ITTO20100550A1 - MICROFLUID CONVECTIVE MIXING DEVICE - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: of the patent for industrial invention entitled:
"DISPOSITIVO MICROFLUIDICO DI MESCOLAMENTO CONVETTIVO" "MICROFLUID CONVECTIVE MIXING DEVICE"
La presente invenzione è relativa a un dispositivo per il mescolamento convettivo e si adatta pertanto sia a processi che prevedono lo scambio di calore che a quelli che richiedono il mescolamento di due o più fluidi. The present invention relates to a device for convective mixing and is therefore suitable both for processes involving heat exchange and for those requiring the mixing of two or more fluids.
Un dispositivo microfluidico può essere impiegato ad esempio nelle analisi chimiche e/o mediche e consente di impiegare quantità minime di reagenti e di poter eseguire più analisi contemporaneamente. A microfluidic device can be used, for example, in chemical and / or medical analyzes and allows to use minimal quantities of reagents and to be able to perform several analyzes simultaneously.
Dal momento che la quantità di reagenti utilizzate è estremamente ridotta, un fattore di primaria importanza per favorire le reazioni chimiche e ottenere risultati di elevata affidabilità è quello di aumentare il più possibile il livello di omogeneità dei reagenti. E' possibile aumentare l'omogeneità dei reagenti sia tramite la diffusione che tramite il mescolamento convettivo. Since the quantity of reagents used is extremely small, a factor of primary importance in favoring chemical reactions and obtaining highly reliable results is to increase the level of homogeneity of the reagents as much as possible. It is possible to increase the homogeneity of the reagents both through diffusion and through convective mixing.
I sistemi microfluidici comprendono inoltre circuiti e pompe miniaturizzate molto sensibili alle perdite di carico a causa delle dimensioni ridotte. In particolare, una ridotta perdita di carico del circuito consente di ottenere, a parità di battente di pressione, un aumento della portata di fluido elaborato con un conseguente aumento di efficacia. Microfluidic systems also include miniature circuits and pumps that are very sensitive to pressure drops due to their small size. In particular, a reduced pressure drop of the circuit allows to obtain, with the same pressure head, an increase in the flow rate of the processed fluid with a consequent increase in efficiency.
E' noto prevedere percorsi fluidici curvilinei per aumentare le espressioni inerziali del flusso e il relativo mescolamento. Tuttavia, eccessive forze inerziali sono causa di perdite di carico elevate che possono compromettere, come citato precedentemente, l'efficienza del dispositivo. It is known to provide curvilinear fluidic paths to increase the inertial expressions of the flow and the relative mixing. However, excessive inertial forces cause high pressure drops which can compromise, as mentioned above, the efficiency of the device.
Lo scopo della presente invenzione è di realizzare un dispositivo microfluidico di mescolamento convettivo perfezionato avente perdite di carico ridotte ed una elevata capacità di mescolamento. The object of the present invention is to provide an improved convective mixing microfluidic device having low pressure drops and a high mixing capacity.
Lo scopo della presente invenzione viene raggiunto tramite un dispositivo microfluidico secondo la rivendicazione 1. Per una migliore comprensione della presente invenzione viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati in cui: The object of the present invention is achieved by means of a microfluidic device according to claim 1. For a better understanding of the present invention, a preferred embodiment is now described, purely by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings in which:
- la figura 1 è una vista in pianta schematica di un dispositivo microf luidico secondo la presente invenzione; Figure 1 is a schematic plan view of a microfluidic device according to the present invention;
- la figura 2 è una vista prospettica che indica l'evoluzione del mescolamento lungo la coordinata curvilinea di un condotto del dispositivo di figura 1; e Figure 2 is a perspective view showing the evolution of mixing along the curvilinear coordinate of a duct of the device of Figure 1; And
- le figure 3 e 4 illustrano una pluralità di varianti di un condotto del dispositivo di figura 1. - Figures 3 and 4 illustrate a plurality of variants of a duct of the device of Figure 1.
