet opening of the first mixing chamber. The length is the extent of the first interaction channel along the fluid mixture flow direction from the outlet opening of the first mixing chamber to the first inlet opening of the second mixing chamber. The width is the extent of the first interaction channel in the oscillation plane transverse to the fluid mixture flow direction.
Der Übergang zwischen dem ersten Interaktionskanal und der zweiten Mischungskammer (also die Position der Auslassöffnung des ersten Interaktionskanals bzw. der ersten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer) kann durch eine sprunghafte Änderung der Querschnittsfläche (quer zur Fluidgemischstromrichtung) gekennzeichnet sein. Beispielsweise kann sich an dem Übergang sprunghaft die Tiefe und/oder Breite ändern. The transition between the first interaction channel and the second mixing chamber (i.e., the position of the outlet opening of the first interaction channel or the first inlet opening of the second mixing chamber) can be characterized by a sudden change in the cross-sectional area (transverse to the fluid mixture flow direction). For example, the depth and/or width can change abruptly at the transition.
Der Übergang zwischen der ersten Mischungskammer und dem ersten Interaktionskanal (also die Position der Auslassöffnung der ersten Mischungskammer bzw. der Einlassöffnung des ersten Interaktionskanals) kann dadurch definiert sein, dass unmittelbar stromaufwärts ein Abschnitt (Auslasskanal der ersten Mischungskammer) angeordnet ist, dessen Querschnittsfläche entlang der Fluidgemischstromrichtung in Richtung der Auslassöffnung abnimmt, wobei die Querschnittsfläche an der Auslassöffnung der ersten Mischungskammer bzw. an der Einlassöffnung des ersten Interaktionskanals am kleinsten ist. The transition between the first mixing chamber and the first interaction channel (i.e. the position of the outlet opening of the first mixing chamber or the inlet opening of the first interaction channel) can be defined by arranging a section (outlet channel of the first mixing chamber) immediately upstream, the cross-sectional area of which decreases along the fluid mixture flow direction in the direction of the outlet opening, wherein the cross-sectional area is smallest at the outlet opening of the first mixing chamber or at the inlet opening of the first interaction channel.
Um die Konstruktion möglichst einfach zu gestalten, kann sich der erste Interaktionskanal entlang einer Längsachse erstrecken, die insbesondere parallel zu der ersten Fluidstromrichtung bzw. der Fluidgemischstromrichtung ist. Jedoch ist auch denkbar, dass der erste Interaktionskanal einen mäanderförmigen Abschnitt umfasst. Denkbar ist ferner, dass sich an die Auslassöffnung der zweiten Mischungskammer ein zweiter Interaktionskanal anschließt. To keep the design as simple as possible, the first interaction channel can extend along a longitudinal axis that is particularly parallel to the first fluid flow direction or the fluid mixture flow direction. However, it is also conceivable for the first interaction channel to comprise a meandering section. It is also conceivable that a second interaction channel is connected to the outlet opening of the second mixing chamber.
Ausgestaltungen der ersten Zufuhrvorrichtung, der zweiten Zufuhrvorrichtung und der ersten Mischungskammer sind bereits weiter oben im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen beschrieben und auch auf die Ausführungsformen, in denen die erste Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer eine kleinere Querschnittsfläche als die zweite Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer aufweist, übertragbar. Configurations of the first supply device, the second supply device and the first mixing chamber have already been described above in connection with other embodiments and can also be transferred to the embodiments in which the first inlet opening of the second mixing chamber has a smaller cross-sectional area than the second inlet opening of the second mixing chamber.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit Hilfe spanender oder abtragender Fertigungsverfahren, replikativer Verfahren, beispielsweise mittels Spritzguss, oder additiver Verfahren (3D Druck) gefertigt werden. Zur Fertigung sind ebenso Verfahren mit bestimmter Schneide (z.B. Fräsen) oder abtragende Verfahren (z.B. Funkenerodieren) geeignet. The device according to the invention can be manufactured using machining or subtractive manufacturing processes, replicative processes, for example, injection molding, or additive processes (3D printing). Processes with specific cutting edges (e.g., milling) or subtractive processes (e.g., spark erosion) are also suitable for manufacturing.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aus diversen Materialien gefertigt werden. Als Werkstoffe kommen Kunststoffe (PEEK, PVDF, COC), Metalle bzw. Legierungen (Edelstahl, Aluminium), Glas oder Keramik in Betracht. The device according to the invention can be manufactured from a variety of materials. Possible materials include plastics (PEEK, PVDF, COC), metals or alloys (stainless steel, aluminum), glass, or ceramic.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erzeugen eines Fluidgemischs. Das Verfahren wird unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt. Zur Durchführung des Verfahrens werden zunächst eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen, ein erstes Fluid, ein zweites Fluid und ein drittes Fluid bereitgestellt. Das erste Fluid wird mit einem ersten Volumenstrom über die erste Zufuhrvorrichtung in die erste Mischungskammer eingeleitet. Gleichzeitig werden das zweite Fluid mit einem zweiten Volumenstrom über die zweite Zufuhrvorrichtung in die erste Mischungskammer und das dritte Fluid mit einem dritten Volumenstrom über die dritte Zufuhrvorrichtung in die zweite Mischungskammer eingeleitet. The invention further relates to a method for producing a fluid mixture. The method is carried out using the device according to the invention. To carry out the method, a device according to the invention according to one of the embodiments described here, a first fluid, a second fluid, and a third fluid are first provided. The first fluid is introduced into the first mixing chamber at a first volume flow via the first supply device. Simultaneously, the second fluid is introduced into the first mixing chamber at a second volume flow via the second supply device, and the third fluid is introduced into the second mixing chamber at a third volume flow via the third supply device.
In der ersten Mischungskammer wird dem ersten und zweiten Fluid Gelegenheit gegeben, sich zu vermischen und dabei ein intermediäres Fluidgemisch (mit Partikeln) zu bilden. Die Bildung von (Nano)Partikeln kann dabei durch eine Änderung der Löslichkeit von in dem zweiten Fluid gelösten Stoffen durch eine Kontaktierung/Verdünnung des zweiten Fluids mit dem ersten Fluid erreicht werden. Durch Nanopräzipitation werden Nanopartikel ausgefällt. Durch die Ausgestaltung der ersten Zufuhrvorrichtung, die eine räumliche Oszillation des ersten Fluids bewirkt, schwanken die Geschwindigkeiten bzw. Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen erstem und zweitem Fluid in der ersten Mischungskammer stark, so dass eine sogenannte turbulente Mischung stattfindet. Die Verweilzeit der beiden Fluide in der ersten Mischungskammer kann dabei je nach Anwendungsfall unterschiedlich ausfallen. In the first mixing chamber, the first and second fluids are given the opportunity to mix, thereby forming an intermediate fluid mixture (with particles). The formation of (nano)particles can be achieved by changing the solubility of substances dissolved in the second fluid through contact/dilution of the second fluid with the first fluid. Nanoparticles are precipitated by nanoprecipitation. Due to the design of the first supply device, which causes spatial oscillation of the first fluid, the velocities or Velocity differences between the first and second fluids in the first mixing chamber are significant, resulting in turbulent mixing. The residence time of the two fluids in the first mixing chamber can vary depending on the application.
In der zweiten Mischungskammer werden das in der ersten Mischungskammer erzeugte intermediäre Fluidgemisch und das dritte Fluid zusammengeführt. Durch die Ausgestaltung der zweiten Mischungskammer im Bereich ihrer ersten und zweiten Einlassöffnung sind die Scherraten in der zweiten Mischungskammer gering, so dass insbesondere keine turbulente Mischung (vielmehr eine quasilaminare Mischung) in der zweiten Mischungskammer stattfindet. Hierdurch kann die mechanische Beanspruchung der Partikel möglichst gering gehalten werden. Der Mischvorgang in der zweiten Mischungskammer dient dazu, Partikel des intermediären Fluidgemischs zu stabilisieren. In the second mixing chamber, the intermediate fluid mixture generated in the first mixing chamber and the third fluid are combined. Due to the design of the second mixing chamber in the region of its first and second inlet openings, the shear rates in the second mixing chamber are low, so that, in particular, turbulent mixing (rather, quasi-laminar mixing) does not occur in the second mixing chamber. This allows the mechanical stress on the particles to be kept as low as possible. The mixing process in the second mixing chamber serves to stabilize particles of the intermediate fluid mixture.
Die Größe sowie die Größenverteilung der Partikel kann durch die Volumenströme des ersten und des zweiten Fluids, die Schwingungsfrequenz des ersten oszillierenden Fluids und durch die Geometrie der ersten und der zweiten Mischungskammer beeinflusst werden. Insbesondere die Breite (Ausdehnung in der Oszillationsebene und quer zur ersten Fluidstromrichtung / Fluidgemischstromrichtung) spielt eine Rolle. Die Schwingungsfrequenz des oszillierenden ersten Fluids kann mindestens 100 Hz betragen, typischerweise über 2000 Hz. The size and size distribution of the particles can be influenced by the volume flow rates of the first and second fluids, the oscillation frequency of the first oscillating fluid, and the geometry of the first and second mixing chambers. The width (extension in the oscillation plane and perpendicular to the first fluid flow direction/fluid mixture flow direction) plays a particularly important role. The oscillation frequency of the oscillating first fluid can be at least 100 Hz, typically over 2000 Hz.
Anschließend wird das Fluidgemisch umfassend das erste Fluid, das zweite Fluid und das dritte Fluid aus der zweiten Mischungskammer über deren Auslassöffnung abgeleitet. Subsequently, the fluid mixture comprising the first fluid, the second fluid and the third fluid is discharged from the second mixing chamber via its outlet opening.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Volumenströme derart eingestellt, dass der erste Volumenstrom größer ist als der zweite Volumenstrom oder dass der erste Volumenstrom und der zweite Volumenstrom gleich groß sind. Was die zweite Mischungskammer betrifft, kann der dritte Volumenstrom derart eingestellt werden, dass der Volumenstrom, mit dem das intermediäre Fluidgemisch in die zweite Mischungskammer eintritt, größer ist als der dritte Volumenstrom oder gleich groß ist wie der dritte Volumenstrom. Je nach Anwendung kann der dritte Volumenstrom jedoch auch größer sein als der Volumenstrom, mit dem das intermediäre Fluidgemisch in die zweite Mischungskammer eintritt. Der Volumenstrom des intermediären Fluidgemischs ergibt sich aus den Volumenströmen des ersten und des zweiten Fluids. Denkbar ist, dass der erste Volumenstrom, der zweite Volumenstrom und der dritte Volumenstrom über die Dauer des Mischvorgangs jeweils konstant sind. Der Volumenstrom des ersten, zweiten und dritten Fluids kann durch Pumpvorrichtungen gesteuert werden, die das erste, zweite und dritte Fluid über die erste, zweite bzw. dritte Zufuhrvorrichtung in die erste bzw. zweite Mischungskammer pumpen. Der Druck der eingeleiteten Fluide kann je nach Anwendung im Bereich einiger Millibar (mbar) bis hin zu mehreren hundert bar (gegenüber dem Umgebungsdruck) liegen. Für Anwendungen in der Massenproduktion von (Lipid)Nanopartikeln kann der Eingangsdruck zwischen 1 und 50 bar, vorzugsweise zwischen 1 und 25 bar, besonders bevorzugt zwischen 1 und 10 bar liegen. Für die Produktion von Emulsionen kann der Druck mehrere hundert bar betragen. Bevorzugt wird ein Druckbereich zwischen 2 und 500 bar. Besonders bevorzugt ist ein Druckbereich zwischen 10 und 250 bar. According to one embodiment, the volume flows are set such that the first volume flow is greater than the second volume flow or that the first volume flow and the second volume flow are the same. As far as the second mixing chamber is concerned, the third volume flow can be set such that the volume flow with which the intermediate fluid mixture enters the second mixing chamber is greater than the third volume flow or is the same as the third volume flow. Depending on the application, however, the third volume flow can also be greater than the volume flow with which the intermediate fluid mixture enters the second mixing chamber. The volume flow of the intermediate fluid mixture results from the volume flows of the first and the second fluid. It is conceivable that the first volume flow, the second volume flow and the third volume flow are each constant over the duration of the mixing process. The volume flow of the first, second, and third fluids can be controlled by pumping devices that pump the first, second, and third fluids via the first, second, and third supply devices into the first and second mixing chambers, respectively. Depending on the application, the pressure of the introduced fluids can range from a few millibars (mbar) to several hundred bar (relative to ambient pressure). For applications in the mass production of (lipid) nanoparticles, the inlet pressure can be between 1 and 50 bar, preferably between 1 and 25 bar, particularly preferably between 1 and 10 bar. For the production of emulsions, the pressure can be several hundred bar. A pressure range between 2 and 500 bar is preferred. A pressure range between 10 and 250 bar is particularly preferred.
Zur Anwendung des Verfahrens im industriellen Maßstab kann das Einleiten des ersten Fluids in die erste Mischungskammer, das Einleiten des zweiten Fluids in die erste Mischungskammer und das Einleiten des dritten Fluids in die zweite Mischungskammer jeweils kontinuierlich erfolgen. For application of the process on an industrial scale, the introduction of the first fluid into the first mixing chamber, the introduction of the second fluid into the first mixing chamber and the introduction of the third fluid into the second mixing chamber can each be carried out continuously.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren mit einer Flüssigkeit oder einer Suspension als erstes Fluid durchgeführt. Auch das zweite Fluid ist entweder eine Flüssigkeit oder eine Suspension. Im Falle von Suspensionen können sich die beiden Fluide beispielsweise (ausschließlich) hinsichtlich der Partikelgröße unterscheiden. Durch die in der ersten Mischungskammer herrschenden Turbulenzen kann im Fall von identischen Suspensionen (als erstes und zweites Fluid) beispielsweise die Größe der Partikel in der Suspension variiert werden. Dabei kann auch Einfluss auf die Größenverteilung der Partikel genommen werden. According to one embodiment, the method is carried out using a liquid or a suspension as the first fluid. The second fluid is also either a liquid or a suspension. In the case of suspensions, the two fluids can differ (exclusively) in particle size, for example. Due to the turbulence prevailing in the first mixing chamber, in the case of identical suspensions (as the first and second fluids), the size of the particles in the suspension can be varied, for example. This can also influence the size distribution of the particles.
Generell können das erste Fluid und das zweite Fluid hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und/oder Konzentration einzelner Bestandteile unterschiedlich oder identisch sein. Beispielsweise kann das erste Fluid eine wässrige Pufferlösung umfassen und das zweite Fluid ein Polymer, einen pharmazeutischen Wirkstoff, ein Polymer- Wirkstoff-Konjugat oder ein Lipid, jeweils in einem Lösungsmittel. Bei der wässrigen Pufferlösung (erstes Fluid) kann es sich zum Beispiel um Acetat-, Citrat-, Phosphat- oder TRIS-Puffer handeln. Die Pufferlösung kann eine oder mehrere Nukleinsäuren (DNA, RNA oder mRNA) enthalten. Die Pufferlösung kann einen pH-Wert von 3 bis 7, vorzugsweise 3 bis 6 aufweisen. Die wässrige Lösung (erstes Fluid) kann weiter oberflächenaktive Substanzen wie beispielsweise Polaxamere, Polyvinylalkohole enthalten. Das Lösungsmittel des zweiten Fluids kann wassermischbar sein (beispielsweise Ethanol, Acetonitril, Aceton) oder wasserunlöslich (beispielsweise Ethylacetat, Chloroform). In general, the first fluid and the second fluid can be different or identical with regard to chemical composition and/or concentration of individual components. For example, the first fluid can comprise an aqueous buffer solution and the second fluid a polymer, a pharmaceutically active ingredient, a polymer-drug conjugate, or a lipid, each in a solvent. The aqueous buffer solution (first fluid) can be, for example, acetate, citrate, phosphate, or TRIS buffer. The buffer solution can contain one or more nucleic acids (DNA, RNA, or mRNA). The buffer solution can have a pH of 3 to 7, preferably 3 to 6. The aqueous solution (first fluid) can further contain surface-active substances such as polyaxamers, polyvinyl alcohols. The solvent of the second fluid can be water-miscible (e.g. ethanol, acetonitrile, acetone) or water-insoluble (e.g. ethyl acetate, chloroform).
Es ist denkbar, dass das erste Fluid eine Suspension ist, die ein Lösemittel und eine Nukleinsäure umfasst. Das zweite Fluid kann eine Lipidmischung umfassen und geeignet sein, die Nukleinsäure des ersten Fluids während des Mischvorgangs zu umschließen und in dem so erhaltenen intermediären Fluidgemisch als Träger oder Vehikel für die Nukleinsäure zu fungieren. Die Nukleinsäure kann DNA, RNA oder mRNA sein. It is conceivable that the first fluid is a suspension comprising a solvent and a nucleic acid. The second fluid may comprise a lipid mixture and be suitable for enclosing the nucleic acid of the first fluid during the mixing process and acting as a carrier or vehicle for the nucleic acid in the resulting intermediate fluid mixture. The nucleic acid may be DNA, RNA, or mRNA.
Das erste Fluid und das dritte Fluid können hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und/oder Konzentration einzelner Bestandteile identisch oder unterschiedlich sein. The first fluid and the third fluid may be identical or different with regard to chemical composition and/or concentration of individual components.
Je nach Anwendung kann das dritte Fluid eine bestimmte Funktion haben. So kann das dritte Fluid zur Einstellung des pH-Werts, einer Partikeldichte oder des Lösungsmittelgehalts im intermediären Fluidgemisch dienen und/oder eine oberflächenaktive Substanz umfassen. Depending on the application, the third fluid can have a specific function. For example, the third fluid can be used to adjust the pH, particle density, or solvent content in the intermediate fluid mixture and/or contain a surfactant.
Generell bestimmt die chemische Zusammensetzung der eingesetzten Fluide auch die Partikelgröße der Partikel in dem erzeugten Fluidgemisch. An der ersten Einlassöffnung der ersten Mischungskammer hat das oszillierende erste Fluid eine Reynolds-Zahl Re von mehr als 500, vorzugsweise von mehr als 1000, besonders bevorzugt von mehr als 2000. An der ersten Einlassöffnung der zweiten Mischungskammer hat das intermediäre Fluidgemisch eine Reynolds-Zahl Re von mehr als 50, vorzugsweise von mehr als 100, besonders bevorzugt von mehr als 200. Die Reynolds-Zahl Re bestimmt sich dabei gemäß Re = (Ui x hi)/v, wobei Ui die Strömungsgeschwindigkeit an der jeweiligen Einlassöffnung ist, hi die Höhe bzw. Tiefe der jeweiligen Einlassöffnung und v die kinematische Viskosität des Fluid(gemisch)s. In general, the chemical composition of the fluids used also determines the particle size of the particles in the produced fluid mixture. At the first inlet opening of the first mixing chamber, the oscillating first fluid has a Reynolds number Re of more than 500, preferably more than 1000, particularly preferably more than 2000. At the first inlet opening of the second mixing chamber, the intermediate fluid mixture has a Reynolds number Re of more than 50, preferably more than 100, particularly preferably more than 200. The Reynolds number Re is determined according to Re = (Ui x hi)/v, where Ui is the flow velocity at the respective inlet opening, hi is the height or depth of the respective inlet opening, and v is the kinematic viscosity of the fluid (mixture).
Das Verfahren kann eingesetzt werden, um Lipidnanopartikel, Polymernanopartikel oder Liposome herzustellen. The process can be used to produce lipid nanoparticles, polymer nanoparticles or liposomes.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. The invention will be explained in more detail below using exemplary embodiments in conjunction with the drawings.
Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Fluidgemischs gemäß einer Ausführungsform; They show: Fig. 1 shows a cross section through a device for producing a fluid mixture according to an embodiment;
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Ausschnitt einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Fluidgemischs gemäß einer weiteren Ausführungsform, wobei der Ausschnitt insbesondere eine erste Mischungskammer und eine erste Zufuhrvorrichtung zeigt; Fig. 2 shows a cross section through a section of a device for producing a fluid mixture according to a further embodiment, the section showing in particular a first mixing chamber and a first supply device;
Fig. 3-5 eine Schnittdarstellung der Vorrichtung aus Figur 2 entlang der Linien A‘-A“, B‘-B“ beziehungsweise C‘-C“; Fig. 3-5 a sectional view of the device from Figure 2 along the lines A'-A", B'-B" and C'-C" respectively;
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Fluidgemischs gemäß einer weiteren Ausführungsform; Fig. 6 shows a cross section through a device for producing a fluid mixture according to a further embodiment;
Fig. 7 Auslenkung des oszillierenden ersten Fluids in Abhängigkeit von der Zeit bei Eintritt in die erste Mischungskammer der Vorrichtung Erzeugen eines Fluidgemischs; Fig. 7 Deflection of the oscillating first fluid as a function of time upon entry into the first mixing chamber of the device generating a fluid mixture;
Fig. 8 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Fluidgemischs gemäß einer weiteren Ausführungsform; Fig. 8 shows a cross section through a device for producing a fluid mixture according to a further embodiment;
Fig. 9 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Erzeugen einesFig. 9 shows a cross section through a device for producing a
Fluidgemischs gemäß einer weiteren Ausführungsform; Fluid mixture according to another embodiment;
Fig. 10 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Erzeugen einesFig. 10 shows a cross section through a device for producing a
Fluidgemischs gemäß einer weiteren Ausführungsform; Fluid mixture according to another embodiment;
Fig. 11 eine Schnittdarstellung der Vorrichtung aus Figur 10 entlang der Linien D‘- D“; Fig. 11 is a sectional view of the device of Figure 10 along the lines D‘- D“;
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer zweiten Mischungskammer gemäß einer weiteren Ausführungsform; und Fig. 12 is a schematic representation of a second mixing chamber according to a further embodiment; and
Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Erzeugen eines Fluidgemischs. Die in den Figuren gezeigten Vorrichtungen und ihre Komponenten sind nicht maßstabsgetreu dargestellt. Es sind auch andere Kombinationen der dargestellten Ausführungsvarianten möglich, als die in den folgenden Figuren dargestellt sind. Fig. 13 is a schematic representation of a method for producing a fluid mixture. The devices and their components shown in the figures are not drawn to scale. Other combinations of the illustrated embodiments are also possible.
