KR20120117739A - 마이크로유체 장치용 클램핑 구조체 - Google Patents

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윌라드 에이 커틀러
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실베인 엠 그레멧츠
이오넬 라제르
올리비에 로벳
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Abstract

마이크로유체 장치(10)는 유체소통가능하게 서로 연결되며 일반적으로 4개의 비교적 얇은 에지(20a, 20b, 20c, 20d) 및 2개의 대향하는 비교적 큰 면(22, 24)을 형성하는 실질적으로 플레이트 형상인 2개 이상의 글래스, 세라믹 또는 글래스 세라믹 마이크로유체 모듈(20)을 포함하며, 각각의 마이크로유체 모듈(20)은 적어도 부분적으로 마이크로챔버(32)를 형성하는 하나 이상의 마이크로유체 채널(30); 하나 이상의 유체 유입구(50) 및 하나 이상의 유체 유출구(60)를 포함하며, 그리고 상기 마이크로유체 모듈은 하나 이상의 클램핑 구조체 또는 수단(95, 97)을 포함하는 하나 이상의 밀착식 유지 커넥터(90)를 통해 유체 덕트(120)와 밀착되게 상호연결되며, 상기 하나 이상의 클램핑 수단(95, 97)은 구 형상 부재(160) 및 컵 형상 부재(170)를 포함하는 조인트(150)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로유체 장치용 클램핑 구조체 {CLAMPING STRUCTURE FOR MICROFLUIDIC DEVICES}
본 발명은 2009년 10월 9일에 출원된 프랑스 우선권 출원 제0957079호의 35 USC 119(e)하에서의 이익을 주장한다.
본 개시는 마이크로유체 장치(microfluidic device)에 관한 것이다.
글래스, 글래스-세라믹 및 세라믹 마이크로유체 장치를 포함한 마이크로유체 장치를 장착 및 연결/또는 상호연결하는 데 사용하기 위한 여러 방법과 구조체가 제안되었다. 현존 방법은 마이크로유체 장치를 형성하도록 마이크로유체 모듈(microfluidic module)에 대해 복수의 압축 시일을 위로 한 상태로, 접착제 등에 의해 마이크로유체 장치에 금속 또는 폴리머 유체 커플러를 고정하고 복수-포트 커넥터를 가압하면서, 사이에 위치되는 시일 또는 커플러에 의해 서로에 대해 바로 마이크로유체 모듈을 스태킹(stacking)하는 방법을 포함한다.
이들 마이크로유체 장치는 화학 반응, 표본 처리, 분석 및 수집을 위해 사용될 수 있다. 화학 반응과 관련하여, 이들 마이크로유체 장치는 마이크로-반응기라고 불린다. 종래 기술의 참조 문헌으로 유럽특허 제 1,679,115호를 예로 들 수 있다. 이 참조 문헌은 복수 층을 갖는 고효율 마이크로-반응기를 개시하는데, 이 복수 층은 2개의 반응물이 혼합될 수 있는 1개의 반응 층과, 이 반응 층을 사이에 끼우며 양호한 열 관리를 보장하는데 전용으로 사용되는 2개의 열교환 층을 포함한다.
글래스 마이크로유체 모듈은 반응물 유입 및 생산물 유출과, 또한 열교환 층 안으로 순환하는 마이크로-반응기의 열 제어를 보장하는데 사용되는 열 유체의 유입 및 유출을 보장하도록 후방면과 전방면 상에 드릴링된다.
유럽특허공개 제 1,854,534 A1호에는 글래스 유체 모듈들 사이와 최종-사용자 시스템과의 상호연결을 보장하는데 사용되는 특수한 연결 시스템이 또한 개시된다.
미국특허 제 6,450,047 B2호는 고수율 표본 처리, 분석 및 수집용 장치 및 그 사용 방법을 개시한다.
추가로, 국제출원(WO) 제 02/064247호(유럽특허 제 1,360,000호)는 바람직하게 플레이트 형상으로 구성되며 바람직하게 실리콘으로 이루어진 마이크로 부품, 특히 마이크 반응기들을 연결하기 위한 장치를 개시한다. 마이크로부품들 사이에는 마이크로부품의 개구들에 대응하는 개구들이 제공되는 실링 플레이트(sealing plate)가 배치된다.
마이크로유체 장치 및 그 제조 방법이 또한 종래의 미국특허공개 제 2003/0,192,587 A1호에 개시된다.
실질적으로 평편한 형상의 마이크로유체 모듈에 대한 글래스, 세라믹, 또는 비트로-세라믹 피스(piece)의 평편도(flatness)에 대해 적은 구속을 가지면서 보다 낮은 비용의 제조 방법의 사용을 가능하게 하는 것이 바람직하다. 수 개의 글래스 마이크로유체 모듈의 측정을 허용하는 한편 스태킹된 모듈 사이에 신뢰성 있는 밀착성을 제공함으로써, 체적 확장성(scalability), 증가된 처리 체척, 처리 회로 내에서의 감소된 압력 강하를 허용하는 것이 또한 바람직하다.
함께 사용되는 수 개의 글래스 마이크로유체 모듈의 컴팩트성(compactness)을 향상시키고, 연결부의 개수를 감소시켜서 잠재적인 누출 지점을 제한하는 것이 또한 바람직하다.
종래의 프로세스 대비 비용을 증가시키지 않거나, 오히려 제조 비용을 감소시켜서 산업적 규모의 제조를 가능하게 하는, 표본적인 신뢰성 있는 해결방안을 갖는 이러한 장점을 제공하는 것이 또한 바람직할 것이다.
마지막으로, 화학 반응, 샘플링, 분석 등일 수 있는 마이크로유체 장치 내에서 이루어지게 되는 여러 유형의 처리가 가능하게 하는 해결 방안을 제공하는 것이 또한 바람직하다.
