TWI451903B - 多個流動路徑微流體設計 - Google Patents

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TWI451903B
TWI451903B TW98132805A TW98132805A TWI451903B TW I451903 B TWI451903 B TW I451903B TW 98132805 A TW98132805 A TW 98132805A TW 98132805 A TW98132805 A TW 98132805A TW I451903 B TWI451903 B TW I451903B
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Description

多個流動路徑微流體設計
本發明係關於一種微流體裝置，以及特別是關於包含平行多流動路徑配置，該平行多流動路徑配置包含一組基本設計流動路徑之圖案。
本發明所提出的微流體裝置所包含尺寸範圍從微米到幾公釐的流體裝置，也就是其流體通道的最小尺寸在微米到幾公釐，最好是從大約幾十微米到大約1.5公釐的裝置。部分由於它們獨特的低總處理流體體積，以及獨特的高表面積對體積比，因此微流體裝置，特別是微型反應器，能夠以安全，有效，而且對環保友善的方式來執行困難，危險，或者甚至用其他方法不可能達到的化學反應和處理。這種改進的化學處理通常稱為"處理過程強化"。
處理過程強化在化學工業上是相當新的範例，有潛力將傳統的化學處理改善到更小，更安全，更具能源效益，且對環境友善的處理。處理過程強化的主要目的，是使用顯著降低反應器尺寸，同時增大質量-和熱-傳導效益的結構，產生高效率的反應和處理系統。透過一些方法，讓研究者可以獲得更好的轉化或選擇性，如此來縮短從實驗室到商用產品的發展時間，也是處理過程強化研究的一項優先考量。處理過程強化對於精緻化學品和製藥工業特別有利，這些工業每年的生產量通常小於幾公噸，而且強化過程的實驗室結果可以很容易以平行方式來擴展。
處理過程強化包含創新儀器和技術的發展，跟目前普遍使用的比較起來，它們預期在製造和處理上帶來非常重要的改進，包括大大降低儀器尺寸對產能比，能源消耗及/或廢物生產，而且最終產生更便宜，能持久的技術。或者，簡單而言，任何可以產生大體上更小，更乾淨，以及更具能源效率之技術的化學工程發展，就是處理過程強化。
這裡說明的方法及/或裝置在執行任何有關混合，分離，萃取，晶化，沉澱，或流體處理或流體的混合是非常有用的，包括多相流體的混合物，也就是包括微結構內的流體或是包含固體的多相流體混合物的流體混合物。處理過程可包括物理性處理，化學反應的處理，像是有機，無機，或有機無機兩種的相互轉換，生化處理，或其他形式的處理。下列是可在這裡說明的方法及/或裝置執行的反應非限定的列表：氧化；還原；替代；消除；增加；配位體交換；金屬交換；和離子交換。更明確地說，下列是可在這裡說明的方法及/或裝置執行的任何反應非限定的列表：聚合，烷化，去烷，硝化，過氧化，硫氧化，環氧化，氨氧化，氫化，去氫化，有機金屬反應，貴金屬化學/均質催化劑反應，羰化，硫基羰化，烷氧化，鹵化，去鹵氫化，去鹵化，氫甲醯化，羧化，去羧化，胺化，芳香化，吡啶耦合，醛醇縮合，環化縮合，脫氫環化，酯化，醯胺化，雜環，脫水，醇解，水解，氨解，醚化，酵素合成，縮酮反應，四級胺化，甲醯化，相轉換反應，矽烷化，亞硝酸鹽合成，磷酸化，臭氧化，疊氮化學，複分解，氫化矽烷化，耦合反應，和酵素反應。
目前的發明者及/或其同事先前已經發展了各種可以用在處理過程強化中的微流體裝置，以及製造這些裝置的方法。這些先前發展的裝置包括先前技術圖1中所示之代表形式的儀器。圖1是不按比例的簡單透視圖，顯示特定種類微流體裝置的一般層狀結構。所顯示的這類微流體裝置大致上包含至少兩個體積12和14，在其中放置或建構了一個或多個熱控制通道-在圖中沒有詳細顯示。體積12的垂直方向由水平壁板16和18來限制，而體積14的垂直方向由水平壁板20和22來限制。
在本文件中所使用的"水平"和"垂直"名詞只是相對名詞，只代表一般的相對方位，未必代表正交，也是用來方便談論圖中使用的方位，其中方位只是為了便利起見，並不意圖作為所顯示之裝置的特性。這裡所描述的本發明及其實施例可以用在任何想要的方位，水平和垂直壁板大概只需要是交叉壁板，未必要正交。
