KR102324465B1 - Microfluidic mixer and method of mixing fluid using the same - Google Patents
Microfluidic mixer and method of mixing fluid using the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR102324465B1 KR102324465B1 KR1020200023757A KR20200023757A KR102324465B1 KR 102324465 B1 KR102324465 B1 KR 102324465B1 KR 1020200023757 A KR1020200023757 A KR 1020200023757A KR 20200023757 A KR20200023757 A KR 20200023757A KR 102324465 B1 KR102324465 B1 KR 102324465B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- channel
- microfluidic mixer
- mixing
- fluid
- outlet
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B01F13/0062—
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
- B01F33/30—Micromixers
- B01F33/301—Micromixers using specific means for arranging the streams to be mixed, e.g. channel geometries or dispositions
- B01F33/3011—Micromixers using specific means for arranging the streams to be mixed, e.g. channel geometries or dispositions using a sheathing stream of a fluid surrounding a central stream of a different fluid, e.g. for reducing the cross-section of the central stream or to produce droplets from the central stream
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
- B01F25/40—Static mixers
- B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
- B01F25/421—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions by moving the components in a convoluted or labyrinthine path
- B01F25/423—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions by moving the components in a convoluted or labyrinthine path by means of elements placed in the receptacle for moving or guiding the components
- B01F25/4231—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions by moving the components in a convoluted or labyrinthine path by means of elements placed in the receptacle for moving or guiding the components using baffles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
- B01F25/40—Static mixers
- B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
- B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
- B01F25/432—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa
- B01F25/4323—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa using elements provided with a plurality of channels or using a plurality of tubes which can either be placed between common spaces or collectors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
- B01F25/40—Static mixers
- B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
- B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
- B01F25/433—Mixing tubes wherein the shape of the tube influences the mixing, e.g. mixing tubes with varying cross-section or provided with inwardly extending profiles
-
- B01F5/0606—
-
- B01F5/0644—
-
- B01F5/0646—
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F2215/00—Auxiliary or complementary information in relation with mixing
- B01F2215/04—Technical information in relation with mixing
- B01F2215/0413—Numerical information
- B01F2215/0418—Geometrical information
- B01F2215/0431—Numerical size values, e.g. diameter of a hole or conduit, area, volume, length, width, or ratios thereof
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F2215/00—Auxiliary or complementary information in relation with mixing
- B01F2215/04—Technical information in relation with mixing
- B01F2215/0413—Numerical information
- B01F2215/0436—Operational information
- B01F2215/045—Numerical flow-rate values
Abstract
본 발명의 목적은 높은 효율을 갖는 미세 유체 혼합기 및 이를 이용한 유체의 혼합방법을 제공하는데 있다. 이를 위하여 본 발명은 유체가 유입되는 복수의 주입구, 유입된 유체가 혼합되는 혼합부, 및 혼합된 유체가 배출되는 배출부를 포함하되, 상기 혼합부는 서로 다른 폭을 갖는 제1채널 및 제2채널이 X축을 중심으로 입구부와 출구부가 대칭상태로 연결되는 고리 형상 유닛; 및 상기 고리 형상 유닛과 연결되도록 배치되고, 일 말단에서 직전 고리 형상 유닛의 출구부와 연결되는 입구부 및 타 말단의 출구부를 포함하며, 상기 입구부와 출구부를 제외한 부분이 원호 형상으로 만곡된 형상을 갖고, 상기 입구부와 출구부는 상기 원호 형상으로 만곡된 형상의 양 말단에 형성되고, 내부에 배플을 포함하는 제3채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기를 제공하고, 이를 이용한 유체 혼합방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 다양한 레이놀즈 수에서 효율적으로 유체를 혼합할 수 있기 때문에, 예를 들어 생화학 분야 등에 적용되는 경우 공정의 효율성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.An object of the present invention is to provide a microfluidic mixer having high efficiency and a method of mixing a fluid using the same. To this end, the present invention includes a plurality of inlets through which the fluid is introduced, a mixing unit through which the introduced fluid is mixed, and an outlet through which the mixed fluid is discharged, wherein the mixing unit includes a first channel and a second channel having different widths. A ring-shaped unit in which the inlet and the outlet are symmetrically connected about the X-axis; and an inlet and an outlet at the other end that are arranged to be connected to the annular unit and are connected to the outlet of the immediately preceding annular unit at one end, wherein the portion except for the inlet and the outlet is curved in an arc shape to provide a microfluidic mixer, wherein the inlet part and the outlet part are formed at both ends of the arc-shaped curved shape and include a third channel including a baffle therein, and fluid mixing using the same provide a way According to the present invention, since the fluid can be efficiently mixed at various Reynolds numbers, for example, when applied to the biochemical field, there is an effect of maximizing the efficiency of the process.
Description
본 발명은 미세 유체 혼합기 및 이를 이용한 유체 혼합방법에 관한 것이다.The present invention relates to a microfluidic mixer and a fluid mixing method using the same.
최근 생화학과 생명공학 분야에서 미세유체기계 시스템(microfluidic systems)이 널리 이용되기 시작하였다. 여기에 관련된 응용 과정들로는 샘플의 준비, 청결화, 혼합, 화학반응, 분리 등이 있다. 이러한 일련의 과정들을 하나의 집적 마이크로 시스템 상에서 이루어질 수 있도록 한 것이 랩온어칩(Lab-on-a-chip, 이하 LOC)이다. 이것의 장점으로는 대량 생산이 가능하며 적은 양의 시료를 사용할 수 있다는 점이다. 따라서 향후 더 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 전망된다.Recently, microfluidic systems have begun to be widely used in the fields of biochemistry and biotechnology. Application processes involved here include sample preparation, cleaning, mixing, chemical reaction, and separation. Lab-on-a-chip (hereinafter referred to as LOC) is a method that allows such a series of processes to be performed on one integrated microsystem. The advantage of this is that it can be mass-produced and that a small amount of sample can be used. Therefore, it is expected to be applied to more diverse fields in the future.
LOC는 말 그대로 생물학, 화학 실험실의 구성 요소를 미세화(scale down)하여 하나의 칩에 구현함으로써 기존의 실험을 하나의 칩에서 수행할 수 있도록 하는 것을 의미하는 것으로, 미소한 하나의 칩 위에 분석을 위해서, 미량의 생체 시료의 채취, 운반, 처리, 측정을 위한 마이크로 유체소자(마이크로 밸브, 마이크로 펌프, 마이크로 채널, 마이크로 필터, 혼합기 등), 항원이나 유전자와 같은 생물분자를 이동 조작하기 위한 바이오 필터, 시료를 분석 감지하기 위한 반응기 및 센서(면역센서, 생화학센서 등), 마이크로 유체 소자를 구동시키기 위한 엑츄에이터, 주변 회로부 등의 소자를 멤스(Micro Electro Mechanical Systems, 이하 MEMS)공정을 이용하여 집적화 시킨 작은 화학/생물 마이크로 프로세서이다. 즉, 수 cm2정도 되는 하나의 칩 위에서 생체 시료의 전처리 과정, 운송, 제어, 분석 등을 모두 일어나게 하는 것이다.LOC literally means to scale down the components of biological and chemical laboratories and implement them on one chip so that existing experiments can be performed on one chip. For this purpose, microfluidic devices (microvalves, micropumps, microchannels, microfilters, mixers, etc.) for collecting, transporting, processing, and measuring trace amounts of biological samples, biofilters for moving and manipulating biological molecules such as antigens and genes , reactors and sensors (immune sensors, biochemical sensors, etc.) for analyzing and detecting samples, actuators for driving microfluidic devices, peripheral circuits, etc. are integrated using the MEMS (Micro Electro Mechanical Systems, hereinafter MEMS) process. It is a small chemical/biological microprocessor. That is, the pre-processing, transportation, control, and analysis of the biological sample are all performed on a single chip of about several cm 2 .
마이크로믹서는 능동형 방식(active type)과 수동형 방식(passive type)으로 나누어진다. 능동형 방식(activetype)은 초음파, 자기장 등과 같이 외부의 동력원을 이용하여 혼합을 유도한다. 단점으로 제작 시 어려움이 있고, 비용이 많이 든다. 이와 반대로 수동형 방식(passive type)은 채널 내부의 형상을 변형 또는 유동의 흐름을 변화시켜서 혼합을 유도하는 방식이다. 이는 제작이 용이하고, 혼합을 하기 위한 별도의 장치 또는 공정이 필요하지 않으며, 낮은 비용이 드는 장점이 있다.The micromixer is divided into an active type and a passive type. In the active type, mixing is induced by using an external power source, such as an ultrasonic wave or a magnetic field. Disadvantages include difficulty in manufacturing and high cost. Conversely, the passive type is a method of inducing mixing by changing the shape of the channel or changing the flow of the flow. It is easy to manufacture, does not require a separate device or process for mixing, and has advantages of low cost.
또한, 미세혼합기는 크기가 매우 작아, 내부의 유동이 층류로 흐르게 된다. 층류(laminar flow)의 경우 난류와 달리, 유체의 혼합을 분자확산에 의존하기 때문에 서로 다른 유체의 혼합성능을 떨어뜨리는 요인이 된다. 유체의 혼합에는 확산, 스트레칭, 폴딩과 붕괴의 과정이 수반된다. 확산은 유체간의 농도 구배에 의해 발생한다. 스트레칭과 폴딩은 대류에 의해 발생하는데 유체의 대류는 유로 표면형상의 변화에 의해 큰 영향을 받을 수 있으며, 서로 다른 유체가 만나는 면적을 증가시킴으로써 증가시킬 수 있다.In addition, the micromixer is very small in size, so that the flow inside it flows in a laminar flow. In the case of laminar flow, unlike turbulence, since the mixing of fluids depends on molecular diffusion, it is a factor that degrades the mixing performance of different fluids. Mixing fluids involves the processes of diffusion, stretching, folding and collapse. Diffusion occurs by concentration gradients between fluids. Stretching and folding are caused by convection, and the convection of a fluid can be greatly affected by a change in the flow path surface shape, and can be increased by increasing the area where different fluids meet.
