KR101967820B1 - 차압 점도계용 미세 흐름 장치 및 이의 설계방법 - Google Patents

차압 점도계용 미세 흐름 장치 및 이의 설계방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101967820B1
KR101967820B1 KR1020170003007A KR20170003007A KR101967820B1 KR 101967820 B1 KR101967820 B1 KR 101967820B1 KR 1020170003007 A KR1020170003007 A KR 1020170003007A KR 20170003007 A KR20170003007 A KR 20170003007A KR 101967820 B1 KR101967820 B1 KR 101967820B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fluid
section
channel
channel width
microchannel
Prior art date
Application number
KR1020170003007A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180081999A (ko
Inventor
이헌상
김서균
Original Assignee
동아대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 동아대학교 산학협력단 filed Critical 동아대학교 산학협력단
Priority to KR1020170003007A priority Critical patent/KR101967820B1/ko
Priority to PCT/KR2017/012591 priority patent/WO2018128259A2/ko
Publication of KR20180081999A publication Critical patent/KR20180081999A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101967820B1 publication Critical patent/KR101967820B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A47—FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47K—SANITARY EQUIPMENT NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; TOILET ACCESSORIES
    • A47K1/00—Wash-stands; Appurtenances therefor
    • A47K1/02—Portable toilet tables; Wash cabinets or stands
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A47—FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47B—TABLES; DESKS; OFFICE FURNITURE; CABINETS; DRAWERS; GENERAL DETAILS OF FURNITURE
    • A47B95/00—Fittings for furniture
    • A47B95/04—Keyplates; Ornaments or the like
    • A47B95/043—Protecting rims, buffers or the like
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/02—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by measuring flow of the material
    • G01N11/04—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by measuring flow of the material through a restricted passage, e.g. tube, aperture
    • G01N11/08—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by measuring flow of the material through a restricted passage, e.g. tube, aperture by measuring pressure required to produce a known flow
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/08—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor using a stream of discrete samples flowing along a tube system, e.g. flow injection analysis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/088—Channel loops

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)

Abstract

본 발명은 점액, 관절액, 혈액과 같은 생체관련 유체, 페인트 또는 잉크젯 프린터용 잉크 등의 유체 또는 연료용 기름, 고분자 용액 등을 포함하는 다양한 유체의 인장점도를 측정하기 위한 차압 점도계용 미세 흐름 장치 및 이의 설계방법에 관한 것이다.
본 발명은 일정한 인장속도로 인장 흐름이 발생하는 샘플 미세채널과, 상기 샘플 미세채널에서 전단흐름으로 인한 압력강하와 동일한 압력 강하가 발생하는 비교 미세채널을 포함하도록 구성되어 일정한 인장속도(정상상태)에서의 인장점도를 측정할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 측정에 필요한 샘플의 양이 줄어들게 되는 이점을 가진다.