In Figur 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen eines Fluidgemischs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Figure 1 schematically shows a device 1 for producing a fluid mixture according to an embodiment of the invention.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine erste Mischungskammer 20, einen ersten Interaktionskanal 30, eine zweite Mischungskammer 40, einen zweiten Interaktionskanal 50, eine erste Zufuhrvorrichtung 60, eine zweite Zufuhrvorrichtung 50 und eine dritte Zufuhrvorrichtung 80. Figur 2 zeigt die erste Mischungskammer 20 und die erste Zufuhrvorrichtung 60 einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Während sich die erste Mischungskammer 20 und die erste Zufuhrvorrichtung 60 der Vorrichtung aus Figur 2 von der Ausführungsform in Figur 1 in wenigen Einzelheiten unterscheiden, können die übrigen Komponenten (erster Interaktionskanal 30, zweite Mischungskammer 40, zweiter Interaktionskanal 50, zweite Zufuhrvorrichtung 50 und dritte Zufuhrvorrichtung 80) mit denen der Figur 1 identisch sein. Die Figuren 3 bis 5 zeigen jeweils eine Schnittdarstellung der Vorrichtung 1 aus Figur 2 entlang der Linien A‘-A“, B‘-B“ beziehungsweise C‘-C“. Im Folgenden werden die Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 aufgrund der vielem Gemeinsamkeiten zusammen beschrieben. Auf Unterschiede wird an passender Stelle eingegangen. The device 1 comprises a first mixing chamber 20, a first interaction channel 30, a second mixing chamber 40, a second interaction channel 50, a first feed device 60, a second feed device 50, and a third feed device 80. Figure 2 shows the first mixing chamber 20 and the first feed device 60 of a device according to a further embodiment. While the first mixing chamber 20 and the first feed device 60 of the device in Figure 2 differ from the embodiment in Figure 1 in a few details, the remaining components (first interaction channel 30, second mixing chamber 40, second interaction channel 50, second feed device 50, and third feed device 80) can be identical to those in Figure 1. Figures 3 to 5 each show a sectional view of the device 1 from Figure 2 along the lines A'-A", B'-B", and C'-C", respectively. In the following, the embodiments of Figures 1 and 2 are described together due to their many similarities. Differences will be discussed where appropriate.
Die erste Mischungskammer 20 weist eine erste Einlassöffnung 201 , eine zweite Einlassöffnung 202 und eine Auslassöffnung 203 auf. Über die erste Einlassöffnung 201 ist ein erstes Fluid Fi in die erste Mischungskammer 20 einleitbar, und über die zweite Einlassöffnung 202 ein zweites Fluid F2. In der ersten Mischungskammer 20 bilden das erste und das zweite Fluid Fi, F2 ein intermediäres Fluidgemisch F12, das über die Auslassöffnung 203 der ersten Mischungskammer 20 ableitbar ist. The first mixing chamber 20 has a first inlet opening 201, a second inlet opening 202, and an outlet opening 203. A first fluid Fi can be introduced into the first mixing chamber 20 via the first inlet opening 201, and a second fluid F 2 can be introduced via the second inlet opening 202. In the first mixing chamber 20, the first and second fluids Fi, F 2 form an intermediate fluid mixture F12, which can be discharged via the outlet opening 203 of the first mixing chamber 20.
Die erste Zufuhrvorrichtung 60 ist über die erste Einlassöffnung 201 (fluidisch) mit der ersten Mischungskammer 20 verbunden und dient dem Einleiten des ersten Fluids Fi in die erste Mischungskammer 20. Die zweite Zufuhrvorrichtung 70 ist über die zweite Einlassöffnung 202 (fluidisch) mit der ersten Mischungskammer 20 verbunden und dient dem Einleiten des zweiten Fluids F2 in die erste Mischungskammer 20. The first supply device 60 is connected (fluidically) to the first mixing chamber 20 via the first inlet opening 201 and serves to introduce the first fluid Fi into the first mixing chamber 20. The second supply device 70 is connected (fluidically) to the first mixing chamber 20 via the second inlet opening 202 and serves to introduce the second fluid F 2 into the first mixing chamber 20.
An die Auslassöffnung 203 schließt sich stromabwärts der erste Interaktionskanal 30 an. Dieser weist eine Einlassöffnung 301 und eine Auslassöffnung 302 auf. Die Einlassöffnung 301 des ersten Interaktionskanals 30 fällt mit der Auslassöffnung 203 der ersten Mischungskammer 20 zusammen, so dass das intermediäre Fluidgemisch F12 von der ersten Mischungskammer 20 in den ersten Interaktionskanal 30 strömen kann. The first interaction channel 30 is connected downstream of the outlet opening 203. This channel has an inlet opening 301 and an outlet opening 302. The inlet opening 301 of the first interaction channel 30 coincides with the outlet opening 203 of the first mixing chamber 20, so that the intermediate fluid mixture F12 can flow from the first mixing chamber 20 into the first interaction channel 30.
Die zweite Mischungskammer 40 weist eine erste Einlassöffnung 401 , eine zweite Einlassöffnung 402 und eine Auslassöffnung 402 auf. Die erste Einlassöffnung 401 fällt mit der Auslassöffnung 302 des ersten Interaktionskanals 30 zusammen. Über die erste Einlassöffnung 401 ist das intermediäre Fluidgemisch F12 in die zweite Mischungskammer 40 einleitbar, und über die zweite Einlassöffnung 402 ein drittes Fluid F3. In der zweiten Mischungskammer 40 bilden das intermediäre Fluidgemisch F12 und das dritte Fluid F3 das Fluidgemisch F123, die über die Auslassöffnung 403 der zweiten Mischungskammer 40 ableitbar ist. The second mixing chamber 40 has a first inlet opening 401, a second inlet opening 402, and an outlet opening 402. The first inlet opening 401 coincides with the outlet opening 302 of the first interaction channel 30. The intermediate fluid mixture F12 can be introduced into the second mixing chamber 40 via the first inlet opening 401, and a third fluid F3 can be introduced via the second inlet opening 402. In the second mixing chamber 40, the intermediate fluid mixture F12 and the third fluid F3 form the fluid mixture F123, which can be discharged via the outlet opening 403 of the second mixing chamber 40.
An die Auslassöffnung 402 schließt sich stromabwärts der zweite Interaktionskanal 50 an. Dieser weist eine Einlassöffnung 501 und eine Auslassöffnung 502 auf. Die Einlassöffnung 501 des zweiten Interaktionskanals 50 fällt mit der Auslassöffnung 403 der zweiten Mischungskammer 40 zusammen. Über die Auslassöffnung 502 ist das erzeugte Fluidgemisch F123 der Vorrichtung 1 entnehmbar. Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung 1 keinen zweiten Interaktionskanal auf, und das erzeugte Fluidgemisch F123 ist der Vorrichtung 1 über die Auslassöffnung 403 der zweiten Mischungskammer 40 entnehmbar The second interaction channel 50 is connected downstream of the outlet opening 402. This channel has an inlet opening 501 and an outlet opening 502. The inlet opening 501 of the second interaction channel 50 coincides with the outlet opening 403 of the second mixing chamber 40. The generated fluid mixture F123 can be removed from the device 1 via the outlet opening 502. According to one embodiment, the device 1 does not have a second interaction channel, and the generated fluid mixture F123 can be removed from the device 1 via the outlet opening 403 of the second mixing chamber 40.
Die erste Zufuhrvorrichtung 60 umfasst ein fluidisches Bauteil 10 mit zwei Nebenstromkanälen (Feedbackkanälen) 104a, 104b als Mittel zur Erzeugung eines räumlich und/oder zeitlich beweglichen ersten Fluids Fi und insbesondere zur Ausbildung einer räumlichen Oszillation des ersten Fluids Fi. Das in Figur 1 dargestellte fluidische Bauteil 10 mit den Nebenstromkanälen 104a, 104b ist nur exemplarisch. Grundsätzlich können auch andere fluidische Bauteile verwendet werden, wie zum Beispiel sogenannte feedback-freie Bauteile. The first supply device 60 comprises a fluidic component 10 with two bypass channels (feedback channels) 104a, 104b as a means for generating a spatially and/or temporally mobile first fluid Fi and, in particular, for generating a spatial oscillation of the first fluid Fi. The fluidic component 10 shown in Figure 1 with the bypass channels 104a, 104b is merely exemplary. In principle, other fluidic components can also be used, such as so-called feedback-free components.
Die Energie zur Erzeugung des räumlichen und/oder zeitlich beweglichen Fluidstrahles resultiert aus dem Eingangsdruck (an der Einlassöffnung der Strömungskammer 100) des ersten Fluids Fi (auch als erste Phase A bezeichnet). Der Eingangsdruck kann Werte bis zu 1000 bar annehmen. Typischerweise liegt der Eingangsdruck unter 400 bar. Vorzugsweise liegt der Eingangsdruck zwischen 0,5 und 200 bar, besonders bevorzugt zwischen 1 und 25 bar. Für Anwendungen zur Erzeugung von Liquid Nanopartikeln liegen diese in der Regel unter 10 bar. Die Verwendung des fluidischen Bauteils 10 hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Energiequelle eingesetzt werden muss, wodurch die Komplexität und die Fehleranfälligkeit der Vorrichtung verringert werden. Außerdem kann so sichergestellt werden, dass keine zusätzliche externe Energie in die Fluide eingetragen wird. Der Eintrag zusätzlicher/externer Energie kann empfindliche Bestandteile der Fluide (zum Beispiel langkettige Moleküle) zerstören und sollte daher vermieden werden. The energy for generating the spatially and/or temporally mobile fluid jet results from the inlet pressure (at the inlet opening of the flow chamber 100) of the first fluid Fi (also referred to as the first phase A). The inlet pressure can assume values of up to 1000 bar. Typically, the inlet pressure is below 400 bar. Preferably, the inlet pressure is between 0.5 and 200 bar, particularly preferably between 1 and 25 bar. For applications for the generation of liquid nanoparticles, these are generally below 10 bar. The use of the fluidic component 10 has the advantage that This eliminates the need for an additional energy source, reducing the complexity and error-proneness of the device. It also ensures that no additional external energy is introduced into the fluids. The introduction of additional/external energy can destroy sensitive components of the fluids (e.g., long-chain molecules) and should therefore be avoided.
Das fluidische Bauteil 10 umfasst eine Strömungskammer 100, die von einem ersten Fluid(strom) Fi durchströmbar ist. Das fluidische Bauteil 10 hat die Funktion, eine Oszillation des ersten Fluids Fi herbeizuführen, so dass das erste Fluid Fi beim Eintreten in die erste Mischungskammer 20 durch die erste Einlassöffnung 201 der Mischungskammer 20 zeitlich und/oder örtlich oszilliert. Die zeitliche Frequenz der Oszillation beträgt dabei typischerweise 1 Hz bis 10 kHz, bevorzugt 10 Hz bis 10 kHz und besonders bevorzugt 100 Hz bis 5 kHz. The fluidic component 10 comprises a flow chamber 100 through which a first fluid (stream) Fi can flow. The fluidic component 10 has the function of inducing an oscillation of the first fluid Fi, so that the first fluid Fi oscillates temporally and/or spatially upon entering the first mixing chamber 20 through the first inlet opening 201 of the mixing chamber 20. The temporal frequency of the oscillation is typically 1 Hz to 10 kHz, preferably 10 Hz to 10 kHz, and particularly preferably 100 Hz to 5 kHz.
Die Strömungskammer 100 umfasst eine Einlassöffnung 101 mit einer Einlassbreite bioi , über die der erste Fluidstrom Fi in die Strömungskammer 100 eintritt, und eine Auslassöffnung 102 mit einer Auslassbreite b 2, über die der erste Fluidstrom Fi aus der Strömungskammer 100 austritt. Die Einlassöffnung 101 und die Auslassöffnung 102 sind jeweils dort definiert, wo die Querschnittsfläche (quer zur Fluidstromrichtung) des fluidischen Bauteils 10, die der Fluidstrom passiert, wenn er in die Strömungskammer 100 eintritt beziehungsweise aus der Strömungskammer 100 wieder austritt, jeweils am kleinsten ist. Die Breiten b i und b 2 der Ein- beziehungsweise Auslassöffnung 101 , 102 entsprechen der Ausdehnung der Ein- beziehungsweise Auslassöffnung 101 , 102 quer zur Fluidstromrichtung und innerhalb der (später erläuterten) Oszillationsebene des ersten Fluids Fi. The flow chamber 100 comprises an inlet opening 101 with an inlet width bioi, through which the first fluid flow Fi enters the flow chamber 100, and an outlet opening 102 with an outlet width b 2, through which the first fluid flow Fi exits the flow chamber 100. The inlet opening 101 and the outlet opening 102 are each defined where the cross-sectional area (transverse to the fluid flow direction) of the fluidic component 10, which the fluid flow passes through when it enters the flow chamber 100 or exits the flow chamber 100, is the smallest. The widths bi and b 2 of the inlet and outlet openings 101, 102, respectively, correspond to the extent of the inlet and outlet openings 101, 102, respectively, transverse to the fluid flow direction and within the oscillation plane of the first fluid Fi (explained later).
Die Auslassöffnung 102 der Strömungskammer 100 des fluidischen Bauteils 10 entspricht hier der ersten Einlassöffnung 201 der ersten Mischungskammer 20. The outlet opening 102 of the flow chamber 100 of the fluidic component 10 corresponds here to the first inlet opening 201 of the first mixing chamber 20.
Die Einlassbreite b i kann die Dimension von 0,15 pm bis 5.000 pm annehmen. Die Mindestabmessungen der jeweils engsten Querschnittsflächen innerhalb des fluidischen Bauteils 10 können in Abhängigkeit vom gewünschten Volumenstrom gewählt werden. Je höher der Volumenstrom bei gleichbleibenden Eingangsdruck (an der Einlassöffnung 101 der Strömungskammer 100) ist, desto größer müssen die Dimension z. B. der Einlassbreite bi oi und / oder der Einlasshöhe h i sein. Typische Abmessungen liegen zwischen 100 pm bis 1.500 pm. Typische Werte für die Breite b i sind 100 pm, 150 pm, 300 pm, 600 pm und 1 .200 pm. Die Einlassöffnung 101 und die Auslassöffnung 102 sind auf zwei sich strömungstechnisch gegenüberlegenden Seiten des fluidischen Bauteils 10 angeordnet. Die Strömungskammer 100, genauer ein Hauptstromkanal 103 der Strömungskammer 100, verbindet die Einlassöffnung 101 und die Auslassöffnung 102 obstruktionsfrei miteinander. In einer nicht dargestellten Ausführungsform können die Einlassöffnung 101 und die Auslassöffnung 102 mittels einer nicht obstruktionsfreien Strömungskammer verbunden sein. The inlet width bi can range from 0.15 pm to 5,000 pm. The minimum dimensions of the narrowest cross-sectional areas within the fluidic component 10 can be selected depending on the desired volume flow. The higher the volume flow at a constant inlet pressure (at the inlet opening 101 of the flow chamber 100), the larger the dimensions, e.g., of the inlet width bi oi and/or the inlet height hi, must be. Typical dimensions range from 100 pm to 1,500 pm. Typical values for the width bi are 100 pm, 150 pm, 300 pm, 600 pm, and 1,200 pm. The inlet opening 101 and the outlet opening 102 are arranged on two fluidically opposite sides of the fluidic component 10. The flow chamber 100, more precisely a main flow channel 103 of the flow chamber 100, connects the inlet opening 101 and the outlet opening 102 in a non-obstruction-free manner. In an embodiment not shown, the inlet opening 101 and the outlet opening 102 can be connected by means of a non-obstruction-free flow chamber.
Der erste Fluidstrom Fi bewegt sich in der Strömungskammer 100 im Wesentlichen entlang einer Längsachse A des fluidischen Bauteils 1 (die die Einlassöffnung 101 und die Auslassöffnung 102 miteinander verbindet) von der Einlassöffnung 101 zu der Auslassöffnung 102. Die Längsachse A bildet eine Symmetrieachse des fluidischen Bauteils 1. Die Längsachse A liegt in zwei senkrecht zueinander stehenden Symmetrieebenen S1 und S2, gegenüber denen das fluidische Bauteil 1 spiegelsymmetrisch ist. The first fluid flow Fi moves in the flow chamber 100 essentially along a longitudinal axis A of the fluidic component 1 (which connects the inlet opening 101 and the outlet opening 102) from the inlet opening 101 to the outlet opening 102. The longitudinal axis A forms an axis of symmetry of the fluidic component 1. The longitudinal axis A lies in two mutually perpendicular planes of symmetry S1 and S2, with respect to which the fluidic component 1 is mirror-symmetrical.
Zur gezielten Richtungsänderung des Fluidstroms umfasst die Strömungskammer 100 neben dem Hauptstromkanal 103 zwei Nebenstromkanäle 104a, 104b. Der Hauptstromkanal 103 und die zwei Nebenstromkanäle 104a, 104b erstrecken sich im Wesentlichen entlang der Längsachse A des fluidischen Bauteils 10, wobei der Hauptstromkanal 103 (quer zur Längsachse A betrachtet) zwischen den zwei Nebenstromkanälen 104a, 104b angeordnet ist. Unmittelbar hinter der Einlassöffnung 101 teilt sich die Strömungskammer 100 in den Hauptstromkanal 103 und die zwei Nebenstromkanäle 104a, 104b, die sich unmittelbar vor der Auslassöffnung 102 wieder vereinigen. In der hier dargestellten Ausführungsform sind die zwei Nebenstromkanäle 104a, 104b symmetrisch bezüglich der Symmetrieebene S2 angeordnet (Figur 4). Diese Nebenströmungskanäle können auch außerhalb der dargestellten Strömungsebene angeordnet. Diese Kanäle können beispielsweise durch Rohre, die sich auch außerhalb der Symmetrieebene S1 befinden, realisiert werden oder durch Kanäle, die in einem Winkel zur Strömungsebene (Symmetrieebene S1 ) stehen. For targeted fluid flow direction changes, the flow chamber 100 comprises two secondary flow channels 104a, 104b in addition to the main flow channel 103. The main flow channel 103 and the two secondary flow channels 104a, 104b extend substantially along the longitudinal axis A of the fluidic component 10, with the main flow channel 103 (viewed transversely to the longitudinal axis A) being arranged between the two secondary flow channels 104a, 104b. Immediately behind the inlet opening 101, the flow chamber 100 divides into the main flow channel 103 and the two secondary flow channels 104a, 104b, which rejoin immediately before the outlet opening 102. In the embodiment illustrated here, the two secondary flow channels 104a, 104b are arranged symmetrically with respect to the plane of symmetry S2 (Figure 4). These secondary flow channels can also be arranged outside the illustrated flow plane. These channels can be realized, for example, by pipes that are also located outside the plane of symmetry S1 or by channels that are at an angle to the flow plane (plane of symmetry S1).
Der Hauptstromkanal 103 verbindet im Wesentlichen geradlinig die Einlassöffnung 101 und die Auslassöffnung 102 miteinander, so dass der Fluidstrom Fi im Wesentlichen entlang der Längsachse A des fluidischen Bauteils 10 strömt. Die Nebenstromkanäle 104a, 104b erstrecken sich ausgehend von der Einlassöffnung 101 in einem ersten Abschnitt jeweils zunächst in einem Winkel von im Wesentlichen 90° zu der Längsachse A in entgegengesetzte Richtungen. Anschließend biegen die Nebenstromkanäle 104a, 104b ab, so dass sie sich jeweils im Wesentlichen parallel zu der Längsachse A (in Richtung auf die Auslassöffnung 102) erstrecken (zweiter Abschnitt). Um die Nebenstromkanäle 104a, 104b und den Hauptstromkanal 103 wieder zusammenzuführen, ändern die Nebenstromkanäle 104a, 104b am Ende des zweiten Abschnitts nochmals ihre Richtung, so dass sie jeweils im Wesentlichen in Richtung auf die Längsachse A gerichtet sind (dritter Abschnitt). In den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 ändert sich die Richtung der Nebenstromkanäle 104a, 104b beim Übergang vom zweiten in den dritten Abschnitt um einen Winkel von ca. 120°. Jedoch können für die Richtungsänderung zwischen diesen beiden Abschnitten der Nebenstromkanäle 104a, 104b auch andere als der hier genannte Winkel gewählt werden oder gar einem vollständig anderen Verlauf folgen. The main flow channel 103 connects the inlet opening 101 and the outlet opening 102 to one another in a substantially straight line, so that the fluid flow Fi flows substantially along the longitudinal axis A of the fluidic component 10. Starting from the inlet opening 101, the secondary flow channels 104a, 104b each extend in a first section at an angle of substantially 90° to the longitudinal axis A in opposite directions. Subsequently, the secondary flow channels 104a, 104b bend so that they each extend substantially parallel to the longitudinal axis A (in the direction of the outlet opening 102) (second section). In order to rejoin the secondary flow channels 104a, 104b and the main flow channel 103, the secondary flow channels 104a, 104b change their direction again at the end of the second section so that they are each directed substantially toward the longitudinal axis A (third section). In the embodiments of Figures 1 and 2, the direction of the secondary flow channels 104a, 104b changes by an angle of approximately 120° at the transition from the second to the third section. However, for the change of direction between these two sections of the secondary flow channels 104a, 104b, angles other than the one mentioned here can be selected or even follow a completely different course.
