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Grundlagen zur Prozessintensivierung und zur Prozessoptimierung

Aus strömungstechnischer Sicht werden in vielen mikromechanischen Komponenten Fluide transportiert. Trotz der großen Bedeutung der Fluidmechanik sind viele Fragen hinsichtlich des Stoff- und Wärmetransports in Mikrostrukturen weitgehend ungeklärt. Dies hat zweierlei Gründe. Zum einen stellt die Messung von Strömungen in Mikrostrukturen erhebliche Anforderungen an die Messtechnik. Zum Anderen müssen auf sehr kleinen Skalen Effekte berücksichtigt werden, die im Makroskopischen üblicherweise vernachlässigt werden können.

Außerdem kann es sein, dass die strömungsmechanischen Grundgleichungen (Navier-Stokes-Gleichungen) oder die Haftbedingungen an festen Wänden keine gute Näherung mehr darstellen. Diesen Problemen widmet sich die strömungsmechanische Fachrichtung Mikrofluiddynamik bzw. Mikrofluidik. Sie befasst sich mit dem Transport von Flüssigkeiten und Gasen auf kleinen Skalen. Massstabsbedingt weisen diese Strömungen die Besonderheit auf, dass Oberflächeneffekte von entscheidender Bedeutung sind, da sie mit L² skalieren, während Volumeneffekte mit L³ skalieren (L: charakteristische Länge).

Das bedeutet, je kleiner die Abmessungen, desto dominanter sind Oberflächeneffekte gegenüber Volumeneffekten.

Wegen des großen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen werden in Mikrokanälen sehr hohe Wärmestromdichten erreicht, was sie für zahlreiche Anwendungen wie Kühlung integrierter elektronischer Systeme, Mikroreaktoren, chemische Analytik oder Brennstoffzellen interessant machen. Mit der Miniaturisierung erlangen Flächeneffekte zunehmende Bedeutung.

Beispielsweise können Grenzflächeneffekte als Antriebskonzepte in der Mikrofluidik genutzt werden, was mit den Begriffen Oberflächenspannung und Thermokapillarität eng verknüpft ist. Betrachtet man eine Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas (auch Oberfläche genannt), welche Temperaturunterschiede aufweist, so wird die temperaturabhängige Oberflächenspannung s(T) sich entsprechend verändern. Dies führt zu Tangentialspannungen in den angrenzenden Fluidbereichen; welche eine Flüssigkeitsbewegung hervorrufen. Analoges gilt natürlich auch für Trennflächen zwischen zwei unmischbaren Flüssigkeiten. In diesem Falle spricht man auch von Grenzflächen.

Dieser Effekt ist in der folgenden Abbildung schematisch dargestellt.

Das Photo zeigt die oberflächenspannungsgetriebene Konvektionsströmung an einer Blase unter einer beheizten Wand. Die die Blase umgebende Flüssigkeit wurde von oben durch die horizontale Wand beheizt und von unten gekühlt, so dass ein vertikaler Temperaturgradient entsteht.

Dieser verursacht wiederum einen Oberflächenspannungsgradienten entlang der Blasenkontur. Die Temperatur nimmt in vertikaler Richtung nach unten ab. Umgekehrt verhält es sich mit der Oberflächenspannung, welche in Richting des Blasenpoles zunimmt, da es dort kälter wird. Die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten nimmt im Allgemeinen mit steigender Temperatur ab. Die beschriebene Situation verursacht einen Flüssigkeitstransport in Richtung zu kälteren Bereichen der Blasenoberfläche, also zum Blasenpol hin.

Anhand der mittels Flüssigkristall-Technologie dargestellten Abbildungen lassen sich unter Verwendung der Particle-Image-Velocimetry (PIV) die Stromlinien darstellen. Ein Beispiel für eine derartige Auswertung ist der nachfolgenden Grafik zu entnehmen.

Die WoRi GbR sieht ihre Aufgabe sowohl darin, Prozessintensivierungsverfahren bzw. mikrofluidische Prozesse zu analysieren, als auch Lösungen beziehungsweise Optimierungsmaßnahmen zu erarbeiten. Dazu werden effiziente numerische Simulationsverfahren sowie spezielle moderne, teils berührungslos arbeitende optische Messtechniken eingesetzt.

Quelle und Copyright der Beschreibungen und Abbildungen:
Wozniak et al.: Particle-Image-Velocimetry applied to thermocapillary convection. Experiments in Fluids 10 (1990)