PL221906B1 - Układ mikroprzepływowy do zasilania w płyny zespołu dysz - Google Patents
Układ mikroprzepływowy do zasilania w płyny zespołu dyszInfo
- Publication number
- PL221906B1 PL221906B1 PL395774A PL39577411A PL221906B1 PL 221906 B1 PL221906 B1 PL 221906B1 PL 395774 A PL395774 A PL 395774A PL 39577411 A PL39577411 A PL 39577411A PL 221906 B1 PL221906 B1 PL 221906B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- reservoir
- fluid
- cross
- focus
- focus fluid
- Prior art date
Links
- 239000012530 fluid Substances 0.000 title claims abstract description 101
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 claims abstract description 10
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 claims abstract description 10
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims abstract description 6
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims abstract description 3
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims abstract description 3
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 23
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 10
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 8
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 8
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 7
- 238000009652 hydrodynamic focusing Methods 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 7
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 4
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 101150012768 Marf1 gene Proteins 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N Acetaminophen Chemical compound CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101150005971 PREPL gene Proteins 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 description 1
- 238000004581 coalescence Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000004945 emulsification Methods 0.000 description 1
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000003094 microcapsule Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
- B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
- B05B7/02—Spray pistols; Apparatus for discharge
- B05B7/04—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge
Description
Niniejszy wynalazek dotyczy układu mikroprzepływowego do zasilania w płyny zespołu dysz, obejmującego zintegrowany dolot płynu ogniskującego, dochodzący do rezerwuaru płynu ogniskującego oraz n>1 par kanałów dolotowych płynu ogniskującego, biorących swój początek ze wspomnianego rezerwuaru płynu ogniskującego i prowadzących odpowiednio do n dysz.
Niniejszy wynalazek ujawnia także sposób równomiernego rozprowadzania płynów w obrębie układu mikroprzepływowego, składającego się z co najmniej dwóch zespołów kanałów tworzących planarne analogi dysz osiowo-symetrycznych. Wynalazek obejmuje również układ mikroprzepływowy, w którym zastosowano powyższy sposób rozprowadzania płynów.
Atomizacja płynu polega na zamianie części energii zasilającej proces w energię powierzchniową. Zwykle tylko niewielka część energii zasilającej proces atomizacji zamieniana jest w energię powierzchniową. Zależność tę opisuje ilościowo parametr nazywany wydajnością atomizacji, będący ilorazem energii powierzchniowej i energii zasilającej proces atomizacji. Energia zasilająca proces może pochodzić z różnych źródeł, najczęściej jest to energia mechaniczna, elektromechaniczna lub czysto elektrostatyczna.
Atomizery pneumatyczne działają na zasadzie mechanicznego rozrywania strugi cieczy przez strumień gazu. W przypadku większości atomizerów pneumatycznych, znanych ze stanu techniki, proces atomizacji zachodzi z bardzo niewielką wydajnością, ze względu na znaczne rozpraszanie energii mechanicznej. Do dnia dzisiejszego opracowano i znane ze stanu techniki są dziesiątki rodzajów dysz, o istotnie różnej wydajności atomizacji. Optymalizacja geometrii dyszy atomizera pneumatycznego polega na najwłaściwszym wykorzystaniu energii zasilającej proces. W praktyce dobierając najwłaściwszą geometrię atomizera bierze się pod uwagę następujące czynniki: maksymalizację energii powierzchniowej, minimalizację ilości (ciśnienia) gazu oraz, nie mniej ważne, zapewnianie minimalnej koalescencji wytworzonych w dyszy kropli. Jako generalną zasadę można przyjąć, że im bardziej skomplikowane i drogie jest urządzenie, tym wydajniejsza zachodzi w nim atomizacja.
W zależności od zastosowania, czy jest to wykorzystanie do przemysłowego nawilżania na olbrzymią skalę (w kg czy tonach atomizowanej cieczy), czy też biotechnologia i hodowla komórek w polimerowych mikrokapsułkach, nakłada się różne wymagania na monodyspersyjność rozkładu kropli atomizowanej cieczy. I tak, w niektórych zastosowaniach wysoka monodyspersyjność jest kluczowa, a w innych mniej ważna. Generalną zasadą jest również, że atomizery o niższej produktywności, liczonej w kilogramach atomizowanej cieczy w jednostce czasu, powinny oferować lepszą monodyspersyjność. Unikalnym rozwiązaniem byłoby więc takie, które jednocześnie zapewniłoby wysoką wydajność atomizacji i równolegle - wysoką produktywność, kluczową do zastosowań przemysłowych.