나아가, 수동형 혼합기의 성능은 거의 채널의 기하학적 구조에 의존한다. 따라서, 미세 채널 내에서 유동 현상의 명확한 인식이 미세 혼합기 개발하기에 앞서 요구된다. 이에, 3차원 네비어-스톡스 방정식 기반의 전산 유체역학(CFD;Computational Fluid Dynamics)은 효과적인 미세 혼합기 개발에 제안될 수 있는 기술이다. 따라서, 마이크로 단위에서 효율적인 혼합을 얻기 위해 다수의 장치들이 제안된다. 2차원 유동에서 주기적인 교란에 의해 발생되는 카오스 흐름 메커니즘은 상당하게 층류에서 혼합 효율을 증진할 수 있다.Furthermore, the performance of a passive mixer is largely dependent on the geometry of the channel. Therefore, a clear recognition of flow phenomena within microchannels is required prior to micromixer development. Accordingly, computational fluid dynamics (CFD) based on the three-dimensional Navier-Stokes equation is a technology that can be proposed to develop an effective micromixer. Therefore, a number of devices are proposed to obtain efficient mixing at the micro scale. The chaotic flow mechanism caused by periodic disturbances in two-dimensional flow can significantly enhance the mixing efficiency in laminar flow.
유체 흐름의 빠른 스트레칭 및 폴딩을 발생하기 위한 3차원 serpentine 구조의 마이크로채널로 카오스 이류를 형성하는 것이 개시된 적이 있다. 하지만 이 경우, 상대적으로 높은 레이놀즈 수(Re)(25 이상)가 카오스 이류를 형성하기 위해 필요하다.It has been disclosed to form chaotic advection with microchannels of three-dimensional serpentine structures for generating rapid stretching and folding of fluid flows. In this case, however, a relatively high Reynolds number (Re) (greater than 25) is required to form chaotic advection.
이와 같이 수동형 방식의 미세 혼합기에서 각각의 카오스 이류를 형성하는 혼합기와 채널 내부의 유동의 흐름을 변형하여 분할과 재결합을 반복하여 혼합을 유도하는 방식인 SR(split and recombination) 혼합기에 대한 연구가 많이 진행되고 있다(대한민국 공개특허공보 제10-2006-0094659 호).As described above, there are many studies on SR (split and recombination) mixer, which is a method of inducing mixing by repeating division and recombination by modifying the flow of flow inside the channel and the mixer that forms each chaotic advection in the passive type micro mixer. It is in progress (Korean Patent Publication No. 10-2006-0094659).
복잡한 화학공정을 소형화 및 집적화하여 손 위에서 수행할 수 있는 LOC 개념은 사용되는 값비싼 시료의 양을 줄일 수 있고, 폐기물의 최소화, 소형화에 따른 이동성 및 현장 적응성이 뛰어나다는 점 등에 있어서 현대기술의 커다란 혁명이다.The LOC concept, which can be performed on the hands by miniaturizing and integrating complex chemical processes, can reduce the amount of expensive samples used, minimize waste, and excel in portability and field adaptability due to miniaturization. it's a revolution
LOC와 마이크로 통합분석 시스템 등의 초소형 장치는 분석에 필요한 모든 과정들이 하나의 작은 칩 위에서 수행될 수 있도록, 여러 개의 채널이나 미세구조물들을 포함한다. 이와 같은 초소형 장치에서 분석 혹은 생화학 반응을 위해 마이크로 채널에 의해 운반되는 시료와 시약 등의 효과적인 혼합은 필수적이라 할 것이다. 특히 이와 같은 바이오 응용 LOC 분야에서는 소모되는 시료의 양을 최소화시키는 것이 기구의 설계 및 시료의 채취를 고려한 비용 측면에서 매우 중요하다. 이를 위해서는 LOC 칩 내에서 화합물 간의 반응 시간을 최소화 시키는 기술이 필요하며, 이는 시료간 화학 반응이 활발히 일어날 수 있도록 섞어주기 위한 혼합(mixing) 기술이 요구된다. 즉, 최대한 짧은 유로 길이 내에서 시료 간의 반응이 원활히 일어날 수 있도록 하는 혼합(mixing) 기술이 필요하다.Ultra-compact devices such as LOC and micro integrated analysis system include several channels or microstructures so that all the processes necessary for analysis can be performed on a single small chip. Effective mixing of samples and reagents carried by microchannels for analysis or biochemical reactions in such a compact device is essential. In particular, in this bio-application LOC field, minimizing the amount of sample consumed is very important in terms of cost considering the design of the instrument and the collection of the sample. For this, a technique for minimizing the reaction time between compounds in the LOC chip is required, which requires a mixing technique for mixing so that chemical reactions between samples can occur actively. That is, there is a need for a mixing technique that allows the reaction between samples to occur smoothly within the shortest possible flow path length.
마이크로 분석 시스템에서 시약이나 샘플을 효과적으로 혼합시키기 위한 혼합기구(mixer)가 필수적이다. 전통적인 매크로 영역에서는 난류생성을 통해 효과적으로 혼합을 할 수 있다. 즉, 유체 내에서 프로펠러를 돌리거나, 자기 구슬(magnetic bead) 등의 움직이는 파트를 유체 내에 도입할 경우 레이놀드(Reynolds) 수가 충분히 큼으로 난류(turbulent flow)를 유발하는 것이 가능하여, 유체의 혼합을 얻을 수 있었다. 그러나 마이크로 크기의 유체기구에서는 매우 작은 특성길이와 유동속도로 인해 난류를 생성시키는 것이 불가능하게 된다. 나아가 혼합은 대부분 확산에 의해 일어나므로 매우 느리게 진행된다. 따라서 효과적인 혼합을 위해서는 복잡한 형상을 적용하거나 아주 긴 마이크로 채널을 이용하여야 한다. 이는 큰 압력강하를 수반하게 될 가능성이 있으며, 설계와 제조 공정상의 어려움을 유발할 수 있다. 이를 극복하기 위해서 단순한 형상을 가지며, 혼합되는 경로를 줄이면서 면적은 넓게 하는 것이 효과적인 믹서설계의 전제조건이 된다.A mixer is essential for effectively mixing reagents or samples in microanalysis systems. In the traditional macro area, mixing can be effectively achieved through turbulence generation. That is, when a propeller is rotated in a fluid or a moving part such as a magnetic bead is introduced into the fluid, the Reynolds number is sufficiently large to induce turbulent flow, so that the fluid is mixed. could get However, it is impossible to generate turbulence in micro-sized fluid devices due to the very small characteristic length and flow velocity. Furthermore, mixing occurs very slowly, mostly by diffusion. Therefore, for effective mixing, it is necessary to apply a complex shape or use a very long microchannel. This is likely to entail a large pressure drop and may cause difficulties in the design and manufacturing process. To overcome this, it is a prerequisite for an effective mixer design to have a simple shape and to increase the area while reducing the mixing path.
미세 혼합기는 능동형 방식(active type)과 수동형 방식(passive type)으로 나누어진다. 능동형 방식(active type)은 초음파, 자기장 등과 같이 외부의 동력원을 이용하여 혼합을 유도한다. 단점으로 제작 시 어려움이 있고, 비용이 많이 든다. 이와 반대로 수동형 방식(passive type)은 채널 내부의 형상을 변형 또는 유동의 흐름을 변화시켜서 혼합을 유도하는 방식이다. 이는 제작이 용이하고, 혼합을 하기 위한 별도의 장치 또는 공정이 필요하지 않으며, 낮은 비용이 드는 장점이 있다.The fine mixer is divided into an active type and a passive type. In the active type, mixing is induced by using an external power source, such as an ultrasonic wave or a magnetic field. Disadvantages include difficulty in manufacturing and high cost. Conversely, the passive type is a method of inducing mixing by changing the shape of the channel or changing the flow of the flow. It is easy to manufacture, does not require a separate device or process for mixing, and has advantages of low cost.
미세혼합기는 크기가 매우 작아, 내부의 유동이 층류로 흐르게 된다. 층류의 경우 난류와 달리, 유체의 혼합을 분자확산에 의존하기 때문에 서로 다른 유체의 혼합성능을 떨어뜨리는 요인이 된다. 유체의 혼합에는 확산, 신장, 홀딩과 붕괴의 과정이 수반된다. 확산은 유체간의 농도구배에 의해 발생한다. 신장과 홀딩은 대류에 의해 발생하는데 유체의 대류는 유로 표면형상의 변화에 의해 큰 영향을 받을 수 있으며, 서로 다른 유체가 만나는 면적을 증가시킴으로써 증가시킬 수 있다.The micromixer is very small in size, so the flow inside is laminar. In the case of laminar flow, unlike turbulent flow, since the mixing of fluids depends on molecular diffusion, it is a factor that degrades the mixing performance of different fluids. Mixing fluids involves the processes of diffusion, stretching, holding and collapse. Diffusion occurs by concentration gradients between fluids. Stretching and holding are caused by convection, and the convection of a fluid can be greatly affected by a change in the flow path surface shape, and can be increased by increasing the area where different fluids meet.
수동형 방식으로는 크게 A.D. Stroock의 Chaotic 믹서와 SR(Split and recombination) 믹서 등이 있다.In the passive method, A.D. Stroock's Chaotic mixer and SR (Split and recombination) mixer are among others.
Chaotic 믹서는 채널 바닥에 간단하게 패터닝 된 홈을 이용하여 카오스 이류를 유도하는 방식이다. SAR(Split and recombine) 믹서는 채널 내부의 유동의 흐름을 변형하여 분할과 재결합을 반복하여 혼합을 유도하는 방식이다. 이와 같이 수동형 방식의 마이크로 믹서에서 각각의 Chaotic 믹서와 SR(Split and recombination) 믹서에 대한 연구가 많이 진행되고 있지만, 이 두 가지의 혼합특성을 동시에 가지는 고효율 수동형 믹서의 개발이 필요한 실정이다.Chaotic mixer is a method of inducing chaotic advection using a simple patterned groove at the bottom of the channel. SAR (Split and recombine) mixer is a method to induce mixing by repeating division and recombination by changing the flow of flow inside the channel. As described above, although a lot of research on each of the chaotic mixer and SR (split and recombination) mixer in the passive micromixer is being conducted, it is necessary to develop a high-efficiency passive mixer having both mixing characteristics at the same time.
미세 혼합기는 크기가 매우 작아, 내부의 유동이 층류로 흐르게 된다. 층류(laminar flow)의 경우 난류와 달리, 유체의 혼합을 분자확산에 의존하기 때문에 서로 다른 유체의 혼합성능을 떨어뜨리는 요인이 된다. 유체의 혼합에는 확산, 스트레칭, 폴딩과 붕괴의 과정이 수반된다. 확산은 유체간의 농도 구배에 의해 발생한다. 스트레칭과 폴딩은 대류에 의해 발생하는데 유체의 대류는 유로 표면형상의 변화에 의해 큰 영향을 받을 수 있으며, 서로 다른 유체가 만나는 면적을 증가시킴으로써 증가시킬 수 있다.The micro-mixer is very small in size, so the flow inside is laminar. In the case of laminar flow, unlike turbulence, since the mixing of fluids depends on molecular diffusion, it is a factor that degrades the mixing performance of different fluids. Mixing fluids involves the processes of diffusion, stretching, folding and collapse. Diffusion occurs by concentration gradients between fluids. Stretching and folding are caused by convection, and the convection of a fluid can be greatly affected by a change in the flow path surface shape, and can be increased by increasing the area where different fluids meet.
