ES2329564T3 - Tobera de hilar para fibras huecas. - Google Patents
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Abstract
Tobera de hilar para fibras huecas en la cual, en un cuerpo principal, están formados canales para agentes precipitantes/para agentes de sostén y canales para conducción de masa y una estructura de la tobera unida a éstos, dispuesta de un orificio para salida de masa y de una aguja con perforación para agentes precipitantes/agentes de sostén, caracterizada porque al menos dos cuerpos con forma de placa, estructurados mediante una tecnología microestructural, están acoplados al cuerpo principal.
Description
Tobera de hilar para fibras huecas.
La presente invención hace referencia a una
tobera de hilar para fibras huecas, conforme al concepto genérico de
la reivindicación 1.
Existen toberas de hilar para fibras huecas ya
conocidas, utilizadas para la fabricación de membranas polímeras de
fibras huecas. Como se muestra en la figura 1, de conformidad con el
dibujo adjunto, las toberas de hilar para fibras huecas de este tipo
10, se componen de un cuerpo principal 12 de metal, en el cual se
encuentran insertadas diferentes perforaciones 14, 16, 18, 22. En la
perforación 14, se encuentra ajustado un pequeño tubo 20, en el cual
se forma un canal para agentes precipitantes y/o agentes de sostén.
Las perforaciones 16 y 18, forman canales de conducción de masa para
un polímero, que sale a través de un canal anular 22, el cual está
compuesto, igualmente, por una perforación correspondiente. En la
fabricación de las conocidas toberas de hilar para fibras huecas 10,
se aplican procedimientos habituales para el trabajo de metales. Así
se origina, entonces, la estructura de la tobera mediante el
ensamblaje de ambas partes de las toberas, apareciendo una
imprecisión, por ejemplo, en la geometría del espacio anular 22, por
defectos de fabricación en la producción del cuerpo principal 12 y
del pequeño tubo 20. Además de esto, surgen posibles defectos de
montaje, que pueden conducir, igualmente, a una imprecisión
geométrica. Por último, las toberas de hilar para fibras huecas
conocidas no son, de conformidad con el estado de la técnica,
arbitrariamente reducibles.
Por ende, es objeto de la presente invención
poner a disposición toberas de hilar para fibras huecas, con las
cuales también se fabriquen membranas capilares finas, reduciéndose
al mínimo la tolerancia de fabricación y abaratando notablemente el
proceso de fabricación para estas toberas de hilar para fibras
huecas.
Conforme a la presente invención, este objeto es
resuelto mediante la combinación de las características de la
reivindicación 1. Por consiguiente, se crea un modo de construcción
para toberas de hilar para fibras huecas completamente nuevo, ya que
la invención se aleja del trabajo convencional del metal y aplica
procedimientos de tecnología microestructural. Conforme a la
invención, se acoplan precisamente al menos dos cuerpos con forma de
placa, estructurados mediante tecnología microestructural, a la
tobera de hilar para fibras huecas. Preferentemente, aquí se
ensambla, sobre una primera placa formada mediante tecnología
microestructural, una segunda placa no estructurada,
estructurándose la segunda placa después de haber sido aplicada
sobre la primera placa. Las placas se unen entre sí de manera plana.
Con el nuevo método de fabricación, se abre una diversidad de
ventajas. En primer lugar, mediante la tecnología microestructural,
se puede realizar una dimensión de la estructura de la tobera
considerablemente menor. Por otra parte, es factible una precisión
considerablemente mayor con respecto a la estructura de la tobera.
Esta precisión, se debe al hecho de que, la estructura de la tobera
se produce en un paso. Ésta se encuentra limitada sólo por la
precisión de la máscara litográfica subyacente, que es utilizada en
la tecnología microestructural. Sin embargo, este tipo de máscaras
litográficas se pueden fabricar de manera extremadamente precisa,
con márgenes de tolerancia de 100 nm. Otra ventaja del
procedimiento, conforme a la invención, radica en los gastos
considerablemente menores de producción de las toberas de hilar.
Ejecuciones especiales de la invención, se
desprenden de las subreivindicaciones posteriores a la
reivindicación principal.
