TW201302299A - 微型混合元件 - Google Patents

Abstract

一種微型混合元件包含複數進流道以及一波紋形混合流道。複數流體經由該等進流道而進入波紋形混合流道進行混合，複數溝槽設置於波紋形混合流道內。

Description

微型混合元件

本發明係關於一種混合元件，特別關於一種微型混合元件。

過去所提出微型全分析系統的概念，希望應用微機電系統的加工技術，讓流體在微管道中執行生化實驗室操作的各種程序，並整合在一片晶片上，使其較傳統的實驗室檢測程序，具有快速反應、高靈敏度、高再現性、低污染、低成本與減少操作時的誤差等優點。由於流體的混合與反應幾乎是同時發生，因此流體混合的好壞，明顯影響反應的完成程度。

但是流道微型化後的流動傾向於層流，這種情況下，流體的混合主要依靠分子間緩慢的擴散作用而達到流體混合，造成流體混合效率不彰，也嚴重影響後續的檢測結果。若要提升流體混合效率，就需要延長微流道之長度，但這會大幅增加微型混合元件的尺寸，並且流體所需的混合時間亦會增加。

因此，如何提供一種微型混合元件，能夠提升微流體的混合效率，進而改善檢測品質與精確度，已成為重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種能夠提升微流體的混合效率，進而改善檢測品質與精確度之微型混合元件。

為達上述目的，依據本發明之一種微型混合元件包含複數進流道以及一波紋形混合流道。複數流體經由該等進流道而進入波紋形混合流道進行混合，複數溝槽設置於波紋形混合流道內。

在一實施例中，該等溝槽設置於波紋形混合流道之底側。

在一實施例中，該波紋形混合流道之兩相對內壁之波紋係對位設置或錯位設置。

在一實施例中，波紋形混合流道之波紋傾角介於30度與70度之間。

在一實施例中，少一溝槽具有一轉折。

在一實施例中，溝槽藉由轉折而形成一長邊與一短邊。

在一實施例中，波紋形混合流道係具有至少一漸擴區與至少一漸縮區，溝槽之長邊與漸擴區之一內壁平行、或溝槽之短邊與漸擴區之一內壁平行。

在一實施例中，至少一溝槽之溝槽寬為波紋形混合流道之一寬度之1/5至1/2之間。

在一實施例中，溝槽之轉折與波紋形混合流道之一內壁之一距離為波紋形混合流道之一寬度之1/4至1/2之間。

在一實施例中，溝槽之溝槽傾斜度介於20度與60度之間。

承上所述，本發明之微型混合元件具有「波紋形」混合流道，在漸縮區中使流體產生加速並集中的效應，而當流體通過流道漸擴區時，會在兩相對側壁處產生分離流，進而增加該等流體的接觸面積與混合效率。此外，複數溝槽設置於波紋形混合流道內，溝槽引導流體由溝槽流至兩側邊壁，藉流體流入或離開溝槽時的橫向流動，帶動在主流道之流體呈螺旋狀流動，進而促進流體間界面的伸展和摺疊，而能加強微型混合元件的混合效果。總括而言，本發明利用溝槽產生的橫向流動以及在波紋形混合流道中所產生的渦流增加該等流體的接觸面積與混合效果，並且結合這兩種效應而得到相乘的混合效果。從數值模擬軟體與實驗結果證實：本發明之微型混合元件既能促進混合效果，又不會造成太大的入口至出口壓力降。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種微型混合元件，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

圖1為本發明較佳實施例之一種微型混合元件1之橫切剖面的俯視示意圖，圖2為圖1之微型混合元件1之A區域的局部放大示意圖，圖3為圖1之微型混合元件1之B區域的透視放大示意圖。微型混合元件1可例如藉由黃光微影製程、物理蝕刻製程、化學蝕刻製程、雷射加工或機械加工等方法製成。微型混合元件1之結構材料可例如是高分子材料、玻璃或矽晶圓等材料。微型混合元件1可例如應用於微流體晶片，可增加其反應速度，並減少樣品及試劑的使用，在生醫檢測上可達到改善檢測、診斷與防疫的效果。

微型混合元件1包含複數進流道111、112以及一波紋形混合流道12。進流道111、112用以讓欲混合之流體進入，複數流體經由該等進流道111、112而進入波紋形混合流道12進行混合。本發明不限制進流道之數量與形狀，可視需求而調整。

