多流路微型反应器设计的制作方法

专利名称：多流路微型反应器设计的制作方法
多流路微型反应器设计优先权本申请要求题为“多流路微型反应器设计(Multiple Flow Path Microreactor Design) ”的2008年10月22日提交的欧洲专利申请第08305711. 7号以及2008年9月29 日提交的欧洲专利申请第08305610. 1号的优先权。
背景技术：
如本文所理解的，微流体装置包括数微米至数毫米的流体装置，也就是说，包括最小尺寸为数微米至数毫米、优选约数十微米至约2毫米的流体通道的装置。部分是由于所述微流体装置具有其特征的低总工艺流体体积和特征的高表面/体积比，微流体装置、特别是微型反应器可以以安全、高效和环境友好的方式有效地进行一些困难的、危险的、甚至是其它方式无法进行的化学反应和工艺、这些改进的化学处理经常被称作“工艺强化”。工艺强化是化学工程的一个范例，其有可能改变常规的化学处理，获得更小、更安全、更节约能源和更环境友好的工艺。工艺强化的主要目标是使用同时显著减小反应器尺寸并且最大程度提高传质和传热效率的构造获得高效率的反应和处理系统。通过使用一些方法，使得研究人员可以获得更好的转化率和/或选择性，由此可以缩短从实验室到工业生产的开发时间，这也是所述工艺强化研究的重点之一。工艺强化对于精细化学和药物工业可能是特别有益的，在这些领域中，产量经常小于几公吨/年，在强化工艺中，实验室结果可以较为容易地以平行方式成比例放大。预期相对于目前常用的技术，由开发新设备和技术组成的工艺强化能够给制造和处理带来非常重要的改进，显著减小工程开发的设备尺寸，由此获得明显更小、更清洁、更节能的技术，这就是工艺强化。本发明所揭示的方法和/或装置通常可用来进行任何工艺，所述工艺包括在微型结构中对流体或流体混合物进行混合、分离、萃取、结晶、沉淀或其它的处理，所述流体混合物包括流体的多相混合物，并包括流体或包括还含有固体的流体的多相混合物的流体混合物。所述处理可以包括物理过程，化学反应，生物化学过程，或者任意其它形式的处理，化学反应被定义为导致有机物、无机物、或者有机物和无机物发生相互转化的过程。以下列出了可以通过所述方法和/或装置进行的反应的非限制性例子氧化；还原；取代；消除；加成； 配体交换；金属交换；以及离子交换。更具体来说，以下列出了可以通过所揭示的方法和/ 或装置进行的反应的非限制性例子聚合；烷基化；脱烷基化；硝化；过氧化；磺化氧化；环氧化；氨氧化；氢化；脱氢；有机金属反应；贵金属化学/均相催化剂反应；羰基化；硫羰基化；烷氧基化；商化；脱商化氢；脱商化；加氢甲酰化；羧化；脱羧；胺化；芳基化；肽偶联； 醇醛缩合；环化缩合；脱氢环化；酯化；酰胺化；杂环合成；脱水；醇解；水解；氨解；醚化； 酶合成；酮化；皂化；异构化；季铵化；甲酰化；相转移反应；甲硅烷化；腈合成；磷酸化；臭氧分解；叠氮化学反应；复分解；氢化硅烷化；偶联反应；以及酶反应。本发明人及其同事之前开发了可以用于工艺强化的各种微型流体装置，以及制造这些装置的方法。这些之前开发的装置包括由现有技术

图1所示的一般形式的设备。图1 不是按照比例绘制的，是某种的微流体装置的一般层状结构的透视示意图。图示种类的微流体装置10通常包括至少两个体积12和14，其中，设置或配置一个或多个热控制通道(在此图中未细致地显示)。通过水平壁16和18在垂直方向限制体积12，同时通过水平壁20 和22在垂直方向限制体积14。在该文献中的术语“水平”和“垂直”仅仅是相对术语，仅仅表示一般的相对取向， 不一定表示正交，还可以为了便于表示图中所用的取向而使用，所述取向仅仅按惯例使用， 并不是作为所示装置的特征。本发明以及文中所述的实施方式可以以任何所需的取向使用，水平壁和垂直壁通常仅仅是相交的壁，不一定是垂直的。反应物通道沈(现有技术的图2显示了其部分细节)设置在两个中央水平壁18 和20之间的体积M内。图2显示了垂直壁结构28的截面平面图，一部分垂直壁结构在体积M内特定的截面层限定了反应物通道26。图2中的反应物通道沈画上阴影，以便于观察其中包含的流体，该通道形成蜿蜒形式的具有恒定宽度的二维曲折迂回的通道，其覆盖了限定体积M的板的表面最大的区域。图1的截面图所示的微型流体装置10的其他部分与曲折的反应物通道26的入口 30和出口 32之间的流体连接在体积12和/或14内的对图2所示的截面图的平面有垂直位移的不同的平面内提供。所述反应物通道沈在垂直于大体平的壁的方向具有恒定的高度。图1和图2所示的装置用来提供体积，在此体积中可以完成反应，同时处于相对受控的热环境。