En principio, para la realización de las toberas
de hilar para fibras huecas por supuesto se pueden utilizar, según
la invención, todos los materiales de la tecnología
microestructural, siempre y cuando puedan ser corroídos y unidos
anisotrópicamente. Especialmente ventajosos para aplicar son, sin
embargo, el silicio monocristalino, de arseniuro de galio (GaAs) o
el germanio.
Conforme a una forma de ejecución especial de la
invención, una tobera de hilar para fibras huecas se compone de dos
placas, quedando excluidos de la primera placa, los canales para
conducción de masa, una zona de homogeneización del caudal másico,
una perforación para la conducción de agentes precipitantes/agentes
de sostén y un cabo de aguja, mientras que de la segunda placa
quedan excluidos, una estructura de la tobera con paso anular de
masa y una aguja con una perforación para agentes
precipitantes/agentes de sostén.
Como alternativa, es imaginable también una
construcción, en la cual la segunda placa comprenda, adicionalmente,
los canales para conducción de masa y la zona de homogeneización del
caudal másico. En este caso se suprimen de la primera placa estos
elementos y el cabo de aguja. Una característica particular de esta
construcción, es que la aguja de la tobera de hilar se encuentra
unida a la primera placa sólo en una superficie frontal.
Estas ejecuciones ventajosas para una tobera de
hilar para fibras huecas, con la cual se puede fabricar una membrana
capilar simple de fibras huecas, presentan las siguientes
dimensiones ventajosas:
- Espesor de la primera placa:
- 0,250 - 1,500 mm
- Espesor de la segunda placa:
- 0,050 - 1,500 mm
- Diámetro exterior de la aguja:
- 0,020 - 1,500 mm
- Longitud de la aguja incl. cabo de aguja:
- 0,100 - 2,000 mm
- Diámetro de la perforación para agentes precipitantes:
- 0,010 - 1,000 mm
- Longitud de la perforación para agentes precipitantes:
- 0,150 - 2,500 mm
- Diámetro exterior del paso anular:
- 0,040 - 3,000 mm
- Longitud del paso anular:
- 0,050 - 1,500 mm
- Altura de la tobera de hilar:
- 0,300 - 3,000 mm
- Longitud del canto de la tobera de hilar:
- 1,000 - 25,00 mm.
\vskip1.000000\baselineskip
Otra ejecución ventajosa de la presente
invención, consiste en tres placas, comprendiendo la primera placa
canales de conducción, una zona de homogeneización y un cabo de
aguja con una perforación central de conducción; una segunda placa,
que se conecta a la primera placa, y que presenta canales de
conducción, una zona de homogeneización y un cabo de aguja adicional
con un canal anular concéntrico, así como una prolongación de la
aguja con una perforación central; y una tercera placa, que se
conecta a su vez a la segunda placa, y que presenta una estructura
de la tobera compuesta de una perforación central y de dos pasos
anulares concéntricos. Mediante esta tobera de hilar para fibras
huecas, se pueden fabricar, conforme a la invención, membranas
capilares con capas coextrusionadas dobles.
Una variante alternativa de ejecución, resulta
de que las toberas de hilar para fibras huecas, estén formadas por
tres placas individuales, la primera placa presenta una perforación
central de conducción, una segunda placa conectada a la primera
placa, canales de conducción paralelos y zonas de homogeneización
adjudicadas a éstos, así como un cabo de aguja con un canal anular
concéntrico y con una perforación central; la tercera placa,
conectada a la segunda placa, presenta una estructura de la tobera
compuesta de una perforación central y de dos pasos anulares
concéntricos. Ventajoso es el diámetro exterior de la tobera de
hilar multicanal para fibras huecas, menor a 1 mm. Especialmente
ventajoso, es el diámetro exterior de la tobera de hilar multicanal
para fibras huecas, menor o igual a 0,45 mm. Con ella, se puede
fabricar una membrana de diálisis con un diámetro interior de 200 a
300 \mum.
Otros detalles y ventajas de la invención, se
desprenden de los ejemplos de ejecución presentados en los dibujos.