W szczególności, w stanie techniki, stosowana jest metoda ogniskowania hydrodynamicznego - „flow-focusing” (A. M. Ganάn-Calvo, Phys. Rev. Lett. 80, 285, 1998). Konstrukcja dyszy, wg wspomnianej wyżej metody, polega na dokładnym dopasowaniu dwóch cienkościennych rurek (kapilar), tak aby zapewnić odpowiednią - współosiową - symetrię. Wewnętrzną kapilarą doprowadzany jest płyn poddawany w dyszy atomizacji, a zewnętrzną płyn atomizujący (ogniskujący). Dodatkowym, kluczowym elementem konstrukcyjnym dyszy, służącej do hydrodynamicznego ogniskowania, jest płytka z otworem (lub zamiennie pierścień o przekroju kołowym), ustawiona prostopadle do osi dyszy tak, aby otwór znajdował się dokładnie w świetle ujścia dyszy. Na średnicę wewnętrznej kapilary i średnicę otworu w płytce narzucony jest warunek: wymiar otworu w płytce powinien być kilkukrotnie mniejszy niż średnica wewnętrznej kapilary. Z kolei odległość ujścia współosiowych kapilar od płytki nie powinna być większa niż kilkukrotność średnicy wewnętrznej kapilary. Powyższe rozwiązanie oferuje bardzo wysoką monodyspersyjność rozkładu rozmiarów produkowanych kropli. Przykładowo, dla kapilary o przekroju od 100 do 300 mikrometrów, umiejscowionej w odległości 1 mm od płytki z otworem o średnicy 100 mikrometrów można wyprodukować aerozol o średniej średnicy kropel od ok. 10 mikrometrów do ok. 30 mikrometrów. Szerokość połówkowa (dyspersja) rozkładu rozmiarów kropli dla powyższego przykładu nie przekracza 10%. Jednak, ze względu na specyficzny mechanizm rozrywania strugi cieczy, ogniskowanie hydrodynamiczne nie pozwala na osiągnięcie wysokiej produktywności z pojedynczej dyszy (w kilogramach atomizowanej cieczy w jednostce czasu). Kolejnym ograniczeniem tej metody jest wymóg bardzo precyzyjnej obróbki i dopasowania poszczególnych detali, z których wykonane są elementy dyszy. W praktyce, odpowiednią dokładność wykonania elementów osiowo-symetrycznych dysz do ogniskowania hydrodynamicznego uzyskuje się używając wysokogatu nkowych stali. Nie bez znaczenia jest tutaj rozpowszechnienie i większa dostępność urządzeń do prePL 221 906 B1 cyzyjnej obróbki detali stalowych, czy w ogólności metalowych. Składanie elementów dyszy wykonuje się ręcznie, gdyż wymagany stopień dopasowania detali jest niemożliwy do osiągnięcia za pomocą dostępnych na rynku urządzeń automatycznych.
Zastosowanie materiałów polimerowych do precyzyjnej fabrykacji dysz jest ograniczone, ze względu na niższą dokładność wykonania detali plastykowych, wysoka produktywność większości metod bazujących na materiałach plastykowych, szczególnie widoczna w technice wtryskowej, nie zapewnia pożądanej tolerancji wymiarów. Dysze plastykowe, wytworzone sposobami znanymi ze stanu techniki, produkują aerozole o szerokim rozkładzie rozmiarów. Barierę dla zastosowań przemysłowych stanowi też trudność końcowej obróbki detali plastykowych.
Kolejną barierą dla rozwoju technik generowania monodyspersyjnych aerozoli, jest ograniczona możliwość integracji dysz. Wysoką produktywność uzyskuje się kosztem szerokiego spektrum rozmiarów kropli. Przykładem takiego rozwiązania jest modyfikacja metody ogniskowania hydrodynamicznego - „flow-blurring” - zaproponowana przez A. Ganana-Calvo (A. M. Ganάn-Calvo, Appl. Phys. Lett. 86, 214101 (2005), WO/1999/03Q832A1). Podobnie jak w klasycznym rozwiązaniu ogniskowania hydrodynamicznego, dysza składa się z dwóch, współosiowych kapilar. Wewnętrzną kapilarą doprowadzany jest płyn poddawany w dyszy atomizacji, a zewnętrzną płyn ogniskujący, prostopadle do osi dyszy umieszczona jest płytka z otworem, znajdującym się dokładnie w świetle ujścia dyszy. Modyfikacja metody polega na zmianie warunków narzuconych na wzajemne odległości i średnice elementów dyszy: Wymiary średnicy wewnętrznej kapilary i średnicy otworu w płytce powinny być porównywalne, a odległość ujścia współosiowych kapilar od płytki powinna odpowiadać 1/4 średnicy wewnętrznej kapilary. Rozwiązanie powyższe pozwala na ilościowe zwiększenie produktywności pojedynczej dyszy, nawet o rząd wielkości. Z kolei dyspersja rozkładu rozmiarów kropli, generowanych w zmodyfikowanej dyszy ulega znacznemu tj. kilkukrotnemu pogorszeniu (zwiększeniu).
