KR101005676B1 - Passive micromixer - Google Patents
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Abstract
개시된 수동형 미세혼합기는, 유체가 유입 배출되는 주입구 및 배출구가 형성된 미세유로와; 상기 주입구와 상기 배출구 사이에 적어도 하나가 배치되며, 서로 다른 폭을 가지는 제1채널 및 제2채널이 X축을 중심으로 입구부 및 출구부가 대칭상태로 연결되는 링 형상의 서브채널을 포함한다.The disclosed manual micromixer includes: a microchannel having an inlet and an outlet through which fluid is introduced and discharged; At least one is disposed between the inlet and the outlet, and the first channel and the second channel having different widths include ring-shaped subchannels in which the inlet and the outlet are symmetrically connected with respect to the X axis.
이와 같은, 수동형 미세혼합기는, 유입되는 서로 다른 유체가 서로 다른 폭을 가지는 제1채널 및 제2채널을 통해 상호 교차하는 출구부 지점에서 관성의 차이로 인해 불균형한 충돌을 일으켜 유체의 혼합 성능을 향상되게 한다.Such a passive micromixer causes an unbalanced collision due to the difference in inertia at the outlet point where different inflow fluids intersect through the first channel and the second channel having different widths, thereby improving the mixing performance of the fluid. To improve.
Description
본 발명은 미세혼합기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서로 다른 두 유체를 혼합시키는 미세혼합기에 관한 것이다.The present invention relates to a micromixer, and more particularly to a micromixer for mixing two different fluids.
일반적으로, 미세장치들에서 유체의 혼합을 제어하는 문제는 랩온칩(lab-on-chip)을 비롯한 여러 응용분야에서 매우 중요한 과제가 되고 있다. 이러한, 유체의 혼합을 통해 양질의 생산을 얻기 위해서는 고성능의 미세혼합기가 필요하게 된다.In general, the problem of controlling the mixing of fluids in microdevices has become a very important challenge in many applications, including lab-on-chip. In order to obtain a high quality production through the mixing of the fluid, a high performance micromixer is required.
이러한, 상기 미세혼합기는 크기가 작아서 유동의 대부분이 층류가 되는데, 이는 유체혼합의 효율을 현저히 떨어뜨리는 요인이 된다. 더불어, 층류의 경우, 유체의 혼합은 분자확산에 의존하므로 혼합이 매우 느리게 진행된다. 따라서 혼합과정을 촉진시킬 수 있는 여러 종류의 미세혼합기가 개발되고 있다. 이러한, 상기 미세혼합기는 크게 능동형(active), 수동형(passive) 미세혼합기로 분류된다.This micromixer is small in size, so that most of the flow becomes laminar flow, which is a factor that significantly reduces the efficiency of fluid mixing. In addition, in the case of laminar flow, the mixing of the fluid depends on molecular diffusion, so the mixing proceeds very slowly. Therefore, various kinds of micromixers that can promote the mixing process have been developed. Such micromixers are largely classified into active and passive micromixers.
먼저, 상기 능동형 미세혼합기는, 유동자체의 에너지가 아닌 움직이는 요소나 전기적 힘과 같은 외부 에너지원을 이용하여 유체를 혼합하는 혼합기이다. 이러한, 상기 능동형 미세혼합기는 혼합성능이 좋은 반면에 제조가 어렵고 미세유체의 누출이 생길 수 있으며, 외부의 에너지를 사용한다는 단점이 있다.First, the active micromixer is a mixer that mixes a fluid using an external energy source such as a moving element or an electric force rather than the energy of the fluid itself. The active micromixer has a disadvantage in that the mixing performance is good while the manufacturing is difficult and the microfluidic leakage may occur, and external energy is used.
반면에, 상기 수동형 미세혼합기는, 미세유로 내부에 정적인 여러 미세 구조물을 배치시켜 유동이 서로 맞닿는 면적을 증가시키거나 유동을 복잡하게 함으로써 혼합을 유도하는 혼합기이다. 이러한, 상기 수동형 미세혼합기는 외부 에너지를 사용하지 않으나, 상기 능동형 미세혼합기에 비해 혼합성능이 떨어지는 단점이 있다.On the other hand, the passive micromixer is a mixer that induces mixing by disposing several static microstructures inside the microchannel to increase the area where the flows contact each other or to complicate the flow. The passive micromixer does not use external energy, but has a disadvantage in that mixing performance is lower than that of the active micromixer.
