KR100880005B1 - Split and recombine micro-mixer with chaotic mixing - Google Patents

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김기돈
한창수
윤여환
최재훈
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한국기계연구원
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Abstract

An SAR micromixer having chaotic mixing is provided to allow the separation and the mixing to be carried out repeatedly, thereby improving the mixing efficiency of two fluids. An SAR micromixer having chaotic mixing comprises an input hole, a mixture channel part and an output hole to mix different fluids, wherein the mixture channel part comprises first and second channel plates(20a, 20b) which have a center penetration hole(21) and a channel penetration hole(22) formed radially; a first partition(30a) installed to be in contact with the first channel plate and having a penetration hole at the center; and a second partition(30b) installed to be in contact with the second channel plate and having an outer penetration hole(32) at the part in contact wit the outermost side of the second plate channel penetration hole.

Description

카오틱 믹싱을 갖는 SAR 마이크로 믹서{Split and Recombine Micro-mixer with Chaotic Mixing}SARR micromixer with chaotic mixing {Split and Recombine Micro-mixer with Chaotic Mixing}

본 발명은 카오틱 믹싱을 갖는 SAR 마이크로 믹서에 관한 것으로, 더 상세하게는 마이크로믹서 중 수동형 믹서인 SAR믹서와 카오틱믹서를 하나로 통합한 믹서 모델을 제공하되, SAR 믹서의 빠른 유속에 대해 안정적으로 혼합기능과 카오틱 믹서의 카오틱 흐름을 유도하여 혼합효율을 높인 기능을 모두 내재되도록 유체가 흐르는 채널 내에 돌기를 형성하여 SAR 모델에 카오틱 믹싱이 이루어지도록 하는 등 두 액체간에 신속한 혼합이 가능한 카오틱 믹싱을 갖는 SAR 마이크로믹서에 관한 것이다.The present invention relates to a SAR micro mixer with chaotic mixing, and more particularly, to provide a mixer model integrating a SAR mixer and a chaotic mixer, which are passive mixers among the micromixers, into a stable mixer for a high speed of the SAR mixer. Cao capable of rapid mixing between two liquids such as chaotic mixing in the SAR model by forming projections in the channel through which the fluid flows to induce the mixing function and the chaotic flow of the chaotic mixer to increase the mixing efficiency. A SAR micromixer with tick mixing is provided.

유체를 혼합하는 방법으로는 난류혼합과 확산에 의한 혼합이 있다. 상기 난류혼합의 경우에는 레이놀드(Reynolds) 수가 큰 것을 이용하여 유체 내에서 프로펠러를 돌리거나, 자기 구슬(magnetic bead) 등의 움직이는 보조부재를 유체 내에 도입하여 이들을 통해 난류(turbulent flow)를 유발함으로써 효과적인 유체혼합을 얻 는 것이다. 그러나 초소형인 마이크로 단위의 시스템의 경우 레이놀드 수가 크게 줄어들어 층류(laminar flow) 외에 난류가 형성되지 않으므로, 확산(diffusion)에 의한 혼합방법이 사용되고 있다. Methods of mixing the fluid include turbulent mixing and mixing by diffusion. In the case of the turbulent mixing, by using a large Reynolds number to rotate the propeller in the fluid, or by introducing a moving auxiliary member such as magnetic beads (magnetic bead) into the fluid to induce turbulent flow (turbulent flow) through them Effective fluid mixing. However, in the case of the micro-micro system, the number of Reynolds is greatly reduced and turbulence is not formed in addition to the laminar flow, so a mixing method by diffusion is used.

즉, 레이놀드(Reynolds) 수가 1000 이하의 서로 다른 유체는 확산에 의해서 혼합이 발생하며, 낮은 레이놀드 수를 갖는 유체의 혼합에서 확산 효과를 높이기 위해서는 상이한 유체의 접촉면적을 증가시킴으로써 가능하다. 마이크로 믹서는 대표적인 층류 유동이 존재하는 형태이며 이와 같은 마이크로 믹서는 혼합을 유도하는 방식에 따라 능동형과 수동형으로 나뉜다. In other words, different fluids having a Reynolds number of 1000 or less are mixed by diffusion, and it is possible to increase the contact area of different fluids in order to increase the diffusion effect in mixing a low Reynolds number fluid. The micromixer is a form in which a typical laminar flow exists, and such a micromixer is divided into an active type and a passive type according to a method of inducing mixing.

상기 능동형 믹서는 외부로부터 에너지를 전달받아 유체의 혼합을 돕는 형태로 일반적으로 복잡한 제작과정이 필요하며 유체에 에너지를 전달하기 위해서 특별한 구조를 가져야 한다. 대표적인 능동형 mixer에는 magnetic stir bar, acoustic cavitation cell 등이 있다. The active mixer is a form that helps the mixing of the fluid by receiving energy from the outside generally requires a complicated manufacturing process and has a special structure to deliver energy to the fluid. Typical active mixers include magnetic stir bars and acoustic cavitation cells.