Description

차압 점도계용 미세 흐름 장치 및 이의 설계방법{ Micro flow device for differential pressure viscometer on a chip and its design method and method for measuring tensile viscosity using the same }
본 발명은 점액, 관절액, 혈액과 같은 생체관련 유체, 페인트 또는 잉크젯 프린터용 잉크 등의 유체 또는 연료용 기름, 고분자 용액 등을 포함하는 다양한 유체의 인장점도를 측정하기 위한 차압 점도계용 미세 흐름 장치 및 이의 설계방법에 관한 것이다.
유체(Fluid) 내에는 유체가 흐를 때 유동에 저항하는 성질이 있는데, 이를 점성(Viscosity)이라고 하며, 점성의 크기를 점성계수(Coefficient of viscosity, η) 또는 점도라고 한다.
그리고, 점도를 측정하기 위한 점도계는 쿠엣(Couette) 장치와 같이 고정된 면과 운동 면 사이에 전단이 발생하는 형태의 저항유동(drag flow)형 점도계와, 관(Tube) 양단 간에 압력차에 의하여 발생하는 전단 형태의 압력구동 유동(Pressure-driven flow)형 점도계로 크게 구분될 수 있다.
한편, 상업화 되어있는 모세관 절단 인장점도계(Capillary Breakup Extensional Rheometry, CaBER) 또는 레일리 오네소지 제팅 인장점도계(Rayleigh Ohnesorge Jetting Extensional Rheometry, ROJER)는 측정시간동안 흐름방향으로 속도구배가 일정하지 않아, 측정된 인장점도가 측정 조건에 따라 다르게 나타날 수 밖에 없는 이론적 결함을 가진다.
또한, 미세유변장치를 이용한 인장정도의 측정 시도는 있었으나, 평균유속의 속도구배가 일정하며 수직응력이 완전발달 되도록 설계된 사례는 없었다.
뿐만 아니라, 샘플 채널 한 개의 압력강하를 측정하여 점성전단흐름에 의한 압력강하를 제외한 압력강하 측정값으로부터 인장점도를 구하여 정확한 측정값이 아닐 뿐만 아니라, 측정된 값이 전단흐름에서 유도된 탄성에 의한 것인지, 인장흐름에 의한 것인지 명확히 구분이 되지 않음에 따라 인장흐름에 의한 인장점도를 올바르게 측정하지 못하는 문제점을 가진다.
KR 20110039823 A KR 1551902 B1 JP 2008309743 A
본 발명의 목적은 일정한 인장속도에서 인장점도를 측정할 수 있는 차압 점도계용 미세 흐름 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 일정한 인장속도로 인장흐름이 발생하는 샘플 미세채널과, 샘플 미세채널에서 전단흐름으로 인한 압력강하와 동일한 압력 강하가 발생하는 비교 미세채널을 포함하는 차압 점도계용 미세 흐름 장치의 설계방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 차압 점도계용 미세 흐름 장치는 일정한 인장속도로 인장 흐름이 발생하는 샘플 미세채널과, 상기 샘플 미세채널에서 전단흐름으로 인한 압력강하와 동일한 압력 강하가 발생하는 비교 미세채널을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 샘플 미세채널에는 측정대상 유체가 유입되는 유체유입부와, 상기 유체유입부로 유입된 유체가 배출되는 유체배출부와, 상기 유체유입부와 유체배출부를 연결하는 경로의 일부분을 형성하며, 일정한 폭이 유지되는 채널폭 유지구간과, 상기 유체유입부와 유체배출부를 연결하는 경로의 다른 일부분을 형성하며, 채널폭이 가변되어 인장흐름을 발생시키는 채널폭 가변구간이 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 비교 미세채널에는 상기 샘플 미세체널의 유체유입부와 유체배출부 및 채널폭 유지구간과 동일한 유체유입부와 유체배출부 및 채널폭 유지구간 그리고, 상기 유체유입부와 유체배출부와 동일한 폭을 가지면서 유체유입부와 유체배출부를 연결하기 위한 경로를 형성하는 채널길이 연장구간을 포함하며, 상기 채널길이 연장구간의 길이는 상기 샘플 미세채널을 통과하기 위한 점도가 상수인 뉴튼형 유체에 전단흐름으로 인해 유체에 가해지는 압력(P1)과 상기 비교 미세채널을 통과하기 위하여 동일 유체에 전단흐름으로 가해지는 압력(P2)의 압력차이(P1-P2)가 “0”이 되는 길이로 결정되는 것을 특징으로 한다.
상기 비교 미세채널의 채널길이 연장구간의 길이는 채널길이 연장구간의 길이를 다양하게 가변시키면서 실험을 통해 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 채널길이 연장구간의 길이는 정상상태에서 하기 수식의 완전해 또는 유한요소법 수치해를 통하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112017002554435-pat00001
(여기서, ρ는 유체의 밀도, p는 압력, η는 전단점도, g는 중력가속도, t는 시간임)