본 발명은, 유체의 혼합성능이 증대되는 수동형 미세혼합기를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a passive micromixer in which the mixing performance of the fluid is increased.
본 발명은, 유체가 유입 배출되는 주입구 및 배출구가 형성된 미세유로와; 상기 주입구와 상기 배출구 사이에 적어도 하나가 배치되며, 서로 다른 폭을 가지는 제1채널 및 제2채널이 X축을 중심으로 입구부 및 출구부가 대칭상태로 연결되는 링 형상의 서브채널을 포함하여, 상기 주입구를 통해 유입되는 서로 다른 상기 유체가 서로 다른 폭을 가지는 상기 제1채널 및 상기 제2채널을 통해 상호 교차하는 상기 출구부 지점에서 관성의 차이로 인해 불균형한 충돌을 일으켜 상기 유체가 혼합되게 하는 수동형 미세혼합기를 제공한다.The present invention provides a micro-channel formed with an inlet and outlet through which fluid flows in and out; At least one is disposed between the inlet and the outlet, the first channel and the second channel having a different width includes a ring-shaped subchannel connected to the inlet and outlet symmetrically around the X axis, The different fluids flowing through the inlet may cause an unbalanced collision due to a difference in inertia at the outlet points that cross each other through the first and second channels having different widths, causing the fluids to mix. A passive micromixer is provided.
이때, 상기 서브채널이 복수 개 배치되는 경우, 상기 서브채널들은 X축을 중심으로 상기 제1채널 및 제2채널의 위치가 반복적으로 바꿔진 상태로 배치할 수 있다.In this case, when the plurality of subchannels are arranged, the subchannels may be arranged in a state in which positions of the first channel and the second channel are repeatedly changed around an X axis.
그리고, 상기 서브채널의 입구부 및 출구부의 폭은 상기 제1채널 폭 및 상기 제2채널 폭의 합과 같을 수 있다.The width of the inlet and the outlet of the subchannel may be equal to the sum of the width of the first channel and the width of the second channel.
또한, 상기 서브채널은 상기 제1채널 및 제2채널이 X축을 중심으로 대칭되는 원형링이나 사각링 형상으로 형성할 수 있다.In addition, the subchannel may be formed in a circular ring or a square ring shape in which the first channel and the second channel are symmetric about an X axis.
본 발명에 따른 수동형 미세혼합기는, 유입되는 서로 다른 유체가 서로 다른 폭을 가지는 제1채널 및 제2채널을 통해 상호 교차하는 출구부 지점에서 관성의 차이로 인해 불균형한 충돌을 일으켜 유체의 혼합 성능을 향상되게 한다.In the passive micromixer according to the present invention, the mixing performance of fluids is caused by an unbalanced collision due to the difference of inertia at the outlet point where different inflowing fluids cross each other through the first and second channels having different widths. To improve.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수동형 미세혼합기의 구성 단면도이다. 도 1을 참조하면, 상기 수동형 미세혼합기는, 미세유로(100), 서브채널(200)을 포함하고 있다.1 is a cross-sectional view of a passive micromixer according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the passive micromixer includes a
상기 미세유로(100)는 서로 다른 유체가 유입 배출된다. 여기서, 상기 미세유로(100)는 미세가공공정(MEMS)에 의해 기판(도면미도시) 상에 형성될 수 있다. 이러한, 상기 미세유로(100)의 일 단부에는 서로 다른 상기 유체가 각각 유입되는 제1주입구(111) 및 제2주입구(112)로 구성되는 주입구(110)를 형성한다. 그리고, 상기 미세유로(100)의 타 단부에는 유입된 상기 유체가 이후 설명될 서브채널(200)을 통과하며 혼합된 유체를 유출시키는 배출구(120)가 형성된다.The
상기 서브채널(200)은 상기 미세유로(100)의 주입구(110)와 배출구(120) 사이에 적어도 하나가 배치되어, 상기 미세유로(100)로 유입된 서로 다른 상기 유체의 유동을 혼합시킨다.At least one
