KR20200021046A - 유동 분배기 - Google Patents

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Abstract

더 작은 유체 플러그로부터 더 넓은 유체 플러그로 유체 유동을 분배하기 위한 분배기(100)가 설명되어 있다. 상기 분배기(100)는 유체 입구(110) 및 복수의 유체 출구(120), 및 유체 입구(110)와 복수의 유체 출구(120) 사이에 채널 구조(130)를 포함한다. 상기 채널 구조(130)는 교대로 분기된 채널 하부 구조(132) 및 공통 채널 하부 구조(134)를 포함하고, 상기 하부 구조는 분기 채널 하부 구조(132)로부터 상이한 채널을 빠져 나가는 유체가 후속하는 공통 채널 하부 구조(134)에서 혼합되도록 배열되고, 이에 의해 분기 채널 하부 구조(132)의 유체 채널은 이들의 에지에서 후속하는 공통 채널 하부 구조(134)와 접촉하지 않도록 배열된다.

Description

유동 분배기
본 발명은 유체학 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 작은 유체 플러그를 갖는 유동으로부터 보다 넓은 유체 플러그를 갖는 유동으로 유체 유동을 분배하기 위한 유동 분배기, 및 그러한 분배기를 포함하는 대응하는 미세 유체 장치, 크로마토그래피 시스템 및 화학 반응기에 관한 것이다.
좁은 연결 채널 또는 튜브에서 넓은 분리 또는 반응 채널로 그리고 그 반대로 최소 분산을 갖는 새로운 미세 유체 유동 분배기의 설계는 관심의 대상으로 남아있다.
어쩌면 가장 상징적인 미세 유체 분배기는 Regnier 그룹이 미세하게 제작된 CEC 및 LC 컬럼(일반적으로 BF) 분배기로 언급한 것이다. 이는 2 개의 서브 채널에서 각 채널을 연속적으로 분할하여 동일한 길이의 2n 분배 채널로 이어진다는 사실을 특징으로 하며, 여기서 n은 연속 분할의 수이다. 사용된 분배기는 모든 분기 수준에서 속도가 동일하게 유지되도록 설계되었지만(처음 몇 개의 분리 단계에서 상당히 넓은 분배기 채널을 사용해야함), 수치 연구에 따르면 분배기 채널이 모든 분기 수준에서 동일하게 넓게 유지되면 분산이 훨씬 적다. 모든 분기 레벨에서 동일하게 넓게 유지된 채널을 갖는 이러한 분기 분배기의 예가 도 1(a)에 도시되어 있다.
다른 유형의 분배기는 비어 있거나 미세 구조(필러)로 채워진 분기 섹션을 통해 유동을 확산시킨다. 필러의 존재는 개방 분기 섹션의 경우에 비해 적어도 50 %로 분산 손실을 감소시킬 수 있다. 필러가 방사상 방향으로 뻗어 방사상 분산을 촉진시키면 또 다른 주요 개선점을 얻을 수 있다. 그러한 방사상 상호 연결된(RI) 분배기의 예가 도 1(b)에 도시되어 있다. 이는 분배기의 유동 경로가 일단 분기되면 다시 접촉하지 않는 분기형 분배기와 구별된다.
도 1a에 도시된 유형의 BF- 분배기, 즉 일정한 채널 폭을 고려하면, BF- 분배기는 분배 작업을 수행하기 위해 가장 작은 양을 요구하는 분배기 유형이다. 분산이 일반적으로 시스템의 부피에 의해 지배되는 것을 고려하면, 이는 BF- 분배기에 중요한 이점을 제공한다. BF 분배기의 또 다른 분명한 장점은 모든 유동 경로의 궤도 길이가 동일하다는 것과 RI 분배기의 유동 경로 길이가 분명히 다르다는 점이다(보다 측면을 통한 경우보다 중심면을 통해 보다 짧음).
그러나 분기형 분배기의 중요한 단점은 로컬 막힘에 매우 민감하다는 것이다. 분배기의 채널 세그먼트 중 하나가 막히면 막힌 "마더(mother)" 세그먼트에서 액체만 받기 때문에 그로부터 분기된 모든 후속 채널이 영향을 받는다. 이것은 방사상 상호 연결형 분배기가 유리한 것으로 간주될 수 있는 곳인데, 이들이 방사상 혼합을 사용할 수 있고, 이러한 국부 막힘을 극복하기 위해 모든 레벨에서 상이한 액체 스트림 사이에 완전한 접촉이 존재하기 때문이다. 따라서 다른 유량 분배기의 막힘 특성을 조사한 최근의 연구에서는 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 사용했다. 그들은 최소한의 부피로 인해 BF- 분배기는 막힘이 없을 경우 RI- 분배기보다 더 나은 성능을 보인 반면, RI- 분배기가 기대할 수 있는 채널에서 막힘(50 % 이상)이 발생할 경우에만 BF 분배기를 능가한다. 그러나 이 연구는 매우 넓은 채널을 가진 시스템을 고려하여 수행되었으며, 분산은 개별 세그먼트의 분산에 의해 지배될 수 있다.
본 발명의 실시예의 목적은 우수한 분산 거동 및 우수한 막힘 저항이 얻어지는, 더 작은 유체 플러그로부터 더 넓은 유체 플러그로 유체 유동을 분배하기 위한 분배기를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명의 실시예에 따른 장치 및 시스템에 의해 달성된다.
본 발명은 더 작은 유체 플러그로부터 더 넓은 유체 플러그로 유체 유동을 분배하기 위한 분배기에 관한 것으로서, 상기 분배기는 유체 입력 및 복수의 유체 출력, 및 상기 유체 입력과 상기 복수의 유체 출력 사이의 채널 구조를 포함하고, 채널 구조는 교대로 분기되는 채널 하부 구조 및 공통 채널 하부 구조를 포함하며, 상기 하부 구조는 분기 채널 하부 구조로부터 상이한 채널을 빠져 나가는 유체가 후속하는 공통 채널 하부 구조에서 혼합되도록 배열되고, 상기 분기 채널 하부 구조의 유체 채널은 이들의 에지에서 후속하는 공통 채널 하부 구조와 접촉하지 않도록 배치된다.
분배기는 미세 유체 분배기일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 분배기의 분산은 분기 분배기와 유사한 폭 의존성을 갖지만, 분기 분배기와 비교하여 막힘으로 인한 부정적인 영향을 훨씬 덜 받는다는 것이 본 발명의 실시예의 이점이다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 분배기는 방사상으로 연결된 분배기에서 얻어진 막힘으로부터 회복하기 위한 회복 거동과 함께 분기 분배기에 의해 제공되는 유리한 분산 거동을 결합시킨다.
