TWI672174B - 微型流道裝置 - Google Patents

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Abstract

一種微型流道裝置(micro-channel reaction apparatus)，包括第一混合元件以及第一噴流元件。第一混合元件，包括用來導入第一流體的第一流入通道，以及用來導入第二流體的第二流入通道。第一噴流元件包括第一漸縮部和第一擴張部。其中第一漸縮部的一端連通第一流入通道和第二流入通道，第一漸縮部的另一端連通第一擴張部。且第一漸縮部具有介於0.1至0.75之間的內徑收縮比例(contract ratio of inner diameter)，以容許第一流體和第二流體通過第一漸縮部和第一擴張部產生第一混合噴流。

Description

微型流道裝置
本揭露書是有關於一種微型流道裝置(micro-channel reaction apparatus)，特別是一種微型反應器(micro-reactor)。
微型反應器具有高效率熱傳導、連續流體生產、高品質產出及低廢棄物等特質，近年來已成為各大化工與製藥業者研究的主要題目之一。以微型流道裝置為例，其可以在微小的空間與相對較短的流道內，達成不同的流體混合效果。
習知的微型流道裝置，僅能利用流道內流體的紊流，來促使不同的流體混合；較難使二種不互溶相的液體達成激烈混合的效果。而為了提高流體的混合效果，目前已有技術提出以玻璃材質來製作微型流道結構，係利用特殊的流道形狀來提升流體的混合與反應的效率。然而，玻璃材質較不耐壓，且熱傳係數較低，不僅限制其在氣液反應的應用，也不利於高吸熱/放熱反應的控制。再加上，較複雜的流道結構會大幅提高製造成本，並不利於微型流道技術的推廣。
因此，有需要提供一種先進的微型流道裝置，來解決習知技術所面臨的問題。
本說明書的一實施例揭露一種微型流道裝置，包括第一混合元件以及第一噴流元件。第一混合元件，包括：用來導入第一流體的第一流入通道，以及用來導入第二流體的第二流入通道。第一噴流元件包括第一漸縮部和第一擴張部。其中第一漸縮部的一端連通第一流入通道和第二流入通道，第一漸縮部的另一端連通第一擴張部。且第一漸縮部具有介於0.1至0.75之間的內徑收縮比例，以容許第一流體和第二流體通過第一漸縮部和第一擴張部產生第一混合噴流。
根據上述實施例，本說明書是在提供一種微型流道裝置，其至少包括一個混合元件和一個噴流元件，利用混合元件的第一流入通道和第二流入通道來導入反應流體，並使反應流體通過噴流元件中相互連通的一個漸縮部和一個擴張部來形成一道混合噴流。其中，漸縮部具有特定內徑收縮比例。藉由混合元件的引導，可以控制反應流體的流動方向，以使反應流體中不同成分先進行充分的對撞混合。接著，藉由噴流元件使反應流體產生形成微型噴流，當反應流體通過漸縮部時，會對流體中的化學成分產生剪力分割，而在通過擴張部時，又將其再結合而產生重疊與拉伸的效果，藉此，進而提升流體中不同成分的混合與反應的效率。
為了對本說明書之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
10、20、30、40、50、60、71、72、73‧‧‧微型流道裝置
11A、11B、41A、41B、41C、41D‧‧‧反應流體入口
12、22、32‧‧‧上游流道單元
12’、22’、32’‧‧‧下游流道單元
13‧‧‧第一流體
14‧‧‧第二流體
15、15’、15A、15B‧‧‧混合噴流
16‧‧‧反應流體出口
17、18‧‧‧通道
121、121’、221、221’、321’‧‧‧混合元件
121A、121A’、221A、221A’、321A’‧‧‧第一流入通道
121B、121B’、221B、221B’‧‧‧第二流入通道
122、122’、222、222’、181‧‧‧噴流元件
122A、122A’、222A、222A’、181A‧‧‧漸縮部
122B、122B’、222B、222B’、181B‧‧‧擴張部
122C‧‧‧連接面
122S‧‧‧擴張部的側壁
321S‧‧‧第一流入通道的側壁
θ1、θ3‧‧‧夾角
θ2‧‧‧收縮角度
第1圖係根據本說明書的一實施例所繪示的一種微型流道裝置的結構俯視平面圖(plan view)及其局部結構放大圖；(請事務所確認是否要分為第1A圖及第1B圖)