이와 반대로 수동형 mixer 의 경우 채널의 구조적 특성을 이용하여 혼합 특성을 개선한 것으로, 상기 능동형에 비하여 제작이 용이한 특성을 갖고 있으며 다양한 채널 구조에 적용 가능한 장점이 있다. 이러한 수동형 mixer 는 채널내에서 카오틱(chaotic) 흐름을 유도하여 혼합효율을 높인 카오틱 믹서와, 분리와 혼합과정을 반복적을 수행하여 효율을 향상시킨 SAR(Split and recombine) 믹서로 나뉜다. On the contrary, the passive mixer improves the mixing characteristics by using the structural characteristics of the channel. The passive mixer has the characteristics that are easier to manufacture than the active type and can be applied to various channel structures. These passive mixers are divided into chaotic mixers that induce chaotic flow in the channel to increase mixing efficiency and split and recombine (SAR) mixers that improve efficiency by performing separation and mixing processes repeatedly.

상기 카오틱 믹서는 Science 에 게재된 A.D. Stroock 의 논문이후 많은 관련 연구가 진행 되었다. 100 이하의 Reynolds 수를 갖는 유체에 대하여 채널 내부의 패터닝을 통해 혼합율을 개선하였다. SAR 믹서는 일반적으로 빠른 유속에 대하여도 안정적인 혼합을 이루는 것으로 알려져 있으며 Engineering 분야에서 가장 광범위하게 사용된다.The chaotic mixer is described in A.D. Since Stroock's thesis, many related studies have been conducted. The mixing rate was improved through patterning inside the channel for fluids with Reynolds numbers below 100. SAR mixers are generally known to achieve stable mixing even at high flow rates and are the most widely used in engineering.

이와같이 상기 카오틱믹서와 SAR믹서는 개별적인 연구가 활발히 진행되고 있으나, 각각의 장점을 접목한 혼합형의 개발은 미비한 실정으로 이에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있다.As such, the chaotic mixer and the SAR mixer have been actively researched separately, but the development of a hybrid type combining the advantages of each is insufficient.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 카오틱 믹싱을 갖는 SAR 마이크로믹서는, SAR micromixer with chaotic mixing of the present invention for solving the above problems,

유체를 유입하는 유입구와 유입된 유체가 유동되는 채널이 형성된 혼합채널부와 혼합된 유체를 배출하는 배출구로 이루어져 서로 다른 유체를 혼합하는 마이크로 믹서에 있어서, 상기 혼합채널부는, 중앙에 중심통공이 형성되고, 상기 중심통공을 중심으로 방사상으로 길게 유로통공이 형성된 제1 및 제2채널판과; 상기 제1채널판에 접하여 설치되고, 중앙에 통공이 형성된 제1격판과; 상기 제2채널판에 접하여 설치되고 상기 제2채널판 유로통공의 최외측과 접하는 부분에 외측통공이 형성된 제2격판;이 순차적으로 다수 적층되어 구성된다.In the micro mixer for mixing the different fluids consisting of the inlet for the fluid inlet and the mixing channel portion formed with a channel through which the inflowing fluid flows and the outlet for discharging the mixed fluid, the mixing channel portion, the central hole is formed in the center First and second channel plates having a flow path formed radially long about the center hole; A first plate installed in contact with the first channel plate and having a hole formed in the center thereof; A second plate installed in contact with the second channel plate and having an outer hole formed at a portion in contact with the outermost side of the second channel plate passage hole;

또한, 상기 제1격판과 제2격판의 일면 또는 양면에는 제1채널판과 제2채널판에 형성된 유로통공과 접하는 부분에 유로통공의 길이방향으로 다수의 확산돌기가 형성된다.In addition, a plurality of diffusion protrusions are formed on one surface or both surfaces of the first and second partition plates in the lengthwise direction of the flow path holes at portions contacting the flow path holes formed in the first channel plate and the second channel plate.

상기 제1격판과 제2격판에 형성된 확산돌기는 유체가 유입되는 부분을 둔각꼭지점으로 하고, 유체배출부분을 밑변으로 하여, 상기 둔각꼭지점을 중심으로 양측 경사면이 돌출된 “ㅅ”자 형태를 갖도록 할 수 있으며, 상기 제1격판과 제2격판에 형성된 확산돌기의 돌출높이는 15 ~ 60㎛로 형성한다.The diffusion protrusions formed on the first and second plates are obtuse vertices at the inflow portion of the fluid and the fluid discharge portion is at the bottom, so that both inclined surfaces protrude from the obtuse vertices. The protruding height of the diffusion protrusions formed on the first plate and the second plate may be 15 to 60 μm.