反應物通道26部分細節顯示在先前技術的圖2中，放置在體積24內，兩個中央水平壁板18和20之間。圖2顯示在體積24的某個截面高度下之垂直壁板結構28的斷面平面圖，其中一些界定出反應物通道26。在圖2中反應劑通道26色彩較暗的以容易看到包含其中之流體以及形成二維彎曲以及迴旋固定寬度之通道，為盤旋管道形式，其覆蓋界定出體積24板之表面的最大面積。微流體裝置10其他部份與顯示於圖1斷面中彎曲反應劑通道26之出口32間的流體連通提供於體積12及/或14內不同平面中，垂直地偏離圖2中所顯示斷面之平面。
反應劑通道26在垂直於大致平面牆的方向有固定的高度。
顯示於圖1和2的裝置提供一個體積，其中反應可以在其內相對控制的熱環境完成。
圖3中，顯示的是另一種先前技術的裝置作為混合反應劑的目的之用，特別像是不溶混的流體和氣液體混合物的多相系統以維持此分散性和在廣範圍流速的混合。在先前技術的裝置中，反應劑通道26包含連續的槽室34。
每個槽室34包括的反應劑通道分裂成至少兩個子通道36，和分裂通道36的連結點38，以及在至少一個子通道36通道方向的改變，相對於緊接上游通道方向至少90度的改變。在顯示的實施例可從圖3中看到，兩個子通道36通道方向的改變，相對於反應劑通道26緊接的上游通道方向超過90度。
圖3的實施例中，每個連續的槽室34進一步包含逐漸狹窄的出口40形成下一個連續槽室狹窄的入口42。槽室34也包括分割並轉向的壁板44，定位在緊接上游流動方向的岔道上，並位於槽室入口42的緊接下游處。分割並轉向的壁板44的上游側面部分有一個凹面46。從一個槽室34到下一個槽室的狹窄出口40最好是大約1mm寬。通道高度最好是大約800微米。
雖然這類裝置已經獲得了良好的效能，在很多情況下，對於特定反應甚至超越最先進的技術，然而我們還渴望能夠增進這些裝置的流體動力效能。特別地，我們希望能夠得到受控制以及良好平衡駐留時間，同時將降低此裝置所引起的壓力降，而且增加生產量。
在美國第7,241,423號專利(對應於US2002106311)的"Enhancing fluid flow in a stacked plate microreactor"一文中，使用平行的管道(請見圖37)以實施內部平行的化學反應裝置以達到提供微尺度反應裝置，該裝置可提供流體流分佈真正相等的駐留時間。然而，此項參考資料並無法解決所有關於控制和流體流均勻分佈的問題。
微流體裝置包含至少一個反應物通道(26)，其由壁板界定出以及包含至少一個平行多流動路徑配置，該平行多流動路徑配置包含一組基本設計流動路徑之圖案，其串連地排列與流體連通以構成流動路徑，以及平行地構成多流動路徑基本設計圖案於平行流動路徑中，該基本設計圖案能夠提供混合及/或駐留時間，其中平行多流動路徑配置包含至少兩個連通區域於相鄰平行流動路徑之基本設計圖案之間，該連通區域在基本設計圖案界定出相同平面中，而連通區域位於該基本設計圖案之間以及允許流體通過(流動交互連結)以使具有相同流動方向之相鄰平行流動路徑間的流量差值減為最低。
在一些例子中，平行的多流動路徑配置相鄰的平行流動路徑之間可達到流量(也是流體壓力)的相等。更者，這種解決方式由於連通區域，在平行的多流動路徑配置的數個平行微管道或流動路徑可得到均勻的駐留時間。
因此，依據本發明，平行的多流動路徑配置可提供每個流動路徑同樣的長度，寬度和高度以得到固定的駐留時間和特性，使微反應器的化學生產量增加。
本發明另外的特性和優點將在以下詳細說明，有部分對那些熟悉此項技術的人而言，從這些說明或是執行這裡描述的本發明是顯而易見的，包括以下的詳細說明，申請專利範圍，以及附圖。
人們瞭解先前一般說明及下列詳細說明只作為範例性及說明性，以及預期提供概要或架構以瞭解申請專利範圍界定出本發明原理及特性。所包含附圖將更進一步提供了解本發明以及在此加入以及構成說明書之一部份。附圖顯示出本發明不同的實施例及隨同詳細說明以解釋本發明之原理及操作。
現在參考本發明優先實施例詳細作說明，其範例顯示於附圖中。儘可能地，整個附圖中相同的參考數字代表相同的或類似的元件。
沒有限制地，本發明的微流體裝置中，長方形通道和由平行的多流動路徑配置所構成的部份，大致沿著水平面延伸，並由垂直的壁板界定出。"寬度"是指垂直於流動方向，並平行於此平行的多流動路徑配置的水平面。"高度"是指垂直於流的方向並垂直於此平行的多流動路徑配置的水平面。"長度"是指水平於流的方向並平行於此平行的多流動路徑配置的水平面。
圖4中可看到依據第一實施例，串連地放置6個平行的多個流動路徑配置50具有長方形通道26的微流體裝置。每個平行的多流動路徑配置50有兩個平行的流動路徑52，由一列以連續方式放置的9個槽室34所形成。每個槽室34形成類似於圖3的第一形式基本設計圖案，可提供良好的混合品質並維持液體液體不溶混性或氣體液體分散性。