第2圖係根據本說明書的另一實施例所繪示的一種微型流道裝置的局部結構俯視平面放大圖。
第3圖係根據本說明書的又一實施例所繪示的一種微型流道裝置的局部結構俯視平面放大圖。
第4圖係根據本說明書的再一實施例所繪示的一種微型流道裝置的結構俯視平面圖。
第5圖係繪示採用第1圖所繪示的微型流道裝置以及一個具有直線形流道的微型流道裝置之比較例1，對二種不互溶的反應流體進行混合測試的結果影像分析圖。
第6圖係繪示採用第1圖所繪示的微型流道裝置以及一個具有心形玻璃流道的微型流道裝置之比較例2，對二種不互溶的反應流體進行混合測試的結果影像分析圖。
第7圖係繪示用來進行混合氣進行模擬分析的微型流道裝置二種實施例與三種比較例的結構俯視平面圖。
本說明書是提供一種微型流道裝置，藉由流道結構的改良來提高流體中不同成分的混合與反應效率。為了對本說明書之上述實施例及其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉複數個較佳實施例，並配合所附圖式作詳細說明。
但必須注意的是，這些特定的實施案例與方法，並非用以限定本發明。本發明仍可採用其他特徵、元件、方法及參數來加以實施。較佳實施例的提出，僅係用以例示本發明的技術特徵，並非用以限定本發明的申請專利範圍。該技術領域中具有通常知識者，將可根據以下說明書的描述，在不脫離本發明的精神範圍內，作均等的修飾與變化。在不同實施例與圖式之中，相同的元件，將以相同的元件符號加以表示。
請參照第1圖，第1圖係根據本說明書的一實施例所繪示的一種微型流道裝置10的結構俯視平面圖(plan view)及其局部結構放大圖。在本說明書的一些實施例中，微型流道裝置10包括至少一個反應流體入口(例如，反應流體入口11A和11B)、至少一個流道單元(例如，上游流道單元12和下游流道單元12’)以及至少一個反應流體出口16。
以上游流道單元12為例，其包括一個混合元件121以及一個噴流元件122。混合元件121，包括：用來導入第一流體13的第一流入通道121A以及用來導入第二流體14的第二流入通道121B。噴流元件122包括一個漸縮部122A和一個擴張部122B。其中漸縮部122A的一端連通第一流入通道121A和第二流 入通道121B，漸縮部122A的另一端連通擴張部122B。且漸縮部122A具有介於0.1至0.75之間的內徑收縮比例，以容許第一流體13和第二流體14通過漸縮部122A和擴張部122B後產生混合噴流15。
例如，在本實施例中，漸縮部122A和擴張部122B分別為一個中空錐殼體結構，具有一端面積較大的，越往另一端面積漸縮的外型。其中，漸縮部122A和擴張部122B二者分別以面積較小的一端相互連通，構成具有一貫通軸S的通道結構。換言之，漸縮部122A之中空錐殼體結構具有複數個垂直貫通軸S的截面，而這些截面的面積越往擴張部122B方向越小。而用來計算漸縮部122A(或擴張部122B)之內徑收縮比例的內徑，即是指漸縮部122A(或擴張部122B)垂直貫通軸S之截面內最大的直線長度，並以漸縮部122A(或擴張部122B)兩端截面的最大長度來計算內徑收縮比例，即以漸縮部122A(或擴張部122B)中最大截面與最小截面的最大長度做計算。在本實施例中，具有中空錐殼體結構之漸縮部122A(或擴張部122B)的截面為圓形。因此，計算漸縮部122A(或擴張部122B)之內徑收縮比例，即是用中空錐殼體結構的內圓直徑計算。但在其他實施例中，漸縮部122A(或擴張部122B)垂直貫通軸S的複數個截面可以是其他形狀，例如矩形、三角形、菱形、邊長相等或不相等的多邊形，或其他規則或不規則的其他平面，用來計算漸縮部122A(或擴張部122B)之內徑收縮比例的內徑，即是指這些平面內最大的直線長度。
在一些實施例中，漸縮部122A除了具有介於0.1至0.75之間的內徑收縮比例外，還具有介於15°至小於90°之間的收縮角度θ2(任一兩側壁的夾角)，其中漸縮部122A的內徑收縮比例和收縮角度並不以此為限。在一些實施例中，漸縮部122A具有介於0.2至0.5之間的內徑收縮比例，以及介於15°至45°之間的收縮角度θ2。在一些實施例中，擴張部122B具有介於0.1至0.75之間的內徑收縮比例，以及介於15°至小於180°之間的收縮角度(未繪示，任一兩側壁122S的夾角)。在一些實施例中，擴張部122B具有介於0.2至0.5之間的內徑收縮比例，以及介於90°至小於180°之間的收縮角度(未繪示)。