Die Nebenstromkanäle 104a, 104b sind ein Mittel zur Beeinflussung der Richtung des ersten Fluidstromes Fi, der die Strömungskammer 100 durchströmt. Die Nebenstromkanäle 104a, 104b weisen hierfür jeweils einen Eingang 104a1 , 104b1 , der durch das der Auslassöffnung 102 zugewandte Ende der Nebenstromkanäle 104a, 104b gebildet wird, und jeweils einen Ausgang 104a3, 104b3, der durch das der Einlassöffnung 101 zugewandte Ende der Nebenstromkanäle 104a, 104b gebildet wird, auf. Durch die Eingänge 104a1 , 104b1 fließt ein kleiner Teil des ersten Fluidstroms Fi, die Nebenströme, in die Nebenstromkanäle 104a, 104b. Der restliche Teil des ersten Fluidstroms Fi (der sogenannte Hauptstrom) tritt über die Auslassöffnung 102 aus dem fluidischen Bauteil 10 aus. Die Nebenströme treten an den Ausgängen 104a3, 104b3 aus den Nebenstromkanälen 104a, 104b aus, wo sie einen seitlichen (quer zur Längsachse A) Impuls auf den durch die Einlassöffnung 101 eintretenden ersten Fluidstrom Fi ausüben können. Dabei wird die Richtung des ersten Fluidstromes Fi derart beeinflusst, dass der an der Auslassöffnung 102 austretende Hauptstrom räumlich oszilliert, und zwar in einer Ebene, in der der Hauptstromkanal 103 und die Nebenstromkanäle 104a, 104b angeordnet sind. Die Ebene, in der der Hauptstrom oszilliert, wird auch Oszillationsebene bezeichnet und entspricht im Wesentlichen der Symmetrieebene S1 beziehungsweise ist parallel zu der Symmetrieebene S1 (Figur 3). The bypass channels 104a, 104b are a means for influencing the direction of the first fluid flow Fi flowing through the flow chamber 100. For this purpose, the bypass channels 104a, 104b each have an inlet 104a1, 104b1, formed by the end of the bypass channels 104a, 104b facing the outlet opening 102, and an outlet 104a3, 104b3, formed by the end of the bypass channels 104a, 104b facing the inlet opening 101. A small portion of the first fluid flow Fi, the bypass flows, flows through the inlets 104a1, 104b1 into the bypass channels 104a, 104b. The remaining portion of the first fluid flow Fi (the so-called main flow) exits the fluidic component 10 via the outlet opening 102. The secondary flows exit the secondary flow channels 104a, 104b at the outlets 104a3, 104b3, where they can exert a lateral (transverse to the longitudinal axis A) impulse on the first fluid flow Fi entering through the inlet opening 101. The direction of the first fluid flow Fi is influenced such that the main flow exiting the outlet opening 102 spatially oscillates, specifically in a plane in which the main flow channel 103 and the secondary flow channels 104a, 104b are arranged. The plane in which the main flow oscillates is also referred to as the oscillation plane and essentially corresponds to the plane of symmetry S1 or is parallel to the plane of symmetry S1 (Figure 3).
Die Nebenstromkanäle 104a, 104b weisen in der hier dargestellten Ausführungsform jeweils eine Querschnittsfläche auf, die über die gesamte Länge (vom Eingang 104a1 , 104b1 bis zum Ausgang 104a2, 104b2) der Nebenstromkanäle 104a, 104b nahezu konstant ist. Demgegenüber nimmt die Größe der Querschnittsfläche des Hauptstromkanals 103 in Strömungsrichtung des Hauptstromes (also in Richtung von der Einlassöffnung 101 zu der Auslassöffnung 102) im Wesentlichen stetig zu (Figuren 1 und 2). In beiden Ausführungsformen ist die Form des Hauptstromkanals 103 beispielhaft spiegelsymmetrisch zu den Symmetrieebenen S1 und S2. In the embodiment shown here, the secondary flow channels 104a, 104b each have a cross-sectional area which, over the entire length (from the inlet 104a1, 104b1 to the outlet 104a2, 104b2) of the secondary flow channels 104a, 104b, is almost is constant. In contrast, the size of the cross-sectional area of the main flow channel 103 increases substantially continuously in the flow direction of the main flow (i.e., in the direction from the inlet opening 101 to the outlet opening 102) (Figures 1 and 2). In both embodiments, the shape of the main flow channel 103 is, for example, mirror-symmetrical to the planes of symmetry S1 and S2.
Die Querschnittsfläche des Hauptstromkanals 103 kann aber grundsätzlich auch stromabwärts abnehmen. However, the cross-sectional area of the main flow channel 103 can in principle also decrease downstream.
Der Hauptstromkanal 103 ist von jedem Nebenstromkanal 104a, 104b durch einen Block 11 a, 11 b getrennt. Die zwei Blöcke 11 a, 11 b sind in den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 symmetrisch bezüglich der Spiegelebene S2 angeordnet. Prinzipiell können sie jedoch auch unterschiedlich ausgebildet und nicht symmetrisch ausgerichtet sein. Bei nicht symmetrischer Ausrichtung ist auch die Form des Hauptstromkanals 103 nicht symmetrisch zu der Spiegelebene S2. Eine symmetrische Ausführungsform der zwei Blöcke 11 a, 11 b wird bevorzugt. The main flow channel 103 is separated from each secondary flow channel 104a, 104b by a block 11a, 11b. In the embodiments of Figures 1 and 2, the two blocks 11a, 11b are arranged symmetrically with respect to the mirror plane S2. In principle, however, they can also be designed differently and not aligned symmetrically. If the alignment is not symmetrical, the shape of the main flow channel 103 is also not symmetrical with respect to the mirror plane S2. A symmetrical embodiment of the two blocks 11a, 11b is preferred.
Die Formen der Blöcke 11 a, 11 b, die in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind, sind nur beispielhaft und können variiert werden. Die Blöcke 11 a, 11 b weisen abgerundete Kanten auf. Es sind auch scharfe Kanten möglich. Die Ausführungsvariante mit abgerundeten Kanten wird bevorzugt. Die Blöcke 11 a, 11 b in den Figuren 1 und 2 unterscheiden sich in der Form ihrer dem Hauptstromkanal 103 zugewandten Seite. Während in Figur 1 diese Seite nahezu plan ist, weist sie in Figur 2 eine Wölbung auf. The shapes of blocks 11a, 11b shown in Figures 1 and 2 are only examples and can be varied. Blocks 11a, 11b have rounded edges. Sharp edges are also possible. The design variant with rounded edges is preferred. Blocks 11a, 11b in Figures 1 and 2 differ in the shape of their side facing the main flow channel 103. While in Figure 1 this side is almost flat, in Figure 2 it has a curvature.
Der Einlassöffnung 101 der Strömungskammer 100 ist stromaufwärts ein trichterförmiger Ansatz 106 vorgeschaltet, der sich in Richtung auf die Einlassöffnung 101 (stromabwärts) verjüngt. Grundsätzlich ist auch ein Ansatz 106 möglich, der einen im wesentlichen konstanten Querschnitt oder abschnittsweise eine erweiterte Querschnittsfläche aufweist. Dieser trichterförmige Ansatz kann auch als Einlasskanal bezeichnet werden. Auch die Strömungskammer 100 verjüngt sich, und zwar im Bereich der Auslassöffnung 102 stromabwärts der inneren Blöcke 11 a, 11 b. Die Verjüngung wird von einem Auslasskanal 107 gebildet und beginnt am Nebenstromkanaleinlass 104a1 , 104b1 . Dabei verjüngen sich der Ansatz 106 und der Auslasskanal 107 derart, dass nur deren Breite, das heißt deren Ausdehnung in der Symmetrieebene S1 senkrecht zu der Längsachse A, jeweils stromabwärts abnimmt. Die Verjüngung wirkt sich in dieser Ausführungsform nicht auf die Tiefe (das heißt die Ausdehnung in der Symmetrieebene S2 senkrecht zu der Längsachse A) des Ansatzes 106 und des Auslasskanals 107 aus (Figur 3). Alternativ können sich der Ansatz 106 und der Auslasskanal 107 auch jeweils in der Breite und in der Tiefe verjüngen. Ferner kann sich nur der Ansatz 106 in der Tiefe oder in der Breite verjüngen, während sich der Auslasskanal 107 sowohl in der Breite als auch in der Tiefe verjüngt, und umgekehrt. Die Form des Ansatzes 106 und des Auslasskanals 107 sind in den Figuren 1 und 2 nur beispielhaft gezeigt. Hier nimmt deren Breite stromabwärts jeweils linear ab, wobei die Begrenzungswände des Ansatzes 106 und des Auslasskanals 107 (jeweils in der Oszillationsebene betrachtet) einen Winkel E beziehungsweise (p einschließen. Andere Formen der Verjüngung sind möglich. Die Länge hoe des Einlasskanals des trichterförmigen Ansatzes 106 entspricht beispielsweise mindestens dem 1 ,5-fachen der Einlassbreite bioi , also gilt hoe s 1 ,5xb i. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Länge hoe des trichterförmigen Ansatzes 106 größer als das 7,5-fache der Breite bioi- Bei einem gegebenen und festen Wert der Breite b i gilt: je kleiner der Winkel £ ist, desto länger sollte der Einlasskanal 106 sein. Upstream of the inlet opening 101 of the flow chamber 100 is a funnel-shaped extension 106, which tapers towards the inlet opening 101 (downstream). In principle, an extension 106 is also possible that has a substantially constant cross-section or, in sections, an expanded cross-sectional area. This funnel-shaped extension can also be referred to as an inlet channel. The flow chamber 100 also tapers, specifically in the region of the outlet opening 102 downstream of the inner blocks 11a, 11b. The taper is formed by an outlet channel 107 and begins at the bypass channel inlet 104a1, 104b1. The extension 106 and the outlet channel 107 taper in such a way that only their width, i.e. their extent in the symmetry plane S1 perpendicular to the longitudinal axis A, decreases downstream. In this embodiment, the taper does not affect the depth (i.e. the extent in the symmetry plane S2 perpendicular to the longitudinal axis A) of the extension 106 and the outlet channel 107 (Figure 3). Alternatively, the Extension 106 and outlet channel 107 also taper in width and depth, respectively. Furthermore, only extension 106 can taper in depth or width, while outlet channel 107 tapers in both width and depth, and vice versa. The shape of extension 106 and outlet channel 107 are shown in Figures 1 and 2 only as examples. Here, their width decreases linearly downstream, with the boundary walls of the extension 106 and the outlet channel 107 (each viewed in the oscillation plane) enclosing an angle E and (p) respectively. Other forms of tapering are possible. The length hoe of the inlet channel of the funnel-shaped extension 106 corresponds, for example, to at least 1.5 times the inlet width bioi, so hoe ≤ 1.5xb i. According to a preferred embodiment, the length hoe of the funnel-shaped extension 106 is greater than 7.5 times the width bioi. For a given and fixed value of the width bi, the following applies: the smaller the angle £, the longer the inlet channel 106 should be.
Die Einlassöffnung 101 und die Auslassöffnung 102 weisen jeweils eine idealisierte rechteckige Querschnittsfläche auf. Diese weisen jeweils die gleiche Tiefe (Ausdehnung in der Symmetrieebene S2 senkrecht zur Längsachse A, Figur 3) auf, unterscheiden sich jedoch in ihrer Breite bioi, b 2 (Ausdehnung in der Symmetrieebene S1 senkrecht zur Längsachse A, Figur 2). Grundsätzlich können die Ecken der Querschnittsflächen abgerundet sein, und die gegenüberliegenden Flächen, die die Ein- beziehungsweise Auslassöffnung 101 , 102 begrenzen, müssen nicht parallel verlaufen. The inlet opening 101 and the outlet opening 102 each have an idealized rectangular cross-sectional area. These each have the same depth (extension in the plane of symmetry S2 perpendicular to the longitudinal axis A, Figure 3), but differ in their width b1i, b2 (extension in the plane of symmetry S1 perpendicular to the longitudinal axis A, Figure 2). In principle, the corners of the cross-sectional areas can be rounded, and the opposing surfaces that define the inlet and outlet openings 101 and 102, respectively, do not have to be parallel.
Die Auslassöffnung 102 der Strömungskammer 100 des fluidischen Bauteils 10 entspricht in den Figuren 1 und 2 der ersten Einlassöffnung 201 der ersten Mischungskammer 20. An der Auslassöffnung 102 beziehungsweise der ersten Einlassöffnung 201 (die in Form und Größe identisch sind) treffen der sich verjüngende Auslasskanal 107 des fluidischen Bauteils 10 und der später erläuterte, sich verbreiternde Einlasskanal 206 der ersten Mischungskammer 20 aufeinander, so dass in diesem Übergangsbereich eine Kante ausgebildet ist. Dieser Übergangsbereich kann vorzugsweise abgerundet sein. Die Rundung kann einen Radius 109 aufweisen, der kleiner ist als die minimale Breite von b i (Breite der Einlassöffnung 101 ) und bn (zugehörige Breite der kleinsten Querschnittsfläche An im Hauptstromkanal 103 zwischen den inneren Blöcken 11 a, 11 b, Figur 2). Ein Extremwert, wodurch ein scharfkantiger Auslass 102 entsteht, ist ein Radius von Null. Aufgrund der höheren mechanischen Stabilität ist ein Radius 109 zu bevorzugen. Die Breiten bioi , bn und b 2 sind annähernd gleich groß. Beispielsweise können sie ca. 0,3 mm betragen. Der Radius 109 an der Auslassöffnung 102 kann dann ca. 0,025 mm betragen. Stromabwärts der ersten Einlassöffnung 201 der ersten Mischungskammer 20 schließt sich ein Einlasskanal 206 an. Der Einlasskanal 206 weist eine stromabwärts sich vergrößernde Querschnittsfläche (quer zur ersten Fluidstromrichtung beziehungsweise zur Längsachse L der ersten Mischungskammer 20) auf. Dabei nimmt insbesondere die Breite (Ausdehnung in der Oszillationsebene und quer zur Längsachse L) des Einlasskanals 206 stromabwärts zu. Die Breite nimmt hier linear zu. Jedoch kann die Zunahme der Breite auch einem Polynom folgen. Die den Einlasskanal 206 begrenzenden Wände schließen in der Oszillationsebene betrachtet einen Winkel ö ein. Dieser Winkel ö kann unterschiedliche Maße aufweisen. Vorteilhaft ist ein Winkel ö, der in Abhängigkeit von dem Oszillationswinkel a gewählt wird. Dabei ist eine Abweichung vom Oszillationswinkel a von +40° und -10° möglich, also a - 10°< ö < a + 40°. Ein besonders bevorzugter Wert für den Winkel ö ist a - 5°< ö < a + 20°. Der Oszillationswinkel a entspricht hier dem natürlichen Oszillationswinkel des oszillierenden ersten Fluids Fi, der sich in Abwesenheit des Einlasskanals 206 und der ersten Mischungskammer 20 einstellen würde. In den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 ist der Winkel ö unterschiedlich. Die erste Einlassöffnung 201 ist also dort im Einlasskanal 206 definiert, wo dieser die kleinste Querschnittsfläche (quer zur ersten Fluidstromrichtung Ri) bzw. die kleinste Breite (parallel zur Oszillationsebene und quer zur ersten Fluidstromrichtung Ri) aufweist. The outlet opening 102 of the flow chamber 100 of the fluidic component 10 corresponds in Figures 1 and 2 to the first inlet opening 201 of the first mixing chamber 20. At the outlet opening 102 and the first inlet opening 201 (which are identical in shape and size), respectively, the tapered outlet channel 107 of the fluidic component 10 and the later-explained, widening inlet channel 206 of the first mixing chamber 20 meet, so that an edge is formed in this transition region. This transition region can preferably be rounded. The rounding can have a radius 109 that is smaller than the minimum width of bi (width of the inlet opening 101) and bn (corresponding width of the smallest cross-sectional area An in the main flow channel 103 between the inner blocks 11a, 11b, Figure 2). An extreme value, which results in a sharp-edged outlet 102, is a radius of zero. Due to its greater mechanical stability, a radius of 109 is preferable. The widths bioi, bn, and b2 are approximately equal. For example, they can be approximately 0.3 mm. The radius 109 at the outlet opening 102 can then be approximately 0.025 mm. Downstream of the first inlet opening 201 of the first mixing chamber 20 is an inlet channel 206. The inlet channel 206 has a cross-sectional area that increases downstream (transverse to the first fluid flow direction or to the longitudinal axis L of the first mixing chamber 20). In particular, the width (extension in the oscillation plane and transverse to the longitudinal axis L) of the inlet channel 206 increases downstream. The width increases linearly here. However, the increase in width can also follow a polynomial. The walls delimiting the inlet channel 206 enclose an angle θ when viewed in the oscillation plane. This angle θ can have different dimensions. An angle θ that is selected depending on the oscillation angle α is advantageous. A deviation from the oscillation angle α of +40° and -10° is possible, i.e. α - 10° < θ < α + 40°. A particularly preferred value for the angle θ is α - 5° < θ < α + 20°. The oscillation angle α here corresponds to the natural oscillation angle of the oscillating first fluid Fi, which would occur in the absence of the inlet channel 206 and the first mixing chamber 20. In the embodiments of Figures 1 and 2, the angle θ is different. The first inlet opening 201 is thus defined in the inlet channel 206 where it has the smallest cross-sectional area (transverse to the first fluid flow direction Ri) or the smallest width (parallel to the oscillation plane and transverse to the first fluid flow direction Ri).
Die Breite b2o der ersten Mischungskammer 20 ist durch zwei annähernd parallele und plane Flächen, die in einem Zwischenabschnitt der ersten Mischungskammer 20 als Begrenzungswände fungieren, definiert. Der Zwischenabschnitt ist entlang der ersten Fluidstromrichtung Ri zwischen dem Einlasskanal 206 und einem Auslasskanal 207 der ersten Mischungskammer 20 ausgebildet. Grundsätzlich können die Begrenzungswände auch anders (als eben und parallel) gestaltet sein. The width b2o of the first mixing chamber 20 is defined by two approximately parallel and flat surfaces that function as boundary walls in an intermediate section of the first mixing chamber 20. The intermediate section is formed along the first fluid flow direction Ri between the inlet channel 206 and an outlet channel 207 of the first mixing chamber 20. In principle, the boundary walls can also be designed differently (other than flat and parallel).
Am stromabwärtigen Ende des Zwischenabschnitts schließt sich der Auslasskanal 207 an. Dessen Querschnittsfläche (quer zur ersten Fluidstromrichtung beziehungsweise zur Längsachse L der Mischungskammer 20) nimmt stromabwärts entlang der Längsachse L ab. Dabei nimmt insbesondere die Breite (Ausdehnung in der Oszillationsebene und quer zur Längsachse L) des Auslasskanals 207 stromabwärts ab. Die Breite nimmt hier linear ab. Jedoch kann die Abnahme der Breite auch einem Polynom folgen. Die den Auslasskanal 207 begrenzenden Wände schließen in der Oszillationsebene betrachtet einen Winkel w ein. In den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 ist der Winkel w unterschiedlich groß. Das stromabwärtige Ende des Auslasskanals 207 wird durch die Auslassöffnung 203 gebildet. Die Auslassöffnung 203 ist also dort im Auslasskanal 207 definiert, wo dieser die kleinste Querschnittsfläche (quer zur Fluidgemischstromrichtung R12) bzw. die kleinste Breite (parallel zur Oszillationsebene und quer zur Fluidgemischstromrichtung R12) aufweist. Das intermediäre Fluidgemisch F12 aus dem ersten und dem zweiten Fluid Fi, F2 verlässt die erste Mischungskammer 20 durch deren Auslassöffnung 203. The outlet channel 207 adjoins the downstream end of the intermediate section. Its cross-sectional area (transverse to the first fluid flow direction or to the longitudinal axis L of the mixing chamber 20) decreases downstream along the longitudinal axis L. In particular, the width (extension in the oscillation plane and transverse to the longitudinal axis L) of the outlet channel 207 decreases downstream. The width decreases linearly here. However, the decrease in width can also follow a polynomial. The walls delimiting the outlet channel 207 enclose an angle w when viewed in the oscillation plane. In the embodiments of Figures 1 and 2, the angle w is different. The downstream end of the outlet channel 207 is formed by the outlet opening 203. The outlet opening 203 is thus defined in the outlet channel 207 where it has the smallest cross-sectional area (transverse to the fluid mixture flow direction R12) or the smallest width (parallel to the oscillation plane and transverse to the fluid mixture flow direction R12). The intermediate fluid mixture F12 consisting of the first and second fluids F1, F2 leaves the first mixing chamber 20 through its outlet opening 203.
Geht die erste Mischungskammer 20 ohne Querschnittsänderung in den ersten Interaktionskanal 30 über, so ist die Länge I20 der ersten Mischungskammer 20 in Abhängigkeit von dem 20-fachen des Durchmessers D202 der zweiten Einlassöffnung 202 der ersten Mischungskammer 20 definiert. Es gilt also: I20 ~ 20XD202. If the first mixing chamber 20 merges into the first interaction channel 30 without a change in cross-section, the length I20 of the first mixing chamber 20 is defined as a function of 20 times the diameter D202 of the second inlet opening 202 of the first mixing chamber 20. Therefore, I20 ~ 20XD202 applies.
Die Auslassöffnung 203 hat eine Querschnittsfläche A203, die beispielsweise rechteckig ist und daher eine Breite b203 und eine Höhe h2os aufweist. Grundsätzlich ist auch eine nicht rechteckförmige Querschnittsfläche der Auslassöffnung 203 möglich. Die Querschnittsfläche A203 ist größer als die kleinste Querschnittsfläche des fluidischen Bauteils 10 (A101, An oder A102). Die Querschnittfläche A203 ist gleich groß oder größer als die Summe der Querschnittsfläche A202 der zweiten Einlassöffnung 202 der ersten Mischungskammer 20 und der kleinsten Querschnittsfläche des fluidischen Bauteils 10 (A101 , An oder A102). The outlet opening 203 has a cross-sectional area A203, which is, for example, rectangular and therefore has a width b203 and a height h2os . In principle, a non-rectangular cross-sectional area of the outlet opening 203 is also possible. The cross-sectional area A203 is larger than the smallest cross-sectional area of the fluidic component 10 (A101, An, or A102). The cross-sectional area A203 is equal to or larger than the sum of the cross-sectional area A202 of the second inlet opening 202 of the first mixing chamber 20 and the smallest cross-sectional area of the fluidic component 10 (A101, An, or A102).