이러한, 상기 서브채널(200)은 서로 다른 폭을 가지는 제1채널(210) 및 제2채널(220)을 포함한다. 여기서, 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220)은 X축을 중심으로 각각의 입구부(230) 및 출구부(240)가 대칭상태로 연결되는 링 형상을 가진다. 즉, 상기 서브채널(200)은 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220)이 X축을 중심으로 대칭되는 원형링 형상으로 형성된다. 도 2를 참조하면, 상기 서브채널(200)은 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220)이 X축을 중심으로 대칭되는 사각링 형상, 더욱 바람직하게는 마름모 형상으로 형성할 수도 있다.The
이같이, 상기 서브채널(200)의 서로 다른 폭을 가지는 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220)로 상기 제1주입구(111) 및 제2주입구(112)를 통해 유입된 서로 다른 상기 유체가 유입된다. 이후, 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220)이 상호 교차되는 상기 출구부(240)로 배출시, 서로 다른 상기 유체는 관성의 차이로 인해 상기 출구부(240)에서 불균형한 충돌을 일으켜 상호 혼합된다. 즉, 상기 제1주입구(111) 및 상기 제2주입구(112)를 통해 서로 다른 상기 유체가 유입되어 합쳐진 후, 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220) 중 폭이 큰쪽으로 흐르는 상기 유체가 폭이 작은쪽으로 흐르는 상기 유체 보다 유량이 커지게 되면서 더 큰 관성을 가지게 된다. 따라서, 상기 유체는 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220)의 관성 차이로 인해 상호 교차하는 출구부(240) 지점에서 불균형한 충돌을 일으키며, 이러한, 불균형한 상기 유체의 충돌은 비대칭의 유동을 만들어 상기 유체의 혼합 성능을 향상되게 한다. 여기서, 서로 다른 상기 유체가 교차하는 지점인 상기 서브채널(200)의 입구부(230) 및 출구부(240)의 폭은 상기 제1채널(210) 폭 및 상기 제2채널(220)의 합과 같도록 형성한다.As such, different inflows through the
더불어, 상기 서브채널(200)이 상기 미세유로(100)의 주입구(110)와 배출 구(120) 사이에 복수 개가 배치될 경우, 상기 서브채널(200)의 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220)에 의해 불균형하게 분배된 상기 유체가 상호 교차하는 출구부(240) 지점에서 충돌하는 과정이 반복적으로 일어나게 되면서 상기 유체의 혼합 성능이 더욱 증대된다. 여기서, 상기 서브채널(200)이 상기 미세유로(100)의 주입구(110)와 배출구(120) 사이에 복수 개가 배치될 경우, 상기 서브채널들(200,300,400,500)은 X축을 중심으로 상기 제1채널(210,310,410,510) 및 상기 제2채널(220,320,420,520)의 위치가 반복적으로 바꿔지는 상태로 순차 배치한다. 도 1을 참조하면, 상기 제1서브채널(200)의 제1채널(210)이 X축을 중심으로 상부에 위치하고, 제2채널(220)은 하부에 위치하면, 상기 제2서브채널(300)의 제1채널(310)은 X축을 중심으로 하부에 위치하고, 제2채널(320)은 상부에 위치한다. 그리고, 상기 제3서브채널(400)의 제1채널(410)은 다시 X축을 중심으로 상부에 위치하고, 제2채널(420)은 하부에 위치한다. 마지막으로, 상기 제4서브채널(500)의 제1채널(510)은 X축을 중심으로 하부에 위치하고, 제2채널(520)은 상부에 위치한다.In addition, when a plurality of
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
<실시예 1> 서브채널 4개인 미세혼합기의 유체 혼합성능 조사Example 1 Investigation of Fluid Mixing Performance of a Micromixer with Four Subchannels
상기 미세혼합기는 4개의 상기 서브채널(200,300,400,500)이 반복되도록 설 정되며, 상기 서브채널(200,300,400,500)의 각 주기(Pi)는 1.2mm로 고정된다. 이때 상기 서브채널(200,300,400,500)의 제1채널(210,310,410,510) 폭(W1) 및 제2채널(220,320,420,520) 폭(W2)은 W1>W2가 되게 하여 유입되는 상기 유체가 불균형하게 나누어진 후, 교차되는 출구부 지점에서 충돌이 일어나게 구성한다. 여기서, 상기 서브채널(200)의 입구부 및 출구부 폭은 상기 제1채널(210) 폭(W1) 및 상기 제2채널(310) 폭(W2)의 합과 같다.The micromixer is set such that the four
그리고, 상기 서브채널(200,300,400,500)의 높이는 200㎛로 일정하며, 외벽의 위치를 움직여 상기 서브채널(200,300,400,500)의 폭을 조절한다. 여기서, 상기 서브채널(200,300,400,500) 내벽의 지름(d0)은 90㎛이다. 상기 제1주입구(111) 및 제2주입구(112)가 합쳐진 후, 상기 서브채널(200)과 접속되기 전까지의 거리인 L0는 450㎛이며, 상기 배출구(120)의 채널길이인 Le는 2.95mm이다. The height of the