나아가, 수동형 혼합기의 성능은 거의 채널의 기하학적 구조에 의존한다. 따라서, 미세 채널 내에서 유동 현상의 명확한 인식이 미세 혼합기 개발하기에 앞서 요구된다. 이에, 3차원 네비어-스톡스 방정식 기반의 전산 유체역학(CFD;Computational Fluid Dynamics)은 효과적인 미세 혼합기 개발에 제안될 수 있는 기술이다. 따라서, 마이크로 단위에서 효율적인 혼합을 얻기 위해 다수의 장치들이 제안된다. 2차원 유동에서 주기적인 교란에 의해 발생되는 카오스 흐름 메커니즘은 상당하게 층류에서 혼합 효율을 증진할 수 있다.Furthermore, the performance of a passive mixer is largely dependent on the geometry of the channel. Therefore, a clear recognition of flow phenomena within microchannels is required prior to micromixer development. Accordingly, computational fluid dynamics (CFD) based on the three-dimensional Navier-Stokes equation is a technology that can be proposed to develop an effective micromixer. Therefore, a number of devices are proposed to obtain efficient mixing at the micro scale. The chaotic flow mechanism caused by periodic disturbances in two-dimensional flow can significantly enhance the mixing efficiency in laminar flow.
이와 같이 수동형 방식의 미세 혼합기에서 각각의 카오스 이류를 형성하는 혼합기와 채널 내부의 유동의 흐름을 변형하여 분할과 재결합을 반복하여 혼합을 유도하는 방식인 SAR(split and recombination) 혼합기에 대한 연구가 많이 진행되고 있다(대한민국 공개특허공보 제10-2006-0094659 호, 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0088335호). 하지만 이 경우, 상대적으로 높은 레이놀즈 수(Re)가 카오스 이류를 형성하기 위해 필요한 문제점이 있다. 또한, 내부에 많은 장애물 또는 분리벽 등을 설치하여 혼합이 이루어지게 하는 방법으로, 큰 압력 손실을 유발하게 되는 단점을 안고 있으며 게다가 점점 복잡한 장애물들을 삽입함에 따라 제조 공정이 복잡하여 지고, 제조 원가가 상승되는 단점을 가지고 있다.As described above, there are many studies on the split and recombination (SAR) mixer, which is a method of inducing mixing by repeating division and recombination by modifying the flow of the flow inside the channel and the mixer that forms each chaotic advection in the passive type micro mixer. In progress (Korean Patent Publication No. 10-2006-0094659, Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2004-0088335). However, in this case, there is a problem that a relatively high Reynolds number (Re) is required to form a chaotic advection. In addition, as a method for mixing by installing many obstacles or dividing walls inside, it has the disadvantage of causing a large pressure loss, and furthermore, as more and more complicated obstacles are inserted, the manufacturing process becomes complicated, and the manufacturing cost is lowered. It has the disadvantage of increasing.
본 발명의 목적은 높은 효율을 갖는 미세 유체 혼합기 및 이를 이용한 유체의 혼합방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a microfluidic mixer having high efficiency and a method of mixing a fluid using the same.
이를 위하여 본 발명은 To this end, the present invention
유체가 유입되는 복수의 주입구,a plurality of inlets through which the fluid flows;
유입된 유체가 혼합되는 혼합부, 및a mixing unit in which the introduced fluid is mixed; and
혼합된 유체가 배출되는 배출부를 포함하되,Including an outlet through which the mixed fluid is discharged,
상기 혼합부는the mixing part
서로 다른 폭을 갖는 제1채널 및 제2채널이 X축을 중심으로 입구부와 출구부가 대칭상태로 연결되는 고리 형상 유닛; 및a ring-shaped unit in which the first channel and the second channel having different widths are symmetrically connected to an inlet and an outlet about an X-axis; and
상기 고리 형상 유닛과 연결되도록 배치되고, 일 말단에서 직전 고리 형상 유닛의 출구부와 연결되는 입구부 및 타 말단의 출구부를 포함하며, 상기 입구부와 출구부를 제외한 부분이 원호 형상으로 만곡된 형상을 갖고, 상기 입구부와 출구부는 상기 원호 형상으로 만곡된 형상의 양 말단에 형성되고, 내부에 배플을 포함하는 제3채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기를 제공한다.It is disposed to be connected to the annular unit, and includes an inlet portion and an outlet portion of the other end connected to the outlet portion of the annular unit immediately preceding at one end, wherein the portion excluding the inlet portion and the outlet portion is curved in an arc shape. and wherein the inlet and outlet portions are formed at both ends of the arc-shaped curved shape, and include a third channel having a baffle therein.
또한 본 발명은Also, the present invention
상기 미세 유체 혼합기의 각 주입부로 유체를 각각 주입하는 단계;injecting a fluid into each injection unit of the microfluidic mixer;
상기 주입된 유체가 상기 미세 유체 혼합기 내를 유동하면서 혼합되는 단계; 및mixing the injected fluid while flowing in the microfluidic mixer; and
상기 유동하며 혼합된 유체를 배출하는 단계;discharging the flowing and mixed fluid;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 혼합방법을 제공한다.It provides a method of mixing a fluid comprising a.
본 발명에 따르면, 다양한 레이놀즈 수에서 효율적으로 유체를 혼합할 수 있기 때문에, 예를 들어 생화학 분야 등에 적용되는 경우 공정의 효율성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, since the fluid can be efficiently mixed at various Reynolds numbers, for example, when applied to the biochemical field, there is an effect of maximizing the efficiency of the process.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 미세 유체 혼합기의 모식도이고,
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 미세 유체 혼합기와 공지의 혼합기의 혼합정도를 비교하는 그래프이고,
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따른 미세 유체 혼합기에서 레이놀즈 수에 따른 유체의 혼합 정도를 보여주는 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 미세 유체 혼합기에서 X 축 길이 방향 및 레이놀즈 수에 따른 혼합 정도를 보여주는 그래프이고,
도 5는 본 발명의 일 구체예에 따른 미세 유체 혼합기에서 X 축 길이 방향 및 레이놀즈 수에 따른 혼합 정도를 보여주는 도면이고,
도 6은 본 발명의 일 구체예에 따른 미세 유체 혼합기에서 배플의 유무에 따른 혼합 정도를 비교하는 그래프이고, 및
도 7은 본 발명의 일 구체예에 따른 미세 유체 혼합기의 각종 규격에 따른 유체의 혼합정도를 보여주는 그래프이다.1 is a schematic diagram of a microfluidic mixer according to an embodiment of the present invention;
2 is a graph comparing the mixing degree of a microfluidic mixer and a known mixer according to an embodiment of the present invention;
3 is a view showing the mixing degree of the fluid according to the Reynolds number in the microfluidic mixer according to an embodiment of the present invention,
4 is a graph showing the mixing degree according to the X-axis longitudinal direction and the Reynolds number in the microfluidic mixer according to an embodiment of the present invention;
5 is a view showing the mixing degree according to the X-axis longitudinal direction and the Reynolds number in the microfluidic mixer according to an embodiment of the present invention;
6 is a graph comparing the mixing degree according to the presence or absence of a baffle in a microfluidic mixer according to an embodiment of the present invention, and
7 is a graph showing the degree of mixing of fluids according to various specifications of the microfluidic mixer according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiment of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.
또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. In addition, the embodiments of the present invention are provided in order to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer description, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements. In addition, the same reference numerals are used throughout the drawings for parts having similar functions and functions. In addition, "including" a certain element throughout the specification means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated.
본 발명은 다음의 기술에 관한 것이다.The present invention relates to the following technology.
<1 구체예><1 specific example>
유체가 유입되는 복수의 주입구,a plurality of inlets through which the fluid flows;
유입된 유체가 혼합되는 혼합부, 및a mixing unit in which the introduced fluid is mixed; and
혼합된 유체가 배출되는 배출부를 포함하되,Including an outlet through which the mixed fluid is discharged,
상기 혼합부는the mixing part
서로 다른 폭을 갖는 제1채널 및 제2채널이 X축을 중심으로 입구부와 출구부가 대칭상태로 연결되는 고리 형상 유닛; 및a ring-shaped unit in which the first channel and the second channel having different widths are symmetrically connected to an inlet and an outlet about an X-axis; and
상기 고리 형상 유닛과 연결되도록 배치되고, 일 말단에서 직전 고리 형상 유닛의 출구부와 연결되는 입구부 및 타 말단의 출구부를 포함하며, 상기 입구부와 출구부를 제외한 부분이 원호 형상으로 만곡된 형상을 갖고, 상기 입구부와 출구부는 상기 원호 형상으로 만곡된 형상의 양 말단에 형성되고, 내부에 배플을 포함하는 제3채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.It is disposed to be connected to the annular unit, and includes an inlet portion and an outlet portion of the other end connected to the outlet portion of the annular unit immediately preceding at one end, wherein the portion excluding the inlet portion and the outlet portion is curved in an arc shape. and wherein the inlet part and the outlet part are formed at both ends of the arc-shaped curved shape and include a third channel having a baffle therein.
<2 구체예><2 specific examples>
1 구체예에 있어서, 상기 혼합부의 일 말단에 배치되는 고리 형상 유닛의 입구부는 미세 유체 혼합기의 주입구와 연결되고, 타 말단에 배치되는 제3채널의 출구부는 미세 유체 혼합기의 배출부와 연결되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.In one embodiment, the inlet of the annular unit disposed at one end of the mixing unit is connected to the inlet of the microfluidic mixer, and the outlet of the third channel disposed at the other end is connected to the outlet of the microfluidic mixer. Features a microfluidic mixer.
<3 구체예><3 specific examples>
1 구체예에 있어서, 상기 제3채널은 그 내부 중 원호 형상의 중앙 위치에 배플을 포함하고, 중앙 위치의 배플을 기준으로 양쪽으로 대칭되게 복수의 배플을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.The microfluidic mixer according to the first embodiment, wherein the third channel includes a baffle at a central position of an arc shape among its interior, and further comprises a plurality of baffles symmetrically on both sides with respect to the central position of the baffle. .