유동 분배기는 혼합 모드 또는 MM 분배기로 지칭될 수 있다. 막힘이 없는 경우, 혼합 모드 분배기는 분기 분배기보다 약간 더 많은 분산을 생성하지만 방사상 상호 연결된 분배기보다 훨씬 더 적은 분산을 생성한다는 것이 본 발명의 실시예의 이점이다. 혼합 모드 분배기는 분기 분배기와 유사한 폭-의존성을 따르는 것이 본 발명의 실시예의 이점이다. 본 발명의 실시예의 장점은 분배기가 예를 들어 밀리미터 또는 센티미터의 정도로 넓은 베드에 걸쳐 유동을 분배할 수 있게 하는 것이다. 넓은 층에 걸쳐 적절하게 분배될 수 있는 가능성은 유량과 무관하다는 것이 본 발명의 실시예의 이점이다.
혼합 모드 분배기는 연속 분기점을 겪는 유로로 구성되며, 각 분할 단계 후에 접점 영역이 배치되며, 여기서 다른 평행 유로는 다시 직접 유체 접촉한다.
본 발명의 실시예에 따른 유동 분배기는 또한 막힘 효과가 훨씬 덜 발생하기 때문에 분기 분배기에 비해 유리한 거동을 나타낸다.
혼합 모드 분배기는 국부 막힘 사건에 대처하는 능력을 제공하고 막힘이 없는 경우 양호한 분산 거동을 제공한다는 것이 본 발명의 실시 양태의 이점이다.
공통 채널 하부 구조는 길이 축이 구조의 순 순방향 유동에 실질적으로 직교하고 공통 채널 하부 구조의 상기 에지가 길이 축의 종점과 일치하도록 배열될 수 있다. 길이 축과 순 순방향 유동 사이의 각도는 대안적으로 실질적으로 직각과 상이할 수 있지만, 유리하게는 상이한 유동 경로의 순 길이가 동일하도록 각도가 변경된다.
접촉 구역은 유동 분배기 요소로 채워질 수 있는데, 예를 들어, 분배기를 통한 모든 평행 관통 경로가 동일한 길이를 갖도록 설계된 평평한 직사각형 유동 분배기 요소이다.
하나 이상의 공통 채널 하부 구조는 서로 이격되어 배치된 복수의 필러 요소로 채워진 공통 채널을 포함할 수 있다.
필러 요소를 포함하는 공통 채널 하부 구조는 유체 재분배에 대한 더 많은 가능성을 갖는 접촉 구역을 초래하여 막힘 현상으로부터 회복하는 더 나은 효과를 가져온다는 것이 본 발명의 실시예의 이점이다.
적어도 하나의 공통 채널에서 복수의 필러 요소, 즉, 접촉 구역은 짝수의 행으로 정렬된 필러 요소일 수 있으며, 이때 n 번째 행마다 상이한 필러간 요소 공간의 중심선의 반경 방향 위치는 선행 분기 채널의 출구와 일치하고, n-1 번째 행마다 다른 필러 간 요소 공간의 중심선의 반경 방향 위치는 다음 행의 필러 중심선과 일치한다. 행 수는 n = 2, 4, 6, ….로 정의될 수 있다.
공통 채널 하부 구조들 각각은 서로 이격되어 배치된 복수의 필러 요소들로 채워질 수 있다.
각각의 공통 채널에서, 필러 요소는 짝수 n 행으로 정렬될 수 있고, 여기서 n 번째 행마다 상이한 필러간 요소 공간의 중심선의 반경 방향 위치는 이전 분기 채널의 출구와 일치하고, n-1 번째 행마다 다른 필러간 요소 공간의 중심선의 반경 위치는 다음 행의 필러 중심선과 일치한다.
입구에 더 가까운 공통 채널 하부 구조 내의 필러 요소의 행의 개수는 출구에 더 가까운 공통 채널 하부 구조 내의 필러 요소의 행의 수보다 많을 수 있다.
필러 구조는 직사각형, 다이아몬드 형 또는 타원체 형상을 가질 수 있다.
공통 채널 하부 구조의 공통 채널에는 필러 구조가 존재할 수 없다.
유체 출력의 수는 자연수에 따라 2m일 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같은 분배기를 포함하는 미세 유체 구조에 관한 것이다.
미세 유체 구조는 크로마토그래피 시스템을 위한 분리 구조일 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같은 미세 유체 구조를 포함하는 크로마토그래피 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같은 유동 분배기 또는 전술한 바와 같은 미세 유체 구조를 포함하는 화학 반응기에 관한 것이다.
본 발명의 구체적이고 바람직한 측면은 첨부된 독립 및 종속항에 제시되어 있다. 종속항의 특징은 독립항의 특징 및 다른 종속항의 특징과 적절하게 그리고 청구항에서 명시적으로 제시된 것이 아니라 결합될 수 있다. 본 발명의 이들 및 다른 측면은 이하에서 설명되는 실시예(들)를 참조하여 명백해지고 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 혼합 모드 분배기뿐만 아니라 종래 기술로부터 알려진 바와 같이 분기점(BF) 분배기 형상(a) 및 방사상 상호 연결(RI) 분배기 형상(b)을 도시한다. 도 1의 (e)에서 분배기의 입구와 그리드 크기와 모양을 확대하여 보여준다. 빨간색 점선 상자는 종 주입 상자를 형성하는 100 개의 그리드 셀을 포함한다.
도 2는 (a) 분기점(BF) (b) 방사상 상호 연결된(RI) 및 (c) 혼합 모드 I(MMI) 및 (d) 혼합 모드 II(MMII) 분배기에 대해 막힘이 없는 경우 용리 직전의 공간 종 분포를 도시하고, 후자의 2 개는 본 발명의 일 실시예에 따른 것이다. 각 분배기의 중심을 통과하는 대칭선으로 인해 각 분배기의 절반만 표시된다.
도 3은 도 2에 도시된 경우에 대해 막힘이 없는 경우 모니터 라인(참조 라인 및 화살표(도 1a-d) 참조)에 기록된 종 밴드의 시간 반응을 도시한다. 반응은 모니터 라인에서 종의 질량 분율의 라인 적분으로 정의된다.
도 4는 (a) 분기점(BF) (b) 방사상으로 연결된(RI) (c) 혼합 모드 I(MMI) (d) 혼합 모드 II(MMII) 분배기에 대해 용출 순간 직전에 종 밴드에 화살표로 표시된 상자에서 70 % 막힘의 영향을 나타내고(도 1a-d 참조), 후자의 2 개는 본 발명의 일 실시예에 따른 것이다. 각 분배기의 중심을 통과하는 대칭선으로 인해 각 분배기의 절반만 표시된다. 점선 타원은 막힌 채널에 들어간 종을 나타내고, 빨간색 곡선 화살표는 BF- 분배기의 막힘되지 않은 영역에서 막힌 영역으로 종의 누출을 나타낸다.
도 5는 도 4에 도시된 경우에 대해 모니터 라인에 기록된 종 밴드의 시간 응답을 도시한다(70 % 막힘). 반응은 모니터 라인에서 종의 질량 분율의 라인 적분으로 정의된다. 화살표는 막힌 채널에 들어간 종으로 인해 본 발명의 실시예에 따라 MMI- 분배기에 나타나는 여분의 피크를 나타내며, 따라서 분배기를 나중에 떠난다.