Se muestra:
Figura 1: una representación esquemática, a
través de una tobera de hilar para fibras huecas, conforme a una
forma de ejecución, según el estado de la técnica,
Figura 2: una representación esquemática, a
través de una tobera de hilar para fibras huecas, según una primera
ejecución de la invención,
Figura 3: una representación esquemática, a
través de una tobera de hilar para fibras huecas, según una segunda
variante de ejecución de la invención, mostrándose tres variantes de
la disposición de los canales de conducción de masa,
Figura 4: una representación tridimensional
parcialmente cortada de una tobera de hilar para fibras huecas,
conforme a la figura 2 y
Figura 5: una representación tridimensional en
corte parcial de una tobera de hilar para fibras huecas, conforme a
la variante de ejecución, según figura 3.
En la figura 2, se muestra una tobera de hilar
para fibras huecas 10 según una primera ejecución de la invención.
Aquí, el cuerpo principal completo 26, se encuentra ensamblado por
dos placas individuales 30 y 32. En la primera placa 30, se
encuentran formados, mediante un proceso de corrosión que se
describe más adelante en detalle, canales de conducción de masa 34,
una zona de homogeneización del caudal másico 36, una perforación
para la conducción de agentes precipitantes 38 y un cabo de aguja
40. De la figura 4 se desprende la ejecución tridimensional de la
tobera de hilar para fibras huecas representada en la figura 2. En
la misma se puede apreciar, que los canales de conducción de masa,
es decir los canales para la entrada de las masas poliméricas a
precipitar, están dispuestos en forma de cruz en el ejemplo de
ejecución aquí representado. La zona de homogeneización del caudal
másico 36, surge como espacio anular alrededor del cabo de aguja 40.
La perforación para la conducción de agentes precipitantes 38, se
encuentra expandida en su campo, indicando hacia el lado superior,
como se deduce especialmente en la figura 2.
De las figuras 2 y 4, se deduce también el
diseño de construcción de la segunda placa 32, que presenta un
orificio para la salida de masa 42, el cual se conecta
inmediatamente con la zona de homogeneización del flujo másico 36.
Este orificio para la salida de masa y/o el paso anular 42, tiene
como resultado, junto con la aguja 44, con la perforación para
agentes precipitantes 46, la estructura de alta precisión de la
tobera 48. El ejemplo de ejecución de silicio monocristalino,
presentado en las figuras 2 y 4 tiene, por ejemplo, un espesor de la
primera placa de 0,4 mm, un espesor de la segunda placa de 0,1 mm,
un diámetro exterior de la aguja de 0,05 mm, una longitud de la
aguja, inclusive cabo de aguja, de 0,15 mm, un diámetro de la
perforación para agentes precipitantes de 38, en el campo expandido
de 0,1 mm, un diámetro exterior del paso anular 42 de 0,1 mm y una
longitud del paso anular 42 de 0,1 mm. La altura del cuerpo
principal 26, es decir la altura de la tobera de hilar completa 10,
es, según esto, de 0,5 mm, mientras que, una longitud del canto del
cuerpo principal 26, de la tobera de hilar 10, es de 2 mm.
En la fabricación de toberas de hilar para
fibras huecas mediante tecnología microestructural, se parte de 2
discos de oblea circulares de 100 a 300 mm de diámetro. A partir de
estas obleas son producidas, simultáneamente, muchas estructuras de
toberas para hilar. Las toberas de hilar para fibras huecas
individuales 10 se obtienen, pues, mediante la separación de las
obleas acabadas. Las toberas de hilar aisladas, separadas pueden
contener una estructura de tobera única, como se presenta aquí, pero
también varias estructuras de tobera en un compuesto de estructuras
de tobera respectivamente. Esto se logra, por el hecho de que no
todas las estructuras de tobera, que fueron formadas sobre la
oblea, se encuentran separadas entre sí, sino que varias estructuras
de tobera juntas, forman una unidad de tobera múltiple, que son
recortadas mediante la oblea a lo largo de su contorno exterior.