<4 구체예><4 specific examples>
3 구체예에 있어서, 상기 복수의 배플은 제3채널의 폭 방향으로 상부면 및 하부면에 서로 번갈아 배치되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.The microfluidic mixer according to the third embodiment, wherein the plurality of baffles are alternately disposed on the upper surface and the lower surface in the width direction of the third channel.
<5 구체예><5 specific examples>
4 구체예에 있어서, 중앙에 위치하는 배플을 기준으로 양쪽으로 대칭되게 배치되는 첫번째 배플은 원호의 중심을 기준으로 중앙에 위치하는 배플로부터 15 내지 45 ° 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.In the fourth embodiment, the first baffle disposed symmetrically on both sides with respect to the centrally located baffle is a microfluidic mixer, characterized in that it is disposed 15 to 45° apart from the centrally located baffle with respect to the center of the arc. .
<6 구체예><6 specific examples>
1 구체예에 있어서, 상기 제3채널의 입구부 및 출구부의 폭은 50 내지 100 μm인 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.The microfluidic mixer according to the first embodiment, characterized in that the width of the inlet and outlet of the third channel is 50 to 100 μm.
<7 구체예><7 specific examples>
1 구체예에 있어서, 제3채널의 원호 형상으로 만곡된 형상 부분의 폭은 300 μm인 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.The microfluidic mixer according to the first embodiment, characterized in that the width of the arc-shaped curved portion of the third channel is 300 μm.
<8 구체예><8 specific examples>
1 구체예에 있어서, 제3채널의 폭 방향 일면으로부터, 타면으로부터 연장되는 배플의 끝단까지의 거리는 75 내지 150 μm인 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.In one embodiment, the distance from one surface of the third channel in the width direction to the end of the baffle extending from the other surface is a microfluidic mixer, characterized in that 75 to 150 μm.
<9 구체예><9 specific examples>
1 구체예에 있어서, 상기 제1채널의 폭은 150 내지 250 μm인 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.The microfluidic mixer according to the first embodiment, characterized in that the width of the first channel is 150 to 250 μm.
<10 구체예><10 specific examples>
1 구체예에 있어서, 상기 제2채널의 폭은 50 내지 150 μm인 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.The microfluidic mixer according to the first embodiment, characterized in that the width of the second channel is 50 to 150 μm.
<11 구체예><11 specific examples>
1 구체예에 있어서, 상기 배플의 두께는 20 내지 70 μm인 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.According to one embodiment, the microfluidic mixer, characterized in that the thickness of the baffle is 20 to 70 μm.
<12 구체예><12 specific examples>
1 구체예에 있어서, 상기 미세 유체 혼합기의 총 길이는 7000 내지 8000 μm인 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.The microfluidic mixer according to the first embodiment, characterized in that the total length of the microfluidic mixer is 7000 to 8000 μm.
<13 구체예><13 specific examples>
1 구체예에 있어서, 제3채널의 원호 형상으로 만곡된 형상 부분의 폭에 대한 제3채널의 입구부 및 출구부의 폭의 비는 0.17 내지 0.33인 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.The microfluidic mixer according to the first embodiment, characterized in that the ratio of the width of the inlet portion and the outlet portion of the third channel to the width of the arc-shaped curved portion of the third channel is 0.17 to 0.33.
<14 구체예><14 specific examples>
1 구체예에 있어서, 제3채널의 원호 형상으로 만곡된 형상 부분의 폭에 대한 제3채널의 폭 방향 일면으로부터, 타면으로부터 연장되는 배플의 끝단까지의 거리의 비는 0.25 내지 0.5인 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.In one embodiment, the ratio of the distance from one surface of the third channel in the width direction to the end of the baffle extending from the other surface to the width of the arc-shaped curved portion of the third channel is 0.25 to 0.5. microfluidic mixer.
<15 구체예><15 specific examples>
1 구체예에 따른 미세 유체 혼합기의 각 주입부로 유체를 각각 주입하는 단계;Injecting each fluid into each injection unit of the microfluidic mixer according to the first embodiment;
상기 주입된 유체가 상기 미세 유체 혼합기 내를 유동하면서 혼합되는 단계; 및mixing the injected fluid while flowing in the microfluidic mixer; and
상기 유동하며 혼합된 유체를 배출하는 단계;discharging the flowing and mixed fluid;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 혼합방법.A method of mixing a fluid comprising a.
<16 구체예><16 specific examples>
15 구체예에 있어서, 상기 혼합방법은 유체의 레이놀즈 수가 20 내지 40에서 수행되는 것을 특징으로 하는 유체의 혼합방법.According to the 15th embodiment, the mixing method is a fluid mixing method, characterized in that the Reynolds number of the fluid is 20 to 40 is performed.
이하 본 발명을 각 기술별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail for each technology.
본 발명은 미세 유체 혼합기를 제공하고, 구체적으로는 The present invention provides a microfluidic mixer, specifically
유체가 유입되는 복수의 주입구,a plurality of inlets through which the fluid flows;
유입된 유체가 혼합되는 혼합부, 및a mixing unit in which the introduced fluid is mixed; and
혼합된 유체가 배출되는 배출부를 포함하되,Including an outlet through which the mixed fluid is discharged,
상기 혼합부는the mixing part
서로 다른 폭을 갖는 제1채널 및 제2채널이 X축을 중심으로 입구부와 출구부가 대칭상태로 연결되는 형상 유닛; 및a shape unit in which a first channel and a second channel having different widths are symmetrically connected to an inlet and an outlet about an X-axis; and
상기 고리 형상 유닛과 연결되도록 배치되고, 일 말단에서 직전 고리 형상 유닛의 출구부와 연결되는 입구부 및 타 말단의 출구부를 포함하며, 상기 입구부와 출구부를 제외한 부분이 원호 형상으로 만곡된 형상을 갖고, 상기 입구부와 출구부는 상기 원호 형상으로 만곡된 형상의 양 말단에 형성되고, 내부에 배플을 포함하는 제3채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기를 제공한다.It is disposed to be connected to the annular unit, and includes an inlet portion and an outlet portion of the other end connected to the outlet portion of the annular unit immediately preceding at one end, wherein the portion excluding the inlet portion and the outlet portion is curved in an arc shape. and wherein the inlet and outlet portions are formed at both ends of the arc-shaped curved shape, and include a third channel having a baffle therein.
이하, 본 발명의 미세 유체 혼합기를 각 구성별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the microfluidic mixer of the present invention will be described in detail for each configuration.
본 발명의 미세 유체 혼합기는 유체가 유입되는 복수의 주입구를 포함한다. 이때 복수의 주입구로는 동일한 유체가 도입될 수도 있고, 또는 서로 다른 유체가 각각의 주입구를 통하여 주입될 수도 있다. 복수의 주입구는 일단에서 서로 만나도록 배치되어, 복수의 주입구로 주입되는 유체가 그 일단에서 만나 혼합부로 도입될 수 있도록 한다. 이때 복수의 주입구는 일단에서 서로 만나도록 배치됨에 있어서, 서로 다양한 각도로 만나도록 배치될 수 있고, 예를 들어 서로 수평으로 만나도록 배치될 수도 있고, 또는 일정 각도로 만나도록 배치될 수도 있다.The microfluidic mixer of the present invention includes a plurality of inlets through which the fluid is introduced. In this case, the same fluid may be introduced into the plurality of inlets, or different fluids may be injected through each inlet. The plurality of inlets are arranged to meet each other at one end, so that the fluid injected into the plurality of inlets meets at one end and is introduced into the mixing unit. In this case, the plurality of injection holes may be arranged to meet each other at one end, may be arranged to meet each other at various angles, for example, may be arranged to meet each other horizontally, or may be arranged to meet at a predetermined angle.
본 발명의 미세 유체 혼합기는 상기 주입구를 통하여 주입된 유체가 혼합되는 혼합부를 포함한다. 본 발명에서 혼합부의 일 말단은 상기 주입구와 연결되고, 타 말단은 이하 설명될 본 발명의 미세 유체 혼합기의 배출부와 연결된다.The microfluidic mixer of the present invention includes a mixing unit in which the fluid injected through the inlet is mixed. In the present invention, one end of the mixing unit is connected to the inlet, and the other end is connected to the discharge unit of the microfluidic mixer of the present invention, which will be described below.
본 발명의 미세 유체 혼합기는 상기 혼합부에서 혼합된 유체가 배출되는 배출부를 포함하고, 상기 배출부는 본 발명의 미세 유체 혼합기의 혼합부의 말단 중 주입구와 연결된 말단이 아닌 다른 말단과 연결되어, 혼합부로부터 나오는 혼합된 유체가 배출될 수 있도록 한다.The microfluidic mixer of the present invention includes a discharge unit through which the fluid mixed in the mixing unit is discharged, and the discharge unit is connected to an end other than the end connected to the inlet among the ends of the mixing unit of the microfluidic mixer of the present invention, the mixing unit Allow the mixed fluid from the drain to drain.
한편, 본 발명의 미세 유체 혼합기의 혼합부는 서로 다른 폭을 갖는 제1채널 및 제2채널이 X축을 중심으로 입구부와 출구부가 대칭상태로 연결되는 고리 형상 유닛; 및On the other hand, the mixing unit of the microfluidic mixer of the present invention is a ring-shaped unit in which the first channel and the second channel having different widths are connected in a symmetrical state with the inlet and the outlet about the X-axis; and
상기 고리 형상 유닛과 연결되도록 배치되고, 일 말단에서 직전 고리 형상 유닛의 출구부와 연결되는 입구부 및 타 말단의 출구부를 포함하며, 상기 입구부와 출구부를 제외한 부분이 원호 형상으로 만곡된 형상을 갖고, 상기 입구부와 출구부는 상기 원호 형상으로 만곡된 형상의 양 말단에 형성되고, 내부에 배플을 포함하는 제3채널을 포함하는 것을 특징으로 한다.It is disposed to be connected to the annular unit, and includes an inlet portion and an outlet portion of the other end connected to the outlet portion of the annular unit immediately preceding at one end, wherein the portion excluding the inlet portion and the outlet portion is curved in an arc shape. and wherein the inlet and outlet portions are formed at both ends of the arc-shaped curved shape, and include a third channel having a baffle therein.
이하 본 발명의 혼합부를 각 구성별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the mixing unit of the present invention will be described in detail for each configuration.
본 발명의 혼합부는 고리 형상의 유닛과 이와 연결되는 제3채널을 포함한다.The mixing unit of the present invention includes a ring-shaped unit and a third channel connected thereto.