상기 채널폭 가변구간에는 채널의 폭이 감소되는 감소구간과, 채널의 폭이 감소된 이후 상기 채널폭 유지구간과 대응되는 폭을 가지도록 증가하는 증가구간을 포함하며, 상기 감소구간과 증가구간은 서로 대칭되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 차압 점도계용 미세 흐름 장치의 설계 방법은 상기 샘플 미세채널의 채널폭 가변구간은 채널폭 가변구간의 중앙 부분에서 유체 흐름방향의 유속을
Figure 112017002554435-pat00002
, 유체 흐름방향의 단면에서의 평균유속을
Figure 112017002554435-pat00003
라고 할 경우, 유체 흐름방향의 평균 속도 구배가
Figure 112017002554435-pat00004
로 정의되며, 이를 인장속도
Figure 112017002554435-pat00005
이라 정의한 상태에서
Figure 112017002554435-pat00006
가 되도록 설계하는 것을 특징으로 한다.
상기 샘플 미세채널의 채널폭 가변구간은 채널폭 감소구간에서 흐르는 부피유량을 Q, 미세채널의 두께를 h, 폭이 W(x), 상기 채널폭 유지구간의 채널폭을 W0로 정의할 경우, 평균 유속
Figure 112017002554435-pat00007
는 유량(Q)를 흐름방향에 수직인 단면적으로 나눈 값으로 다음 수식과 같이 정의되며,
Figure 112017002554435-pat00008
평균유속의 흐름방향의 구배가 상수값이 되도록 W(x)를 구하는 것을 특징으로 한다.
상기 채널폭 가변구간에서 채널의 폭이 감소한 이후에는 대칭이 되도록 같은 비율로 채널 폭이 다시 증가하여 W(x)가 상기 채널폭 유지구간의 채널폭 W0와 같아지도록 설계하는 것을 특징으로 한다.
상기 채널폭 가변구간에서 채널의 폭이 감소하는 구간은 다음 수식의 해로부터 계산되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112017002554435-pat00009
상기 샘플 미세채널은 유체가 샘플 미세채널을 흐르는 시간(t1)이 제1수직응력차이가 일정하게 될 때까지 걸리는 시간(T2) 이상이 되도록 전체 길이가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 일정한 인장속도에서 인장점도를 측정할 수 있으므로 점액, 관절액, 혈액과 같은 생체관련 유체, 페인트 또는 잉크젯 프린터용 잉크 등의 유체, 연료용 기름, 고분자 용액 등을 포함하는 다양한 유체의 인장점도를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 측정에 필요한 샘플의 양이 줄어들게 되어 소량의 샘플을 이용하여 일정한 인장속도(정상상태)에서의 인장점도를 측정할 수 있는 장치를 제공할 수 있다. 그리고, 이로 인해 바이오 산업, 잉크산업 등 산업계 및 유변학 관련 학술연구에 기여할 가능성이 매우 높을 것으로 기대된다.
도 1 은 본 발명에 따른 차압 점도계용 미세 흐름 장치의 설계 과정을 설명하기 위한 도면.
도 2 는 본 발명의 요부구성인 샘플 미세채널의 채널폭 가변 구간의 수치해석 결과 그래프의 일실시 예를 보인 도면.
도 3 은 본 발명의 요부구성인 샘플 미세채널의 일실시 예를 보인 도면.
도 4 는 본 발명에 따른 샘플 미세채널의 설계를 위한 계산 과정의 일 실시 예를 보인 도면.
도 5 는 본 발명의 요부구성인 비교 미세채널의 일실시 예를 보인 도면.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시 예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
도 1 에는 본 발명에 따른 차압 점도계용 미세 흐름 장치의 설계 과정을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있고, 도 2 에는 본 발명의 요부구성인 샘플 미세채널의 채널폭 가변 구간의 수치해석 결과 그래프의 일실시 예를 보인 도면이 도시되어 있으며, 도 3 에는 본 발명의 요부구성인 샘플 미세채널의 일실시 예를 보인 도면이 도시되어 있고, 도 4 에는 본 발명에 따른 샘플 미세채널의 설계를 위한 계산 과정의 일 실시 예를 보인 도면이 도시되어 있으며, 도 4 에는 본 발명의 요부구성인 비교 미세채널의 일실시 예를 보인 도면이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 차압 점도계용 미세 흐름 장치는 샘플 미세채널(100)과 비교 미세채널(200)에서 유체를 흘려 보낼 때 발생되는 압력차이를 확인하여 인장점도를 측정할 수 있도록 한다.
이를 위해 상기 샘플 미세채널(100)은 측정대상 유체가 유입되는 유체유입부(110)와, 상기 유체유입부(110)로 유입된 유체가 배출되는 유체배출부(150)와, 상기 유체유입부(110)와 유체배출부(150)를 연결하기 위한 채널폭 유지구간(120, 140)과 채널폭 가변구간(130)을 포함하여 구성된다.
상세히, 본 발명에 따른 샘플 미세채널(100)은 소정의 길이를 가지는 미세 파이프로, 채널폭 Wo와 높이 h를 가지며, 전장 중 중앙 부분에 도 3 에 도시된 바와 같이 중앙 부분의 폭이 일정 곡률로 함몰 형성된 형태를 가진다.
즉, 본 발명에서 상기 샘플 미세채널(100)은 일정한 인장속도로 인장 흐름을 발생시키기 위하여 중앙 부분에 상기 채널폭 가변구간(130)을 형성하게 된다.