在本實施例中，如第1圖所繪示，反應流體入口11A(或11B)可以是一種連接反應流體源(未繪示)的一個管道入口。值得注意的是，第一流體13和第二流體14僅分別代表在第一流入通道121A和第二流入通道121B中流動的流體，並未限定其該流體的內容物及來源。
例如，在本說明書的一些實施例中，第一流體13和第二流體14可以是經由於同一個反應流體入口11A(或11B)，注入上游流道單元12，再被第一流入通道121A和第二流入通道121B分流再匯流的相同反應流體；或者是在不同時間，由同一個反應流體入口11A(或11B)注入上游流道單元12的兩種不同反應流體；也可以是同時分別由不同反應流體入口11A和11B注入上游流道單元12的兩種不同反應流體。
請再參照第1圖，混合元件121的第一流入通道121A和第二流入通道121B，可以是連通反應流體入口11和噴流元件122的通道結構。在本實施例中，第一流入通道121A和第二流入通道121B的通道結構可以構成一個菱形圖案。其中，反應流體入口11A和11B與混合元件121的第一流入通道121A和第二流入通道121B在菱形圖案的一個頂點上相互連通；噴流元件122的漸縮部122A與混合元件121的第一流入通道121A和第二流入通道121B在菱形圖案的另一對應頂點相互連通，使得第一流體13和第二流體14可以匯流產生對撞效果。
但反應流體入口11A和11B、混合元件121以及噴流元件122的連通方式並不以此為限。任何可以藉由不同管道引導一種或複數種反應流體匯流至噴流元件122的漸縮部122A的通道結構，例如第一流入通道121A和第二流入通道121B可分別經由相同平面、或者不同平面產生匯流對撞，都未超過本說明書所述混合元件121的精神範圍。
請再參照第1圖，每一個流道單元(以上游流道單元12為例)中的噴流元件122可以是一條內徑由寬變窄(漸縮部122A)，再由窄變寬(擴張部122B)的通道結構。在本實施例中，漸縮部122A和擴張部122B之間，是藉由一個連接面122C彼此相連。漸縮部122A的內徑，係由與第一流入通道121A和第二流入通道121B的連接處，往連接面122C逐漸縮減。擴張部122B 的內徑，則遠離連接面122C而逐漸擴大，進而與下游的另一個流道單元12’的混合元件121連通。
在本說明書的一些實施例中，第一流體13和第二流體14在進入上游流道單元12的噴流元件122之前會先進行一次的匯流碰撞。當混合後的第一流體13和第二流體14通過上游流道單元12之噴流元件122的漸縮部122A和擴張部122B時，因為漸縮部122A流道尺寸的急遽限縮，而擴張部122B的流道尺寸又急遽擴張，會使第一流體13和第二流體14產生強大的剪切力(shear power)和劇烈混合效果，進而產生混合噴流15。可以將對第一流體13和第二流體14中不同的成分打散與再混合。
接著，通過漸縮部122A和擴張部122B後所產生的混合噴流15，可以被下游流道單元12’之混合元件121的第一流入通道121A’和第二流入通道121B’分流，而形成混合噴流15A和15B，並在進入下游流道單元12’的噴流元件122’之前，進行另一次的匯流碰撞。之後，再藉由下游噴流元件122’的漸縮部122A’和擴張部122B’進行另一次的噴流混合。如此反覆多次，可以大幅提升第一流體13和第二流體14中不同成分的有效碰撞頻率(即化學反應速率常數(reaction rate constant)的頻率因子(frequency factor))，快速達到化學反應活化能(activation energy)。進而，可以縮短化學反應時間，提升反應效率。
另外，噴流元件122的貫通軸S與擴張部122B的側壁122S夾有實質上小於90°的夾角θ1。例如，在本說明書的 一些實施例中，噴流元件122的貫通軸S與擴張部122B的側壁122S所形成的夾角θ1實質介於15°至89°之間，可以導引第一流體13和第二流體14在通過漸縮部122A和擴張部122B之後所產生的混合噴流15沿著平行貫通軸S的方向遠離擴張部122B，而不會產生向後回流的現象。在本實施例中，噴流元件122的貫通軸S與擴張部122B的側壁122S所形成的夾角θ1約為15°。