這兩個平行的流動路徑彼此互相毗鄰。兩個平行的流動路徑52的相鄰槽室34形成成對的槽室34(更一般而言，多個流動路徑基本設計圖案57，和其間的連通區域54)。這個連通區域54是由成對的槽室34之間的直接流體連接所形成，使得當流體流平行通過兩個平行的流動路徑52時，在這些連通區域54位置的兩個平行的流動路徑52之間可以通過流體。因此，在平行的流徑52相鄰槽室34之間有一個具有孔徑/開口(連通區域54)的接觸點(壁板的共同部分)。
平行流動路徑之間這個可能的流體通道或流的交叉點允許任何可能的不平衡流的校正，這可能由於是長方形通道26的設計(特別是歧管設計)及/或製造處理的容限及/或流動路徑的阻塞。
流體流的速度因此可以在平行的多流動路徑配置50所有流徑52之間保持平衡。
更者，連通區域54和長方形通道26或槽室34有同樣的體積，即連通區域54和平行的流動路徑52在相同的平面，這造成一些有意義的優點：這種設計很簡單製造(同樣的板)可在體積24的兩邊放置的體積12和14熱控制通道作最佳化熱傳輸，以及避免額外的壓力降和對均勻的駐留時間分佈和安全有害的靜滯區域。
依據本發明，歧管56設計放在每個平行的多流動路徑配置50的上游，很類似於槽室34和平行的流體流52，因而較不重要。
以這種方式調整這兩個管道或流動路徑52，一般是在其邊緣和其間的開口(連通區域54)接觸，在平行的流體流52之間不同壓力降的情況可修改流體的再分配，小的不足以明顯地修改此接觸點的流圖案。
連續的槽室34構成圖4微流體裝置實施例的長方形通道26重要的一部分。如圖1所示，槽室34最好有固定的高度H，大致垂直於壁板18和20的方向，其中高度H大致對應壁板18和20之間的距離。換句話說，槽室34的通道26部分通常佔據了高度H方向的最大可能空間，匹配體積24的H方向最大尺寸。這是很重要的，因為(1)因而可最大化微流體裝置既定橫向尺寸的體積，在較高的生產速率允許較長的駐留時間，和(2)可最小化包含一個或以上熱控制流體通道的材料量，以及長方形通道26和體積12和14之間的距離，允許更大的熱傳輸。更者，雖然高度H最好是大約到超過數釐米，但H方向邊緣層的厚度通常是會因為長方形通道內反應劑通過導致壁板44的分割和轉向，以及雖然逐漸窄化出口40到連續的槽室34較寬空間的重複通道，所引起次要流的減少。作為用來最大化熱交換和駐留時間的裝置，多個連續的槽室34最好沿著至少30%，更好至少50%，方形通道26的體積延伸，再更好是至少75%或以上，如同圖4實施例的例子。
如同圖4本發明的實施例所見的，連續的槽室34最好在往上下游的方向，和緊鄰的槽室共用共同的壁板。這可以幫忙確保最大個數的槽室34是放在一定的空間內，因而也最大化長方形通道26的體積，當作圍壁板18,20之間可用體積的一部分。尤其，長方形通道26的敞開式體積最好有總體積的至少30%，此總體積包括(1)此敞開式體積，(2)界定出水平壁板18,20之間長方形通道26形狀的壁板結構28的體積，和(3)其他像是界定出長方形通道26形狀的壁板結構28之間的空體積48。長方形通道的敞開式體積最好是至少40%。
在圖5的變化中，長方形通道26有四個平行的多流動路徑配置50，串連地放在入口30和出口32之間。每個平行的多流動路徑配置50有四個平行和相鄰的流動路徑52，每個由鄰接方式置放的連續18個槽室34所形成。
在這種配置中，四個相鄰的槽室34互相做流體連通，每個是不同流動路徑52的一部分，一起形成多流動路徑基礎配置圖案57，其中流體在四個平行的流動路徑52是以同樣的水平流動。
如同在圖6部分放大圖所見，連通區域54形成在所有兩個相鄰基本設計圖案，或者四個平行的多流動路徑配置50的多流徑基本設計圖案57的槽室34之間。
依據本發明，多流動路徑方式主要的優點是在一定的流速下明顯減低降壓。舉例而言，如圖4到6所示槽室34形成的基本設計圖案中，雙流(如圖4所示的兩個平行管道)和只有一個管道的圖案(圖3)作比較，在200ml/min的速度可使降壓除以2.7的因子。然後如圖5到6所示，使用四個平行流仍然可進一步減低降壓，和兩個管道的圖案作比較，可除以2.5的因子，而和一個管道(請見圖20)作比較，可減低至6.8的因子。