Der Auslasskanal 207 hat den strömungsmechanischen Effekt, dass die Wirbel, welche durch das fuldische Bauteil 10 erzeugt wurden, auf einen kleineren Querschnitt kontrahiert werden. Da die in einem Wirbel vorhandene Zirkulation gemäß den Helmholtzschen Wirbelsätzen erhalten bleiben muss, führt die Kontraktion der Wirbel zu einer Zunahme der Wirbelgeschwindigkeit und damit zu einer Zunahme der Quergeschwindigkeiten im Fluid. Die höheren Geschwindigkeiten führen zu einer schnelleren Durchmischung der Fluide und auch zu einem schnelleren Zerfall der Wirbel was wiederrum zu einer besseren Durchmischung auf den kleineren Skalen führt. Dieser Wirbelzerfall bestimmt im Wesentlichen die Länge I30 des ersten Interaktionskanals 30, der sich an die erste Strömungskammer 20 anschließt. Der Auslasskanal 207 der ersten Mischungskammer 20 trägt damit wesentlich zu einer schnellen Durchmischung der Fluide Fi, F2 bei. Um diesen Effekt zu nutzen, muss das Verhältnis der maximalen Querschnittsfläche A20 der ersten Mischungskammer 20 (wobei A20 = b2o x h2o, vgl. Figuren 2 und 3) zu der Querschnittsfläche A203 der Auslassöffnung 203 (wobei A203 = b203 x h203, vgl. Figuren 2 und 3) so gewählt sein, dass gilt 2 < A20/ A203 < 100, vorzugsweise 2 < A20/ A203 < 50 und besonders bevorzugt 3 < A20/ A203 < 20. In einer nicht dargestellten Ausführungsform können auch mehrere Auslassöffnungen 203 vorgesehen sein, die in parallel geschaltete Interaktionskanäle 30 münden und anschließend in parallel geschaltete zweite Mischungskammern. Dabei ist die Summe der Querschnittsflächen A203 der einzelnen Auslassöffnungen 203 größer als die kleinste Querschnittsfläche des fluidischen Bauteils 10 (A101, An oder A102). The outlet channel 207 has the fluidic effect of contracting the vortices generated by the Fulda component 10 to a smaller cross-section. Since the circulation present in a vortex must be maintained according to Helmholtz's vortex laws, the contraction of the vortices leads to an increase in the vortex velocity and thus to an increase in the transverse velocities in the fluid. The higher velocities lead to faster mixing of the fluids and also to faster decay of the vortices, which in turn leads to better mixing on the smaller scales. This vortex decay essentially determines the length I30 of the first interaction channel 30, which adjoins the first flow chamber 20. The outlet channel 207 of the first mixing chamber 20 thus contributes significantly to the rapid mixing of the fluids F1, F2. In order to utilize this effect, the ratio of the maximum cross-sectional area A20 of the first mixing chamber 20 (where A20 = b20 x h20, see Figures 2 and 3) to the cross-sectional area A203 of the outlet opening 203 (where A203 = b203 xh 2 03, see Figures 2 and 3) must be selected such that 2 < A20/A203 < 100, preferably 2 < A20/A203 < 50 and particularly preferably 3 < A20/A203 < 20. In an embodiment not shown, several outlet openings 203 can also be provided, which open into parallel-connected interaction channels 30 and then into parallel-connected second mixing chambers. The sum of the cross-sectional areas A203 of the individual outlet openings 203 is greater than the smallest cross-sectional area of the fluidic component 10 (A101, A102, or A103).
Die zweite Einlassöffnung 202 ist im Einlasskanal 206 ausgebildet. Alternativ kann die zweite Einlassöffnung 202 im Auslasskanal 207 ausgebildet sein. Denkbar ist, dass mehr als eine zweite Einlassöffnung (zur Einleitung des zweiten Fluids F2 oder anderer Fluide) vorgesehen ist. Vorzugsweise befindet sich dabei mindestens eine der zweiten Einlassöffnungen 202 im Einlasskanal 206. The second inlet opening 202 is formed in the inlet channel 206. Alternatively, the second inlet opening 202 can be formed in the outlet channel 207. It is conceivable that more than one second inlet opening (for introducing the second fluid F2 or other fluids) is provided. Preferably, at least one of the second inlet openings 202 is located in the inlet channel 206.
In den Figuren 1 und 2 ist die zweite Einlassöffnung 20 kreisförmig, jedoch ist auch eine nicht kreisförmige Form der zweiten Einlassöffnung 202 möglich. Die Querschnittsfläche der zweiten Einlassöffnung 202 ist annähernd gleich groß wie die Querschnittsfläche der ersten Einlassöffnung 201 . In Figures 1 and 2, the second inlet opening 20 is circular, but a non-circular shape of the second inlet opening 202 is also possible. The cross-sectional area of the second inlet opening 202 is approximately the same size as the cross-sectional area of the first inlet opening 201.
Der Abstand der zweiten Einlassöffnung 202 von der ersten Einlassöffnung 201 entlang der ersten Fluidstromrichtung Ri ist in Figur 2 mit I202 dargestellt. Es ist vorteilhaft, wenn die Länge I202 mindestens der Breite b2oi der ersten Einlassöffnung 201 (bzw. Auslassöffnung 102) entspricht, das heißt I202 s b2oi gilt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Länge I202 mindestens der Summe aus der Breite b2oi und der Breite 0202 der ersten und zweiten Einlassöffnung 201 , 202 oder mindestens dem Zweifachen der Breite von b2oi entspricht, das heißt I202 s (baoi + b202) oder I202 s 2 x b2oi gilt. The distance of the second inlet opening 202 from the first inlet opening 201 along the first fluid flow direction Ri is shown in Figure 2 as I202. It is advantageous if the length I202 corresponds at least to the width b2oi of the first inlet opening 201 (or outlet opening 102), i.e., I202 s b2oi. It is particularly advantageous if the length I202 corresponds at least to the sum of the width b2oi and the width b2oi of the first and second inlet openings 201, 202 or at least twice the width of b2oi, i.e., I202 s (b2oi + b202) or I202 s 2 x b2oi.
Figur 3 zeigt eine Schnittdarstellung der Vorrichtung 1 aus Figur 2 entlang der Linie A'-A" (senkrecht zur Schnittebene in Figur 2). Demnach haben in dieser Ausführungsform das fluidische Bauteil 10, die erste Mischungskammer 20 und zumindest das stromaufwärtige Ende des ersten Interaktionskanals 30 eine konstante Höhe h. Die Höhe (auch Tiefe genannt) ist die Ausdehnung quer zur Oszillationsebene des ersten Fluids Fi . In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die Höhe h nicht konstant sein. Insbesondere im Bereich der Einlasskanäle 106 und 206 sowie der Auslasskanäle 107 und 207 kann die Höhe h von der Höhe in der restlichen Vorrichtung abweichen. Figure 3 shows a sectional view of the device 1 from Figure 2 along the line A'-A" (perpendicular to the sectional plane in Figure 2). Accordingly, in this embodiment, the fluidic component 10, the first mixing chamber 20 and at least the upstream end of the first interaction channel 30 have a constant height h. The height (also called depth) is the extent transverse to the oscillation plane of the first fluid Fi . In an embodiment not shown, the height h may not be constant. In particular, in the region of the inlet channels 106 and 206 and the outlet channels 107 and 207, the height h may deviate from the height in the rest of the device.
Figur 3 zeigt, dass die zweite Zufuhrvorrichtung 70 in die zweite Einlassöffnung 202 der ersten Mischungskammer 20 mündet. Die zweite Zufuhrvorrichtung 70, die zum Einleiten des zweiten Fluids F2 in die erste Mischungskammer 20 vorgesehen ist, umfasst einen Zufuhrkanal 701 , der sich entlang einer Längsachse erstreckt und für das zweite Fluid F2 die Fluidstromrichtung R2 vorgibt (Figur 3). Der Zufuhrkanal 701 ist über die zweite Einlassöffnung 202 der ersten Mischungskammer 20 mit der ersten Mischungskammer 20 verbunden. Der Zufuhrkanal 701 steht (in der Symmetrieebene S2 beziehungsweise einer Ebene, die senkrecht zu der Oszillationsebene und entlang der Längsachse L verläuft, betrachtet) in einem Winkel ß zur Oszillationsebene des fluidischen Bauteils 10 beziehungsweise der Symmetrieebenen S1. In dieser Ausführungsform ist der Winkel ß = 90°. Grundsätzlich kann der Winkel einen anderen Wert annehmen. Mit dem Winkel ß wird die Mischungsqualität und/oder die Mischungsweglänge beziehungsweise die Mischungszeit beeinflusst. Figure 3 shows that the second feed device 70 opens into the second inlet opening 202 of the first mixing chamber 20. The second feed device 70, which is used to introduce of the second fluid F2 into the first mixing chamber 20, comprises a supply channel 701 which extends along a longitudinal axis and predetermines the fluid flow direction R 2 for the second fluid F 2 (Figure 3). The supply channel 701 is connected to the first mixing chamber 20 via the second inlet opening 202 of the first mixing chamber 20. The supply channel 701 is (as viewed in the plane of symmetry S2 or a plane which runs perpendicular to the oscillation plane and along the longitudinal axis L) at an angle ß to the oscillation plane of the fluidic component 10 or the plane of symmetry S1. In this embodiment, the angle ß = 90°. In principle, the angle can assume a different value. The angle ß influences the mixing quality and/or the mixing path length or the mixing time.
Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung der Vorrichtung 1 aus Figur 2 entlang der Linie B'-B". In dieser Schnittdarstellung ist Querschnittsfläche des Hauptstromkanals 103 und der Nebenstromkanäle 104a, 104b des fluidischen Bauteils 10 zu erkennen. In dieser Ausführungsform sind die Höhen hios, hi04a, hi04b der Kanäle 103, 104a, 104b gleich groß. Jedoch können sie prinzipiell auch voneinander abweichen können. In Figur 4 sind die Querschnittsflächen der Haupt- und Nebenstromkanäle 103, 104a, 104b vereinfacht scharfkantig dargestellt. Jedoch können die Ecken mit Radien versehen, also abgerundet, sein. Figure 4 shows a sectional view of the device 1 from Figure 2 along the line B'-B". In this sectional view, the cross-sectional area of the main flow channel 103 and the secondary flow channels 104a, 104b of the fluidic component 10 can be seen. In this embodiment, the heights hios, hi 0 4a, hi 0 4b of the channels 103, 104a, 104b are the same. However, they can in principle also differ from one another. In Figure 4, the cross-sectional areas of the main and secondary flow channels 103, 104a, 104b are shown in a simplified manner with sharp edges. However, the corners can be provided with radii, i.e., rounded.
Die Figur 5 zeigt eine Schnittdarstellung der Vorrichtung 1 aus Figur 2 entlang der Linie O- C". In dieser Schnittdarstellung ist ein Querschnitt durch den Einlasskanal 206 der ersten Mischungskammer 20 zu erkennen. Wieder werden vereinfacht die Ecken nicht mit Radien dargestellt, obwohl diese vorhanden sein können. Der Abstand der seitlichen Begrenzungswände des Einlasskanals 206 (parallel zur Oszillationsebene und quer zur Längsachse L) ist über die gesamte Höhe h206 konstant. Dieser Abstand kann sich jedoch auch entlang der Höhe h206 ändern. Figure 5 shows a sectional view of the device 1 from Figure 2 along the line O-C". In this sectional view, a cross-section through the inlet channel 206 of the first mixing chamber 20 can be seen. Again, for simplicity, the corners are not shown with radii, although these may be present. The distance between the lateral boundary walls of the inlet channel 206 (parallel to the oscillation plane and transverse to the longitudinal axis L) is constant over the entire height h 20 6 . However, this distance can also change along the height h 20 6 .
In Figur 5 ist auch erkennbar, dass die zweite Einlassöffnung 202 der ersten Mischungskammer 20 in deren Einlasskanal 206 ausgebildet ist. In einer Ebene quer zur Längsachse L betrachtet schließt der Zufuhrkanal 701 einen Winkel q mit der Oszillationsebene ein. In der dargestellten Ausführungsform beträgt der Winkel q = 90°. Grundsätzlich kann der Winkel einen anderen Wert annehmen, z.B. zwischen 30° und 150° liegen. Es wird ein Winkel q von 90° bevorzugt. Die Durchmischung des ersten und zweiten Fluids Fi, F2 in der ersten Mischungskammer 20 ist dadurch geprägt, dass durch das fluidische Bauteil 10 starke Geschwindigkeitsschwankungen quer zur Hauptstromrichtung der ersten Fluidstromrichtung Ri (also wesentlich in Y-Richtung (Figur 1 )) erzeugt werden, welche durch chaotische Advektion zu einer schnellen Durchmischung der beiden Fluidströme führen. Figure 5 also shows that the second inlet opening 202 of the first mixing chamber 20 is formed in its inlet channel 206. Viewed in a plane transverse to the longitudinal axis L, the supply channel 701 forms an angle q with the oscillation plane. In the illustrated embodiment, the angle q = 90°. In principle, the angle can assume a different value, e.g., between 30° and 150°. An angle q of 90° is preferred. The mixing of the first and second fluids Fi, F2 in the first mixing chamber 20 is characterized by the fact that the fluidic component 10 generates strong velocity fluctuations transverse to the main flow direction of the first fluid flow direction Ri (i.e. essentially in the Y direction (Figure 1 )), which lead to a rapid mixing of the two fluid flows by chaotic advection.
Weiterhin entstehen durch das fluidische Bauteil 10 großskalige Wirbel, welche durch fluidmechanische Prozesse sukzessive zu kleineren Wirbeln zerfallen und final durch viskose Prozesse dissipiert werden. Diese Kaskade von Wirbeln führt neben der Dissipation der Wirbel zu einer Durchmischung der Fluide Fi, F2 auf immer kleineren Skalen. Diese Durchmischung findet zum (größten) Teil in der ersten Mischungskammer 20 statt. Furthermore, the fluidic component 10 creates large-scale vortices, which successively break down into smaller vortices through fluid-mechanical processes and are finally dissipated by viscous processes. This cascade of vortices, in addition to the dissipation of the vortices, leads to a mixing of the fluids F1 and F2 on increasingly smaller scales. This mixing takes place (mostly) in the first mixing chamber 20.
An die Auslassöffnung 203 der ersten Mischungskammer 20 schließt sich der erste Interaktionskanal 30 an. In dem ersten Interaktionskanal 30 wird die Durchmischung kontinuierlich fortgesetzt bis nach einer charakteristischen Mischzeit tmix eine hinreichend homogene Mischung der beiden Fluide Fi, F2 vorliegt. Diese Mischzeit tmix kann im Bereich von 0,1 ms bis 1000 ms (0,1 ms bis 1 ms , 1 ms bis 1000 ms) liegen. Typischerweise liegt die Mischzeit tmix zwischen 0,1 ms bis 500 ms (1 ms bis 500 ms) und insbesondere zwischen 0,1 ms und 100 ms (1 ms bis 100 ms). Die Durchmischung soll im ersten Interaktionskanal 30 abgeschlossen werden. Zu diesem Zweck können die Länge I20 der ersten Mischungskammer 20 und die Länge I30 des ersten Interaktionskanals 30 so groß gewählt werden, dass ein mit der mittleren Geschwindigkeit transportierter Partikel innerhalb der Mischzeit tmix die erste Mischungskammer 20 und den ersten Interaktionskanal 30 vollständig passieren kann. The first interaction channel 30 is connected to the outlet opening 203 of the first mixing chamber 20. In the first interaction channel 30, mixing continues continuously until, after a characteristic mixing time tmix, a sufficiently homogeneous mixture of the two fluids F1, F2 is obtained. This mixing time tmix can be in the range from 0.1 ms to 1000 ms (0.1 ms to 1 ms, 1 ms to 1000 ms). Typically, the mixing time tmix is between 0.1 ms and 500 ms (1 ms to 500 ms) and in particular between 0.1 ms and 100 ms (1 ms to 100 ms). Mixing should be completed in the first interaction channel 30. For this purpose, the length I20 of the first mixing chamber 20 and the length I30 of the first interaction channel 30 can be selected to be so large that a particle transported at the average speed can completely pass through the first mixing chamber 20 and the first interaction channel 30 within the mixing time tmix.
In Figur 1 weist der erste Interaktionskanal 30 ausgehend von seiner Einlassöffnung 301 zunächst einen Abschnitt mit konstanter Querschnittsfläche auf. Stromabwärts schließt sich ein Abschnitt an, in dem die Querschnittsfläche stromabwärts zunimmt. Dieser Abschnitt ist symmetrisch bezüglich der Fluidgemischstromrichtung R12. Darauf folgt stromabwärts ein weiterer Abschnitt mit konstanter Querschnittsfläche, der wiederum von einem Abschnitt gefolgt ist, in dem die Querschnittsfläche stromabwärts zunimmt. Dieser Abschnitt ist asymmetrisch bezüglich der Fluidgemischstromrichtung R12. In Figure 1, the first interaction channel 30, starting from its inlet opening 301, initially has a section with a constant cross-sectional area. Downstream is a section in which the cross-sectional area increases downstream. This section is symmetrical with respect to the fluid mixture flow direction R12. This is followed downstream by another section with a constant cross-sectional area, which in turn is followed by a section in which the cross-sectional area increases downstream. This section is asymmetrical with respect to the fluid mixture flow direction R12.
Der erste Interaktionskanal 30 kann sich ein- oder mehrmals aufweiten (Zunahme der Querschnittsfläche, insbesondere Zunahme der Breite quer zur Fluidgemischstromrichtung Ri2 und parallel zur Oszillationsebene). Möglich ist auch, dass sich der erste Interaktionskanal 30 ein- oder mehrmals verjüngt (Abnahme der Querschnittsfläche, insbesondere Zunahme der Breite quer zur Fluidgemischstromrichtung R12 und parallel zur Oszillationsebene). Durch eine derartige Änderung der Querschnittsfläche A30 des ersten Interaktionskanals 30 entlang der Fluidgemischstromrichtung R12 und kann bei kleinen Reynoldszahlen (<10) eine Verbesserung der Durchmischung von pulsierenden Strömungen erreicht werden und bei wesentlich höheren Reynoldszahlen (<100) Pulsationen der Durchmischung, die durch das fluidische Bauteil 10 entstehen, reduziert werden. Die Querschnittsveränderungen bewegen sich in einem Rahmen, dass keine Ablösungen (sogenannte Totwassergebiete) auftreten, welche zu unbestimmten Aufenthaltszeiten des intermediären Fluidgemisches in dem ersten Interaktionskanal 30 führen können. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Winkel A30 kleiner als 10° ist. Dieser Winkel wird zwischen der Mittellinie des Interaktionskanals 30 und der begrenzenden Wand des Interaktionskanals 30 in einem sich (in Fluidgemischstromrichtung R12 betrachtet) aufweitenden Abschnitt definiert. Weitet sich der erste Interaktionskanal 30 (in Fluidgemischstromrichtung R12 betrachtet) mehrmals auf, so gibt es mehrere Winkel A30, in Figur 1 beispielsweise die stromaufwärtigen Winkel A3oia und A3oib und der stromabwärtige Winkel A3OÜ. Vorzugsweise ist der Winkel A30 kleiner als 8°. Vorteilhaft liegt der Winkel A30 zwischen 2° und 6°. In der dargestellten Ausführungsvariante wird in dem Interaktionskanal 30 eine stromaufwärtige symmetrische Aufweitung realisiert, in der die Winkel A3oia und A3oib gleich groß sind. The first interaction channel 30 can widen one or more times (increase in the cross-sectional area, in particular increase in the width transverse to the fluid mixture flow direction Ri2 and parallel to the oscillation plane). It is also possible for the first interaction channel 30 to taper one or more times (decrease in cross-sectional area, in particular increase in width transverse to the fluid mixture flow direction R12 and parallel to the oscillation plane). By changing the cross-sectional area A30 of the first interaction channel 30 along the fluid mixture flow direction R12 in this way, an improvement in the mixing of pulsating flows can be achieved at low Reynolds numbers (<10), and at significantly higher Reynolds numbers (<100), pulsations in the mixing caused by the fluidic component 10 can be reduced. The cross-sectional changes are within a range that prevents separation (so-called dead water areas), which could lead to indefinite residence times of the intermediate fluid mixture in the first interaction channel 30. This is achieved by ensuring that the angle A30 is less than 10°. This angle is defined between the center line of the interaction channel 30 and the bounding wall of the interaction channel 30 in a widening section (viewed in the fluid mixture flow direction R12). If the first interaction channel 30 widens several times (viewed in the fluid mixture flow direction R12), there are multiple angles A30, for example, the upstream angles A30 and A30ib and the downstream angle A30OÜ in Figure 1. Preferably, the angle A30 is less than 8°. Advantageously, the angle A30 is between 2° and 6°. In the illustrated embodiment, an upstream symmetrical widening is realized in the interaction channel 30, in which the angles A30 and A30ib are equal.
In Figur 1 ist der Interaktionskanal 30 geradlinig (sich entlang der Fluidgemischstromrichtung R12 erstreckend) ausgeführt. Grundsätzlich kann dieser auch nicht geradlinig sein und beispielsweise mindestens einen mäanderförmigen Abschnitt aufweisen, wie in Figur 6 exemplarisch dargestellt ist. Abhängig von den zu mischenden Fluiden Fi, F2 kann durch solche Mäander die Aufenthaltszeit in dem Interaktionskanal 30 verlängert und damit eine Sekundärvermischung ermöglicht werden. Dies ist vorteilhaft für bestimmte intermediäre Fluidgemische F12 bestehend aus den Fluiden Fi, F2, die eine gewisse Reifezeit erfordern und damit eine längere Mischzeit tmix haben. In Figure 1, the interaction channel 30 is designed to be rectilinear (extending along the fluid mixture flow direction R12). In principle, it can also be non-reciprocal and, for example, have at least one meandering section, as shown by way of example in Figure 6. Depending on the fluids Fi, F2 to be mixed, such meanders can extend the residence time in the interaction channel 30 and thus enable secondary mixing. This is advantageous for certain intermediate fluid mixtures F12 consisting of the fluids Fi, F2, which require a certain maturation time and thus have a longer mixing time tmix.