상기와 같은 형상의 샘플 미세채널(100)은 다음과 같은 설계 방법에 따라 형성된다.
일정한 인장속도로 인장 흐름이 발생하는 샘플 미세채널(100)은 상기 채널폭 가변구간(130)에 흐르는 부피유량이 Q, 채널의 두께가 h, 채널 폭이 W(x)이며, 채널폭이 감소하기 이전의 채널 폭 즉, 상기 채널폭 유지구간(120, 140)의 채널 폭은 W0로 정의된다.
유체의 흐름방향을 x방향이라 정의할 경우 평균유속
Figure 112017002554435-pat00010
는 유량 Q를 흐름방향에 수직인 단면적으로 나눈 값으로 정의하며, 다음과 같이 수식(1)로 나타낼 수 있다.
Figure 112017002554435-pat00011
...................... 수식(1)
그리고, 상기 수식(1)에서 평균 유속
Figure 112017002554435-pat00012
흐름방향의 구배가 상수값이 되도록 수식(2)를 계산하여 W(x)를 구한다.
Figure 112017002554435-pat00013
................................. 수식(2)
여기서,
Figure 112017002554435-pat00014
이고, W0는 감소되기 전의 채널폭, L은 채널이 감소되는 구간의 길이, CR은 감소된 후 가장 좁은 채널폭(Wc)과 W0의 비, CR=W0/Wc이다.
채널의 폭 W(x)가 원하는 크기만큼 감소한 이후에는 대칭이 되도록 같은 비율로 폭이 다시 증가하여 감소하기 이전의 채널 폭 W0와 대응되도록 설계한다.
즉, 상기 채널폭 가변구간(130)은 다시 감소구간과 증가구간으로 구분될 수 있으며, 상기 감소구간과 증가구간은 서로 대칭을 이루도록 설계된다.
따라서, 도 3 에 도시된 바와 같이 감소구간이“L”만큼의 길이를 가지면 증가구간도“L”만큼의 길이를 가지도록 설계된다.
따라서, 상기 샘플 미세채널(100)에 유체가 유입되면 상기 감소구간의 길이 “L”만큼 흐르는 동안 감소되는 채널 폭에 의해 인장 흐름이 발생하게 되며, 다시 증가구간 “L”만큼 흐르는 동안 채널 폭이 회복되어 채널폭 유지구간(140)을 흐르는 동안 전단 흐름이 발생하게 된다.
본 발명에서는 룽게-쿠타 4차 수치해석 방법을 이용하여 상기 수식2의 미분방정식의 해로부터 채널 감소폭을 계산하여 도 2와 같은 수치해석 결과를 확인하였으나, 수치해석 방법으로 한정되지는 않는다.
한편, 상기 샘플 미세채널(100)의 설계 시에는 “L”값이 충분히 길어 제1수직응력의 차이가 완전히 발달하도록 한다.
본 발명에서는 응력의 시간에 따른 변화에 대한 어퍼컨벡티드 미분방정식(Upper convected differential equstion) 수식(3) 내지 수식(5)의 해로부터 제1수직 응력 차이가 완전히 발달하는 시간을 결정하였다.
Figure 112017002554435-pat00015
............................. 수식(3)
Figure 112017002554435-pat00016
...............수식(4)
Figure 112017002554435-pat00017
....................................수식(5)
여기서 τ는 응력텐서, α는 최대 연신값과 관련된 상수, λ는 응력완화시간, η0는 전단속도를 0에 가깝게 하였을 때 나타나는 상수값의 점도,
Figure 112017002554435-pat00018
, v는 속도벡터, t는 시간임.
상기 수식(3),(4),(5)의 해에서는 제1수직응력차이가 샘플채널을 흐르면서 증가하다가 일정하게 되는데, 샘플채널의 길이가 충분히 길지 않은 경우 제1수직응력차이가 일정하게 되지 않는다.
즉, 유체가 샘플채널을 흐르는 시간(t1)이, 제1수직응력차이가 일정하게 될 때 까지 걸리는 시간(t2) 이상이 되도록 상기 미세 샘플채널(100)을 설계하는 것이 바람직하다.
유체가 샘플채널을 흐르는 시간(t1)은 다음과 같이 결정된다.
Figure 112017002554435-pat00019
................................................수식(6)
Figure 112017002554435-pat00020
............................ 수식(7)
상기 수식(6)에 수식(7)을 대입하면 다음과 같이 수식(8)을 구할 수 있다.
Figure 112017002554435-pat00021
.....................................................수식(8)
여기서,
Figure 112017002554435-pat00022
이고,
Figure 112017002554435-pat00023
이다.
따라서, 제1수직응력차이가 일정하게 되는데 걸리는 시간은 상기 수식(3), (4), (5)의 해로 계산할 수 있다.
일 예로,
Figure 112017002554435-pat00024
인 유체에 대하여 도 5와 같이 계산된다.
한편, 상기와 같이 샘플 미세채널(100)이 설계되면, 이에 따른 비교 미세채널(200)을 설계한다.
상기 비교 미세채널(200)은 상기 샘플 미세채널(100)의 채널폭 가변구간(130)을 제외한 나머지 부분이 모두 동일하게 형성된다.