Nie ma obecnie technologii umożliwiającej wytwarzanie aerozolu o wysokiej jakości, na przemysłową, wielo-kilogramową skalę. W technice ogniskowania hydrodynamicznego zwiększanie produktywności jest możliwe jedynie poprzez składanie dysz w zespoły wielo-dyszowe. Aby formować aerozol w sposób odtwarzalny, należy zapewnić jednakowe warunki dla każdej indywidualnej dyszy wchodzącej w skład zespołu. W szczególności wymaga to zarówno doprowadzenia indywidualnie sterowanych, oddzielnych dolotów cieczy do każdej dyszy w zespole oraz, co jeszcze bardziej złożone, zapewnić jednakowe ciśnienie gazu dla każdego dolotu gazu ogniskującego. W praktyce jest to rozwiązanie bardzo skomplikowane i kosztowne, a zatem wysoce niekorzystne w zastosowaniach przemysłowych.
Celem niniejszego wynalazku jest zaproponowanie wydajnego i ekonomicznego urządzenia do generowania aerozoli. W rozwiązaniu wg wynalazku przedstawiono sposób fabrykacji układu mikroprzepływowego oraz tworzenia aerozoli o dobrze zdefiniowanym rozkładzie kropli poprzez przepuszczanie płynów przez odpowiedni układ mikroprzepływowy oraz wspomniany układ mikroprzepływowy. Wynalazek polega na takiej organizacji przepływu w układzie mikroprzepływowym, że płyny wpływają początkowo do dużego zbiornika (rezerwuaru), a ze zbiornika poprzez kanały oporowe do dwóch lub więcej zespołów kanałów, odpowiedników centro-symetrycznych dysz osiowych. Wspomniane kanały oporowe charakteryzują się jednakowym oporem hydraulicznym, a wspomniany opór hydrauliczny jest znacznie wyższy niż opór hydrauliczny rezerwuaru oraz opór hydrauliczny ujścia dyszy.
Zgodnie z wynalazkiem, układ mikroprzepływowy do zasilania w płyny zespołu dysz, obejmujący zintegrowany dolot płynu ogniskującego, dochodzący do rezerwuaru płynu ogniskującego, który to rezerwuar ma długość Lrez, pole przekroju poprzecznego Arez oraz geometryczny współczynnik rezerwuaru arez, oraz ponadto obejmujący n>1 par kanałów dolotowych płynu ogniskującego, które to kanały dolotowe mają długość Ldol, pole przekroju poprzecznego Adoi oraz geometryczny współczynnik adol, przy czym kanały dolotowe biorą swój początek ze wspomnianego rezerwuaru płynu ogniskującego i prowadzą odpowiednio do n dysz, charakteryzujący się tym, że długość Ldoi, kanału dolotowego, oraz poie przekroju poprzecznego Adoi, kanału dolotowego i geometryczny współczynnik adoi, kanału dolotowego, a także długość Lrez rezerwuaru, poie przekroju poprzecznego Arez rezerwuaru oraz geome2 tryczny współczynnik arez rezerwuaru są dobrane tak, aby iloczyn był adoi,Ldoi,A2rez był znacznie więk2 szy niż iloczyn arez,Lrez,A2doi korzystnie ^dol^do3 > 50 Ą'rezi-irez£ doi
PL 221 906 B1 korzystniej ^doCdocA rez a I Δ^· {A'rezLlrezri doi > 100 najbardziej korzystnie ^doi^doi-^ rez a I Δ^· {A'rezLlrezri doi > 10000
Korzystnie, pole powierzchni przekroju Adol, każdego ze wspomnianych kanałów dolotowych płynu ogniskującego jest znacznie mniejsze niż pole powierzchni przekroju Arez wspomnianego rezerwuaru płynu ogniskującego, korzystnie co najmniej 50 razy mniejsze, korzystniej co najmniej 100 razy mniejsze, a najkorzystniej co najmniej 10000 razy mniejsze.
