专利名称：使用微装置的流体混合反应促进方法及微装置的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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，这些装置将在本发明中统称为微装置。
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)。
发明内容
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。
本发明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，本发明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。此外本发明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，本发明基于上述知识设计。
本发明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。
根据本发明的第一方面，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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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，在使用第一方面的微装置的流体混合反应促进方法被执行时，就可以在至少50Hz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，这样在用于无尺寸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50或者更大，优选地，为60或者更大。
此外，为了实现上述目标，本发明的第五方面是一种微装置，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，包括速度变化引发装置，其在流经上述微通道的内部的流体中沿上述微通道纵向引起速度变化。
根据本发明的此方面，由于提供了用于沿微通道的纵向将速度变化引入流经微通道内部的流体中的装置，就可以指数地促进流经微通道内部的多个流体的混合程度。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，而不用使得微通道的结构复杂化或者延展所述微通道。
本发明第六方面的特征在于，速度变化引发装置包括多个管，所述管分别连接到多个流体供给通道，并将各流体供给到流体供给通道；以及亚低频振动产生装置，所述亚低频振动产生装置在至少多个管之一中产生亚低频振动，所述亚低频的频率至少为50Hz，而小于1kHz。
第六方面显示了优选的速度变化引发装置，各管连接到多个流体供给通道，至少为50Hz而小于1kHz的亚低频振动产生在此管中。考虑到流经微通道的内部的流体的混合反应的促进机制，由于此原因，在管中产生至少为50Hz和小于1kHz的频率上的亚低频振动以在管中引起流体的压力变化，并通过在微通道中传播压力变化作为亚低频变化而在微通道中引起较强的速度变化。考虑到通过靠近多个流体通过此强速度变化而加入微通道的接头处由于不稳定性而促进混合反应。
本发明第七方面的特征在于，亚低频振动产生装置包括一对支撑件，所述支撑件沿纵向以预定的间隙支撑多个管中的至少一个管；具有悬臂结构的振动梁，其设置在所述一对支撑件之间，并支撑半空中的至少一个管；以及小型电机，所述小型电机安装在振动梁的前端部分并围绕电机轴，偏心锤安装在电机轴上，其中通过上述小型电机旋转上述偏心锤而用上述振动梁一体振动上述小型电机，机械振动传输给被上述振动梁支撑的所述管。