상기 미세혼합기의 성능을 평가하기 위해 유동장과 유체혼합을 분석하기 위한 수치해석을 수행한다. 해석을 위해 상용 전산유체역학 코드인 ANSYS CFX-11.0을 사용하여 삼차원 Navier-Stokes 방정식과 연속방정식을 수치적으로 계산한다. 격자계는 육면체 격자의 정렬격자로 구성한다. 경계조건으로는 주입구(110)에 속도를 배출구(120)엔 정압조건을, 벽면은 점착조건을 부여하였으며, 혼합을 위한 두 가지 작동유체로 에탄올과 물을 적용한다. 20℃에서의 물성치를 사용하였으며, 물과 에탄올의 확산도(diffusivity)는 1.2×10-9m2/s이다. W1/W2를 형상변수로 결정하였으며, 이 변수를 1~3 범위에서 변화시켜가며 성능을 평가한다. 레이놀즈수는 모든 작동유체를 물로 가정하여 메인채널의 폭을 기준으로 계산한다.In order to evaluate the performance of the micromixer, a numerical analysis is performed to analyze the flow field and the fluid mixture. For the analysis, three-dimensional Navier-Stokes equations and continuous equations are numerically calculated using ANSYS CFX-11.0, a commercial computational fluid dynamics code. The lattice system consists of an alignment grid of hexahedral lattice. As the boundary condition, the velocity of the
혼합의 정량적 분석은 채널 내부 유체 종의 분산(variance)을 계산하여 수행한다. 미세혼합기내의 혼합정도를 평가하기 위해 유동방향에 수직한 단면 내에서 질량비의 분산을 다음과 같이 정의한다.Quantitative analysis of the mixing is performed by calculating the variance of the fluid species in the channel. In order to evaluate the degree of mixing in the micromixer, the dispersion of the mass ratio in the cross section perpendicular to the flow direction is defined as follows.
여기서 N은 단면 내 격자점의 수, ci는 격자 I점에서의 질량비, 그리고 은 최적 혼합질량비를 나타낸다. 혼합지수(mixing index), M은 유동방향에 수직한 단면에서 유체의 혼합정도를 나타내며, 다음과 같이 정의된다.Where N is the number of grid points in the cross section, c i is the mass ratio at grid I point, and Represents the optimum mixed mass ratio. The mixing index, M, represents the degree of mixing of the fluid in the cross section perpendicular to the flow direction and is defined as follows.
여기서 는 최대분산을 나타낸다. here Represents the maximum variance.
도 3은 레이놀즈수가 60일 때 원형의 서브채널을 흐르는 에탄올의 질량분율(mass fraction)을 나타낸 상태도이다. 도 3을 참조하면, 기존에 사용되어 온 폭이 동일한(W1/W2=1) 서브채널의 경우 혼합이 잘 이루어 지지 않음에 따라 두 유체의 경계선이 사라지지 않고 남아있는 것을 볼 수 있다. 더불어, 폭이 불균일한 서브채널의 경우(b, c) 유체가 두 서브채널을 통과하면서 경계선이 없어짐에 따라 혼합이 증진되는 것을 확인할 수 있다.3 is a state diagram showing the mass fraction of ethanol flowing in a circular subchannel when the Reynolds number is 60. FIG. Referring to FIG. 3, in the case of a subchannel having the same width (W 1 / W 2 = 1) that has been used previously, it may be seen that boundary lines of two fluids remain without disappearing as mixing is not performed well. In addition, in the case of subchannels having a non-uniform width (b, c) it can be seen that the mixing is enhanced as the fluid passes through the two subchannels and the boundary line disappears.
도 4는 원형의 서브채널을 지나는 물과 에탄올의 유선(streamline)을 나타낸상태도이다. 도 4를 참조하면, 폭이 동일한 경우와는 달리 폭이 다른 서브채널의 경우 한쪽 입구에서 유입된 유체가 상하 서브채널로 분리되어 흐르는 현상이 발생하여 혼합이 증진되는 것을 알 수 있다.4 is a state diagram showing a streamline of water and ethanol passing through a circular subchannel. Referring to FIG. 4, in the case of subchannels having different widths, the fluid flowing from one inlet is separated into upper and lower subchannels so that mixing is enhanced.