Um das Wachstum der Partikel nach der Mischzeit tmix zu beenden und die Partikel weiter zu stabilisieren wird das intermediäre Fluidgemisch F12 (mit den Partikeln) in der zweiten Mischungskammer 40 mit dem dritten Fluid F3 zusammengeführt. Dazu tritt das intermediäre Fluidgemisch F12 aus dem ersten Interaktionskanal 30 über die erste Einlassöffnung 401 in die zweite Mischungskammer 40 und das dritte Fluid F3 über die zweite Einlassöffnung 402. Das dritte Fluid F3 strömt aus einem Zufuhrkanal 801 der dritten Zufuhrvorrichtung 80. Beim Vermischen des intermediären Fluidgemischs F12 und des dritten Fluids F3 in der zweiten Mischungskammer 40 werden die Partikel möglichst geringem mechanischem Stress ausgesetzt, um eine Schädigung der Partikel, sowie ein Verschmelzen und Verkleben (Agglomeration und Aggregation) von Partikeln zu vermeiden. Zu diesem Zweck sind Betrag und Richtung der des intermediären Fluidgemischs F12 und des dritten Fluids F3 sehr ähnlich. In order to stop the growth of the particles after the mixing time tmix and to further stabilize the particles, the intermediate fluid mixture F12 (with the particles) is combined with the third fluid F3 in the second mixing chamber 40. For this purpose, the intermediate fluid mixture F12 enters the second mixing chamber 40 from the first interaction channel 30 via the first inlet opening 401 and the third fluid F3 via the second inlet opening 402. The third fluid F3 flows from a supply channel 801 of the third Feed device 80. When mixing the intermediate fluid mixture F12 and the third fluid F3 in the second mixing chamber 40, the particles are exposed to as little mechanical stress as possible to prevent damage to the particles, as well as fusion and sticking (agglomeration and aggregation) of the particles. For this purpose, the magnitude and direction of the stress are very similar to those of the intermediate fluid mixture F12 and the third fluid F3.
Das anspruchsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines Fluidgemischs kann erforderlich machen, dass das intermediäre Fluidgemisch F12 an der Auslassöffnung 302 des ersten Interaktionskanals 30 eine mittlere Geschwindigkeit U302 aufweist, das dritte Fluid F3 an der zweiten Einlassöffnung 402 der zweiten Mischungskammer 40 eine mittlere Geschwindigkeit U402 und das Fluidgemisch F123 an der Auslassöffnung 403 der zweiten Mischungskammer 40 eine mittlere Geschwindigkeit U403, wobei für das Verhältnis der Geschwindigkeiten gilt 0,8 < U402/U302 < 1 ,2 und 0,8 < U403/U302 < 1 ,2. Das gewünschte Geschwindigkeitsverhältnis kann durch die Größe der Querschnittsflächen der Auslassöffnungen 302, 403 und der zweiten Einlassöffnung 402 unter Berücksichtigung der Volumenströme des intermediären Fluidgemisches F12 und des dritten Fluids F3 eingestellt werden. Ist der Volumenstrom des intermediären Fluidgemischs F12 doppelt so groß wie der Volumenstrom des dritten Fluids F3, so ist die Querschnittsfläche der Auslassöffnung 302 doppelt so groß zu wählen wie die Querschnittsfläche der zweiten Einlassöffnung 402 (A3o2=2A4o2) und die Querschnittsfläche der Auslassöffnung 403 dreimal so groß wie die Querschnittsfläche der zweiten Einlassöffnung 402 (A4o3=3A4o2). Bei gleicher Höhe der Auslassöffnungen 302, 403 und der zweiten Einlassöffnung 402 überträgt sich das Verhältnis der Querschnittsflächen auf die entsprechenden Breiten. The claimed method for generating a fluid mixture may require that the intermediate fluid mixture F12 has an average velocity U302 at the outlet opening 302 of the first interaction channel 30, the third fluid F3 has an average velocity U402 at the second inlet opening 402 of the second mixing chamber 40, and the fluid mixture F123 has an average velocity U403 at the outlet opening 403 of the second mixing chamber 40, wherein the ratio of the velocities is 0.8 < U402/U302 < 1.2 and 0.8 < U403/U302 < 1.2. The desired velocity ratio can be adjusted by the size of the cross-sectional areas of the outlet openings 302, 403 and the second inlet opening 402, taking into account the volume flows of the intermediate fluid mixture F12 and the third fluid F3. If the volume flow of the intermediate fluid mixture F12 is twice the volume flow of the third fluid F3 , the cross-sectional area of the outlet opening 302 must be selected to be twice the cross-sectional area of the second inlet opening 402 ( A3 o2 = 2A4 o2), and the cross-sectional area of the outlet opening 403 must be three times the cross-sectional area of the second inlet opening 402 ( A4 o3 = 3A4 o2). If the outlet openings 302, 403 and the second inlet opening 402 have the same height, the ratio of the cross-sectional areas is transferred to the corresponding widths.
Zusammengefasst entspricht die Querschnittsfläche der Auslassöffnung A403 der zweiten Mischungskammer 40 ungefähr der Summe der Querschnittsfläche der Auslassöffnung A302 (der ersten Einlassöffnung A401) und der Querschnittsfläche der zweiten Einlassöffnung A402. Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich die Richtung R3 des dritten Fluids F3 und die Richtung R12 des intermediären Fluidgemischs F12 innerhalb der Oszillationsebene bzw. parallel zur Oszillationsebene befinden. In summary, the cross-sectional area of the outlet opening A403 of the second mixing chamber 40 approximately corresponds to the sum of the cross-sectional area of the outlet opening A302 (the first inlet opening A401) and the cross-sectional area of the second inlet opening A402. This is particularly the case when the direction R3 of the third fluid F3 and the direction R12 of the intermediate fluid mixture F12 are within the oscillation plane or parallel to the oscillation plane.
Der Übergang von dem ersten Interaktionskanal 30 zur zweiten Mischungskammer 40 (also die Position der Auslassöffnung 302 des ersten Interaktionskanals30 und der ersten Einlassöffnung 401 der zweiten Mischungskammer 40) ist durch eine sprunghafte Vergrößerung der Querschnittsfläche (quer zur Fluidgemischstromrichtung R12) gekennzeichnet. Im Bereich dieser sprunghaften Querschnittsvergrößerung mündet ein Zufuhrkanal 801 der dritten Zufuhrvorrichtung 80 in die zweite Mischungskammer 40. Der Zufuhrkanal 801 erstreckt sich (geradlinig) entlang der dritten Fluidstromrichtung R3. Dabei schließen die dritte Fluidstromrichtung R3 und die Fluidgemischstromrichtung R12 einen Winkel £ ein, der kleiner oder gleich 90° ist, vorzugsweise kleiner als 45° ist, besonders bevorzugt zwischen 5° und 40° liegt. The transition from the first interaction channel 30 to the second mixing chamber 40 (i.e., the position of the outlet opening 302 of the first interaction channel 30 and the first inlet opening 401 of the second mixing chamber 40) is characterized by a sudden increase in the cross-sectional area (transverse to the fluid mixture flow direction R12). In the area of this sudden increase in cross-section, a Feed channel 801 of the third feed device 80 into the second mixing chamber 40. The feed channel 801 extends (rectilinearly) along the third fluid flow direction R 3 . The third fluid flow direction R 3 and the fluid mixture flow direction R 12 enclose an angle £ that is less than or equal to 90°, preferably less than 45°, particularly preferably between 5° and 40°.
Das erzeugte Fluidgemisch FI23 strömt aus der Auslassöffnung 403 der zweiten Mischungskammer 40 in den zweiten Interaktionskanal 50 und verlässt die Vorrichtung 1 durch die Auslassöffnung 502 des zweiten Interaktionskanals 50. The generated fluid mixture FI 23 flows from the outlet opening 403 of the second mixing chamber 40 into the second interaction channel 50 and leaves the device 1 through the outlet opening 502 of the second interaction channel 50.
Figur 6 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Diese unterscheidet sich von den Ausführungsformen der Figuren 1 bis 5 insbesondere in der Form des ersten Interaktionskanals 30. So weist der erste Interaktionskanal 30 einen mäanderförmigen Abschnitt mit (hier beispielhaft) einer 180°-Umlenkung 303 und zwei 90°- Umlenkungen 304 auf. Der mäanderförmige Abschnitt verlängert den ersten Interaktionskanal 30, so dass die Verweilzeit des intermediären Fluidgemischs F12 in dem ersten Interaktionskanal 30 (gegenüber der Ausführungsform der Figur 1 ) verlängert wird. Figure 6 shows a device 1 according to a further embodiment. This differs from the embodiments of Figures 1 to 5 particularly in the shape of the first interaction channel 30. Thus, the first interaction channel 30 has a meandering section with (here, by way of example) a 180° deflection 303 and two 90° deflections 304. The meandering section extends the first interaction channel 30, so that the residence time of the intermediate fluid mixture F12 in the first interaction channel 30 is extended (compared to the embodiment of Figure 1).
Der Interaktionskanal 30 weist in dieser Ausführungsvariante in den Umlenkungen 303, 304 eine konstante Kanalbreite b3oo auf. In this embodiment, the interaction channel 30 has a constant channel width b 3 oo in the deflections 303, 304.
An den mäanderförmigen Abschnitt schließt sich unmittelbar stromabwärts der letzten Umlenkung 304 ein geradlinig geformter Abschnitt 305 an. Der geradlinig geformte Abschnitt 305 weist eine Länge l3os auf, die mindestens drei mal so groß ist wie die Kanalbreite b3oo (I305 3 x b3oo), vorzugsweise mindestens fünf mal so groß wie die Kanalbreite b3oo (I305 5 x b3oo). Der geradlinig geformte Abschnitt 305 dient der Vergleichmäßigung des Geschwindigkeitsprofils des intermediären Fluidgemischs F12. Immediately downstream of the last deflection 304, the meandering section is followed by a straight-line section 305. The straight-line section 305 has a length l 3 os that is at least three times the channel width b 3 oo (l 3 0 5 x b 3 oo), preferably at least five times the channel width b 3 oo (l 3 0 5 x b 3 oo). The straight-line section 305 serves to even out the velocity profile of the intermediate fluid mixture F12.
Stromabwärts des geradlinig geformten Abschnitts 305 schließt sich ein asymmetrischer Abschnitt 307 an. Der asymmetrische Abschnitt 307 trägt dem asymmetrischen Strömungsgeschwindigkeitsprofil des intermediären Fluidgemischs F12 Rechnung. Durch den asymmetrischen Abschnitt 307 kann verhindert werden, dass sich Rezirkulationsgebiete bilden. Diese Aufweitung wird durch den Winkel A3o erreicht. Downstream of the straight-line section 305 is an asymmetric section 307. The asymmetric section 307 accommodates the asymmetric flow velocity profile of the intermediate fluid mixture F12. The asymmetric section 307 prevents the formation of recirculation regions. This widening is achieved by the angle A 3 o.
Unmittelbar stromabwärts des asymmetrischen Abschnitts 307 ist ein weiterer geradlinig geformter Abschnitt 308 angeordnet. Die Länge l3os dieses Abschnitts richtet sich nach der gewünschten Mischzeit tmix der zu mischenden Fluide Fi, F2, um Partikel mit gewünschter Größe und Form zu erzeugen. Zur Erzeugung von Lipidnanopartikeln werden Mischzeiten um die 10 ms benötigt. Immediately downstream of the asymmetric section 307, another straight-shaped section 308 is arranged. The length l 3 os of this section depends on the desired mixing time tmix of the fluids Fi, F 2 to be mixed in order to produce particles with the desired Size and shape. Mixing times of around 10 ms are required to produce lipid nanoparticles.
In dieser Ausführungsvariante ist die Querschnittsfläche A201 der ersten Einlassöffnung 201 der ersten Mischungskammer 20 ca. 25 % größer als die Querschnittfläche A202 der zweiten Einlassöffnung 202 der ersten Mischungskammer 20. In this embodiment, the cross-sectional area A201 of the first inlet opening 201 of the first mixing chamber 20 is approximately 25% larger than the cross-sectional area A202 of the second inlet opening 202 of the first mixing chamber 20.
Denkbar ist auch eine Ausführungsform, die sich von jener aus Figur 6 darin unterscheidet, dass der erste Interaktionskanal 30 nicht die Umlenkungen 303 und 304 umfasst, sondern lediglich den geradlinig geformten Abschnitt 305 (der sich unmittelbar an die erste Mischungskammer 20 anschließt), einen sich aufweitenden symmetrischen Abschnitt 307 und den geradlinig geformten Abschnitt 308. An embodiment is also conceivable which differs from that of Figure 6 in that the first interaction channel 30 does not comprise the deflections 303 and 304, but only the rectilinear section 305 (which directly adjoins the first mixing chamber 20), a widening symmetrical section 307 and the rectilinear section 308.
Der zweite Interaktionskanal 50 erstreckt sich (generell) entlang einer Achse, die der Richtung des Fluidgemischs F123 entspricht. Die Richtung des Fluidgemischs F123 ergibt sich aus dem Geschwindigkeitsvektor des Fluidgemischs F123. Der Geschwindigkeitsvektor des Fluidgemischs F123 entspricht der Summe aus dem Geschwindigkeitsvektor des intermediären Fluidgemischs F12 an der ersten Einlassöffnung 401 und dem Geschwindigkeitsvektor des dritten Fluids F3 an der zweiten Einlassöffnung 402. Die Achse des zweiten Interaktionskanals 50 und die Fluidgemischstromrichtung R12 schließen einen Winkel e ein, der in der Ausführungsform der Figur 6 kleiner als 180° ist. Die Achse des zweiten Interaktionskanals 50 und die dritte Fluidstromrichtung R3 schließen einen Winkel K ein, der in der Ausführungsform der Figur 6 kleiner als 180° ist. Die Winkel e und K sind hier unterschiedlich groß, insbesondere ist der Winkel K größer als der Winkel e. Beispielsweise beträgt der Winkel K zwischen 170° und 179° (174°) und der Winkel e zwischen 160° und 169° (166°). Der Winkel zwischen der Fluidgemischstromrichtung R12 und der dritten Fluidstromrichtung R3 und die Winkel e und K betragen in der Summe 360°. The second interaction channel 50 extends (generally) along an axis corresponding to the direction of the fluid mixture F123. The direction of the fluid mixture F123 results from the velocity vector of the fluid mixture F123. The velocity vector of the fluid mixture F123 corresponds to the sum of the velocity vector of the intermediate fluid mixture F12 at the first inlet opening 401 and the velocity vector of the third fluid F3 at the second inlet opening 402. The axis of the second interaction channel 50 and the fluid mixture flow direction R12 enclose an angle e, which in the embodiment of Figure 6 is less than 180°. The axis of the second interaction channel 50 and the third fluid flow direction R3 enclose an angle K, which in the embodiment of Figure 6 is less than 180°. The angles e and K are different sizes here, in particular, the angle K is greater than the angle e. For example, the angle K is between 170° and 179° (174°) and the angle e is between 160° and 169° (166°). The angle between the fluid mixture flow direction R12 and the third fluid flow direction R3 and the angles e and K add up to 360°.
In Figur 7 ist die Auslenkung des bewegten (oszillierenden) ersten Fluids Fi (an der Auslassöffnung 102 des fluidischen Bauteils 10) im zeitlichen Verlauf schematisch dargestellt. Demnach oszilliert das erste Fluid Fi periodisch zwischen zwei maximalen Auslenkungen von hier beispielhaft in etwa +25° und -25°. Die gestrichelte Linie stellt dabei einen idealisierten sinusförmigen Verlauf dar. Zur Erhöhung der Mischungsqualität in der ersten Mischungskammer 20 ist eine zusätzliche Zwischenschwingung vorteilhaft. Der mit durchgezogener Linie dargestellte Verlauf umfasst eine solche Zwischenschwingung. Beispielsweise ist die Zwischenschwingung bei ungefähr ±5° vorgesehen. Ein solcher zeitlicher Verlauf, wie mit der durchgezogenen Linie dargestellt, kann beispielsweise mit den fluidischen Bauteilen 10 gemäß Figur 1 oder 2 erzeugt werden. Der Oszillationswinkel a kann in Abhängigkeit von der gewünschten Mischungsqualität, den zu mischenden Fluiden und deren Volumina gewählt werden. Der Oszillationswinkel a kann auf verschiedene Art und Weise bestimmt werden. Zum Beispiel aus dem Verhältnis der Geschwindigkeitskomponenten in der Mitte der Querschnittsfläche der Auslassöffnung 102 nach der Beziehung a =2*arctan(v/u), wobei u die Geschwindigkeitskomponente in Strömungsrichtung ist und v die Geschwindigkeitskomponente quer zur Strömungsrichtung, in der Oszillationsebene. Figure 7 schematically illustrates the displacement of the moving (oscillating) first fluid Fi (at the outlet opening 102 of the fluidic component 10) over time. Accordingly, the first fluid Fi oscillates periodically between two maximum displacements, for example, approximately +25° and -25°. The dashed line represents an idealized sinusoidal curve. To increase the mixing quality in the first mixing chamber 20, an additional intermediate oscillation is advantageous. The curve shown with a solid line includes such an intermediate oscillation. For example, the intermediate oscillation is provided at approximately ±5°. Such a The temporal progression, as shown by the solid line, can be generated, for example, with the fluidic components 10 according to Figure 1 or 2. The oscillation angle α can be selected depending on the desired mixing quality, the fluids to be mixed, and their volumes. The oscillation angle α can be determined in various ways. For example, from the ratio of the velocity components in the center of the cross-sectional area of the outlet opening 102 according to the relationship a = 2 * arctan (v / u), where u is the velocity component in the flow direction and v is the velocity component perpendicular to the flow direction, in the oscillation plane.
In der ersten Mischungskammer 20 weist das erste Fluid Fi vorzugsweise einen Turbulenzgrad TU20 größer als 0,05 auf, besonders bevorzugt liegt der Turbulenzgrad zwischen 0,1 und 0,5. Allgemein gibt der Turbulenzgrad die Variation der Geschwindigkeit im Verhältnis zur mittleren Geschwindigkeit an. Der Turbulenzgrad ist hier konkret definiert als der Quotient der maximalen zeitlichen Schwankung ou,max,2o der lokalen Geschwindigkeit von Fi in der ersten Mischungskammer 20 und der mittleren Geschwindigkeit U201 des ersten Fluids Fi an der ersten Einlassöffnung 201 : TU20 = au,max,2o / U201 ■ Zur Bestimmung der maximalen zeitlichen Schwankung wird mit Hilfe einer transienten numerischen Simulation der Strömung (CFD) des ersten Fluids Fi die zeitliche Varianz ou der Geschwindigkeit bestimmt. Das räumliche Maximum von ou in der Mischungskammer 20 wird identifiziert. In the first mixing chamber 20, the first fluid Fi preferably has a degree of turbulence TU20 greater than 0.05, particularly preferably the degree of turbulence is between 0.1 and 0.5. In general, the degree of turbulence indicates the variation in speed in relation to the average speed. The degree of turbulence is specifically defined here as the quotient of the maximum temporal fluctuation ou , max ,2o of the local speed of Fi in the first mixing chamber 20 and the average speed U201 of the first fluid Fi at the first inlet opening 201: TU20 = a u ,max,2o / U201 ■ To determine the maximum temporal fluctuation, the temporal variance ou of the speed is determined with the aid of a transient numerical simulation of the flow (CFD) of the first fluid Fi. The spatial maximum of ou in the mixing chamber 20 is identified.
In der zweiten Mischungskammer 40 ist der Turbulenzgrad TU40 gemäß TU40 = ou,max,4o / U401 definiert, wobei ou,max,4o die maximale Varianz der Geschwindigkeit von F12 in der Mischungskammer 40 ist und U401 die Geschwindigkeit des intermediären Fluidgemischs F12 an der ersten Einlassöffnung 401 der zweiten Mischungskammer 40. Vorzugsweise ist der Turbulenzgrad TU40 kleiner als 0,1 , besonders bevorzugt kleiner als 0,05, und insbesondere bevorzugt kleiner als 0,025. In the second mixing chamber 40, the degree of turbulence TU40 is defined according to TU40 = o u ,max,4o / U401, where o u ,max,4o is the maximum variance of the velocity of F12 in the mixing chamber 40 and U401 is the velocity of the intermediate fluid mixture F12 at the first inlet opening 401 of the second mixing chamber 40. Preferably, the degree of turbulence TU40 is less than 0.1, more preferably less than 0.05, and especially preferably less than 0.025.
In der ersten Mischungskammer 20 der hier vorgestellten Ausführungsformen kann insbesondere durch das jeweilige fluidische Bauteil 10 für die schnelle Mischung des ersten und des zweiten Fluids Fi, F2 eine Kolmogorov Skala Lk (Längenskala der kleinsten Wirbel in der turbulenten Strömung) von kleiner als 20 pm erzielt werden, vorzugsweise von kleiner als 10 pm und insbesondere bevorzugt von kleiner als 5 pm. Die Kolmogorov Skala Lk kann aus den Ergebnissen einer turbulenten CFD (Reynolds Averaged Navier Stokes, kurz RANS) abgeschätzt werden. Dazu wird die turbulente Dissipationsrate, e, welche als Transportgröße eines sogenannten k- e-Turbulenzmodells berechnet wird, mit der kinematischen Viskosität v des Fluidgemisches F12 wie folgt in Beziehung gesetzt: In the first mixing chamber 20 of the embodiments presented here, a Kolmogorov scale Lk (length scale of the smallest vortices in the turbulent flow) of less than 20 pm, preferably less than 10 pm and particularly preferably less than 5 pm, can be achieved, in particular by the respective fluidic component 10 for the rapid mixing of the first and second fluids Fi, F2. The Kolmogorov scale Lk can be estimated from the results of a turbulent CFD (Reynolds Averaged Navier Stokes, RANS for short). For this purpose, the turbulent dissipation rate, e, which is defined as The transport quantity of a so-called k-e turbulence model is calculated and related to the kinematic viscosity v of the fluid mixture F12 as follows:
Lk = ^/ 3/E . Lk = ^/ 3 /E .