본 개시의 제1 양상에 의하면, 마이크로유체 장치는 대체로 4개의 비교적 얇은 에지(edge)와 2개의 대향하는 비교적 큰 면(face)을 형성하는 실질적으로 평편한(plate) 형상의 1개 이상의 글래스, 세라믹 또는 글래스 세라믹 마이크로유체 모듈을 포함하며, 각각의 상기 마이크로유체 모듈은 적어도 부분적으로 마이크로챔버를 형성하는 1개 이상의 마이크로유체 채널, 1개 이상의 유체 유입구 및 1개 이상의 유체 유출구를 포함하고, 그리고 상기 마이크로유체 모듈의 각각의 마이크로유체 유입구 및 각각의 마이크로유체 유출구는 하나 이상, 특히 하나 이상 세트의 쌍으로 된 클램핑 구조체 또는 클램핑 수단을 포함하는 밀착식 유지 커넥터를 통해 유체 덕트와 밀착되게 상호연결되며, 상기 하나 이상의 클램핑 수단은 구 형상 부재(spherical shaped member) 및 컵(cup) 형상 부재를 포함하는 조인트를 포함한다. 즉, 이러한 조인트는 "볼(ball) 및 소켓(socket)" 타입 조인트이다.
제2 실시예에 따르면, 상기 마이크로유체 장치는 상기 하나 이상의 클램핑 수단에 방사상 유지 구조체 또는 방사상 변형 방지 구조체가 제공되는 것을 특징으로 한다.
구체적인 특성에 의하면, 상기 방사상 변형 방지 수단은 하나 이상의 금속 링을 포함한다.
다른 구체적인 특성에 의하면, 상기 구 형상 부재는 상기 방사상 변형 방지 수단을 수용 및 지지하도록 되어있다.
제3 실시예에 의하면, 상기 마이크로유체 장치는 제1 클램핑 수단을 갖는 제1 측면 아암, 제2 클램핑 수단을 갖는 제2 측면 아암 및 메인 커넥팅 부재를 형성하는 C-클램프를 포함하는 하나 이상의 유지 커넥터를 통해 유체 덕트와 밀착되게 상호연결된 2세트 이상의 2개의 연속하는 마이크로유체 모듈을 형성하는 2개 이상의 스태킹된 마이크로유체 모듈을 포함한다.
상기 마이크로유체 모듈은 또한 금속 또는 합금으로 제조될 수 있다.
특별한 특징에 의하면, 상기 제1 및 제2 측면 아암 중 하나 이상은 상기 메인 커넥팅 부재에 대해 상대적으로 병진이동 가능하다.
또 다른 특징에 의하면, 상기 마이크로유체 장치는 2개의 연속하는 마이크로유체 모듈 사이에 인접 유체 유입구 및 인접 유체 유출구와 부합되도록 되어 있는 관통구가 제공되는 중간 실링 커넥팅 플레이트를 더 포함하며, 상기 중간 실링 커넥팅 플레이트는 상기 관통구 상에 실링 구조체 또는 실링 수단을 더 포함한다.
다른 특별한 특징에 의하면, 처리 마이크로챔버와 연통하는 하나 이상의 추가의 유체 반응물(R)의 분사를 위한 또는 상기 유체의 일부를 추출하기 위한 예컨대 중간 실링 커넥팅 플레이트의 하나 이상의 측면 에지 상에, 스택의 적절한 위치에 하나 이상의 유체를 분사 또는 추출하기 위한 유체 포트 또는 수단(82)이 제공된다.
다른 특별한 특징에 의하면, 상기 마이크로유체 모듈은 정렬 및 대향되는 유입구 및 유출구를 구비한다.
다른 특별한 특징에 의하면, 상기 마이크로유체 모듈은 상기 유입구 및 유출구가 대향되며 오프셋되는 커넥션 패턴(connection pattern)을 구비하여, 상기 중간 실링 커넥팅 플레이트의 대응하는 오프셋 대향하는 유입구 및 유출구를 또한 구비한다.
특별한 실시예에 의하면, 상기 마이크로유체 모듈은 사이에 처리 층을 끼우고 있으며 서로로부터 처리 층의 대응면 상 각각에서의 열교환을 위한 특수 층을 포함하며, 각각의 마이크로유체 모듈에는 2개의 대향하는 열 유체 유입구 및 2개의 대향하는 열 유체 유출구가 제공되는 한편, 상기 처리 층에는 하나 이상의 유체 피드 유입구 및 하나 이상의 유체 피드 유출구가 제공된다.
제각각 특허가능한 다른 특별한 실시예에 의하면, 상기 중간 실링 커넥팅 플레이트는, 상기 밀착식 유지 커넥터의 대응하는 에지 상에 제공되는 제2 정렬 수단과 협력하도록 되어 있어 상기 마이크로유체 모듈의 용이하고 적절한 정렬을 보장하는 제1 정렬 수단을 상기 에지 중 하나 이상의 에지 위에 포함한다.
다른 특별한 특징에 의하면, 커넥팅 부재들은 "볼(ball) 및 소켓(socket)" 조인트를 포함하며, 뿐만 아니라 상기 중간 실링 커넥팅 플레이트는 PTFE, PFA 또는 PEEK 물질에서 통상적으로 선택가능한 플라스틱 물질; 또는 티타늄, 탄탈, 또는 하스탈로이, 또는 티타늄 합금, 탄탈 합금과 같은 합금으로 이루어진 부분들(parts)에서 통상적으로 선택가능한 금속 또는 합금에서 선택된 화학적 저항 물질로 이루어질 수 있다.
