KR20140082377A - Micromixer with circular chambers and crossing constriction channels - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 미세혼합기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서로 다른 두 유체를 혼합시키는데 있어서, 향상된 혼합 성능을 가진 미세혼합기에 관한 것이다.
The present invention relates to a micro-mixer, and more particularly, to a micro-mixer having improved mixing performance in mixing two different fluids.
최근 하나의 칩 속에 실험실이라 불리는 랩온어칩(Lab-on-a-chip)이나 μ-TAS(Micro Total Analysis System)과 같은 초소형 디바이스들은 극소량의 시료를 이용하여 높은 처리속도로 분석 및 합성을 할 수 있어 바이오나 화학 분야에서 많이 활용되며, 연구가 진행되고 있다. 초소형 디바이스들에서의 유체는 레이놀즈수(Re)가 1000 이하의 층류(Laminar flow)로 흐르기 때문에 단순한 확산만 의존하는 혼합을 유도하기가 어렵다. 그래서 마이크로믹서를 이용하여 짧은 거리에서 유체의 반응과 혼합을 일으키는 방법에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다. 마이크로믹서는 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 용이하며, 적은 비용이 드는 장점이 있다. Micro-devices such as Lab-on-a-chip or μ-TAS (Micro Total Analysis System), called labs in a single chip, can be analyzed and synthesized at very high throughput using very small samples. It is widely used in biotechnology and chemistry, and research is underway. Fluids in microdevices are difficult to induce a simple diffusion dependent mixture because the Reynolds number (Re) flows into a laminar flow of less than 1000. Therefore, much research has been conducted on how to react and mix fluids at short distances using a micromixer. The micromixer is divided into an active type and a passive type. The active type induces mixing by using an external power source such as an ultrasonic wave or a magnetic field. Disadvantages are difficult to manufacture and costly. On the contrary, passive type is a method of inducing mixing by deforming the shape inside the channel or changing the flow of the flow. This is advantageous in that it is easy to manufacture and costs are low.
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 micro-mixer is very small in size, so that the internal flow flows into the laminar flow. Unlike turbulence in the case of laminar flow, the mixing of fluids depends on the molecular diffusion, which causes the mixing performance of different fluids to be lowered. Mixing of fluids involves diffusion, extension, holding and decay processes. Diffusion occurs by a concentration gradient between fluids. The elongation and holding are caused by the convection, and the convection of the fluid can be greatly influenced by the change in the shape of the flow path surface and can be increased by increasing the area where the different fluids meet.
수동형 방식으로는 크게 A.D. Stroock의 Chaotic 믹서와 SR(Split and recombination) 믹서 등이 있다. 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.
Passive methods include AD Stroock's Chaotic mixer and SR (Split and recombination) mixer. The Chaotic mixer is a method of inducing chaotic advection using a simple patterned groove on the bottom of the channel. The SAR (Split and recombine) mixer is a method of modifying the flow of the flow inside the channel to induce mixing by repeating division and recombination. Although a lot of studies have been made on the Chaotic mixer and the SR (Split and recombination) mixer in the passive type micromixer, it is necessary to develop a high efficiency passive mixer having both of these mixing characteristics.