Im Gegensatz zur Mischung in der ersten Mischungskammer 20 soll die Durchmischung in der zweiten Mischungskammer 40 mit einer möglichst geringen Scherung des intermediären Fluidgemisches F12 erfolgen. Zu diesem Zweck sind die relativen Unterschiede der Geschwindigkeiten U401 an der ersten Einlassöffnung 401 der zweiten Mischungskammer 40 (bzw. an der Auslassöffnung 302 des ersten Interaktionskanals 30) und U402 an der zweiten Einlassöffnung 402 der zweiten Mischungskammer 40 möglichst gering. Absolut gesehen soll auch die Turbulenz in der zweiten Mischungskammer 40 kleiner sein als in der ersten Mischungskammer 20. Zu diesem Zweck können die absoluten Geschwindigkeiten in der zweiten Mischungskammer 40 kleiner als in der ersten Mischungskammer 20 sein. Vorzugsweise gilt U401 < U201 , besonders bevorzugt U401 < U201 / 2, wobei U401 die Geschwindigkeit des intermediären Fluidgemischs F12 an der ersten Einlassöffnung 401 der zweiten Mischungskammer 40 ist und U201 die Geschwindigkeit des ersten Fluids Fi an der ersten Einlassöffnung 201 der ersten Mischungskammer 20. In contrast to the mixing in the first mixing chamber 20, the mixing in the second mixing chamber 40 should occur with the lowest possible shear of the intermediate fluid mixture F12. For this purpose, the relative differences between the velocities U401 at the first inlet opening 401 of the second mixing chamber 40 (or at the outlet opening 302 of the first interaction channel 30) and U402 at the second inlet opening 402 of the second mixing chamber 40 are as small as possible. In absolute terms, the turbulence in the second mixing chamber 40 should also be lower than in the first mixing chamber 20. For this purpose, the absolute velocities in the second mixing chamber 40 can be lower than in the first mixing chamber 20. Preferably, U401 < U201 , particularly preferably U401 < U201 / 2, where U401 is the velocity of the intermediate fluid mixture F12 at the first inlet opening 401 of the second mixing chamber 40 and U201 is the velocity of the first fluid Fi at the first inlet opening 201 of the first mixing chamber 20.
Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von jenen der Figuren 1 bis 6 insbesondere in der Ausgestaltung der ersten Zufuhrvorrichtung 60 sowie in der Anzahl der dritten Zufuhrvorrichtungen 80a, 80b, 80c, 80d. So weist das fluidische Bauteil 10 der ersten Zufuhrvorrichtung 60 nur einen Nebenstromkanal 104 auf. Dieser Nebenstromkanal 104 ist ringförmig ausgebildet und stromaufwärts des Hauptstromkanals 103 angeordnet. In die zweite Mischungskammer 40 münden vier dritte Zufuhrkanäle 801 a, 801 b, 801c, 801 d. Figure 8 shows a further embodiment of the device 1. This embodiment differs from those of Figures 1 to 6, in particular in the design of the first supply device 60 and in the number of third supply devices 80a, 80b, 80c, 80d. Thus, the fluidic component 10 of the first supply device 60 has only one secondary flow channel 104. This secondary flow channel 104 is annular and arranged upstream of the main flow channel 103. Four third supply channels 801a, 801b, 801c, 801d open into the second mixing chamber 40.
In Figur 8 weist der Nebenstromkanal 104 über seine gesamte Länge (zwischen den Punkten 104a1 und 104b1 ) eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche auf. Im Bereich jedes Nebenstromkanaleingangs bzw. -ausgangs (an den Punkten 104a1 und 104b1 ) ist eine Vergrößerung der jeweiligen Querschnittsfläche vorgesehen. Grundsätzlich kann auch hier die Größe der Querschnittsfläche so groß sein wie über die gesamte Länge des Nebenstromkanals 104. In Figure 8, the bypass channel 104 has a substantially constant cross-sectional area over its entire length (between points 104a1 and 104b1). In the region of each bypass channel inlet or outlet (at points 104a1 and 104b1), an increase in the respective cross-sectional area is provided. In principle, the size of the cross-sectional area here can also be as large as over the entire length of the bypass channel 104.
Am Übergang zwischen dem Nebenstromkanal 104 und dem Hauptstromkanal 103 weist das fluidische Bauteil 10 ein Breite bn (Ausdehnung parallel zur Oszillationsebene und quer zur ersten Fluidstromrichtung Ri) auf. Vorzugsweise ist die Einlassbreite b i kleiner als die Breite bn. Die Breite des Hauptstromkanals 103 nimmt ausgehend vom Übergangsbereich zum Nebenstromkanal 104 stromabwärts zunächst zu und dann ab. Im Vergleich zu den fluidischen Bauteilen 10 der Figuren 1 und 2 erzeugt dieses fluidische Bauteil 10 bei gleichem Eingangsdruck PIOIN eine höhere Oszillationsfrequenz. Eine höhere Oszillationsfrequenz verkürzt die Mischzeit des ersten Fluids Fi und des zweiten Fluids F2 in der ersten Mischungskammer 20 und dem sich anschließenden ersten Interaktionskanal 30. At the transition between the secondary flow channel 104 and the main flow channel 103, the fluidic component 10 has a width bn (extension parallel to the oscillation plane and transverse to the first fluid flow direction Ri). Preferably, the inlet width bi is smaller than the width bn. The width of the main flow channel 103 initially increases and then decreases downstream, starting from the transition region to the secondary flow channel 104. Compared to the fluidic components 10 of Figures 1 and 2, this fluidic component 10 generates a higher oscillation frequency at the same inlet pressure PIOIN. A higher oscillation frequency shortens the mixing time of the first fluid Fi and the second fluid F2 in the first mixing chamber 20 and the adjoining first interaction channel 30.
In Figur 8 ist die Länge I20 (Ausdehnung entlang der ersten Fluidstromrichtung Ri) der ersten Mischungskammer 20 kleiner als die Länge I des fluidischen Bauteils 10. Es ist zu berücksichtigen, dass bei dieser einfacher herstellbaren Ausführungsvariante die Länge I die Länge Iwe einschließt. In diesem Fall wird die Länge Iw von einem Punkt der äußeren begrenzenden Wand von Nebenstromkanal 104, der entlang der Achse X maximal von der Auslassöffnung 102 entfernet ist, bis zur Auslassöffnung 102 definiert. Der Hauptstromkanal 103 und der Nebenstromkanal 104 liegen in einer Ebene. Gemäß einer Alternative kann der Nebenstromkanal 104 in einer Ebene parallel zu der Ebene des Hauptstromkanals 103 liegen. In diesem Fall enthält die Länge Iw nicht die Länge Iwe- In diesem Fall reicht die Länge Iw von der Einlassöffnung 101 bis zu Auslassöffnung 102. Denkbar ist auch, dass die Länge I20 größer ist als die Länge Iw- In Figure 8, the length I20 (extension along the first fluid flow direction Ri) of the first mixing chamber 20 is smaller than the length I of the fluidic component 10. It should be noted that in this easier-to-manufacture embodiment, the length I includes the length Iwe. In this case, the length Iw is defined from a point on the outer boundary wall of the bypass channel 104, which is at the maximum distance from the outlet opening 102 along the axis X, to the outlet opening 102. The main flow channel 103 and the bypass channel 104 lie in one plane. According to an alternative, the bypass channel 104 can lie in a plane parallel to the plane of the main flow channel 103. In this case, the length Iw does not include the length Iwe. In this case, the length Iw extends from the inlet opening 101 to the outlet opening 102. It is also conceivable that the length I20 is greater than the length Iw.
Das dritte Fluid F3 wird über eine Vielzahl von dritten Zufuhrkanälen 801 a, 801 b, 801 c, 801 d in die zweite Mischungskammer 40 geleitet. Beispielhaft sind es vier dritte Zufuhrkanäle 801 a, 801 b, 801 c, 801 d in Figur 8. Eine andere Anzahl ist denkbar. Die zwei weiter stromaufwärts angeordneten dritten Zufuhrkanäle 801 a, 801c sind symmetrisch zueinander (bezogen auf die zweite Mischungskammer 40) angeordnet, während die zwei weiter stromabwärts angeordneten dritten Zufuhrkanäle 801 b, 801 d nicht symmetrisch zueinander (bzw. entlang der Fluidgemischstromrichtung R12 versetzt) angeordnet sind. Die Zufuhrkanäle 801 a, 801 b, 801c, 801 d sind jeweils Teil einer dritten Zufuhrvorrichtung 80a, 80b, 80c, 80d. Die Zufuhrkanäle 801 a, 801 b, 801 c, 801 d können jedoch auch Teil einer gemeinsamen dritten Zufuhrvorrichtung sein und von einem gemeinsamen Zulauf gespeist werden, der sich in die einzelnen Zufuhrkanäle 801 a, 801 b, 801c, 801d verzweigt. The third fluid F3 is fed into the second mixing chamber 40 via a plurality of third supply channels 801a, 801b, 801c, 801d. By way of example, there are four third supply channels 801a, 801b, 801c, 801d in Figure 8. A different number is conceivable. The two third supply channels 801a, 801c arranged further upstream are arranged symmetrically to one another (relative to the second mixing chamber 40), while the two third supply channels 801b, 801d arranged further downstream are not arranged symmetrically to one another (or are offset along the fluid mixture flow direction R12). The supply channels 801a, 801b, 801c, 801d are each part of a third supply device 80a, 80b, 80c, 80d. However, the supply channels 801 a, 801 b, 801 c, 801 d can also be part of a common third supply device and be fed by a common inlet which branches into the individual supply channels 801 a, 801 b, 801 c, 801 d.
Die Vielzahl von dritten Zufuhrkanälen 801 a, 801 b, 801c, 801 d bewirkt, dass der von dem dritten Fluid F3 auf das intermediäre Fluidgemisch F12 ausgeübte Impuls vergleichsweise (bezogen auf die Ausführungsformen der Figuren 1 bis 6) gering ist, da der Impuls räumlich verteilt wird. Die Querschnitte sind so ausgelegt, dass die mittleren Geschwindigkeiten an den Einlassöffnungen und Auslassöffnungen möglichst ähnlich sind. Beispielsweise verhält sich die mittlere Geschwindigkeit U302 des intermediären Fluidgemischs F12 an der Auslassöffnung 302 des ersten Interaktionskanals 30 zu den mittleren Geschwindigkeiten U402a und U402c des dritten Fluids F3 an den zweiten Einlassöffnungen 402a und 402c der zweiten Mischungskammer 40: 0,8 < U402a/u302 < 1 ,2 und 0,8 < U402c/u302 < 1 ,2. Die Volumenströme durch die zweiten Einlassöffnungen 402a und 402c, sowie der Volumenstrom des intermediären Fluidgemisches F12 durch die erste Einlassöffnung 401 bedingen die Größe der Querschnittsflächen an den genannten Öffnungen. Sind die Volumenströme durch die zweiten Einlassöffnungen 402a und 402c gleich und jeweils halb so groß wie der Volumenstrom durch die erste Einlassöffnung 401 , so sind entsprechend die Querschnittsflächen der zweiten Einlassöffnungen 402a und 402c gleich und jeweils halb so groß wie die Querschnittsfläche der ersten Einlassöffnung 401 . The plurality of third supply channels 801 a, 801 b, 801 c, 801 d causes the impulse exerted by the third fluid F 3 on the intermediate fluid mixture F 12 to be comparatively small (relative to the embodiments of Figures 1 to 6), since the impulse is spatially distributed. The cross-sections are designed so that the average velocities at the inlet and outlet openings are as similar as possible. For example, the average velocity U302 of the intermediate fluid mixture F12 at the outlet opening 302 of the first interaction channel 30 is related to the average velocities U402a and U402c of the third fluid F3 at the second inlet openings 402a and 402c of the second mixing chamber 40: 0.8 < U402a/ u302 < 1.2 and 0.8 < U402c/ u302 < 1.2. The volume flow rates through the second inlet openings 402a and 402c, as well as the volume flow rate of the intermediate fluid mixture F12 through the first inlet opening 401, determine the size of the cross-sectional areas at these openings. If the volume flows through the second inlet openings 402a and 402c are equal and each half as large as the volume flow through the first inlet opening 401, then the cross-sectional areas of the second inlet openings 402a and 402c are equal and each half as large as the cross-sectional area of the first inlet opening 401.
Figur 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1 . Diese unterscheidet sich von jenen der Figuren 1 bis 6 und 8 insbesondere in der Ausgestaltung der ersten Zufuhrvorrichtung 60. So weist die erste Zufuhrvorrichtung 60 in Figur 9 zwei Einlassöffnungen 101 a, 101 b, jedoch keinen Nebenstromkanal auf. Stromaufwärts der Einlassöffnungen 101 a, 101 b ist ein Ansatz 106 vorgesehen, der sich in Fluidstromrichtung betrachtet in zwei Kanäle 106a und 106 b aufteilt. Die Kanäle 106a, 106b münden in die Einlassöffnungen 101 a, 101 b. Die Kanäle 106a, 106b dienen der Konditionierung des Fluidstroms des ersten Fluids Fi . Die Form der beiden Kanäle 106a, 106b ist in Figur 9 nur beispielhaft. Das stromabwärtige Ende der Kanäle 106a und 106b, das den Einlassöffnungen 101 a, 101 b zugewandt ist, wird durch einen geradlinigen Endabschnitt gebildet. Die Kanäle 106a, 106b sind spiegelsymmetrisch bezüglich einer Längsachse der Vorrichtung 1 angeordnet, ebenso die Einlassöffnungen 101 a, 101 b. Die Einlassöffnungen 101 a, 101 b bilden den Übergang zwischen den Kanälen 106a, 106b einerseits und dem Hauptstromkanal 103 andererseits. Die stromabwärtigen, geradlinigen Endabschnitte der Kanäle 106a und 160b schließen einen Winkel o ein. Dieser Winkel o nimmt Werte zwischen 95° und 175° ein. Der Scheitelpunkt des Winkels o liegt dabei stromabwärts der Einlassöffnungen 101 a, 101 b. Der Winkel o wird stromaufwärts des Scheitelpunkts gemessen. Je kleiner der Winkel o ist, desto länger wird das fluidische Bauteil 10. Figure 9 shows a further embodiment of the device 1. This differs from those of Figures 1 to 6 and 8 in particular in the design of the first supply device 60. Thus, the first supply device 60 in Figure 9 has two inlet openings 101a, 101b, but no bypass channel. Upstream of the inlet openings 101a, 101b, a projection 106 is provided which, viewed in the fluid flow direction, divides into two channels 106a and 106b. The channels 106a, 106b open into the inlet openings 101a, 101b. The channels 106a, 106b serve to condition the fluid flow of the first fluid Fi. The shape of the two channels 106a, 106b in Figure 9 is only an example. The downstream end of the channels 106a and 106b, which faces the inlet openings 101a, 101b, is formed by a straight end section. The channels 106a, 106b are arranged mirror-symmetrically with respect to a longitudinal axis of the device 1, as are the inlet openings 101a, 101b. The inlet openings 101a, 101b form the transition between the channels 106a, 106b, on the one hand, and the main flow channel 103, on the other. The downstream, straight end sections of the channels 106a and 106b enclose an angle α. This angle α takes on values between 95° and 175°. The apex of the angle α lies downstream of the inlet openings 101a, 101b. The angle o is measured upstream of the apex. The smaller the angle o, the longer the fluidic component 10 becomes.
Die Ausführungsform aus Figur 9 unterscheidet sich von den übrigen Ausführungsformen zudem in der Ausgestaltung des ersten Interaktionskanals 30 und des Zufuhrkanals 801 der dritten Zufuhrvorrichtung 80. So weist der erste Interaktionskanal 30 einen Abschnitt 307 auf, dessen Querschnitt stromabwärts abnimmt. Der Abschnitt 307 befindet sich näher an der Auslassöffnung 302 als an der Einlassöffnung 301. Ebenso weist der Zufuhrkanal 801 einen Abschnitt 807 auf, dessen Querschnitt stromabwärts abnimmt. Diese Querschnittsänderungen haben den Effekt, das relative Geschwindigkeitsschwankungen reduziert werden und die Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt gleichmäßiger wird. Darüber hinaus können die Geschwindigkeiten des intermediären Fluidgemischs F12 und des dritten Fluids F3 bei der Zusammenführung besser gesteuert werden und damit die Bedingungen bei der Mischung genauer definiert werden. Dies ermöglicht, die Scherung bei der Mischung der beiden Fluidströme genau zu definieren und damit zu begrenzen. Um die Geschwindigkeitsschwankungen der Fluide zu reduzieren und die Geschwindigkeitsverteilung anzugleichen, kann die Querschnittsfläche der Auslassöffnung 302 im Vergleich zu der maximalen Querschnittsfläche des ersten Interaktionskanals 30 um einen Faktor 2 bis 100, vorzugsweise um einen Faktor 2 bis 20, und insbesondere bevorzugt um einen Faktor 2 bis 10 reduziert sein. Ebenso kann die Querschnittsfläche der zweiten Einlassöffnung 402 im Vergleich zu der maximalen Querschnittsfläche des Zufuhrkanals 801 der dritten Zufuhrvorrichtung 80 um einen Faktor 2 bis 100, vorzugsweise um einen Faktor 2 bis 20, und insbesondere bevorzugt um einen Faktor 2 bis 10 reduziert sein. The embodiment of Figure 9 also differs from the other embodiments in the design of the first interaction channel 30 and the supply channel 801 of the third supply device 80. Thus, the first interaction channel 30 has a section 307 whose cross-section decreases downstream. The section 307 is located closer at the outlet opening 302 than at the inlet opening 301. Likewise, the feed channel 801 has a section 807 whose cross-section decreases downstream. These cross-sectional changes have the effect of reducing relative velocity fluctuations and making the velocity distribution across the cross-section more uniform. Furthermore, the velocities of the intermediate fluid mixture F12 and the third fluid F3 can be better controlled upon merging, and thus the mixing conditions can be more precisely defined. This makes it possible to precisely define and thus limit the shear during the mixing of the two fluid streams. In order to reduce the velocity fluctuations of the fluids and to equalize the velocity distribution, the cross-sectional area of the outlet opening 302 can be reduced by a factor of 2 to 100, preferably by a factor of 2 to 20, and particularly preferably by a factor of 2 to 10, compared to the maximum cross-sectional area of the first interaction channel 30. Likewise, the cross-sectional area of the second inlet opening 402 can be reduced by a factor of 2 to 100, preferably by a factor of 2 to 20, and particularly preferably by a factor of 2 to 10, compared to the maximum cross-sectional area of the supply channel 801 of the third supply device 80.
Die Ausführungen zu den Winkeln e und K im Zusammenhang mit Figur 6 sind ebenfalls auf Figur 9 übertragbar. The statements regarding the angles e and K in connection with Figure 6 are also transferable to Figure 9.
Die in der Figur 10 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung 1 unterscheidet sich von der Ausführungsform der Figur 1 insbesondere in der Ausgestaltung des fluidischen Bauteils 10, des ersten Interaktionskanals 30 sowie in der relativen Anordnung von dritter Zufuhrvorrichtung 80 zur zweiten Mischungskammer 40. Die relative Anordnung ist dergestalt, dass das intermediäre Fluidgemisch F12 und das dritte Fluid F3 in einem Winkel von im Wesentlichen 90° aufeinander treffen bzw. dass die Fluidgemischstromrichtung R12 und die dritte Fluidstromrichtung R3 einen Winkel von im Wesentlichen 90° einschließen. In den Vorrichtungen 1 der übrigen Ausführungsformen wird dieser Winkel mit £ bezeichnet und ist kleiner als 90°. Die Richtung R3 des dritten Fluids F3 erstreckt sich in Figur 10 nicht in der Oszillationsebene oder parallel zur Oszillationsebene. The embodiment of the device 1 shown in Figure 10 differs from the embodiment of Figure 1 in particular in the design of the fluidic component 10, the first interaction channel 30 and the relative arrangement of the third supply device 80 to the second mixing chamber 40. The relative arrangement is such that the intermediate fluid mixture F12 and the third fluid F3 meet at an angle of substantially 90° or that the fluid mixture flow direction R12 and the third fluid flow direction R3 enclose an angle of substantially 90°. In the devices 1 of the other embodiments, this angle is denoted by £ and is smaller than 90°. In Figure 10, the direction R3 of the third fluid F3 does not extend in the oscillation plane or parallel to the oscillation plane.
Der erste Interaktionskanal 30 ist rohrförmig ausgebildet mit konstanter Querschnittsfläche und konstanter Breite entlang seiner Ausdehnung zwischen Einlassöffnung 301 und Auslassöffnung 302. Die zweite Mischungskammer 40 wird durch eine Verlängerung des ersten Interaktionskanals 30 gebildet, wobei sich die Breite nicht ändert. Die Tiefe der zweiten Mischungskammer 40 ist jedoch größer als die Tiefe des ersten Interaktionskanals 30. Konkret ist in der Ausführungsform der Figur 10 (siehe auch Figur 11 ) die Tiefe der zweiten Mischungskammer 40 doppelt so groß wie die Tiefe des ersten Interaktionskanals 30. Damit hat die erste Einlassöffnung 401 der zweiten Mischungskammer 40 eine kleinere Querschnittsfläche (Tiefe) als die Auslassöffnung 403 der zweiten Mischungskammer 40. Das Verhältnis der Tiefe der ersten Einlassöffnung 401 zu der Tiefe der Auslassöffnung 403 richtet sich nach dem Verhältnis der Volumenströme des intermediären Fluidgemischs F12 und des Fluidgemischs F123. Vorzugsweise ist das Verhältnis der Tiefen t t^i größer oder gleich dem Verhältnis des Volumenstroms von F123 zu dem Volumenstrom von F12. The first interaction channel 30 is tubular with a constant cross-sectional area and constant width along its extension between the inlet opening 301 and the outlet opening 302. The second mixing chamber 40 is formed by an extension of the first interaction channel 30, with the width remaining unchanged. However, the depth of the second mixing chamber 40 is greater than the depth of the first interaction channel. 30. Specifically, in the embodiment of Figure 10 (see also Figure 11), the depth of the second mixing chamber 40 is twice the depth of the first interaction channel 30. Thus, the first inlet opening 401 of the second mixing chamber 40 has a smaller cross-sectional area (depth) than the outlet opening 403 of the second mixing chamber 40. The ratio of the depth of the first inlet opening 401 to the depth of the outlet opening 403 depends on the ratio of the volume flows of the intermediate fluid mixture F12 and the fluid mixture F123. Preferably, the ratio of the depths tt^i is greater than or equal to the ratio of the volume flow of F123 to the volume flow of F12.