도 5는 원형 서브채널 폭의 비(W1/W2)와 레이놀즈수에 따른 혼합지수 분포곡선을 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 레이놀즈수가 증가함에 따라 혼합지수가 높아지는 것을 확인할 수 있으며, 기존에 사용되어온 폭의 비가 같은 경우에 비해 폭의 비가 다른 경우 혼합성능이 현저하게 향상되는 것을 알 수 있다.5 is a graph showing a mixing index distribution curve according to the ratio (W 1 / W 2 ) of the width of the circular subchannel and the Reynolds number. Referring to FIG. 5, it can be seen that the mixing index increases as the Reynolds number increases, and the mixing performance is remarkably improved when the ratio of the width is different compared to the case where the ratio of the width used in the past is the same.
도 6은 마름모형 서브채널 (straight subchannel)과 원형의 서브채널 너비의 비가 2와 3일 때의 레이놀즈수에 따른 혼합성능을 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, 너비의 비(W1/W2)에 대한 혼합성능을 살펴보면 원형의 서브채널의 경우 너비 의 비가 2일 때가 3일 때와 비교해 좋은 혼합성능을 보여주며, 마름모형 서브채널의 경우엔 너비의 비가 3일 때가 더 높은 혼합성능을 보여준다. 두 형상의 성능을 비교해 보면, 레이놀즈수가 0~20의 범위에서는 비슷한 성능을 보여주었으나, 레이놀즈수80을 제외한 나머지 영역에서는 원형의 서브채널이 마름모형 서브채널과 비교해 높은 혼합성능을 보여주고 있다.6 is a graph showing the mixing performance according to the Reynolds number when the ratio of the width of the straight subchannel and the circular subchannel is 2 and 3. Referring to FIG. 6, when the mixing performance of the width ratio (W 1 / W 2 ) is examined, the circular subchannel shows a good mixing performance when the ratio of the width is 2 to 3, and the rhombic subchannel is shown. In the case of, ratio of 3 shows higher mixing performance. Comparing the performance of the two shapes, the Reynolds number showed similar performance in the range of 0 ~ 20, but in the remaining regions except
도 7은 원형 서브채널 폭의 비와 레이놀즈수에 따른 압력강하를 나타낸 그래프이다. 기존에 사용되어 온 형상인 폭의 비가 같은 경우(W1/W2=1)에 가장 압력강하가 크게 일어나며, 폭의 비가 커짐에 따라 압력강하가 작아지는 사실을 확인할 수 있다. 따라서 일실시예에 따른 수동형 미세혼합기는, 기존의 형상에 비해 혼합도가 증진되고 압력손실도 감소함을 알 수 있다.7 is a graph showing the pressure drop according to the ratio of the width of the circular subchannels and the Reynolds number. When the ratio of the width, which is the shape used in the past, is the same (W 1 / W 2 = 1), the largest pressure drop occurs, and as the ratio of the width increases, the pressure drop decreases. Therefore, it can be seen that the passive micromixer according to the embodiment improves the mixing and decreases the pressure loss compared to the conventional shape.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수동형 미세혼합기의 구성 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a passive micromixer according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수동형 미세혼합기의 구성 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a passive micromixer according to another embodiment of the present invention.
도 3은 레이놀즈수가 60일 때 원형의 서브채널을 흐르는 에탄올의 질량분율(mass fraction)을 나타낸 상태도이다.3 is a state diagram showing the mass fraction of ethanol flowing in a circular subchannel when the Reynolds number is 60. FIG.
도 4는 원형의 서브채널을 지나는 물과 에탄올의 유선(streamline)을 나타낸상태도이다.4 is a state diagram showing a streamline of water and ethanol passing through a circular subchannel.
도 5는 원형 서브채널 폭의 비(W1/W2)와 레이놀즈수에 따른 혼합지수 분포곡선을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing a mixing index distribution curve according to the ratio (W 1 / W 2 ) of the width of the circular subchannel and the Reynolds number.
도 6은 마름모형 서브채널 (straight subchannel)과 원형의 서브채널 너비의 비가 2와 3일 때의 레이놀즈수에 따른 혼합성능을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the mixing performance according to the Reynolds number when the ratio of the width of the straight subchannel and the circular subchannel is 2 and 3.
도 7은 원형 서브채널 폭의 비와 레이놀즈수에 따른 압력강하를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the pressure drop according to the ratio of the width of the circular subchannels and the Reynolds number.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG.
100: 미세유로 110: 주입구100: micro flow path 110: injection hole
120: 배출구 200,300,400,500: 서브채널120:
210,310,410,510: 제1채널 220,320,420,520: 제2채널 210,310,410,510: first channel 220,320,420,520: second channel
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