상기 제1격판의 양면에 각각 접설되는 제1채널판과 제2채널판은 동일축상에서 일정각 비틀려 형성될 수 있으며, 상기 제1채널판과 제2채널판에 형성된 유로통공은 8개로 형성하고, 중심통공을 중심으로 등각을 갖도록 배열되도록 할 수 있다.The first channel plate and the second channel plate, which are respectively attached to both surfaces of the first plate, may be formed to be twisted at regular angles on the same axis, and the channel holes formed in the first channel plate and the second channel plate may have eight channels. And, it can be arranged so as to have an equiangular center around the center hole.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 카오틱 믹싱을 갖는 SAR 마이크로 믹서는,As described in detail above, the SAR micro mixer with chaotic mixing of the present invention,

다양한 채널구조를 제공할 수 있는 SAR믹서의 채널상에 카오틱믹서가 갖는 확산돌기를 형성해 유체가 카오틱흐름으로 유동되면서 분리와 혼합이 반복적으로 이루어져 두 유체의 혼합효율을 향상시키는 효과가 있다.The diffusion protrusion of the chaotic mixer is formed on the channel of the SAR mixer which can provide various channel structures. As the fluid flows through the chaotic flow, the separation and mixing are repeated, thereby improving the mixing efficiency of the two fluids.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시일예에 따른 마이크로믹서의 전체 사시도이 고, 도 2a는 본 발명에 따른 혼합채널부에 내설되는 채널과 격판을 도시한 분리사시도이고, 도 2b는 도 2a로 구성되는 채널 및 격판을 다수 적층한 상태를 도시한 단면도이다.1 is an overall perspective view of a micromixer according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 2a is a separate perspective view showing a channel and a diaphragm in the mixing channel portion according to the present invention, Figure 2b is a channel composed of Figure 2a And a cross-sectional view showing a state in which a plurality of diaphragms are stacked.

본 발명에 따른 카오틱 믹싱을 갖는 SAR 마이크로 믹서(10)는 도1을 참조한 바와같이 혼합채널부(13)를 갖는 몸체와 상기 몸체의 일측단부에 장착되어 서로 다른 두 유체를 몸체 내부로 유입시키는 두개의 유입구(11)와, 상기 몸체의 타측단부에 장착되어 혼합채널부를 통과한 유체를 배출하는 배출구(12)로 구성된다. SAR micro mixer 10 with chaotic mixing according to the present invention is mounted to the body having a mixing channel portion 13 and one side end of the body as shown in Figure 1 for introducing two different fluids into the body It consists of two inlets 11 and the outlet 12 is mounted to the other end of the body for discharging the fluid passing through the mixing channel portion.

여기서 상기 혼합채널부(13)는 도 2a에 도시된 바와같이 제1채널판(20a), 제1격판(30a), 제2채널판(20b), 제2격판(30b)으로 구성된 박판이 반복적으로 적층 구성하여 유체가 이동되는 채널을 형성시킨다. As shown in FIG. 2A, the mixed channel part 13 is a thin plate composed of a first channel plate 20a, a first plate 30a, a second channel plate 20b, and a second plate 30b. Stacking configuration to form a channel through which the fluid is moved.

상기 제1채널판(20a)과 제2채널판(20b)은 중앙에 중심통공(21)이 형성되고, 중심통공을 중심으로 방사상으로 유로통공(22)이 길게 형성되어 유입된 유체가 유로통공을 따라 외측에서 중심으로 또는 중심에서 외측으로 유동되도록 한다. 상기 유로통공(22)은 도시된 바와같이 8개로 형성되거나 4개 또는 12개 등 다양한 수로 형성할 수 있다.The first channel plate 20a and the second channel plate 20b have a central through hole 21 formed at the center thereof, and a flow through hole 22 is formed radially with respect to the central through hole. To flow from outside to center or from center to outside. As illustrated, the flow path through holes 22 may be formed in eight, or may be formed in various numbers such as four or twelve.

상기 제1격판(30a)은 중앙에 통공(31)이 형성되는데, 상기 통공은 제1, 2채널판(20a,20b)에 형성된 중심통공(21)과 동일한 크기로 형성하여 전방 채널판의 유체를 후방 채널판으로 이동되도록 한다. 또한, 상기 제2격판(30b)은 제1 (20a)및 2채널판(20b)에 형성된 유로통공(22)의 최외측과 접하는 부분에 외측통공(32)이 형성되어 전방의 유체가 후방으로 유동되도록 한다.The first plate 30a has a through hole 31 formed in the center thereof. The through hole is formed to have the same size as the center through hole 21 formed in the first and second channel plates 20a and 20b. To be moved to the rear channel plate. In addition, the second plate 30b is formed with an outer through hole 32 in a portion in contact with the outermost side of the flow passage hole 22 formed in the first (20a) and the two channel plate (20b), so that the fluid in front of the rear plate (30b) Allow it to flow.