強調這種多流動路徑方式主要優點的另一種方法是找出最大運作流速對應的同樣壓力降。圖21的資料顯示最大可能流速對應1個大氣壓力的壓力降分別是只有一個管道(圖3)的120ml/min，如圖4所示兩個平行管道圖案的200ml/min，以及如圖5到6所示，四個平行管道圖案的350ml/min。
因此，依據本發明的多流動路徑架構可允許明顯的減低壓力降，這是增加化學生產量很有效的一種方式，不必增加能量的消耗來送出流體以保持壓力降在裝置一般的配置壓力以下，及/或系統透過外部編號的複雜度。
更者，這種高產量的配置方式另一個主要優點是明顯的減低壓力降(以既定的流速)，而不會對耐壓性和混合/擴散品質有任何負面影響，所以不需要任何妥協，尤其是關於：耐壓性：平行的多流動路徑配置50的形成是利用一系列基本設計圖案(譬如圖3到5的心型槽室34)形成的平行管道。平行的基本設計圖案可阻擋一定的破裂壓力，而不會減低總破裂壓力，所以可保有耐壓性。
擴散(或混合)品質：如同基本設計圖案保有的，混合的效能可比擬先前技術的一個管道配置。在乳膠的例子中，可使用溶劑及二醇不溶混的液體系統來評估乳膠的品質。在微結構中產生乳膠，並收集從微結構流出的流體。須要時間傾析來測量微結構內形成的乳膠品質(時間越多，品質越加)。如圖22中所報告的，依據本發明，如同圖4所示，平行的兩個管道配置產生的結果(在圖22的左邊)和圖3所示，依據先前技術的一個流動路徑圖案(在圖22的右邊)的結果一樣好。在這個試驗中，一個流動路徑的配置比兩個流動路徑的配置(1.1mm)有較低的內部管道高度(1mm)。而且管道高度越低，懸浮液的品質越佳。
圖7所示是有兩個流動路徑52的平行的多流動路徑配置50，平行的相鄰槽室34之間的連通區域54有不同的分佈或實際排列：圖7a顯示的連通區域54是在此平行的多流動路徑配置50的所有多流動路徑基本設計圖案57的所有兩個相鄰基本設計圖案(槽室34)對之間形成。
圖7b顯示的是另一種方式，連通區域54只在位於此平行的多流動路徑配置50上游部分的前兩個多流動路徑基本設計圖案57的兩個相鄰基本設計圖案(槽室34)對之間形成。
圖7c顯示的又是另一種方式，連通區域54只在此平行的多流動路徑配置50的所有多流動路徑基本設計圖案57的間隔兩個相鄰基本設計圖案(槽室34)對之間形成。
圖8和9部份顯示有四個平行流動路徑52的平行多流動路徑配置50：在圖8中，連通區域54在此平行的多流動路徑配置50的所有多流動路徑基本設計圖案57的所有兩個相鄰基本設計圖案(隔室34)對之間形成。
圖9顯示的又是另一種方式，連通區域54只在兩個相鄰基本設計圖案(槽室34)的某些對之間形成：更精確地說，連通區域54是形成在位於錯列配置中的流互相連結點。
再參考圖23，顯示的是連通區域54位於所有兩個相鄰基本設計圖案(槽室34)對之間，具有四個平行流動路徑(圖8)的平行多流動路徑配置50，通過其流動路徑橫截面每分鐘公釐流量的模擬。更精確地說，質量流速是以平行多個流動路徑配置50的前四個水平的每個槽室34出口部分來表示，這些位置的參考編號fxy，這裡x是沿著流動路徑52水平的位置，y是橫向位置。圖23顯示的模擬是用來證明四個平行流動路徑流交接處的效能：在四次流交錯後(第四個水平的橫截面f41,f42,f43和f44有非常接近的流速)，在入口(第一個水平的橫截面f11,f12,f13和f14)離開的不平衡流動幾乎完全消失。
圖10A-10G是依據本發明另一實施例界定出反應通道部份，尤其是界定出槽室34其他形式的其他多種壁板結構的橫截面平面圖。以上實施例顯示的槽室大致對應圖10F，其中支柱58可用來增加槽室34相對於圖10A實施例具有較大敞開區域的耐壓性。換句話說，沒有支柱58的實施範例在支柱58上游較不會朝向小的死體積(流體流圖案中緩慢移動的點)。圖10G的實施例基本上可避免死體積的所有風險，藉著再分割並轉向的壁板44的下游邊上包括一個三角形背襯結構60，因此特別適合用來處理固體，譬如固體懸浮物或沉澱反應，這些可能會在死體積區域集合起來而阻塞長方形通道。
在圖10B的實施例中，分割並轉向的壁板44分成四段，因而將長方形通道分成兩個圍著分割並轉向的壁板44的主要子通道，和三個壁板44分段之間的次要子通道。小型的次要子通道可幫助維持微細乳膠。
在圖10C的實施例中，分割並轉向的壁板44是非對稱性的，並列在連續槽室34的另一邊以提供特別強的次要流動。支柱58也以交替的方式離開槽室34的中心，並且放在壁板44形成的兩個子通道中較大的一個中，支柱58可充當額外的流動分隔器。
圖10D和10E的實施例分別對應10F和10B，只有以下的差異：前面討論的逐漸窄化的出口40以較寬的出口62取代，以較小的次要流動分隔器64放入填滿，以細微分割進入槽室34的流動，因而幫助產生並維持乳膠或其他不溶混的混合物。
