IT201600083000A1 - Dispositivo microfluidico per la spruzzatura termica di un liquido contenente pigmenti e/o aromi con tendenza all'aggregazione o al deposito - Google Patents

Description

"DISPOSITIVO MICROFLUIDICO PER LA SPRUZZATURA TERMICA DI UN LIQUIDO CONTENENTE PIGMENTI E/0 AROMI CON TENDENZA ALL'AGGREGAZIONE 0 AL DEPOSITO"

La presente invenzione è relativa ad un dispositivo microfluidico per la spruzzatura termica di un liquido contenente pigmenti e/o aromi con tendenza all'aggregazione o al deposito.

Come noto, per la spruzzatura termica di inchiostri e/o aromi, per esempio in stampanti e profumi è stato proposto l'uso di dispositivi microfluidici di piccole dimensioni, realizzabili con le tecniche di fabbricazione microelettronica .

Ad esempio, il brevetto statunitense US 9.174.445 descrive un dispositivo microf luidico adatto per la spruzzatura termica di inchiostro su carta.

La Fig. 1 mostra una camera 11 di un dispositivo microfluidico 10 per la spruzzatura termica di inchiostri e aromi analogo a quanto descritto nel brevetto succitato. La camera 11 mostrata in figura 1 è realizzata all'interno di uno strato di camere 12 ed è delimitata inferiormente da uno strato sottile 13, di materiale dielettrico, e superiormente da una piastra per ugelli 14.

Un ugello 15 è realizzato attraverso la piastra per ugelli 14 e ha una prima porzione 15A, rivolta verso la camera 11, e una seconda porzione 15B, rivolta in direzione opposta (verso l'esterno del dispositivo microfluidico 10). La prima porzione 15A è significativamente più ampia della seconda porzione 15B. Un riscaldatore 20 è realizzato all'interno dello strato sottile 13, in modo tale da essere adiacente alla camera 11 e posizionato in corrispondenza dell'ugello 15. Il riscaldatore 20 può avere un'area di approssimativamente 40x40 pm2 e generare ad esempio 3,5 pj di energia, ed è in grado di raggiungere una temperatura massima di 450°C in 2 ps.

La camera 11 è dotata inoltre di un accesso fluidico 21 che permette l'ingresso e il trasporto del liquido all'interno della camera 11, come indicato da una freccia L. Nell'accesso fluidico 21 può essere formata una pluralità di colonne, non visibili in figura 1, aventi la funzione di impedire a particelle voluminose di bloccare l'accesso fluidico 21.

Nel dispositivo microfluidico 10 le camere 11 sono collegate tramite gli accessi fluidici 21 ad un sistema di alimentazione non mostrato.

Nelle Fig. 2A-2E è illustrato schematicamente il funzionamento della camera 11. Il liquido L giunge nella camera 11 passando attraverso l'accesso fluidico 21, Fig. 2A, formando uno strato di liquido 16 di ad esempio 0,3 μπι di spessore. Il riscaldatore 20 scalda lo strato di liquido 16 fino ad una temperatura prefissata, Fig. 2B. Tale temperatura viene scelta, in base al liquido utilizzato, in modo esso raggiunga istantaneamente l'ebollizione, ad esempio ad una temperatura prossima a 300°C. In questa situazione, la pressione cresce ad un livello elevato, ad esempio circa 5 atmosfere, formando una bolla di vapore 17, che scompare dopo qualche microsecondo, ad esempio 10-15 ps, come mostrato nelle Figg. 2C-2D. La pressione così generata spinge una goccia di liquido 18 attraverso l'ugello 15, dopo di che lo strato di liquido 16 torna nella condizione iniziale, Fig. 2E.

L'intero ciclo si ripete fino a diecimila volte al secondo, alimentato dal liquido che giunge continuamente attraverso l'accesso fluidico 21.

Molti fluidi utilizzati nei dispositivi di spruzzatura termica contengono pigmenti che tendono ad aggregarsi facilmente, causando nel tempo l'intasamento del sistema di alimentazione e quindi il mancato di funzionamento del dispositivo di spruzzatura termica.