第七方面显示了用于在管中用至少为50Hz和小于1kHz的频率产生亚低频振动的优选亚低频振动产生装置，并通过振动梁的支撑，通过例如模型用的小型电机的偏心锤的旋转，在管中机械产生亚低频振动，所述偏心锤放置在其自己的电机轴上。只要其是在流经微通道的流体中能够产生至少为50Hz以及小于1kHz的频率的亚低频振动的亚低频振动产生装置，就可以使用其它例如电磁混合器的装置，所述装置可以恒定频率执行开—闭操作。但是，如上所述，由于安装在微装置中的亚低频振动产生装置小且低耗能是很重要的，优选地采用这样的装置，所述装置可以将小型电机的振动与管的振动、偏心锤的旋转以及第七方面中的振动梁集成在一起。
本发明的第八方面的特征在于，上述微通道的开口宽度至少是10μm并且不超过1000μm。此具体显示了微小空间的微通道的优选开口宽度的尺寸。
如上所述，本发明的使用微装置的流体混合反应促进方法以及微装置可以指数地促进流经微通道内部的流体的混合以及伴宿混合的反应，而不用使微通道结构复杂化以及延展所述微通道。
通过参照附图对本发明的示意性实施例进行说明，本发明的上述以及其他目的和特征将变得明显，其中图1是根据本发明的微装置的结构示例的示意图；图2是微装置的主体的剖视图；图3是管的振动频率以及混合比率Φ的关系图；图4是测量微通道中的流体的浓度分布以及瞬间流速的测量装置的示意图；图5A显示了在没有对管振动时的微通道中的混合状态视图，图5B显示了微通道中在管中产生振动时以及在流经微通道的流体中传播振动的混合状态视图；图6显示了沿微通道的纵向流经微通道内部的流体的速度变化强度以及混合比率Φ的关系图；图7显示了管的振动速度变化强度与混合比率Φ的关系图；以及图8是速度变化强度以及振动速度变化强度之间的关系图。
具体实施例方式
此后，将参照
使用微装置的流体混合反应促进方法以及与本发明相关的微装置的示意性实施例。
图1显示了根据本发明的微装置10的示例的示意图，微装置10包括微装置的主体12以及引发装置16，引发装置16用于在纵向上引起流经微通道14内的流体L1和L2的速度变化的速度变化。
如图2中的剖视图所示，微装置的主体12主要通过微通道14形成为Y形通道，微通道14使得多个流体L1和L2混合或者伴随多个流体L1、L2作为薄膜层流循环而执行反应的，两个流体供给通道18A和18B将流体L1和L2供给到微通道14。然后，供给到流体供给通道18A和18B的流体L1和L2在交叉点20加入为一个微通道14，并执行混合反应，同时作为薄膜层流循环以将液体LM进行混合反应，所述液体LM将自微通道14的端部排出。尽管流体供给通道18的数目通过用于在微通道中执行混合反应的多个流体的数目确定，两种类型的流体L1、L2的示例将在此实施例中进行说明。流体L1和L2也包括液体、气体、固液混合物(其中金属细微粒分布在液体中)、固气混合物(其中金属细微粒分布在气体中)、气液混合物(其中气体分布在液体中而气体不溶解在液体中)。此外，这些不仅包括流体L1、L2的类型不同或者化学成分不同的情况，而且包括例如温度和固液比率不同的状态的情况。
微通道14是通道形状的微小空间，其径向的横截面是正方形，所述正方形的边长(W)形成为至少10μm但是不超过1000μm的范围中，并优选地在至少10μm并且不超过500μm的范围之中。此外，径向中的微通道14的横截面不限于正方形的形状，矩形、圆形或者其它形状也是足够的。作为为装置的主体12的润湿部分的材料，可以使用例如铁、铝、不锈钢、钛和不同的合金等金属材料以及例如碳氟化合物、丙烯酸树脂的树脂材料以及例如硅和玻璃的玻璃材料。
如图1中所示，两个用于通过速度变化引发装置16供给流体L1和L2的注射器22A和22B设置在微装置的主体12的两个流体供给通道18A和18B中。
速度变化引发装置16包括分别连接两个流体供给通道18A和18B以及两个注射器22A和22B的两个管24A和24B，以及亚低频振动产生装置17，亚低频振动产生装置17在管24A和24B中产生至少50Hz以及小于1kHz的亚低频振动。此外，亚低频振动产生装置17包括一对在纵向上支撑两个管24A和24B并保持间隙的支撑件26A和26B；具有悬臂结构的振动梁28，其设置在所述一对支撑件26A和26B之间并在所述一对上述支撑件26A和26B之间在空中支撑两个管24A和24B；以及小型电机30，所述小型电机30安置在振动梁28的端部，并具有电机轴30A，偏心锤32安装在所述电机轴30A上。如图1中的部分放大视图所示，自盘状重物的中心移动的偏心锤32的一部分通过小型电机30的电机轴30A支撑。由此，在偏心锤32通过小型电机30旋转时，小型电机30和振动梁32沿如图1所示的箭头的方向一体振动。因此，就可以将机械振动传递给通过振动梁32所支撑的管24A和24B。此外，将流体L1和L2供给到微装置的主体12的装置不限于注射器22A和22B，但是所述装置可以是供给小量的流体L1和L2之一的装置。
由于微装置10本身是极其小的装置，安装到微装置10上的小型电机30较小并且能耗较小，并可以优选地使用模型用小型电机30。此外，管24A和24B优选为弹性材料，所述弹性材料可以在所述管24A和24B在所述一对支撑件26A和26B之间振动时执行平稳振动，例如可以合适地使用橡胶管。在图1中，附图标记34表示激光位移计，用于测量通过振动梁28振动的管24A和24B的位移，并从所述测量获得振动频率和所述管24A和24B的水平(与微通道水平方向相同)和垂直位移。
为了通过由上述构成的微通道10实现本发明的流体混合反应促进方法，必须在流体L1和L2被供给到微装置的主体12之前，通过自两个注射器22A和22B将流体L1和L2经过两个管24A和24B供给到微装置的主体12以及通过驱动小型电机30振动所述振动梁28而以振动频率50Hz或者更多以及1kHz或者更小机械振动所述管24A和24B。由于通过这些管24A和24B的机械亚低频振动，使得亚低频振动在微通道14内的流体L1和L2中传播，速度变化沿微通道纵向引入到流体L1和L2中。由于此速度变化的缘故，流经微通道14的内部的流体L1和L2的混合反应被促进。
图3显示了通过上述微装置10的管24A和24B的振动频率和混合比率Φ之间的关系的曲线。对于混合比率Φ，对通过后面将说明的PLIF所测量的瞬间浓度分布图像进行数字处理，混合比率Φ＝0表示完全没有混合的情况，混合比率Φ＝1表示完全混合的情况。
根据图3，在所述管24A和24B的振动频率被放大时，曲线在50Hz附近迅速上升并显示在60Hz附近大致达到完全混合的状态。此完全混合的状态在频率变为1kHz或者更多时开始下落。通过此结果所示，通过在管24A和24B中产生50Hz或者更多以及小于1kHz的亚低频振动、在流经微通道14内的流体L1和L2中传播此亚低频振动，以及在流经微通道14内部的流体L1和L2中在微通道的纵向上引起速度变化而指数促进流体L1和L2的混合比率Φ。这是因为不太可能获得足够的混合性能，因为在微通道14中不可能获得较大的速度变化强度，因为即使在传播小于50Hz的振动频率中振幅较大，振动频率也是较小的。相反，在例如大于1kHz的振动频率中，数十kHz超声振动不能获得足够的混合性能，因为即使在振动频率较高时由于振幅变得极其小，而在微通道14中不太可能获得较大的速度变化强度。
只要其是在流经微通道14的流体L1和L2中能够产生至少50Hz或者并且小于1kHz的频率的亚低频振动的亚低频振动产生装置，就可以使用其它装置，例如可以恒定频率执行开—闭操作的电磁振荡器。但是，小型电机30，尤其是模型用小型电机30是优选的。作为安装在微装置10上的亚低频振动的振动源，振动源小且低耗能是很重要的，模型用小型电机30满足这些条件。此外，模型用小型电机30可以获得达到300Hz的振动频率。因此，可以用如上所提及的速度变化引发装置16的简单的结构在使用模型用小型电机30在50Hz或者更多以及300Hz或者更少来获得本发明的混合促进所必须的振动频率。
接着，将说明所述结果。作为图像拾取的试验结果显示了微通道14中的流体L1和L2的混合状态在速度变化引发装置16将振动传递给管24A和24B的情况下改变以及不改变的情况。
被测试的微装置的主体12的微通道14通过被丙烯酸板(1000μm厚度)所夹持的带槽不锈钢板(500μm厚度)所形成。此外，被用作微通道14在径向上具有正方形横截面，边长500μm，并在微通道14的纵向上具有长度(L)80mm。两种类型的流体L1和L2之间的蒸馏水以及包括若丹明荧光染料的蒸馏水自注射器22A和另外的注射器22B分别供给到微通道14以变为相同的流速(0.1mL/秒每注射器)。此时在微通道14中，横截面平均流速(U)为13.3毫米/秒，雷诺数Re是6.6，在没有给出振动时，形成在微通道14中的流体是层流。
然后，在将振动传递给管24A和24B的试验中，稳压直流电源被用于驱动小型电机30。支撑所述管24A和24B的振动梁28的振动频率通过将电压值自0V改变到2.5V而自17Hz改变到62Hz，所述电压值被供给到小型电机30。此时支撑在振动梁28上的所述管的峰值幅度是1.2mm。
此外，在没有传递振动给管24A和24B以及传递振动的情况下的微通道14中的流体L1和L2的混合状态通过测量微通道14中的临时浓度分布而得到分析。此外，通过振动测量了微通道14中所产生的流速，速度变化通过所述测量获得。
图4是测量装置35的示意图，其中可以获得浓度分布以及微通道14中的流体L1和L2的临时流速二维信息的PLIF(平面激光引导荧光方法通过使用平面激光的荧光方法进行的浓度测量)和微PIV(粒子图像速度表)被组合。PLIF系统被用于浓度场的测量，微PIV系统被用于微通道14中的流速场的测量。在图4中。附图标记12表示微装置的主体12，附图标记36表示微装置的主体12被放置在其上的测量台阶，附图标记38表示CCd相机，附图标记40表示光纤，附图标记42表示光源，附图标记44表示视觉透镜部分。同样在任何系统中，NdYAG激光被用作光源42。CCD相机38的分辨率是1280×1024(像素)，图像获取区域设置为0.9×0.7mm。在浓度测量中，如上所述，蒸馏水和若丹明水溶液被供给到微通道14中作为分别来自注射器22A的流体L1和来自注射器22B的流体L2。另一方面，在流速测量中，其中示踪粒子(直径0.96μm的聚苯乙烯微粒)被混合的蒸馏水被用作流体L1和L2。然后，浓度测量和流速测量在如上所述的Y型通道的交汇点20的下部的50mm处的位置上执行。在1Hz取样频率上用CCD相机38获取50个图像，并记录在计算机(未示出)中。通过使用PIV软件对这些图像执行统计处理，可以获得流经微通道14内部的流体L1和L2的浓度分布和速度变化。
在上述试验的结果中，图5A是在振动未被传递给管24A和24B的微通道14中的混合状态视图，图5B显示了在管24A和24B中产生振动并在流经微通道14内的流体L1和L2中以60Hz传递振动时微通道14中的混合状态视图。
如这些图所示，流经微通道14内部的流体被彻底分为示为在振动没有传递给所述管24A和24B时的白(流体L1)和黑(流体L2)的两层。相反，在60Hz振动在管24A和24B中产生时，并且60Hz振动在流经微通道14的流体L1和L2中传递时，一层中流经微通道14内部的两种类型的流体L1和L2如图所示作为整体在一层中彻底混合。此外，尽管没有说明，在1 7Hz的振动产生在管24A和24B中，17Hz振动被传递给流经微通道14的流体L1和L2，流体L1和L2与振动没有传递给管24A和24B的情况相似很难混合。
这样，根据本发明的使用微装置10的混合反应促进方法，通过在流经微通道14的内部的流体L1和L2中在50Hz振动频率或者更多以及小于1kHz传播亚低频振动，在流体L1和L2中沿微通道纵向引起速度变化。因此，可以指数地促进流经微通道的内部的流体L1和L2的混合与反应，而不需要使微通道结构复杂化和延展所述微通道。
在此实施例中，亚低频振动通过振动所述管24A和24B被传递到流经微通道14内部的流体L1和L2。但是，通过直接振动微装置的主体12，即微通道14本身而在流经微通道14内部的流体L1和L2中传递上述亚低频振动。此外，可以通过振动所有的多个管24A和24B而获得更好的混合比率Φ。但是，即使在所述多个管24A和24B之间振动其中一个，与没有振动时相比，也可以获得良好的混合比率Φ。
这样，通过在流经微通道14内部的流体L1和L2中传播亚低频振动以及在如上所述的微通道14中的微通道纵向中引起速度变化，流经微通道14内部的流体L1和L2的混合得到促进。但是，通过振动频率，混合效果受到较大影响。因此，为了在微装置10中开发混合反应促进技术，以充分的精度在微通道中测量浓度和流速并使得所述测量定量化是很重要的。此外，如上所述，在物理属性不同的不同种流体L1和L2的不同混合条件下或者反应条件下可以使用微装置10。但是，在执行本发明的流体混合方法时，可以预期混合比率Φ不是固定的并根据流体L1和L2的类型以及操作条件而改变。相应地，如果可以定量地获得微通道14中的混合状态，并在上述至少50Hz以及小于1kHz的范围之内控制振动频率至基于所获得的结果的最佳条件时，就可以使得混合反应的促进最优化。
由此，不仅为了评估直接控制流经微通道14内的流体L1和L2的混合性能的参数，而且使得所述参数和混合比率Φ之间的关系定量化，本发明人调查了微通道纵向流经微通道14的内部的流体L1和L2的速度变化强度与混合比率Φ之间的关系，以及所述管24A和24B的振动速度变化强度与混合比率Φ之间的关系。
在使用微PIV测量时时间t上在微通道纵向的速度变化为uf(t)，微通道纵向的速度变化强度被如下公式(1)限定，表示uf(t)的平方的时间平均的平方根的速度变化强度uf2‾---(1)]]>此外，在通过在水平方向(与微通道的纵向相同)和垂直方向执行所述管24A和24B的位移的时间微分而获得的所述管24A和24B的水平速度变化以及所述管24A和24B的垂直速度变化分别为ut(t)和vt(t)，所述管24A和24B的振动速度变化强度被下述公式(2)所限定，表示为ut(t)的平方和vt(t)的平方的时间平均的和的平方根的振动速度变化强度ut2‾+vt2‾---(2)]]>此外，所述管24A和24B的振动速度变化强度通过上述的激光位移计测量获得。此外，通过上述公式(1)和(2)所示的速度变化强度和振动速度变化强度被改变为微通道14中横截面平均流速(U)的无量纲强度。
图6显示了微通道纵向中流经微通道14的内部的流体L1和L2的速度变化强度以及混合比率Φ之间的关系。图6中的黑点(●)显示了在50至62Hz振动的管24A和24B的情况，标记(▲)显示了所述管24A和24B在17至20Hz振动或者完全没有振动时的情况。
从图6中清晰可见，通过所述管24A和24B的振动所引起的微通道纵向中速度变化强度和混合比率Φ之间有密切的关系。因此，在所述管24A和24B没有振动时，或者振动频率是20Hz或者更低，速度变化强度很小，混合比率Φ大约是0.1，流经微通道14内部的流体L1和L2很难混合。另一方面，在振动频率是50Hz时或者更大时，所述50Hz是本发明的振动频率的下限，速度变化强度增加，可以看出随着速度变化强度的增加混合比率Φ迅速升高。速度变化在靠近60Hz的振动频率上进一步升高，并在混合比率Φ＝1中靠近完全混合的状态。
如此结果中所示，直接控制流经微通道14内的流体L1和L2的混合比率Φ的参数是微通道纵向中的速度变化强度。在速度变化强度增大时，不仅混合比率Φ增大，而且速度变化强度也受流体L1和L2中所传输的振动频率的影响。然后，可以通过获得此速度变化强度在微通道14中定量评估微通道14中的混合状态。因此，在振动频率被控制到不小于50Hz并小于1kHz的频率范围之内的最佳条件时，这样可以使得评估的速度变化强度最大化，这就可以获得最佳的混合反应促进。在此情况下，从图6中，振动频率可以被控制，这样速度变化强度除以用于无量纲分析时被微通道的横截面中的平均流速(u)可以为25或者更大，并且优选地为30或者更多。
图7显示了管24A和24B的振动速度变化强度以及混合比率Φ之间的关系。图6中的黑点(●)显示了在50至62Hz振动的管24A和24B的情况，标记(▲)显示了所述管24A和24B在17至20Hz振动或者完全没有振动时的情况。
如图7中所示，可以发现管24A和24B的振动速度变化强度与振动频率为50Hz或者更大时的混合比率Φ之间有相关性，所述相关性与图6中的相同。即，由于在不振动所述管24A和24B的情况下速度变化不会变大，并且在振动频率是20Hz或者更小的情况下，混合比率Φ不会变大，这与50Hz或者更大的情况下不同，即使振动速度变化强度是大致相同的。在此点上，尽管速度变化强度适于更加合适的表达混合比率Φ的参数，振动速度变化强度也足以作为混合比率Φ的参数使用，因为振动速度变化强度与本发明所需的50Hz或者更多的振动频率中与混合比率Φ有密切的关系。此外，如图8中所示，由于与50Hz或者更大(●)的速度变化强度有密切关系，振动速度变化强度由此点也足以作为混合比率Φ来使用。顺便提及的是，各标记▲表示20Hz或者更小的情况。
因此，在振动频率被控制至不小于50Hz以及小于1kHz的频率范围之内的最佳条件时，这样评估的振动速度变化强度可以被最大化，这就可以获得混合促进的最佳化。在此情况下，从图7中，振动频率可以被控制，这样振动速度变化强度除以微通道的横截面中的平均流速(U)用于无尺寸分析可以变为50或者更多，以及优选地60或者更多。
此外，上述提及的本实施例显示了微装置以及流体混合促进方法的示例，简言之，在在通过将这些流体通过各流体供给通道加入一个微通道而使得多个流体混合反应，微装置和流体混合促进方法通过在50Hz振动频率或者更多以及小于1kHz将亚低频振动传播给流经微通道内部的流体而引起微通道纵向中流体中的速度变化是必须的。
虽然参照
了本发明的几个实施例，但是本领域普通技术人员可以理解，在不背离本发明技术原理和主要特征的前提下，本发明也可以采用其他的具体形式进行实施。因此，所述示例性实施例是非限制性的，只是为了多方面说明本发明。
权利要求
1.一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。
2.根据权利要求1所述的使用微装置的流体混合反应促进方法，其特征在于，所述振动频率至少为50Hz并且不大于300Hz。
3.根据权利要求1所述的使用微装置的流体混合反应促进方法，其特征在于，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二次方根而限定的速度变化强度uf2‾]]>其中uf(t)表示在时间t沿纵向流经微通道内部的流体速度变化；以及基于评估结果，在至少50Hz和小于1kHz的频率范围内控制振动频率，从而速度变化强度可以被最大化。
4.根据权利要求1所述的使用微装置的流体混合反应促进方法，其特征在于，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，所述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，它们是分别通过在水平方向和垂直方向执行所述管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，从而可以使得速度变化强度最大化。
5.一种微装置，所述微装置通过在这些流体通过各流体供给通道之后将这些流体加入到一个微通道中而使得多个流体混合反应，包括速度变化引发装置，所述速度变化引发装置在流经上述微通道的内部的流体中沿上述微通道纵向引起速度变化。
6.根据权利要求5所述的微装置，其特征在于，所述速度变化引发装置包括多个管，所述管分别连接到多个流体供给通道，并将各流体供给到流体供给通道；以及亚低频振动产生装置，所述亚低频振动产生装置在所述多个管至少之一中中产生亚低频振动，所述频率至少为50Hz并小于1kHz。
7.根据权利要求6所述的微装置，其特征在于，亚低频振动产生装置包括一对支撑件，所述支撑件沿纵向支撑所述多个管中的至少一个管，所述管之间保持预定的间隙；具有悬臂结构的振动梁，其设置在所述一对支撑件之间，并在半空中支撑所述至少一个管；以及小型电机，所述小型电机安装在振动梁的前端部分并围绕电机轴，偏心锤安装在所述电机轴上，其中通过由小型电机旋转偏心锤，将上述小型电机和振动梁一体振动，由此机械振动传输给由振动梁支撑的所述至少一个管。
8.根据权利要求5所述的微装置，其特征在于，所述微通道的开口宽度是至少10μm并不大于1000μm。
9.根据权利要求6所述的微装置，其特征在于，所述微通道的开口宽度是至少10μm并不大于1000μm。
10.根据权利要求7所述的微装置，其特征在于，所述微通道的开口宽度是至少10μm并不大于1000μm。
全文摘要
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。
文档编号B01J19/00GK1597077SQ200410074830
公开日2005年3月23日 申请日期2004年8月30日 优先权日2003年8月29日
发明者小森悟, 伊藤靖仁 申请人:富士胶片株式会社