상기한 바와같이 구성되는 혼합채널부(13) 중 일부분을 참조하여 설명하면, 도 2b에 도시된 바와같이 제2격판(30b)의 외측통공(32)으로 유입된 두 유체는 각각 제1채널판(20a)의 유로통공(22)을 따라 중심통공(21)으로 유동되고, 제1격판(30a)의 통공(31)을 통과하여 제2채널판(20b) 중심통공(21)으로 유동된다. 상기 제2채널판에서는 유로통공(22)을 따라 중심통공(21)에서 외측으로 유동되고, 제2격판(30b)의 외측통공(32)을 통해 다른 채널판으로 이동되면서 중심에서 외측으로 이동되면서 분리되었다가 외측에서 중심으로 다시 합쳐지는 과정이 반복수행된다.Referring to a portion of the mixing channel portion 13 configured as described above, as shown in FIG. 2B, the two fluids introduced into the outer through hole 32 of the second plate 30b are respectively the first channel plate. It flows to the center through-hole 21 along the flow path 22 of 20a, and passes through the through-hole 31 of the 1st partition plate 30a to the center through-hole 21 of the 2nd channel plate 20b. In the second channel plate flows outward from the central hole 21 along the flow path hole 22, and is moved from the center to the outside while moving to the other channel plate through the outer hole 32 of the second plate (30b). The process of being separated and then merged again from the outside to the center is repeated.

도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산돌기가 형성된 격판과 채널판을 도시한 사시도이고, 도 3b는 도 3a로 구성되는 격판과 채널판을 적층한 상태를 도시한 단면도이고, 도 3c는 양면에 확산돌기가 형성된 격판이 적층된 상태를 도시한 단면도이다.3A is a perspective view illustrating a plate and a channel plate having diffusion protrusions according to another embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a cross-sectional view illustrating a state in which a plate and a channel plate formed of FIG. 3A are stacked. It is sectional drawing which shows the state in which the plate | board with the diffusion protrusion formed on both surfaces was laminated | stacked.

도시된 바와같이 제1격판(30a)과 제2격판(30b)의 일면에는 유로통공(22)과 접하는 부분에 확산돌기(33)가 형성된다. 상기 확산돌기(33)는 유로통공(22)의 길이방향으로 다수개가 돌출되어 유동되는 유체가 카오틱 흐름을 갖도록 한다. 이러한 확산돌기(33)는 도 3c를 참조한 바와같이 격판(30a,30b)의 양면에 형성되어 격판과 채널판(20a,20b)에 의해 형성된 채널의 양측면에 확산돌기가 돌출 형성되도록 할 수 있다. As shown in the drawing, a diffusion protrusion 33 is formed at a portion of the first plate 30a and the second plate 30b in contact with the passage hole 22. The diffusion protrusion 33 is a plurality of protruding in the longitudinal direction of the passage hole 22 so that the fluid flowing has a chaotic flow. The diffusion protrusions 33 may be formed on both sides of the diaphragms 30a and 30b as shown in FIG. 3c so that the diffusion protrusions may protrude on both sides of the channel formed by the diaphragms and the channel plates 20a and 20b.

도 4a는 본 발명에 따른 확산돌기가 형성된 기판의 일부분을 도시한 평면도 이고, 도 4b는 확산돌기를 확대도시한 평면도이다. 도시된 바와같이 확산돌기(33)는 채널판(20a,20b)의 유로통공(22) 부분과 접하는 부분에 형성되는 것으로, 유체가 유입되는 부분을 둔각꼭지점으로 하고, 유체배출부분을 밑변으로 하여 상기 둔각꼭지점을 중심으로 양측경사면이 돌출된 “ㅅ”자 형태로 형성된다. 또한, 상기 둔각꼭지점과 밑면을 연결한 내선에 의해 분리된 밑변 L1과 L2는 6:4로 형성하여 경사면의 길이를 달리 형성되게 할 수 있다. 4A is a plan view showing a portion of a substrate on which a diffusion protrusion is formed according to the present invention, and FIG. 4B is an enlarged plan view of the diffusion protrusion. As shown in the drawing, the diffusion protrusion 33 is formed at a portion of the channel plate 20a and 20b that is in contact with the flow passage hole 22, and the fluid inflow portion is an obtuse vertex and the fluid discharge portion is at the bottom side. The oblique vertex is formed in a shape of “s” protruding from both inclined surfaces. In addition, the base L1 and L2 separated by an inner line connecting the obtuse vertex and the bottom may be formed to be 6: 4 so that the length of the inclined surface may be differently formed.

상기 확산돌기(33)는 채널에 층류로 이동되는 유체가 경사진 확산돌기(33)에 부딪쳐 진행속도가 달라지게하여 유체를 서로 엉키게 하는데, 이 과정에서 확산돌기(33) 양측 경사면의 길이를 달리하면 엉키는 과정이 좌우 비대칭으로 이루어져 대칭보다 더 복잡한 엉킴이 이루어지게 하여 접촉면적을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 확산돌기(33)는 채널 내부로의 돌출높이를 15 ~ 60㎛로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 15㎛ 이하로 형성될 경우 카오틱흐름의 제공이 미비하며, 60㎛ 이상으로 형성될 경우에는 유체흐름을 저해함으로 상기 범위내로 형성되는 것이 바람직하다. The diffusion protrusion 33 entangles the fluids by moving the laminar flow in the channel to the inclined diffusion protrusion 33 so that the traveling speed is different. In this process, the lengths of the inclined surfaces on both sides of the diffusion protrusion 33 are increased. Alternatively, the entanglement process can be asymmetrical, resulting in more complex entanglement than symmetry, which can increase the contact area. In addition, the diffusion protrusion 33 is preferably formed to a height of 15 ~ 60㎛ the protrusion height into the channel. When it is formed in the 15㎛ or less, the provision of chaotic flow is inadequate, when formed in 60㎛ or more is preferably formed in the above range by inhibiting the fluid flow.