본 개시는 또한 화학 반응, 샘플링, 분석 등을 실행하기 위한 마이크로유체 장치의 사용에 관한 것이다. 보다 일반적으로, 본 개시는 혼합, 분리, 추출, 결정화, 침전, 또는 마이크로구조체 내부에 고체를 또한 함유하는 유체의 다상 혼합물을 포함하는 유체 또는 유체의 혼합물을 포함하는 다상 혼합물의 유체를 포함하는 유체 또는 유체 혼합물의 처리를 수반하는 임의의 프로세스를 실행하기 위한 마이크로유체 장치의 사용에 관한 것이며, 상기 가능한 프로세싱은 물리적 프로세스, 유기종, 무기종 또는 유기종 및 무기종 모두의 상호변환을 야기하는 프로세스로 정의되는 화학 반응, 바이오화학 프로세스, 또는 임의의 다른 형태의 프로세싱을 포함한다.
도 1은 열 유체 유입구 및 유출구, 여기서 도 1 및 도 2의 좌측부 상의 2개의 유입구 및 2개의 유출구에 대한 전용의 2개의 유지 커넥터(90)와, 도 1 및 도 2의 우측부 상의 반응물 유입 및 유출 전용의 유지 커넥터(90)를 구비하는, 수 개의 글래스, 세라믹, 또는 글래스 세라믹 마이크로유체 모듈의 스태킹을 포함하는, 여기의 본 실례에서는 4개의 마이크로유체 모듈이 제공되는 마이크로유체 장치의 3차원 도면이다.
도 2는 수개의 글래스 마이크로유체 모듈의 스태킹을 허용하는 커넥터 시스템을 보다 명확히 보여주는 마이크로유체 장치의 단면도이다.
도 3은 C-클램프 구조체를 포함하는 유지 커넥터(90)의 확대도이다.
도 4는 마이크로유체 모듈이 없는 C-클램프 구조체를 보다 명확히 보여주는 유지 커넥터의 다른 도면이다.
도 5는 그 구조를 보다 잘 이해하기 위해 단면으로 도시된 클램핑 수단을 C-클램프가 구비하는, 종축선을 따라 단면으로 도시된 유지 커넥터의 다른 도면이다.
도 6은 정렬 수단이 추가로 제공되는, 현재 개시의 특성에 따른 중간 실링 커넥팅 플레이트의 3차원 도면이다.
도 7은 2개의 연속하는 마이크로유체 모듈 사이에 배열되는 중간 실링 커넥팅 플레이트를 포함하는 수 개의 글래스 마이크로유체 모듈의 스태킹을 나타내는 도면이다.
도 8은 피드 유입구 및 피드 유출구가 정렬되며, 마이크로유체 챔버를 형성하는 마이크로유체 채널이 개략적으로 도시되는, 개별의 마이크로유체 모듈의 단면도이다.
도 9는 중간 실링 커넥팅 플레이트가 2개의 연속하는 개별의 마이크로유체 모듈 사이에 개재되고, 피드 유입구(들) 및 피드 유출구(들)이 정렬되는, 도 8의 마이크로유체 모듈의 스태킹을 보다 양호한 이해를 위해 분해도로 도 8과 유사한 단면으로 도시한 도면이다.
도 10은 피드 유입구 및 피드 유출구가 오프셋되어 있는 마이크로유체 모듈의 다른 실시예를 도 8과 유사한 단면으로 도시한 도면이다.
도 11은 오프셋 유입구(들) 및 유출구(들)를 갖는 중간 실링 커넥팅 플레이트를 구비하는 도 10의 오프셋 유입구 및 유출구 마이크로유체 모듈의 스태킹을 도시하는 도면이다.
도 12는 열 유체 채널이 처리 채널에 의해 처리 층을 사이에 끼고 있는 2개의 열 유체 층을 보여주며, 유입구들과 유출구들이 상세하게 도시되지 않은 마이크로유체 모듈의 구조를 단면으로 도시하는 개념도이다.
도 1 내지 도 9, 도 11 및 도 12를 참조하여, 본 개시의 제1 실시예를 설명한다.
제1 양상에 의하면, 본 개시는 대체로 4개의 비교적 얇은 에지(edge)(20a, 20b, 20c, 20d) 및 2개의 대향하는 비교적 큰 면(face)(22, 24)을 형성하는 실질적으로 평편한 형상의 적어도 하나, 본 실례에서는 4개의 글래스, 세라믹, 또는 글래스 세라믹 마이크로유체 모듈(들)(microfluidic module(s); 20)을 포함하는 마이크로유체 장치(10)에 관한 것이다. 이러한 마이크로유체 모듈은 또한 예컨대 아래에 설명하듯이 금속 또는 합금으로 제조될 수 있다.
마이크로유체 모듈(들)(20)은 여기서 또한 프레임 부재(14, 16, 18)를 포함하는 프레임 부재(frame member; 12) 상에 장착된다.
각각의 마이크로유체 모듈(20)은 적어도 부분적으로 마이크로챔버(microchamber; 32)를 형성하는 하나 이상의 마이크로유체 채널(microfluidic channel; 30)을 포함하는 하나 이상의 처리 층(treatment layer; 38); 하나 이상의 마이크로유체 유입구(50) 및 하나 이상의 마이크로유체 유출구(60)를 포함하며, 보다 구체적으로 용이한 이해를 위해 단순하게 도시된 도 8 내지 도 12를 참조한다.
상기 마이크로유체 모듈의 각각의 마이크로유체 유입구(50) 및 각각의 마이크로유체 유출구(60)는 하나 이상의, 특히 하나 이상의 세트의 쌍으로 된 클램핑 구조체 또는 클램핑 수단(95, 97)을 포함하는 밀착식 유지 커넥터(90)를 통해 유체 덕트(120)와 밀착되게 상호연결된다.