Per ovviare a questo problema sono stati proposti mezzi di movimentazione liquido esterni. Ad esempio, è stato proposto un sistema esterno di pompe e regolatori di pressione, come illustrato in Fig. 3. Mediante il sistema mostrato, indicato complessivamente con 25, il liquido viene costantemente filtrato in uno stadio di filtro e controllo pressione 26, allo scopo di evitare il blocco degli ugelli 15 . Un riscaldatore 27 ha lo scopo di tenere il liquido a temperatura costante, ad esempio a 40°C, e questo viene mantenuto in circolazione continua per mezzo di ciascuna delle camere 11 attraverso di una pompa 28.

Inoltre il sistema 25 mostrato in figura 3 genera un "vuoto di menisco", ovvero una leggera pressione negativa all'interno delle camere 11 che mantiene gli ugelli 15 in condizioni ottimali e pronti a emettere il liquido. Il sistema può anche rimuovere continuamente le bolle dal liquido per mezzo di un degasatore 29.

Tuttavia, questa soluzione al problema dell'aggregazione dei pigmenti presenta lo svantaggio di richiedere un sistema di ricircolazione voluminoso ed esterno al dispositivo per spruzzatura termica. Esso è inoltre costoso.

Scopo della presente invenzione è mettere realizzare un dispositivo microfluidico che superi gli inconvenienti della tecnica nota, avente un sistema di ricircolazione semplice ed efficace che eviti l'aggregazione dei pigmenti.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un dispositivo microfluidico per la spruzzatura termica di un liquido ed un metodo per prevenire il deposito o l'aggregazione di particelle in un liquido in un dispositivo microf luidico, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione ne viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 è una sezione trasversale prospettica di una camera di un dispositivo noto per la spruzzatura termica;

- le figure 2A-2E illustrano il funzionamento di della camera di Fig. 1;

- la figura 3 è una rappresentazione schematica a blocchi di un sistema esterno di ricircolazione;

- la figura 4 è una vista dall'alto, con parti in trasparenza, di una forma di realizzazione del presente dispositivo per la spruzzatura termica; e

- la figura 5 è una sezione trasversale di una porzione del dispositivo di figura 4.

La Fig. 4 mostra un dispositivo per la spruzzatura termica 50 comprendente una pluralità di camere 51, un canale di circolazione 52, e mezzi di movimentazione liquido 53. In figura 4 è mostrato inoltre in trasparenza uno strato superiore costituente una piastra per ugelli 57, del quale sono visibili solo ugelli 58, come discusso più in dettaglio in seguito con riferimento alla figura 5.

Le camere 51 possono essere realizzate analogamente a quanto mostrato in figura 1, cui si fa riferimento, e sono dotate ciascuna di un riscaldatore di camera 70.

Nella forma di realizzazione mostrata, il canale di circolazione 52 si estende lungo una linea chiusa circondante la pluralità di camere 51 ed è collegato fluidicamente ad un canale di alimentazione 54, mostrato solo schematicamente, cui, in uso, viene alimentato un liquido L. Ciascuna camera 51 è collegata al canale di circolazione 52 mediante un rispettivo canale di accesso liquido 59.

I mezzi di movimentazione liquido 53 sono qui formati nel canale di circolazione 52.

Come mostrato in dettaglio in figura 5, il canale di circolazione 52 e la pluralità di camere 51 sono realizzati all'interno di uno strato di camere 55, sono delimitati inferiormente da uno strato sottile 56 e superiormente da una piastra per ugelli 57, come visibile in particolare in figura 5. Al di sotto dello strato sottile 56 è presente un substrato 65, ad esempio di materiale semiconduttore, quale silicio monocristallino.

Lo strato di camere 56, analogo allo strato di camere 12 di figura 1, è costituito ad esempio materiale polimerico, quale dry film, e può essere realizzato usando tecniche di laminazione, di reflow, litografiche e/o di rimozione, in modo noto nella tecnica dei microiniettori. In alternativa, esso può essere stampato e incollato sopra allo strato sottile 56, oppure realizzato incollando strutture di silicio scavato.

Lo strato sottile 56, analogo allo strato di sottile 13 di figura 1, è di materiale isolante, ad esempio di materiale dielettrico, quale ossido di silicio o/e nitruro di silicio.

La piastra per ugelli 57, analoga alla piastra per ugelli 14 di figura 1, può essere costituita ad esempio da uno strato di materiale polimerico stampato e fissato allo strato di canale camere 55.

Come già indicato e analogamente alla figura 1, all'interno della piastra per ugelli 57 è presente una pluralità di ugelli 58, ciascuno in corrispondenza di una rispettiva camera 51.