도 6은 막힘이 없을 때 RI-(사각형), MMI-(삼각형) 및 BF-(다이아몬드) 분배기(폭 = 500 μm, 16 개의 출구)에 대한 적용된 유량의 함수로서 모니터 라인에 기록된 종 대역의 체적 분산(σv²)을 도시한다. 이에 따라 MMI 분배기는 본 발명의 일 실시예에 따른다.
도 7은 멱법칙(선)과 함께 막힘(사각형 : RI, 삼각형 : MMI 및 다이아몬드 : BF)이 없는 경우 최종 분배기 폭(또는 출구 수)의 함수로서 모니터 라인에 기록된 종 대역의 체적 분산 σv²(데이터 포인트)을 도시한다. 후속 베드에서 동일한 선형 속도(0.25 mm/s)를 유지하기 위해 각각의 분배기 폭에 대해 적용된 유량을 조정하였다. 이에 따라 MMI 분배기는 본 발명의 일 실시예에 따른다.
도 8은 폭 500μm(16 개의 콘센트) RI-(사각형), MMI-(삼각형) 및 BF- 분배기(다이아몬드)에 대해 도 1에 도시된 적색 박스에서의 막힘 정도의 함수로서 모니터 라인에 기록된 종 대역의 부피 변화 σv²를 도시한다. 유량 = 1.32 μL/min(이후 층에서 0.25 mm/s의 선형 속도에 해당). 이에 따라 MMI 분배기는 본 발명의 일 실시예에 따른다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 분배기를 도시한다. 도면은 개략적인 것이며 비 제한적이다. 도면에서, 일부 구성 요소의 크기는 설명을 위해 과장되어 축소되어 도시되지 않을 수 있다.
청구 범위의 임의의 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 다른 도면에서, 동일한 참조 부호는 동일하거나 유사한 요소를 지칭한다.
본 발명은 특정 실시예 및 특정 도면을 참조하여 설명될 것이지만, 본 발명은 이에 제한되지 않고 청구 범위에 의해서만 한정된다. 설명된 도면은 단지 개략적이고 비 제한적이다. 도면에서, 일부 구성 요소의 크기는 설명을 위해 과장되어 축소되어 도시되지 않을 수 있다. 치수 및 상대 치수는 본 발명을 실시하기 위한 실제 축소에 해당하지 않는다.
또한, 상세한 설명 및 청구 범위에서 제 1, 제 2 등의 용어는 유사한 요소를 구별하기 위해 사용되며 반드시 시간적으로, 공간적으로, 순위 또는 다른 방식으로 시퀀스를 설명할 필요는 없다. 이와 같이 사용된 용어는 적절한 환경 하에서 상호 교환 가능하며, 여기에 설명된 본 발명의 실시예는 여기에 설명되거나 도시되지 않은 다른 순서로 동작할 수 있음을 이해해야 한다.
또한, 상세한 설명 및 청구 범위에서 상단, 하단 등의 용어는 설명적인 목적으로 사용되며 반드시 상대적인 위치를 설명하기 위한 것은 아니다. 이와 같이 사용된 용어는 적절한 환경 하에서 상호 교환 가능하며, 여기에 설명된 본 발명의 실시예는 여기에 설명되거나 도시된 것과 다른 방향으로 동작할 수 있음을 이해해야 한다.
청구 범위에 사용된 "포함하는"이라는 용어는 그 이후에 열거된 수단으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다; 다른 요소나 단계는 제외하지 않는다. 따라서, 언급된 특징, 정수, 단계 또는 구성 요소의 존재를 특정하는 것으로 해석되지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계 또는 구성 요소 또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다. 따라서, "수단 A 및 B를 포함하는 장치"라는 표현의 범위는 성분 A 및 B로만 구성된 장치로 제한되지 않아야 한다. 본 발명과 관련하여, 장치의 유일한 관련 구성 요소는 A 및 B라는 것을 의미한다.
본 명세서 전체에서 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급은 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체의 여러 곳에서 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 문구의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니지만, 가능할 수 있다. 또한, 특정 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 본 개시로부터 당업자에게 명백한 바와 같이 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
유사하게, 본 발명의 예시적인 실시예의 설명에서, 본 발명의 다양한 특징은 때때로 본 개시를 간소화하고 다양한 발명의 측면들 중 하나 이상에 대한 이해를 돕기 위해 단일 실시예, 도면 또는 설명으로 함께 그룹화된다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 이 개시 방법은 청구된 발명이 각 청구 범위에 명시적으로 언급된 것보다 더 많은 특징을 요구한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 다음의 청구 범위가 반영하는 바와 같이, 본 발명의 양태는 전술한 단일 실시예의 모든 특징보다 적다. 따라서, 상세한 설명에 따른 청구 범위는 본 명세서에 명시적으로 포함되며, 각 청구 범위는 그 자체가 본 발명의 별도의 실시예로서서 있다.
또한, 본 명세서에 기술된 일부 실시예는 다른 실시예에 포함된 일부이지만 다른 특징을 포함하지 않지만, 다른 실시예의 특징의 조합은 본 발명의 범위 내에 있고, 당업자가 이해하는 바와 같이 다른 실시예를 형성하는 것을 의미한다. 예를 들어, 다음의 청구 범위에서, 청구된 실시예 중 임의의 것이 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 여기에 제공된 설명에서, 다수의 특정 세부 사항이 설명된다. 그러나, 본 발명의 실시예는 이들 특정 세부 사항 없이도 실시될 수 있는 것으로 이해된다. 다른 경우들에서, 잘 알려진 방법들, 구조들 및 기술들은 이 설명의 이해를 모호하게 하지 않기 위해 상세히 도시되지 않았다.
본 발명의 실시예에서 "이 분기 분배기"가 참조되는 경우, 분배기 내의 유로가 일단 분기되면 일단 분배기 내의 유로가 다시는 서로 접촉하지 않는 분배기를 참조한다. 본 발명의 실시예들에서 다수의 서브 채널들에서 채널의 분할에 대한 "분기(bifurcating)"가 참조된다. 본 발명의 실시예들에서 "방사선으로 연결된 분배기"를 참조할 때, 각각의 분할 후, 모든 채널은 공통 채널에서 끝나서 다시 서로 접촉한다.