본 개시의 일 양상에 의하면, 마이크로유체 장치는, 하나 이상의 제1 클램핑 수단(95, 97)이 구(spherical) 형상 부재(160) 및 컵(cup) 형상 부재(170)를 포함하는 조인트(joint; 150)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이것은 일종의 "볼(ball) 및 소켓(socket)" 조인트를 구성한다.
특히 유용한 실시예에 의하면, 마이크로유체 장치는 2개 이상의 적층된 마이크로유체 모듈, 여기서는 4개의 적층된 마이크로유체 모듈을 포함하며, 이 마이크로유체 모듈은 제1 클램핑 수단(95)을 갖는 제1 측면 아암(94), 제2 클램핑 수단(97)을 갖는 제2 측면 아암(96), 및 메인 커넥팅 부재(main connecting part; 92)를 형성하는 C-클램프를 포함하는 하나 이상의 유지 커넥터(holding connector; 90)를 통해 유체 덕트(fluid duct; 120)와 밀착되게 상호연결된 하나 이상의 세트, 여기서는 2개의 세트의 2개의 연속하는 마이크로유체 모듈을 형성한다.
다른 실시예에 의하면, 제1 측면 아암(94) 및 제2 측면 아암(96) 중 하나 이상은 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 상기 메인 커넥팅 부재에 상대적으로 병진운동으로 이동가능하다.
도 12에 도시된 바와 같이, 각각의 마이크로유체 모듈은 마이크로챔버(32) 내의 효과적인 온도 제어를 위해 샌드위치(sandwich)로 끼워진 처리 층(38)의 각 측면 상의 열 조절식 유체(heat regulated fluid: HF)와 열 교환을 위한 특수 층(36), 특수 층(40)을 포함한다.
도시된 실시예에서, 각각의 마이크로유체 모듈(20)에는 예컨대 2개의 대향하는 열 유체 유출구(44)와 그들 자체로 연통하는 열 유체 채널(37, 41)과 연통하는 예컨대 2개 이상의 열 유체 유입구(42)가 제공된다. 물론 당업자라면 잘 이해할 수 있듯이 처리 층(38)을 통해 열 유체(HF)가 통과하는 동안 특수 경로(43, 45)가 예견된다.
또한 여기서 처리 층(38)에는, 도 12에 도시된 바와 같이, 처리물(P)의 유출을 위한 하나 이상의 유체 처리 피드 유출구(fluid treatment feed outlet; 60)와 그들 자체로 연통하는 처리 챔버(32)를 형성하는 처리 마이크로채널(30)과 연통하는 하나 이상의 유체 반응물(A)을 위한 하나 이상의 유체 처리 피드 유입구(50)가 제공된다. 물론 당업자라면 잘 이해할 수 있듯이, 열 교환 층(40)을 통한 유체 반응물(A)의 통과 동안 특수 경로(47)가 예견되며, 열 교환 층(36)을 통한 유체물(P)을 위한 유사한 특수 경로(49)가 예견된다.
본 개시의 다른 특징에 의하면, 당업자라면 잘 이해할 수 있듯이 도 12에서 점선으로 도시된 바와 같이, 예컨대 마이크로유체 채널(30)과 연통하는 하나 이상의 추가의 유체 반응물(R)의 분사를 위한 중간 실링 커넥팅 플레이트(intermediate sealing connecting plate; 70)의 하나 이상의 측면 에지 상에, 스택(stack)의 적절한 위치에 하나 이상의 유체를 분사 또는 추출하기 위한 유체 포트 또는 수단(82)을 예측할 수도 있다.
마이크로유체 모듈(20) 내의 마이크로유체 채널(들)(30)과 열 교환 층(36, 40) 내의 열 유체 채널(37, 41)의 적절한 생성을 포함한 마이크로유체 모듈(20)의 제조는 당업자에게 널리 공지되어 있다. 본 출원의 도입부에 인용된 종래 기술은 이러한 마이크로유체 채널의 제조를 실행하는 여러 방법들을 소개하고 있다. 이것은 특히 모두 코닝 인코포레이티드(CORNING Inc.)의 프랑스 특허 제 2,830,206B1호 또는 미국특허공개 제 2003/0192587 A1호의 전체 명세서를 참조할 수 있다.
본 발명의 제1 특징에 의하면, 마이크로유체 장치(10)는 구 형상 부재(160) 및 컵 형상 부재(170)를 자체로 포함하는 조인트(150)를 포함하는 제1 및 제2 클램핑 수단(95, 97) 중 하나 이상을 구비하며, 이 조인트가 볼 및 소켓 조인트를 구성하며 아래에 상세히 설명될 것이다.
다른 실시예에 의하면, 마이크로유체 장치(10)는 제1 및 제2 클램핑 수단(95, 97) 중 하나 이상에 방사상 유지 구조체 또는 방사상 변형 방지 수단(180)이 제공되는 것을 특징으로 가지고 있다.
특별한 특징에 의하면, 방사상 변형 방지 수단(180)은 하나 이상의 금속 링(182)을 포함한다.
다른 특별한 특징에 의하면, 구 형상 부재(160)는 상기 방사상 변형 방지 수단(180)을 수용 및 지지하도록 되어 있다. 특별한 실시예에서, 상기 구 형상 부재(160)는 상기 방사상 변형 방지 수단(180)과 단일 피스를 형성하도록 일체화될 수 있고, 이는 링 형상을 가질 수 있다.
다른 실시예에 의하면, 도 6 및 도 7을 참조하면, 마이크로유체 장치는 인접 유체 유입구(50) 및 인접 유체 유출구(60)와 부합되도록 되어 있는 관통구(71, 72, 73)가 제공되는 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)를 2개의 연속하는 마이크로유체 모듈(20) 사이에 포함할 수 있으며, 상기 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)는 도 8 내지 도 11의 단면에 명확히 도시된 바와 같이 상기 관통구(71) 상에 실링 구조체 또는 실링 수단(80)을 더 포함한다.