構成流道單元12(至少包括混合元件121和噴流元件122)的材料，可以選自於由金屬材料(例如，金、銀、銅、鐵、不鏽鋼、鈦、鋁或上述之合金組合)、半導體材料(例如，矽、矽氧化物、氮化矽、碳化矽等)、陶瓷材料(例如，氧化鋁)及高分子材料(例如，聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide，PPS)、聚氟化二乙烯(Poly-Vinylidene Fluoride，PVDF)、聚醚醚酮(Poly-Ether-Ether-Ketone，PEEK)等)所組成的一族群。但構成流道單元12的材料並不以此為限，任何可用來建構上述流道單元12之結構，且能承受介於0.01bar至200bar之間的操作壓力的任何材料，都未超出本發明的精神範圍。
流道單元12的結構並不以此為限，例如請參照第2圖，第2圖係根據本說明書的另一實施例所繪示的一種微型流道裝置20的局部結構俯視平面放大圖。微型流道裝置20的結構大致與第1圖所繪示的微型流道裝置10相似。差別在於，微型流道裝置20中流道單元(例如上游流道單元22或下游流道單元22’)的噴流元件222可以更包括一個噴射通道222C，位於漸縮部 222A和擴張部222B之間。在本實施例中，噴射通道222C可以是一條連接漸縮部222A和擴張部222B的管狀通道，其內徑實質上與漸縮部222A的最小內徑相等；噴射通道222C的長度P實質介於2至30mm之間，噴射通道222C的寬度與漸縮部222A最寬部的比例實質介於0.1至0.75之間。
又例如，請參照第3圖，第3圖係根據本說明書的又一實施例所繪示的一種微型流道裝置30的局部結構俯視平面放大圖。微型流道裝置30的結構大致與第1圖所繪示的微型流道裝置10相似。差別在於，微型流道裝置30中流道單元32之混合元件321的外形與第1圖所繪示的混合元件121不同。在本實施例中，混合元件321的第一流入通道321A和第二流入通道321B所構成的是一個剷狀形圖案，而非菱形圖案。其中，噴流元件322的貫通軸S與第一流入通道321A(或第二流入通道321B)的側壁321S所形成的夾角θ3介於15°至89°之間。在本實施例中，噴流元件322的貫通軸S與第一流入通道321A之側壁321S的夾角θ3可以約為85°。
換言之，第一流體13和第二流體14在通過上游流道單元32的漸縮部322A和擴張部322B所產生的混合噴流15，在進入具有剷狀形圖案的下游流道單元32’之後，並未直接沿著平行貫通軸S的方向遠離上游流道單元32的擴張部322B。而是先往垂直貫通軸S的方向遠離擴張部322B，待碰撞到下游流道單元32’之混合元件321’的側壁321S後再沿著平行貫通軸S的方 向遠離擴張部322B。不過，由於噴流元件322的貫通軸S與第一流入通道321A之側壁321S的夾角θ3仍小於90°，因此混合噴流15仍不會產生向後回流的現象。
在本說明書的其他實施例中，流道單元32之混合元件321的外形還可以是其他形狀，例如弧型、三角型、多邊形等。只要符合下游流道單元32’之混合元件321’的側壁321S(或側壁外側切線)與貫通軸S所形成的夾角θ3實質介於15°至89°之間的條件者，都未超出本發明的精神範圍。
請再參照第1圖，微型流道裝置10可以包括複數個與相互串連導通的流道單元(例如流道單元12和12’)。如第1圖所繪示，上游流道單元12A中噴流元件122的擴張部122B與下游流道單元12’中的第一流入通道121A’和第二流入通道121B相連通，將通過上游漸縮部122A和擴張部122B後產生的混合噴流15加以分流引導。之後，再將被分流的混合噴流15引導至下游流道單元12’的漸縮部122A’匯合，並在通過下游流道單元12’的漸縮部122A’和擴張部122B’後產生另一個混合噴流15’。其中，相鄰的流道單元12和12’可以彼此直接連通，也可以藉由一個通道17相互連通。藉由多次的分流、匯流與噴流，可以達成使第一流體13和第二流體14激烈混合的效果。