아울러 도 5는 제1채널판과 제2채널판이 비틀려 설치된 상태를 도시한 개략도로써, 도시된 바와같이 제1격판(30a)의 일면과 타면에 접하여 설치되는 제1채널판(20a)과 제2채널판(20b)은 동일축상에서 일정각 비틀려 형성되도록 하여 각 채널판에 형성된 유로통공(22)이 서로 어긋나게 위치하도록 함으로써, 유체가 격판(30a,30b)과 채널판(20a,20b)을 통과하면서 외측으로 분리되었다가 내측으로 합쳐지는 이동경로에서 축을 따라 일정각 서로 비틀리면서 이동해 혼합효율을 더 향상되도록 할 수 있다. 이 때 상기 비틀리는 각은 도시된 바와같이 8개의 유로통공이 형성된 경우에는 유로통공 사이의 각이 45° 이므로, 22.5° 비틀리도록 하여 두 유로통공 사이에 다른채널판의 유로통공이 위치하도록 할 수 있으며, 유로통공이 4개 형성된 채널판을 사용할 시에는 비틀림각은 45°로 형성할 수 있다. 5 is a schematic view showing a state in which the first channel plate and the second channel plate are twisted, and as shown, the first channel plate 20a and the first channel plate 20a which are installed in contact with one surface and the other surface of the first plate 30a. The two channel plate 20b is formed to be twisted at a predetermined angle on the same axis so that the flow path holes 22 formed in each channel plate are shifted from each other so that the fluid is diaphragm 30a, 30b and the channel plate 20a, 20b. In the moving path that is separated to the outside while passing through and then merged inward to move along the axis at a predetermined angle to each other to improve the mixing efficiency. At this time, the twisted angle is 45 degrees when the eight passage holes are formed as shown, so the angle between the passage hole is 45 °, it is possible to be twisted 22.5 ° so that the passage hole of the other channel plate between the two passage holes. In addition, when using the channel plate formed with four passage holes, the torsion angle can be formed to 45 °.

이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 카오틱 믹싱을 갖는 SAR 마이크로 믹서의 유체흐름을 상세히 설명한다. Hereinafter, the fluid flow of the SAR micromixer having chaotic mixing according to the present invention will be described in detail through the following examples.

본 발명의 마이크로믹서는 Chaotic mixer 와 SAR mixer 를 합하여 유체가 분리와 혼합을 반복적으로 수행하면서 그 혼합된 유체에 카오틱 유동을 부가하여 혼합의 효율을 높이는 연구를 수행하였다. 이와 같은 연구를 수행하기 위하여 상용 프로그램인 CFD-ACE+를 사용하여 수치해석적 접근을 하였다.The micromixer of the present invention combines a chaotic mixer and a SAR mixer to increase the efficiency of mixing by adding chaotic flow to the mixed fluid while repeatedly performing separation and mixing of the fluid. In order to carry out this study, we used a commercial program, CFD-ACE +.

Science 에 게재되었던 논문의 모델이 대하여 수치 해석을 수행하여 mixer 의 길이에 따른 혼합 효율을 정량화 하였으며 chaotic mixing 을 위한 ridge 의 높이에 따른 효과를 같은 모델에 대한 수치 해석으로 분석하였다. Numerical analysis was performed on the model of the paper published in Science to quantify the mixing efficiency according to the mixer length, and the effect of the ridge height for chaotic mixing was analyzed by the numerical analysis on the same model.

SAR 모델에 대하여 동일한 방법으로 수치해석을 통한 분석을 하였으며, 이 SAR 모델에 Chaotic mixing 이 가능하도록 유체가 이동하는 채널에 ridge 를 설계하여 그 효과를 분석하였다.The SAR model was analyzed by numerical analysis in the same way, and the effect was analyzed by designing the ridge in the channel through which the fluid moves to enable chaotic mixing.