Die zweite Mischungskammer 40 weist eine Länge (Ausdehnung entlang der Fluidgemischstromrichtung R12) und eine Breite (Ausdehnung quer zur Fluidgemischstromrichtung R12 und quer zur dritten Fluidstromrichtung R3) auf, die jeweils dem Durchmesser der zweiten Einlassöffnung 402 der zweiten Mischungskammer 40 entsprechen. Die Breite der zweiten Mischungskammer 40 entspricht der Breite der ersten Einlassöffnung 401. Das Verhältnis der Breite der zweiten Mischungskammer 40 zu dem Durchmesser der zweiten Einlassöffnung 402 kann von 1 :1 bis 2:1 reichen. Die zweite Einlassöffnung 402 hat hier beispielsweise eine runde Querschnittsfläche. Alternativ kann sie eckig oder oval sein. The second mixing chamber 40 has a length (extension along the fluid mixture flow direction R12) and a width (extension transverse to the fluid mixture flow direction R12 and transverse to the third fluid flow direction R3), each of which corresponds to the diameter of the second inlet opening 402 of the second mixing chamber 40. The width of the second mixing chamber 40 corresponds to the width of the first inlet opening 401. The ratio of the width of the second mixing chamber 40 to the diameter of the second inlet opening 402 can range from 1:1 to 2:1. The second inlet opening 402 has, for example, a round cross-sectional area. Alternatively, it can be square or oval.
Wie Figur 11 in der Zusammenschau mit Figur 10 zeigt, ist die Tiefe tso2 der Auslassöffnung 302 des ersten Interaktionskanals 30 deutlich kleiner als die Tiefe t403 der Auslassöffnung 403 der zweiten Mischungskammer 40. Die Querschnittsfläche A302 wird durch die Breite 0302 an der Auslassöffnung 302 und der Tiefe tso2 gebildet. Die Querschnittsfläche A403 wird durch die Breite b403 an der Auslassöffnung 403 und der Tiefe t403 gebildet. Die Querschnittfläche A402 der zweiten Einlassöffnung 402 der zweiten Mischungskammer 40 wird in dieser Ausführungsvariante durch den Durchmesser dsoi an der Auslassöffnung 402 gebildet. As Figure 11 shows in conjunction with Figure 10, the depth tso2 of the outlet opening 302 of the first interaction channel 30 is significantly smaller than the depth t403 of the outlet opening 403 of the second mixing chamber 40. The cross-sectional area A302 is formed by the width 0302 at the outlet opening 302 and the depth tso2. The cross-sectional area A403 is formed by the width b403 at the outlet opening 403 and the depth t403. The cross-sectional area A402 of the second inlet opening 402 of the second mixing chamber 40 is formed in this embodiment by the diameter dsoi at the outlet opening 402.
In dieser Ausführungsvariante ist die Querschnittsfläche der zweiten Einlassöffnung 402 deutlich größer als die der ersten Einlassöffnung 401 (die der Auslassöffnung 302 entspricht), wodurch die mittlere Geschwindigkeit an der zweiten Einlassöffnung 402 deutlich kleiner als die mittlere Geschwindigkeit an der ersten Einlassöffnung 401 ist. Daraus folgt der fluidmechanische Effekt, dass der Impuls des intermediären Fluidgemischs F12 (das über die erste Einlassöffnung 401 in die zweite Mischungskammer 40 tritt) beim Eintritt in die zweite Mischungskammer 40 deutlich größer ist als der Impuls des dritten Fluids F3 (das über die zweite Einlassöffnung 402 in die zweite Mischungskammer 40 tritt) beim Eintritt in die zweite Mischungskammer 40. Obwohl das intermediäre Fluidgemisch F12 und das dritte Fluid F3 im Wesentlichen in einem rechten Winkel aufeinander treffen, entsteht durch die unterschiedlichen Impulse nur eine minimale Scherung des intermediären Fluidgemisches F12. In this embodiment, the cross-sectional area of the second inlet opening 402 is significantly larger than that of the first inlet opening 401 (which corresponds to the outlet opening 302), whereby the average velocity at the second inlet opening 402 is significantly lower than the average velocity at the first inlet opening 401. This results in the fluid-mechanical effect that the momentum of the intermediate fluid mixture F12 (which enters the second mixing chamber 40 via the first inlet opening 401) upon entering the second mixing chamber 40 is significantly larger than the momentum of the third fluid F3 (which enters the second mixing chamber 40 via the second inlet opening 402) upon entering the second mixing chamber 40. Although the Since the intermediate fluid mixture F12 and the third fluid F3 meet essentially at a right angle, the different momenta result in only minimal shear of the intermediate fluid mixture F12.
Zusammengefasst ist die Querschnittsfläche der Auslassöffnung A403 kleiner als die Summe der Querschnittsfläche A302 an der Auslassöffnung 302 und der Querschnittsfläche A402 an der zweiten Einlassöffnung 402. Dies ist der Fall, wenn sich die Richtung R3 des dritten Fluids F3 in einem Winkel zu der Richtung R12 des intermediären Fluidgemischs F12 befindet und nicht innerhalb der Oszillationsebene liegt. In der in den Figuren 10 und 11 dargestellten Ausführungsvariante ist die Richtung R3 orthogonal zur Oszillationsebene. In summary, the cross-sectional area of the outlet opening A403 is smaller than the sum of the cross-sectional area A302 at the outlet opening 302 and the cross-sectional area A402 at the second inlet opening 402. This is the case when the direction R3 of the third fluid F3 is at an angle to the direction R12 of the intermediate fluid mixture F12 and is not within the oscillation plane. In the embodiment shown in Figures 10 and 11, the direction R3 is orthogonal to the oscillation plane.
Im Gegensatz zu der Ausführungsvariante, in der die Richtung R3 innerhalb der Oszillationsebene liegt, soll in der Ausführungsform der Figuren 10 und 11 die Querschnittsfläche A403 größer als die Querschnittsfläche A401 sein (A403 > A401). Bevorzugt wird die folgende Flächenbeziehung: 1 ,1 A403 < A401 + A402 < 10 A403. Besonders bevorzugt wird die folgende Flächenbeziehung: 1 ,9 A403 < A401 + A402 < 7,9 A403. In contrast to the embodiment variant in which the direction R3 lies within the oscillation plane, in the embodiment of Figures 10 and 11, the cross-sectional area A403 should be larger than the cross-sectional area A401 (A403 > A401). The following area relationship is preferred: 1.1 A403 < A401 + A402 < 10 A403. The following area relationship is particularly preferred: 1.9 A403 < A401 + A402 < 7.9 A403.
Ein weiteres Merkmal der in den Figuren 10 und 11 dargestellten Ausführungsform ist die sprunghafte Erweiterung der Querschnittsfläche (quer zur Fluidgemischstromrichtung R12) an der ersten Einlassöffnung 401. Gemäß der in Schnitt D‘-D“ in Figur 11 dargestellten Ausführungsform ist die Erweiterung der Querschnittsfläche stufenförmig. Die Stufe ist in Richtung des Zufuhrkanals 801 ausgeprägt. Der Zustrom des dritten Fluides F3 in die Mischungskammer 40 erfolgt in Fluidgemischstromrichtung R12 des intermediären Fluidgemisches F12 betrachtet stromabwärts der Stufe. Gemäß dem strömungsmechanischen Sachverstand wären derartige Stufen zu vermeiden, da sie zur Bildung von Rezirkulationsgebieten (Totwassergebieten) führen, welche zu unbestimmten Aufenthaltszeiten des Fluidgemisches F123 in der Mischungskammer 40 führen und damit dessen Funktion beeinträchtigen. In der in Figur 10 dargestellten Ausführungsform ist die Mischungskammer 40 bzw. das Verhältnis der Tiefe t403 an der Auslassöffnung 403 zu der Tiefe tso2 an der Auslassöffnung 302 jedoch so gestaltet, dass das potentielle Rezirkulationsgebiet nur vom dritten Fluid F3 durchströmt wird. Dadurch wird nur das dritte Fluid F3 rezirkuliert, für welches die Aufenthaltszeit in der Mischungskammer 40 irrelevant ist. Das Verhältnis der Tiefe t403 an der Auslassöffnung 403 zu der Tiefe tso2 an der Auslassöffnung 302 ist abhängig von dem Geschwindigkeitsverhältnis des Fluids F12 und des Fluids F3. In der in Figur 10 und 11 dargestellten Ausführungsvariante entspricht die Tiefe t403 = 1 ,8 tso2 mit konstanter Breite von bso2 = b403- Die Ausführungsform aus den Figuren 10 und 11 vereint strömungsmechanische Aspekte für eine schonende Mischung des intermediären Fluidgemischs F12 und des dritten Fluids F3 mit einer minimalistischen Konstruktion. A further feature of the embodiment shown in Figures 10 and 11 is the sudden expansion of the cross-sectional area (transverse to the fluid mixture flow direction R12) at the first inlet opening 401. According to the embodiment shown in section D'-D" in Figure 11, the expansion of the cross-sectional area is step-like. The step is pronounced in the direction of the feed channel 801. The inflow of the third fluid F3 into the mixing chamber 40 takes place downstream of the step, viewed in the fluid mixture flow direction R12 of the intermediate fluid mixture F12. According to fluid mechanics expertise, such steps should be avoided, as they lead to the formation of recirculation regions (dead water regions), which lead to indefinite residence times of the fluid mixture F123 in the mixing chamber 40 and thus impair its function. In the embodiment shown in Figure 10, the mixing chamber 40 or the ratio of the depth t403 at the outlet opening 403 to However, the depth tso2 at the outlet opening 302 is designed such that the potential recirculation area is only flowed through by the third fluid F3. As a result, only the third fluid F3 is recirculated, for which the residence time in the mixing chamber 40 is irrelevant. The ratio of the depth t403 at the outlet opening 403 to the depth tso2 at the outlet opening 302 depends on the velocity ratio of the fluid F12 and the fluid F3 . In the embodiment shown in Figures 10 and 11, the depth t403 = 1.8 tso2 with a constant width of bso2 = b403- The embodiment of Figures 10 and 11 combines fluid mechanics aspects for a gentle mixing of the intermediate fluid mixture F12 and the third fluid F3 with a minimalist design.
Figur 12 zeigt eine weitere Ausführungsform. Diese unterscheidet sich von jener der Figuren 10 und 11 insbesondere in der Ausgestaltung des ersten Interaktionskanals 30 und der zweiten Mischungskammer 40. Figure 12 shows a further embodiment. This differs from that of Figures 10 and 11 particularly in the design of the first interaction channel 30 and the second mixing chamber 40.
Die zweite Mischungskammer 40 ist rohrförmig mit einer Krümmung ausgebildet. Konkret ist die Krümmung hier L-förmig mit zwei Abschnitten, die in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind und jeweils in ein offenes Ende münden. Das Ende des ersten Abschnitts der rohrförmigen Mischungskammer 40 bildet die zweite Einlassöffnung 402, über die das dritte Fluid F3 in die Mischungskammer 40 eintritt. Das Ende des zweiten Abschnitts der rohrförmigen Mischungskammer 40 bildet die Auslassöffnung 403, über die das Fluidgemisch F123 aus der Mischungskammer 40 austritt. The second mixing chamber 40 is tubular with a bend. Specifically, the bend here is L-shaped with two sections arranged at a 90° angle to each other, each of which opens into an open end. The end of the first section of the tubular mixing chamber 40 forms the second inlet opening 402, through which the third fluid F3 enters the mixing chamber 40. The end of the second section of the tubular mixing chamber 40 forms the outlet opening 403, through which the fluid mixture F123 exits the mixing chamber 40.
Der erste Interaktionskanal 30 ist ebenfalls rohrförmig ausgebildet und weist einen geringeren Durchmesser als die zweite Mischungskammer 40 auf. Der rohrförmige Interaktionskanal 30 und der zweite Abschnitt der rohrförmigen Mischungskammer 40 sind konzentrisch angeordnet und erstrecken sich entlang einer Achse, auf der auch die Auslassöffnung 403 liegt. Der erste Interaktionskanal 30 ragt im Bereich der Krümmung in die Mischungskammer 40 hinein. Dazu ist eine Öffnung in der Wandung der Mischungskammer 40 vorgesehen, die in Form und Größe der Querschnittsfläche des Interaktionskanals 30 entspricht. Die Auslassöffnung 302 des ersten Interaktionskanals 30, die gleichzeitig die erste Einlassöffnung 401 der Mischungskammer 40 ist, befindet sich stromaufwärts der Auslassöffnung 403. Das intermediäre Fluidgemisch F12 tritt über die erste Einlassöffnung 401 in die Mischungskammer 40. The first interaction channel 30 is also tubular and has a smaller diameter than the second mixing chamber 40. The tubular interaction channel 30 and the second section of the tubular mixing chamber 40 are arranged concentrically and extend along an axis on which the outlet opening 403 also lies. The first interaction channel 30 protrudes into the mixing chamber 40 in the region of the bend. For this purpose, an opening is provided in the wall of the mixing chamber 40, which corresponds in shape and size to the cross-sectional area of the interaction channel 30. The outlet opening 302 of the first interaction channel 30, which is simultaneously the first inlet opening 401 of the mixing chamber 40, is located upstream of the outlet opening 403. The intermediate fluid mixture F12 enters the mixing chamber 40 via the first inlet opening 401.
In der Mischungskammer 40 strömt das intermediäre Fluidgemisch F12 in einem runden Strahl mit der mittleren Geschwindigkeit U302 und das dritte Fluid F3 über den konzentrischen Ringspalt mit der mittleren Geschwindigkeit U401 auf Höhe der ersten Einlassöffnung 401 . Dabei gilt für das Verhältnis der Geschwindigkeiten 0,5 < U401/U302 < 2. Die Geschwindigkeiten werden dabei über die Durchmesser/Querschnittsflächen der Rohre (die den ersten Interaktionskanal 30 und die zweite Mischungskammer 40 bilden) so eingestellt, dass sich bei dem für den Prozess erforderlichen Volumenstrom die gewünschten Geschwindigkeitsverhältnisse ergeben. Sollen beispielsweise die Volumenströme des dritten Fluids F3 und des intermediären Fluidgemischs F12 in einem Verhältnis 3:1 gemischt werden und sind die Querschnittsflächen der Rohre, die den ersten Interaktionskanal 30 und die zweite Mischungskammer 40 bilden, kreisrund, so wird ein Verhältnis des Durchmessers des äußeren Rohrs zum inneren Rohr von 2:1 gewählt, damit sich ein Flächenverhältnis von 3:1 von Ringspalt zum inneren Rohr ergibt. In the mixing chamber 40, the intermediate fluid mixture F12 flows in a round jet with the average velocity U302 and the third fluid F3 flows over the concentric annular gap with the average velocity U401 at the level of the first inlet opening 401. The ratio of the velocities is 0.5 < U401/U302 < 2. The velocities are adjusted via the diameter/cross-sectional areas of the tubes (which form the first interaction channel 30 and the second mixing chamber 40) so that the desired velocity ratios are achieved for the volume flow required for the process. For example, if the volume flows of the third fluid F3 and the intermediate fluid mixture F12 are to be If the particles are to be mixed in a ratio of 3:1 and the cross-sectional areas of the pipes forming the first interaction channel 30 and the second mixing chamber 40 are circular, a ratio of the diameter of the outer pipe to the inner pipe of 2:1 is selected so that an area ratio of 3:1 from the annular gap to the inner pipe results.
Figur 13 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens zum kontinuierlichen Mischen von mehreren (3 oder mehr) Fluiden zum Erzeugen eines Fluidgemischs gemäß einer Ausführungsform. Gestrichelt oder gepunktet dargestellte Schritte stellen lediglich optionale Verfahrensschritte dar. Figure 13 schematically shows the sequence of a method for continuously mixing multiple (three or more) fluids to produce a fluid mixture according to one embodiment. Steps shown in dashed or dotted lines represent merely optional process steps.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in sehr kurzem zeitlichem Abstand unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 unterschiedliche Mischungstechniken miteinander kombiniert werden. Hierdurch wird eine hohe Reproduzierbarkeit erreicht und das Risiko für Fehler minimiert, wodurch eine gleichbleibende Qualität des erzeugten Fluidgemischs gewährleistet wird und die Kosten reduziert werden können. The process is characterized by the fact that different mixing techniques are combined at very short intervals using a device 1 according to the invention. This achieves high reproducibility and minimizes the risk of errors, thus ensuring consistent quality of the produced fluid mixture and reducing costs.
In der ersten Mischungskammer 20 erfolgt eine schnelle/turbulente Durchmischung (Turbulenzgrad größer 0,1 ) des ersten und zweiten Fluids Fi, F2 zum Erzeugen des intermediären Fluidgemischs F12, welches in der zweiten Mischungskammer 40 zusammen mit dem dritten Fluid F3 (und weiteren Fluiden) einer quasilaminaren Mischung (Turbulenzgrad kleiner 0,1 ) mit geringen Scherraten unterzogen wird. In the first mixing chamber 20, a rapid/turbulent mixing (degree of turbulence greater than 0.1) of the first and second fluids Fi, F 2 takes place to produce the intermediate fluid mixture F12, which in the second mixing chamber 40, together with the third fluid F3 (and further fluids), is subjected to a quasi-laminar mixing (degree of turbulence less than 0.1) with low shear rates.
Die ersten Verfahrensschritte, die in Figur 13 mit P1.1 , P2.1 und P3.1 bezeichnet werden, betreffen das erste Fluid Fi und werden parallel zu den Verfahrensschritten P1 .2, P2.2 die das zweite Fluid F2 betreffen, sowie zu den Verfahrensschritten P1 .3 und P2.3, welche das dritte Fluid F3 betreffen, stattfinden. Je nach Ausführung können diese parallel auch zu den optionalen Verfahrensschritten P1.4 und P2.4 stattfinden, welche weitere Fluide betreffen. The first process steps, designated P1.1, P2.1, and P3.1 in Figure 13, relate to the first fluid F1 and will take place in parallel with the process steps P1.2, P2.2, which relate to the second fluid F2 , as well as with the process steps P1.3 and P2.3, which relate to the third fluid F3 . Depending on the design, these can also take place in parallel with the optional process steps P1.4 and P2.4, which relate to other fluids.
Während der genannten Verfahrensschritte liegen das erste Fluid Fi, das zweite Fluid F2, das dritte Fluid F3 (und die weiteren Fluide) in getrennter Form vor. During the process steps mentioned, the first fluid Fi, the second fluid F 2 , the third fluid F3 (and the other fluids) are present in separate form.
Zunächst wird in den Verfahrensschritten P1.1 , P1.2 und P1.3 (und optional P1.4) der Volumenstrom (Flussrate) des ersten Fluids Fi, des zweiten Fluids F2 und des dritten Fluids F3 (und der weiteren Fluide) eingestellt. Je nach Mischungsverhältnis von Fluid Fi und Fluid F2 werden deren Volumenströme eingestellt. Für den Fall, dass bei dem Mischvorgang Partikel erzeugt werden, kann durch das Verhältnis der Volumenströme auch die Partikelgröße beeinflusst und eingestellt werden. First, in process steps P1.1, P1.2 and P1.3 (and optionally P1.4), the volume flow (flow rate) of the first fluid Fi, the second fluid F2 and the third fluid F3 (and the other fluids) is set. Depending on the mixing ratio of fluid Fi and fluid F2 , their volume flows are adjusted. In the event that during the mixing process If particles are generated, the particle size can also be influenced and adjusted by the ratio of the volume flows.
Das Verhältnis zwischen der Flussrate des ersten Fluids Fi und der Flussrate des zweiten Fluids F2 ist größer oder gleich 1 :1 (z. B. 1 :1 , 2:1 , 3:1 , 4:1 , 5:1 , 6:1 , 7:1 , 8:1 , 9:1 oder 10:1 sowie Werte dazwischen). In anderen Fällen ist das Verhältnis zwischen der Flussrate des zweiten Fluids F2 und der Flussrate des ersten Fluids Fi größer als 1 :1 (z. B. 1 :1 , 2:1 , 3:1 , 4:1 , 5:1 , 6:1 , 7:1 , 8:1 , 9:1 oder 10:1 sowie Werte dazwischen). The ratio between the flow rate of the first fluid Fi and the flow rate of the second fluid F2 is greater than or equal to 1:1 (e.g., 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 6:1, 7:1, 8:1, 9:1, or 10:1, and values therebetween). In other cases, the ratio between the flow rate of the second fluid F2 and the flow rate of the first fluid Fi is greater than 1:1 (e.g., 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 6:1, 7:1, 8:1, 9:1, or 10:1, and values therebetween).