Korzystnie, najdłuższy wymiar d przekroju poprzecznego każdego ze wspomnianych kanałów dolotowych płynu ogniskującego jest znacznie mniejszy niż najdłuższy wymiar D przekroju poprzecznego wspomnianego rezerwuaru płynu ogniskującego, korzystnie co najmniej 50 razy mniejszy, korzystniej co najmniej 100 razy mniejszy, a najkorzystniej co najmniej 10000 razy mniejszy.
W preferowanym przykładzie realizacji, układ według wynalazku jest wykonany z poliwęglanu, polietylenu, polipropylenu lub innego dającego się formować mechanicznie i lub termicznie polimeru.
Korzystnie, n=1, 2, 6, 10, 25 lub 100.
Szczegółowy opis wynalazku
Korzystne przykłady realizacji wynalazku zostaną obecnie omówione w odniesieniu do załączonego rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie przykładowy układ mikroprzepływowy według wynalazku - w rzucie z góry (fig. 1 a) oraz w przekroju poprzecznym (fig. 1 b).
Opis elementów układu pokazanego na fig. 1; 101 - układ mikroprzepływowy, 102 - rezerwuar płynu rozpraszanego, 103 - rezerwuar płynu ogniskującego, 104 - zintegrowany dolot płynu rozpraszanego, 105 - zintegrowany dolot płynu ogniskującego, 106 - kanały dolotowe - przesyłające płyn ogniskujący (fragment zespołu n=7 dysz), 107 - kanały przesyłające płyn rozpraszany, 108 - ujście dyszy, 109 - dolna warstwa, 110 - środkowa warstwa oraz 111 - górna warstw układu mikroprzepływowego.
Kanały dolotowe płynu ogniskującego są prostopadłościenne i stanowią dwuwymiarowy (planarny) odpowiednik zewnętrznej kapilary, w układzie osiowo symetrycznym. Do każdej dyszy doprowadzone są dwa kanały dolotowe płynu ogniskującego. Opór hydrauliczny - r - rezerwuaru płynu ogniskującego jest znacznie mniejszy od oporu hydraulicznego - R - pojedynczego kanału dolotowego płynu ogniskującego.
W omawianym przykładzie wykonania, wynalazek obejmuje:
• Sposób zasilania w płyny dwóch lub więcej dysz, poprzez układ mikroprzepływowy, polegający na wprowadzeniu do układu zintegrowanych dolotów tj. dolotów zasilających zespół dwóch lub więcej dysz; przy czym:
o Każda dysza w zespole dysz składa się z prostopadłościennego kanału, którym przesyłany jest płyn rozpraszany i pary prostopadłościennych kanałów oporowych przesyłających płyn ogniskujący; korzystnie kanały oporowe przesyłające płyn ogniskujący znajdują się po dwóch stronach kanału, którym przesyłany jest płyn rozpraszany.
o Zintegrowany dolot umieszczony jest w rezerwuarze płynu ogniskującego tj. przestrzeni o objętości V większej niż objętość pojedynczego, wspomnianego wyżej prostopadłościennego kanału oporowego, którym przesyłany jest płyn ogniskujący.
o W ramach zespołu dysz każdy ze wspomnianych kanałów przesyłających płyn ogniskujący, charakteryzuje się jednakowym oporem hydraulicznym - R, a opór wspomnianych wyżej kanałów przesyłających płyn ogniskujący jest znacznie większy niż opór wspomnianego wyżej rezerwuaru płynu ogniskującego - r oraz oporu samej dyszy. Korzystnie stosunek oporów r/R wynosi 1/100 lub mniej.
• Planarny układ mikroprzepływowy składający się z co najmniej 3 warstw, z których jedna zawiera dolot płynu ogniskującego i dolot płynu rozpraszanego przy czym:
o Doloty płynu ogniskującego i rozpraszanego są zintegrowane tj. jeden dolot zasila zespół dwóch lub więcej dysz.