서로 다른 액체간의 혼합의 문제에서 두 액체간의 점성, 밀도의 차이가 적어 물성의 차이가 유동장에 크게 영향을 미치지 않을 경우 두 액체의 물성을 하나의 대표값으로 가정할 수 있다. 이러한 경우 유동장을 해석하고 추가적인 수송방정식을 정의하여 해를 구해 혼합 문제를 다룰 수 있다. 그러나 두 액체간의 물성의 차이로 인해 유동장이 영향을 받을 경우 각 액체에 대한 물성 및 두 액체간의 혼합정도에 따른 물성의 변화를 고려해야한다. 본 실험에 사용한 CFD-CAE 는 액체 혼합의 경우 두 액체 간의 혼합 정도에 따른 밀도 계산 모델을 지원하지 않아 user subroutine을 사용하여 밀도를 정의를 하였으며, 점성의 경우 수학식 1과 같은 Mix Polynomial in T(Liq) 모델을 사용하여 화학 종의 질량 분율에 따른 혼합액의 점성을 정의 하였다.In the problem of mixing between different liquids, if the difference in viscosity and density between two liquids is small and the difference in physical properties does not significantly affect the flow field, the physical properties of the two liquids can be assumed as one representative value. In such cases, the flow field can be analyzed and additional transport equations can be defined to solve the solution and address the mixing problem. However, if the flow field is affected by the difference in physical properties between the two liquids, the physical properties of each liquid and the change in physical properties of the two liquids should be considered. CFD-CAE used in this experiment did not support the density calculation model according to the degree of mixing between two liquids in the case of liquid mixing, so the density was defined using the user subroutine. In the case of viscosity, Mix Polynomial in T ( The Liq) model was used to define the viscosity of the mixture according to the mass fraction of the chemical species.

Figure 112007068866522-pat00001
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또한, 확산계수는 상수로 가정하였으며, 표1은 수치해석에 사용한 액체와 그 물성을 나타내었다.In addition, the diffusion coefficient is assumed to be a constant, Table 1 shows the liquid used in the numerical analysis and its physical properties.

Figure 112007068866522-pat00002
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상기 방법에 의한 수치 해석 후 두 액체간의 혼합의 정도를 정량화하기 위하여 수학식 2를 이용하여 혼합효율을 계산하였다.After the numerical analysis by the above method, the mixing efficiency was calculated using Equation 2 to quantify the degree of mixing between the two liquids.

Figure 112007068866522-pat00003
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실시예1Example 1 -  - 카오틱Chaotic 믹싱Mixing 해석 Translate

확산돌기를 갖는 채널의 혼합효율(mixing efficiency)을 계산하기 위하여 도 6의 모델을 사용하였다. 도시된 모델은 실험을 통하여 chaotic mixing 효과를 검증한 모델로 약 3cm 의 길이를 유체가 통과하면 혼합이 완료된 결과를 보여줬다. The model of FIG. 6 was used to calculate the mixing efficiency of the channel with the diffusion protrusions. The model shows the chaotic mixing effect through experiments and shows the result of mixing when the fluid passes about 3cm in length.

본 실시예1에서는 모델의 채널폭, ridge 폭, 각도, 높이를 동일하게 하였으며, 단지 해석 환경을 고려하여 채널의 길이를 6mm 로 제한하여 해석을 수행하였다. In Example 1, the channel width, ridge width, angle, and height of the model were the same, and the analysis was performed by limiting the channel length to 6 mm only in consideration of the analysis environment.

도 7은 도 6에서 12개의 확산돌기를 하나의 set 으로 하여 12개의 확산돌기를 지날 때 출구에서의 혼합효율을 그래프로 나타낸 것이다. 또한 확산돌기의 높이를 15㎛에서 60㎛까지 증가시킬 때의 혼합효율을 도 7에 함께 나타내었다. 확산돌기의 높이에 따른 효과는 12개의 ridge 만을 해석에 포함시켜 출구에서의 혼합효율을 계산하였다.FIG. 7 is a graph showing the mixing efficiency at the exit when 12 diffusion protrusions pass as one set of 12 diffusion protrusions in FIG. 6. In addition, the mixing efficiency when increasing the height of the diffusion projections from 15㎛ to 60㎛ is also shown in FIG. For the effect of the height of the diffusion projections, only 12 ridges were included in the analysis to calculate the mixing efficiency at the outlet.

도 7을 참조한 바와같이 채널의 길이가 늘어나면서 혼합효율은 비례하여 증가하였으나 채널의 길이가 1.5mm 에서 3mm 로 증가할때는 채널 길이의 증가만큼 약 2 배 정도의 혼합효율이 증가하였으나 채널의 길이가 증가할수록 혼합효율의 증가량은 줄어들었다. As shown in FIG. 7, the mixing efficiency increased proportionally as the length of the channel increased, but when the length of the channel increased from 1.5 mm to 3 mm, the mixing efficiency increased about 2 times as the channel length increased, but the length of the channel increased. Increasing the mixing efficiency decreased.

이와 같은 현상은 확산돌기의 높이가 증가 할 때도 나타났으며 확산돌기의 높이가 45 ㎛이상인 경우 혼합효율의 증가는 크게 감소하였다.This phenomenon also appeared when the height of the diffusion protrusions increased, and the increase of the mixing efficiency decreased significantly when the height of the diffusion protrusions was 45 ㎛ or more.

실시예2Example 2 -  - SARSAR 해석 Translate

도 8과 같이 두 유체가 서로 분리와 결합을 반복적으로 수행하면서 혼합을 이루는 모델이다. 도 8은 확산돌기가 있는 모델이며 SAR 해석에서는 확산돌기가 없는 도 9와 같은 1/8 모델이 대하여 수행하였다. 도 9는 두 유체가 혼합된 정도를 색으로 표시하고 있다. As shown in FIG. 8, a mixture of two fluids is performed while repeatedly performing separation and coupling with each other. FIG. 8 is a model with diffused projections and the SAR analysis was performed on a 1/8 model like FIG. 9 without diffused projections. 9 shows the color mixing of the two fluids.