La fabricación de las toberas para hilar 10,
comienza con la estructuración bilateral de una primera oblea, que
absorbe los elementos 34, 36, 38, 40 de la placa 30 de la tobera
para hilar 10. Las estructuras sobre la oblea son producidas
mediante una serie de procedimientos estándar de litografía, es
decir máscaras de materiales fotoresistentes, SiO,
Si-N o similar, y con procedimientos estándar de
corrosión. En los procedimientos estándar de corrosión, se
recomienda especialmente el grabado por iones reactivos (RIE), el
grabado profundo por iones reactivos (DRIE) y el criograbado.
Particularmente adecuados, son procedimientos especiales de grabado
profundo, como el D-RIE y el criograbado. Las
máscaras de litografía deben ser alineadas ópticamente entre sí,
entre la cara frontal y la cara posterior. Posteriormente, la
segunda oblea, de la cual será producida la segunda placa, es unida
a la primera oblea estructurada respectivamente. Para esto, se
pueden emplear todos los procedimientos de unión, la unión por
anodizado, la unión directa, o similar.
Sin embargo, especialmente adecuado es la unión
directa, para que sea lograda la resistencia más alta y para que sea
garantizado un buen sostén de la aguja sobre la primera placa. En el
próximo paso, la estructura de la tobera 48 con paso anular 42 y
perforación para agentes precipitantes 46, es producida en un
procedimiento de corrosión de dos etapas. En el primer paso, sólo la
perforación para agentes precipitantes inferior es empujada hacia
adelante. En un segundo paso, ambas estructuras son, pues, corroídas
para su acabado. Para la aplicación, se acude nuevamente a los
procedimientos nombrados de litografía y corrosión, aconsejándose
aquí, más bien, el empleo de procedimientos de grabado profundo más
que en la elaboración de la primera oblea. En el último paso, las
toberas para hilar individuales, como ya se ha descrito
anteriormente, son recortadas de la oblea mediante procedimientos de
separación adecuados como el corte de oblea o el maquinado mediante
láser.
Mediante las figuras 3 y 5, son explicadas otras
ejecuciones alternativas de la invención. Aquí se muestra una tobera
de hilar para fibras huecas 10, para la fabricación de una fibra
hueca coextrusionada de dos capas. Aquí se muestra una tobera de
hilar para fibras huecas 10, con un cuerpo principal 100 compuesto
de tres placas individuales 102, 104 y 106. Las diferentes placas se
componen, a su vez, de silicio monocristalino. En la primera placa
102, queda excluido un canal de conducción 108 para el agente
precipitante. Los canales de conducción están destinados,
adicionalmente, a un primer polímero, los cuales desembocan en una
zona de homogeneización 114 correspondiente.
En la segunda placa 104, queda igualmente
excluida una perforación para agentes precipitantes 118, que se
encuentra rodeada de otro cabo de aguja 120 y de un espacio anular
122. Además, otros canales de conducción 124 con zona de
homogeneización posterior, quedan excluidos de la segunda placa 104.
Finalmente, la tercera placa 106 presenta dos pasos anulares 128 y
130 para los materiales polímeros correspondientes, que deben ser
coextrusionados, así como una aguja 132 con perforación para agentes
precipitantes 134. En las variantes de las figuras 3a, 3b y 3c, los
canales de conducción están acondicionados de manera diferente
respectivamente. Mientras en la variante de la ejecución, conforme a
la figura 3a, el canal de conducción 124 está destinado únicamente
al segundo polímero en la segunda placa 104, éste pasa en la
variante, según la figura 3b, tanto por la segunda placa 104 como
también por la tercera placa 106. En la variante de ejecución,
conforme a la figura 3c, el canal de conducción 124 para el segundo
polímero, pasa por la segunda placa 104 y la primera placa 102,
como aquí se presenta en la figura 3c. La representación
esquemática, conforme a la figura 5, corresponde al corte conforme a
la figura 3a, volviéndose aquí evidente, que 8 los canales de
conducción 112 están dispuestos en forma de estrella, mientras que
sólo 4 canales de conducción 124 están dispuestos en forma de
cruz.
Las tres placas 102, 104 y 106 son, a su vez,
empalmadas entre sí hacia el cuerpo principal 100, mediante un
procedimiento adecuado de unión. Por lo demás, el procedimiento de
fabricación para la tobera de hilar para fibras huecas 10,
corresponde, conforme a las figuras 3 y 5, análogamente a lo que ya
se ha descrito en detalle mediante las figuras 2 y 4.