본 발명의 목적은 두 유체의 유동방향을 다르게 하고, 혼합 채널을 z 방향으로 일정한 간격을 두어 두 유체가 만나는 표면적을 증가시켜 높은 혼합성능을 가진 미세혼합기를 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is to provide a fine mixer having a high mixing performance by making the flow directions of two fluids different from each other and increasing the surface area at which the two fluids meet each other at a constant interval in the z direction.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 In order to achieve the above object,
유체가 유입되는 제1주입구 및 제2주입구와 유체가 배출되는 배출구가 형성된 미세유로; 상기 주입구와 배출구 사이에 배치되는 적어도 두 개 이상의 원반형의 혼합부; 및 상기 혼합부와 혼합부 사이에 배치되는 적어도 하나 이상의 제1채널 및 제2채널을 포함하고, 상기 제1주입구는 혼합부의 일측 하면에 연결되며, 상기 제2주입구는 혼합부의 일측 상면에 연결되고, 상기 제1채널은 혼합부의 우측 상면으로부터 이웃하는 혼합부의 좌측 하면으로 연결되고, 상기 제2채널은 혼합부의 우측 하면으로부터 이웃하는 혼합부의 좌측 상면으로 연결된 것을 특징으로 하는 서로 다른 두 유체의 혼합을 위한 미세혼합기를 제공한다. A microfluidic channel in which a first inlet, a second inlet, and a discharge port through which the fluid flows are formed; At least two disc-shaped mixing parts disposed between the injection port and the discharge port; And at least one first channel and a second channel disposed between the mixing section and the mixing section, wherein the first inlet port is connected to a lower surface of the mixing section, and the second inlet port is connected to one upper surface of the mixing section Wherein the first channel is connected from the upper right side of the mixing portion to the lower left side of the adjacent mixing portion and the second channel is connected from the lower right side of the mixing portion to the upper left side of the adjacent mixing portion. Lt; / RTI >
또한, 본 발명의 미세혼합기는 상기 제 1주입구와 제 2주입구는 30 내지 100°의 각도를 이루는 것을 특징으로 한다. In the microreactor of the present invention, the first injection port and the second injection port form an angle of 30 to 100 °.
또한, 본 발명의 미세혼합기는 상기 제 1채널과 제 2채널은 30 내지 100°의 각도를 이루는 것을 특징으로 한다. In the micro-mixer of the present invention, the first channel and the second channel form an angle of 30 to 100 °.
또한, 본 발명의 미세혼합기는 상기 원반형 혼합부의 폭과 지름의 비는 1:1 내지 20인 것을 특징으로 한다.
Further, in the fine mixer of the present invention, the ratio of the width to the diameter of the disc-shaped mixed portion is 1: 1 to 20.
본 발명에 따른 원반형의 혼합부와 교차되는 혼합채널을 가진 미세혼합기는 두 유체가 채널을 통과하면서 혼합부에 불균형하게 유입되고, 유체의 유동방향을 다르게 하며, 유체가 만나는 표면적을 증가시키고, 유체들의 흐름이 부드럽게 이어질 수 있도록 하여 혼합성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
The micro-mixer having the mixing channel crossing the disc-shaped mixing section according to the present invention is a device in which the two fluids flow unevenly into the mixing section as they pass through the channel, make the direction of flow of the fluid different, increase the surface area where the fluid meets, So that the mixing performance can be improved.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세혼합기의 형상을 나타낸 도이다(micromixer-2).
도 2는 종래에 개발된 미세혼합기 형상을 나타낸 도이다(micromixer-1).
도 3은 종래에 개발된 미세혼합기 형상을 나타낸 도이다(micromixer-3).
도 4는 종래에 개발된 미세혼합기 형상을 나타낸 도이다(micromixer-4).
도 5는 미세혼합기들(micromixer-1 내지 4)의 형상들에 대하여 레이놀즈 수 변화에 따른 혼합성능을 나타낸 그래프이다.
도 6은 미세혼합기들(micromixer-1 내지 4)의 형상들에 대하여 레이놀즈 수가 1일 때 내부를 지나는 에탄올의 질량분율을 나타낸 도이다.
도 7은 미세혼합기들(micromixer-1 내지 4)의 형상들에 대하여 레이놀즈 수가 1일 때 길이방향(x)의 혼합성능 분포를 나타낸 그래프이다.
도 8은 미세혼합기들(micromixer-1 및 2)의 형상들에 대하여 레이놀즈 수 50일 때, 두 번째 및 세 번째 혼합부를 연결하는 채널에서의 yz-평면 속도 벡터 플랏을 나타낸 도이다.
도 9는 미세혼합기들(micromixer-1 내지 4)의 형상들에 대하여 레이놀즈 수에 따른 압력 감소를 나타낸 그래프이다. 1 is a view showing the shape of a micromixer according to an embodiment of the present invention (micromixer-2).