제 1 측면에서, 본 발명은 더 작은 유체 플러그로부터 더 넓은 유체 플러그로 유체 유동을 분배하기 위한 분배기에 관한 것이다. 이러한 분배기는 예를 들어 크로마토그래피 적용과 같은 임의의 적합한 적용에 사용될 수 있지만, 실시예는 이에 제한되지 않는다. 분배기는 유체 입력 및 복수의 유체 출력, 및 유체 입력과 복수의 유체 출력 사이의 채널 구조를 포함한다. 채널 구조는 교번적으로 분기되는 채널 하부 구조 및 공통 채널 하부 구조를 포함하며, 상기 하부 구조는 분기 채널 하부 구조로부터 상이한 채널을 빠져 나가는 유체가 후속하는 공통 채널 하부 구조에서 혼합되도록 배열된다. 또한, 분기 채널 하부 구조의 유체 채널은 이들의 에지에서 후속하는 공통 채널 하부 구조와 접촉하지 않도록 배치된다. 다시 말해서, 분기 채널의 유체 채널은 해당 채널의 출구에서 그 채널로부터 흐르는 유체가 공통 채널에서 두 방향으로 흐를 수 있는 방식으로 공통 채널 하부 구조에서 끝난다. 공통 채널 하부 구조는 길이 축이 구조의 순 순방향 유동에 수직하고 공통 채널 하부 구조의 에지가 길이 축을 따른 공통 채널 하부 구조의 종점과 일치하도록 배열된 것으로 간주될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 분배기는 혼합 모드 분배기로 지칭될 수 있다. 하나 이상의 공통 채널 하부 구조는 서로 이격되어 배치된 복수의 필러 요소로 채워진 공통 채널을 포함할 수 있다. 이러한 필러 요소는 예를 들어 직사각형 필러 요소, 뿐만 아니라 원형 필러 요소, 육각형 필러 요소, 다이아몬드 필러 요소, 타원형 필러 요소 등과 같은 미세 유체 채널에 사용하기에 적합한 필러 요소일 수 있다. 일부 실시예에서, 모든 공통 채널 하부 구조는 필러 요소로 채워질 수 있다. 필러 요소의 분포 및 사용되는 필러 요소의 유형은 모든 공통 채널 하부 구조에 대해 동일하거나 상이할 수 있다. 분배기는 분배기를 위해 일반적으로 사용되는 재료로 제조될 수 있다. 또한, 사용된 채널 및 필러 요소의 치수는 분배기에게 알려진 바와 같을 수 있다.
필러 요소가 공통 채널에서 사용되는 특정 실시예에서, 적어도 하나의 공통 채널 내의 복수의 필러 요소는 짝수의 행으로 정렬된 필러 요소일 수 있으며, 여기서 n 번째 행마다 상이한 필러간 요소 공간의 중심선의 반경 방향 위치는 선행 분기 채널의 출구와 일치하고, n-1 번째 행마다 다른 필러간 요소 공간의 중심선의 반경 위치는 다음 행의 필러 중심선과 일치한다. 모든 n 번째 행에서 다른 필러간 요소 공간의 중심선의 반경 위치는 이전 분기 채널의 출구와 일치한다. n-1 번째 행마다 다른 필러간 요소 공간의 중심선의 반경 위치는 다음 행의 필러 중심선과 일치한다.
일부 실시예에서, 입구에 더 가까운 공통 채널 하부 구조에서 필러 요소의 행의 수는 출구에 더 가까운 공통 채널 하부 구조에서 필러 요소의 행의 수보다 높다. 예시로서, 본 발명의 실시예는 이에 제한되지 않으며, 예시적인 분배기(100)가 도 9에 도시되어 있다. 분배기(100)는 입력 유체 입력(110), 복수의 유체 출력(120), 유체 입력(110)과 복수의 유체 출력(120) 사이에 채널 구조(130)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 채널 구조(130)는 교대로 분기되는 채널 하부 구조(132) 및 공통 채널 하부 구조(134)을 포함한다. 상기 하부 구조(132, 134)는 분기 채널 하부 구조(132)로부터 상이한 채널을 빠져 나가는 유체가 후속하는 공통 채널 하부 구조(134)에서 혼합되도록 배열되고, 이에 의해 분기 채널 하부 구조체(132)의 유체 채널은 이들의 에지에서 후속하는 공통 채널 하부 구조(134)와 접촉하지 않도록 배열된다.
일 측면에서, 본 발명은 또한 전술한 바와 같은 분배기를 포함하는 미세 유체 구조에 관한 것이다. 미세 유체 구조는 추가의 채널 섹션, 예를 들어 분리 채널 섹션을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 유체 플러그의 폭을 다시 감소시키기 위해 제 1 분배기와 유사하거나 제 2 분배기가 또한 사용될 수 있다. 제 1 측면에서 설명된 분배기의 특징 및 장점은 전체적으로 미세 유체 구조에도 적용 가능하다. 이 양태에 따른 미세 유체 구조의 일례는 크로마토그래피 시스템을 위한 분리 구조이다.
추가의 측면에서, 본 발명은 또한 전술한 바와 같은 미세 유체 구조를 포함하는 크로마토그래피 시스템에 관한 것이다. 보다 일반적으로, 본 발명은 또한 이러한 미세 유체 구조를 포함하는 화학 반응기에 관한 것이다.
예를 들어, 본 발명의 실시예가 이에 제한되지 않고, 분산 특성을 분기 및 방사상으로 연결된 분배기의 대표와 비교함으로써 본 발명의 특정 실시예의 혼합 모드 분배기의 이점에 대한 정량적 평가가 논의된다. 계산 유체 역학(CFD)을 사용하여 수치적으로 평가를 수행하였다. 달리 언급되지 않는 한, 모든 분배기는 동일한 입구 및 동일한 수의 출구 포트를 가지며 동일한 유량, 즉 미세 가공된 LC 컬럼의 전형적인 유량에 종속된다. 합리적인 시간에 많은 수의 조건과 형상을 조사할 수 있도록 모든 시뮬레이션을 2D로 수행하여 실제로 존재하는 상단 및 하단 벽에서 기대할 수 있는 추가 분산을 무시했다. 이 효과를 포함하면 추가 변수가 추가되고(선택한 채널의 종횡비에 따라) 대략 10 ~ 100 배의 계산 시간이 소비되었을 것이다. 또한 문헌에서 특히 채널의 종횡비가 높은 경우, 즉, 최소 분배기 볼륨을 목표로 하는 설계(채널 깊이를 일정하게 유지)로 인한 조건인, 채널이 더 넓을 때보다 훨씬 깊을 때, 추가 3D 분산이 독립적인 추가 항으로 간주될 수 있다. 상부 및 하부 벽 기여로부터의 추가 분산은 분배기에서 소비된 시간에 비례할 것으로 예상될 수 있고, 이는 MM을 통한 BF에서 RI 분배기로 증가하기 때문에, 이 효과의 추가만이 현재 관찰된 차이를 향상시키는 것으로 유추될 수 있다.