在图3中，显示了另一种用于混合反应物的特定目的的现有技术的装置，具体来说是用于多相系统，例如不混溶的流体和气体-液体混合物，并且在很宽的流速范围内保持该分散体或者混合物。在此现有技术的装置中，反应物通道26包括顺次的室34。各个室34包括将反应物通道分裂成至少两个子通道36的分裂处，和分裂通道36 的结合处38，以及在至少一个子通道36内，通道方向相对于紧邻上游通道方向至少90度的改变。在所示的实施方式中，在图3中可以看到，两个子通道36都相对于反应物通道沈紧邻上游的通道方向变化超过90度。同样在图3的实施方式中，所述多个顺次的室34各自具有紧邻的随后的所述室， 还包括逐渐变窄的出口 40，该出口形成相应的通向随后的室的变窄的入口 42。所述室34 还包括分裂和重新定向壁44，该壁与紧邻上游的流动方向交叉取向，位于该室的入口 42紧邻的下游。分裂和重新定向壁44的上游侧具有凹形的表面46。从一个室34通向下一个室的变窄的出口 40的宽度优选约为1毫米。所述通道的高度可以优选约为800微米。尽管用此类装置已经获得了良好的性能，在许多情况下，对于特定的反应，甚至超过了现有技术，但是，人们仍然希望提高流动力学性能。具体来说，人们希望获得受控制的良好平衡的停留时间，同时减小由装置造成的压降，同时提高生产能力。在美国专利第7，M1，423号(对应于US2002106311)中，“提高层叠板微型反应器中白勺本^动(Enhancing fluid flow in a stacked plate microreactor) Aifliliffl5F 行通道(见图37)以便实现内部平行的化学反应装置，用来提供能够为流体流动提供基本相等的停留时间分布的微量反应设备。但是，该参考文献并未解决与流体流动的控制和均勻分布相关的所有问题
发明内容
一种微流体装置包括至少一个反应物通道( )，所述反应物通道由壁限定，包括至少一个并行多流路构型，所述并行多流路构型包括一组流路的基本设计图案，这些图案以流体连通的方式串联设置，从而构成流路，以及并联设置，从而在并行流路中构成多个流路基本设计图案，所述基本设计图案能够提供混合和/或停留时间，其中，并行的多流路构型在两个相邻的并行流路的基本设计图案之间包括至少两个连通区，所述连通区位于与由所述连通区位于其间的基本设计图案限定的平面相同的平面内，使流体能通过(流动互连)，以便最大程度减小具有相同流动方向的相邻的并行流路之间的质量流速之差。在一些情况下，并行多流路构型的相邻的平行流路之间可以达到质量流速相等 (流体压力也相等)。另外，由于连通区，该解决方案使各个并行多流路构型的若干并行微型通道或流路能具有均勻的停留时间。因此，假定各个流路具有相等的长度、宽度和高度以获得恒定的停留时间和流体力学性质，本发明的并行多流路构型能够提高微反应器的化学产品生产能力。在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言根据所作描述就容易理解，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都提出了本发明的实施方式，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本发明的各种实施方式，并与说明书一起用来说明本发明的原理和操作。附图简要说明图1(现有技术)是某些现有技术的微流体装置的一般的层状结构的透视示意图；图2(现有技术)是图1的体积M内的垂直壁结构的截面平面图；图3(现有技术)是根据另一个现有技术的微流体装置的图1的体积M内的垂直壁结构的截面平面图；图4是根据本发明第一个实施方式，垂直壁结构的截面平面图，所述垂直壁结构包括第一种限定并行多流路构型的基本设计图案；图5是根据本发明第一实施方式的变体的限定并行多流路构型的垂直壁结构的截面平面图；图6是图5中VI的放大详图；图7至图9是根据并行多流路构型中的连通区的位置的一些可替代方式，具有第一种基本设计图案的垂直壁结构的部分截面平面图；图10A-10G是限定可替代的第一种基本设计图案的多个垂直壁结构的部分截面平面图；图11是第二种基本设计图案的截面平面图；图12是根据本发明的另一种可替代实施方式，用来限定并行多流路构型的一些部分的使用图11的第二种基本设计图案的可替代的垂直壁结构的截面平面图；图13是根据本发明第二个实施方式，垂直壁结构的截面平面图，所述垂直壁结构包括第二种限定并行多流路构型的基本设计图案；图14和15是包括第三种基本设计图案的两种可替代的垂直壁结构的截面平面图；图16是置于各个并行多流路构型上游的可能的歧管结构的示意图；图17和图18是分别限定图4和图13的可替代结构的垂直壁结构的截面平面图；图19是结合图4和图5所示的并行多流路构型的垂直壁结构的截面平面图；图20是微流体装置的压降(单位毫巴)_流速(单位毫升/分钟)的关系图，图中将本发明的两个实施方式的装置与现有技术的装置进行比较；图21显示了对于相同压降的流速与设计之间的关系图，将本发明的两个实施方式的装置与现有技术的装置进行比较(对1巴的压降所作的模拟)。