상세히, 상기 비교 미세채널(200)은 상기 샘플 미세채널(100)과 마찬가지로 유체가 유입되는 유체유입부(210)와, 유체배출부(250) 및 이를 연결하는 경로로, 채널폭 유지구간(220, 240)을 가지며, 이와 같은 구성은 샘플 미세채널(100)의 각 구성과 동일하게 형성된다.
반면, 상기 비교 미세채널(200)에는 상기 샘플 미세채널(100)에서 인장흐름을 발생시키기 위한 채널폭 가변구간(130)을 가지는 것과 달리, 비교 미세채널(200)에는 상기 인증 흐름에 따른 압력강하와 대응되는 압력강하를 가지는 전단 흐름 구간을 형성한다.
즉, 상기 비교 미세채널(200)에서는 채널폭을 가변시키지 않고, 상기 채널폭 유지구간(220, 240)과 동일한 폭의 직선구간의 길이를 연장하여 채널길이 연장구간(230)을 형성함으로써 전체적으로 직선형태를 가진다.
상기와 같은 형상의 비교 미세채널(200)은 다음과 같은 설계 방법에 따라 형성된다.
우선, 전술한 바와 같이 비교 미세채널(200)은 채널길이 연장구간(230)을 제외한 나머지 부분이 샘플 미세채널(100)과 동일하게 설계된다.
한편, 점도가 상수인 물(Water) 등의 유체(즉, 뉴튼 유체)를 일정한 유량Q로 상기 샘플 미세채널(100)에 흘려보내며 이때의 압력을 P1이라 정의한다.
동일한 유량Q를 상기 비교 미세채널(200)에 흘려보내고자 할 때 P1과 동일한 압력 P2가 비교 미세채널(200)에서 발생하도록 비교 미세채널(200)의 채널길이 연장구간(230)의 길이를 결정한다.
즉, 상기 비교 미세채널(200)은 같은 유량의 뉴튼 유체를 상기 샘플 미세채널(100)과 비교 미세채널(200)에 흘려 보낼 때 압력차이(P1 - P2)가 “0”이 되도록 상기 채널길이 연장구간(230)의 길이를 결정하여 설계될 수 있다.
한편, 상기 채널길이 연장구간(230)의 길이를 결정하기 위한 다른 방법으로 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes equations)의 정상상태에서의 해를 통해 상기 채널길이 연장구간(230)의 길이를 결정할 수 있다.
나비에-스토크스 방정식은 수식(9)와 같다.
Figure 112017002554435-pat00025
...................수식(9)
여기서, ρ는 유체의 밀도, p는 압력, η는 전단점도, g는 중력가속도, t는 시간이다.
정상상태에서 수식(9)의 완전해 또는 유한요소법 수치해를 통하여 상기 채널길이 연장구간(230)의 길이를 결정한다.
일 예로 정상상태에서 파이프 흐름의 압력강하에 대한 수식(9)의 해인 하겐-포아젤방정식(Hagen-Poiseulle equation)을 활용할 수 있다.
채널의 수력학적 직경을 Dh라고 하면, 하겐-포아젤방정식에서 압력강하 (H)는 Dh의 네제곱에 반비례한다. 따라서, 채널의 폭 W(x)에 H를 곱한 값을 흐름방향으로 길이“L”만큼 적분한 값을 H를 흐름방향으로 길이“L”만큼 적분한 값으로 나누어주면, 압력평균 직경(Dhp)를 구할 수 있다.
하겐-포아젤방정식에서 압력 강하는 직경의 네제곱에 반비례하고, 길이에 비례하므로 상기 채널길이 연장구간(230)의 길이는 채널폭이 감소하기 전 채널의 수력학적 지름을 압력평균 직경으로 나눈 값을 네제곱하여 얻어진 값에“2L”을 곱하여 구한다.
따라서, 채널길이 연장구간(230)은 상기 샘플 미세채널(100)의 채널폭 가변구간(130)에 해당되며, 도 5 에서는 “L*”와 같이 도시된다.
한편, 본 발명에 따른 차압 점도계용 미세 흐름 장치를 이용하여 인정점도를 측정하는 방법은 다음과 같이 이루어진다.
본 발명에 따른 차압 점도계용 미세 흐름 장치로부터 인장속도(
Figure 112017002554435-pat00026
)에 따른 압력차이(P1-P2)를 측정할 수 있으며, 전단흐름으로 인한 제1수직응력의 차이가 현저하지 않을 경우 인정점도는 다음 수식(10)과 같이 구할 수 있다.
Figure 112017002554435-pat00027
.................................수식(10)
상기 수식(10)에서 W0는 상기 샘플 미세채널(100)의 입구부 폭이며, Wc는 샘플 미세채널(100)에서 폭이 가장 작은 부분의 폭이다.
전단흐름으로 인한 제1수직응력차이(N1(샘플 미세채널) - N2(비교 미세채널))는 전술한 수식(3),(4),(5)를 통해 계산하거나, 길이와 채널폭이 다른 비교채널의 실험을 통해 결정될 수 있다.
통상적으로 겉보기 전단속도 및 겉보기 인장속도를 이용하므로 특별한 학술적 용도가 아닌 경우에는 보정 없이 수식(10)을 이용하여 인장점도를 제공하게 된다.
하지만, 필요시에는 전단속도가 아닌 실제 전단속도를 구하기 위해 라비노비치 보정 등을 수행할 수도 있을 것이다.
100........ 샘플 미세채널 110, 210... 유체유입부
120, 140, 220, 240.................................. 채널폭 유지구간
130........ 채널폭 가변구간 150, 250... 유체토출부
200........ 비교 미세채널 230........ 채널길이 연장구간