PL 221 906 B1 o Każda dysza w zespole dysz składa się z prostopadłościennego kanału, którym przesyłany jest płyn rozpraszany i pary prostopadłościennych kanałów oporowych przesyłających płyn ogniskujący; korzystnie kanały oporowe przesyłające płyn ogniskujący znajdują się po dwóch stronach kanału, którym przesyłany jest płyn rozpraszany.
o Zintegrowany dolot umieszczony jest w rezerwuarze płynu ogniskującego tj. przestrzeni o objętości V większej niż objętość pojedynczego, wspomnianego wyżej prostopadłościennego kanału oporowego, którym przesyłany jest płyn ogniskujący.
o W ramach zespołu dysz każdy z kanałów oporowych przesyłających płyn ogniskujący charakteryzuje się jednakowym oporem hydraulicznym - R, a opór wspomnianych wyżej kanałów oporowych przesyłających płyn ogniskujący jest znacznie większy niż opór wspomnianego wyżej rezerwuaru płynu ogniskującego - r oraz oporu samej dyszy. Korzystnie stosunek oporów r/R wynosi 1/100 lub mniej.
Korzystne przykłady realizacji wynalazku
P r z y k ł a d 1 - zespół 10-cio dyszowy
Skonstruowano trzywarstwowy układ mikroprzepływowy składający się z zespołu 10 dysz. Każda z warstw wykonana jest z płytki poliwęglanowej o wysokość 2 mm. Rezerwuar płynu ogniskującego 103, umieszczony w dolnej warstwie układu mikroprzepływowego, charakteryzuje się wymiarami 15 mm x 3,0 mm x 1,2 mm (szerokość x wysokość x głębokość) i zaopatrzony jest w okrągłościenną rurkę dolotową 105 o średnicy 0,8 mm. Każda z dysz znajdujących się w 10-cio dyszowym zespole składa się z:
o centralnego prostopadłościennego kanału o wymiarach charakterystycznych 0,20 mm x 0,20 mm, którym przesyłany jest płyn rozpraszany, o dwóch prostopadłościennych kanałów oporowych 106 przesyłających płyn ogniskujący, o wymiarach charakterystycznych 0,20 mm x 0,20 mm umieszczonych symetrycznie po obydwu stronach kanału, którym przesyłany jest płyn rozpraszany.
Objętość rezerwuaru płynu ogniskującego - V wynosi w powyższym przykładzie 54 mikrolitry wobec objętości pojedynczego kanału przesyłany jest płyn ogniskującego - v - równej 2 mikrolitry.
Stosunek oporów hydraulicznych r/R wynosi ok. 1/20 tys ((1*0,042/62*5) - patrz: wyprowadzenie wzoru na stosunek oporów hydraulicznych rezerwuaru i kanału oporowego.
P r z y k ł a d 2 - zespół 6-cio dyszowy
Skonstruowano trzywarstwowy układ mikroprzepływowy składający się z zespołu 6 dysz. Rezerwuar płynu ogniskującego 103, umieszczony w dolnej warstwie układu mikroprzepływowego, charakteryzuje się wymiarami 10 mm x 0,35 mm x 0,8 mm (szerokość x wysokość x głębokość) i zaopatrzony jest w okrągłościenną rurkę dolotową 105 o średnicy 0,8 mm. Górna warstwa układu mikroprzepływowego 111 wykonana jest z płytki poliwęglanowej o wysokości 2 mm, kolejne dwie warstwy wykonane są z płytek poliwęglanowych o wysokości 0,8 mm. Każda z dysz znajdujących się w 6-cio dyszowym zespole składa się z:
o centralnego prostopadłościennego kanału o wymiarach charakterystycznych 0,20 mm x 0,20 mm, którym przesyłany jest płyn rozpraszany, o dwóch prostopadłościennych kanałów oporowych 106, którymi przesyłany jest płyn ogniskujący, o wymiarach charakterystycznych 0,20 mm x 0,20 mm umieszczonych symetrycznie po obydwu stronach kanału, którymi przesyłany jest płyn rozpraszany.