실시예3Example 3 -  - 확산돌기가Diffused projections 형성된  Formed SARSAR 해석 Translate

실시예2의 SAR 모델의 채널에 확산돌기를 추가하여 카오틱 믹싱을 유도하였다. 도 10은 mixer 를 겹쳐놓은 수에 따른 해석 결과를 실시예2의 SAR 모델과 비교하여 보여주고 있으며, 도 11은 각 층 출구에서의 혼합효율을 그래프로 나타내었다.Chaotic mixing was induced by adding a diffuser to the channel of the SAR model of Example 2. FIG. 10 shows the analysis results according to the number of overlapping mixers in comparison with the SAR model of Example 2, and FIG. 11 graphically shows the mixing efficiency at the exit of each layer.

도 10을 참조한 바와같이 겹쳐지는 layer 의 수에 따라 6 ~10% 정도의 혼합효율이 향상됨을 알 수 있다. 4번째 layer 까지 해석을 수행한 결과, 최종적으로 89.9% 의 mixing 효율을 얻었으며 이와 같은 결과는 chaotic mixing 이 없는 SAR 모델인 실시예2의 83.2%에 비해 약 6.7%의 향상됨을 알수 있다.As shown in FIG. 10, it can be seen that the mixing efficiency of about 6 to 10% is improved according to the number of overlapping layers. As a result of the analysis up to the fourth layer, the mixing efficiency of 89.9% was finally obtained, and this result is about 6.7% improvement compared to 83.2% of the SAR model 2 without chaotic mixing.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.In addition, the above-mentioned example is only an example to demonstrate this invention. Therefore, it is obvious that the ordinary skilled in the art to which the present invention pertains uses the partial change with reference to the detailed description.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시일예에 따른 마이크로믹서의 전체 사시도.1 is an overall perspective view of a micromixer according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2a는 본 발명에 따른 혼합채널부에 내설되는 채널과 격판을 도시한 분리사시도.Figure 2a is an exploded perspective view showing the channel and the diaphragm in the mixing channel portion in accordance with the present invention.

도 2b는 도 2a로 구성되는 채널 및 격판을 다수 적층한 상태를 도시한 단면도.2B is a cross-sectional view showing a state in which a plurality of channels and diaphragms formed in FIG. 2A are stacked;

도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산돌기가 형성된 격판과 채널판을 도시한 사시도.Figure 3a is a perspective view showing a plate and a channel plate is formed with a diffusion protrusion according to another embodiment of the present invention.

도 3b는 도 3a로 구성되는 격판과 채널판을 적층한 상태를 도시한 단면도.3B is a cross-sectional view illustrating a state in which a diaphragm and a channel plate of FIG. 3A are stacked.

도 3c는 양면에 확산돌기가 형성된 격판이 적층된 상태를 도시한 단면도.Figure 3c is a cross-sectional view showing a state in which the diaphragm is formed with diffusion projections on both sides.

도 4a는 본 발명에 따른 확산돌기가 형성된 기판의 일부분을 도시한 평면도.Figure 4a is a plan view showing a portion of a substrate on which a diffusion protrusion according to the present invention is formed.

도 4b는 확산돌기를 확대도시한 평면도.Figure 4b is a plan view showing an enlarged diffusion projection.

도 5는 제1채널판과 제2채널판이 비틀려 설치된 상태를 도시한 개략도.5 is a schematic view showing a state in which the first channel plate and the second channel plate are twisted and installed.

도 6은 확산돌기가 형성된 모델을 도시한 개략도.6 is a schematic view showing a model in which diffusion protrusions are formed.

도 7은 채널길이와 확산돌기 높이에 따른 혼합효율을 나타낸 그래프.7 is a graph showing the mixing efficiency according to the channel length and the height of the diffusion projection.

도 8은 카오틱 믹싱을 갖는 SAR 믹서의 개략도.8 is a schematic diagram of a SAR mixer with chaotic mixing.

도 9는 SAR믹서를 이용한 혼합율 계산결과를 색으로 도시한 혼합과정도.9 is a mixing process diagram showing the results of mixing ratio calculation using a SAR mixer.

도 10은 실시예2와 실시예3의 혼합결과를 층별로 대비한 비교도.10 is a comparative view comparing the mixing results of Example 2 and Example 3 by layer.