Claims (9)
1. Tobera de hilar para fibras huecas en la
cual, en un cuerpo principal, están formados canales para agentes
precipitantes/para agentes de sostén y canales para conducción de
masa y una estructura de la tobera unida a éstos, dispuesta de un
orificio para salida de masa y de una aguja con perforación para
agentes precipitantes/agentes de sostén, caracterizada porque
al menos dos cuerpos con forma de placa, estructurados mediante una
tecnología microestructural, están acoplados al cuerpo
principal.
2. Tobera de hilar para fibras huecas conforme a
la reivindicación 1, caracterizada porque se compone de
silicio monocristalino, arseniuro de galio (GaAs) o de germanio.
3. Tobera de hilar para fibras huecas conforme a
la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque el orificio
para salida de masa es un paso anular.
4. Tobera de hilar para fibras huecas conforme a
una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque se
compone de dos placas, quedando excluidos de la primera placa los
canales para la conducción de masa, una zona de homogeneización del
caudal másico, una perforación para la conducción de agentes
precipitantes/agentes de sostén y un cabo de aguja, mientras que de
la segunda placa quedan excluidos, una estructura de la tobera con
paso anular de masa y una aguja con una perforación para agentes
precipitantes/agentes de sostén.
5. Tobera de hilar para fibras huecas conforme a
una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque se
compone de dos placas, quedando excluidos de la primera placa una
perforación para la conducción de agentes precipitantes/agentes de
sostén, mientras que, de la segunda placa, quedan excluidos los
canales de conducción de masa, una zona de homogeneización del
caudal másico y una estructura de la tobera con paso anular de masa
y una aguja con una perforación para agentes precipitantes/agentes
de sostén.
6. Tobera de hilar para fibras huecas conforme a
la reivindicación 4 o 5, caracterizada porque sus componentes
individuales presentan las siguientes dimensiones:
- Espesor de la primera placa:
- 0,250 - 1,500 mm
- Espesor de la segunda placa:
- 0,050 - 1,500 mm
- Diámetro exterior de la aguja:
- 0,020 - 1,500 mm
- Longitud de la aguja incl. cabo de aguja:
- 0,100 - 2,000 mm
- Diámetro de la perforación para agentes precipitantes:
- 0,010 - 1,000 mm
- Longitud de la perforación para agentes precipitantes:
- 0,150 - 2,500 mm
- Diámetro exterior del paso anular:
- 0,040 - 3,000 mm
- Longitud del paso anular:
- 0,050 - 1,500 mm
- Altura de la tobera de hilar:
- 0,300 - 3,000 mm
- Longitud del canto de la tobera de hilar:
- 1,000 - 25,00 mm.
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7. Tobera de hilar para fibras huecas conforme a
una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque se
compone de tres placas, comprendiendo la primera placa canales de
conducción, una zona de homogeneización y un cabo de aguja con una
perforación central de conducción; una segunda placa, que se conecta
a la primera placa, y que presenta canales de conducción, una zona
de homogeneización y un cabo de aguja adicional con un canal anular
concéntrico, así como una prolongación de la aguja con una
perforación central; y una tercera placa, que se conecta a su vez a
a la segunda placa, y que presenta una estructura de la tobera
compuesta de una perforación central y de dos pasos anulares
concéntricos.
8. Tobera de hilar para fibras huecas conforme a
una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el
cuerpo principal está constituido por tres placas individuales; la
primera placa presenta una perforación central de conducción, una
placa conectada a la primera placa, canales de conducción paralelos
y zonas de homogeneización adjudicadas a éstos, así como un cabo de
aguja con un canal anular concéntrico y con una perforación central;
la tercera placa, conectada a la segunda placa, presenta una
estructura de la tobera compuesta de una perforación central y de
dos pasos anulares concéntricos.
9. Tobera de hilar para fibras huecas conforme
las reivindicaciones 7 u 8, caracterizada porque el diámetro
exterior de la tobera de hilar multicanal para fibras huecas es
menor a 1 mm, preferentemente menor o igual a 0,45 mm.
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