FIG. 2 is a view showing a micromixer-1 developed in the prior art. FIG.
FIG. 3 is a view showing a micromixer-3 developed in the past. FIG.
FIG. 4 is a view showing a micromixer-4 developed in the prior art. FIG.
FIG. 5 is a graph showing the mixing performance according to the Reynolds number change with respect to the shapes of the micromixers-1 to 4. FIG.
6 is a graph showing the mass fraction of ethanol passing through the inside when the Reynolds number is 1 for the shapes of the micromixers (micromixer-1 to 4).
7 is a graph showing the mixing performance distribution in the longitudinal direction (x) when the Reynolds number is 1 for the shapes of the fine mixers (micromixer-1 to 4).
Figure 8 is a diagram illustrating the yz-plane velocity vector plot in the channel connecting the second and third mixes when the Reynolds number is 50 for the shapes of the micromixers-1 and 2;
9 is a graph showing the pressure drop with respect to the Reynold's number for the shapes of the micromixers-1 to 4.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to facilitate a person skilled in the art to easily carry out the technical idea of the present invention. . In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세혼합기를 나타낸다.1 shows a micro-mixer according to an embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 유체 혼합을 위한 미세혼합기는 도 1에 나타낸 바와 같이 유체가 유입되는 제1주입구(110) 및 제2주입구(120)와 유체가 배출되는 배출구(130)가 형성된 미세유로(100); 상기 주입구와 배출구 사이에 배치되는 적어도 두 개 이상의 원반형의 혼합부(200); 및 상기 혼합부(200)와 혼합부(210) 사이에 배치되는 적어도 하나 이상의 제1채널(300) 및 제2채널(400)을 포함하고, 상기 제1주입구(110)는 혼합부(200)의 일측 하면에 연결되며, 상기 제2주입구(120)는 혼합부(200)의 일측 상면에 연결되고, 상기 제1채널(300)은 혼합부(200)의 우측 상면으로부터 이웃하는 혼합부(210)의 좌측 하면으로 연결되고, 상기 제2채널(400)은 혼합부(200)의 우측 하면으로부터 이웃하는 혼합부(210)의 좌측 상면으로 연결된 것을 특징으로 하는 서로 다른 두 유체의 혼합을 위한 미세혼합기로 이루어질 수 있다.
1, a micro-mixer for mixing fluids according to the present invention includes a
본 발명에 따른 상기 미세유로의 주입구로 서로 다른 유체가 각각 제 1주입구와 제 2주입구로 유입된다. 각각의 주입구로 유입된 상기 유체들은 상기 혼합부들과 상기 혼합채널들을 지나 배출구로 유출된다. 상기 혼합부는 상기 주입구와 상기 배출구 사이에 적어도 두 개 이상 쌍으로 배치되고, 상기 혼합채널은 상기 주입구와 상기 배출구 사이에 적어도 하나 이상 쌍으로 배치되며, 상기 유체들을 효과적으로 혼합시키는 작용을 한다.Different fluids flow into the first inlet and the second inlet respectively through the inlet of the microchannel according to the present invention. The fluids introduced into the respective injection ports flow out through the mixing portions and the mixing channels to the discharge port. The mixing portion is disposed in at least two pairs between the inlet and the outlet, and the mixing channel is disposed in at least one pair between the inlet and the outlet to effectively mix the fluids.
본 발명에 따른 미세혼합기에 있어서, 상기 제 1주입구와 제 2주입구가 이루는 각도는 바람직하게는 30 내지 100°일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 70°일 수 있다.
In the microreactor according to the present invention, the angle formed by the first inlet and the second inlet may be preferably 30 to 100 °, more preferably 70 °.