图22显示平均时间倾析，将本发明的一个实施方式的器件与现有技术的装置进行比较(T = 35°C，总量为120克/分钟，溶剂流速为110克/分钟，二醇流速为10克/分钟)；以及图23显示对于图8的垂直壁结构的构型，每分钟通过截面的质量流速，单位为毫升/分钟。优选实施方式的详述下面将详细介绍目前优选的实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的编号来表示相同或类似的部件。在本发明的微流体装置中，反应物通道及其由并行多流路构型组成的部分通常在水平面内延伸，并由垂直壁限定，但不限于此。“宽度”表示垂直于流动方向、并且平行于所述并行的多流路构型的水平面的方向。“高”表示垂直于流动方向、并且垂直于所述并行多流路构型的水平面的方向。“长度”表示平行于流动方向、并且平行于所述并行多流路构型的水平面的方向。在图4中可以看到根据第一个实施方式，包括反应物通道沈的微流体装置，其包括以串联设置的六个并行多流路构型50。各个并行多流路构型50具有两个并行路径流52， 所述路径流由以相邻方式串联设置的9个顺次的室形成。每个室34形成第一种基本设计图案，其与图3的基本设计图案类似，能够提供良好的混合质量，保持液体-液体不混溶或者气体-液体分散。所述两个并行的路径流52彼此相邻。所述两个并行的路径流52的相邻的室34还形成室34的对，更通常是多流路基本设计图案57，在这些室之间具有连通区M。所述连通区M由成对的室34之间的直接流体连接形成，因此当流体流并联通过两个并行路径流52 的时候，在这些连通区M处可能在两个并行路径流52之间有流体通过。因此，在并行路径流52的相邻的室34之间具有包括孔/开口(连通区的接触点(壁的共用部分)。所述并行路径流之间的具体的可能的流体通过或流动的互连允许对任何潜在的流量不平衡进行校正，所述流量的不平衡可能是由于以下情况造成的反应物通道沈的设计(特别是歧管的设计)和/或制造工艺的公差以及/或者流路的堵塞。因此，所述流体流速可以在并行多流路构型50的所有流路52之间进行平衡。另外，由于在与反应物通道沈或室34相同的体积M内具有连通区54，即在与并行流路52相同的平面内具有连通区M，带来了一些有意义的优点所述构型制造简单(相同的板)，用位于体积M两侧的体积12和14的热控制通道优化传热，避免那些不利于均勻的停留时间分布和安全的另外的压降和死区。因此，根据本发明，位于各个并行多流路构型50上游的歧管56的设计以及室34 和并行流体流52的严格相似性就不大苛刻了。以以下这样一种方式调节两个通道或流路52 使得它们在边缘有规则地接触，对它们之间的开口(连通区54)进行调节，以允许在并行的流体流52之间具有不同的压降 (例如制造公差或堵塞)的时候进行流量重新分配的改良，但是又足够小，不会在所述接触点显著改变流动图案。顺次的室34构成了图4所示的微流体装置的实施方式的反应物通道沈的重要部分。如图1所示，所述室34优选在通常垂直于壁18和20的方向具有恒定的高度H，所述高度H通常等于壁18和20之间的距离。换而言之，包括室34的通道沈的部分通常占据了高度H方向上可能的最大空间，与体积M在H方向上的最大尺寸相匹配。这是很重要的， 因为(1)由此使得特定横向尺寸的微流体装置的体积最大，使得在较高的通过速率下能获得较长的停留时间，(2)使在反应物通道沈以及包含一个或多个热控制流体通道的体积12 和14之间的材料的量和距离最小，为更好的传热创造条件。另外，尽管高度H可以优选约为800 μ m至大于数毫米，在H方向上的边界层的厚度通常通过以下方式减小通过使得反应物流体通过由分裂和重新定向壁44导致的方向变化，在反应物通道中引起的二次流动， 以及使得反应物流体重复通过逐渐变窄的出口 40进入顺次的室34的更大空间。对于其中热交换和停留时间都最大化的装置，希望多个顺次的室34沿着反应物通道沈的总体积的至少30%，优选至少50%，更优选至少75%或更多延伸，如图4的实施方式的情况。