Claims (11)

  1. 일정한 인장속도로 인장 흐름이 발생하는 샘플 미세채널;
    상기 샘플 미세채널과 독립적인 유로가 형성되며, 상기 샘플 미세채널에서 전단흐름으로 인한 압력강하와 동일한 압력 강하가 발생하도록 채널폭 가변구간을 구비한 비교 미세채널;을 포함하여,
    상기 샘플 미세채널 및 비교 미세채널에, 동일한 유체를 각각 흘려보낼 때 발생되는 압력차이를 확인하여 인장점도를 측정하는 것을 특징으로 하는 차압 점도계용 미세 흐름 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 샘플 미세채널에는,
    측정대상 유체가 유입되는 유체유입부와,
    상기 유체유입부로 유입된 유체가 배출되는 유체배출부와,
    상기 유체유입부와 유체배출부를 연결하는 경로의 일부분을 형성하며, 일정한 폭이 유지되는 채널폭 유지구간과,
    상기 유체유입부와 유체배출부를 연결하는 경로의 다른 일부분을 형성하며, 채널폭이 가변되어 인장흐름을 발생시키는 채널폭 가변구간;이 포함되고,
    상기 채널폭 가변구간은 미분가능한 곡선으로 형성되며, 유체유입부 측 채널폭 유지구간과 유체배출부 측 채널폭 유지구간의 폭이 동일하게 구성되는 것을 특징으로 하는 차압 점도계용 미세 흐름 장치.
  3. 일정한 인장속도로 인장 흐름이 발생하는 샘플 미세채널;
    상기 샘플 미세채널에서 전단흐름으로 인한 압력강하와 동일한 압력 강하가 발생하는 비교 미세채널;을 포함하고,
    상기 샘플 미세채널에는,
    측정대상 유체가 유입되는 유체유입부와,
    상기 유체유입부로 유입된 유체가 배출되는 유체배출부와,
    상기 유체유입부와 유체배출부를 연결하는 경로의 일부분을 형성하며, 일정한 폭이 유지되는 채널폭 유지구간과,
    상기 유체유입부와 유체배출부를 연결하는 경로의 다른 일부분을 형성하며, 채널폭이 가변되어 인장흐름을 발생시키는 채널폭 가변구간;이 포함되고,
    상기 샘플 미세채널의 유체유입부와 유체배출부 및 채널폭 유지구간과 동일한 유체유입부와 유체배출부 및 채널폭 유지구간 그리고,
    상기 유체유입부와 유체배출부와 동일한 폭을 가지면서 유체유입부와 유체배출부를 연결하기 위한 경로를 형성하는 채널길이 연장구간;을 포함하며,
    상기 채널길이 연장구간의 길이는,
    상기 샘플 미세채널을 통과하기 위한 점도가 상수인 뉴튼형 유체에 전단흐름으로 유체에 가해지는 압력(P1)과 상기 비교 미세채널을 통과하기 위하여 동일 유체에 전단흐름으로 가해지는 압력(P2)의 압력차이(P1-P2)가 “0”이 되는 길이로 결정되는 것을 특징으로 하는 차압 점도계용 미세 흐름 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 비교 미세채널의 채널길이 연장구간의 길이는 채널길이 연장구간의 길이를 다양하게 가변시키면서 실험을 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 차압 점도계용 미세 흐름 장치.