在本說明書的一些實施之中，用來連通相鄰上游流道單元12和下游流道單元12’的通道18之中，可以包括至少一個噴流元件181。噴流元件181包括一個漸縮部181A和一個擴 張部181B。其中漸縮部181A的一端連通上游流道單元12的擴張部122B，漸縮部181A的另一端連通擴張部181B；擴張部181B則連通下游流道單元件12’的第一流入通道121A’和第二流入通道121B’。噴流元件181的功能大致與前述噴流元件122類似，不在此贅述。
另外，雖然第1圖、第2圖和第3圖所繪示用來建構微型流道裝置10、20或30的流道單元12、22和32，皆由規律排列，並彼此串連的菱形圖案所構成，但在其他實施例中，微型流道裝置40的流道單元42也可以包括其他種類的圖案。另外，微型流道裝置40也可以包括另一個反應流體入口41A、41B、或41C。請參照第4圖，第4圖係根據本說明書的再一實施例所繪示的一種微型流道裝置40的結構的俯視平面圖。
第4圖所繪示的微型流道裝置40大致與第1圖所繪示的微型流道裝置10類似，差別在於微型流道裝置40可以包括另一個反應流體入口(例如，反應流體入口41A、41B、和41C)；且微型流道裝置40可以至少包括二種具有不同圖案的流道單元(例如，流道單元12、22和32)以不規律的方式排列組合而成。如第4圖所繪示，微型流道裝置40包括菱形圖案的流道單元12、具有噴射通道222C的流道單元22，以及具有鏟形圖案的流道單元32。這些流道單元12、22和32可以藉由規律或不規律的排列方式彼此串連，或者是利用通道17、通道18或二者的組合，根據製程或實驗的需要進行組裝。
另外，除了反應流體入口11A和11B之外，微型流道裝置40的反應流體入口41A、41B和41C，可以在微型流道裝置40的中間位置連接不同或相同的反應流體源(未繪示)，以分別提供不同或相同的第一流體13和第二流體14。在本說明書的一些實施例中，在微型流道裝置40中進行混合的第一流體13、第二流體14(包含混合噴流15、15A和15B)可以分別為氣體、液體或二者的組合。在本實施例中，第一流體13和第二流體，可以是一種雷諾數(Reynolds number)介於0.1至10,000之間的流體。
請參照第5圖，第5圖係繪示採用第1圖所繪示的微型流道裝置10以及一個具有直線形流道的微型流道裝置50之比較例1，對二種在一般狀態下不互溶的反應流體進行混合測試的結果影像分析圖。其中，微型流道裝置10和微型流道裝置50是在相同入口條件(例如，流速為每秒鐘0.67公尺(m/s))，與相同流道寬度(例如，2毫米(mm))。影像中不同顏色的刻度，分別代表反應流體的混合效率指標RMI。在本實施例中，反應流體的混合效率指標RMI的定義以下述公式表示：
式中RMI為絕對混合指標(absolute mixing index)，其值介於0與1之間，0代表完全為混合，1表示完全混合，Ii為混合 流體的訊號(例如，濃度)強度，I0i為未混合時的訊號強度，<I>為平均訊號強度。
在本說明書的一實施例中，採用每秒10公分(cm/s)的入口速度，將水與甲苯分別由反應流體入口11A和11B注入上游流道單元12中，觀察其達到穩態後混合狀況。由第5圖可以看出，具有直線形流道的微型流道裝置50在穩定操作時，二種不互溶相的反應流體分別沿管壁兩側流動，彼此並未混合，其混合指標相當低下，約為0.1。相反的，在本案實施例1所提供的微型流道裝置10中，二種不互溶相的反應流體在通過上游流道單元12和第三個下游流道單元12’之後，其混合效率指標已達到0.95以上。這顯示：本案實施例1所提供的微型流道裝置10可以使二種不互溶相的反應流體激烈混合，以增進二種反應流體中的化學成分的混合效果與分子之間的交互碰撞機率，有效提高反應速率。
請參照第6圖，第6圖係繪示採用第1圖所繪示的微型流道裝置10以及一個具有心形玻璃流道的微型流道裝置60之比較例2，對二種在一般狀態下不互溶的反應流體進行混合測試的結果影像分析圖。由第6圖可以看出，比較例2的微型流道裝置60和本案實施例1所提供的微型流道裝置10，皆可使二種不互溶相的反應流體激烈混合，達到有效提高反應流體之反應速率的目的。不過，相較於比較例2具有心型流道，且材料限定為玻璃的微型流道裝置60。本案實施例所提供的微型流道裝置10， 不僅結構相對單純，且適用於各種材料進行加工，因此具有相當大的製程良率與成本優勢，有利於微型流道技術的推廣。