본 발명의 고리 형상의 유닛은 서로 다른 폭을 갖는 제1채널 및 제2채널이 X축을 중심으로 입구부와 출구부가 대칭상태로 연결되는 것을 특징으로 한다. 여기서 X축은 본 발명의 미세 유체 혼합기의 길이 방향과 수평한 방향으로 연장되는 축을 의미하고, Y축은 이와 같은 X축에 수직인 방향으로 연장되는 축을 의미한다. 도 1을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 예를 들어, 제1채널(211)은 상부의 반원형태이고, 제2채널(212)은 하부의 반원형태이며, 제1채널(211)과 제2채널(212)은 서로 다른 폭을 가지며, 제1채널과 제2채널은 각각의 입구부와 출구부가 서로 연결되어, 최종적으로는 고리 형태를 형성한다. The ring-shaped unit of the present invention is characterized in that the first channel and the second channel having different widths are connected in a symmetrical state to the inlet part and the outlet part about the X axis. Here, the X-axis means an axis extending in a direction horizontal to the longitudinal direction of the microfluidic mixer of the present invention, and the Y-axis means an axis extending in a direction perpendicular to the X-axis. 1 , for example, the
미세 유체 혼합기의 주입구(100)로 주입된 유체들은 혼합부(200) 중 상기 고리 형상 유닛(210)에 도입되면서 서로 다른 폭의 제1채널(211)과 제2채널(212)을 통해 유동하면서 효율적인 혼합이 이루어진다.Fluids injected into the injection port 100 of the microfluidic mixer are introduced into the
다음으로, 본 발명의 혼합부(200)는 상기 고리 형상 유닛(210)과 연결되도록 배치되고, 일 말단에서 직전 고리 형상 유닛의 출구부(214)와 연결되는 입구부(221) 및 타 말단의 출구부(222)를 포함하고, 상기 입구부(221)와 출구부(222)를 제외한 부분이 원호 형상으로 만곡된 형상을 갖고, 상기 입구부(221)와 출구부(222)는 상기 원호 형상으로 만곡된 형상의 양 말단에 형성되고, 내부에 배플(223)을 포함하는 제3채널(220)을 포함한다. 즉, 본 발명의 제3채널(220)은 도 1에 예시적으로 도시되어 있는 바와 같이, 일 말단의 입구부(221), 타 말단의 출구부(222)를 포함하고, 그 사이에 원호 형상으로 만곡된 부분을 포함하며, 그 내부에는 배플(223)을 포함하는 구조를 갖는다. Next, the
이와 같은 구조를 통하여, 고리 형상 유닛(210)을 유동하며 혼합된 유체는 제3채널의 입구부(221)를 통하여 제3채널(220)로 유입되고, 내부에 배플(223)을 포함하는 원호 형상으로 만곡된 부분을 유동하면서 추가적으로 혼합이 수행되고, 출구부(222)를 통하여 배출되게 된다.Through this structure, the fluid mixed while flowing through the
본 발명은 혼합부 구조가 상기 고리 형상 유닛에 상기 제3채널이 연결된 구성을 포함함으로써, 단순히 고리 형상 유닛이 복수개로 연결되어 있는 미세 유체 혼합기와 비교하여 현저히 우수한 유체 혼합 효과를 갖는다.In the present invention, since the structure of the mixing unit includes a configuration in which the third channel is connected to the annular unit, it has a significantly superior fluid mixing effect compared to a microfluidic mixer in which a plurality of simply annular units are connected.
한편, 본 발명의 미세 유체 혼합기는 혼합부의 일 말단에 배치되는 고리 형상 유닛의 입구부가 미세 유체 혼합기의 주입구와 연결되고, 타 말단에 배치되는 제3채널의 출구부는 미세 유체 혼합기의 배출부가 연결되는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명의 혼합부의 시작은 상기 고리 형상 유닛으로 시작하고, 끝은 제3채널로 끝나는 것이 유체의 혼합에 있어 보다 바람직하다. 도 1은 혼합부가 예시적으로 이와 같은 구조로 형성되어 있다.On the other hand, in the microfluidic mixer of the present invention, the inlet of the annular unit disposed at one end of the mixing unit is connected to the inlet of the microfluidic mixer, and the outlet of the third channel disposed at the other end is connected to the outlet of the microfluidic mixer. it is preferable That is, the start of the mixing part of the present invention starts with the annular unit, and it is more preferable that the end ends with the third channel for mixing the fluid. 1 illustrates that the mixing unit is exemplarily formed in such a structure.
본 발명의 제3채널은 원호 형상의 부분에 유체의 흐름을 방해하여 혼합을 증진시키기 위한 배플을 포함하며, 특히 제3 채널 내부 중 원호 형상의 중앙 위치에 배플이 위치하고, 중앙 위치의 배플을 기준으로 양쪽으로 대칭되게 복수의 배플을 더 포함하는 것이 바람직하고, 이때 복수의 배플은 제3채널의 폭 방향으로 상부면 및 하부면에 서로 번갈아 배치되는 것이 바람직하다. The third channel of the present invention includes a baffle for promoting mixing by preventing the flow of fluid in the arc-shaped part, and in particular, the baffle is located at the center of the arc-shaped inside of the third channel, and the baffle at the center is the reference It is preferable to further include a plurality of baffles symmetrically to both sides, in this case, the plurality of baffles are preferably alternately disposed on the upper surface and the lower surface in the width direction of the third channel.
도 1은 이와 같은 구조를 예시적으로 보여주고 있으며, 구체적으로는 제3채널의 중앙 상부면에 배플이 위치하고, 좌우 대칭되는 위치의 하부면에 각각 배플이 위치하여 총 3개의 배플이 위치하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 배치는 제3채널의 내부를 유동하는 유체가 효과적으로 혼합되기에 바람직한 구조이다.FIG. 1 exemplarily shows such a structure, and specifically, the baffle is positioned on the central upper surface of the third channel, and the baffle is positioned on the lower surface of the left-right symmetrical position, so that a total of three baffles are positioned. Able to know. Such an arrangement is a desirable structure for effectively mixing the fluid flowing inside the third channel.
이때, 중앙에 위치하는 배플을 기준으로 양쪽으로 대칭되게 배치되는 첫번째 배플은 원호의 중심을 기준으로 중앙에 위치하는 배플로부터 15 내지 45 ° 이격되어 배치되는 것이 바람직하다. 만약 배플의 이격 각도가 상기 범위를 벗어나는 경우, 혼합 효율이 떨어지는 문제점이 있다.In this case, it is preferable that the first baffle disposed symmetrically on both sides with respect to the baffle positioned at the center is disposed 15 to 45° apart from the baffle positioned at the center with respect to the center of the arc. If the separation angle of the baffle is out of the above range, there is a problem in that mixing efficiency is lowered.
한편, 상기 제3채널의 입구부 및 출구부의 폭은 50 μm 내지 100 μm인 것이 바람직하다. 상기 폭을 50 μm 미만으로 하는 것은 제작이 어려운 문제점이 있고, 100 μm를 초과하는 경우에는 혼합 효율이 저하되는 문제점이 있다.Meanwhile, the width of the inlet and the outlet of the third channel is preferably 50 μm to 100 μm. If the width is less than 50 μm, there is a problem in that it is difficult to manufacture, and when it exceeds 100 μm, there is a problem in that the mixing efficiency is lowered.
다음으로, 상기 제3채널의 원호 형상으로 만곡된 형상 부분의 폭은 300 μm인 것이 바람직하다.Next, the width of the arc-shaped portion of the third channel is preferably 300 μm.
또한, 상기 제3채널의 폭 방향 일면으로부터, 타면으로부터 연장되는 배플의 끝단까지 거리, 즉, 원호 형상의 내부에서 유체가 배플을 넘어 유동할 수 있는 공간의 폭은 75 μm 내지 150 μm인 것이 바람직하다. 상기 거리를 75 μm 미만으로 하는 경우 압력 강하가 커진다는 문제점이 있고, 그 거리를 150 μm 초과로 하는 경우에는 제조가 곤란해지는 문제점이 있다.In addition, the distance from one surface of the third channel in the width direction to the end of the baffle extending from the other surface, that is, the width of the space in which the fluid can flow beyond the baffle in the arc-shaped interior is preferably 75 μm to 150 μm. do. When the distance is less than 75 μm, there is a problem in that the pressure drop increases, and when the distance is more than 150 μm, there is a problem in that manufacturing becomes difficult.
본 발명의 고리 형상 유닛에 포함되는 제1채널의 폭은 적절한 범위에서 조절될 수 있고, 예시적으로 150 내지 250 μm일 수 있고, 200 μm일 수 있다.The width of the first channel included in the annular unit of the present invention may be adjusted in an appropriate range, for example, may be 150 to 250 μm, and may be 200 μm.
또한, 본 발명의 고리 형상 유닛에 포함되는 제2채널의 폭은 적절한 범위에서 조절될 수 있고, 예시적으로 50 내지 150 μm일 수 있고, 100 μm일 수 있다.In addition, the width of the second channel included in the ring-shaped unit of the present invention may be adjusted in an appropriate range, for example, may be 50 to 150 μm, may be 100 μm.
본 발명의 제3채널 내에 포함되는 배플의 두께는 적절한 범위에서 조절될 수 있고, 예시적으로 20 내지 70 μm일 수 있고, 50 μm일 수 있다.The thickness of the baffle included in the third channel of the present invention may be adjusted in an appropriate range, for example, may be 20 to 70 μm, or may be 50 μm.
본 발명의 미세 유체 혼합기는 혼합부가 X 축을 따라 길이방향으로 연장되는 형상을 갖고, 이때 주입구를 제외한 미세 유체 혼합기의 총 길이는 예시적으로 7000 내지 8000 μm일 수 있고, 7950 μm일 수 있다.The microfluidic mixer of the present invention has a shape in which the mixing part extends in the longitudinal direction along the X-axis, and in this case, the total length of the microfluidic mixer excluding the inlet may be, for example, 7000 to 8000 μm, and 7950 μm.
한편, 제3채널의 원호 형상으로 만곡된 형상 부분의 폭에 대한 제3채널의 입구부 및 출구부의 폭의 비는 0.17 내지 0.33인 것이 바람직하다. 상기 비가 상기의 범위를 벗어나는 경우에는 지오메트리 컨스트레인(geometry constrain)때문에 혼합기의 형상을 유지하기가 어려워지는 문제점이 있다.On the other hand, it is preferable that a ratio of the width of the inlet portion and the outlet portion of the third channel to the width of the arc-shaped portion of the third channel is 0.17 to 0.33. When the ratio is out of the above range, there is a problem in that it is difficult to maintain the shape of the mixer due to a geometry constraint.