본 발명에 따른 상기 혼합부는 상기 혼합부는 상기 주입구와 상기 배출구 사이에 적어도 두 개 이상 쌍으로 배치되며, 원반 형상을 지녀 상기 유체들의 흐름이 부드럽게 이어질 수 있도록 하는 작용을 하며, 유체들을 효과적으로 혼합시키는 작용을 한다. The mixing part of the mixing part according to the present invention is characterized in that the mixing part is disposed in at least two pairs between the injection port and the discharge port and has a disc shape so as to smoothly connect the flows of the fluids, .
본 발명에 따른 미세혼합기에 있어서, 상기 원반형 혼합부의 지름은 바람직하게는 500 내지 1500㎛일 수 있으며, 500㎛ 미만인 경우 혼합부를 흐르는 유동이 충분히 혼합되지 못하고 다음 혼합부로 이동하여 혼합성능이 낮아지는 문제점이 있으며, 1500㎛ 초과인 경우 상기 혼합채널의 폭과 상기 혼합부의 지름의 비가 감소함에 따라 혼합부 내의 압력강하가 증가한다는 문제점이 있고, 바람직하게는 800㎛일 수 있다. In the microreactor according to the present invention, the diameter of the disc-shaped mixing portion may preferably be 500 to 1500 μm, and when the diameter is less than 500 μm, the flow through the mixing portion can not be sufficiently mixed and moves to the next mixing portion, And if it is more than 1500 탆, the pressure drop in the mixing part increases as the ratio of the width of the mixing channel to the diameter of the mixing part decreases, preferably 800 탆.
또한 본 발명에 따른 미세혼합기에 있어서, 상기 원반형 혼합부의 중심 간의 거리는 바람직하게는 700㎛ 내지 2000㎛일 수 있으며, 700㎛ 미만인 경우 거리가 너무 짧아 혼합부의 배치문제가 발생하는 문제점이 있으며, 2000㎛ 초과인 경우 혼합채널의 길이가 길어져 전체 미세혼합기의 압력강하가 높아진다는 문제점이 있고, 바람직하게는 1200㎛일 수 있다. In the microreactor according to the present invention, the distance between the centers of the disc-shaped mixing parts may preferably be 700 to 2000 μm, and when the thickness is less than 700 μm, the distance is too short, There is a problem that the length of the mixing channel becomes long and the pressure drop of the entire micro-mixer becomes high, and it is preferably 1200 m.
또한 본 발명에 따른 미세혼합기에 있어서, 상기 원반형 혼합부의 폭은 바람직하게는 100 내지 400㎛일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 200㎛일 수 있다. In the microreactor according to the present invention, the width of the disc-shaped mixing portion may be preferably 100 to 400 mu m, and more preferably 200 mu m.
또한 본 발명에 따른 미세혼합기에 있어서, 상기 원반형 혼합부의 폭과 상기 원반형 혼합부의 지름의 비는 바람직하게는 1:1 내지 20일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1:4 일 수 있다.
In the microreactor according to the present invention, the ratio of the width of the disk-shaped mixing portion to the diameter of the disk-shaped mixing portion may be preferably 1: 1 to 20, and more preferably 1: 4.
본 발명에 따른 상기 혼합채널은 상기 혼합부들 사이에 적어도 하나 이상 쌍으로 배치되며, 상기 유체들을 효과적으로 혼합시키는 작용을 한다. 혼합채널은 사각단면을 띄며, 서로 엇갈리게 배치되어 상기 유동을 상기 원형 혼합부에 엇갈린 방향으로 유입되도록 해주어 상기 원형 혼합부 내에서 서로 다른 두 방향의 순환유동을 유발하여 미세혼합기의 혼합성능을 향상시키는 역할을 한다.The mixing channel according to the present invention is arranged in at least one pair between the mixing portions and functions to effectively mix the fluids. The mixing channels have a rectangular cross section and are staggered from each other to flow the flow in a direction staggered with respect to the circular mixing section to induce circulating flow in two different directions in the circular mixing section to improve mixing performance of the fine mixer It plays a role.