도 1의 a 내지 d는 서로 다른 고려된 분배기 구조, 즉 BF, MMI, MMII 및 RI 분배기를 보여준다. 각 분배기에서 화살표로 표시된 선은 분배기에서 나오는 종 플러그를 감지하는데 사용되는 종 모니터 선을 나타낸다. 각 분배기에는 또한 가장 바깥쪽 채널에 있는 4 개의 출구 레벨에 다공성 구역이 제공된다(도 1의 a-d에 화살표로 표시된 상자 참조). 이 영역은 조정 가능한 투과성을 가졌으며, 다른 도면을 만들지 않고도 분배기에서 서로 다른 정도의 막힘을 시뮬레이션하기 위해 로컬 유동 저항을 쉽게 변경할 수 있다. 대칭적인 이유로 지오메트리의 절반만 시뮬레이션된다(예를 들어, 도 2 참조).
도 1e는 각각의 분배기의 입구의 확대도 및 사용된 계산 그리드(메시) 크기 및 형상의 예를 도시한다. 점선 상자는 주입 상자의 일부인 셀을 제한한다(총 100 개의 셀). 이 주입 상자의 셀은 시뮬레이션의 시작 조건으로 1 % 종으로 패치된다. 각 분배기의 출구(및 전체 지오메트리에 대한 RI 분배기의 경우)에서 평평한 직사각형 분배기 요소(여기서 방사형으로 연장된 다이아몬드의 대안으로 사용)는 폭이 30 μm이고 두께가 2.5 μm이다. BF 및 MM 유통 업체의 경우, 이전의 분할 단계(유체 유동의 방향을 따르는 경우)에서 편평한 직사각형 분배기 요소의 길이는 분할 단계 후의 요소 길이의 두 배 + 하나의 분배기 관통 채널의 폭과 동일하게 취 하였다. 이 채널은 모든 분배기의 전체 형상에서 폭이 2.5 μm이다. 분배기는 모두 분배기의 출구에서 사용된 것과 동일한 평평한 직사각형 요소로 채워진 5cm 길이의 베드에 공급되었다(도 1의 a-d의 화살표로 표시된 선 뒤에 있는 필러 행 참조).
시뮬레이션에 사용된 유체는 액체 물이었다. 유속은 분배기(마이크로 칩 크로마토그래피에 실질적으로 관련된 선형 속도)를 따르는 반응 채널에서 대략 0.25 mm/s의 선형 속도가 달성되도록 선택되었다. 시뮬레이션 중에 추적된 종도 물이었다. 이 수중 물의 혼합물은 점도 1.003 cP 및 자기 확산도 10-9 m²/s로 주어졌다.
결과를 논의하기 전에 먼저 시뮬레이션에 사용되는 수치 방법에 대해 논의한다. 모든 시뮬레이션은 벨기에 Wavre의 Ansys Benelux에서 구입한 Ansys, Inc.의 Ansys® Workbench 버전 16.2로 수행되었다. 이 소프트웨어 플랫폼 내에서 모든 플로우 도메인은 Ansys® Design Modeler로 그리고 Ansys® Meshing으로 드로잉되었다. 모든 시뮬레이션은 Ansys® Fluent로 수행되었다.
가장 짧은 유동 도메인이 10 개의 메쉬 셀을 포함하도록 메쉬 크기가 선택되었다. 메쉬는 사변형 셀로 구성되었다. 메쉬 독립성을 확인하기 위해, 원래 크기의 절반의 셀을 포함하고 4 배의 셀 수를 갖는 메쉬가 사용되었다. 500μm 폭의 BF 분배기의 경우 이 미세한 메쉬로 기록된 판 높이 차이는 원래 메쉬보다 3.5 % 작았다. 그러므로 최소한 현재 연구를 위해 원래의 메쉬가 충분한 정확도를 산출한다는 결론을 내렸다.
사용된 솔버(solver)는 다음 조건을 충족했다. 먼저, 속도 필드는 분리된 압력 기반 정상 상태 솔버를 사용하여 Navier-Stokes 방정식을 해결하여 계산되었다. 공간 이산화를 위해, 최소 제곱 셀 기반 방법을 사용하여, 농도 구배, 압력-속도 결합을 위한 결합된 체계, 압력을 위한 2 차 보간법 및 운동량을 위한 2 차 상향식 체계를 계산하였다. 편평한 직사각 필러의 측벽 및 측면에 대해 경계 조건을 벽으로 설정하고, 입구 평면을 고정 질량 유량으로 놓고 출구 평면을 유출로 설정하였다. 다공성 구역은 내부로 설정되었다.
이어서, 주입 박스의 100 메쉬 셀을 1 % 종으로 패치하였다. 이어서, 공간 이산화를 위한 1 차 암시적 시간 이산화 및 2 차 상향식 방식을 갖는 과도 솔버를 사용하여 유동 영역을 통해 이동하는 종 대역의 과도 농도 필드를 산출하는 대류 확산 방정식을 해결하였다. 크기가 1.10-6 s 인 10000 단계의 고정 시간 스테핑 방법이 사용되었다.
모든 시뮬레이션은 Windows Server Edition 2008 R2(64 비트)에서 실행되는 Intel Xeon x3460 프로세서(클럭 속도 2,8 GHz, 4 코어) 및 16Gb, 1333MHz 램 메모리가 장착된 Dell Power Edge R210 랙 서버에서 수행되었습니다. 전술한 형상에서 정상 상태 속도 장의 시뮬레이션은 약 1 시간이 걸리고, 과도 화학 종 농도 필드 시뮬레이션은 약 24 시간이 걸렸다.
각각의 시뮬레이션에 대해, "모니터" 라인을 통과하는 종의 질량 분율(도 1a-d의 적색 라인 참조)을 시간의 함수로서 기록하였다. 생성된 피크로부터, 시간 기반 분산(σt²) 및 평균 용출 시간(
Figure pct00001
)을 피크의 수학적 모멘트를 사용하여 계산하였다.
Figure pct00002
여기서 c(t)는 시간의 함수로서 종의 질량 분율이다. 이 값에서 체적 분산(σv²)은 다음과 같이 계산할 수 있다.
Figure pct00003
피크 폭 측정으로 σt² 대신 σv²(F 정보 포함)를 사용하면 유량이 관측된(시간 기반) 피크 폭에 미치는 영향을 제거한다.
초기 비교.
제 1 시뮬레이션 세트의 목표는 막힘이 없는 상태에서 고려된 4 가지 분배기 유형 중 어느 것이 가장 성능이 좋은지 결정하는 것이었다. 도 2는 4 가지 고려되는 분배기 유형 각각에 대한 용출 시점에서의 종 밴드의 프레임 이미지를 보여준다. 어두운 부분은 최대 농도에 해당하는 점선으로 둘러싸인 어두운 부분을 제외하고 일반적으로 최소 농도를 나타낸다. 더 가벼운 부분은 중간 농도에 해당한다. 도 3은 모니터 라인에 기록된 해당 시간 응답(피크)을 보여준다.