In den darauffolgenden Verfahrensschritten P2.1 , P2.2 und P2.3 (und optional. P2.4) werden mittels geeigneter Pumpvorrichtungen (je nach Menge beispielsweise Spritzenpumpen, Mehrkolbenpumpen, Membranpumpen, Zahnradpumpen, Umlagepumpe, Schlauchpumpen oder andere Verdrängerpumpen) der Eingangsdruck des ersten Fluids Fi (an der Einlassöffnung 101 des fluidischen Bauteils 10), der Eingangsdruck des zweiten Fluids F2 (an der zweiten Einlassöffnung 202 der ersten Mischungskammer 20), der Eingangsdruck des dritten Fluids F3 (an der zweiten Einlassöffnung 402 der zweiten Mischungskammer 40) (und optional die Eingangsdrücke der weiteren Fluide) eingestellt. Das erste, das zweite und dritte Fluid Fi, F2, F3 (und optional weitere Fluide) werden in die erste, zweite beziehungsweise dritte Zufuhrvorrichtung 60, 70, 80 (und optional weitere Zufuhrvorrichtungen) geleitet. In the subsequent process steps P2.1, P2.2 and P2.3 (and optionally P2.4), the inlet pressure of the first fluid Fi (at the inlet opening 101 of the fluidic component 10), the inlet pressure of the second fluid F2 (at the second inlet opening 202 of the first mixing chamber 20), the inlet pressure of the third fluid F3 (at the second inlet opening 402 of the second mixing chamber 40) (and optionally the inlet pressures of the further fluids) are adjusted using suitable pumping devices (depending on the quantity, for example syringe pumps, multi-piston pumps, diaphragm pumps, gear pumps, circulation pumps, peristaltic pumps or other positive displacement pumps). The first, second and third fluids Fi, F 2 , F 3 (and optionally further fluids) are fed into the first, second and third feed devices 60, 70, 80 (and optionally further feed devices).
Nachdem das erste Fluid Fi in die erste Zufuhrvorrichtung 60 eingeleitet worden ist, werden mit Hilfe der Zufuhrvorrichtungen 60 in Verfahrensschritten P3.1 die Strömungseigenschaften des ersten Fluids Fi angepasst. So wird in P3.1 mit Hilfe des fluidischen Bauteils 10 eine Oszillation des ersten Fluids Fi erzeugt. Die Oszillationsfrequenz ist in der Regel höher als 100 Hz. Vorteilhaft ist eine Oszillationsfrequenz von mehreren tausend Herz, wie beispielsweise 2000 Hz. Da sich die Oszillationsfrequenz in Abhängigkeit von der Größe des fluidischen Bauteils 10 stark ändern kann, ist es üblich die Oszillationsfrequenz dimensionslos als Strouhalzahl (St) anzugeben. Dazu wird die Oszillationsfrequenz f durch die mittlere Geschwindigkeit U102 an der Auslassöffnung 102 des fluidischen Bauteils 10 geteilt und mit der Breite b 2 der Auslassöffnung 102 des fluidischen Bauteils 10 multipliziert, St = f * bio2/ U102. Die so definierte Strouhalzahl kann im Bereich 0,001 < St < 1 liegen, vorzugsweise 0,005 < St < 0,5 und besonders bevorzugt 0,01 < St < 0,05. Somit wird an der Auslassöffnung 102 des fluidischen Bauteils 10 ein passiv oszillierendes erstes Fluid Fi bereitgestellt. Der Oszillationswinkel a des ersten Fluids Fi kann mindestens 5°, vorzugsweise mindestens 25°, insbesondere bevorzugt mindestens 40° betragen. Für viele Anwendungsfälle ist ein Oszillationswinkel zwischen 25° und 50°, insbesondere zwischen 30°und 45° geeignet. Ein typischer Maximalwert für den Oszillationswinkel ist 75°. After the first fluid Fi has been introduced into the first supply device 60, the flow properties of the first fluid Fi are adjusted with the aid of the supply devices 60 in method steps P3.1. In P3.1, an oscillation of the first fluid Fi is generated with the aid of the fluidic component 10. The oscillation frequency is generally higher than 100 Hz. An oscillation frequency of several thousand Hz, such as 2000 Hz, is advantageous. Since the oscillation frequency can vary considerably depending on the size of the fluidic component 10, it is customary to specify the oscillation frequency dimensionlessly as a Strouhal number (St). For this purpose, the oscillation frequency f is divided by the average velocity U102 at the outlet opening 102 of the fluidic component 10 and multiplied by the width b2 of the outlet opening 102 of the fluidic component 10, St = f * bio2/U102. The Strouhal number defined in this way can be in the range 0.001 < St < 1, preferably 0.005 < St < 0.5 and particularly preferably 0.01 < St < 0.05. Thus, a passively oscillating first fluid Fi is provided at the outlet opening 102 of the fluidic component 10. The oscillation angle α of the first fluid Fi can be at least 5°, preferably at least 25°, particularly preferably at least 40°. For many applications, a Oscillation angles between 25° and 50° are suitable, especially between 30° and 45°. A typical maximum value for the oscillation angle is 75°.
Im Verfahrensschritt P4 werden der oszillierende erste Fluidstrahl Fi, der von der ersten Zufuhrvorrichtung 60 bereitgestellt wird, und der (quasi)stationäre zweite Fluidstrahl F2, der von der zweiten Zufuhrvorrichtung 70 bereitgestellt wird, über die erste beziehungsweise zweite Einlassöffnung 201 , 202 in die erste Mischungskammer 20 geleitet und dort zu dem intermediären Fluidgemisch F12 vereinigt. Die Kollision erfolgt unter den Winkeln ß und q, die bereits weiter oben im Zusammenhang mit der Vorrichtung 1 näher erläutert wurden. Bei Anwendung des Verfahrens im industriellen Produktionsmaßstab beziehungsweise in der Massenproduktion werden das erste und das zweite Fluid Fi, F2 mit einem kontinuierlichen Volumenstrom in die erste Mischungskammer 20 geleitet. In method step P4, the oscillating first fluid jet Fi, which is provided by the first supply device 60, and the (quasi-)stationary second fluid jet F 2 , which is provided by the second supply device 70, are guided via the first and second inlet openings 201, 202 into the first mixing chamber 20, respectively, and combined there to form the intermediate fluid mixture F12. The collision occurs at the angles ß and q, which were already explained in more detail above in connection with the device 1. When the method is used on an industrial production scale or in mass production, the first and second fluids Fi, F 2 are guided into the first mixing chamber 20 with a continuous volume flow.
In Verfahrensschritt P5 wird das Fluidgemisch F12, das am Ende des Mischvorgangs P4 aus der ersten Mischungskammer 20 über deren Auslassöffnung 203 austritt, in einen sich stromabwärts anschließenden ersten Interaktionskanal 30 der Länge I30 geleitet, in dem die Durchmischung weiter fortgesetzt wird, bis nach einer charakteristischen Mischzeit tmix eine hinreichend homogene Mischung der beiden Fluide Fi, F2 vorliegt. Sofern während des Mischvorgangs P4 Partikel (z. B. Lipid Nanopartikel, Polymernanopartikel, Liposome) oder Kristalle entstanden sind, haben diese in dem ersten Interaktionskanal 30 Zeit zu reifen. In process step P5, the fluid mixture F12, which exits the first mixing chamber 20 via its outlet opening 203 at the end of the mixing process P4, is passed into a downstream first interaction channel 30 of length I30, in which the mixing continues until, after a characteristic mixing time tmix, a sufficiently homogeneous mixture of the two fluids Fi, F2 is present. If particles (e.g., lipid nanoparticles, polymer nanoparticles, liposomes) or crystals have formed during the mixing process P4, they have time to mature in the first interaction channel 30.
Das aus dem ersten Interaktionskanal 30 austretende intermediäre Fluidgemisch F12 wird in Verfahrensschritt P6.1 in die zweite Mischungskammer 40 geleitet und mit dem dritten Fluid F3 (und optional den weiteren Fluiden nacheinander) vereinigt. Hierbei können das dritte Fluid F3 und die weiteren Fluide unterschiedlich oder identisch sein. The intermediate fluid mixture F12 emerging from the first interaction channel 30 is directed into the second mixing chamber 40 in process step P6.1 and combined with the third fluid F3 (and optionally the other fluids one after the other). The third fluid F3 and the other fluids can be different or identical.
Um eine schonende Mischung zu erreichen, erfolgt das Zusammenführen des dritten Fluids F3 und des intermediären Fluidgemisches F12 unter spezifischen fluidmechanischen Kriterien, welche im Folgenden an verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigt werden. Um die Scherraten in der zweiten Mischungskammer 40 möglichst gering zu halten, müssen die Geschwindigkeiten des dritten Fluids F3 und des intermediären Fluidgemisches FI2 in Bezug auf Betrag und Richtung möglichst ähnlich sein. Sofern während des Mischvorgangs P4 Partikel entstanden sind, kann der Prozessschritt P6.1 der Stabilisierung der Partikel dienen. Die schonende Mischung mit geringen Scherraten minimiert den mechanischen Stress der Partikel, wodurch eine bessere Partikelqualität erreicht werden kann. In einer Ausführungsvariante wird eine erhöhte Stabilität der Partikel (z. B. Lipid Nanopartikel) erreicht, indem der Partikelstrom (intermediäres Fluidgemisch F12) mit einer wässrigen Lösung, z. B. Pufferlösung, (drittes Fluid F3) verdünnt wird. In manchen Verfahrensvarianten ist das verdünnende Fluid (drittes Fluid F3) die gleiche Pufferlösung, die auch im ersten Fluid Fi zum Einsatz kommt. In manchen Verfahrensvarianten unterscheidet sich das verdünnende Fluid (drittes Fluid F3) von der Pufferlösung, die im ersten Fluid Fi zum Einsatz kommt. Hierbei wird der Lösungsmittelanteil des intermediären Fluidgemischs F12 reduziert, was zu einer erhöhten Stabilität der Nanopartikel führt. Für manche Nanopartikel führt ein Lösungsmittelanteil von unter 50 % zu einer erhöhten Partikelstabilität. In einer anderen Ausführungsvariante führt ein Lösungsmittelanteil von unter 25 % zu einer erhöhten Stabilität der Nanopartikel. In einer anderen Ausführungsvariante führt ein Lösungsmittelanteil von unter 10 % zu einer erhöhten Stabilität der Nanopartikel To achieve gentle mixing, the third fluid F3 and the intermediate fluid mixture F12 are combined under specific fluid-mechanical criteria, which are demonstrated below using various exemplary embodiments. To keep the shear rates in the second mixing chamber 40 as low as possible, the velocities of the third fluid F3 and the intermediate fluid mixture F12 must be as similar as possible in terms of magnitude and direction. If particles were formed during the mixing process P4, process step P6.1 can serve to stabilize the particles. Gentle mixing with low shear rates minimizes the mechanical stress on the particles, thereby achieving better particle quality. In one embodiment, increased stability of the particles (e.g., lipid nanoparticles) is achieved by diluting the particle stream (intermediate fluid mixture F12) with an aqueous solution, e.g., buffer solution (third fluid F3). In some process variants, the diluting fluid (third fluid F3 ) is the same buffer solution used in the first fluid F1. In some process variants, the diluting fluid (third fluid F3) differs from the buffer solution used in the first fluid F1. In this case, the solvent content of the intermediate fluid mixture F12 is reduced, which leads to increased stability of the nanoparticles. For some nanoparticles, a solvent content of less than 50% leads to increased particle stability. In another embodiment, a solvent content of less than 25% leads to increased nanoparticle stability. In another embodiment, a solvent content of less than 10% leads to increased nanoparticle stability.
In einer Ausführungsvariante wird die Stabilität der Partikel (z. B. Lipid-Nanopartikel) erhöht, indem der pH-Wert des Partikelstroms (intermediäres Fluidgemisch F12) aus Mischprozess P4 durch Verdünnung mit einem entsprechenden Medium (drittes Fluid F3) erhöht, erniedrigt bzw. neutralisiert wird (z. B. durch saure oder basischen Puffer-Lösung). In one embodiment, the stability of the particles (e.g. lipid nanoparticles) is increased by increasing, decreasing or neutralizing the pH value of the particle stream (intermediate fluid mixture F12) from mixing process P4 by diluting it with an appropriate medium (third fluid F3 ) (e.g. by acidic or basic buffer solution).
In einer Ausführungsvariante wird die Stabilität der Partikel (z. B. Polymer Nanopartikel) erhöht, indem dem Partikelstrom (intermediäres Fluidgemisch F12) aus Mischprozess P4 ein verdünnendes Medium (drittes Fluid F3) zugesetzt wird, das eine oberflächenaktive Substanz enthält. Bei der Oberflächenaktiven Substanz kann es sich z. B. um Polaxamere oder Polyvinylalkohole handeln, ist aber nicht auf diese Substanzen beschränkt. In one embodiment, the stability of the particles (e.g., polymer nanoparticles) is increased by adding a diluting medium (third fluid F3 ) containing a surfactant to the particle stream (intermediate fluid mixture F12) from mixing process P4. The surfactant can be, for example, polyaxamers or polyvinyl alcohols, but is not limited to these substances.
In einer Ausführungsvariante können die zuvor genannten Ausführungsvarianten kombiniert werden, wobei mehrere Fluide (z. B. zwei; aber nicht limitiert auf zwei) nacheinander dem Partikelstrom (intermediäres Fluidgemisch F12) aus Mischprozess P4 zugeführt werden. So wird beispielsweise erst das dritte Fluid F3 dem Partikelstrom zugeführt, bevor dem hieraus hervorgehenden Fluidgemisch F123 ein weiteres Fluid zugeführt wird. In one embodiment, the aforementioned embodiments can be combined, whereby several fluids (e.g., two; but not limited to two) are successively fed to the particle stream (intermediate fluid mixture F12) from mixing process P4. For example, the third fluid F3 is first fed to the particle stream before another fluid is fed to the resulting fluid mixture F123.
Das Verhältnis zwischen der Flussrate des intermediären Fluidgemischs F12 und der Flussrate des dritten Fluids F3 ist größer oder gleich 1 :1 (z. B. 1 :1 , 2:1 , 3:1 , 4:1 oder 5:1 sowie Werte dazwischen). In anderen Fällen ist das Verhältnis zwischen der Flussrate des dritten Fluids F3 und der Flussrate des intermediären Fluidgemischs F12 größer als 1 :1 (z. B. 2:1 , 3:1 , 4:1 oder 5:1 sowie Werte dazwischen). The ratio between the flow rate of the intermediate fluid mixture F12 and the flow rate of the third fluid F3 is greater than or equal to 1:1 (e.g. 1:1, 2:1, 3:1, 4:1 or 5:1 and values in between). In other cases, the ratio between the flow rate of the third fluid F 3 and the flow rate of the intermediate fluid mixture F12 is greater than 1:1 (e.g. 2:1, 3:1, 4:1 or 5:1 and values in between).
In Verfahrensschritt P7.1 wird das Fluidgemisch F123, das am Ende des Mischvorgangs P6.1 aus der zweiten Mischungskammer 40 über deren Auslassöffnung 403 austritt, in einen sich stromabwärts anschließenden zweiten Interaktionskanal 50 der Länge I50 geleitet, in dem die Durchmischung aus der zweiten Mischungskammer 40 weiter fortgesetzt wird. In process step P7.1, the fluid mixture F123, which exits from the second mixing chamber 40 via its outlet opening 403 at the end of the mixing process P6.1, is passed into a downstream second interaction channel 50 of length I50, in which the mixing from the second mixing chamber 40 is continued.
Dieser zweite Mischprozess in der zweiten Mischungskammer 40 kann kaskadiert werden (optionale Verfahrensschritte P6.2 und P7.2), indem mehrere zweite Mischungskammern 40 (ggf. jeweils kombiniert mit einem zweiten Interaktionskanal 50) aneinandergereiht werden. In P6.2 und P7.2 werden analog zu P6.1 und P7.1 ein oder mehrere weitere Fluide mit dem aus dem vorhergehenden Mischvorgang generierten Fluidgemisch vereinigt. Die in den optionalen Schritten zugesetzten Fluide identisch mit dem dritten Fluid F3 sein oder sich von diesem unterscheiden. This second mixing process in the second mixing chamber 40 can be cascaded (optional process steps P6.2 and P7.2) by arranging several second mixing chambers 40 (optionally combined with a second interaction channel 50). In P6.2 and P7.2, analogous to P6.1 and P7.1, one or more additional fluids are combined with the fluid mixture generated from the previous mixing process. The fluids added in the optional steps can be identical to or different from the third fluid F3.
Nach dem Verfahrensschritt P7.1 (optional P7.2) folgt Verfahrensschritt P8, indem das erzeugte Fluidgemisch der Vorrichtung 1 entnommen wird. Dem Verfahrensschritt P8 kann eine thermische Behandlung (z. B. Kühlen) des erzeugten Fluidgemisches und/oder das Abtrennen einer Komponente (z. B. eines Lösemittels) von dem Fluidgemisch folgen. Process step P7.1 (optionally P7.2) is followed by process step P8, in which the produced fluid mixture is removed from the device 1. Process step P8 can be followed by a thermal treatment (e.g., cooling) of the produced fluid mixture and/or the separation of a component (e.g., a solvent) from the fluid mixture.
Zur Durchführung des Verfahrens sind Prozessparameter festzulegen. Diese hängen von der Größe der Vorrichtung ab. Die Größe der Vorrichtung beeinflusst die Fluidgeschwindigkeit, welche Einschränkungen der Volumenströme bedingt. Als Referenz dient die Vorrichtung aus Figur 1 , wobei die erste Einlassöffnung 201 der ersten Mischungskammer eine Breite b2oi und eine Höhe h2oi aufweist, wobei gilt h2oi = b2oi - To carry out the process, process parameters must be defined. These depend on the size of the device. The size of the device influences the fluid velocity, which imposes limitations on the volume flow. The device shown in Figure 1 serves as a reference, wherein the first inlet opening 201 of the first mixing chamber has a width b 2 oi and a height h 2 oi, where h 2 oi = b 2 oi -
Die Volumenströme der weiteren Fluidströme ergeben sich dann aus den jeweiligen Verhältnissen der Volumenströme für bestimmte Ausführungsformen des Prozesses. The volume flows of the other fluid flows then result from the respective ratios of the volume flows for certain embodiments of the process.
In den Figuren sind verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung 1 dargestellt, die jeweils einer konkreten Kombination von fluidischem Bauteil 10, erster Mischungskammer 20, erstem Interaktionskanal 30, zweiter Mischungskammer 40 und zweitem Interaktionskanal 50 entsprechen. Über die konkret dargestellten Kombinationen hinaus sind die genannten Komponenten der einzelnen Ausführungsformen miteinander kombinierbar. Auch ist denkbar, dass auf den zweiten Interaktionskanal verzichtet wird. The figures depict various embodiments of the device 1, each corresponding to a specific combination of fluidic component 10, first mixing chamber 20, first interaction channel 30, second mixing chamber 40, and second interaction channel 50. Beyond the specific combinations depicted, the components of the individual embodiments can be combined with one another. It is also conceivable to omit the second interaction channel.
Es können unterschiedliche Typen von fluidischen Bauteilen eingesetzt werden. Diese können als Mittel zur gezielten Richtungsänderung Nebenstromkanäle oder andere Mittel aufweisen. Different types of fluidic components can be used. These can include bypass channels or other means for targeted direction change.
In der Beschreibung werden die Begriffe Höhe h und Tiefe t synonym für die Ausdehnung quer zur Oszillationsebene des ersten Fluids verwendet. In the description, the terms height h and depth t are used synonymously for the extension transverse to the oscillation plane of the first fluid.
Bezugszeichen Reference symbol
Fi erstes Fluid Fi first fluid
F2 zweites Fluid F2 second fluid
F3 drittes Fluid F 3 third fluid
F12 intermediäres Fluidgemisch F12 intermediate fluid mixture
F123 Fluidgemisch F123 Fluid mixture
Ri erste Fluidstromrichtung Ri first fluid flow direction
R2 zweite Fluidstromrichtung R2 second fluid flow direction
R3 dritte Fluidstromrichtung R3 third fluid flow direction
R12 Fluidgemischstromrichtung R12 Fluid mixture flow direction
1 Vorrichtung zum Erzeugen eines Fluidgemischs 1 Device for generating a fluid mixture
10 fluidisches Bauteil 10 fluidic component
11a, 11b innere Blöcke 11a, 11b inner blocks
100 Strömungskammer 100 flow chamber
101 Einlassöffnung 101 Inlet opening
102 Auslassöffnung 102 Outlet opening
103 Hauptstromkanal 103 Main stream channel
104a, 104b Nebenstromkanal 104a, 104b bypass duct
106 Ansatz 106 Approach
107 Auslasskanal 107 Exhaust port
20 erste Mischungskammer 20 first mixing chamber
201 erste Einlassöffnung 201 first inlet opening
202 zweite Einlassöffnung 202 second inlet opening
203 Auslassöffnung 203 Outlet opening
206 Einlasskanal 206 Inlet channel
207 Auslasskanal 207 exhaust duct
30 erster Interaktionskanal 30 first interaction channel
301 Einlassöffnung 301 Inlet opening
302 Auslassöffnung 302 exhaust opening
303 Umlenkung 303 Deflection
304 Umlenkung 305, 307, 308 Abschnitte des ersten Interaktionskanals 304 Deflection 305, 307, 308 Sections of the first interaction channel
40 zweite Mischungskammer 40 second mixing chamber
401 erste Einlassöffnung 401 first inlet opening
402 zweite Einlassöffnung 402 second inlet opening
403 Auslassöffnung 403 exhaust opening
50 zweiter Interaktionskanal 50 second interaction channel
501 Einlassöffnung 501 Inlet opening
502 Auslassöffnung 502 outlet opening
60 erste Zufuhrvorrichtung 60 first feed device
70 zweite Zufuhrvorrichtung 70 second feed device
701 Zufuhrkanal 701 supply channel
80 dritte Zufuhrvorrichtung 80 third feed device
801 Zufuhrkanal 801 Supply channel
Claims
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-
2025
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| US20050041525A1 (en) * | 2003-08-19 | 2005-02-24 | Pugia Michael J. | Mixing in microfluidic devices |
| WO2022223725A1 (en) * | 2021-04-21 | 2022-10-27 | Fdx Fluid Dynamix Gmbh | Device and method for mixing fluids and for producing a fluid mixture |
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