从图4的本发明实施方式也可以看到，顺次的室34优选在上游和下游方向与邻接的室共享共用的壁。这有助于确保最大数量的室34位于特定的空间内，由此还使得反应物通道沈的体积占壁18、20之间的可用的总体积的分数最大。具体来说，希望反应物通道 26的开放体积至少占总体积的至少30%，所述总体积由以下部分组成(1)所述开放体积， (2)限定和形成水平壁18、20之间的反应物通道的壁结构观的体积，以及(3)任何其它的体积，例如限定和形成反应物通道沈的壁结构观之间的空体积48。更优选的是，所述反应通道的开放体积至少为40%。在图5的变体中，反应物通道沈在入口 30和出口 32之间具有串联设置的四个并行的多流路构型50。各个并行多流路构型50具有四个并行且相邻的路径流52，所述路径流52各自由以相邻方式串联设置的18个顺次的室34形成。在此构型中，所述四个相邻的室34互相流体连通，各个室是不同的路径流52的部分，一起形成多流路基本设计图案57，其中流体在四个平行的路径流52中，在同一层中流动。从图6的局部放大图可以看到，在所述四个并行的多流路构型50的所有所述多流路基本设计图案57中的所有成对的两个相邻基本设计图案或室34之间都形成连通区M。本发明的多流路法的关键优点是对于特定流速显著减小了压降。例如，对于图4-6 所示的室34形成的基本设计图案，与仅包括一个通道的图案(图幻相比，双流(如图4所示，并联的两个通道)使在200毫升/分钟的速率下能将压降除以2. 7。此外，在使用图5和图6所示的四条并行流的情况下，与两条通道的图案相比，可以将压降进一步减小到两通道压降的1/2. 5，导致与单通道情况相比，压降减小到单通道压降的1/6. 8(见图20)。另一种突出该多流路法的关键优点的方法是考察对应于相同压降的最大工作流速。图21的数据显示，对应于1巴压降，对仅包括一个通道的图案(图幻可能的最大流速为120毫升/分钟，对图4所示的具有两条并联通道的图案为200毫升/分钟，对图5和图 6所示的四条并联通道的图案为350毫升/分钟。因此，根据本发明的多流路结构能够显著减小压降，这是在不增大泵送流体的能耗的情况下增大化学产品生产能力的有效方法，并且能够将压降保持在低于设备的常规设计压力，以及/或者减少由于外部增加数量带来的系统复杂性。另外，此种高生产能力设计方法的另一个关键优点是在不会对耐压性以及混合/ 分散质量造成任何负面影响的情况下，(在特定流速下)显著减小压降。因此无需权衡各方面，特别是以下方面耐压性通过用一系列基本设计图案(例如图3-5所示的具有心形结构的室34) 形成的并行通道形成的并行多流路构型50。通过引入能够耐受特定的压力破裂的并行基本设计图案，不会降低总压力破裂特性，由此耐压性得以保持。分散(或混合)质量因为基础的基本设计图案得以保持，混合效率与现有技术的单通道设计的情况相当。对于乳液的情况，已使用溶剂和二醇不混溶性液体体系评价了乳液的质量。在微型结构中形成乳液，收集流出微型结构的流体。以倾析所需的时间作为在微型结构内形成的乳液的质量的度量(时间越长，则质量越好)。如图22所示，图4所示的根据本发明的具有两条并联通道的设计所得的结果(图22的左侧所示)与图3所示的现有技术的单流路图案(图22的右侧所示)一样好。在此测试中，具有单流路的设计的内部通道高度(1毫米)低于双流路的设计(1. 1毫米)。通道高度越低，则悬浮质量越好。如图7的具有两个流路52的并行的多流路构型50所示，并行的相邻室M之间的连通区M可以具有不同的分布或物理构型在图7a的构型中，在所述并行的多流路构型50的所有的所述多流路基本设计图案57的所有成对的两个相邻基本设计图案(室34)之间，都形成所述连通区M，在图7b的可替代构型中，仅在位于所述并行的多流路构型50的上游部分的最初两组多流路基本设计图案57的成对的两个相邻基本设计图案(室34)之间，形成所述连通区54，在图7c的另一种可替代构型中，仅在所述并行的多流路构型50的所有的所述多流路基本设计图案57的每隔一对的两个相邻基本设计图案(室34)之间形成所述连通区 54。图8和图9部分地显示了具有四条并行的流体路径52的并行多流路路构型50 在图8中，在所述并行的多流路构型50的所有的所述多流路基本设计图案57的所有成对的两个相邻基本设计图案(室34)之间，都形成所述连通区M，图9显示另一种可替代构型，其中仅在一部分成对的两个相邻基本设计图案(室 34)之间形成所述连通区M 更确切地说，所述形成流动互连的连通区M以错开的构型设置。