後續採用第1圖和第3圖所繪示的微型流道裝置10和30的實施例，以及分別具有菱形、連續菱形和圓形流道的三種習知微型流道裝置71、72和73的比較例(如第7圖所繪示)，分別由各個微型流道裝置的二個流體入口注入相對濃度為1.0單位與0單位的二種不同成分之流體(例如液體A和B)，入口速度分別為1公分/每秒(cm/s)和5公分/每秒(cm/s)，經過50毫米(mm)流道之後，以流體力學對不同混合氣進行模擬分析，以得到二種不同成分之流體的相對濃度差異。試驗參數和分析結果如下表1所示：
其中，濃度差異的數值越低，表示混合效率越高。由模擬分析可以看出，流體A和B在通過本說明書所提供的微型流道裝置10和30(實施例1和2)後，二者的濃度差異約在0.060至0.231之間。而流體A和B在通過比較例3、4和5的三個微型流道裝置71、72和73後，二者的濃度差異約在0.337至0.517之間。顯示，本說明書所提供的微型流道裝置10和30(實施例1和2)具有較佳的混合效率。
在本說明書的一些實施之中，可以將本案實施例1所提供的微型流道裝置10實際應用於醫藥中間體TA-IM2(如下述化學結構式)合成技術上。
例如，將加入溶於二氯甲烷(Dichloromethane，DCM)中的TA-IM1、與三乙胺(triethylamine，Et3)及溶於二氯甲烷的氯乙酰氯(chloroacetyl chloride，CAC)同時注入微型流道裝置10。並將相同的樣品注入非採用微型流道結構的批次反應/混合器(Batch Reactor，未繪示)中，當作比較例6。之後，將反應液加入濃度為10%的碳酸鉀(K2CO3)中，再用二氯甲烷做萃取2次之後過濾，使用液相層析(Liquid Chromatography，LC)技術對蒐集到的固體產物進行分析。
分析結果如下表2所示：
其中，IM1為反應物；IM2*為反應副產物；IM2為目標產物。由實驗結果顯示：使用本案實施例1所提供的微型流道裝置10進行該反應，可以大幅縮短反應滯留時間，加速反應和減少反應副產物，達到提升反應轉化率的目的。另外，與採用非微型流道結構的批次反應/混合器(如比較例6所述)相比，本案實施例1所提供的微型流道裝置10具有縮小反應器體積，以及提高質熱傳效率的優勢，可以使化學反應在室溫中(反應溫度為20℃)進行，而無須額外進行溫控，即可以維持反應溫度恒定。
根據上述實施例，本說明書是在提供一種微型流道裝置，其至少包括一個混合元件和一個噴流元件，利用混合元件的第一流入通道和第二流入通道來導入反應流體，並使反應流體通過噴流元件中相互連通的一個漸縮部和一個擴張部來形成一道混合噴流。其中，漸縮部具有特定內徑收縮比例。藉由混合元件的引導，可以控制反應流體的流動方向，以使反應流體中不同成分先進行充分的對撞混合。接著，藉由噴流元件使反應流體產生形成微型噴流，當反應流體通過漸縮部時，會對流體中的化學成分產生剪力分割，而在通過擴張部時，又將其再結合而產生重疊與拉伸的效果，藉此，進而提升流體中不同成分的混合與反應的效率。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何該技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (16)

  1. 一種微型流道裝置，包括：一第一混合元件，包括：一第一流入通道，用來導入一第一流體；以及一第二流入通道，用來導入一第二流體，其中該第一流入通道與該第二流入通道具有相關連通的一連接點；一第一噴流元件，包括一第一漸縮部和一第一擴張部，其中該第一漸縮部的一端連通該第一流入通道和該第二流入通道的該連接點，該第一漸縮部的另一端連通該第一擴張部；且該第一漸縮部具有介於0.1至0.75之間的一第一內徑收縮比例，以容許該第一流體和該第二流體通過該第一漸縮部和該第一擴張部產生一第一混合噴流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微型流道裝置，其中該第一噴流元件包括一噴射通道，位於該第一漸縮部和該第一擴張部之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微型流道裝置，其中該第一漸縮部和該第一擴張部之間，藉由一連接面彼此相連。