Objętość rezerwuaru płynu ogniskującego - V wynosi w powyższym przykładzie 3 mikrolitry wobec objętości pojedynczego kanału oporowego, którym przesyłany jest płyn ogniskujący - v-równej 0,4 mikrolitra. Stosunek oporów r/R rezerwuaru gazu ogniskującego do pojedynczego kanału oporowego wynosi od ok. 1/100 (0,042/0,282*2)'
P r z y k ł a d 3 - zespół 25-cio dyszowy
Skonstruowano trzywarstwowy układ mikroprzepływowy składający się z zespołu 25-ciu dysz. Rezerwuar płynu ogniskującego 103 jest złożony. Składa się z umieszczonego w poprzek wszystkich warstw rezerwuaru wstępnego o wymiarach 6,8 mm x 5,8 mm x 3,0 mm (szerokość x wysokość x głębokość) i zaopatrzony jest w okrągłościenną rurkę dolotową 105 o średnicy 2,8 mm. Następnie poprowadzone są kanały o szerokości 0,8 mm, dzielące płyn ogniskujący aż do właściwego rezerwuaru, charakteryzującego się wymiarami 36 mm x 0,35 mm x 0,8 mm (szerokość x wysokość x głębokość). Górna warstwa układu mikroprzepływowego 111 wykonana jest z płytki poliwęglanowej o wysokości 2 mm, kolejne dwie warstwy wykonane są z płytek poliwęglanowych o wysokości 0,8 mm. Każda z dysz znajdujących się w 25-cio dyszowym zespole składa się z:
PL 221 906 B1 o centralnego prostopadłościennego kanału o wymiarach charakterystycznych 0,20 mm x 0,20 mm, którym przesyłany jest płyn rozpraszany, o dwóch prostopadłościennych kanałów oporowych 106 przesyłających płyn ogniskujący, o wymiarach charakterystycznych 0,20 mm x 0,20 mm umieszczonych symetrycznie po obydwu stronach kanału, którym przesyłany jest płyn rozpraszany.
Objętość rezerwuaru płynu ogniskującego - V wynosi w powyższym przykładzie 10 mikrolitrów wobec objętości pojedynczego kanału przesyłającego płyn ogniskującego - v - równej 0,7 mikrolitra. Stosunek oporów r/R wynosi ok. 1/50 do ((2*0,04 mm2/0,28 mm2*2).
P r z y k ł a d 4 - zespół 100 dyszowy
Skonstruowano dziewięciowarstwowy układ mikroprzepływowy składający się z czterech zespołów 25-cio dyszowych. Rezerwuar płynu ogniskującego 103 jest złożony. Składa się z umieszczonego w poprzek wszystkich warstw rezerwuaru wstępnego o wymiarach 6,8 mm x 5,8 mm x 6,0 mm (szerokość x wysokość x głębokość) i zaopatrzony jest w okrągłościenną rurkę dolotową 105 o średnicy 2,8 mm. Następnie poprowadzone są kanały o szerokości 0,8 mm, doprowadzające płyn ogniskujący do każdego z 25-cio dyszowych zespołów aż do właściwego rezerwuaru charakteryzującego się wymiarami 36 mm x 0,35 mm x 0,8 mm (szerokość x wysokość x głębokość). Górna warstwa 111 układu mikroprzepływowego wykonana jest z płytki poliwęglanowej o wysokości 2 mm, kolejne warstwy wykonane są z płytek poliwęglanowych o wysokości 0,8 mm. Każda z dysz znajdujących się w 25-cio dyszowym zespole składa się z:
o centralnego prostopadłościennego kanału o wymiarach charakterystycznych 0,20 mm x 0,20 mm, którym przesyłany jest płyn rozpraszany, o dwóch prostopadłościennych kanałów oporowych 106 przesyłających płyn ogniskujący, o wymiarach charakterystycznych 0,20 mm x 0,20 mm umieszczonych symetrycznie po obydwu stronach kanału, którym przesyłany jest płyn rozpraszany.
Objętość rezerwuaru gazu ogniskującego - V wynosi w powyższym przykładzie 10 mikrolitrów wobec objętości pojedynczego kanału przesyłany jest płyn ogniskującego - v - równej 0,7 mikrolitra.
Stosunek oporów r/R wynosi ok. 1/50 do (0,04 mm2/0,28 mm2).
Przedstawione powyżej przykłady wykonania wynalazku omówiono we wstępie dla przypadku tłoczenia przez dysze: gazu, np. powietrza, jako płynu ogniskującego i wody jako płynu rozpraszanego. Dla osoby biegłej będzie jednakże zrozumiałe, że analogicznie przez omówione układy przetłaczać można ciecze, formując w ujściu dyszy krople fazy rozproszonej (cieczy) zawieszone w fazie ogniskującej (cieczy). W ogólnym przypadku sposób według wynalazku pozwala na formowanie aerozoli oraz emulsji charakteryzujących się wąskim rozkładem rozmiarów oraz produktywności proporcjonalnej do liczby dysz znajdujących się w zespole. Warunkiem wydajnego tworzenia emulsji jest napięcie międzyfazowe takie, jakie powstaje przy kontakcie płynu hydrofobowego z płynem hydrofilowym (np. wody i oleju).