또한, 본 발명에 따른 미세혼합기에 있어서, 상기 제 1채널과 제 2채널의 간격은 바람직하게는 20㎛ 이하일 수 있으며, 20㎛ 초과인 경우 제 1채널을 통과하는 유동과 제2채널을 통과하는 유동의 혼합점의 발생이 후류로 밀려남에 따라 혼합성능을 저하한다는 문제점이 있다. In the microreactor according to the present invention, the interval between the first channel and the second channel may be preferably less than or equal to 20 탆, and in the case of more than 20 탆, the flow passing through the first channel and the flow passing through the second channel There is a problem that the mixing performance deteriorates as the generation of the mixing point of the flow is pushed to the wake.
또한, 본 발명에 따른 미세혼합기에 있어서, 상기 제 1채널과 제 2채널이 이루는 각도는 바람직하게는 30 내지 100°일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 70°일 수 있다.
In the microreactor according to the present invention, the angle between the first channel and the second channel may be preferably 30 to 100 °, more preferably 70 °.
본 발명에 따른 원반형의 혼합부와 교차되는 혼합채널을 가진 미세혼합기는 두 유체가 채널을 통과하면서 혼합부에 불균형하게 유입되고, 유체의 유동방향을 다르게 하며, 유체가 만나는 표면적을 증가시키고, 유체들의 흐름이 부드럽게 이어질 수 있도록 하여 혼합성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 즉, 본 발명에 따른 미세혼합기는 서로 다른 유체가 각각 제 1주입구와 제 2주입구로 유입되고, 제 1 채널과 제 2채널이 z 방향으로 일정한 간격을 두어 서로 엇갈리게 배치되어, 혼합부 내에서 서로 다른 두 방향의 혼합유동을 유발하며, 유체가 만나는 표면적을 증가시켜 보다 혼합성능을 향상시킬 수 있다.
The micro-mixer having the mixing channel crossing the disc-shaped mixing section according to the present invention is a device in which the two fluids flow unevenly into the mixing section as they pass through the channel, make the direction of flow of the fluid different, increase the surface area where the fluid meets, So that the mixing performance can be improved. That is, in the micro-mixer according to the present invention, different fluids flow into the first inlet and the second inlet, respectively, and the first channel and the second channel are staggered from each other with a predetermined interval in the z direction, It induces mixed flow in the other two directions and increases the mixing area by increasing the surface area where the fluid meets.
본 발명에 따른 미세혼합기와 종래 미세혼합기의 혼합성능을 비교하기 위하여, 도 1 내지 4에서 나타낸 바와 같이 미세혼합기를 설계하였고, 각각의 형상 변수들을 하기에 제시한 바와 같이 고정하였다.In order to compare the mixing performance of the micro mixer according to the present invention and the conventional micro mixer, the micro mixer was designed as shown in FIGS. 1 to 4, and the respective shape parameters were fixed as shown below.
상기 각각의 혼합부의 지름(D)은 800㎛로 고정하며, 상기 혼합부의 중심간의 거리(Pi)는 1200㎛로 고정하였다. 상기 혼합부의 폭(w)은 200㎛로 고정하여 상기 폭(w)과 상기 지름(D)의 비가 1/4로 유지되도록 하였다. 또한 본 발명에 따른 미세혼합기의 제 1 주입구 및 제 2주입구의 각도(θ)는 70°로 유지되도록 하였다. The diameter D of each of the mixing portions was fixed at 800 mu m and the distance P i between the centers of the mixing portions was fixed at 1200 mu m. The width (w) of the mixed portion was fixed at 200 mu m so that the ratio of the width (w) to the diameter (D) was maintained at 1/4. The angle? Between the first inlet and the second inlet of the micro mixer according to the present invention was maintained at 70 °.