또한, 제3채널의 원호 형상으로 만곡된 형상 부분의 폭에 대한 제3채널의 폭 방향 일면으로부터, 타면으로부터 연장되는 배플의 끝단까지의 거리의 비는 0.25 내지 0.5인 것이 바람직하다. 혼합기를 제작하는 과정에서 좁은 차이를 유지하는 것이 용이하지 않기 때문에, 상기 비의 범위를 상기와 같이 유지하는 것이 바람직하다.In addition, the ratio of the distance from one surface of the third channel in the width direction to the end of the baffle extending from the other surface to the width of the arc-shaped portion of the third channel is preferably 0.25 to 0.5. Since it is not easy to maintain a narrow difference in the process of manufacturing the mixer, it is preferable to maintain the range of the ratio as described above.
본 발명의 미세 유체 혼합기는 상대적으로 짧은 총 길이에도 불구하고, 기존의 미세 유체 혼합기와 비교하여 현저히 우수한 유체 혼합 효율을 갖는 장점이 있다.The microfluidic mixer of the present invention has the advantage of having significantly superior fluid mixing efficiency compared to the conventional microfluidic mixer despite the relatively short total length.
또한, 본 발명은 상기 미세 유체 혼합기를 이용한 유체의 혼합방법을 제공하고, 구체적으로는 In addition, the present invention provides a method of mixing a fluid using the microfluidic mixer, specifically
상기 미세 유체 혼합기의 각 주입부로 유체를 각각 주입하는 단계;injecting a fluid into each injection unit of the microfluidic mixer;
상기 주입된 유체가 상기 미세 유체 혼합기 내를 유동하면서 혼합되는 단계; 및mixing the injected fluid while flowing in the microfluidic mixer; and
상기 유동하며 혼합된 유체를 배출하는 단계;discharging the flowing and mixed fluid;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 혼합방법을 제공한다.It provides a method of mixing a fluid comprising a.
이하 본 발명의 유체의 혼합방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the mixing method of the fluid of the present invention will be described in detail for each step.
본 발명의 유체의 혼합방법은 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 미세 유체 혼합기의 각 주입부로 유체를 각각 주입하는 단계를 포함한다. 이때 각 주입부로는 동일한 유체가 주입될 수도 있으나, 유체를 혼합한다는 점에서, 서로 다른 유체를 각 주입부로 주입할 수도 있다. The fluid mixing method of the present invention includes injecting the fluid into each injection unit of the microfluidic mixer according to the present invention as described above. At this time, the same fluid may be injected into each injection part, but different fluids may be injected into each injection part in that the fluids are mixed.
이때 서로 다른 유체란 유체의 종류가 상이하거나, 또는 동일 유체라도 농도가 상이한 경우를 포함하며, 그 외 모든 서로 구별될 수 있는 차이가 있는 유체를 모두 포함한다.In this case, the different fluids include a case in which the types of fluids are different, or even the same fluid has different concentrations, and includes all other fluids having a difference that can be distinguished from each other.
본 발명의 유체의 혼합방법은 주입부로 주입된 유체가 상기 미세 유체 혼합기 내를 유동하면서 혼합되는 단계를 포함한다. 본 발명의 미세 유체 혼합기는 상기한 바와 같은 구조를 가짐에 의하여 상대적으로 짧은 총 길이 내에서도 기존의 미세 유체 혼합기와 비교하여 현저히 우수한 혼합 효율을 보여주는 장점이 있다.The fluid mixing method of the present invention includes the step of mixing the fluid injected into the injection unit while flowing in the microfluidic mixer. The microfluidic mixer of the present invention has the advantage of showing significantly superior mixing efficiency compared to the existing microfluidic mixer even within a relatively short total length by having the structure as described above.
본 발명의 유체의 혼합방법은 상기 유동을 통하여 혼합된 유체를 배출하는 단계를 포함한다. 본 발명의 방법을 통하여 혼합이 완료된 후, 매우 균일한 상태로 배출부를 통하여 배출된다.The fluid mixing method of the present invention includes discharging the mixed fluid through the flow. After mixing is completed through the method of the present invention, it is discharged through the discharge unit in a very uniform state.
이때, 상기 혼합방법은 유체의 레이놀즈 수가 20 내지 40인 범위 내에서 수행되는 것이 바람직하다. 레이놀즈 수가 상기 범위를 벗어난다고 하여도 유체의 혼합에 있어 유의미한 변화가 없다.At this time, the mixing method is preferably performed within the range of 20 to 40 Reynolds number of the fluid. Even if the Reynolds number is outside the above range, there is no significant change in the mixing of the fluid.
본 발명의 유체의 혼합방법은 본 발명의 미세 유체 혼합기를 사용함에 의하여 매우 공정 경제성이 우수하면서도, 고효율로 유체를 혼합할 수 있는 장점이 있다.The fluid mixing method of the present invention has the advantage of being able to mix fluids with high efficiency while having excellent process economics by using the microfluidic mixer of the present invention.
이하 본 발명을 실험예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 이하의 실험예를 통하여 보다 구체적으로 설명하고자 하는 것일 뿐, 이하의 기재에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되어 해석되는 것을 의도하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through experimental examples. However, it is only intended to be explained in more detail through the following experimental examples, and is not intended to be interpreted as the scope of the present invention is limited by the following description.
이하의 실험은 도 1에 도시된 것과 동일한 구조를 갖는 본 발명에 따른 미세 유체 혼합기(실시예)를 이용하여 수행되었고, 그때 규격은 다음과 같으며, 이를 표 1에 정리하였다.The following experiment was performed using a microfluidic mixer (Example) according to the present invention having the same structure as that shown in FIG.
-다음--next-
제1채널의 폭(w1) : 200 μmWidth of the first channel (w1): 200 μm
제2채널의 폭(w2) : 100 μmWidth of the second channel (w2): 100 μm
고리형상 유닛의 입구부 및 출구부 폭(w3) : 75 μmInlet and outlet width (w3) of annular unit: 75 μm
미세 유체 혼합기의 주입구와 고리 형상 유닛이 연결되는 부분의 폭(W) : 300 μmWidth (W) of the part where the inlet of the microfluidic mixer and the annular unit are connected: 300 μm
제3채널 중 원호 형상으로 만곡된 부분의 폭(w4) : 300 μmWidth (w4) of the arc-shaped curved portion of the third channel: 300 μm
제3채널의 폭 방향 일면으로부터, 타면으로부터 연장되는 배플의 끝단까지의 거리(w5) : 75 μmDistance from one side of the third channel in the width direction to the end of the baffle extending from the other side (w5): 75 μm
원호 형상으로 만곡된 부분의 원호 반경(R) : 450 μmCircular radius (R) of the curved part in a circular arc shape: 450 μm
배플 사이의 각도(θ) : 30 °Angle between baffles (θ): 30°
미세 유체 혼합기의 주입구와 고리 형상 유닛이 연결되는 부분의 길이(Lo) : 500 μmThe length of the part where the inlet of the microfluidic mixer and the annular unit are connected (Lo): 500 μm
미세 유체 혼합기의 배출부 길이(Le) : 2950 μmOutlet length (Le) of microfluidic mixer: 2950 μm
고리 형상 유닛 중심으로부터 바로 다음으로 연결된 제3채널의 원호 중심까지의 거리(Pi) : 1200 μmDistance (Pi) from the center of the annular unit to the center of the arc of the next connected third channel (Pi): 1200 μm
미세유체 혼합기 총 길이(Lt) : 7950 μmTotal length of microfluidic mixer (Lt): 7950 μm
또한, 이하의 실험에서 본 발명과 비교 대상이 된 미세 유체 혼합기(비교예)는 본 발명의 제3채널을 포함하지 않고, 고리 형상 유닛이 연속으로 4개 연결된 것으로 제외하고는 본 발명과 동일한 규격으로 미세 유체 혼합기가 구성되었다.In addition, in the following experiment, the microfluidic mixer (comparative example), which is the subject of comparison with the present invention, does not include the third channel of the present invention, and has the same specifications as the present invention, except that four annular units are connected in series. A microfluidic mixer was constructed.
<실험예 1><Experimental Example 1>
레이놀즈 수에 따른 혼합 지수의 확인Identification of Mixed Exponents by Reynolds Number
본 발명에 따른 실시예의 미세 유체 혼합기와 비교예의 미세 유체 혼합기에 대하여 레이놀즈 수를 달리하여 유체를 혼합하는 실험을 다음과 같이 수행하였다.For the microfluidic mixer of the example according to the present invention and the microfluidic mixer of the comparative example, an experiment of mixing fluids by changing the Reynolds number was performed as follows.
미세 유체 혼합기의 채널 내부는 정상상태, 비압축성, 층류 유동 상태라고 가정하였다. 연속방정식, 운동량방정식, 대류-확산방정식이 분석에 사용되었고, CFD 소프트웨어 ANSYS CFX 15.0을 이용해서 유동과 혼합을 모사하였다. 레이놀즈 수를 0.1에서 80사이에서 변화시키면서 본 발명에 따른 미세유체 혼합기(실시예)의 성능을 기존의 평면형 비대칭 SAR(P-ASAR) 미세유체혼합기(비교예)의 성능과 비교하였다.It was assumed that the inside of the channel of the microfluidic mixer was a steady state, incompressible, and laminar flow state. The continuity equation, momentum equation, and convection-diffusion equation were used for analysis, and flow and mixing were simulated using CFD software ANSYS CFX 15.0. While changing the Reynolds number between 0.1 and 80, the performance of the microfluidic mixer (Example) according to the present invention was compared with that of the conventional planar asymmetric SAR (P-ASAR) microfluidic mixer (Comparative Example).
상기 실험의 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에 따르면, 실제로 본 발명에 따른 실시예의 혼합기가 비교예의 혼합기에 비하여 현저히 우수한 혼합 지수를 보여주는 것을 확인할 수 있고, 특히, 20 내지 40의 레이놀즈 수 범위에서는 그 차이가 매우 현저하다는 것을 알 수 있다.The results of the above experiments are shown in FIG. 2 . According to FIG. 2, it can be seen that the mixer of the embodiment according to the present invention actually shows a significantly superior mixing index compared to the mixer of the comparative example, and in particular, in the Reynolds number range of 20 to 40, it can be seen that the difference is very significant. .
<실험예 2><Experimental Example 2>
미세 유체 혼합기 길이 방향에 따른 유체의 혼합정도 확인 1Check the degree of mixing of the fluid along the length of the
본 발명의 미세 유체 혼합기 내를 유체가 유동하면서, 길이 방향 유동에 따른 유체의 혼합정도를 확인하기 위하여 레이놀즈 수를 0.1, 5, 및 20으로 변경하면서 다음과 같은 실험을 수행하였다.While the fluid flows in the microfluidic mixer of the present invention, the following experiment was performed while changing the Reynolds number to 0.1, 5, and 20 in order to check the mixing degree of the fluid according to the longitudinal flow.