波紋形混合流道12之內壁121為波紋形。於此，波紋形的定義為一流體經過波紋形混合流道12之一內壁121時，會依序經過漸縮區122與漸擴區123(如圖中虛線橢圓處)。波紋形可由曲線所構成、或由直線所構成、或由曲線與直線所構成，於此，波紋形係由直線所構成。另外，波紋形混合流道12之兩相對內壁121之波紋可對位設置或錯位設置，本實施例係以波紋為對位設置為例，另外，如圖4所示為波紋為錯位設置，且錯位的相差φ為180度。另外，需注意者，本實施例之波紋形混合流道12亦可包含非波紋形的混合流道，例如在圖1所示之波紋形混合流道12靠近進流道111、112的部分以及B區域之部分皆為平行的混合流道。

如圖2所示，波紋形混合流道12之波紋傾角θc介於30度與70度之間。於此，波紋傾角θc之定義為波紋形混合流道12之主流道的方向與漸擴區123之一內壁方向所構成之夾角。波紋傾角θc越大，則流體由漸縮區122進入漸擴區123之彎折越大；反之，波紋傾角θc越小，則流體由漸縮區122進入漸擴區123之彎折越小。若波紋傾角θc太大，則波紋形混合流道12所形成之渦流的範圍太小；因此，波紋傾角有一適當範圍，且在本實施例中，波紋傾角θc較佳係介於45度與60度之間，以形成合適速度與範圍之渦流，進而提升流體混合效果。

圖5為本實施例之流體流經波紋形混合流道12產生之渦流之向量的俯視示意圖。由圖可見，漸縮區122使得流體產生加速並集中的效應，而當流體通過流道漸擴區時，會在兩相對側壁處產生分離流，使得漸擴區123之兩側壁附近產生的逆向壓力梯度會形成渦流區而將流體捲入，促使兩流體間的界面產生伸展與摺疊的現象，不只縮短流體間所需的擴散距離，同時也增加了流體的接觸面積與接觸時間，進而增強混合效果。

另外，請再參照圖1至圖3所示，微型混合元件1更包含複數溝槽13(圖1與圖2之點狀範圍)設置於波紋形混合流道12內。於此，溝槽13設置於波紋形混合流道12之底側。溝槽13具有至少一轉折而能形成至少兩邊；於此，溝槽13以具有一轉折並形成一長邊131與一短邊132為例。並且，溝槽之長邊131與漸擴區123之一內壁121平行、或溝槽13之短邊132與漸擴區123之一內壁121平行；於此，溝槽之長邊131與漸擴區123之一內壁121平行，而溝槽13之短邊132與漸擴區123之另一內壁121平行。此外，部分溝槽之長邊131與漸擴區123之一內壁121切齊，如長邊131a。

圖6為圖2之波紋形混合流道12沿AA線段的剖面示意圖，其顯示流體在溝槽13內的流向。當流體進入溝槽13時，溝槽13引導流體由溝槽13流至兩側邊壁，而形成橫向流動。藉由流體流入或離開溝槽13時的橫向流動，能帶動主流道之流體呈螺旋狀流動，促進流體間界面的伸展和摺疊，以加強微型混合元件1的混合效果。

本實施例對溝槽13的一些參數提供了較佳的範圍，如下所述。

如圖1所示，至少一溝槽13之溝槽寬a為波紋形混合流道12之一寬度W之1/5至1/2之間。於此，寬度W係以波紋形混合流道12未具有波紋形部分的寬度為例。其中，若溝槽寬a太大，不易形成橫向渦流；若溝槽寬a太小，橫向渦流的量太少。因此，溝槽13之溝槽寬a具有一合適的範圍，並且在本實施例中，較佳者係溝槽寬a約為寬度W的1/4。

另外，溝槽之轉折與波紋形混合流道12之一內壁之一距離b為波紋形混合流道12之一寬度W之1/4至1/2之間。若距離b接近1/2，混合量太少；若距離b太小，雖混合量多但速度慢，反不利混合效率。因此，距離b具有一合適的範圍，並且在本實施例中，較佳者係距離b約為寬度W的1/3。

另外需補充說明，如圖2所示，部分的溝槽之轉折與圖中所示之下側壁較靠近(或說轉折位於兩進流道111、112之中心線下方)，在此情況下，經由進流道111進入之流體會主動將經由進流道112進入之流體帶往溝槽之長邊方向而形成橫向渦流，進而提升混合效能；而另外部分的溝槽之轉折與圖中所示之上側壁較靠近(或說轉折位於兩進流道111、112之中心線上方)，在此情況下，經由進流道112進入之流體會主動將經由進流道111進入之流體帶往溝槽之長邊方向而形成橫向渦流，進而提升混合效能。而在本實施例之波紋形混合流道12中，上述兩種之溝槽係交替設置而能提升混合效能。在本實施例中，溝槽13為交錯設置的鯡魚骨式(staggered herringbone)溝槽。