상기 미세혼합기의 성능을 평가하기 위해 유동장과 유체혼합을 분석하기 위한 수치해석을 수행하였다. 해석을 위해 상용 전산유체역학 코드인 ANSYS CFX-11.0을 사용하였다. 이 코드는 범용의 전산유체역학 코드로서 나비어-스톡스 방정식을 유한체적법으로 계산하였다. 삼차원 정상상태 층류에 대해 지배방정식인 질량보존 방정식과 운동량 방정식이 계산되고, 대류-확산 모델을 사용해 미세혼합기 내의 혼합과정을 계산하였다. 격자계는 사면체 격자의 비정렬격자로 구성하며, 혼합을 위한 두 가지 작동유체로 에탄올과 물을 적용한다. 20℃에서의 물성치를 사용하였다. 물의 밀도, 점성계수, 확산도는 각각 998 kg/m3, 0.0009 kg/(m-s), 1.210-9 m2/s 이며 에탄올의 밀도, 점성계수, 확산도는 각각 789 kg/m3, 0.0012 kg/(m-s), 1.210-9 m2/s 이다.In order to evaluate the performance of the micro mixer, a numerical analysis was performed to analyze the flow field and fluid mixture. ANSYS CFX-11.0, a commercial computational fluid dynamics code, was used for the analysis. This code is a general - purpose computational fluid dynamics code that computes the Navier - Stokes equations by the finite volume method. The mass conservation equations and the momentum equations are computed for the three - dimensional steady - state laminar flow, and the convection - diffusion model is used to calculate the mixing process in the micro - mixer. The grating system consists of an unstructured grating of tetrahedral gratings, applying ethanol and water as two working fluids for mixing. Properties at 20 캜 were used. The density, viscosity, and diffusivity of water were 998 kg / m 3 , 0.0009 kg / (ms) and 1.210 -9 m 2 / s, respectively. The density, viscosity and diffusivity of ethanol were 789 kg / m 3 and 0.0012 kg / ms) and 1.210 < -9 > m < 2 > / s.
혼합의 정량적 분석은 혼합기 내에서 유체 종의 분산을 계산함으로써 수행되었다. 미세혼합기 내의 혼합 정도를 평가하기 위해 유동방향에 수직한 단면 내에서 질량비의 분산을 다음과 같이 정의된다.
Quantitative analysis of the mixture was performed by calculating the dispersion of the fluid species in the mixer. In order to evaluate the degree of mixing in the micro-mixer, the variance of the mass ratio within the cross-section perpendicular to the flow direction is defined as:
[수학식 1][Equation 1]
(상기 수학식 1에 있어서, N은 단면 내 격자점의 수, ci는 격자 i에서의 질량비, 그리고 
(Where N is the number of lattice points in the cross section, c i is the mass ratio at the lattice i, and
M은 유동방향에 수직한 단면에서 유체의 혼합정도를 나타내며, 다음과 같이 정의된다.
M represents the mixing degree of the fluid in the cross section perpendicular to the flow direction, and is defined as follows.
[수학식 2]&Quot; (2) "
(상기 수학식 2에 있어서, γmax는 최대분산을 의미한다.)
(In the above equation (2),? Max denotes maximum dispersion.)
나아가, 레이놀즈수(Reynolds number)의 변화에 따른 혼합성능을 평가하였으며, 레이놀즈수는 다음과 같이 정의된다.
Further, the mixing performance according to the change of the Reynolds number was evaluated, and the Reynolds number was defined as follows.
[수학식 3]&Quot; (3) "
Reynolds number = ρⅤDh /μReynolds number = ρVD h / μ
(상기 수학식 3에 있어서, ρ는 유체의 평균 밀도, Ⅴ는 주입구에서의 유체의 평균 속도, Dh는 주입구의 수력 직경, μ는 유체의 평균 절대 점성을 의미한다.)
(Where, ρ is the average density of the fluid, V is the average velocity of the fluid at the inlet, D h is the hydraulic diameter of the inlet, and μ is the mean absolute viscosity of the fluid).