이러한 중간 실링 커넥팅 플레이트는 아래에 더 설명할 본 개시의 중요한 대안의 양상을 구성한다.
특별한 특징에 의하면, 상기 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)는, 상기 유지 커넥터(90)의 대응하는 에지(92a) 상에 제공되는 도 4 및 도 5에 참조되는 제2 정렬 구조체 또는 제2 정렬 수단(93)과 협력하도록 되어 있는 도 6 및 도 7에 참조되는 제1 정렬 구조체 또는 제1 정렬 수단(74)을 상기 에지(70a, 70b, 70c, 70d) 중 하나 이상의 에지(70a) 상에 포함하여, 상기 마이크로유체 모듈의 용이하고 적절한 정렬을 보장한다. 이러한 예시적인 실시예에서, 제1 정렬 수단(74)은, 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)를 갖는 한 세트의 마이크로유체 모듈(20)이 유지 커넥터(90)의 아암들 사이의 제 위치에 놓이는 경우 적절한 정렬을 제공하기 위한 홈(groove; 98)을 포함하는 제2 정렬 수단(93)과 협력하는 외부 돌출 핀(outside protruding pin)들을 포함한다.
중간 실링 커넥팅 플레이트는 예컨대 2개의 관통 홀(77, 78)이 제공되는 상부 측면 및 중앙 돌출 부재(76)를 특히 구비할 수 있어서, 각각의 마이크로유체 모듈(20)의 상부 측면 에지(20a)에 접촉하도록 구성된 숄더(shoulder; 29a)가 제공된 유지 플레이트(29)를 포함하는 로드(27) 및 나사(28)의 삽입에 의해 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)와 마이크로유체 모듈(20)의 조합에 의해 형성된 마이크로유체 장치를 함께 유지시킬 수 있다. 변경예에서, 상기 마이크로유체 모듈(20)은 대응하는 상부 측면 및 중앙 돌출 부재를 또한 포함할 수 있다.
도 8 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 마이크로유체 모듈(20)은 적어도 부분적인 마이크로챔버(32)를 형성하는 적어도 부분적인 마이크로유체 채널(30)을 포함한다.
도 9 및 도 12에 도시된 바와 같이 마이크로챔버(32) 내에서 처리되게 되는 유체 또는 피드(A)는 물론, 당업자라면 잘 이해할 수 있듯이, 피드 유출구(50)로부터 마이크로유체 채널(30)을 통해 마이크로유체 유출구(60)로, 그리고 하나의 마이크로유체 모듈(20)로부터 다음 모듈까지 각각의 마이크로유체 모듈(20)을 통해 유동한다.
본 발명의 특별한 특징은 중간 실링 커넥팅 플레이트(들)(70)를 제공하는 것이다. 중간 실링 커넥팅 플레이트(들)(70)에는 인접하는 유체 유입구(들)(50) 및 인접하는 유체 유출구(들)(60)와 부합되도록 되어 있는 관통구(들)(71, 72, 73)가 제공된다. 예를 들면, 관통구(71)는 반응물 유입구 및 유출구 전용일 수 있는 한편, 관통구(72, 73)는 열 유체 유입구 및 유출구 전용일 수 있다.
또한, 특별한 특징에 의하면, 도 9 및 도 11을 참조하면, 상기 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)는 마이크로유체 모듈(20) 사이에 밀착성을 제공하기 위해 예컨대 특별히 디자인된 홈(71a)(71b) 안으로 위치될 수 있는 실링 수단(80)을 상기 관통구(71, 72, 73) 상에 더 포함할 수 있다.
이러한 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)는, 아래에 더 상세히 설명하듯이, PTFE, PFA 또는 PEEK 재료에서 통상 선택될 수 있는 플라스틱 재료, 혹은 금속 또는 합금으로 제조될 수 있다.
도 8 및 도 9에 도시된 바람직한 실시예에 의하면, 마이크로유체 모듈(20)은 보다 통상의 스태킹 구성인 정렬 및 대향되는 유입구(50) 및 유출구(60)를 구비한다.
도 10 및 도 11에 도시된 다른 실시예에 의하면, 유입구(50) 및 유출구(60)가 대향되고 오프셋(offset)되는 연결 패턴을 제공할 수 있어서, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)의 대응하는 오프셋 유입구(71a) 및 유출구(71b)를 또한 구비한다.
오프셋 구성이 요구된다면, 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)의 사용은 이러한 오프셋 구성을 용이하게 보상할 가능성을 제공하다는 것이 이해가능하다.
이 경우, 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)는 보다 두꺼우며, 이는 도 9와 비교할 때 도 11에 보다 명확하며, 이러한 경우, 유입구 개구 부분(71a) 및 유출구 개구 부분(71b)은 대향되고 오프셋되며, 중간 개구(71), 각각의 유입구(71a) 및 유출구(71b)에는 통상 O-링 시일(seal)인 실링 수단(80)이 제공된다.
도 9에 도시된 실시예에서, 추가의 반응물 또는 추가의 생성물을 도입하기 위해 또는 이를 회수하기 위해, 스택의 적절한 위치, 예컨대 스택의 중간에 하나의 유체 또는 피드(B)를 분사 또는 이로부터 회수할 필요가 있는 경우, 적어도 하나의 특정한 피드(B) 유입구 또는 포트 수단(82)은 도 9의 우측에 도시된 바와 같이 보다 큰 두께를 갖는 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)의 하나 이상의 측면 에지 상에 예측될 수 있다.
따라서, 중간 실링 커넥팅 플레이트(들)(70)는, 당업자라면 잘 이해할 수 있듯이, 다수의 산업상 이용에 적용가능한 복잡한 마이크로유체 장치(10)의 제조에 대해, 간단하고 효과적인 비용의 구조를 갖는 상당히 양호한 융통성을 제공한다.