  5. 제 3 항에 있어서, 상기 비교 미세채널의 채널길이 연장구간의 길이는,
    정상상태에서 하기 수식의 완전해 또는 유한요소법 수치해를 통하여 결정되는 것을 특징으로 하는 차압 점도계용 미세 흐름 장치.
    Figure 112017002554435-pat00028

    (여기서, ρ는 유체의 밀도, p는 압력, η는 전단점도, g는 중력가속도, t는 시간임)
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 채널폭 가변구간에는,
    채널의 폭이 감소되는 감소구간과,
    채널의 폭이 감소된 이후 상기 채널폭 유지구간과 대응되는 폭을 가지도록 증가하는 증가구간;을 포함하며,
    상기 감소구간과 증가구간은 서로 대칭되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 차압 점도계용 미세 흐름 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 차압 점도계용 미세 흐름 장치를 설계하는 방법에 있어서, 샘플 미세채널의 채널폭 가변구간은,
    채널폭 가변구간의 중앙 부분에서 유체 흐름방향의 유속을
    Figure 112018104552987-pat00029
    , 유체 흐름방향의 단면에서의 평균유속을
    Figure 112018104552987-pat00030
    라고 할 경우, 유체 흐름방향의 평균 속도 구배가
    Figure 112018104552987-pat00031
    로 정의되며, 이를 인장속도
    Figure 112018104552987-pat00032
    이라 정의한 상태에서
    Figure 112018104552987-pat00033
    가 되도록 설계하는 것을 특징으로 하는 차압 점도계용 미세 흐름 장치의 설계 방법.
  8. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 차압 점도계용 미세 흐름 장치를 설계하는 방법에 있어서, 샘플 미세채널의 채널폭 가변구간은,
    채널폭 감소구간에서 흐르는 부피유량을 Q, 미세채널의 두께를 h, 폭이 W(x), 상기 채널폭 유지구간의 채널폭을 W0로 정의할 경우, 평균 유속
    Figure 112019016627545-pat00034
    는 유량(Q)를 흐름방향에 수직인 단면적으로 나눈 값으로 다음 수식과 같이 정의되며,
    Figure 112019016627545-pat00035

    평균유속의 흐름방향의 구배가 상수값이 되도록 W(x)를 구하는 것을 특징으로 하는 차압 점도계용 미세 흐름 장치의 설계방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 채널폭 가변구간에서,
    채널의 폭이 감소한 이후에는 대칭이 되도록 같은 비율로 채널 폭이 다시 증가하여 W(x)가 상기 채널폭 유지구간의 채널폭 W0와 같아지도록 설계하는 것을 특징으로 하는 차압 점도계용 미세 흐름 장치의 설계 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 채널폭 가변구간에서,
    채널의 폭이 감소하는 구간은 다음 수식의 해로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 차압 점도계용 미세 흐름 장치의 설계방법.
    Figure 112017002554435-pat00036