도 11은 실시예2와 실시예3의 혼합효율을 나타낸 그래프.11 is a graph showing the mixing efficiency of Example 2 and Example 3.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10 : 마이크로믹서 11 : 유입구10: micromixer 11: inlet

12 : 배출구 13 : 혼합채널부12 outlet 13 mixed channel portion

20a, 20b : 제1, 2채널판 21 : 중심통공20a, 20b: first and second channel plate 21: center hole

22 : 유로통공 30a, 30b : 제1, 2격판22: Euro through 30a, 30b: First and second plate

31 : 통공 32 : 통공31: through air 32: through air

33 : 확산돌기33: diffusion protrusion

Claims (7)

유체를 유입하는 유입구(11)와 유입된 유체가 유동되는 채널이 형성된 혼합채널부(13)와 혼합된 유체를 배출하는 배출구(12)로 이루어져 서로 다른 유체를 혼합하는 마이크로 믹서(10)에 있어서,In the micromixer 10 for mixing different fluids consisting of an inlet 11 for introducing a fluid and a mixing channel portion 13 having a channel through which the inflowed fluid flows, and an outlet 12 for discharging the mixed fluid. , 상기 혼합채널부(13)는, The mixing channel unit 13, 중앙에 중심통공(21)이 형성되고, 상기 중심통공을 중심으로 방사상으로 길게 유로통공(22)이 형성된 제1 (20a)및 제2채널판(20b)과;A first (20a) and a second channel plate (20b) having a central through hole (21) formed in the center and having a passage hole (22) extending radially about the central through hole; 상기 제1채널판(20a)에 접하여 설치되고, 중앙에 통공이 형성된 제1격판(30a)과;A first plate 30a installed in contact with the first channel plate 20a and having a hole formed in the center thereof; 상기 제2채널판(20b)에 접하여 설치되고 상기 제2채널판 유로통공의 최외측과 접하는 부분에 외측통공(32)이 형성된 제2격판(30b);이 순차적으로 다수 적층되어 구성됨을 특징으로 하는 카오틱 믹싱을 갖는 SAR 마이크로믹서.A second partition plate 30b installed in contact with the second channel plate 20b and having an outer hole 32 formed at a portion of the second channel plate passage hole in contact with the outermost side thereof; SAR micromixer with chaotic mixing. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1격판(30a)과 제2격판(30b)의 일면에는 제1채널판(20a)과 제2채널판(20b)에 형성된 유로통공(22)과 접하는 부분에 유로통공의 길이방향으로 다수의 확산돌기(33)가 형성됨을 특징으로 하는 카오틱 믹싱을 갖는 SAR 마이크로믹서.On one surface of the first plate 30a and the second plate 30b, a plurality of flow path holes are formed in contact with the flow path holes 22 formed in the first channel plate 20a and the second channel plate 20b. SAR micromixer with chaotic mixing, characterized in that the diffusion projection (33) of the. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1격판(30a)과 제2격판(30b)의 양면에는 제1채널판(20a)과 제2채널판(20b)에 형성된 유로통공(22)과 접하는 부분에 유로통공의 길이방향으로 다수의 확산돌기(33)가 형성됨을 특징으로 하는 카오틱 믹싱을 갖는 SAR 마이크로믹서.On both sides of the first plate 30a and the second plate 30b, a plurality of passage holes are formed in contact with the passage holes 22 formed in the first channel plate 20a and the second channel plate 20b. SAR micromixer with chaotic mixing, characterized in that the diffusion projection (33) of the. 제2항 또는 제3항에 있어서,The method according to claim 2 or 3, 상기 제1격판과 제2격판에 형성된 확산돌기(33)는 유체가 유입되는 부분을 둔각꼭지점으로 하고, 유체배출부분을 밑변으로 하여, 상기 둔각꼭지점을 중심으로 양측 경사면이 돌출된 “ㅅ”자 형태를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 카오틱 믹싱을 갖는 SAR 마이크로믹서.The diffusion protrusions 33 formed on the first and second plates are obtuse vertices at which the fluid is introduced, and the fluid discharge part is at the bottom, and the “s” characters having both inclined surfaces protruding from the obtuse vertices. SAR micromixer with chaotic mixing characterized in that it has a shape. 제2항 또는 제3항에 있어서,The method according to claim 2 or 3, 상기 제1격판과 제2격판에 형성된 확산돌기(33)의 돌출높이는 15 ~ 60㎛로 형성하는 것을 특징으로 하는 카오틱 믹싱을 갖는 SAR 마이크로믹서.SAR micromixer having a chaotic mixing, characterized in that the protrusion height of the diffusion protrusions 33 formed in the first and second plate is formed to 15 ~ 60㎛. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1격판(30a)의 양면에 각각 접하여 설치되는 제1채널판(20a)과 제2채널판(20b)은 동일축상에서 일정각 비틀려 형성됨을 특징으로 하는 카오틱 믹싱을 갖는 SAR 마이크로믹서.SAR micromixer having chaotic mixing is characterized in that the first channel plate 20a and the second channel plate 20b, which are installed in contact with both surfaces of the first plate 30a, are formed at a predetermined angle on the same axis. . 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1채널판과 제2채널판에 형성된 유로통공(22)은 8개로 형성하고, 중심통공(21)을 중심으로 등각을 갖도록 배열된 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 카오틱 믹싱을 갖는 SAR 마이크로믹서.SAR micro with chaotic mixing, characterized in that formed in the first channel plate and the second channel plate 22 is formed to have an equiangular center around the center hole 21 mixer.
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