I mezzi di movimentazione liquido 53 sono costituiti qui da un riscaldatore di canale 60 e da una pluralità di resistenze fluidiche 61.

Il riscaldatore di canale 60 è realizzato come i riscaldatori di camera 70. In particolare, il riscaldatore di canale 60 è formato da una o più strisce di materiale conduttivo, formate nello strato sottile 56 al di sotto del canale di circolazione 52. Ad esempio, il riscaldatore di canale 60 può essere realizzato da strati di materiali metallici come tantalio, alluminio, tantalio silicio nitruro, materiali polimerici opportunamente lavorati, e di leghe di tantalio e alluminio, di silicio cromo, di nitruro di tantalio silicio o di nitruro di tungsteno silicio. Il riscaldatore di canale 60 è collegato, tramite contatti 75 e linee di connessione elettrica 72, ad una unità di comando e alimentazione 76, includente un elemento di commutazione, ad esempio un interruttore 74, ed un generatore di alimentazione 73. Il riscaldatore 60 e le linee di connessione elettrica 72 possono essere realizzati secondo la tecnica dei semiconduttori tramite deposito e/o sputtering, mascheratura e attacco chimico.

Le resistenze fluidiche 61 sono qui costituite da pareti 63 estendentisi all'interno del canale di circolazione 52 in posizione adiacente al riscaldatore di canale 60, in particolare a conte del riscaldatore di canale 60, in una direzione di movimento del liquido, indicata da frecce. Le pareti 63 possono essere realizzate dello stesso materiale dello strato di camere 55 e sono definite nella stessa fase di fabbricazione, tramite mascheratura e attacco o stampaggio di materiale polimerico.

In particolare, le pareti 63 si estendono da due lati 52A, 52B, reciprocamente opposti, del canale di circolazione 52 in direzione inclinata rispetto ad un piano verticale mediano A, estendentesi longitudinalmente al canale di circolazione 52 nella zona considerata. Le pareti 63 si estendono qui per tutta l'altezza del canale di circolazione 52. Nella forma di realizzazione mostrata, le pareti 63 sono affacciate a due a due, formando coppie di pareti 63, in cui ciascuna coppia di pareti comprende una prima ed una seconda parete 63A, 63B, disposte specularmente rispetto al piano verticale mediano A del canale di circolazione 52. In questo modo, ciascuna coppia di pareti 63A, 63B crea una riduzione della sezione di passaggio del liquido tale da bloccare le bolle che si formano al di sopra del riscaldatore di canale 60, come spiegato in dettaglio in seguito.

In uso, il riscaldatore di canale 60 viene attivato attraverso l'interruttore 74 durante le fasi di inattività del dispositivo per la spruzzatura termica 50 (e quindi dei riscaldatori di camera 70) e funziona analogamente al riscaldatore 20 della tecnica nota per quanto riguarda la formazione di bolle. In particolare, il riscaldatore di canale 60 scalda lo strato di liquido che si trova nel canale di circolazione 52 in corrispondenza del riscaldatore di canale 60 fino ad una temperatura a cui si forma una bolla di vapore, la quale successivamente esplode. L'esplosione della bolla genera una spinta nel liquido che ne provoca qui il movimento all'interno e lungo il canale di circolazione 52. La presenza delle resistenze fluidiche 61 in posizione adiacente al riscaldatore di canale 60 garantisce che la spinta impressa dalla bolla al liquido sia rivolta esclusivamente in direzione opposta a dette resistenze fluidiche 61, permettendo così di ottenere una circolazione stabile e continua.

Come indicato, il riscaldatore di canale 60 viene attivato mediante l'interruttore 74 quando il processo di spruzzatura termica è inattivo, mantenendo un continuo flusso di liquido all'interno del canale di circolazione 52 e impedendo quindi la stasi e l'aggregazione di pigmenti presenti nel liquido quando esso non viene convogliato verso le camere 51.

Il dispositivo per la spruzzatura termica 50 qui descritto risulta vantaggioso rispetto alle soluzioni note in quanto permette di ovviare al problema dell'aggregazione dei pigmenti nel liquido senza ricorrere ad un complesso e ingombrante sistema di ricircolazione del liquido esterno al dispositivo, ma integrando mezzi di movimentazione liquido 53 all'interno dello stesso dispositivo per la spruzzatura termica 50.