參考圖11到13，提出的是第二種形式的基本設計樣式，是在錯列配置中置放數個支柱166的敞開小室/空間134形式(圖11和12有5個支柱166)。支柱166有長方形通道26的高度，平行於流體流的方向伸長(圖11和12上的箭頭)。
支柱166是沿著流體流動路徑152的結構可用來作為紊流促進器或靜態攪拌器。在其中支柱可以呈現其他配置，包括具有不平行於流體流方向的部分以促進擾流。
敞開小室134一系列排放以形成流動路徑152，平行放置以形成多流動路徑基本設計圖案157以橫向垂直的壁板結構28來限制。
兩個(或以上)敞開小室134平行放置以形成多流動路徑基礎設計圖案157可以排列成橫向(圖13)，或相對流體流方向偏移至上游或下遊方向(圖12)。
多流動路徑基本設計圖案157排列成一系列以形成平行的多流動路徑配置150是連續的直線管道或具有重要直線部分的蜿蜒管道(圖13)。
排列支柱166使平行的多流動路徑配置150的整個區段(所有寬度)至少有一個支柱166(圖12和13)。
兩個相鄰基本設計圖案或敞開小室134之間的連通區域154是界定出在這兩個相鄰基本設計圖案或敞開小室134的至少兩個支柱166之間的開口或通道，要注意這兩個支柱166是對齊的。
在另一個圖13錯列配置的支柱配置顯示的是本發明第二實施例，每個敞開小室134的橫截面垂直於流體流方向包含至少一個支柱部分。圖13的平行的多流動路徑配置150形成一個加大的多流體流動路徑位於非常簡單配置的歧管156下游處。
這種第二種形式的基本設計圖案是具有支柱166的敞開小室134形式在支柱166之間以支柱166界定出流動路徑152的子通道，支柱以橫向並列，也就是不沿著流動路徑152對齊。第二種形式的基本設計圖案134專用在均勻的流體駐留時間。
在圖12和13中有兩個平行的流動路徑152，每一多流動路徑基本設計圖案157，有兩個平行放置的第二種形式的基本設計圖案或敞開小室134，但也可以在橫向垂直壁板結構28之間平行放置兩個以上的敞開小室134。
圖14和15另一種基本設計圖案可能的形式：這是第三種形式的基本設計圖案或波浪槽室234。這種波浪槽室234界定出了流動路徑部分，在縮減的寬度形成接續著具有相同配置的下游波浪槽室234之前，寬度沿著流的方向漸漸增大，然後漸漸減小。
寬度的變化使壁板結構有更好的耐壓性。更者，這種配置可使兩個平行的基本設計圖案在其較大寬度的位置之間接觸，這是建立連通區域的一種簡單方式，只要在接觸共同壁板的接觸位置上產生一個開口。
波浪槽室234串連地放置以形成流動路徑252，而且平行以形成多流動路徑基本設計圖案257。流動路徑基本設計圖案257串連地放置以形成平行的多流動路徑基本配置250。
圖14中，兩個相鄰基本設計圖案或波浪槽室234之間的連通區域254是以兩個沿著其增大寬度接觸的相鄰波浪隔室234之間的開口形成。
圖15的另一種形式中，波浪槽室234在兩個相鄰平行流徑252之間以流動的方向交錯排列，以使單一波浪壁板228可用來作為兩個相鄰平行流動路徑252的界限。換句話說，兩個相鄰平行流動路徑252是以同樣那個單一波浪壁板228的相反兩面作為邊界，可最佳化體積24中長方行通道所佔據的空間。
在那個例子中，兩個相鄰基本設計圖案或波浪槽室234之間的連通區域254是以單一波浪壁板228的開口形成。
如圖15所示，第三種形式的基本設計圖案或波浪槽室234可包含分割並轉向的壁板244。
兩個(或以上)敞開小室134平行放置以形成多流動路徑基本設計圖案257可以排列成橫向(圖14)，或針對流體流方向，偏移至上游或下遊方向(圖15)。
圖14顯示的是兩個相鄰平行流動路徑252的實施情況，而圖15顯示的是八個相鄰平行流動路徑252的實施情況，但在每個平行的多流動路徑配置250中，可以實施任何個數的平行流動路徑。
如前面指出的，第一種形式的基本設計圖案或槽室34，第二種形式的基本設計圖案或敞開小室134，和第三種形式的基本設計圖案或波浪槽室234可提供混合及/或駐留時間，寬度沿著流動路徑的方向是不固定的，而且可和另外同樣形式基本配置圖案的相鄰流動路徑的流交錯。
依據前述的平行的多流動路徑配置，可以使用其他可提供混合及/或駐留時間的基本設計圖案，尤其是互相一列和平行鄰接的基本設計圖案。
連通區域最好是以多流動路徑基本設計圖案的兩個相鄰基本配置圖案之間的直接的流交錯形成。