합리적인 당업자는 홈의 전용 오목부 안에 위치되는 0-링 시일에 대해 사용되는 재료가 내압을 견딜 수 있음이 이해가능하다.
또한, O-링 시일은 Kalrez®, Chemraz® 또는 Perlast®와 같은 퍼플로로-엘라스토머 물질과 같은 높은 화학 내성을 제공하도록 되어 있는 폴리머로 제조될 수 있다.
이제, 조인트(150)의 특수한 구조체는 구 형상 부재(160) 및 컵 형상 부재(170)를 포함하며, 측면 아암(94) 및 (96) 상의 장착은 도 4 및 도 5와의 관계에서 보다 구체적으로 설명된다.
제1 측면 아암(94)은 도 4 및 도 5를 참조하면 조인트(150)의 컵 형상 부재(170)를 구성하도록 되어 있는 베벨형(bevelled) 확대부를 갖는 아암(94)의 내부 부분에서 종결하는 관통 오리피스(through orifice)(158)를 포함한다. 유사하게, 다른 측면 아암(96)은 최상의 실시예에서 관통구(158)를 갖는 동일한 구조체, 여기서 컵 형상 부재(170)를 구성하도록 예측되는 베벨형 부재를 구비한다.
조인트(150)의 구 형상 부재(160)의 구조는 다음과 같다.
구 형상 부재(160)는 O-링 시일(128)을 수용하도록 디자인되는 환형 오목부(126)가 추가로 제공되는 확대형 마우스 엔드 오리피스(mouth end orifice)(125)로서 종결하는 중앙 관통 오리피스(124)를 포함하는 유체 덕트(120)의 유출구 숄더형 부분(outlet shouldered part; 122)에 연결된다. 본 예시적인 실시예에서 이들이 동일하기 때문에 각각의 아암(94, 96)에 대한 모든 피드 덕트(feed duct; 120)에 대해 동일한 구조체가 적용된다.
상기 구 형상 부재(160)는 여기서 방사상 변형 방지 수단(anti-radial deformation means; 180)을 구성하는 것으로 예측되는 외부 피스(182)의 하부 부분에 의해 제공된다. 상기 외부 피스(182)는 내부로 향하는 돌출부를 이루는 볼(ball; 102)을 그 하부 부분에 구비하는 원통형 구조가 일반적이다. 당업자라면 이해할 수 있듯이, 이러한 외부 피스(182)는 아래에 인용되는 하나와 같이 특히 금속 또는 합금으로 제조될 수 있다.
보다 일반적으로, 볼 및 소켓 조인트(150)를 포함하는 커넥팅 부재 뿐만 아니라, 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)는 통상 PTFE, PFA 또는 PEEK 물질에서 선택될 수 있는 플라스틱 물질; 또는 통상 티타늄, 탄탈, 또는 하스텔로이(hastelloy), 티타늄 합금, 탄탈 합금과 같은 합금으로 이루어진 부재에서 선택될 수 있는 금속 또느 합금에서 선택되는 화학적 저항 물질(material chemically resistant)로 이루어질 수 있다.
방사상 변형 방지 수단(180)과 유체 덕트(120)의 유출구 숄더형 부분(122) 사이에, 중간 원통형 링(184)이 개재될 수 있는데, 이 중간 원통형 링은 마이크로유체 모듈의 글래스, 세라믹 또는 글래스 세라믹 물질과의 개조된 접촉을 제공한다. 이러한 중간 링(184)은 PEEK와 같은 경성 플라스틱 물질로 제조될 수 있다.
도시된 구조에 의하면, 유체 덕트(120)의 유출구 숄더형 부분(122)은 구 형상 부재(160)의 상부 내부면 상에 놓이고 중간 링(184)에 대한 지지면을 또한 제공하는 특정의 수평 환형 링(190) 상에 지지될 수 있다.
본 개시의 마이크로유체 장치의 특정 실시예에 의하면, 측면 아암(94, 96) 중 이 하나, 여기서는 측면 아암(94)이 메인 커넥팅 부재(92)에 대해 상대적으로 병진이동으로 이동가능하다. 이것은 매우 간단한 방법으로 실시될 수 있다. 예컨대, 측면 아암(94)은 2개의 관통구(130, 140)를 포함하는데, 하나의 관통구(130)는 메인 커넥팅 부재(92)에 대해 측면 아암(94)의 병진이동의 변위를 안내할 수 있는 메인 커넥팅 부재(92)의 좁은 안내 확장 부분(guiding extension narrower part; 132)을 수용하도록 되어 있다.
제2 관통구(140)는 당업자에게 명확하기 때문에 여기에 도시되지 않은, 메인 커넥팅 부재(92)에서 예견되는 대응하는 오리피스 상에 볼팅될 수 있는 스크류 수단(142)을 수용하도록 되어 있다.
이러한 조인트(150)의 구 형상 부재(160) 및 컵 형상 부재(170)에 의해, 마이크로유체 모듈(20)의 표면의 완벽한 평편도(flatness)의 발생가능한 결함과 무관하게 마이크로유체 장치(20)를 밀착되게 연결할 수 있어서, 글래스, 세라믹 또는 세라믹 글래스의 제조에서의 제약이 보다 적을 수 있다.
도 1 내지 도 11을 참조한 상기한 바와 같은 구조체는, 각각의 유입구 및 유출구에 대한 독립적인 유체 모듈 및 단일 포트 내의 표준 조립체와 비교할 때, 상당히 양호한 스태킹을 제공하고, 따라서 보다 양호한 컴펙트성(compactness)을 제공한다. 도 1, 도 2, 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 4개의 마이크로유체 모듈의 스태킹은 하나의 단일 유체 모듈과 동일한 점유면적(footprint)을 갖는다.
본 개시 또는 그 양상들은 또한 단순성과 연결 개수의 감소를 제공한다.
특히, 주요하게 통상 요구되는 8개 대신 함께 스태킹(적층)된 4개의 마이크로유체 모듈에 대해 오로지 2개의 유입구 및 2개의 유출구가 있다는 사실로 인해, 커넥션과 파이핑(piping)의 개수가 감소된다.
적층된 마이크로유체 모듈에 기초한 마이크로유체 장치는, O-링 시일이 마이크로유체 모듈 사이에 내부에 위치되기 때문에, 보다 적은 기구(mechanics), 즉 프레임, 커넥터, 피팅, 배관 등이 단순화되거나, 조립 후에 보이지 않는 부품에 의해 실현된 밀착 구역(tightness zone)에 의해 단순화된다. 보다 적은 기계적 피스 수단은 추가로 비용 절감을 제공하고 잠재적인 누출 구역을 반영하는 신뢰성을 향상시킨다.
본 개시 또는 그 특정 양상들은 또한, 종래 기술에 도시된 바와 같이 통상의 단일 포트 피드 덕트와 반대로, PTFE 어댑터일 수 있는, 열 제어할 필요없이 내부 부피체를 제공하여, PFA SWAGELOKⓒ 피팅은 열중성자화(thermalize)되지 않는 적어도 0.5 ml의 내부 부피체를 갖는다.
커넥션 및 파이핑 안으로 제어되지 않은 반응의 임의의 위험을 방지하기 위해, 임의의 열적 제어없이 이러한 내부 부피체를 제한한다는 것이 중요하다. 마이크로유체 모듈 사이에 오로지 하나의 O-링 시일을 갖는 본 개시에 도시된 바와 같은 통상의 스태킹 커넥션은 열적 제어없이 부피체를 갖는 것을 방지한다.
본 개시 또는 그 일부 양상들은 자가 정렬 원리(self alignment principle)에 의한 용이한 조립을 제공한다. 비용 절감을 위해 반응기 조립 시간을 단축시키는 것이 또한 중요하다. 그리고 조립 시간 이외에, 제1 장착에서 밀착된 조립을 달성하는 것이 결정적으로 중요하다. 반응기 안에서의 임의의 누출을 발견하는 것이 길고 고통스러운 시간임은 잘 이해할 수 있다.
본 개시의 하나 이상의 양상에 따른 제안된 스태킹 커넥션 시스템은 3 부분의 장착 시간과 기계적 디자인으로 통상 분할되는 한편 밀착된 조립을 달성하는 것을 보장하도록 자가 정렬 특성을 다른 최상의 실시예에서 제공하는 것이 가능하다.
상기한 바와 같이, 본 개시의 특히 중요한 대안의 실시예 또는 특징은, 유지 커넥터(90)의 메인 커넥팅 부재(92)의 대응하는 에지(92a) 상에 제공되는 대응하는 제2 정렬 수단(93)과 협력하도록 구성되는 제1 정렬 수단(74)이 제공되는 특수한 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)를 사용하여, 마이크로유체 모듈의 용이하고 적절한 정렬을 보장함을 제공한다는 것이다.
여기에 개시되는 사용 방법 및/또는 장치들은 혼합, 분리, 추출, 결정화, 침전, 또는 마이크로구조체 내부에 - 고체를 또한 함유하는 유체의 다상 혼합물을 포함하는 유체 또는 유체의 혼합물을 포함하는 - 다상 혼합물의 유체를 포함하는 유체 또는 유체 혼합물의 처리를 수반하는 임의의 프로세스를 실행하는데 대체로 유용하다. 이러한 프로세싱은 물리적 프로세스, 유기종, 무기종 또는 유기종 및 무기종 모두의 상호변환을 야기하는 프로세스로 정의되는 화학 반응, 바이오화학 프로세스, 또는 임의의 다른 형태의 프로세싱을 포함한다. 다음의 제한되지 않은 반응 리스트는 개시된 방법 및/또는 장치에 의해 실행될 수 있다. 즉, 이 반응 리스트는 산화, 환원, 치환, 제거, 첨가, 리간드(ligand) 교환, 금속 교환, 및 이온 교환이다. 보다 구체적으로, 아래의 제한되지 않은 리스트의 임의의 반응이 여기 개시된 방법 및/또는 장치에 의해 실행될 수 있는데, 이 반응은 중합, 알킬화, 탈알킬화, 니트로화, 과산화, 황산화, 에폭시화, 가암모니아 산화, 수소화, 탈수소화, 유기금속 반응, 귀금속 화학/균질 촉매 반응, 카보닐화, 티오카보닐화, 알콕시화, 할로겐화, 탈하이드로할로겐화, 탈할로겐화, 하이드로포르밀화, 카복실화, 탈카복실화, 아미노화, 아릴화, 펩타이드 커플링, 알돌 응축화, 사이클로응축화, 탈하이드로고리화, 에스테르화, 아미드화, 헤테로고리 합성, 탈수, 알콜화, 가수분해, 가암모니아 분해, 에테르화, 효소 합성; 케탈화, 비누화, 이성질화, 쿼터화, 포르밀화, 상 변화 반응, 실리화, 니트릴 합성, 인산화, 오존화, 아지드 화학, 메탄화, 히드로실리화, 연결 반응, 및 효소 반응을 포함한다.
도 1 내지 도 12에 도시된 실시예들은 단지 실례로서 고려된 것이다. 다음의 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않고 형태, 디자인, 또는 배치에 있어서의 다양한 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (14)

  1. 일반적으로 4개의 비교적 얇은 에지(20a, 20b, 20c, 20d) 및 2개의 대향하는 비교적 큰 면(22, 24)을 형성하는 실질적으로 플레이트 형상의 1개 이상의 글래스, 세라믹 또는 글래스 세라믹 마이크로유체 모듈(20)을 포함하는 마이크로유체 장치(10)로서,
    각각의 상기 마이크로유체 모듈(20)은 적어도 부분적으로 마이크로챔버(32)를 형성하는 하나 이상의 마이크로유체 채널(30); 하나 이상의 마이크로유체 유입구(50) 및 하나 이상의 마이크로유체 유출구(60)를 포함하며, 그리고 상기 마이크로유체 모듈의 각각의 상기 마이크로유체 유입구(50) 및 각각의 상기 마이크로유체 유출구(60)는 하나 이상의 클램핑 구조체 또는 수단(95, 97)을 포함하는 밀착식 유지 커넥터(90)를 통해 유체 덕트(120)와 밀착되게 상호연결되는, 마이크로유체 장치에 있어서,
    상기 하나 이상의 클램핑 구조체 또는 수단(95, 97)은 구 형상 부재(spherical shaped member; 160) 및 컵(cup) 형상 부재(170)를 포함하는 조인트(150)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로유체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 클램핑 수단(95, 97)에는 방사상 변형 방지(anti-radial deformation) 구조체 또는 수단(180)이 제공되는
    마이크로유체 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 방사상 변형 방지 수단(180)은 하나 이상의 금속 링(182)을 포함하는
    마이크로유체 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 구 형상 부재(160)는 상기 방사상 변형 방지 수단(180)을 수용 및 지지하도록 되어 있는
    마이크로유체 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 클램핑 수단(95)을 갖는 제1 측면 아암(94) 및 제2 클램핑 수단(97)을 갖는 제2 측면 아암(96) 및 메인 커넥팅 부재(92)를 형성하는 C-클램프를 포함하는 하나 이상의 유지 커넥터(90)를 통해 유체 덕트(120)와 밀착되게 상호연결된 1세트 이상의 2개의 연속하는 마이크로유체 모듈을 형성하는 2개 이상의 적층된 마이크로유체 모듈을 포함하는
    마이크로유체 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 측면 아암(94, 96) 중 하나 또는 두 개의 측면 아암은 상기 메인 커넥팅 부재(92)에 대해 상대적으로 병진이동 가능한
    마이크로유체 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    2개의 연속하는 마이크로유체 모듈(20) 사이에 인접하는 유체 유입구(50) 및 인접하는 유체 유출구(60)와 부합되도록 구성되는 있는 관통구(71, 72, 73)가 제공되는 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)를 더 포함하며, 상기 중간 실링 커넥팅 플레이트는 상기 관통구(71, 72, 73) 상에 실링 수단(80)을 더 포함하는
    마이크로유체 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    처리 마이크로유체 채널(30)과 연통하는 하나 이상의 추가의 유체 반응물(R)의 분사를 위한 또는 상기 유체의 일부를 추출하기 위한 스택의 적절한 위치에 예컨대 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)의 하나 이상의 측면 에지 상에 하나 이상의 유체를 분사 또는 추출하기 위한 유체 포트 또는 수단(82)을 포함하는
    마이크로유체 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로유체 모듈(20)은 정렬 및 대향되는 마이크로유체 유입구(50) 및 마이크로유체 유출구(60)를 구비하는
    마이크로유체 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로유체 유입구(50) 및 마이크로유체 유출구(60)가 대향되며 오프셋되는 커넥팅 패턴을 포함하여, 상기 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)의 대응하는 오프셋 대향된 유입구(71a) 및 유출구(71b)를 또한 구비하는
    마이크로유체 장치.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)는, 상기 유지 커넥터(90)의 대응하는 에지(92a) 상에 제공되는 제2 정렬 수단(93)과 협력하도록 구성되어 상기 마이크로유체 모듈의 용이하고 적절한 정렬을 보장하는 제1 정렬 수단(74)을 상기 에지(70a, 70b, 70c, 70d) 중 하나 이상의 에지 위에 포함하는
    마이크로유체 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커넥팅 부재들은 조인트(150)를 포함하며, 또한 상기 중간 실링 커넥팅 플레이트(70)는 PTFE, PFA 또는 PEEK 물질에서 통상적으로 선택될 수 있는 플라스틱 물질; 또는 티타늄, 탄탈, 또는 하스탈로이, 또는 티타늄 합금, 탄탈 합금과 같은 합금으로 이루어진 부분들에서 통상적으로 선택가능한 금속 또는 합금에서 선택된 화학적 저항 물질로 이루어지는
    마이크로유체 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로유체 모듈은 샌드위치 형태로 포함된 처리 층(38)의 각 측면 상에서의 열교환을 위한 특수 층(36, 40)을 포함하며, 각각의 마이크로유체 모듈(20)에는 2개의 대향하는 열 유체 유입구(42) 및 2개의 대향하는 열 유체 유출구(44)가 제공되는 한편, 상기 처리 층(38)에는 하나 이상의 유체 피드 유입구(50) 및 하나 이상의 유체 피드 유출구(60)가 제공되는
    마이크로유체 장치.
  14. 혼합, 분리, 추출, 결정화, 침전, 또는 그 밖에 마이크로구조체 내부에, 고체를 또한 함유하는 다상 혼합물의 유체들을 포함하는 유체들 또는 유체들의 혼합물을 포함하는 다상 혼합물의 유체들을 포함하는, 유체들 또는 유체들의 혼합물의 프로세싱을 수반하는 임의의 프로세스를 수행하기 위한, 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에서 한정된 마이크로유체 장치의 용도로서,
    상기 프로세싱은 가능하게는 물리적 프로세스, 유기종, 무기종 또는 유기종 및 무기종 모두의 상호변환을 야기하는 프로세스로 정의되는 화학 반응, 바이오화학 프로세스, 또는 임의의 다른 형태의 프로세싱을 포함하는
    마이크로유체 장치의 용도.
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