도 5는 도 1부터 도 4에 제시된 서로 다른 네 개의 미세혼합기의 형상들에 대하여, 레이놀즈 수 0.1에서 100 범위에 대한 혼합정도의 분포를 나타낸 그래프이다. 상기 각각의 미세혼합기들의 혼합 정도는 네 번째에 위치한 혼합부에서 측정였다. 도 5에 의하면 도 3과 도 4에 제시한 micromixer-3 및 4는 전체 레이놀즈 수 영역에서 유사한 혼합정도의 분포를 보임을 알 수 있다. 도 2에 제시한 micromixer-1은 레이놀즈 수 50이하인 영역에서 가장 안 좋은 혼합 정도를 나타내었다. 그러나 본 발명에서 제시된 micromixer-2의 경우 레이놀즈 수 20이하인 영역에서 뛰어난 혼합정도를 보임을 알 수 있다. 한편, micromixer-2의 혼합 정도는 레이놀즈 수 0.1에서 100의 범위 내에서 37% 내외로 변해, 상기 micromixer-1, 3, 4와는 달리 보다 안정적인 혼합 정도를 보임을 알 수 있다.
FIG. 5 is a graph showing the distribution of mixing degrees for Reynolds numbers from 0.1 to 100 for the shapes of four different micromixers shown in FIGS. 1 to 4. FIG. The degree of mixing of each of the fine mixers was measured at the fourth mixed portion. FIG. 5 shows that the micromixers-3 and 4 shown in FIG. 3 and FIG. 4 show a similar degree of mixing in the entire Reynolds number region. The micromixer-1 shown in FIG. 2 showed the worst mixing ratio in the region having a Reynolds number of 50 or less. However, it can be seen that the micromixer-2 proposed in the present invention exhibits excellent mixing in the region where the Reynolds number is 20 or less. On the other hand, the mixing degree of the micromixer-2 is changed to about 37% within the range of the Reynolds number of 0.1 to 100, and it shows a more stable mixing degree than the micromixer-1, 3, 4.
도 6은 레이놀즈 수가 1일 때 도 1 내지 도 4에서 제시된 각각의 미세혼합기들의 내부를 지나는 에탄올의 질량분율 분포를 나타낸 도면이다. 도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이 상기 micromixer-2의 경우, 나머지 세 가지 미세혼합기 형상에 비해 에탄올과 물이 만나는 접촉면의 증가가 이루어졌음을 확인할 수 있으며, 이로 인해 micromixer-2의 혼합정도가 크게 나타났음을 알 수 있다.
6 is a graph showing the mass fraction distribution of ethanol passing through the interior of each of the micro mixers shown in Figs. 1 to 4 when the Reynolds number is 1. Fig. As can be seen from FIG. 6, in the case of the micromixer-2, it was confirmed that the contact surface where the ethanol and water meet increased compared to the other three types of micro mixers. As a result, the mixing degree of the micromixer-2 was large .
도 7은 레이놀즈 수가 1일 때 상기 네 가지 미세혼합기들에 대한 혼합정도의 길이방향 분포를 나타낸 도면이다. 도 7에서 확인할 수 있는 바와 같이 전반적인 부분에서 상기 micromixer-2의 혼합 정도가 나머지 세 가지 미세혼합기 형상에 비해 높은 것을 알 수 있으며 후류로 갈수록 혼합 정도가 상승함을 확인할 수 있다.
Fig. 7 is a longitudinal distribution of the degree of mixing for the four micro-mixers when the Reynolds number is 1; Fig. As can be seen from FIG. 7, it can be seen that the degree of mixing of the micromixer-2 is higher than that of the other three types of micro-mixer in the overall portion, and that the degree of mixing increases toward the wake.
도 8은 레이놀즈 수가 50일 때 micromixer-1 및 micromixer 2의 채널에서의 혼합 유동 형성의 단면을 나타낸 도면이다. micromixer-1에서는 와류의 힘이 점점 감소하였으나, micormixer-2에서는 채널에서 와류의 힘을 감소시키는 이차 유동이 없음을 확인할 수 있다.