對於每個平行的多流動路徑配置，沿著此每個平行的多流動路徑配置的長方形通道上游放置歧管56,156,256，以分開或分叉長方形通道26成如同平行的多流動路徑配置中一樣的很多流動路徑。
由於相鄰的平行流動路徑之間的流交錯，可校正平行流動路徑之間流動的不平衡，歧管配置可以很簡單，需要考慮有限精確度的流體物理性質。圖16顯示歧管56,156,256三種可為簡單的配置。
這些簡單的歧管配置是不依賴化學反應的配置，可能有一些流的交錯到歧管區域(圖16C)。因此這些簡單的歧管設計不需要一個重要的表面以容納不同的不平衡流動以產生均勻的平行流動。
圖17(分別是圖18)類似於圖4(分別是圖13)，只是加入沿著長方形通道26，任何多流動路徑配置50上游放置的混合部分68。這個混合部分包含一系列槽室34。
圖19顯示長方形通道26另一種可能的配置，有數個平行的多流動路徑配置50串連地放置，沒有相同數目的平行流動路徑52：在這個例子中，一些平行的多流動路徑配置50有兩個平行流動路徑52，而平行的多流動路徑配置50有四個平行流動路徑52。
依據本發明，其他的配置是可能的，尤其在一個平行的多流動路徑配置50中有其他個數的平行流動路徑：例如3,5,6,8個平行流動路徑。
體積24和長方形通道26的高度，也是基本設計圖案34,134,234，和連通區域54,154,254的高度，範圍最好是從0.8mm到3mm。
優先地，連通區域54,154及254具有高度/長度比值在0.1至6，以及優先地為0.2至2。
此連通區域54,154,254的高度/長度比，範圍最好從0.1到6，更好從0.2到2。
此基本設計圖案沿著流動路徑的寬度，範圍最好是從1到20mm，更好從3到15mm。
在連通區域54,154,254的位置處，此基本設計圖案沿著流徑的寬度和此連通區域的長度之間的比例範圍最好從2到40，更好從2到14。
依據本發明，當考量兩個相鄰的平行流動路徑52,152,252時，有至少兩個連通區域54,154,254位在平行的多流動路徑配置50,150,250的入口和出口之間的地方。
根據沿著流動路徑的基本設計圖案，可能需要平行流動路徑個數，全域實施至可用的表面和歧管配置，不同個數的連通區域54,154,254以得到完全均勻的流分佈。但大多數的校正通常是在連通區域54,154,254的前兩個內完成。
依據本發明，微流體裝置最好是從一種或多種玻璃，玻璃陶瓷，和陶瓷製成。例如，準備這種裝置的處理過程，從玻璃片形成水平壁板以鑄造和固化的玻璃原料放置在形成垂直壁板的玻璃片之間，其已在美國第7,007,709號專利"Microfluidic Device and Manufacture Thereof"中說明，但製造不限定於這種方法。
假如需要情況，本發明之裝置亦可包含數層加入所顯示情況。
在此所使用"反應劑"為使用於微流體裝置內所需要潛在任何物質的表達方式。因而"反應劑"以及"反應劑通道"可表示所使用之惰性材料以及通道。
12,14．．．體積
18,20．．．壁板
24．．．體積
26．．．反應劑通道
28．．．壁板結構
30．．．入口
32．．．出口
34．．．槽室
36．．．子通道
38．．．連結點
40．．．出口
42．．．入口
44．．．轉向的壁板
46．．．凹面
48．．．空體積
50．．．平行的多流動路徑配置
52．．．流動路徑
54．．．連通區域
56．．．歧管
57．．．多流動路徑基本設計圖案
58．．．支柱
60．．．三角形背襯結構
64．．．流動分隔器
68．．．混合部分
134．．．敞開小室
150．．．平行的多流動路徑基本配置
152．．．流動路徑
154．．．連通區域
156．．．歧管
157．．．多流動路徑基本設計圖案
166．．．支柱
228．．．波浪壁板
244．．．轉向的壁板
234．．．波浪槽室
250．．．平行的多流動路徑基本配置
252．．．流動路徑
254．．．連通區域
256．．．歧管
257．．．多流動路徑基本設計圖案
圖1(先前技術)為示意圖，其顯示出特定先前技術微流體裝置之一般層化結構。
圖2(先前技術)為圖1之體積24內垂直壁板結構之斷面平面圖。
圖3(先前技術)為依據另一先前技術微流體裝置之圖1的體積24內垂直壁板結構之斷面平面圖。
圖4為依據本發明第一實施例具有第一種界定出平行的多流動路徑配置基本設計圖案的垂直壁板結構之斷面平面圖。
圖5為依據本發明第一實施例變化之界定出平行的多個流動路徑配置的垂直壁板結構之斷面平面圖。
圖6為圖5部份VI之放大圖。