  11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 차압 점도계용 미세 흐름 장치를 설계하는 방법에 있어서, 상기 샘플 미세채널은,
    유체가 샘플 미세채널을 흐르는 시간(t1)이 제1수직응력차이가 일정하게 될 때까지 걸리는 시간(T2) 이상이 되도록 전체 길이가 형성되는 것을 특징으로 하는 차압 점도계용 미세 흐름 장치의 설계 방법.
KR1020170003007A 2017-01-09 2017-01-09 차압 점도계용 미세 흐름 장치 및 이의 설계방법 KR101967820B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170003007A KR101967820B1 (ko) 2017-01-09 2017-01-09 차압 점도계용 미세 흐름 장치 및 이의 설계방법
PCT/KR2017/012591 WO2018128259A2 (ko) 2017-01-09 2017-11-08 차압 점도계용 미세 흐름 장치 및 이의 설계방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170003007A KR101967820B1 (ko) 2017-01-09 2017-01-09 차압 점도계용 미세 흐름 장치 및 이의 설계방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180081999A KR20180081999A (ko) 2018-07-18
KR101967820B1 true KR101967820B1 (ko) 2019-04-10

Family

ID=62789461

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170003007A KR101967820B1 (ko) 2017-01-09 2017-01-09 차압 점도계용 미세 흐름 장치 및 이의 설계방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101967820B1 (ko)
WO (1) WO2018128259A2 (ko)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3873084B2 (ja) * 1997-12-29 2007-01-24 財団法人くまもとテクノ産業財団 動粘度計
JP4929069B2 (ja) 2007-06-18 2012-05-09 旭サナック株式会社 粘度測定装置、粘度測定方法
KR101076768B1 (ko) 2009-10-12 2011-10-26 광주과학기술원 유체 점도 측정 장치
KR101136821B1 (ko) * 2010-02-04 2012-04-19 주식회사 넥스비보 미소입자 검출 장치 및 미소입자 검출 방법
BR112015021902B1 (pt) * 2013-03-15 2021-06-15 Iris International, Inc Líquido para alinhamento de partícula e organela intracelular
KR20150049443A (ko) * 2013-10-30 2015-05-08 전북대학교산학협력단 혈액점도 측정장치 및 이를 이용한 혈액점도 측정방법
KR101551902B1 (ko) 2014-06-19 2015-09-09 왕용선 규격화된 일회용 점도계의 모세관

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018128259A2 (ko) 2018-07-12
WO2018128259A3 (ko) 2018-11-01
KR20180081999A (ko) 2018-07-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rodd et al. Role of the elasticity number in the entry flow of dilute polymer solutions in micro-fabricated contraction geometries
Vanapalli et al. Hydrodynamic resistance of single confined moving drops in rectangular microchannels
Wehking et al. Effects of viscosity, interfacial tension, and flow geometry on droplet formation in a microfluidic T-junction
Fuerstman et al. The pressure drop along rectangular microchannels containing bubbles
KR101271264B1 (ko) 관 내의 유체 유동을 결정하는 장치 및 방법
Lee et al. A differential pressure extensional rheometer on a chip with fully developed elongational flow
Boyko et al. Flow rate–pressure drop relation for shear-thinning fluids in narrow channels: approximate solutions and comparison with experiments
EP3458813B1 (en) Multi-channel flow tube
KR101967820B1 (ko) 차압 점도계용 미세 흐름 장치 및 이의 설계방법
Soares et al. Flow regimes for the immiscible liquid–liquid displacement in capillary tubes with complete wetting of the displaced liquid
US9557258B2 (en) Fluid composition analysis device and method
Ramirez et al. Formation of vortices near abrupt nano-channel height changes in electro-osmotic flow of aqueous solutions
Nguyen et al. Microfluidic rheometer based on hydrodynamic focusing
KR20190027788A (ko) 유량계
US9097634B2 (en) Fluid viscosity measuring device
NO20171056A1 (en) Ultrasonic viscometer
Ushida et al. Anomalous phenomena in pressure drops of water flows through micro-orifices
GB2513310A (en) Determination of interfacial or surface tension
Bandalusena et al. Creeping flow analysis of an integrated microfluidic device for rheometry
Renaud et al. Theoretical and experimental studies of microflows in silicon microchannels
KR101803334B1 (ko) 유체 유동에서 형성되는 농도결핍층 해석 방법 및 장치
JP6716275B2 (ja) 流体の粘度測定装置
Lee et al. Interfacial Tension Measurements in Microfluidic Quasi-Static Extensional Flows. Micromachines 2021, 12, 272
JP2020118491A (ja) 非ニュートン流体のレオロジー特性値を得る方法及び装置
이대웅 Flow Dynamics of Highly Elastic Fluids in 4: 1 Microcontraction Channel

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
E90F Notification of reason for final refusal
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant