使用微装置的流体混合反应促进方法及微装置制造方法及图纸

一种微装置，通过将多个流体作为薄膜层流循环将这些流体通过各流体供给通道加入到一个微通道中而进行混合反应，用于通过将振动频率５０Ｈｚ或者更大以及１ｋＨｚ或者更小的振动频率上振动的亚低频振动传送给流经微通道内部的流体而沿流体的微通道纵向引起速度变化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及使用微装置的流体混合反应促进方法以及微装置，尤其涉及使用微装置的流体混合反应促进方法以及能够促进流体混合反应的微装置，所述流体流经微通道的内部，而不需要复杂的微通道结构和延展所述微通道。
技术介绍
由于近年来处理技术的发展，可以采用非常良好的精度和较低的成本来执行微制造，例如微尺寸的混合装置(微搅拌器)和化学反应器(微反应器)的装置的研发以及微TAS(全分析系统芯片上之试验室)以及微量化学设备进展迅速。这些提供有具有微米数量级宽度的开口的微小空间(此后称为“微通道”)的装置混合多种流体或者通过伴随混合执行反应，这些开口连接到多个细流体供给通道(pass)。公知的是上述提及的例如微混合器、微装置、微TAS以及微量化学设备具有上述基本微通道的结构，因此，这些装置将在本专利技术中统称为微装置。微装置具有批量级操作所不具有的独特的优点，例如操作能力，例如通过混合小量试样或者多种流体的混合反应在较短的时间中的离解、分析和萃取，以及能够迅速应用于需要加工车间型生产的化学制造的能力，由于较小的装置而计数(numbering-up)的容易性以及能够应用于例如爆炸的危险反应的能力。尽管用作这些微装置的基础的微通道中的流体通常出于层流状态，但是其效率较低，因为流体的混合反应在此情况下只是通过分子的扩散来进行。因此，除了需要较长时间的熟化混合反应的情况之外，在大多数的混合反应中需要用特定的方法在较短的时间终结混合反应。因此，实际上阐明微通道中流场中的流体混合反应机制并提出促进混合反应的方法是非常重要的。在反应剂没有被预先混合的状态中反应剂在流场中相互完全隔离地供给时，即，在所谓的初始阶段，化学反应通过包含各反应剂的流体的接触介面区域中的分子扩散进行。因此，为了促进通常实际的反应器中的流体混合和化学反应，不仅对于材料能够多快被传输很重要，而且接触介面如何复杂地进行变形也很重要。但是，由于作为流场的微通道中的流体处于层流状态，接触介面不复杂，因此，注意点必须移至怎么争取材料的分子扩散的时间。出于此原因，对于传统微装置，被动方法被采用作为促进流体混合反应的途径，所述被动方法通过复杂化通道形状并延展通道来增加流体接触时间和流体之间的接触界面(例如PCT国际出版物WO99/44736，以及PCT国际出版物WO02/089965)。
技术实现思路
但是，如上所述，由于开口宽度是微装置的微通道中的微米级的微小空间，在微通道的形状复杂或者变长时，反应产物粘附到微通道的壁表面上，并且污垢很容易产生。因此，由于很容易产生例如微通道，微装置的缺陷是维护变得困难。此外，由于使用此被动方法时微通道内的流体是层流，材料传输的驱动力只是材料的分子扩散，这在促进混合反应的效果时也是有限制的。本专利技术考虑到这些情况而设计，目的在于提供使用微装置的流体混合反应促进方法以及可以指数地促进流体的混合与反应的微装置，所述流体流经微通道的内部，而不会使微通道结构复杂化和延展所述微通道。在致力于研究微装置中的混合反应促进技术之后，本专利技术人发现多个流经微通道内部的流体混合的混合百分比与流体流经微通道内部的流体在微通道纵向上的速度变化之间存在紧密关系，因此可以通过促进速度变化的强度而获得大致完美的混合比率。此外本专利技术人发现为了促进速度变化的强度，优选地向流经微通道内部的流体传递振动频率至少50Hz并小于1KHz的亚低频振动，更为优选地，向流经微通道内部的流体传递50Hz和300Hz或者更小的振动频率传递给流经微通道内部的流体，本专利技术基于上述知识设计。本专利技术的第一方面是使用微装置的流体混合反应促进方法，所述微装置通过将这些流体在将这些流体通过各流体供给通道之后加入到一个微通道中而使得多个流体混合反应，包括在流体中的微通道纵向上通过将50Hz或者更大并小于1kHz的亚低频振动传送给流经上述微通道内部的流体而引起速度变化。此处，混合反应不仅包括混合流体的情况和伴随混合促进反应的情况，而且包括通过执行混合或者混合反应最终实现分离、分析或者萃取材料的情况。根据本专利技术的第一方面，通过将至少50Hz或者更大并小于1kHz的亚低频振动传送给流经上述微通道内部的流体，在流体中流速沿微通道纵向发生变化。这就可能通过此微通道纵向上的流体的速度变化而指数地促进多个流体的混合程度，所述流体流经微通道的内部。因此，可以指数地促进流经微通道的内部的流体的混合和反应，而不用使微通道结构复杂化或者延展所述微通道。本专利技术的第二方面的特征在于，振动频率是至少50Hz以及300Hz或者更小。由此可以实现振动源小型化和能量消耗的减小，这在振动源被安装到微装置上时是很重要的，由此就可能使用例如模型用小型电机。本专利技术的第三方面的特征在于还包括基于对流体引起的变化的速度变化强度定量评价微通道中的混合状态，通过uf(t)的平方的时间平均开平方根而限定速度变化强度uf2‾]]>其中uf(t)表示在时间t沿微通道纵向流经微通道的内部的流体的速度变化；基于评估结果，在至少50Hz和小于1kHz的频率范围内控制振动频率，这样速度变化强度可以被最大化。本专利技术的第三方面是在使用第一方面的微装置通过速度变化强度执行流体混合反应促进方法时在微通道中定量评估流体的混合状态，并控制振动频率，这样速度变化强度由评估结果变为最大。即，由于可以定量通过速度变化强度定量获得混合状态，所述速度变化强度直接控制流经微通道的内部的流体混合程度，这就可能准确评估微通道中的流体混合程度。因此，即使微通道中的流体混合比率由于将被使用的流体的物理属性、条件等的不同而不同，在使用第一方面的微装置的流体混合反应促进方法被执行时，就可以在50Hz或者更大以及小于1kHz的范围之内的振动频率上控制振动频率，通过调查速度变化强度，在所述范围上，混合程度最为理想。在此情况下，振动频率可以被控制，这样在用于无量纲分析中在微通道的横截面中用速度变化强度除以平均流速可以变为25或者更大，优选地，为30或者更大。本专利技术的第四方面的特征在于还包括通过振动连接到流体供给通道的管而在流经微通道的内部的流体中引起速度变化；基于管的振动速度变化强度定量评估微通道中的混合程度，振动速度变化强度通过ut(t)的平方和vt(t)的平方的时间平均值的和的平方根限定ut2‾+vt2‾]]>其中ut(t)和vt(t)分别表示所述管的水平速度变化和所述管的垂直速度变化，它们是分别通过执行所述管在水平方向和垂直方向中的位移的时间微分而获得；并且基于评估结果，控制振动频率在至少50Hz和小于1kHz的频率范围中，这样可以使得速度变化强度最大化。通过振动分别连接到流体供给通道的管，第四方面通过在通过在流经微通道的流体中引起速度变化而执行流体混合反应促进方法时通过振动速度变化强度定量评估微通道中的流体的混合状态，并控制振动频率，这样振动速度变化强度可以基于所评估的结果最大化。即，由于可以通过与第三方面中所述的速度变化强度有清晰相关性的管的振动速度变化强度而定量获得所述混合状态，这就可能准确地评估微通道中的流体的混合状态。因此，即使微通道中的流体混合比率由于将被使用的流体的物理属性、条件等的不同而不同，在使用第一方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用微装置的流体混合反应促进方法，所述微装置通过将这些流体通过各流体供给通道之后加入到一个微通道中而使得多个流体混合反应，包括：通过将振动频率为至少５０Ｈｚ并小于１ｋＨｚ的亚低频振动传送给流经上述微通道内部的流体而在所述流体中沿 微通道纵向引起速度变化。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：小森悟，伊藤靖仁，
申请(专利权)人：富士胶片株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]