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之微型流道裝置，其中該第一漸縮部還具有介於15°至小於90°之間的一第一收縮角度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之微型流道裝置，其中該第一擴張部具有介於0.1至0.75之間的一第二內徑收縮比例。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之微型流道裝置，其中該第一噴流元件具有一貫通軸，該第一擴張部具有一側壁，且該側壁與該貫通軸夾有小於90°的一夾角。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之微型流道裝置，其中該第一流入通道和該第二流入通道構成一菱形圖案。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之微型流道裝置，其中該第一流入通道和該第二流入通道構成一剷狀形圖案。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之微型流道裝置，其中該第一噴流元件具有一貫通軸，該貫通軸與該第一流入通道的一側壁所形成的夾角介於15°至89°之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之微型流道裝置，更包括：一第二混合元件，包括：一第三流入通道，用來連通該第一擴張部，以分散並導引該第一混合噴流；以及一第四流入通道，用來連通該第一擴張部，以分散並導引該第一混合噴流；以及一第二噴流元件，包括一第二漸縮部和一第二擴張部，其中該第二漸縮部的一端連通該第三流入通道和該第四流入通道，該第二漸縮部的另一端連通該第二擴張部，以容許該第一混合噴流通過該第二漸縮部和該第二擴張部產生一第二混合噴流。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之微型流道裝置，更包括一第三噴流元件，具有一第三漸縮部和一第三擴張部，其中該第三漸縮部的一端用來連通該第二噴流元件，該第三漸縮部的另一端連通一第三擴張部，該第三擴張部連通一第三混合元件。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之微型流道裝置，其中該第一混合元件更包括一第五流入通道，用來導入一第三流體以通過該第一漸縮部和該第一擴張部產生該第一混合噴流。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之微型流道裝置，其中構成該第一混合元件和該第一噴流元件的一材料，係選自於由一金屬材料、一半導體材料、一陶瓷材料、一高分子材料所組成的一族群。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之微型流道裝置，其中該第一流體和該第二流體係分別選自於由一氣體、一液體及其組合所組成的一族群。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之微型流道裝置，其中該第一流體和該第二流體具有一雷諾數，介於0.1至10,000之間。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之微型流道裝置，其中該第一混合元件和該第一噴流元件具有一操作壓力，介於0.01bar至200bar之間。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112403412A (zh) * 2020-09-29 2021-02-26 合肥通用机械研究院有限公司 一种微反应器和用于微反应器的强化混合结构
CN113976903B (zh) * 2021-10-18 2023-04-07 昆明理工大学 一种连续化还原制备微米级片状银粉的方法
CN115845761B (zh) * 2022-11-22 2024-04-02 大连海事大学 一种微通道反应板

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200531922A (en) * 2004-03-18 2005-10-01 Sentelic Corp Micro circulating flow channel device manufactured by lead frame