Figure pct00004
표 1은 각 피크의
Figure pct00005
및 σv²에 대한 수치뿐만 아니라 입구와 모니터 라인 사이의 압력 강하를 보여준다. BF 분배기는 부피가 작고 유동 채널의 균일한 길이에서 예상되는 것처럼 가장 좁은 피크(σv² = 0.013 nL²)를 발생시키고 가장 빠른 속도로 용출한다. 반면에, RI- 분배기를 떠나는 피크는 가장 넓으며, 평균 용리 시간이 가장 길고 피크 피크가 강하다. 이것은 분명히 더 큰 부피에 해당하며 0.165 nL²에서 BF 피크보다 10 배 이상 높은 RI 피크의 σv²에 의해 반영된다. 2 개의 혼합 모드 분배기는 중간 평균 용출 시간과 폭을 갖지만 RI 분배기의 테일링 없이 피크를 유발한다. 부피의 차이에 따라 MMI- 분배기는 체류 시간이 길고 MMII- 분배기보다 더 많은 분산을 생성한다(MMV의 경우 σv² = 0.026 nL², MMII의 경우 σv² = 0.017 nL²). 도 2의 또 다른 중요한 관찰은 BF 유형 분배기와 MM 유형 분배기가 방사상 방향에서 완벽하게 균일한 종 밴드를 생성하지만(가능한 모든 통과 경로의 길이가 동일하다는 사실을 반영함), RI 분배기는 뒤틀린 밴드를 명확하게 생성한다는 것이다. 후자는 분명히 중앙과 외부 영역 사이의 유로 길이의 차이로 인해 발생한다. RI 분배기의 설계에 의해 허용되는 강한 방사형 혼합으로 이러한 차이를 극복할 수 없는 것 같다.
또한 분배기의 압력 강하가 표 1에 도시되어 있다. 여기서, RI 분배기는 유동이 많은 유동 경로에 걸쳐 매우 빠르게 분할되어 국부 속도(입구에서 명백히 최고)가 급격히 떨어지기 때문에 보다 유리하다. 가장 높은 유속(제 1 분기 후 F/2, 제 2 분기 후 F/4 등)이 가장 긴 거리(유량 채널 길이)에 걸쳐 유지되는 BF 분배기의 경우에는 해당되지 않는다. 결과적으로 BF 분배기는 더 큰 압력 강하가 필요하다. 두 개의 MM 유형 분배기는 추가 압력 강하를 생성하는 접촉 영역이 존재하기 때문에 압력 강하가 훨씬 더 크다.
MM 분배기의 추가 압력 강하가 문제가 될 경우, 관통 채널이 입구 근처에서 가장 넓고 출구쪽으로 좁아지는 설계가 가능하다. 채널 폭의 최적 변화는 여분의 분산과 압력 강하 간의 절충에 달려 있다.
다음 시뮬레이션 세트는 주로 막힘이 있을 때 두 개의 새로운 분배기(MMI 또는 MMII) 중 어느 것이 가장 성능이 좋은지 결정하는 것을 목표로 했다. 이러한 측정의 경우, 도 1a-d에 도시된 적색 박스 내의 다공성 구역은 4 개의 출구 레벨에서 가장 바깥쪽 채널의 70 % 막힘(= 채널 단면적의 70 %가 2.5 μm 길이에 걸쳐 폐쇄됨)을 반영하도록 조정되었다(도 1).
Figure pct00006
도 4 및 도 5는 각각 분배기로부터의 용출 시점에서의 밴드 및 상응하는 피크를 나타내고, 표 2는 각 피크의
Figure pct00007
및 σv²에 대한 수치를 나타낸다. 도 4에서, 어두운 부분은 최대 농도에 대응하는 점선으로 둘러싸인 어두운 부분을 제외하고는 일반적으로 최소 농도를 나타낸다. 더 가벼운 부분은 중간 농도에 해당한다. 알 수 있는 바와 같이, BF- 분배기로부터의 피크는 상당히 더 넓어지고(σv² = 0.45 nL²), 도 2a 내지 도 3a의 비-막힘 경우와 비교하여 극단적인 테일링 및 비대칭성을 나타낸다. 그 이유는 BF 분배기가 막힘 주위를 이동하는 유동 경로가 없으므로 오류를 정정할 수 없기 때문이다. 주입된 종의 일부는 혼잡 근처의 지역에서 분명히 붙어 있다(추가된 타원 참조). 이것은 또한 막히지 않은 경우보다 평균 용출 시간이 더 길어지는 이유를 설명한다.
한편, 막힘은 RI 분배기의 피크 모양에 거의 영향을 미치지 않는다. 피크 폭(σv² = 0.271 nL²), 평균 용출 시간 및 대칭은 모두 막힘없이 얻은 결과와 거의 동일하다. 이는 강력한 방사형 혼합 및 유체가 막힌 영역을 우회하기 위해 취할 수 있는 많은 다른 유동 경로로 인해 RI 유형 분배기가 로컬 막힘 현상에 대처할 수 있는 탁월한 능력을 확인한다.
MM- 분배기는 다시 중간 동작을 보여준다. 그러나, MMII- 분배기는 BF- 분배기의 불리한 행동(σv²은 0.532 nL²로 증가함)에 근접한 반면, MMI- 분배기는 더 나은 성능(σv² = 0.223 nL²)을 수행한다. 여기서도 분배기의 형상에서 설명을 찾을 수 있다. MMII- 분배기의 접촉 영역은 최소로 작고 단일 통과 채널로 축소되어 유체에 오류를 보상할 수 있는 가능성이 제한적이다. MMI- 분배기에서, 3 개의 이러한 채널 층이 각각의 접촉 구역에 존재하여, 유체가 분배기의 전체 폭에 걸쳐 재분배하는 데 훨씬 더 많은 시간을 제공한다. 이를 더 이해하기 위해 도 4에서 MMI 및 MMII 분배기를 떠나는 대역을 비교하는 것이 도움이 된다. MMI- 분배기에서 분배기를 떠나는 대역은 실질적으로 채널의 전체 폭을 채우는 반면(분배기의 가장 오른쪽 부분을 공급하는 브랜치를 막는 장애물을 극복할 수 있는 이 분배기의 능력을 반영), MMII 분배기의 밴드는 아직 분배기를 떠날 때 아직 분배기의 가장 오른쪽 부분에 도달할 수 없었다.
MMII- 분배기는 이상적인 환경(막힘 없음)에서 BF- 분배기 및 막힘이 가능한 경우 MMI- 분배기보다 성능이 우수하므로 모든 추가 계산에서 이 설계를 생략하기로 결정했다.
고려 중인 남아있는 3 개의 분배기(BF, RI 및 MMI)에 대해, 분배기를 떠나는 밴드의 체적 분산 σv²에 대한 유속의 영향을 조사했다. 가장 간단하고 직접적인 통찰력을 얻기 위해 막힘이 없는 상태에서 이러한 시뮬레이션을 수행했다. 5 개의 다른 유량이 각 분배기에 적용되었다: 1.32 μL/분(분배기 뒤의 반응 채널에서 크로마토그래피에 대한 0.25 mm/s의 최적 선형 속도에 해당), 1.98 μL/분, 2.64 μL/분, 3.96 μL/분 및 5.28 μL/분. 이들 계산의 결과는 도 6에 도시되어 있고, 도 2-도 3과 표 1로부터의 관찰을 확인한다(BF와 RI 사이의 MM이지만, RI보다 BF에 훨씬 더 가깝다).