8 is a cross-sectional view of mixed flow formation in channels of micromixer-1 and
도 9는 레이놀즈 수에 따른 압력 감소의 변화를 도 1 내지 도 4의 미세혼합기에서 각각 측정한 도면이다. 압력 감소는 레이놀즈 수가 증가함에 따라 급격히 증가하였고, 이러한 압력감소는 원형의 혼합부 내에서 강한 재순환의 형성에 의한 것이다. micromixer-1, 3, 4에서는 모든 레이놀즈 수에서 최대 압력 감소를 나타내었으나, 본 발명에 따른 micromixer-2에서는 낮은 압력 감소를 나타내, micromixer-2의 혼합부에서는 반대 방향으로 회전하는 재순환(counter-rotating recirculation)이 상대적으로 약함을 확인할 수 있다.
9 is a graph showing the change in pressure reduction according to the Reynolds number in the micro-mixer of FIGS. 1 to 4, respectively. The pressure reduction increased sharply as the Reynolds number increased, and this pressure reduction was due to the formation of strong recirculation in the circular mixing zone. In the micromixer-1, 3 and 4, the maximum pressure reduction was observed in all Reynolds numbers. In the micromixer-2 according to the present invention, however, the pressure was decreased. In the mixing part of the micromixer-2, counter- recirculation is relatively weak.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
본 발명은 미세기기에서 사용되는 미세혼합기에 관한 것으로, 본 발명에서 제공된 미세혼합기는 높은 혼합성능을 지니기 때문에 서로 다른 유체의 혼합이 중요시되는 랩온어칩(Lab-on-a chip) 기반의 산업에 효과적으로 사용될 수 있다.
The present invention relates to a microreactor used in a microreactor, and since the microrepleter provided in the present invention has a high mixing performance, a lab-on-a-chip-based industry, in which mixing of different fluids is important, Can be effectively used.
100 : 미세유로
110 : 제 1 주입구
120 : 제 2 주입구
130 : 배출구
200, 210, 220, 230 : 혼합부
300, 310, 320 : 제 1채널
400, 410, 420 : 제 2채널 100: fine flow path
110: first inlet
120: second inlet
130: Outlet
200, 210, 220, 230:
300, 310, 320: first channel
400, 410, 420: the second channel
Claims (5)
상기 주입구와 배출구 사이에 배치되는 적어도 두 개 이상의 원반형의 혼합부; 및
상기 혼합부와 혼합부 사이에 배치되는 적어도 하나 이상의 제1채널 및 제2채널을 포함하고
상기 제1주입구는 혼합부의 일측 하면에 연결되며, 상기 제2주입구는 혼합부의 일측 상면에 연결되고,
상기 제1채널은 혼합부의 우측 상면으로부터 이웃하는 혼합부의 좌측 하면으로 연결되고, 상기 제2채널은 혼합부의 우측 하면으로부터 이웃하는 혼합부의 좌측 상면으로 연결된 것을 특징으로 하는 서로 다른 두 유체의 혼합을 위한 미세혼합기.
A microfluidic channel in which a first inlet, a second inlet, and a discharge port through which the fluid flows are formed;
At least two disc-shaped mixing parts disposed between the injection port and the discharge port; And
And at least one first channel and a second channel disposed between the mixing section and the mixing section
Wherein the first inlet is connected to a lower surface of the mixing portion, the second inlet is connected to an upper surface of the mixing portion,
Wherein the first channel is connected from the upper right side of the mixing portion to the lower left side of the adjacent mixing portion and the second channel is connected from the lower right side of the mixing portion to the upper left side of the adjacent mixing portion. Fine mixer.
The microreactor according to claim 1, wherein the first injection port and the second injection port form an angle of 30 to 100 °.
The microreactor of claim 1, wherein the first channel and the second channel form an angle of 30 to 100 degrees.
The micro-mixer according to claim 1, wherein the ratio of the width to the diameter of the disc-shaped mixing portion is 1: 1 to 20.
A lab-on-a-chip having the fine mixer of claim 1.
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