参见图23，图中显示通过包括四个并行流路的并行多流路构型50的流路的横截面(图8)的质量流速(单位为毫升/分钟)的模拟，所述构型50在所有成对的两个相邻的基本设计图案(室34)之间具有连通区M。更确切地说，质量流速是在平行多流路构型 50的最初四层的各个室34的出口部分获得的，这些位置具有编号fxy，其中χ是沿着流路 52的层位置，y表示横向位置。图23所示的模拟清楚显示了四条并行流路的流动互连的效果经过四个流动互连之后，在入口处(第一层的横截面fll，fl2，H3和fl4)存在的流动不平衡的情况几乎完全消失了(第四层的横截面f41，f42, f43和f44具有非常接近的流速)。图10A-10G是根据本发明的一些可替代的实施方式，限定反应通道一些部分的多种可替代的壁结构的截面平面图，具体来说，其中限定了顺次的室34的可替代形式。以上实施方式所示的室通常对应于图IOF的室，其中柱58可能用来增大室34的耐压性(相对于图IOA的实施方式所示的具有较大的开放区域或“自由跨度”的室34)。另一方面，没有柱58的实施方式在柱58上游具有小的死体积(在流体流动图案中的缓慢移动的点)的可能性较小。图IOG的实施方式通过在分裂和重新定向壁44的下游侧具有三角形反向结构 60，基本上避免了所有死体积的风险，因此对于处理固体(例如固体悬浮体或沉淀反应)的情况是特别推荐的，在处理固体的情况下，固体往往会聚集在死体积的区域内，堵塞反应物通道。在图IOB的实施方式中，所述分裂和重新定向壁44分成四段，因此将反应物通道分成围绕所述分裂和重新定向壁44的两个主要的子通道以及在壁44的段之间的三个次要的子通道。所述次要子通道的小尺寸会有助于保持细小的乳液。在图IOC的实施方式中，分裂和重新定向壁44是不对称的，在顺次的室34内对交替的侧面偏移，以便提供特别强的次级流动。柱58也以交替的方式偏离室34的中心，并通过设置在由壁44形成的两条子通道中较大的一条之内，所述柱58用作另外流的分流器。图IOD和IOE的实施方式分别对应于图IOF和图10B，具有以下不同用较宽的出口 62代替之前讨论的实施方式的逐渐变窄的出口 40，该较宽的出口 62填充有定位的小次级流的分流器64，以细分流入室34的流，由此帮助产生和保持乳液或其它的不混溶的混合物。参见图11-13，提出了第二种基本设计图案，该图案是其中以错开构型设置若干柱状物166的开放区格/空间134的形式(在图11和12中有5个柱状物166)。所述柱状物166具有反应物通道沈的高度，是细长的，平行于流体流动方向(图11和12的箭头所示)°柱状物166是沿着流体流路152作为湍流促进器或者静态混合器的结构。在本文中，柱状物可以具有其它的设计，包括以下的设计其中一些部分不平行于流体流动方向， 以促进湍流。所述开放区格134串联设置，形成流路152，以及并联设置，形成被横向的垂直壁结构观限制的多流路基本设计图案157。两个(或更多个)开放区格(cell) 134并联设置，形成多流路基本设计图案157， 所述开放区铬可以在横向上对齐(图13)，或者相对于流体流动方向，在上游或者下游方向迁移(图12)。所述流路基本设计图案134串联设置，形成并行多流路构型150，该构型是连续的直的通道或者具有很多直的部分的曲折通道(图13)。所述柱状物166以一定的方式设置，使得在并行多流路构型150的所有横切面 (所有宽度)上，有至少一个柱状物166(图12和图13)。两个相邻的基本设计图案或开放区格134之间的连通区154是在这些两个相邻的基本设计图案或开放网格134各自的至少两个柱状物166(特别是两个对齐的柱状物166) 之间限定的开口或通道。在图13的柱状物的可替代的错开构型中，图13显示了本发明的第二种实施方式， 垂直于流体流动方向的开放区格134的各个横截面包括柱状物的至少一部分。图13的并行多流路构型150形成设置在具有非常简单构型的歧管156下游的放大的多流体流路。使用这些包括柱状物166的开放区格134形式的第二种基本设计图案，通过柱状物166在柱状物166之间限定了流路152的子通道，所述柱状物166在横向偏移，也就是说， 所述柱状物166没有沿着流路152对齐。所述第二种基本设计图案134特别适于均勻的流体停留时间。在图12和13中，有两条并联的流路152，各个多流路基本设计图案157包括并联设置的两个第二种或开放区格134的设计图案，但是可以在横向垂直壁结构观之间并联设置超过两个开放区格134。