또한 σv² 값이 3 개의 분배기 모두에 대해 적용된 유량과 거의 독립적이라는 점을 주목해야한다. 이것을 설명하기 위해, 우리는 단일 미세 유체 채널에서의 분산에 대한 분석적 표현을 고려했다. 명백히, 후자는 분배기에서의 관통 채널의 매우 조잡한 표현일 수 있지만, 분석 표현의 이용 가능성은 적어도 일부 분산 역학을 이해할 수 있게 한다. 완전히 개발되고 분산이 지배적인 층류 조건에서 직선 튜브를 통과하는 밴드의 부피 변화는 다음과 같이 주어진다:
Figure pct00008
(1)
여기서 α는 튜브의 형상(두 개의 평행 판 사이에 형성된 채널의 경우 α = 1/105)과 β = 15 πDm/F에 따라 일정하다.
방정식 사용(1) dtube = 2.5 μm, Dm = 1.10-9 m²/s 및 L은 입구에서 출구 지점까지의 유로 길이를 사용하여, F의 함수로 σv²를 계산하면(RI = 26.5 μm, BF = 25.125 μm, MMI = 56.125 μm), 관통 채널의 분산이 아직 완전히 개발되지 않았음을 나타낸다(즉, σv²/L은 아직 상수가 아님). 다른 말로 하면, 유량은 너무 커서, 식(1)의 직선 브래킷들 사이의 계수는 여전히 F와 거의 반비례하는 방식으로 변한다. 따라서 직선 브래킷 앞에 있는 선형 F- 의존성을 대략적으로 보상한다. 이것은 도 6의 거의 일정한 σv² 값을 설명한다. L이 상당히 클 때, 또는 브래킷 사이의 계수가 1로 수렴할 때 F가 훨씬 더 작을 때만이다. 이런 식으로, 제 1 요소의 선형 F- 의존성은 유일한 유속 효과로 남아 있다. σv²와 F 사이의 선형 관계가 달성될 것이다.
유속은 σv²에 큰 영향을 미치지 않기 때문에, 모든 후속 시뮬레이션은 실질적으로 관련된 선형 속도에 해당하므로, 1.32 μL/min의 유속으로 수행되었다.
최종 분배기 폭이 이전 섹션의 결론에 어떻게 영향을 미치는지 평가하기 위해(막힘 사례 없음), σv²는 다른 채널 폭에 대해 다시 막힘없이 측정되었다. 채널 폭의 변화는 분배기에 층을 추가 또는 제거하고 출구의 수를 늘리거나 줄여서 달성되었다. 베드에서의 관통 채널 및 평평한 직사각형 필러의 치수 및 분배기에서의 마지막 필러의 행은 동일하게 유지되었다. RI 분배기는 여러 출구를 가질 수 있지만 MMI 및 BF 분배기는 2n 출구만 가질 수 있으며 n은 정수이다. 또한, 8 개 미만의 출구가 고려될 때 MMI-와 BF- 분배기 사이에는 차이가 없다. 따라서 MMI- 및 BF-분배기의 경우 3 개의 사례가 연구되었다: 250 μm(8 개 출구), 500 μm(16 개 출구) 및 1000 μm(32 개 출구) 넓은 최종 채널, RI 분배기의 경우 동일한 3 개의 사례가 연구되었고, 또한 추가의 2개의 사례 375 μm(12 개의 출구) 및 750 μm(24 개의 출구)가 연구되었다. 각각의 분배기가 분배기와 동일한 폭을 갖는 반응 또는 분리 베드로 공급되는 것으로 가정하기 때문에, 유량은 최종 분배기 폭에 비례하여 스케일링되었다. 이 베드의 선형 속도를 모든 고려된 채널 폭에 대해 동일하게 유지하려고 했다. 이러한 시뮬레이션의 결과는 도 7(데이터 포인트)과 해당하는 적합 파워 로커에 나와 있다.
막힘이 없는 경우 BF- 분배기는 각각의 경우 σv²가 가장 낮고, RI- 분배기가 가장 높으며, MMI는 BF- 분배기는 크지만 RI- 분배기가 생성한 것보다 훨씬 작은 편차를 생성한다. RI 분배기가 생성한 σv² 값이 MMI 및 BF 분배기보다 분배기 폭이 비례적으로 증가하기 때문에 후자는 최대 분배기 폭에서 점점 더 많이 드러난다. 이는 각 분배기 유형의 데이터 포인트를 통해 적합할 수 있는 파워 방정식으로 수량화된다. 도 7의 피팅에서 알 수 있는 바와 같이, RI 분배기는 분배기 폭이 MMI 및 BF 분배기(각각 2.3 및 2.1)에 비해 상당히 높은 파워(3.8)로 증가한다. 대략이 동작은 다음과 같이 이해될 수 있다. 폭을 늘리기 위해 RI 분배기는 폭이 증가할 뿐만 아니라 길이도 증가한다(전체 삼각형 모양이 제공됨). 따라서 부피는 폭2에 따라 증가한다. 또한 제 1 근사에서 유량 시스템의 분산이 부피의 제곱에 비례한다는 점을 고려하면 관찰된 폭4 증가를 이해한다. MMI- 및 BF- 분배기의 경우, 부피는 본질적으로 길이가 아닌 폭에서 증가하여, 본질적으로 관측된 멱법칙 의존성에 의해 근사된 바와 같이, 부피 ~ 폭 및 따라서 σv² ~ 폭2를 제공한다.
MMI- 및 BF- 분배기가 2에 가까운 파워(σv² ~ 폭2)로 증가하는 변동이 있다는 사실은 베드 자체의 분산이 일정한 선형 속도 조건 하에서 가능하기 때문에 매우 유익하고, 또한 폭2에 따라 달라질 수 있다. 이는 더 넓은 채널을 사용하려고할 때 전체 분산에 대한 분배기의 상대적 기여가 동일하게 유지됨을 의미한다. 분명히 이것은 매우 유익한 특성이다. RI- 분배기의 4 배에 가까운 파워 의존성은 총 분산에 대한 분배기(폭4에 의해 증가)의 상대적인 기여가 결국 베드의 폭(폭2에 의해 증가)보다 압도적이기 때문에 완전히 다른 동작을 의미한다.
마지막으로, 상이한 분배기 유형(BF, RI 및 MMI)의 막힘에 대한 민감도는 도 1a-d(빨간색 상자)에 나타낸 다공성 구역에서의 막힘 정도의 단계 변화를 고려함으로써 보다 상세하게 연구되었다. 모든 시뮬레이션에서 유속은 1.32 μL/분으로 일정하게 유지되었다.