圖7至圖9為依據平行的多流動路徑配置中連通區域位置一些變化具有第一種基本設計圖案之垂直壁板結構之部份斷面平面圖。
圖10A-10G為界定出第一種之其他基本設計圖案的的垂直壁板結構之斷面平面圖。
圖11為第二種基本設計圖案之斷面平面圖。
圖12為依據本發明另一實施例使用圖11第二種之基本設計圖案之另一垂直壁板結構之斷面平面圖以界定出部份平行的多流動路徑配置。
圖13為依據本發明第二實施例具有第二種之基本設計圖案的垂直壁板結構之斷面平面圖，其界定出部份平行的多流動路徑配置。
圖14及15為具有第三種基本設計圖案之另一垂直壁板結構之斷面平面圖。
圖16為放置於每一平行的多流動路徑配置上游可能分岐結構之示意圖。
圖17及18為分別對圖3及13界定出替代結構之垂直壁板結構之斷面平面圖。
圖19為垂直壁板結構之斷面平面圖，其合併圖4及5所顯示平行的多流動路徑配置。
圖20為比較本發明與先前技術裝置兩個實施例通過微流體裝置之壓力降曲線圖，單位為毫巴，為單位毫升每分鐘流量之函數。
圖21為曲線圖，其顯示出比較本發明與先前技術裝置兩個實施例相同壓力降之流量與設計間的相關性。
圖22為曲線圖，其顯示出平均時間傾析以秒為單位，其比較本發明與先前技術裝置(在T=35℃，總數量為120公克/分鐘，其使用溶劑流量為110公克/分鐘，以及二醇流量為10公克/分鐘。
圖23顯示出通過圖8垂直壁板結構配置斷面之流量，單位為毫升每流量。
26．．．反應劑通道
30．．．入口
32．．．出口
34．．．槽室
48．．．空體積
50．．．平行的多流動路徑配置
52．．．流動路徑
54．．．連通區域
56．．．歧管
57．．．多流動路徑基本設計圖案

Claims (26)

  1. 一種微流體裝置(10)，其包含至少一個反應物通道(26)，該反應物通道係由壁板界定且包含至少一個平行多流動路徑配置(50)，該平行多流動路徑配置(50)包含一組作為流動路徑(52)之槽室的基本設計圖案(34)，該基本設計圖案串連地排列並流體連通以構成流動路徑(52)，且該基本設計圖案平行地排列以構成多流動路徑基本設計圖案(57)於平行的流動路徑(52)中，該基本設計圖案能夠提供混合及/或駐留時間，其中該平行多流動路徑配置(50)包含至少兩個作為具有開孔之壁板的共同部分之連通區域(54)於兩個相鄰平行的流動路徑(52)之基本設計圖案(34)之間，該等連通區域(54)係在由該等基本設計圖案(34)所界定出之相同平面中，且該等連通區域(54)位於該基本設計圖案(34)之間並允許流體通過以使具有相同流動方向之相鄰平行的流動路徑(52)之間的流量差值減為最低。
  2. 依據申請專利範圍第1項之微流體裝置，其中沿著位於該平行多流動路徑配置(50)上游之反應劑通道(26)放置至少一個歧管，以使該反應劑通道(26)分成許多流動路徑(52)於該平行多流動路徑配置(50)中。
  3. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中該基本設計圖案(34)的寬度沿著該流動路徑(52)的方向為非固 定的。
  4. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中該連通區域(54)係藉由一流動交互連結而形成，該流動交互連結係通過該多流動路徑基本設計圖案(57)之兩個相鄰的基本設計圖案(34)之間缺乏壁板之一路徑部份。
  5. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中至少兩個連通區域(54)形成於該平行多流動路徑配置(50)之所有成對的兩個相鄰平行的流動路徑(52)之間。
  6. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中該等連通區域(54)形成於該平行多流動路徑配置(50)之所有成對的兩個相鄰的基本設計圖案(34)之間。
  7. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中該等連通區域(54)形成於沿著平行多流動路徑配置(50)上游部份之至少兩個多流動路徑基本設計圖案(57)之所有成對的兩個相鄰的基本設計圖案(34)之間。
  8. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中該等連通區域(54)形成於平行多流動路徑配置(50)上游部份之至少最先兩個多流動路徑基本設計圖案(57)之所有成對的兩個相鄰的基本設計圖案(34)之間。