图14和15显示基本设计图案的另一种可能的形式这是第三种或波形室234的基本设计图案。所述波形室234限定了流路部分，其宽度在流动方向先逐渐变大，然后逐渐变小，变小的宽度再形成具有相同设计的后面的下游波形室234的入口。宽度的变化为壁结构具有更高的耐压性创造条件。另外，所述构型使得两个并行的基本设计图案之间可以在它们较大宽度的位置接触，这是一种仅仅通过在该与共用的壁接触位置形成开口而建立连通区的简单的方法。所述波形室234串联设置，形成流路252，以及并联设置，形成多流路基本设计图案257。所述流路基本设计图案257串联设置，形成并行的多流路构型250。在图14中，通过在沿着变大的宽度接触的两个相邻的波形室234之间的开口，形成在两个相邻的基本设计图案或波形室234之间的连通区254。在图15的可替代形式中，在两个相邻的并行流路252之间，波形室234在流动方向错开设置，这样单个波形壁2 用来限定两个相邻的并行流路252。换而言之，两个相邻的并行流路252被同一个单独的波形壁228的两个相反的面邻接，使得体积M内反应物通道占据的空间优化。在此情况下，通过单独的波形壁228中的开口形成在两个相邻的基本设计图案或波形室234之间的连通区254。如图15所示，第三种或波形室234的基本设计图案可以包括分裂和重新定向壁 244。两个(或更多个)波形室234并联设置，形成多流路基本设计图案257，所述波形室可以在横向上对齐(图14)，或者相对于流体流动方向，在上游或者下游方向迁移(图 15)。图14显示两条并行的流路252的实施方式，图15显示八条并行的流路252的实施方式，但是在各种并行多流路构型250中可以采用任意其他数量的并行流路。
如前文所述，第一种或室34的基本设计图案，第二种或开放区格134的基本设计图案，以及第三种或波形室单元234的基本设计图案提供混合和/或停留时间，具有沿着流路的方向不恒定的宽度，可以与相同种类的相邻流路的另一基本设计图案流动互连。根据上文所述的并行多流路构型，可以使用其它的能够提供混合和/或停留时间的基本设计图案，特别是串联和并联的相互相邻的基本设计图案。较佳的是，所述连通区由所述多流路基本设计图案的两个相邻的基本设计图案之间的直接流动互连形成。对于各种并行的多流路构型，沿着所述并行多流路构型上游的所述反应物通道设置歧管56，156，256，以便将所述反应物通道沈分成或分叉成与并行多流路构型中存在的相同数量的流路。由于相邻的并行流路之间的流动互连，可以便于校正并行流路之间的流动不平衡，歧管的设计可以是简单的，需要以有限的精确性考虑流体物理性质。图16显示歧管56， 156，256的三种可能的简单设计。这些简单的歧管设计是不依赖于化学反应的设计，可能有一些流体互连也进入歧管区(图16C)。因此，这些简单的歧管设计不需要有很大的表面来适应不同流动的不平衡并产生均勻的平行流。图17和图18分别与图4和图13类似，沿着反应物通道沈，在任意多个流体路径构型50上游添加混合部分68。所述混合部分68包括一系列的室34。图19显示反应物通道沈的另一种可能的设计，其中有一些串联设置的并行多流路构型50，其不包括相同数量的并行流路52 在此实施例中，一些并行多流路构型50具有两个并行的流路52，和一些并行多流路构型50具有四个并行的流路52。根据本发明可以采用其它的设计，特别是在一个并行多流路构型中具有其他数量的并行流路例如三个、五个、六个、八个并行流路。较佳的是，所述连通区54，154和254的长度为0. 5-6毫米，优选1_5毫米，优选
1.5-3. 5 毫米。较佳的是，体积M以及反应物通道沈的高度(也是基本设计图案34，134，234和连通区54，154和254的高度)为0. 8-3毫米。较佳的是，所述连通区M，巧4和254的高度/长度比为0. 1至6，优选为0. 2至2。较佳的是，沿着流路的所述基本设计图案的宽度为1-20毫米，优选3-15毫米。较佳的是，沿着流路在连通区M，1M，2M的位置、所述基本设计图案的宽度以及所述连通区的长度之间的比例为2至40，优选为2至14。根据本发明，当考虑两个相邻的并行流路52，152,252的时候，至少在所述并行多流路构型50，150，250的入口和出口之间的某些位置具有至少两个连通区M，1M，2M。根据沿着流路的基本设计图案，并行路径的数量，进入可用表面的整体实施以及歧管设计，可能需要不同数量的连通区M，1M，2M以获得完全均勻的流动分布。但是大部分的校正通常是在最初两个连通区M，1 ，2M中完成的。