미세유체 혼합기의 채널 내부는 정상상태, 비압축성, 층류 유동의 상태라고 가정하였다. 연속방정식, 운동량방정식, 대류-확산방정식이 분석에 사용되었고, CFD 소프트웨어 ANSYS CFX 15.0을 이용해서 유동과 혼합을 모사하였다. 깊이 방향으로의 수평단면에서 두 개의 주입구를 통해 유입되는 유체의 유선을 나타내어 농도분포를 살펴보았다. 레이놀즈 수를 0.1, 5, 및 20으로 변경하면서 실험하였다.The inside of the channel of the microfluidic mixer was assumed to be in a steady state, incompressible state, and laminar flow. The continuity equation, momentum equation, and convection-diffusion equation were used for analysis, and flow and mixing were simulated using CFD software ANSYS CFX 15.0. The concentration distribution was examined by showing the streamlines of the fluid flowing through the two inlets in the horizontal section in the depth direction. Experiments were performed with the Reynolds number changed to 0.1, 5, and 20.
상기 실험의 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에 따르면, 미세 유체 혼합기의 길이 방향으로 유체가 유동함에 따라 혼합이 이루어지고 있음을 확인할 수 있고, 특히 레이놀즈 수가 20인 경우, 혼합기의 배출부에서 매우 효과적으로 혼합된 유체가 배출되고 있음을 확인할 수 있다.The results of the above experiments are shown in FIG. 3 . According to FIG. 3 , it can be confirmed that mixing is made as the fluid flows in the longitudinal direction of the microfluidic mixer, and in particular, when the Reynolds number is 20, it can be confirmed that the mixed fluid is discharged very effectively from the outlet of the mixer. can
<실험예 3><Experimental Example 3>
미세 유체 혼합기 길이 방향에 따른 유체의 혼합정도 확인 2Check the degree of mixing of the fluid along the length of the microfluidic mixer 2
본 발명의 미세 유체 혼합기 내를 유체가 유동하면서, 길이 방향 유동에 따른 유체의 혼합정도를 확인하되, 본 발명에 따른 미세 유체 혼합기(실시예)와 비교예에 따른 미세 유체 혼합기에 대하여 레이놀즈 수를 0.1, 1, 10, 20, 30 및 70으로 변경하면서 다음과 같은 실험을 수행하였다.While the fluid flows in the microfluidic mixer of the present invention, the degree of mixing of the fluid according to the longitudinal flow is checked, and the Reynolds number is determined for the microfluidic mixer according to the present invention (Example) and the microfluidic mixer according to the comparative example. The following experiments were performed while changing to 0.1, 1, 10, 20, 30, and 70.
미세유체 혼합기의 채널 내부는 정상상태, 비압축성, 층류 유동의 상태라고 가정하였다. 연속방정식, 운동량방정식, 대류-확산방정식이 분석에 사용되었고, CFD 소프트웨어 ANSYS CFX 15.0을 이용해서 유동과 혼합을 모사하였다.The inside of the channel of the microfluidic mixer was assumed to be in a steady state, incompressible state, and laminar flow. The continuity equation, momentum equation, and convection-diffusion equation were used for analysis, and flow and mixing were simulated using CFD software ANSYS CFX 15.0.
주요(main) 채널 주입구와, 믹싱유닛의 연결부위, 그리고 채널 배출구 각각의 y-z평면에서 혼합지수를 측정하였다.The mixing index was measured in the y-z plane of the main channel inlet, the connecting part of the mixing unit, and the channel outlet.
상기 실험의 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 따르면, 동일한 레이놀즈 수에서, X축으로 동일 위치의 혼합 지수를 비교하면 본 발명의 실시예에 따른 미세 유체 혼합기가 비교예에 따른 미세 유체 혼합기보다 혼합 지수가 높다는 것을 알 수 있고, 특히 레이놀즈 수가 10 이상인 경우, 그 차이가 현저하다는 것을 알 수 있다.The results of the above experiments are shown in FIG. 4 . According to FIG. 4 , when the mixing index at the same position along the X-axis is compared at the same Reynolds number, it can be seen that the microfluidic mixer according to the embodiment of the present invention has a higher mixing index than the microfluidic mixer according to the comparative example, and in particular It can be seen that when the Reynolds number is 10 or more, the difference is significant.
<실험예 4><Experimental Example 4>
미세 유체 혼합기 길이 방향에 따른 유체의 혼합정도 확인 3Check the degree of mixing of the fluid along the length direction of the microfluidic mixer 3
본 발명의 미세 유체 혼합기 내를 유체가 유동하면서, 길이 방향 유동에 따른 유체의 혼합정도를 확인하기 위하여, 레이놀즈 수를 0.1, 1, 10, 30, 및 70으로 변경하면서 다음과 같은 실험을 수행하였다.While the fluid flows in the microfluidic mixer of the present invention, the following experiment was performed while changing the Reynolds number to 0.1, 1, 10, 30, and 70 in order to confirm the mixing degree of the fluid according to the longitudinal flow. .
미세유체 혼합기의 채널 내부는 정상상태, 비압축성, 층류 유동의 상태라고 가정하였다. 연속방정식, 운동량방정식, 대류-확산방정식이 분석에 사용되었고, CFD 소프트웨어 ANSYS CFX 15.0을 이용해서 유동과 혼합을 모사하였다. 미세유체혼합기의 길이 방향(x축 방향) 몇몇 포인트에서 횡단면에서의 색소농도분포를 조사하였다. 레이놀즈 수를 0.1, 1, 10, 30, 및 70으로 변경하면서 다음과 같은 실험을 수행하였다.The inside of the channel of the microfluidic mixer was assumed to be in a steady state, incompressible state, and laminar flow. The continuity equation, momentum equation, and convection-diffusion equation were used for analysis, and flow and mixing were simulated using CFD software ANSYS CFX 15.0. The distribution of pigment concentration in the cross section at several points in the longitudinal direction (x-axis direction) of the microfluidic mixer was investigated. The following experiments were performed while changing the Reynolds number to 0.1, 1, 10, 30, and 70.
상기 실험의 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 따르면, 실제로 유체가 본 발명에 따른 미세 유체 혼합기 내에서 X 축 방향으로 유동함에 따라 점차적으로 혼합이 이루어지고 있다는 것을 확인할 수 있고, 또한 레이놀즈 수가 높아질수록 더 짧은 거리에서 충분한 혼합이 이루어지고 있다는 것을 알 수 있다.The results of the above experiments are shown in FIG. 5 . According to FIG. 5 , it can be confirmed that mixing is being made gradually as the fluid actually flows in the X-axis direction in the microfluidic mixer according to the present invention. Also, as the Reynolds number increases, sufficient mixing is achieved at a shorter distance. It can be seen that there is
<실험예 5><Experimental Example 5>
배플 유무에 따른 효과의 확인Confirmation of effect with or without baffle
본 발명의 실시예에 따른 미세 유체 혼합기에 포함되는 배플의 유무에 따른 효과 차이를 확인하기 위하여, 본 발명의 실시예의 미세 유체 혼합기와, 이와 동일하지만 배플을 포함하지 않는 미세 유체 혼합기에 대하여 레이놀즈 수를 달리하면서 다음과 같은 실험을 수행하였다.In order to check the effect difference depending on the presence or absence of a baffle included in the microfluidic mixer according to the embodiment of the present invention, the Reynolds number for the microfluidic mixer of the embodiment of the present invention and the microfluidic mixer which is the same but does not include a baffle The following experiment was performed while changing the
미세유체 혼합기의 채널 내부는 정상상태, 비압축성, 층류 유동의 상태라고 가정하였다. 연속방정식, 운동량방정식, 대류-확산방정식이 분석에 사용되었고, CFD 소프트웨어 ANSYS CFX 15.0을 이용해서 유동과 혼합을 모사하였다. 혼합에 배플이 미치는 영향을 알아보기 위해서 배플이 있는 미세유체혼합기와 배플이 없는 미세유체혼합기 각각의 배출구 혼합지수를 비교했다. 레이놀즈 수를 0.1, 1, 및 70으로 변경하면서 다음과 같은 실험을 수행하였다.The inside of the channel of the microfluidic mixer was assumed to be in a steady state, incompressible state, and laminar flow. The continuity equation, momentum equation, and convection-diffusion equation were used for analysis, and flow and mixing were simulated using CFD software ANSYS CFX 15.0. To investigate the effect of baffles on mixing, we compared the outlet mixing indexes of microfluidic mixers with baffles and microfluidics without baffles. The following experiments were performed while changing the Reynolds number to 0.1, 1, and 70.
상기 실험의 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에 따르면, 모든 레이놀즈 수에서 배플이 있는 경우가 없는 경우보다 혼합 지수가 높다는 것을 알 수 있고, 특히 레이놀즈 수가 5 내지 40의 범위에서는 그 차이가 현저하다는 것을 알 수 있다.The results of the experiment are shown in FIG. 6 . According to FIG. 6 , it can be seen that the mixing index is higher in all Reynolds numbers than in the case where there is no baffle, and in particular, it can be seen that the difference is significant in the range of 5 to 40 Reynolds numbers.
<실험예 6><Experimental Example 6>
추가적인 혼합 지수의 확인Identification of additional mixed indices
본 발명의 미세 유체 혼합기의 규격에 따른 혼합 지수를 확인하기 위하여, 미세 유체 혼합기의 규격을 조정하고, 레이놀즈 수를 변경하면서 다음과 같은 실험을 수행하였다.In order to confirm the mixing index according to the specification of the microfluidic mixer of the present invention, the following experiment was performed while adjusting the specification of the microfluidic mixer and changing the Reynolds number.