另外，如圖1所示，溝槽13之溝槽傾斜度θi介於20度與60度之間。於此，溝槽傾斜度θi之定義為波紋形混合流道12之主流道的方向與溝槽長邊所構成之夾角。若溝槽傾斜度θi太大，則溝槽太直(即轉折太小)不易產生橫向渦流；若溝槽傾斜度θi太小，則溝槽之長邊太長以致速度變小而不利混合。因此，溝槽傾斜度θi有一適當範圍，且在本實施例中，溝槽傾斜度θi較佳係介於30度與45度之間，以形成合適速度與範圍之橫向流動，進而提升流體混合效果。

綜上所述，本發明之微型混合元件具有「波紋形」混合流道，在漸縮區中使流體產生加速並集中的效應，而當流體通過流道漸擴區時，會在兩相對側壁處產生分離流，進而增加該等流體的接觸面積與混合效率。此外，複數溝槽設置於波紋形混合流道內，溝槽引導流體由溝槽流至兩側邊壁，藉流體流入或離開溝槽時的橫向流動，帶動在主流道之流體呈螺旋狀流動，進而促進流體間界面的伸展和摺疊，而能加強微型混合元件的混合效果。總括而言，本發明利用溝槽產生的橫向流動以及在波紋形混合流道中所產生的渦流增加該等流體的接觸面積與混合效果，並且結合這兩種效應而得到相乘的混合效果。從數值模擬軟體與實驗結果證實：本發明之微型混合元件既能促進混合效果，又不會造成太大的入口至出口壓力降。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1．．．微型混合元件

111、112．．．進流道

12．．．波紋形混合流道

121．．．內壁

122．．．漸縮區

123．．．漸擴區

13．．．溝槽

131、131a．．．長邊

132．．．短邊

A、B．．．區域

a．．．溝槽寬

b．．．距離

W．．．寬度

θc．．．波紋傾角

θi．．．溝槽傾斜度

φ．．．相差

圖1為本發明較佳實施例之一種微型混合元件之橫切剖面的俯視示意圖；

圖2為圖1之微型混合元件之A區域的局部放大示意圖；

圖3為圖1之微型混合元件之B區域的透視放大示意圖；

圖4為本發明較佳實施例之微型混合元件之波紋為錯位設置的示意圖；

圖5為本發明較佳實施例之流體流經波紋形混合流道產生之渦流之向量的俯視示意圖；以及

圖6為圖2之波紋形混合流道沿AA線段的剖面示意圖，其顯示流體在溝槽內的流向。

1．．．微型混合元件

111、112．．．進流道

12．．．波紋形混合流道

121．．．內壁

122．．．漸縮區

123．．．漸擴區

13．．．溝槽

131、131a．．．長邊

132．．．短邊

A、B．．．區域

a．．．溝槽寬

b．．．距離

W．．．寬度

θi．．．溝槽傾斜度

Claims (10)

1. 一種微型混合元件，包含：複數進流道；以及一波紋形混合流道，複數流體經由該等進流道而進入該波紋形混合流道進行混合，複數溝槽設置於該波紋形混合流道內。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微型混合元件，其中該等溝槽設置於該波紋形混合流道之底側。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微型混合元件，其中該波紋形混合流道之兩相對內壁之波紋係對位設置或錯位設置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微型混合元件，其中該波紋形混合流道之波紋傾角介於30度與70度之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微型混合元件，其中至少一溝槽具有一轉折。
6. 如申請專利範圍第5項所述之微型混合元件，其中該溝槽藉由該轉折而形成一長邊與一短邊。
7. 如申請專利範圍第6項所述之微型混合元件，其中該波紋形混合流道係具有至少一漸擴區與至少一漸縮區，該溝槽之該長邊與該漸擴區之一內壁平行、或該溝槽之該短邊與該漸擴區之一內壁平行。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微型混合元件，其中至少一溝槽之溝槽寬為該波紋形混合流道之一寬度之1/5至1/2之間。
9. 如申請專利範圍第5項所述之微型混合元件，其中該溝槽之轉折與該波紋形混合流道之一內壁之一距離為該波紋形混合流道之一寬度之1/4至1/2之間。
10. 如申請專利範圍第5項所述之微型混合元件，其中該溝槽之溝槽傾斜度介於20度與60度之間。