根据本发明的微流体装置优选由玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷中的一种或多种制造。例如在题为“微流体装置及其制造方法(Microfluidic Device and ManufactureThereof)，，的美国专利第7，007, 709号中揭示了由玻璃片形成水平壁制造这种装置的方法，在形成垂直壁的玻璃片之间设置有模塑且熔凝的玻璃料，但制造并不限于该方法。如果需要的话，本发明的装置还可以包括除了所示层以外的层。在本文中使用的“反应物”是任何可能希望用于微流体装置中的物质的简写。因此，“反应物”和“反应物通道”可以表示用于该器件的惰性的材料和通道。
权利要求
1.一种微流体装置(10)，包括至少一个反应物通道(沈)，所述反应物通道由壁限定， 包括至少一个并行多流路构型(50 ；150)，所述并行多流路构型(50 ；150)包括一组流路 (52；152；252)的基本设计图案(34 ;134 ;234)，这些图案以流体连通的方式串联设置，从而构成流路(52 ；152 ；252)，以及并联设置，从而在并行流路(52 ；152 ；252)中构成多流路基本设计图案(57 ；157 ；257)，所述基本设计图案能够提供混合和/或停留时间，其中，并行的多流路构型(50 ； 150)在两个相邻的并行流路(52 ；152 ；252)的基本设计图案(34 ；134 ； 234)之间包括至少两个连通区(54 ；154 ；2M)，所述连通区(54 ；154 ；254)位于与由所述连通区(54 ；154 ；254)位于其间的基本设计图案(34 ；134 ；234)限定的平面相同的平面内，使流体能通过，以便最大程度减小具有相同流动方向的相邻的并行流路(52 ；152 ；252)之间的质量流速之差。
2.如权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，将至少一个歧管沿着所述反应物通道06)设置在所述并行多流路构型(50 ；150)的上游，以便将所述反应物通道06)分成与所述并行多流路构型(50 ； 150)相同数量的流路(52 ；152 ；252)。
3.如权利要求1或2所述的微流体装置，其特征在于，所述基本设计图案(34;134; 234)的宽度沿着流路(52 ；152 ；252)的方向是不恒定的。
4.如权利要求1-3中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述连通区(54;154; 254)是通过在所述多流路基本设计图案(57 ；157 ；257)的两个相邻的基本设计图案(34 ； 134 ；234)之间不存在壁的路径部分的流动互连而形成的。
5.如权利要求1-4中任一项所述的微流体装置，其特征在于，在所述并行多流路构型 (50 ； 150)的所有成对的两个相邻的并行流路(52 ；152 ；252)之间都形成至少两个连通区 (54 ；154 ；254)。
6.如权利要求1-4中任一项所述的微流体装置，其特征在于，在所述并行多流路构型 (50 ； 150)的所有成对的两个相邻的基本设计图案(34 ；134 ；234)之间都形成所述连通区 (54 ；154 ；254)。
7.如权利要求1-4中任一项所述的微流体装置，其特征在于，在沿着所述并行多流路构型(50 ； 150)上游部分的至少两个多流路基本设计图案(57 ；157 ；257)的所有成对的两个相邻的基本设计图案(34 ；134 ；234)之间都形成所述连通区(54 ；154 ；254)。
8.如权利要求1-4中任一项所述的微流体装置，其特征在于，在位于所述并行多流路构型(50 ； 150)上游部分的至少最初两个多流路基本设计图案(57 ；157 ；257)的所有成对的两个相邻的基本设计图案(34 ；134 ；234)之间都形成所述连通区(54 ；154 ；254)。
9.如权利要求1-8中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述连通区(54;154; 254)的长度为0. 5-6毫米，优选1-5毫米，优选1. 5-3. 5毫米。
10.如权利要求1-9中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述连通区(54；154 ； 254)的高度/长度比值为0. 1-6，优选0. 2-2。