Wyprowadzenie (przybliżone) proporcji oporów hydraulicznych rezerwuaru i kapilary
Opór hydrauliczny dowolnego przewodu (kanału) jest dla przepływów laminarnych wyrażony ilorazem różnicy ciśnień na końcach przewodu i wartości prędkości przepływu objętościowego (wyrażo3 nego w układzie SI w m3/s). Prawo to nazywane od nazwisk twórców prawem Hagena-Poiseuiile'a można opisać wzorem:
Rhyd = Ap/Q,
Przeskalowany do innych parametrów opór hydrauliczny można również wyrazić wzorem
Rhyd* = nL/A2, gdzie η - lepkość przesyłanego płynu,
L - długość kanału,
A - przekrój kanału.
Relacja między Rhyd a Rhyd* jest liniowa, a współczynnikiem proporcjonalności jest geometryczny parametr a. Parametr ten, w przypadku kanałów o przekroju prostokąta, można w bardzo dobrym przybliżeniu uprościć do następującego wyrażenia (N. A. Mortensen, F. Okkels, and H. Bruus Phys.
Rev E, 71, 2 (2005)):
a = Rhyd/Rhyd* = a(C) = 22/7C - 65/32 + O (C-18)2 = 22/7C - 65/3 gdzie,
C(y) = 8 + 4γ + 4/γ 22 γ - stosunek szerokości do wysokości kanału
PL 221 906 B1
O - poprawka (wartość O/a stanowi błąd oszacowania parametru a Przykładowo, dla kanału o przekroju kwadratu wartości a wynosi:
a(16) = 29, a dla kanału o przekroju prostokąta o stosunku boków równym 2 (γ=2) wartości a wynosi:
a(18) = 35
Tak więc porównując dwa kanały, jeden o stosunku szerokości do wysokości ok. 2, a drugi o przekroju kwadratu, otrzymujemy ze względu na parametr a następujący iloraz:
a(18)/ a(16) = 35/29 = 1,2
Wzór do porównania oporów hydraulicznych rezerwuaru i prostopadłościennego kanału oporowego o przekroju kwadratu:
2
Rhyd = Ap/Q = a Rhyd* = a gL/A
Rhyd(rezerwuaru) = Rhyd(rezerwuaru) = 35 gLrez/A2 3rez
Rhyd(kapiiary) = Rhyd(kapiiary) = 29 gLkap/A2kap
Wzór pozwalający ocenić stosunek oporów hydraulicznych rezerwuaru i prostopadłościennego kanału oporowego o przekroju kwadratu:
2 2 2 2 2 Rhyd(rezerwuaru)/ Rhyd(kapiiary)=1.2 (Lrez/A rez)(Lkap/A kap) = 1.2 (LrezA kap)/(A rezLkap)=(A kap/A rez).
Claims (5)
1. Układ mikroprzepływowy do zasilania w płyny zespołu dysz, obejmujący zintegrowany dolot (105) płynu ogniskującego, dochodzący do rezerwuaru (103) płynu ogniskującego, który to rezerwuar (103) ma długość Lrez, poie przekroju poprzecznego Arez oraz geometryczny współczynnik rezerwuaru arez, oraz ponadto obejmujący n>1 par kanałów dolotowych (106) płynu ogniskującego, które to kanały dolotowe (106) mają długość Ldoi, poie przekroju poprzecznego Adoi oraz geometryczny współczynnik adoi, przy czym kanały dolotowe (106) biorą swój początek ze wspomnianego rezerwuaru (103) płynu ogniskującego i prowadzą odpowiednio do n dysz, znamienny tym, że długość Ldoi kanału dolotowego (106), oraz poie przekroju poprzecznego Adoi kanału dolotowego (106) i geometryczny współczynnik adoi kanału dolotowego (106), a także długość Lrez rezerwuaru (103), poie przekroju poprzecznego
Arez rezerwuaru (103) oraz geometryczny współczynnik arez rezerwuaru (103) są dobrane tak, aby 22 iioczyn adoiLdoiA2rez był znacznie większy niż iloczyn arezLrezA2doi. korzystnie ^do7do3 > 50, ^rez^rez1 doi korzystniej ^doc^doi/ ^rez^rez1 doi najbardziej korzystnie ^doGdol/ > 10000 ^rez^rez1 doi
2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pole powierzchni przekroju Adoi każdego ze wspomnianych kanałów dolotowych (106) płynu ogniskującego jest znacznie mniejsze niż pole powierzchni przekroju Arez wspomnianego rezerwuaru ( 103) płynu ogniskującego, korzystnie co najmniej 50 razy mniejsze, korzystniej co najmniej 100 razy mniejsze, a najkorzystniej co najmniej 10000 razy mniejsze.