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6270641B1 (en) * 1999-04-26 2001-08-07 Sandia Corporation Method and apparatus for reducing sample dispersion in turns and junctions of microchannel systems
DE19961257C2 (de) 1999-12-18 2002-12-19 Inst Mikrotechnik Mainz Gmbh Mikrovermischer
CN1898016A (zh) 2003-11-21 2007-01-17 株式会社荏原制作所 采用液体的微芯片装置
TWI230683B (en) 2004-04-19 2005-04-11 Jing-Tang Yang The micromixer with overlapping-crisscross entrance
TWI270412B (en) 2005-04-27 2007-01-11 Univ Nat Cheng Kung Integrated micro-mixing atomization system
US7837379B2 (en) * 2007-08-13 2010-11-23 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Devices for producing a continuously flowing concentration gradient in laminar flow
US8622606B2 (en) 2007-09-25 2014-01-07 State Of Oregon Acting By And Through The State Board Of Higher Education On Behalf Of Oregon State University Micro-channels, micro-mixers, and micro-reactors
TW200940162A (en) 2008-03-18 2009-10-01 Jing-Tang Yang A micromixer and microreactor with split-and-recombination and chaotic mechanisms
JP4661942B2 (ja) * 2008-05-13 2011-03-30 ソニー株式会社 マイクロチップとその流路構造
US8430558B1 (en) 2008-09-05 2013-04-30 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Microfluidic mixer having channel width variation for enhanced fluid mixing
EP2172260A1 (en) 2008-09-29 2010-04-07 Corning Incorporated Multiple flow path microfluidic devices
US8187553B2 (en) 2010-04-23 2012-05-29 Empire Technology Development Llc Microreactors
TW201302299A (zh) 2011-07-15 2013-01-16 Univ Nat Cheng Kung 微型混合元件

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200531922A (en) * 2004-03-18 2005-10-01 Sentelic Corp Micro circulating flow channel device manufactured by lead frame

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