Risulta infine chiaro che al dispositivo e al metodo qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, la forma e la disposizione del canale di circolazione 52 può variare rispetto a quanto mostrato; in particolare il canale di circolazione 52 potrebbe non circondare le camere 51 e/o avere un andamento secondo linee più complesse, a esempio a meandro. Le resistenze fluidiche potrebbero essere realizzate tramite differenti soluzioni, ad esempio tramite strozzature nel canale di circolazione 52, oppure dimensionando opportunamente delle valvole di Tesla, ad esempio come realizzate secondo il brevetto statunitense US 1,329,559 (vedasi anche http://www.epicphysics .com/model-engine-kits/tesla-turbinekit/the-tesla-valve/) .

La disposizione delle camere 51 può differire rispetto a quella mostrata. Ad esempio, le camere 51 possono essere disposte in una corona circolare, ad S o in altra configurazione, non lineare.

Il canale di circolazione 52 può essere collegato solo ad alcune delle camere 51. Ad esempio, le camere 51 possono essere divise in diversi settori, e le camere di settori differenti possono essere collegate a canali di alimentazione differenti, ad esempio contenere liquidi diversi. In questo caso, il canale di circolazione può essere collegato solo alle camere 51 di uno dei settori. In questo caso, si ha il vantaggio che il ricircolo può essere dedicato ed adattato ad alcune camere 51 invece che a tutte. Questo permette di avere camere 51 dedicate a fluidi con tendenza ad aggregarsi mentre altre camere 51 dedicate ad fluidi gestibili meno problematici. Per esempio, alcune camere 51 posso essere dedicate a profumi con tendenza ad aggregarsi e quindi collegate ad un canale di circolazione 52 dedicato, mentre altre camere 51, dedicate ad umidificare con acqua, non hanno ricircolo.

L'unità di comando e alimentazione 76 può essere integrata nel dispositivo 50 o disposta su di un dispositivo separato.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo microfluidico (50) per la spruzzatura termica di un liquido, comprendente: un corpo (55) formante una pluralità di camere (51); una pluralità di ugelli (58) disposti al di sopra delle camere (51); una pluralità di riscaldatori di canale (60) in prossimità delle camere (51); un accesso (del) liquido (59) collegato con le camere; e un canale di circolazione (52) integrato nel corpo (55) e collegato con l'accesso liquido (59).
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre mezzi di movimentazione liquido (53) accoppiati al canale di circolazione (52).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui i mezzi di movimentazione (53) comprendono un riscaldatore di canale (60) disposto lungo il canale di circolazione (52).
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui il riscaldatore di canale (60) è formato in uno strato elettricamente isolante adiacente al canale di circolazione (52).
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, comprendente inoltre mezzi di connessione elettrica selettiva (72, 74, 75) configurati per accoppiare/disaccoppiare il riscaldatore di canale (60) ad un generatore di alimentazione (73).
6. 6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il canale di circolazione (52) si estende lungo una linea chiusa.
7. 7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il canale di circolazione (52) si estende intorno alle camere (51).
8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un percorso fluidico estendentesi fra l'accesso liquido (59) e le camere (51) e formante parte del canale di circolazione (52).
9. 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-8, comprendente inoltre una resistenza fluidica (61) disposta lungo il canale di circolazione (52).
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, in cui la resistenza fluidica (61) è adiacente ai mezzi di movimentazione liquido (53).
11. 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui la resistenza fluidica (61) comprende una pluralità di pareti (63) estendentisi attraverso il canale di circolazione (52).
12. 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, in cui le pareti (63) comprendono coppie di pareti estendentisi da lati opposti del canale di circolazione (52) e formanti zone di passaggio a sezione ridotta.
13. 13. Metodo per prevenire il deposito o l'aggregazione di particelle in un liquido in un dispositivo microfluidico (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-12, comprendente: fare circolare il liquido in un canale di circolazione (52) integrato nel dispositivo.
14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui fare circolare comprende: riscaldare il liquido nel canale di circolazione (52) tramite un riscaldatore di canale (60); e generare bolle nel liquido.
15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 13 o 14, comprendente creare una direzione di circolazione privilegiata di flusso del liquido nel canale di circolazione (52) tramite resistenze fluidiche (61) in prossimità del riscaldatore di canale (60).
16. 16. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-15, comprendente interrompere la circolazione del liquido nel canale durante il funzionamento del dispositivo microfluidico (50).