미세유체 혼합기의 채널 내부는 정상상태, 비압축성, 층류 유동의 상태라고 가정하였다. 연속방정식, 운동량방정식, 대류-확산방정식이 분석에 사용되었고, CFD 소프트웨어 ANSYS CFX 15.0을 이용해서 유동과 혼합을 모사하였다. W3/W4, W5/W4, 및 θ를 각각 변화시키면서 레이놀즈 수가 10, 20, 30, 40일 때 배출구의 혼합지수를 측정하였다. W3/W4는 0.17, 0.25, 0.33로, W5/W4는 0.25, 0.375, 0.50로, 그리고 θ는 15, 30, 45로 바꿔가면 측정하였다(W3: 제3채널의 입구부 및 출구부 폭, W4: 제3채널의 원호 형상으로 만곡된 형상 부분의 폭, W5: 제3채널의 폭 방향 일면으로부터, 타면으로부터 연장되는 배플의 끝단까지의 거리, θ: 원호의 중심을 기준으로 중앙에 위치하는 배플로부터 인접하는 배플까지의 이격 각도). The inside of the channel of the microfluidic mixer was assumed to be in a steady state, incompressible state, and laminar flow. The continuity equation, momentum equation, and convection-diffusion equation were used for analysis, and flow and mixing were simulated using CFD software ANSYS CFX 15.0. The mixing index of the outlet was measured when the Reynolds number was 10, 20, 30, and 40 while changing W 3 /W 4 , W 5 /W 4 , and θ, respectively. W 3 /W 4 was measured when changing to 0.17, 0.25, 0.33, W 5 /W 4 to 0.25, 0.375, 0.50, and θ to 15, 30, 45 (W 3 : the inlet of the third channel and Exit width, W 4 : Width of the arc-shaped curved portion of the third channel, W 5 : Distance from one surface of the third channel in the width direction to the end of the baffle extending from the other surface, θ: the center of the arc angle of separation from a centrally located baffle to an adjacent baffle).
상기 실험의 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에 따르면, 미세 유체 혼합기의 규격에 따라 혼합지수의 값은 크게 달라지지는 않으나, 레이놀즈 수가 10 인 경우는 20, 30 및 40인 경우와 비교하여 혼합 지수가 현저히 떨어지는 것을 확인할 수 있다.The results of the above experiments are shown in FIG. 7 . According to FIG. 7 , the value of the mixing index does not vary significantly depending on the specification of the microfluidic mixer, but it can be seen that the mixing index is significantly lowered when the Reynolds number is 10 compared to the case of 20, 30 and 40.
100...........주입구
200...........혼합부
210...........고리 형상 유닛
211...........제1채널
212...........제2채널
213...........고리 형상 유닛의 입구부
214...........고리 형상 유닛의 출구부
220...........제3채널
221...........제3채널 입구부
222...........제3채널 출구부
223...........배플
300...........배출부100...............Inlet port
200..............Mixed part
210...............Annular shaped unit
211 ......... 1st channel
212..............Second Channel
213.........Inlet of annular unit
214.........Outlet of the annular unit
220 ......... 3rd channel
221.........3rd channel inlet
222 ......... 3rd channel outlet
223..............Baffle
300...............Exhaust
Claims (16)
유입된 유체가 혼합되는 혼합부, 및
혼합된 유체가 배출되는 배출부를 포함하되,
상기 혼합부는
서로 다른 폭을 갖는 제1채널 및 제2채널이 X축을 중심으로 입구부와 출구부가 대칭상태로 연결되는 고리 형상 유닛; 및
상기 고리 형상 유닛과 연결되도록 배치되고, 일 말단에서 직전 고리 형상 유닛의 출구부와 연결되는 입구부 및 타 말단의 출구부를 포함하며, 상기 입구부와 출구부를 제외한 부분이 원호 형상으로 만곡된 형상을 갖고, 상기 입구부와 출구부는 상기 원호 형상으로 만곡된 형상의 양 말단에 형성되고, 내부에 배플을 포함하는 제3채널을 포함하되,
상기 제3채널은 그 내부 중 원호 형상의 중앙 위치에 배플을 포함하고, 중앙 위치의 배플을 기준으로 양쪽으로 대칭되게 복수의 배플을 더 포함하고,
상기 복수의 배플은 제3채널의 폭 방향으로 상부면 및 하부면에 서로 번갈아 배치되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.
a plurality of inlets through which the fluid flows;
a mixing unit in which the introduced fluid is mixed; and
Including an outlet through which the mixed fluid is discharged,
the mixing part
a ring-shaped unit in which the first channel and the second channel having different widths are symmetrically connected to an inlet and an outlet about an X-axis; and
It is disposed to be connected to the annular unit, and includes an inlet portion and an outlet portion of the other end connected to the outlet portion of the annular unit immediately preceding at one end, wherein the portion excluding the inlet portion and the outlet portion is curved in an arc shape. and a third channel formed at both ends of the inlet portion and the outlet portion curved in the arc shape, and including a baffle therein,
The third channel includes a baffle at a central position of an arc shape among its interior, and further includes a plurality of baffles symmetrically on both sides with respect to the central position of the baffle,
The plurality of baffles are alternately disposed on the upper surface and the lower surface in the width direction of the third channel.
The method of claim 1, wherein the inlet of the annular unit disposed at one end of the mixing unit is connected to the inlet of the microfluidic mixer, and the outlet of the third channel disposed at the other end is connected to the outlet of the microfluidic mixer. Features a microfluidic mixer.
The microfluidic mixer according to claim 1, wherein the first baffle disposed symmetrically on both sides with respect to the centrally located baffle is spaced apart from the centrally located baffle by 15 to 45° with respect to the center of the arc. .
The microfluidic mixer according to claim 1, wherein the width of the inlet and the outlet of the third channel is 50 to 100 μm.
The microfluidic mixer according to claim 1, wherein the width of the arc-shaped portion of the third channel is 300 μm.
The microfluidic mixer according to claim 1, wherein the distance from one surface of the third channel in the width direction to the end of the baffle extending from the other surface is 75 to 150 μm.
The microfluidic mixer according to claim 1, wherein the width of the first channel is 150 to 250 μm.
The microfluidic mixer according to claim 1, wherein the width of the second channel is 50 to 150 μm.
The microfluidic mixer according to claim 1, wherein the baffle has a thickness of 20 to 70 μm.
The microfluidic mixer according to claim 1, wherein the total length of the microfluidic mixer is 7000 to 8000 μm.
The microfluidic mixer according to claim 1, wherein a ratio of the width of the inlet part and the outlet part of the third channel to the width of the arc-shaped curved portion of the third channel is 0.17 to 0.33.
According to claim 1, wherein the ratio of the distance from one surface of the width direction of the third channel to the end of the baffle extending from the other surface to the width of the arc-shaped portion of the third channel is 0.25 to 0.5. microfluidic mixer.
상기 주입된 유체가 상기 미세 유체 혼합기 내를 유동하면서 혼합되는 단계; 및
상기 유동하며 혼합된 유체를 배출하는 단계;
를 포함하되.
유체의 레이놀즈 수가 20 내지 40에서 수행되는 것을 특징으로 하는 유체의 혼합방법.
injecting a fluid into each injection unit of the microfluidic mixer according to claim 1;
mixing the injected fluid while flowing in the microfluidic mixer; and
discharging the flowing and mixed fluid;
including but.
A method of mixing a fluid, characterized in that the Reynolds number of the fluid is 20 to 40.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200023757A KR102324465B1 (en) | 2020-02-26 | 2020-02-26 | Microfluidic mixer and method of mixing fluid using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200023757A KR102324465B1 (en) | 2020-02-26 | 2020-02-26 | Microfluidic mixer and method of mixing fluid using the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210108754A KR20210108754A (en) | 2021-09-03 |
| KR102324465B1 true KR102324465B1 (en) | 2021-11-09 |
Family
ID=77785235
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200023757A KR102324465B1 (en) | 2020-02-26 | 2020-02-26 | Microfluidic mixer and method of mixing fluid using the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102324465B1 (en) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101005676B1 (en) * | 2008-11-27 | 2011-01-05 | 인하대학교 산학협력단 | Passive micromixer |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100523983B1 (en) | 2003-04-10 | 2005-10-27 | 학교법인 포항공과대학교 | Kenics micromixer embedded barrier |
| KR100666500B1 (en) | 2005-02-25 | 2007-01-09 | 학교법인 포항공과대학교 | Serpentine laminating chaotic micromixer |
| JP5023616B2 (en) * | 2006-08-24 | 2012-09-12 | マックス株式会社 | Power tool and shock absorbing mechanism |
-
2020
- 2020-02-26 KR KR1020200023757A patent/KR102324465B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101005676B1 (en) * | 2008-11-27 | 2011-01-05 | 인하대학교 산학협력단 | Passive micromixer |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 대만 공개특허공보2009-48468호(2009.12.1)* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20210108754A (en) | 2021-09-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6674933B2 (en) | Process-enhanced microfluidic device | |
| Ansari et al. | A novel passive micromixer based on unbalanced splits and collisions of fluid streams | |
| Xia et al. | Chaotic micromixers using two-layer crossing channels to exhibit fast mixing at low Reynolds numbers | |
| Capretto et al. | Micromixing within microfluidic devices | |
| KR101793744B1 (en) | Scale-up of flow-focusing microfluidic devices | |
| US20120300576A1 (en) | Planar labyrinth micromixer systems and methods | |
| US7753580B2 (en) | Microstructure designs for optimizing mixing and pressure drop | |
| Melin et al. | A fast passive and planar liquid sample micromixer | |
| US8740448B2 (en) | Micromixing chamber, micromixer comprising a plurality of such micromixing chambers, methods for manufacturing thereof, and methods for mixing | |
| EP1679115A1 (en) | High performance microreactor | |
| KR102014601B1 (en) | Three-dimensional flow structure microfluidic mixer | |
| KR100666500B1 (en) | Serpentine laminating chaotic micromixer | |
| US20050213425A1 (en) | Micro-mixer/reactor based on arrays of spatially impinging micro-jets | |
| AU2013220890B2 (en) | Centrifugal microfluidic mixing apparatus and method | |
| TWI230683B (en) | The micromixer with overlapping-crisscross entrance | |
| KR20150105856A (en) | Micro Mixer Using Taylor Gortler Vortex and Manufacturing Method Thereof | |
| Nady et al. | Improvement in mixing efficiency of microfluidic passive mixers functionalized by microstructures created with proton beam lithography | |
| JP3959436B2 (en) | Flow fluctuation structure and micromixer | |
| KR101113727B1 (en) | Vertical lamination micromixer | |
| KR102324465B1 (en) | Microfluidic mixer and method of mixing fluid using the same | |
| KR101515403B1 (en) | Microfluidic Channel Using Hook-Shaped Structures, Manufacturing Method Thereof, and Analysis System Having the Same | |
| Das et al. | Computational analysis for mixing of fluids flowing through micro-channels of different geometries | |
| KR100523983B1 (en) | Kenics micromixer embedded barrier | |
| KR100407819B1 (en) | Micro mixer for chaotic mixing of fluids | |
| Husain et al. | DESIGN AND MIXING PERFORMANCE OF PASSIVE MICROMIXERS: A CRITICAL REVIEW |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |