KR20130059018A - Apparatus for generating the time-periodic pulsatile microflows by applying hydraulic head difference - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A time periodic micro-precise pulsatile flow generating apparatus is provided to adjust the period and amplitude of a pulsatile flow implementing a perfect sinusoidal and to provide the forward pulsatile flow and the forward/backward pulsatile flow. CONSTITUTION: A time periodic micro-precise pulsatile flow generating apparatus includes a liquid container(3), a rotational motion apparatus, and a micro-channel(6). The liquid container is filled with a liquid. The rotational motion apparatus rotates at a regular angular velocity. The micro-channel is connected to the rotational motion apparatus. A pressure difference, which is periodically varied by the rotation of the liquid container, is generated at the micro-channel according to the rotation of the rotational motion apparatus so that the micro-channel implements a sinusoidal pulsatile flow. The liquid container is connected to one end of the micro-channel with micro-channel inflow tubing.

Description

유체의 수두차 원리를 이용한 시간주기형 미세정밀 맥동류 발생 장치{Apparatus for generating the time-periodic pulsatile microflows by applying hydraulic head difference}Apparatus for generating the time-periodic pulsatile microflows by applying hydraulic head difference}

본 발명은 맥동류(pulsatile flow) 발생 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체정역학(fluid statics)의 기본 개념인 베르누이(Bernoulli) 원리에 기반한 유체의 수두차(hydraulic head difference)를 이용하여, 물이 채워져 있는 액체 용기가 일정한 각속도로 회전함에 따른 수면의 높이 변화에 의해 시간에 따라 주기적으로 변하는 압력차를 발생시킴으로써, 미세하고 정밀한 사인파 형태의 맥동류를 구현할 수 있는 유체의 수두차 원리를 이용한 시간주기형 미세정밀 맥동류 발생 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a pulsatile flow generating device, and more particularly, using a hydraulic head difference based on the Bernoulli principle, a basic concept of fluid statics. Time using the principle of the head of the fluid to realize the fine and precise sinusoidal pulsating flow by generating the pressure difference that changes periodically with time by changing the height of the water surface as the filled liquid container rotates at a constant angular velocity. The present invention relates to a periodic microscopic pulse wave generator.

본 발명에 따른 맥동류 발생 장치는, 시간 주기형 맥동류의 주기(period)와 진폭(amplitude)을 각각 조절할 수 있도록 설계되어 있고, 회전축과 마이크로채널의 높이차를 조절하여 전진형(forwarding type) 및 전후진 제자리형(back-and-forth standing type)의 두 가지 유형의 맥동류 구현이 가능하다. The pulsation flow generating device according to the present invention is designed to adjust the period and amplitude of the time-periodic pulsating flow, respectively, and the forwarding type by adjusting the height difference between the rotating shaft and the microchannel. And two types of pulsations can be implemented: back-and-forth standing type.

맥동류는 예를 들어, 심장의 반복적이고 주기적인 수축과 이완에 의한 혈관 내 혈액의 흐름과 같은 유형을 일컫는다. 공학 기술 분야에서도 주사기 펌프 등, 일부를 제외한 많은 펌프에서 맥동류를 관찰할 수 있으며, 이러한 맥동 현상은 전기 회로에서도 존재한다. 활용 목적에 따라 이러한 맥동류를 억제해야 하는 분야도 있고, 반대로 적절히 이용해야 하는 분야도 있다. 후자의 경우, 불규칙한 맥동류가 아닌 사인파 형태와 같이 매우 규칙적인 맥동류를 얻고자 많은 노력을 기울이고 있는데, 이는 일정한 압력의 흐름을 얻는 것보다 더 기술적으로 어렵다고 할 수 있다.Pulsation refers to types such as blood flow in the blood vessels, for example, by repetitive and periodic contraction and relaxation of the heart. In the field of engineering, pulsations can be observed in many pumps, including syringe pumps, except for some, and these pulsations also exist in electrical circuits. In some applications, such pulsation flow should be suppressed depending on the purpose of use, and in others, appropriate use should be made. In the latter case, much effort is made to obtain a very regular pulsating flow, such as a sinusoidal wave rather than an irregular pulsating flow, which is more technically difficult than obtaining a constant pressure flow.

수두(hydraulic head)는 물기둥의 높이를 뜻하는 유체정역학 용어로, 높은 곳에 있는 물의 위치 에너지와 연관되어 있다. 베르누이의 원리에 의하면, 물기둥에 의해 가해지는 압력차(△p)는 물의 밀도(ρ), 중력가속도(g), 물기둥의 높이차인 수두차(△h)의 곱으로 표현되는데, 일반적으로 앞의 두 값은 일정하기 때문에 압력차는 수두차에 정비례한다. 따라서, 원하는 압력을 얻기 위해서는 그에 해당하는 수두만큼 수면의 높이를 만들어주면 된다. 사이펀(siphon)의 원리도 이와 연관된 개념이며, 기상분야에서의 대기압 표시에는 수은주(mmHg) 단위를 사용한다.The hydraulic head is a hydrostatic term for the height of a column of water, and is associated with the potential energy of the water above it. According to Bernoulli's principle, the pressure difference (Δp) exerted by the water column is expressed as the product of the water density (ρ), the gravitational acceleration (g), and the water head difference (△ h), which is the height difference of the water column. Since both values are constant, the pressure difference is directly proportional to the head difference. Therefore, in order to obtain the desired pressure, the height of the water surface may be made by the corresponding head. The principle of siphon is a related concept, and the mercury (mmHg) unit is used to represent atmospheric pressure in the meteorological field.

주기함수의 대표적인 형태인 사인파(sinusoidal)는 어떤 회전체가 원주를 일정한 각속도로 회전할 때 시간 변화에 대한 회전체의 높이차로부터 얻어지게 된다. 회전체가 회전운동을 함에 따라 원심력 작용에 의해 물기둥의 모양이 변하게 되지만, 유체의 수두차는 단지 물기둥 상부와 하부의 높이차로 정해지는 값이고 물기둥의 모양에는 영향을 받지 않는다.Sinusoidal, a representative form of the periodic function, is obtained from the difference in the height of the rotor with respect to the time change when a rotor rotates the circumference at a constant angular velocity. As the rotor rotates, the shape of the water column is changed by the centrifugal force action, but the water head difference is determined only by the height difference between the top and the bottom of the water column, and is not affected by the shape of the water column.

미세유체공학(microfluidics)은 마이크로플루이딕 칩 내에 형성된 마이크로채널을 통해 유체가 흐르는 기술을 다루는 분야로, 최근의 바이오멤스(bio-MEMS) 및 파워멤스(power-MEMS)에 중요한 역할을 한다. 마이크로채널에서의 유체 흐름에서 정상상태(steady state) 유동을 응용하는 기술에서 나아가, 비정상상태(unsteady state) 유동을 응용하는 기술에 대한 관심이 고조되고 있다. 비정상상태 유동을 얻기 위해서는 시간에 따라 변하는 압력차를 발생시켜야 하는데, 기존의 상용화되었거나 연구실에서 제안된 펌프로는 미세하고 정밀한 압력차 발생이 용이하지 않기 때문에 이러한 장치의 개발에 대한 필요성이 계속 요구되고 있다. Microfluidics is a field that deals with the technology of fluid flow through microchannels formed in microfluidic chips and plays an important role in recent bio-MEMS and power-MEMS. In addition to techniques for applying steady state flow in fluid flow in microchannels, there is a growing interest in techniques for applying unsteady state flow. In order to obtain the steady-state flow, it is necessary to generate a pressure difference that changes over time. The necessity for the development of such a device is continuously required because it is not easy to generate a minute and precise pressure difference with a conventional commercialized or laboratory proposed pump. have.

고즈와미와 차크라보티(Goswami, P. and Chakraborty, S., "Energy transfer through streaming effects in time-periodic pressure-driven nanochannel flows with interfacial slip," Langmuir 26, 581-590, 2010)는 마이크로미터 크기의 미세채널에 전해질 용액을 흘려 채널 양단에 흐름전위차(streaming potential)를 발생시키고 이로부터 에너지를 회수하는 기술에 사인파 형태의 맥동류를 도입하여 에너지 전환효율을 시뮬레이션 하였다. 그 결과에 의하면, 진동수를 상당히 증가시키면 에너지 전환효율이 수십 % 까지 증가되는 것으로 나타났다.Goswami, P. and Chakraborty, S., "Energy transfer through streaming effects in time-periodic pressure-driven nanochannel flows with interfacial slip," Langmuir 26, 581-590, 2010) The energy conversion efficiency was simulated by introducing a sinusoidal pulsating flow into the technique of flowing an electrolyte solution into the channel to generate a streaming potential across the channel and recovering energy therefrom. The results show that increasing the frequency significantly increases energy conversion efficiency by several ten percent.

레즐리 등(Leslie, D.C., Easley, C.J., Seker, E., Karlinsey, J.M., Utz, M., Begley, M.R. and Landers, J.P., "Frequency-specific flow control in microfluidic circuits with passive elastomeric features," Nature Phys. 5, 231-235, 2009)은 두 개의 유리판에 유체 다이오드(fluidic diode) 및 커패시터(capacitor) 등을 포함한 마이크로칩 회로를 만들고 그 사이에 탄성이 우수한 소재인 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; 이하, PDMS라 한다) 필름을 삽입하여 맥동류 발생용 마이크로칩 펌프를 만들었다. 이 펌프를 작동시키기 위해서는 외부에서 주기적으로 압력을 가해 PDMS 필름을 반복적으로 수축 및 이완하여야 한다. 그런데, 이러한 방식은 마이크로칩을 제작하는데 복잡하고 높은 제작비용이 필요하게 되고 마이크로채널에 형성된 압력을 실시간으로 측정하기가 어렵다.Leslie, DC, Easley, CJ, Seker, E., Karlinsey, JM, Utz, M., Begley, MR and Landers, JP, "Frequency-specific flow control in microfluidic circuits with passive elastomeric features," Nature Phys 5, 231-235, 2009) creates microchip circuits including fluid diodes and capacitors on two glass plates, and polydimethylsiloxane (PDMS), an excellent material between them. The film was inserted to make a microchip pump for pulsation generation. To operate this pump, the PDMS film must be repeatedly contracted and relaxed by periodically applying external pressure. However, such a method requires a complicated and high manufacturing cost to manufacture a microchip, and it is difficult to measure the pressure formed in the microchannel in real time.

또한, 베델 등(Vedel, S., Olessen, L.H. and Bruus, H., "Pulsatile microfluidics as an analytical tool for determining the dynamic characteristics of microfluidic systems," J. Micromech. Microeng. 20, 035026, 2010)도 마이크로채널에 주기적인 사인파 맥동류를 구현하기 위해 펌프를 자체 제작하였다. 이 펌프는 액체 저장용기 한 면을 PDMS 필름으로 막고 이를 전류에 의해 직선 왕복 운동하는 비용이 높은 액츄에이터(actuator)로 수축 이완을 반복하게 하여 수십 Hz의 높은 진동수의 맥동류까지 구현하였다.In addition, Bethel et al. (Vedel, S., Olessen, LH and Bruus, H., "Pulsatile microfluidics as an analytical tool for determining the dynamic characteristics of microfluidic systems," J. Micromech. Microeng. 20, 035026, 2010). The pumps are self-made to implement periodic sinusoidal pulsations in the channel. The pump blocked the liquid reservoir with one PDMS film and repeated contraction and relaxation with a costly actuator that linearly reciprocates by the current, resulting in a high frequency pulsation flow of several tens of Hz.

맥동류를 발생시키는 또 다른 장치는 심폐 바이패스(cardiopulmonary bypass) 등과 같이 의료분야에서 많이 개발된 것을 찾아볼 수 있다. 예를 들어, 존스 등(Jones, K.A., Corera, C.S. and Hayes, R.S., Pulsatile fluid delivery system, US Patent 7,842,003 B2, 2010.11)은 심장의 좌우심실의 생체역학적 작동 원리에 착안하여 두 개의 챔버(chamber)가 각각 반대 방향의 피스톤 운동을 하도록 하고, 이를 통해 심폐 관련 수술 중에 혈액 및 약물을 환자에게 투여하는 장치를 고안하였다. 이러한 인공 펌프로부터 발생하는 맥동 흐름의 진폭 및 주기는 마이크로프로세서(microprocessor)에 의해 조절된다. Another device for generating pulsations can be found in the medical field, such as cardiopulmonary bypass. For example, Jones et al. (Jones, KA, Corera, CS and Hayes, RS, Pulsatile fluid delivery system, US Pat. No. 7,842,003 B2, 2010.11) focus on the principle of biomechanical operation of the left and right ventricles of the heart. Designed a device for administering blood and drugs to a patient during cardiopulmonary surgery. The amplitude and period of the pulsating flow resulting from this artificial pump are controlled by a microprocessor.

위더비(Weatherbee, P., Pulsatile blood pumping systems, US Patent 7,758,492 B2, 2010.7)는 구형의 하우징(housing) 안을 두 부분으로 나누어 좌/우심실의 역할을 하도록 하는 인공 심장용 펌프를 개발하였다. 이 장치의 가장 큰 특징은 회전운동에 의하여 각 챔버가 수축 및 이완을 반복하면서 혈액을 공급한다는 것과 크기가 작아 외과 수술용과 이식용 두 가지 형태로 사용할 수 있다는 것이다.Weatherbee (P., Pulsatile blood pumping systems, US Patent 7,758,492 B2, 2010.7) developed an artificial heart pump that divides a spherical housing into two parts and acts as a left / right ventricle. The main feature of this device is that each chamber supplies blood while repeating contraction and relaxation by rotational movement. It is small in size and can be used in two types of surgery and implantation.

상기 두 가지 대표적인 맥동류 발생 펌프는 다음과 같은 단점이 있다. The two representative pulsating flow generating pumps have the following disadvantages.

상기 두 발명을 포함한 기존의 펌프로는 정확한 사인파 형태의 맥동류를 얻기 힘들 뿐 아니라, 설계 목적 상 한쪽 방향 흐름만 있는 전진형 맥동류만을 얻을 수 있다. 또한, 상기 발명에 의한 펌프의 압력 범위는 인체의 정상 혈압인 80 내지 120mmHg, 즉, 105 내지 158mbar 정도의 작동 범위를 가지고 있으므로, 수십 mbar 이하의 범위로 정교한 압력을 발생시키기 어렵다. 또한, 상기 두 발명에 따른 펌프는 부품의 종류가 많고, 장치의 설계가 복잡하여 제작 비용이 많이 요구된다. Existing pumps including the above two inventions are difficult to obtain accurate sinusoidal pulsation flow, and only forward pulsation flow with only one direction flow can be obtained for design purposes. In addition, since the pressure range of the pump according to the present invention has an operating range of about 80 to 120 mmHg, that is, about 105 to 158 mbar, which is a normal blood pressure of the human body, it is difficult to generate a precise pressure in a range of several tens of mbar or less. In addition, the pump according to the above two inventions has many kinds of parts, and the design of the device is complicated, so that the manufacturing cost is high.

미국특허등록 US7,842,003B2호US patent registration US 7,842,003 B2 미국특허등록 US7,758,492B2호US patent registration US 7,758,492B2

따라서, 본 발명의 목적은 미세유체공학, 바이오멤스 및 파워멤스와 같이 일반 펌프로는 달성하기가 용이하지 않은 미세한 맥동류가 요구되는 분야에 적용하여 정밀한 압력차 조절로서 완벽한 사인파를 구현하는 맥동류의 주기와 진폭을 조절하고, 전진형 및 전후진 제자리형 맥동류를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to apply to the field requiring a fine pulsation flow that is not easy to achieve with a general pump, such as microfluidics, biomes and power memes pulsation flow to achieve a perfect sine wave as a precise pressure differential control It is to adjust the period and amplitude of and to provide forward and backward in situ pulsating flow.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 맥동류 발생 장치는, 액체가 채워져 있는 액체 용기를 구비하고 일정한 각속도로 회전하는 회전 운동 장치, 및 상기 회전 운동 장치와 연결되고, 상기 회전 운동 장치가 회전함에 따라 상기 액체 용기의 회전에 의해 주기적으로 변화하는 압력차가 발생되어 사인파 형태의 맥동류를 구현하는 마이크로채널을 포함한다.In order to achieve the above object, the pulsation flow generating device according to the present invention is provided with a liquid container filled with a liquid and is connected to a rotary motion device that rotates at a constant angular velocity, and the rotary motion device, the rotary motion device is rotated As the pressure is generated by the rotation of the liquid container is periodically changed to include a microchannel to implement a sinusoidal pulsating flow.

상기 액체 용기는 마이크로채널 유입튜빙에 의해 상기 마이크로채널의 일단과 연결될 수 있다.The liquid container may be connected to one end of the microchannel by microchannel inlet tubing.

상기 회전 운동 장치는, 회전축과, 상기 회전축과 직각으로 연결되고 회전 반경을 갖는 회전대, 및 상기 회전대와 연결되는 액체 용기를 포함할 수 있다.The rotary motion device may include a rotary shaft, a rotary table connected at right angles to the rotary shaft and having a rotary radius, and a liquid container connected to the rotary table.

본 발명에 따른 맥동류 발생 장치는, 상기 회전대와 상기 액체 용기를 연결하면서 상기 액체 용기를 회전 각도에 상관없이 항상 직립 상태를 유지하도록 하는 베어링, 및 상기 베어링이 상기 회전대를 이탈하지 않도록 하는 베어링 이탈 방지 마개를 더 포함할 수 있다.The pulsation flow generating device according to the present invention includes a bearing for connecting the swivel and the liquid container to keep the liquid container always in an upright state regardless of the rotation angle, and a bearing disengagement so that the bearing does not leave the swivel. It may further comprise a prevention plug.

본 발명에 따른 맥동류 발생 장치는, 질량 중심을 상기 회전축에 유지하도록 하고 상기 회전대의 회전 각속도를 일정하게 유지하도록 하는 균형추를 더 포함할 수 있다.The pulsation flow generating device according to the present invention may further include a balance weight to maintain the center of mass on the rotation axis and to maintain a constant rotational angular velocity of the swivel.

상기 마이크로채널의 양단은 마이크로채널 유입튜빙과 마이크로채널 유출튜빙이 각각 연결되고, 상기 마이크로채널 유입튜빙에는 압력계가 설치되어 상기 마이크로채널에서의 압력차 변화를 측정할 수 있다.Both ends of the microchannel are connected to the microchannel inlet tubing and the microchannel outlet tubing, and the microchannel inlet tubing is provided with a pressure gauge to measure the change in pressure difference in the microchannel.

본 발명에 따른 맥동류 발생 장치는, 상기 회전축과 마이크로채널의 높이차가 조절됨으로써 평균 압력차가 조절될 수 있다.In the pulsation flow generating device according to the present invention, the average pressure difference may be adjusted by adjusting the height difference between the rotating shaft and the microchannel.

본 발명에 따른 맥동류 발생 장치는, 상기 회전축과 마이크로채널의 높이차가 조절됨으로써 전진형 및 전후진 제자리형 맥동류의 두 가지 유형이 가능하다.In the pulsating flow generating device according to the present invention, two types of pulsating flows, forward and backward, are controlled by adjusting the height difference between the rotating shaft and the microchannel.

상기 회전축은 전기모터축과 수평으로 연결되어 회전 각속도가 조절됨으로써 맥동류의 주기가 조절될 수 있다.The rotation shaft is horizontally connected to the electric motor shaft to adjust the rotational angular velocity can be adjusted the period of the pulsating flow.

상기 회전축과 회전대를 연결하는 연결부에는 연결부 고정 나사가 설치되어 상기 회전대의 회전반경이 조절되어 상기 회전축과 상기 액체 용기 내의 액체 수면 간의 높이차가 변동됨으로써 맥동류의 진폭이 조절될 수 있다.A connecting part fixing screw is installed at the connection portion connecting the rotating shaft and the rotating table to adjust the rotating radius of the rotating table so that the height difference between the rotating shaft and the liquid surface in the liquid container is varied, thereby controlling the amplitude of the pulsating flow.

상기 균형추는 상기 회전대에서 상기 액체 용기의 반대쪽에 위치하며, 상기 균형추의 질량은 상기 회전대, 액체 용기 및 베어링의 질량 합보다 더 클 수 있다.The counterweight is located opposite the liquid container at the swivel, and the mass of the counterweight can be greater than the sum of the masses of the swivel, the liquid container and the bearing.

상기 균형추는 지렛대의 원리를 이용하여 질량 중심을 회전축에 위치하도록 균형추 고정 나사로 이동가능하게 설치될 수 있다.The counterweight can be installed to be movable with the counterweight fixing screw to position the center of mass on the axis of rotation using the principle of the lever.

본 발명에 따른 맥동류 발생 장치는, 상기 액체 용기로부터 상기 마이크로채널을 통하여 일정한 양의 액체가 연속적으로 통과할 수 있고, 상기 액체 용기를 빠져 나오는 유량이 상기 마이크로채널의 단면을 통과하는 유량과 동일하게 되는 원리를 이용하여 상기 액체 용기의 폭, 너비 및 시간 경과에 따른 액체 수면 높이 변화와의 관계가 결정될 수 있다.In the pulsating flow generating device according to the present invention, a certain amount of liquid can continuously pass from the liquid container through the microchannel, and the flow rate exiting the liquid container is the same as the flow rate passing through the cross section of the microchannel. Using this principle, the relationship between the width, width, and change in liquid surface height over time of the liquid container can be determined.

상기 액체 용기에 설치된 마이크로채널 유입튜빙 연결관과 이에 연결되는 마이크로채널 유입튜빙의 단면적은 상기 마이크로채널의 단면적보다 더 크도록 하여 액체의 관성 및 마찰에 의한 압력 손실을 제거할 수 있다.The cross-sectional area of the microchannel inlet tubing connected to the liquid container and the microchannel inlet tubing connected thereto may be larger than that of the microchannel, thereby eliminating pressure loss due to inertia and friction of the liquid.

본 발명에 따른 맥동류 발생 장치는 피스톤 왕복식, 원심력식, 기어 회전식 등과 같은 모터 구동 방식의 기존 펌프로는 구현할 수 없는 거의 완벽한 사인파 형태의 맥동류와 미세하고 정밀한 압력차를 얻을 수 있어, 이를 이용하여 얻어지는 측정 결과에 대한 신뢰성이 증가한다. The pulsation flow generating device according to the present invention can obtain a nearly perfect sine wave pulsation flow and a fine and precise pressure difference, which cannot be realized by a conventional pump of a motor drive type such as a piston reciprocating type, a centrifugal force type, a gear rotating type, and the like. The reliability of the measurement result obtained by use is increased.

또한, 회전축의 각속도와 회전대의 회전 반경을 조절하여 맥동류의 주기와 진폭을 각각 조절할 수 있고, 회전축과 마이크로채널의 높이차를 조절하여 맥동류의 평균압력차 조절은 물론, 전진형 및 전후진 제자리형의 두 가지 맥동류 유형을 구현할 수 있다. In addition, the period and amplitude of the pulsating flow can be adjusted by adjusting the angular velocity of the rotating shaft and the rotating radius of the rotating table, and the average pressure difference of the pulsating flow can be adjusted by adjusting the height difference between the rotating shaft and the microchannel, as well as the forward and backward movements. Two pulsation types in situ can be implemented.

또한, 장치 구성이 회전축, 회전대, 액체 용기, 베어링, 균형추로서 단순하고 저렴한 제작 비용으로도 정확한 결과를 도출할 수 있어, 미세유체공학 분야에 유용한 장치로서 활용될 수 있다. In addition, the device configuration can be obtained as a rotating shaft, a swivel, a liquid container, a bearing, a counterweight, even with a simple and low production cost, it can be used as a useful device in the field of microfluidics.

도 1a는 본 발명에 따른 전진형 맥동류에 의한 사인파 형태의 주기함수를 나타내는 도면이다.
도 1b는 본 발명에 따른 전후진 제자리형 맥동류에 의한 사인파 형태의 주기함수를 나타내는 도면이다.
도 2a는 본 발명에 따른 전진형 맥동류 구현을 위한 주기함수 형태의 압력차 발생 장치에 의해 최고 유량(즉, 도 1a의 ② 경우)을 얻는 방법을 나타내는 도면이다.
도 2b는 본 발명에 따른 전진형 맥동류 구현을 위한 주기함수 형태의 압력차 발생 장치에 의해 최저 유량(즉, 도 1a의 ④ 경우)을 얻는 방법을 나타내는 도면이다.
도 3a는 본 발명에 따른 전후진 제자리형 맥동류 구현을 위한 주기함수 형태의 압력차 발생 장치에 의해 순방향 전진 흐름(즉, 도 1b의 Ⅱ 경우)을 얻는 방법을 나타내는 도면이다.
도 3b는 본 발명에 따른 전후진 제자리형 맥동류 구현을 위한 주기함수 형태의 압력차 발생 장치에 의해 역방향 후진 흐름(즉, 도 1b의 Ⅳ 경우)을 얻는 방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 맥동류 발생을 위한 회전 운동 장치를 나타내는 구성을 나타내는 도면이다.
도 5a는 도 4의 회전대 및 베어링 부분의 조립 전의 모습을 나타내는 도면이다.
도 5b는 도 4의 회전대 및 베어링 부분의 조립 후의 모습을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 액체 용기와 액체 용기 내부의 유체의 수면을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 장치를 이용하여 구현한 전진형 맥동류에 의해 마이크로채널에서 시간 경과에 따라 발생된 압력차 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 장치를 이용하여 구현한 전후진 제자리형 맥동류에 의해 마이크로채널에서 시간 경과에 따라 발생된 압력차 결과를 나타내는 그래프이다.
Figure 1a is a diagram showing a sine wave form periodic function by the advance pulse wave in accordance with the present invention.
1B is a view showing a sine wave-shaped periodic function by forward and backward in situ pulsating flow according to the present invention.
Figure 2a is a view showing a method for obtaining the highest flow rate (that is, the case of ② of Figure 1a) by the pressure difference generator in the form of a periodic function for the implementation of the advanced pulsating flow in accordance with the present invention.
Figure 2b is a view showing a method for obtaining the lowest flow rate (that is, the case of ④ of Figure 1a) by the pressure difference generator in the form of a periodic function for the implementation of the advanced pulsating flow in accordance with the present invention.
Figure 3a is a view showing a method for obtaining the forward forward flow (that is, the case II of Figure 1b) by the pressure difference generator in the form of a periodic function for implementing the forward and backward in situ pulsating flow in accordance with the present invention.
Figure 3b is a view showing a method for obtaining a reverse reverse flow (that is, the case IV of Figure 1b) by the pressure difference generator in the form of a periodic function for implementing the forward and backward in situ pulsating flow in accordance with the present invention.
4 is a view showing a configuration showing a rotary motion device for generating a pulsating flow according to the present invention.
FIG. 5A is a view illustrating a state before assembly of the swivel and the bearing part of FIG. 4. FIG.
It is a figure which shows the state after assembly of the rotating table and the bearing part of FIG.
6 is a view showing the water surface of the liquid container and the fluid inside the liquid container according to the present invention.
7 is a graph showing pressure difference results generated over time in a microchannel by a forward pulse wave implemented using the apparatus according to the present invention.
8 is a graph showing the pressure difference result generated over time in the microchannel by the forward and backward in-situ pulsating flow implemented using the apparatus according to the present invention.

이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 맥동류 발생 장치에 관하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, with reference to the drawings, it will be described in more detail with respect to the pulsation flow generating apparatus of the present invention.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 전진형 및 전후진 제자리형 맥동류에 의한 사인파 형태의 주기함수를 나타내는 도면이다. 도 1a를 참조하면, 본 발명에 따른 맥동류 발생 장치에 의해 액체 용기가 ①의 위치로부터 ④의 위치까지 일정한 회전 각속도로 회전함에 따라 사인파 곡선 형태의 맥동류가 발생됨을 알 수 있다. 이 때, 전진형 맥동류는 양(+)의 압력 범위에서 변화하게 된다. 도 1b를 참조하면, 액체 용기가 Ⅰ의 위치로부터 Ⅳ의 위치까지 일정한 각속도로 회전함에 따라 사인파 곡선 형태의 맥동류가 발생되는데, 전후진 제자리형 맥동류는 양(+)의 압력 범위에서 압력이 증가하다가 Ⅲ의 위치에서 압력이 0이 되며, Ⅳ의 위치에서 음(-)의 압력 범위의 최저 압력이 된다. 즉, 전후진 제자리형 맥동류는 양(+)과 음(-)의 압력 범위에서 사인파 곡선 형태를 갖는다. 1A and 1B are diagrams illustrating a sinusoidal periodic function by forward and backward in-situ pulse waves according to the present invention. Referring to Figure 1a, it can be seen that the pulsating flow of the sinusoidal curve is generated as the liquid container rotates at a constant rotational angular velocity from the position of ① to the position of ④ by the pulsating flow generating device according to the present invention. At this time, the forward pulsation flow changes in a positive pressure range. Referring to FIG. 1B, as the liquid container rotates at a constant angular velocity from the position of I to the position of IV, sinusoidal pulsating flow is generated, and the forward and backward in situ pulsating flow has a pressure in a positive pressure range. The pressure increases to zero at position III and becomes the lowest pressure in the negative pressure range at position IV. That is, the forward and backward in situ pulsating flow has a sinusoidal curve in the positive and negative pressure ranges.

도 2a 및 2b는 도 1a의 전진형 맥동류 구현을 위한 주기함수 형태의 압력차 발생 장치에 의해 최고 유량(즉, 도 1a의 ② 경우) 및 최저 유량(즉, 도 1a의 ④ 경우)을 얻는 방법을 나타내는 도면이다. 도 2a 및 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 맥동류 발생 장치는 회전 운동 장치 및 마이크로채널(6)을 포함한다. 상기 회전 운동 장치는 액체가 채워져 있는 액체 용기(3)를 구비하고 일정한 각속도로 회전할 수 있다. 상기 마이크로채널(6)은 상기 회전 운동 장치와 연결되고, 상기 회전 운동 장치가 회전함에 따라 상기 액체 용기(3)의 회전에 의해 주기적으로 변화하는 압력차가 발생되어 사인파 형태의 맥동류를 구현할 수 있다. Figures 2a and 2b to obtain the highest flow rate (that is, the case of ② of Figure 1a) and the lowest flow rate (that is, the case of ④ of Figure 1a) by the pressure difference generator in the form of a periodic function for implementing the forward pulsating flow of Figure 1a It is a figure which shows a method. 2A and 2B, the pulsation flow generating device according to the present invention includes a rotary motion device and a microchannel 6. The rotary motion device has a liquid container 3 filled with liquid and can rotate at a constant angular velocity. The microchannel 6 is connected to the rotary motion device, and as the rotary motion device rotates, a pressure difference periodically changed by the rotation of the liquid container 3 may be generated to implement a sinusoidal pulsation flow. .

상기 액체 용기(3)는 마이크로채널 유입튜빙(5)에 의해 상기 마이크로채널(6)의 일단과 연결될 수 있고, 상기 회전 운동 장치는 회전축(1)과, 상기 회전축(1)과 직각으로 연결되고 회전 반경을 갖는 회전대(2), 및 상기 회전대(2)와 연결되는 액체 용기(3)를 포함한다. 또한, 상기 마이크로채널(6)의 타단에는 액체가 마이크로채널(6)을 통과해 최종적으로 대기에 노출되는 마이크로채널 유출튜빙(7)이 구비된다. The liquid container 3 may be connected to one end of the microchannel 6 by a microchannel inlet tubing 5, and the rotary motion device is connected to the rotary shaft 1 at a right angle to the rotary shaft 1. A swivel table 2 having a radius of rotation, and a liquid container 3 connected to the swivel table 2. The other end of the microchannel 6 is also provided with a microchannel outflow tubing 7 through which the liquid passes through the microchannel 6 and finally exposed to the atmosphere.

본 발명에 의한 맥동류 발생 장치에서 핵심이 되는 것은 액체 용기(3) 내부에 있는 액체의 수면(9) 높이와 마이크로채널 유출튜빙(7)과의 높이 차이인 수두차(8)이다. 두 지점의 수두차 △h는 다음과 같은 수학식 1을 이용하여, 액체의 밀도 ρ와 중력가속도 g로부터 두 지점에서의 압력차 △p로 환산할 수 있다. At the heart of the pulsating flow generating device according to the invention is the head difference 8 which is the height difference between the height of the water surface 9 of the liquid inside the liquid container 3 and the microchannel outflow tubing 7. The head difference Δh of two points may be converted into the pressure difference Δp at two points from the density ρ and the gravitational acceleration g of the liquid using Equation 1 as follows.

Figure pat00001
Figure pat00001

수학식 1에 의하면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 회전에 의해 액체 용기(3)가 최대 높이(havg+h)에 위치하면, 상기 마이크로채널(6)에서 최대 압력차를 발생시키고, 최저 높이(havg-h)에 위치하면, 최소 압력차를 발생시킨다. According to Equation 1, as shown in FIG. 2A, when the liquid container 3 is positioned at the maximum height h avg + h by rotation, the maximum pressure difference is generated in the microchannel 6, and the minimum Located at the height h avg -h, it produces the minimum pressure difference.

상기 마이크로채널 유입튜빙(5)에는 압력계(4)가 설치되어 상기 마이크로채널(6)에서의 압력차 변화를 측정할 수 있고, 압력계(4)를 컴퓨터에 연결하여 실시간으로 마이크로채널(6)에서의 압력 변화를 확인할 수 있다. 평균 압력은 상기 회전축(1)과 상기 마이크로채널(6)의 높이차(havg)에 해당하는 압력차가 되고, 진폭은 회전축(1)과 액체 용기(3) 내부의 수면(9)과의 높이차(h)에 해당하는 압력차가 된다. The microchannel inlet tubing (5) is provided with a pressure gauge (4) can measure the change in pressure difference in the microchannel (6), by connecting the pressure gauge (4) to a computer in real time in the microchannel (6) You can check the change in pressure. The average pressure is the pressure difference corresponding to the height difference h avg between the rotation shaft 1 and the microchannel 6, and the amplitude is the height between the rotation shaft 1 and the water surface 9 inside the liquid container 3. The pressure difference corresponding to the difference h is obtained.

표 1에서는 본 발명에 따른 맥동류 발생 장치에 의해 구현될 수 있는 수두차와 발생하는 압력차의 범위를 나타낸다. 예를 들어, 수두차 1㎝는 상기 정의에 의하여 0.001kgf/㎝2에 해당하는 압력차를 발생시키며, 이는 0.98mbar에 해당한다.Table 1 shows the range of head pressure and pressure difference that can be implemented by the pulsation flow generating device according to the present invention. For example, a head difference of 1 cm produces a pressure difference corresponding to 0.001 kg f / cm 2 by the above definition, which corresponds to 0.98 mbar.

수두차 (cm)Chicken pox (cm) 압력차Pressure difference kgf/cm2 kg f / cm 2 mbarmbar 0.50.5 0.00050.0005 0.490.49 1One 0.0010.001 0.980.98 22 0.0020.002 1.961.96 33 0.0030.003 2.942.94 44 0.0040.004 3.923.92 55 0.0050.005 4.904.90 1010 0.0100.010 9.819.81 1515 0.0150.015 14.7114.71 2020 0.0200.020 19.6119.61

도 3a는 본 발명에 따른 전후진 제자리형 맥동류 구현을 위한 주기함수 형태의 압력차 발생 장치에 의해 순방향 전진 흐름(즉, 도 1b의 Ⅱ 경우)을 얻는 방법을 나타내는 도면이고, 도 3b는 본 발명에 따른 전후진 제자리형 맥동류 구현을 위한 주기함수 형태의 압력차 발생 장치에 의해 역방향 후진 흐름(즉, 도 1b의 Ⅳ 경우)을 얻는 방법을 나타내는 도면이다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 회전축(1), 마이크로채널(6), 및 수평한 마이크로채널 유출튜빙(7)이 동일한 높이에 있을 때 얻을 수 있는 최저 압력차에서는, 음의 수두차를 갖게 되어 수학식 1로부터 압력도 음의 값을 나타내므로 액체가 마이크로채널 유출튜빙(7)에서 액체 용기(3) 쪽으로 흐르는 역방향 흐름이 발생하게 된다. Figure 3a is a view showing a method for obtaining the forward forward flow (that is, the case of II of Figure 1b) by the pressure difference generator in the form of a periodic function for implementing the forward and backward in situ pulsating flow according to the present invention, Figure 3b FIG. 1 is a diagram illustrating a method of obtaining a reverse reverse flow (that is, the case IV of FIG. 1B) by a pressure difference generator in the form of a periodic function for implementing forward and backward in situ pulsating flow. 3A and 3B, at the lowest pressure difference that can be obtained when the rotating shaft 1, the microchannel 6, and the horizontal microchannel outflow tubing 7 are at the same height, they have a negative head difference. As a result, the pressure also shows a negative value from Equation 1, so that a reverse flow of liquid flows from the microchannel outlet tubing 7 toward the liquid container 3 occurs.

또한, 도 3a 및 도 3b에서, 수두차(8)는 단지 액체의 수면(9) 높이와 마이크로채널(6)의 높이 차이에만 관여하고 그 경로에는 무관하다는 것을 나타낸다. 도 3a 및 도 3b와 같은 회전식 압력차 발생 장치로부터 얻어지는 시간 주기형 압력차는 진동수(frequency)가 f(즉, 주기는 1/f, 각진동수는 2πf), 평균 압력차 pavg, 진폭 pamp 일때, 전진형 및 전후진 제자리형 압력차는 수학식 2 및 수학식 3으로 각각 주어진다. In addition, in FIGS. 3A and 3B, the water head 8 only indicates that the water level 9 of the liquid and the height of the microchannel 6 are involved and are not related to the path. The time-periodic pressure difference obtained from the rotary pressure difference generator as shown in FIGS. 3A and 3B has a frequency f (i.e., period 1 / f, angular frequency 2πf), average pressure difference p avg , amplitude p amp , The forward and backward in-situ pressure differences are given by equations (2) and (3), respectively.

Figure pat00002
Figure pat00002

Figure pat00003
Figure pat00003

도 4는 본 발명에 따른 맥동류 발생을 위한 회전 운동 장치를 나타내는 구성을 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 회전 운동 장치는, 회전축(1)과, 상기 회전축(1)과 직각으로 연결되고 회전 반경을 갖는 회전대(2), 및 상기 회전대(2)와 연결되는 액체 용기(3)를 포함한다. 또한, 베어링(10), 베어링 이탈 방지 마개(16) 및 균형추(12)를 더 포함한다. 상기 베어링(10)은 상기 회전대(2)와 상기 액체 용기(3)를 연결하면서, 상기 액체 용기(3)를 회전 각도에 상관없이 항상 직립 상태를 유지하도록 한다. 상기 베어링 이탈 방지 마개(16)는 상기 베어링(10)이 상기 회전대(2)를 이탈하지 않도록 상기 베어링(10)을 사이에 두고 회전대(2)에 연결된다. 상기 균형추(12)는 질량 중심(즉, 무게 중심)을 상기 회전축(1)에 유지하도록 하고 상기 회전대(2)의 회전 각속도를 일정하게 유지시켜준다. 4 is a view showing a configuration showing a rotary motion device for generating a pulsating flow according to the present invention. Referring to FIG. 4, the rotary motion device includes a rotating shaft 1, a rotating table 2 connected at right angles to the rotating shaft 1, having a rotating radius, and a liquid container 3 connected to the rotating table 2. It includes. In addition, the bearing 10, the bearing departure prevention plug 16 and the counterweight 12 further includes. The bearing 10 connects the swivel table 2 and the liquid container 3 to keep the liquid container 3 always upright regardless of the rotation angle. The bearing detachment stopper 16 is connected to the swivel 2 with the bearing 10 therebetween so that the bearing 10 does not deviate from the swivel 2. The balance weight 12 maintains the center of mass (ie, the center of gravity) on the rotating shaft 1 and keeps the rotational angular velocity of the rotating table 2 constant.

상기 회전축(1)과 회전대(2)를 연결하는 연결부(15)에는 연결부 고정 나사(13)를 설치하여 회전대(2)의 회전 반경을 원하는 크기에 따라 확장 및 축소할 수 있도록 설계할 수 있다. 또한, 상기 균형추(12)에는 균형추 고정 나사(18)를 설치하여 상기 균형추(12)가 지렛대의 원리를 이용하여 질량 중심을 회전축(1)에 위치하도록 이동가능하게 설치된다. The connecting portion 15 for connecting the rotating shaft 1 and the rotating table 2 may be designed to expand and reduce the rotating radius of the rotating table 2 according to a desired size by installing a connecting part fixing screw 13. In addition, the counterweight 12 is provided with a counterweight fixing screw 18 so that the counterweight 12 is movably installed to position the center of mass on the rotation axis 1 using the principle of the lever.

한편, 상기 균형추(12)는 상기 회전대(2)에서 상기 액체 용기(3)의 반대쪽에 위치하며, 상기 균형추(12)의 질량은 상기 회전대(2), 액체 용기(3) 및 베어링(10)의 질량 합보다 6배 이상 크도록 설계될 수 있다. 본 발명의 회전축(1)은 통상의 전기모터축과 자유롭게 연결되어 사용될 수 있고, 상기 균형추(12)는 회전대(2)의 질량 중심이 항상 회전축(1) 상에 있도록 하기 위한 것이다. 상기 균형추(12)와 회전축-회전대 연결부(15)가 너무 가벼우면, 질량 중심이 맞지 않아 회전할 때 심한 진동이 발생되고, 너무 무거우면 장치를 회전시키는 데 상당히 큰 동력이 필요하게 된다. On the other hand, the counterweight 12 is located on the opposite side of the liquid container 3 in the rotary table 2, the mass of the counterweight 12 is the rotary table 2, the liquid container 3 and the bearing 10 It can be designed to be at least six times larger than the sum of the masses of. The rotating shaft 1 of the present invention can be used freely connected to a conventional electric motor shaft, the balance weight 12 is to ensure that the center of mass of the rotating table (2) is always on the rotating shaft (1). If the counterweight 12 and the rotating shaft-swivel connection 15 are too light, severe vibrations will occur when the center of mass is not matched, and if too heavy, a considerable amount of power is required to rotate the device.

상기 균형추(12)의 질량(WP)과 회전축-회전대 연결부(15)의 질량(WJ)을 적절히 결정하는 데는 여러 복합적인 요소가 작용하지만, 본 발명에 따른 장치의 설계에서는 베어링(10), 액체 용기(3), 회전대(2)의 질량을 각각 X, Y, Z 라 할 때, 균형추(12)의 질량은 수학식 4와 같이, 이들 질량 합의 6배 이상으로 정하고, 회전축-회전대 연결부(15)의 질량은 수학식 5와 같이, 베어링(10)과 액체 용기(3) 질량의 6배 이상으로 제작한다. Although several complex factors play a role in properly determining the mass W P of the counterweight 12 and the mass W J of the rotary shaft-swivel connection 15, the bearing 10 in the design of the device according to the invention. When the masses of the liquid container 3 and the swivel 2 are X, Y and Z, respectively, the mass of the counterweight 12 is set to 6 times or more of these mass sums, as shown in Equation 4, and the rotation shaft-swivel connection portion The mass of (15) is made 6 times or more of the mass of the bearing 10 and the liquid container 3, as shown in Formula (5).

Figure pat00004
Figure pat00004

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 회전대(2) 및 이에 연결되어 있는 액체 용기(3), 베어링(10), 균형추(12) 등의 질량 중심을 회전축(1)에 유지시키기 위하여 지렛대의 원리(즉, 물체가 회전축으로부터 멀리 떨어질수록 전체 질량 중심이 그 물체 쪽으로 이동함)를 적용한다. 회전축(1)을 기준으로 액체 용기(3) 부분이 무거우면, 균형추(12)를 액체 용기(3)의 반대편에 결합하고, 균형추 고정 나사(18)로 회전축(1)과의 거리를 조절하여 회전대(2)가 평형을 유지하도록 할 수 있다. In order to maintain the center of mass of the rotary table 2 and the liquid container 3, bearing 10, counterweight 12, etc. connected to the rotary shaft 1, the principle of the lever (ie, the object may be far from the rotary shaft). So that the entire center of mass moves towards the object). When the portion of the liquid container 3 is heavy with respect to the rotation axis 1, the counterweight 12 is coupled to the opposite side of the liquid container 3, and the distance from the rotation axis 1 is adjusted by the counterweight fixing screw 18. The swivel 2 may be in equilibrium.

도 5a 및 도 5b는 도 4의 회전대 및 베어링 부분의 조립 전후의 모습을 각각 나타내는 도면이다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 회전대(2)에 액체 용기(3)가 연결되는데, 베어링(10)은 상기 액체 용기(3)를 항상 직립 상태로 유지시켜주는 부품이다. 베어링(10) 없이 회전대(2)에 액체 용기(3)가 일체로 연결되면, 회전대(2)가 회전함에 따라 액체 용기(3)가 함께 회전하므로 액체 용기(3)의 상하가 거꾸로 되어 액체 용기(3) 내부의 액체들이 유실될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 베어링(10)과 베어링 이탈 방지 마개(16)가 필요하며, 베어링-액체 용기 연결 막대(11)는 베어링(10)과 액체 용기(3)에 단단하게 부착되어야 한다. 5A and 5B are views each showing a state before and after assembly of the rotating table and the bearing part of FIG. 5A and 5B, the liquid container 3 is connected to the swivel 2, and the bearing 10 is a component that keeps the liquid container 3 always upright. When the liquid container 3 is integrally connected to the swivel 2 without the bearing 10, the liquid container 3 rotates together as the swivel 2 rotates, so that the upper and lower sides of the liquid container 3 are inverted and the liquid container 3 is inverted. (3) Liquids inside may be lost. To prevent this, a bearing 10 and a bearing departure prevention plug 16 are required, and the bearing-liquid container connecting rod 11 must be firmly attached to the bearing 10 and the liquid container 3.

도 6은 본 발명에 따른 액체 용기와 액체 용기 내부의 유체의 수면을 나타내는 도면이다. 도 6을 참조하여, 액체 용기(3)의 부피 결정 및 구성 요소에 대한 설명을 하기로 한다. 6 is a view showing the water surface of the liquid container and the fluid inside the liquid container according to the present invention. With reference to FIG. 6, the volume determination and components of the liquid container 3 will be described.

액체 용기(3) 밑바닥부터 액체 수면(9)까지의 높이를 S, 액체 용기(3) 밑면의 너비 및 폭을 각각 W 및 B 라 한다. 본 발명에 따른 장치를 작동시키기 전에, 액체를 액체 투입구(17)를 통해 액체 용기(3)에 채워 넣어 초기 수면을 유지하지만, 장치가 작동하게 되면, 액체가 마이크로채널(6)로 계속 유입되기 때문에 시간이 지남에 따라 액체 수면(9)은 내려가게 된다. 액체 용기(3)를 빠져 나오는 유량은 마이크로채널(6)의 단면을 통과하는 유량(Q)과 같아야 하는 연속체 역학(continuum mechanics)에서의 물질수지(material balance) 원리를 이용하여, 액체 용기(3)의 폭, 너비, 그리고 시간 경과(△t)에 따른 수면의 높이 변화(△S)와의 관계는 하기 수학식 6으로부터 알 수 있다.The height from the bottom of the liquid container 3 to the liquid water surface 9 is S, and the width and width of the bottom of the liquid container 3 are W and B, respectively. Before operating the device according to the invention, the liquid is filled into the liquid container 3 through the liquid inlet 17 to maintain the initial surface, but when the device is operated, the liquid continues to flow into the microchannel 6. As a result, the liquid surface 9 goes down over time. The flow rate exiting the liquid container 3 is determined using the principle of material balance in continuum mechanics, which must be equal to the flow rate Q passing through the cross section of the microchannel 6. ), The relationship between the width, the width, and the change in the height of the water surface (ΔS) over time (Δt) can be seen from the following equation (6).

Figure pat00006
Figure pat00006

또한, 하기 수학식 7은 수학식 6을 시간 경과(△t)에 따른 수면의 높이 변화(△S)에 대하여 정리하고, 회전 진동수 f 를 도입하여 오차 %를 표현한 것이다. 수학식 7로부터 장치의 응용 조건에서 허용될 수 있는 오차가 정해지면, 그에 적합한 액체 용기(3)의 폭과 너비를 결정할 수 있다. In addition, Equation 7 summarizes Equation 6 with respect to the height change ΔS of the water surface over time Δt, and expresses the error% by introducing the rotation frequency f. Once the allowable error in the application conditions of the device is determined from Equation 7, it is possible to determine the width and width of the liquid container 3 suitable for it.

Figure pat00007
Figure pat00007

도 6에 도시된 바와 같이, 액체 용기(3)의 하부에는 마이크로채널(6)로 액체를 공급하기 위한 유입튜빙 연결관(14)이 설치되어 있다. 상기 유입튜빙 연결관(14)과 이에 연결되는 마이크로채널 유입튜빙(5)의 단면적의 크기는 마이크로채널(6)의 단면적보다 10배 이상 크도록 하여 액체의 관성 및 마찰에 의한 압력 손실이 없도록 설계될 수 있다.As shown in FIG. 6, an inlet tubing connecting pipe 14 for supplying liquid to the microchannel 6 is provided under the liquid container 3. The size of the cross-sectional area of the inlet tubing connecting pipe 14 and the microchannel inlet tubing 5 connected thereto is designed to be 10 times larger than the cross-sectional area of the microchannel 6 so that there is no pressure loss due to inertia and friction of the liquid. Can be.

도 7은 도 1a, 도 2a 및 도 2b에서 설명한 전진형 맥동류 실험을 실시하여 마이크로채널에서 시간 경과에 따라 발생된 압력차 결과를 나타내는 그래프이다. 이 실험에서, PDMS로 제작된 마이크로채널(6)은 폭 50㎛, 높이 250㎛, 길이 3㎝이고, 평균 압력차를 결정짓는 마이크로채널(6)과 회전축(1)의 높이 차이는 19㎝로 하였고, 회전축(1)과 액체 용기 수면(9)과의 거리는 8㎝로 설정하였다. 이로써, 액체 용기(3)는 회전운동에 의해 최고 27㎝, 최저 11㎝의 높이차를 갖게 된다. FIG. 7 is a graph showing a pressure difference result generated over time in a microchannel by performing the forward pulsation flow experiment described in FIGS. 1A, 2A, and 2B. In this experiment, the microchannel 6 made of PDMS had a width of 50 μm, a height of 250 μm, and a length of 3 cm, and the height difference between the microchannel 6 and the rotating shaft 1 determining the average pressure difference was 19 cm. The distance between the rotating shaft 1 and the liquid container water surface 9 was set to 8 cm. As a result, the liquid container 3 has a height difference of up to 27 cm and at least 11 cm by the rotational movement.

상기 회전축(1)은 통상의 전기모터축과 수평으로 연결하였다. 이러한 설정에서 0.5㎐(도 7의 상부 그래프) 및 2㎐(도 7의 하부 그래프)의 두 가지 회전 진동수(frequency)에서 실시하였는데, 이들 진동수를 얻기 위하여 전기모터축은 30rpm 및 120rpm(즉, 30회/분 및 120회/분)으로 회전시켰다. 마이크로채널(6) 직전의 마이크로채널 유입튜빙(5)에 압력계(4)를 설치하고 이를 컴퓨터로 연결하여 액체 용기(3)가 회전운동을 하는 동안의 압력차 변화를 실시간으로 기록할 수 있게 하였다.The rotary shaft 1 is connected horizontally with a conventional electric motor shaft. In this setup, two rotational frequencies of 0.5 Hz (top graph in Fig. 7) and 2 Hz (bottom graph in Fig. 7) were carried out. To obtain these frequencies, the electric motor shaft was 30 rpm and 120 rpm (i.e., 30 times). Per minute and 120 times per minute). A pressure gauge (4) was installed in the microchannel inlet tubing (5) immediately before the microchannel (6) and connected to a computer so that the change in pressure difference during the rotational movement of the liquid container (3) was recorded in real time. .

밀리바(mbar) 단위의 압력차는 ㎝ 단위의 수두차(8)와 거의 일치한다(즉, 1㎝ = 0.98mbar). 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 최대 압력차 27mbar와 최소 압력차 11mbar를 얻은 것은 본 발명에 따른 맥동류 발생 장치가 매우 미세하고 정밀한 성능을 갖고 있음을 보여준다. 또한, 10초 동안 5번 및 20번의 사인파 펄스가 각각 나타난 것은 진동수가 각각 0.5㎐ 및 2.0㎐에 해당하고, 유동에 의한 마찰이나 관성에 따른 시간 지연(time lag)이 거의 없는 것으로 나타났다.The pressure difference in millibars (mbar) is almost identical to the head head difference 8 in cm (ie, 1 cm = 0.98 mbar). That is, as shown in FIG. 7, obtaining the maximum pressure difference 27 mbar and the minimum pressure difference 11 mbar shows that the pulsation flow generating device according to the present invention has very fine and precise performance. In addition, the number of sinusoidal pulses of 5 and 20 times for 10 seconds respectively corresponded to the frequency of 0.5 kHz and 2.0 kHz, respectively, and there was little time lag due to friction or inertia caused by flow.

도 8은 도 1b, 도 3a 및 도 3b에서 설명한 전후진 제자리형 맥동류 실험을 실시하여 마이크로채널에서 시간 경과에 따라 발생된 압력차 결과를 나타내는 그래프이다. 이 때, 회전축(1)과 마이크로채널(6)의 높이는 일치시켰고, 회전축(1)과 액체 용기 수면(9)의 높이차는 8㎝로 하였다. 회전 진동수는 실시예 1에서와 같이, 0.5㎐(도 8의 상부 그래프) 및 2㎐(도 8의 하부 그래프)로 설정하였다.FIG. 8 is a graph showing pressure difference results generated over time in a microchannel by performing the forward and backward in situ pulsating flow experiments described with reference to FIGS. 1B, 3A, and 3B. At this time, the height of the rotating shaft 1 and the microchannel 6 was made to match, and the height difference of the rotating shaft 1 and the liquid container surface 9 was 8 cm. The rotation frequency was set to 0.5 Hz (upper graph in FIG. 8) and 2 Hz (lower graph in FIG. 8) as in Example 1.

이 때, 압력차의 시간에 따른 변화는 약 -8mbar에서 8mbar 사이에서 10초 동안 5번 및 20번의 사인파 펄스가 각각 나타나 진동수가 마찬가지로 각각 0.5㎐ 및 2.0㎐ 에 해당하였다. 이로써, 본 발명에 따른 맥동류 발생 장치는 매우 미세하고 정밀한 성능을 갖고 있음을 알 수가 있다.At this time, the change of the pressure difference over time was 5 and 20 sine wave pulses for 10 seconds between about -8 mbar and 8 mbar, respectively, so that the frequencies corresponded to 0.5 Hz and 2.0 Hz respectively. Thus, it can be seen that the pulsation flow generating device according to the present invention has very fine and precise performance.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 맥동류 발생 장치는 사인파 형태의 맥동류와 미세하고 정밀한 압력차를 얻을 수 있고, 회전축의 각속도와 회전대의 회전 반경을 조절하여 맥동류의 주기와 진폭을 각각 조절할 수 있고, 회전축과 마이크로채널의 높이차를 조절하여 맥동류의 평균압력차 조절은 물론, 전진형 및 전후진 제자리형의 두 가지 맥동류 유형을 구현할 수 있다.As described above, the pulsation flow generating device according to the present invention can obtain a fine and precise pressure difference with the sine wave-shaped pulsation flow, and adjust the period and amplitude of the pulsation flow by adjusting the angular velocity of the rotation axis and the rotation radius of the swivel, respectively. By adjusting the height difference between the rotational axis and the microchannel, two types of pulsation flows can be realized, as well as the control of the average pressure difference of the pulsation flows.

또한, 장치 구성이 회전축, 회전대, 액체 용기, 베어링, 균형추로서 단순하고 저렴한 제작비용으로도 정확한 결과를 도출할 수 있어, 미세유체공학 분야에 유용한 장치로서 활용될 수 있다. In addition, the device configuration can be used as a useful device in the field of microfluidics because the device configuration can be obtained with a simple and low manufacturing cost as a rotating shaft, a swivel, a liquid container, a bearing, a balance weight.

이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to the embodiments, those skilled in the art can be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. I can understand.

1: 회전축 2: 회전대
3: 액체 용기 4: 압력계
5: 마이크로채널 유입튜빙 6: 마이크로채널
7: 마이크로채널 유출튜빙 8: 수두차
9: 액체의 수면 10: 베어링
11: 베어링-액체 용기 연결막대 12: 균형추
13: 연결부 고정 나사 14: 유입튜빙 연결관
15: 회전축-회전대 연결부 16: 베어링 이탈 방지 마개
17: 액체 투입구 18: 균형추 고정 나사
1: rotating shaft 2: swivel
3: liquid container 4: pressure gauge
5: Microchannel Inlet Tubing 6: Microchannel
7: Microchannel Outflow Tubing 8: Chicken Pox
9: sleep of liquid 10: bearings
11: bearing-liquid container connecting rod 12: counterweight
13: connection fixing screw 14: inlet tubing connector
15: Rotating shaft-swivel connection 16: Bearing departure prevention plug
17: liquid inlet 18: counterweight set screw

Claims (14)

액체가 채워져 있는 액체 용기를 구비하고 일정한 각속도로 회전하는 회전 운동 장치; 및
상기 회전 운동 장치와 연결되고, 상기 회전 운동 장치가 회전함에 따라 상기 액체 용기의 회전에 의해 주기적으로 변화하는 압력차가 발생되어 사인파 형태의 맥동류를 구현하는 마이크로채널을 포함하는 맥동류 발생 장치.
A rotary motion device having a liquid container filled with liquid and rotating at a constant angular velocity; And
And a microchannel connected to the rotary motion device and generating a sinusoidal pulsation flow by generating a pressure difference periodically changed by the rotation of the liquid container as the rotary motion device rotates.
제1항에 있어서,
상기 액체 용기는 마이크로채널 유입튜빙에 의해 상기 마이크로채널의 일단과 연결되는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
The method of claim 1,
And the liquid container is connected to one end of the microchannel by a microchannel inlet tubing.
제2항에 있어서,
상기 회전 운동 장치는,
회전축;
상기 회전축과 직각으로 연결되고 회전 반경을 갖는 회전대; 및
상기 회전대와 연결되는 액체 용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
The method of claim 2,
The rotary motion device,
A rotating shaft;
A swivel table connected to the rotation axis at a right angle and having a rotation radius; And
And a liquid container connected with the swivel.
제3항에 있어서,
상기 회전대와 상기 액체 용기를 연결하면서 상기 액체 용기를 회전 각도에 상관없이 항상 직립 상태를 유지하도록 하는 베어링; 및
상기 베어링이 상기 회전대를 이탈하지 않도록 하는 베어링 이탈 방지 마개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
The method of claim 3,
A bearing for connecting the swivel and the liquid container to keep the liquid container always upright regardless of the rotation angle; And
The pulsation flow generating device further comprises a bearing departure prevention stopper to prevent the bearing from leaving the swivel.
제4항에 있어서,
질량 중심을 상기 회전축에 유지하도록 하고 상기 회전대의 회전 각속도를 일정하게 유지하도록 하는 균형추를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
5. The method of claim 4,
And a balance weight to maintain a center of mass on the rotation axis and to maintain a constant rotational angular velocity of the swivel.
제1항에 있어서,
상기 마이크로채널의 양단은 마이크로채널 유입튜빙과 마이크로채널 유출튜빙이 각각 연결되고, 상기 마이크로채널 유입튜빙에는 압력계가 설치되어 상기 마이크로채널에서의 압력차 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
The method of claim 1,
Both ends of the microchannel are connected to a microchannel inlet tubing and a microchannel outlet tubing, respectively, and the microchannel inlet tubing is provided with a pressure gauge to measure the change in pressure difference in the microchannel.
제3항에 있어서,
상기 회전축과 마이크로채널의 높이차가 조절됨으로써 평균 압력차가 조절되는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
The method of claim 3,
Pulsating flow generating device, characterized in that the average pressure difference is adjusted by adjusting the height difference between the rotating shaft and the microchannel.
제3항에 있어서,
상기 회전축과 마이크로채널의 높이차가 조절됨으로써 전진형 및 전후진 제자리형 맥동류의 두 가지 유형이 가능한 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
The method of claim 3,
The pulsation flow generating device, characterized in that two types of pulsating flow forward and forward and backward can be adjusted by adjusting the height difference between the rotating shaft and the microchannel.
제3항에 있어서,
상기 회전축은 전기모터축과 수평으로 연결되어 회전 각속도가 조절됨으로써 맥동류의 주기가 조절되는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
The method of claim 3,
The rotating shaft is connected to the electric motor shaft horizontally, the pulsating flow generating device characterized in that the period of the pulsating flow is adjusted by adjusting the rotational angular velocity.
제3항에 있어서,
상기 회전축과 회전대를 연결하는 연결부에는 연결부 고정 나사가 설치되어 상기 회전대의 회전반경이 조절되어 상기 회전축과 상기 액체 용기 내의 액체 수면 간의 높이차가 변동됨으로써 맥동류의 진폭이 조절되는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
The method of claim 3,
A connecting part fixing screw is installed in the connecting portion connecting the rotating shaft and the rotating table to adjust the rotating radius of the rotating table so that the amplitude difference of the pulsating flow is controlled by varying the height difference between the rotating shaft and the liquid surface in the liquid container. Generating device.
제5항에 있어서,
상기 균형추는 상기 회전대에서 상기 액체 용기의 반대쪽에 위치하며, 상기 균형추의 질량은 상기 회전대, 액체 용기 및 베어링의 질량 합보다 더 큰 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
The method of claim 5,
The counterweight is located opposite the liquid container at the swivel, and the mass of the counterweight is greater than the sum of the masses of the swivel, the liquid container and the bearing.
제11항에 있어서,
상기 균형추는 지렛대의 원리를 이용하여 질량 중심을 회전축에 위치하도록 균형추 고정 나사로 이동가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
The method of claim 11,
The counterweight is a pulsation flow generating device, characterized in that installed using the principle of the lever lever so that the center of mass on the axis of rotation is installed with a counterweight fixing screw.
제3항에 있어서,
상기 액체 용기로부터 상기 마이크로채널을 통하여 일정한 양의 액체가 연속적으로 통과하고, 상기 액체 용기를 빠져 나오는 유량이 상기 마이크로채널의 단면을 통과하는 유량과 동일하게 되는 원리를 이용하여 상기 액체 용기의 폭, 너비 및 시간 경과에 따른 액체 수면 높이 변화와의 관계가 결정되는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
The method of claim 3,
The width of the liquid container using the principle that a constant amount of liquid is continuously passed from the liquid container through the microchannel, and the flow rate exiting the liquid container is equal to the flow rate passing through the cross section of the microchannel, A pulsation flow generator, characterized in that the relationship between the width and the change in the liquid surface height over time is determined.
제3항에 있어서,
상기 액체 용기에 설치된 마이크로채널 유입튜빙 연결관과 이에 연결되는 마이크로채널 유입튜빙의 단면적은 상기 마이크로채널의 단면적보다 더 크도록 하여 액체의 관성 및 마찰에 의한 압력 손실을 제거하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
The method of claim 3,
Pulsating flow characterized in that the cross-sectional area of the microchannel inlet tubing connected to the liquid container and the microchannel inlet tubing connected thereto is larger than that of the microchannel to remove pressure loss due to inertia and friction of the liquid. Generating device.
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