11.如权利要求1-10中任一项所述的微流体装置，其特征在于，在连通区(54，154; 254)位置，所述基本设计图案(34 ；134 ；234)的宽度与所述连通区(54 ；154 ；254)的长度之间的比例为2至40，优选为2至14。
12.如权利要求1-11中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述基本设计图案 (34 ；134 ；234)包括至少一种结构，该结构具有反应物通道06)的高度，用作湍流促进器或者静态混合器。
13.如权利要求1-12中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述基本设计图案形成室(34)，所述室(34)包括将反应物通道06)分成至少两条子通道的分裂处，所述分裂通道的结合处，以及所述子通道中的至少一条的通道方向至少90度的改变。
14.如权利要求1-12中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述基本设计图案形成开放空间(134)，所述开放空间包括至少两个结构(166)，所述结构具有反应物通道06) 的高度，用作湍流促进器或者静态混合器，所述结构以错开的构型设置，这样两个结构在它们之间限定与相邻的基本设计图案的连通区(54 ；154 ；254)。
15.如权利要求1-12中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述基本设计图案形成室034)，其中流路(52;152;25幻宽度在流动方向上逐渐增大，然后逐渐减小。
16.如权利要求15所述的微流体装置，其特征在于，两个相邻的并行流路(52；152 ； 252)由相同的壁0 )的两个相反的面界定。
17.如权利要求1-16中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述反应物通道06) 包括位于所述并行多流路构型(50 ； 150)上游的初始混合器通道部分(68)。
18.如权利要求1-17中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述反应物通道06) 包括串联设置的至少两个并行多流路构型(50 ；150)，从而形成两个顺次的并行多流路构型(50 ；150)。
19.如权利要求18所述的微流体装置，其特征在于，所述反应物通道06)包括至少两个并行多流路构型(50 ;150)，该构型至少具有第一种基本设计图案(34;134;234)以及第二种不同的基本设计图案(34 ；134 ；234)，所述第一种基本设计图案不同于所述第二种基本设计图案。
20.如权利要求18所述的微流体装置，其特征在于，所述两个顺次的并行多流路构型 (50 ； 150)被停留时间通道部分分隔，所述停留时间通道部分的体积至少为0. 1毫升，通常是平滑且连续的形式。
21.如权利要求19所述的微流体装置，其特征在于，所述两个顺次的并行多流路构型 (50 ； 150)包括不同数量的并行流路。
22.如权利要求1-21中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述反应物通道06) 位于反应层之内，所述微流体装置还包括一个或多个热控制通道，所述热控制通道定位并设置在两个热层之内，所述两个热层将所述反应层夹在其间，在所述热控制通道和所述反应通道06)之间没有任何流体连通。
全文摘要
一种微流体装置包括至少一个反应物通道(26)，所述反应物通道由壁限定，包括至少一个并行多流路构型(50)，所述并行多流路构型(50)包括一组基本设计图案(34)，这些图案能够提供混合和/或停留时间，以流体连通的方式串联设置，从而构成流路(52)，以及并联设置，从而构成多流路基本设计图案(57)，其中，并行的多流路构型(50)在两个相邻的并行流路(52)的基本设计图案(34)之间包括至少两个连通区(54)，所述连通区(54)位于由与所述连通区(54)位于其间的基本设计图案(34)限定的平面相同的平面内，使流体能通过，以便最大程度减小具有相同流动方向的相邻的并行流路(52)之间的质量流速之差。
文档编号B01F13/00GK102202774SQ200980143803
公开日2011年9月28日 申请日期2009年9月28日 优先权日2008年9月29日
发明者E·D·拉夫瑞克, O·洛贝特, P·沃尔, R·吉代 申请人:康宁股份有限公司