  9. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中該等連通區域(54)具有長度在0.5mm至6mm範圍內。
  10. 依據申請專利範圍第9項之微流體裝置，其中該等連通區域(54)具有長度在1mm至5mm範圍內。
  11. 依據申請專利範圍第10項之微流體裝置，其中該等連通區域(54)具有長度在1.5mm至3.5mm範圍內。
  12. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中該等連通區域(54)具有高度/長度比值在0.1至6範圍內。
  13. 依據申請專利範圍第12項之微流體裝置，其中該等連通區域(54)具有高度/長度比值在0.2至2範圍內。
  14. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中位在連通區域(54)處之該基本設計圖案(34)之寬度與該等連通區域(54)之長度的比值在2至40範圍內。
  15. 依據申請專利範圍第14項之微流體裝置，其中位在連通區域(54)處之該基本設計圖案(34)之寬度與該等連通區域(54)之長度的比值在2至14範圍內。
  16. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中該基本設計圖案(34)含有至少一個結構，該結構具有反應劑通道(26)之高度，且該結構作用為紊流促進器或靜態混合器。
  17. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中該基本設計圖案形成一槽室(34)，該槽室包含將反應劑通道(26)分裂成至少兩個子通道，以及結合分裂之通道，以及改變至少一個子通道之通道方向至少90度。
  18. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中該基本設計圖案形成一敞開空間(134)，該敞開空間包含至少兩個結構(166)，該等結構具有反應劑通道(26)高度，且該等結構作用為紊流促進器或靜態混合器，該等結構放置為錯列配置，使得兩個結構之間界定出具有相鄰的基本設計圖案之一連通區域(54)。
  19. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中該基本設計圖案形成一槽室(234)，於該槽室中流動路徑(52)的寬度沿流動方向為漸進地擴大再漸進地減小。
  20. 依據申請專利範圍第19項之微流體裝置，其中兩個相鄰平行的流動路徑(52)係與相同壁板(228)的兩個相對面接壤。
  21. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中該反應劑通道(26)含有一初始混合器通道部份(68)位於該平行多流動路徑配置(50)之上游。
  22. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中該反應劑通道(26)含有至少兩個平行多流動路徑配置(50)串連地放置，因而形成兩個連續的平行多流動路徑配置(50)。
  23. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中該反應劑通道(26)含有至少兩個平行多流動路徑配置(50)，其至少具有一第一種基本設計圖案(34)以及一第二種不同的基本設計圖案(34)，該第一種基本設計圖案不同於該第二種基本設計圖案。
  24. 依據申請專利範圍第22項之微流體裝置，其中該等兩個連續的平行多流動路徑配置(50)係由一駐留時間通道部份所分隔，該駐留時間通道部份之體積至少為0.1毫升，且該駐留時間通道部份具有大致平滑且連續的形狀。
  25. 依據申請專利範圍第23項之微流體裝置，其中該等兩個連續的平行多流動路徑配置(50)包含不同數目之平行流動路徑。
  26. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置，其中該反 應劑通道(26)位於一反應層內，且其中該微流體裝置更進一步包含一個或多個熱控制通道位於並排列於兩層熱層內，該兩層熱層夾住該反應層，且於熱控制通道與反應劑通道(26)之間無任何流體連通。
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