3. Układ według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że najdłuższy wymiar d przekroju poprzecznego każdego ze wspomnianych kanałów dolotowych (106) płynu ogniskującego jest znacznie mniejszy niż najdłuższy wymiar D przekroju poprzecznego wspomnianego rezerwuaru (103) płynu ogniskującego, korzystnie co najmniej 50 razy mniejszy, korzystniej co najmniej 100 razy mniejszy, a najkorzystniej co najmniej 10000 razy mniejszy.
PL 221 906 B1
4. Układ według dowolnego z poprzedzających zastrz. od 1 do 3, znamienny tym, że jest wykonany z poliwęglanu, polietylenu, polipropylenu lub innego dającego się formować mechanicznie i lub termicznie polimeru.
5. Układ według dowolnego z poprzedzających zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że n=1, 2, 6, 10, 25 lub 100.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL395774A PL221906B1 (pl) | 2011-07-27 | 2011-07-27 | Układ mikroprzepływowy do zasilania w płyny zespołu dysz |
| DE201210104867 DE102012104867A1 (de) | 2011-07-27 | 2012-06-05 | Mikrofluidiksystem zur Versorgung eines Düsensets mit Fluiden |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL395774A PL221906B1 (pl) | 2011-07-27 | 2011-07-27 | Układ mikroprzepływowy do zasilania w płyny zespołu dysz |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL395774A1 PL395774A1 (pl) | 2013-02-04 |
| PL221906B1 true PL221906B1 (pl) | 2016-06-30 |
Family
ID=47503227
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL395774A PL221906B1 (pl) | 2011-07-27 | 2011-07-27 | Układ mikroprzepływowy do zasilania w płyny zespołu dysz |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102012104867A1 (pl) |
| PL (1) | PL221906B1 (pl) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6197835B1 (en) | 1996-05-13 | 2001-03-06 | Universidad De Sevilla | Device and method for creating spherical particles of uniform size |
-
2011
- 2011-07-27 PL PL395774A patent/PL221906B1/pl unknown
-
2012
- 2012-06-05 DE DE201210104867 patent/DE102012104867A1/de not_active Withdrawn
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102012104867A1 (de) | 2013-01-31 |
| PL395774A1 (pl) | 2013-02-04 |
| DE102012104867A9 (de) | 2013-04-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20250033009A1 (en) | Scale-up of microfluidic devices | |
| US20080078446A1 (en) | Fluid mixing method, microdevice and manufacturing method thereof | |
| US11794187B2 (en) | Highly parallelized droplet microfluidic apparatus | |
| JP5604038B2 (ja) | 反応装置及び反応プラント | |
| US9777973B2 (en) | Device for mixing and heat exchange | |
| CN104084247B (zh) | 基于t形微通道的弹性壁面微流控芯片 | |
| KR19990067311A (ko) | 분산물의 제조 방법 및 분산상에서의 화학반응의 수행 방법 | |
| CN107414080B (zh) | 液态金属3d打印喷头装置及设有该装置的3d打印机 | |
| AU2013220890B2 (en) | Centrifugal microfluidic mixing apparatus and method | |
| EP3187252B1 (en) | Method and device for producing simple and compound micrometre-sized emulsions | |
| JP2022549355A (ja) | エアロゾルベース印刷カートリッジおよび装置におけるその使用およびその使用方法 | |
| PL221906B1 (pl) | Układ mikroprzepływowy do zasilania w płyny zespołu dysz | |
| CN110355991A (zh) | 3d打印方法和3d打印设备 | |
| US20140233348A1 (en) | Fluid control device and fluid mixer | |
| CN117732522B (zh) | 一种流体可控输送载具、制备方法、应用与定量分装系统 | |
| Castro-Hernández et al. | Study of the geometry in a 3D flow-focusing device | |
| CN115069135B (zh) | 一种组装式高通量阶跃乳化装置 | |
| CN116371497B (zh) | 一种微液滴生成装置及方法 | |
| JP5461270B2 (ja) | マイクロ化学装置及び化学物質の製造方法 | |
| US20250283490A1 (en) | Manifold design for uniform flow | |
| CN115228516B (zh) | 用于调控多相体系中分散相尺寸分布的限域单元和方法 | |
| CN109331758B (zh) | 微孔管式微反应器、微流体混合方法及其制备方法 | |
| CN1330753A (zh) | 化学气相淀积工艺使用的喷燃器燃料管装置 | |
| CN115335141A (zh) | 乳化装置 | |
| KR20160098808A (ko) | 에어커튼 형성 구조의 노즐 어셈블리 |