도 8에서 볼 수 있듯이, 0 % 막힘에서 RI 분배기의 부피 변화 σv²(0.165 μL²)는 BF 또는 MMI 분배기의 것보다 약 10 배 높다(σv² = 0.165 μL² 대 σv² = 0.013 μL² ~ 0.026 μL²). 그러나 막힘 정도가 증가하면 RI 분배기의 σv² 값이 0.165 μL²에서 0.295 μL²로 비교적 느리게 상승한다. 이것은 이미 3.1 절에서 언급한 바와 같이 BF- 분배기와는 대조적이다. 0 % 막힘(σv² = 0.013 μL²)에서 최저값을 생성하지만 막힘 양을 증가시킬 때 σv²의 급격한 상승을 나타내며, 90 % 막힘에서 최대 1.16 μL²에 도달한다.
0 % 막힘에서 MMI- 분배기에서 생성된 분산은 0.026 μL²에서 BF- 분배기보다 거의 두 배가 되지만 이 값은 BF- 분배기보다 막힘 정도에 따라 훨씬 가파르게 상승한다. 결과적으로, MMI- 분배기의 σv²는 약 15 % 막힘에서 BF- 분배기의 σv² 아래로 떨어진다. 이 시점 이후 MMI 분배기는 75 % 막힘까지 3 개의 분배기 중에서 가장 낮은 상태를 유지하며, 80 % 막힘에서 0.031 μL²로 떨어지기 전에 RI 분배기 위로 잠깐 동안 상승한다.
80 % 막힘에서 발생하는 MMI에 의해 생성된 편차의 예상치 못한 감소는 다음과 같이 설명될 수 있다. 막힌 채널에 들어가는 소량의 종을 고려하면(도 4의 점선 타원형 참조), 막힌 채널의 속도가 막힘으로 인해 다른 채널의 속도보다 훨씬 낮기 때문에 이 채널을 매우 느리게 남겨 두는 것이 중요하다. 결과적으로 검출기에 도달할 때(또는 이 경우 빨간색 모니터 라인) 감지한계(최대 피크의 0.1 % 미만) 아래로 희석된다. 다시 말해, 막힘도가 75 %를 초과하면 도 5의 MMI 신호의 제 2 피크(작은 화살표로 표시)가 검출 한계 아래로 떨어진다.
BF- 분배기에서도 비슷한 효과가 발생하지만(참조, 막힌 채널의 종은 매우 느리게 떠남), BF- 분배기를 떠나는 밴드의 비대칭에 의해 그림자가 표시다(도 4). 사실, 막히지 않은 채널을 통해 흐르는 종의 일부는 총 압력이 낮을 때 막힘 아래의 채널로 누출되고(빨간색 화살표 도 4), 분배기를 완전히 빠져 나가기 전에, 강하게 테일이 있는 피크(도 5)로 이어지고 σv²의 값이 높다.
분명히, 도 8에서 관찰된 추월 곡선의 패턴은 다른 장소에서 막힘이 발생하거나 여러 개의 막힘 지점이 있거나 분배기 폭이 다른 경우에 다를 수 있다. 그럼에도 불구하고 일반적인 결론은 동일하게 유지될 것으로 예상할 수 있다. 즉, BF- 분배기는 막힘의 제로 또는 매우 낮은 %에서 우수할 것이지만, MM- 개념은 각 분기 후 유동의 재분배를 허용하는 접촉 영역으로 인해 막힘이 현저해지는 즉시 유리하다. 이러한 접촉 영역의 유동 분배기 행 수(n)는 막힘 가능성에 따라 선택해야 한다. 이 확률이 입구 근처에서 더 큰 것으로 간주될 때, 입구 근처에 n이 더 높고 출구 근처에 n이 더 낮은 접촉 구역을 제공하는 것이 간단해 보인다.

Claims (14)

  1. 더 작은 유체 플러그로부터 더 넓은 유체 플러그로 유체 유동을 분배하기 위한 분배기(100)로서,
    상기 분배기(100)는 유체 입구(110) 및 복수의 유체 출구(120), 및 유체 입구(110)와 복수의 유체 출구(120) 사이에 채널 구조(130)를 포함하고, 상기 채널 구조(130)는 교대로 분기된 채널 하부 구조(132) 및 공통 채널 하부 구조(134)를 포함하고, 상기 하부 구조(132, 134)는 분기 채널 하부 구조(132)로부터 상이한 채널을 빠져 나가는 유체가 후속하는 공통 채널 하부 구조(134)에서 혼합되도록 배열되고, 이에 의해 분기 채널 하부 구조(132)의 유체 채널은 이들의 에지에서 후속하는 공통 채널 하부 구조(134)와 접촉하지 않도록 배열되는, 분배기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    공통 채널 하부 구조(134)는 그 길이 축이 구조의 순 순방향 유동에 실질적으로 직각이고 공통 채널 하부 구조(134)의 상기 에지는 길이 축의 종점과 일치하도록 배열되는, 분배기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    하나 이상의 공통 채널 하부 구조(134)는 서로 이격되어 배치된 복수의 필러(pillar) 요소로 채워진 공통 채널을 포함하는, 분배기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    적어도 하나의 공통 채널 내의 복수의 필러 요소는 짝수의 행으로 정렬된 필러 요소이고, n 번째 행마다 다른 필러간 요소 공간의 중심선의 반경 위치는 이전 분기 채널의 출구와 일치하고, n-1 번째 행마다 다른 필러간 요소 공간의 중심선의 반경 위치는 다음 행의 필러의 중심선과 일치하는, 분배기.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    공통 채널 하부 구조들(132) 각각은 서로 이격되어 배치된 복수의 필러 요소들로 채워지는, 분배기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    각 공통 채널에 대해, 필러 요소는 짝수 n 행으로 정렬되고, n 번째 행마다 다른 필러간 요소 공간의 중심선의 반경 위치는 이전 분기 채널의 출구와 일치하고, n-1 번째 행마다 다른 필러간 요소 공간의 중심선의 반경 위치는 다음 행의 필러 중심선과 일치하는, 분배기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    입구(110)에 더 가까운 공통 채널 하부 구조(134)의 필러 요소의 행의 개수는 출구(120)에 더 가까운 공통 채널 하부 구조(134)의 필러 요소의 행의 개수보다 큰, 분배기
  8. 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필러 구조는 직사각형, 다이아몬드 형 또는 타원체 형상을 갖는, 분배기.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    공통 채널 하부 구조(134)의 공통 채널에 필러 구조가 존재하지 않는, 분배기.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유체 출력의 개수는 (2m)이고, m은 자연수인, 분배기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 분배기(100)를 포함하는 미세 유체 구조.
  12. 제 11 항에 있어서,
    미세 유체 구조는 크로마토그래피 시스템에 대한 분리 구조인, 미세 유체 구조.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 따른 미세 유체 구조를 포함하는 크로마토그래피 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 유동 분배기(100) 또는 제 11 항 또는 제 12 항에 따른 미세 유체 구조를 포함하는 화학 반응기.
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