Nello schema di figura 1, è illustrato con 1 nel suo insieme, un dispositivo microfluidico di mescolamento convettivo comprendente un corpo 2, ad esempio realizzato da almeno due strati di una resina polimerica, ad esempio PDMS, e un circuito fluidico 3 definito dal corpo 2. In the diagram of Figure 1, with 1 as a whole, a microfluidic device for convective mixing is shown comprising a body 2, for example made of at least two layers of a polymeric resin, for example PDMS, and a fluidic circuit 3 defined by the body 2 .
Il circuito fluidico definisce in ordine da monte a valle una pluralità di ingressi 4, una camera di premiscelazione 5 verso cui convergono gli ingressi 4, un condotto 6 e una porta di uscita 7 collegata alla camera di premiscelazione dal condotto 6. Il dispositivo microf luidico 1 viene impiegato per trattare correnti fluidiche caratterizzate da numeri di Reynolds inferiori a 1000, preferibilmente inferiori a 500. The fluidic circuit defines in order from upstream to downstream a plurality of inlets 4, a premixing chamber 5 towards which the inlets 4 converge, a conduit 6 and an outlet port 7 connected to the premixing chamber by conduit 6. The microfluidic device 1 is used to treat fluidic streams characterized by Reynolds numbers lower than 1000, preferably lower than 500.
Secondo la presente invenzione uno dei condotti del circuito 3 per collegare gli ingressi 4 all'uscita 7, ad esempio il condotto 6, presenta una linea media costituita da un curva clotoide. According to the present invention, one of the ducts of the circuit 3 for connecting the inlets 4 to the outlet 7, for example the duct 6, has an average line consisting of a clothoid curve.
Tale curva geometrica presenta una raggio di curvatura variabile, in particolare esiste una relazione polinomiale fra la curvatura e la lunghezza della curva, cioè l'ascissa curvilinea. Pertanto, quando il polinomio degenera in una costante, la curva degenera in un cerchio mentre ad un polinomio del primo ordine corrisponde un arco della 'clotoide' tramite la seguente relazione: This geometric curve has a variable radius of curvature, in particular there is a polynomial relationship between the curvature and the length of the curve, that is, the curvilinear abscissa. Therefore, when the polynomial degenerates into a constant, the curve degenerates into a circle while an arc of the clothoid corresponds to a first order polynomial through the following relationship:
χ =a-s χ = a-s
Dove: Where is it:
= raggio di curvatura; = radius of curvature;
s = ascissa curvilinea; s = curvilinear abscissa;
a = costante. a = constant.
La clotoide si associa pertanto al numero di Dean: The clothoid is therefore associated with Dean's number:
Dn = Refl τ/χθ Dn = Refl τ / χθ
Dove, rispetto alla formula precedente: Where, compared to the previous formula:
D = diametro idraulico del condotto 6; D = hydraulic diameter of duct 6;
ReD= numero di Reynolds con riferimento al diametro idraulico. ReD = Reynolds number with reference to the hydraulic diameter.
Preferibilmente, la curvatura del condotto viene modulata in modo da creare una continuità sulle derivate della curvatura della linea media calcolate rispetto alla ascissa curvilinea: la linea media del condotto viene seguita dal fluido fra gli ingressi 4 e l'uscita 7. In questo modo l'evoluzione del moto inerziale del fluido fra l'ingresso e l'uscita del dispositivo 1 è controllato in modo particolarmente efficace in modo da diminuire le perdite di carico. Infatti, una discontinuità del percorso seguito del fluido (discontinuità sulle derivate) può provocare fenomeni inerziali localizzati e conseguenti perdite di carico. Preferably, the curvature of the duct is modulated so as to create a continuity on the derivatives of the curvature of the mean line calculated with respect to the curvilinear abscissa: the mean line of the duct is followed by the fluid between the inlets 4 and the outlet 7. In this way the The evolution of the inertial motion of the fluid between the inlet and the outlet of the device 1 is controlled in a particularly effective way so as to reduce the pressure drops. In fact, a discontinuity in the path followed by the fluid (discontinuity on the derivatives) can cause localized inertial phenomena and consequent pressure drops.
Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, l'ingresso del condotto 6 presenta una curvatura prossima a zero ed è pertanto adatto a raccordarsi con condotti di monte rettilinei oppure con collettori che guidano il fluido lungo una traiettoria sostanzialmente rettilinea prima dell'ingresso nel condotto 6. According to a preferred embodiment of the present invention, the inlet of the duct 6 has a curvature close to zero and is therefore suitable for connecting with straight upstream ducts or with manifolds that guide the fluid along a substantially rectilinear trajectory before entering the duct 6.
Tramite la clotoide, un fluido in ingresso al condotto 6 (figura 2) subisce l'innesco di un anello vorticoso: le particelle del fluido sono quindi indotte a ruotare intorno a un asse localmente tangente all'asse A, o linea media, del condotto 6. Tale vortice aumenta il moto puramente convettivo del fluido all'interno del condotto 6. In questo modo, l'interfaccia fra i fluidi aumenta in modo da favorire le reazioni chimiche e, allo stesso tempo, genera perdite di carico ridotte. Through the clothoid, a fluid entering the duct 6 (figure 2) is triggered by a vortex ring: the particles of the fluid are then induced to rotate around an axis locally tangent to the A axis, or midline, of the duct 6. This vortex increases the purely convective motion of the fluid inside the duct 6. In this way, the interface between the fluids increases in order to favor chemical reactions and, at the same time, generates reduced pressure drops.
Nelle figure 3 e 4 sono illustrate numerose varianti per collegare in serie fra loro rami di clotoide. Figures 3 and 4 illustrate numerous variants for connecting clothoid branches in series.
In particolare, tramite la variazione del segno della curvatura (lobi) è possibile ottenere una massimizzazione del mescolamento agendo su porzioni differenti del fluido. In particolare, la figura 4 illustra come un condotto 6 può presentare rami 7 a clotoide disposti in parallelo rispetto all 'ingresso 4. In particular, through the variation of the sign of the curvature (lobes) it is possible to obtain a maximization of the mixing by acting on different portions of the fluid. In particular, figure 4 illustrates how a duct 6 can have clothoid branches 7 arranged in parallel with respect to the inlet 4.
I vantaggi che il dispositivo microf luidico 1 secondo la presente invenzione sono i seguenti. The advantages of the microfluidic device 1 according to the present invention are as follows.
Uno o più condotti 6 definenti una relazione polinomiale fra l'ascissa curvilinea e la curvatura consentono di controllare in modo preciso la posizione e l'entità di vortici con il controllo del numero di Dean all'interno del condotto in modo da ottenere un mescolamento efficace con basse perdite di carico. Tali perdite sono prossime alle perdite di carico di un condotto rettilineo operante nelle stesse condizioni (medesimo diametro, lunghezza e numero di Reynolds) ma grazie alla presente invenzione il mescolamento del fluido è più elevato. One or more ducts 6 defining a polynomial relationship between the curvilinear abscissa and the curvature allow to precisely control the position and the entity of vortices with the control of the Dean number inside the duct in order to obtain an effective mixing with low pressure drops. These losses are close to the head losses of a straight duct operating under the same conditions (same diameter, length and Reynolds number) but thanks to the present invention the mixing of the fluid is higher.
È possibile inoltre soddisfare i requisiti di progetto sia di ingombro che di angolo di ingresso e di uscita. In questo modo è possibile collegare in serie fra loro più rami di clotoide per ottenere un'elevata azione di miscelazione con basse perdite di carico. It is also possible to meet the design requirements of both the footprint and the entry and exit angle. In this way it is possible to connect several clothoid branches in series to obtain a high mixing action with low pressure drops.
Inoltre, la geometria della clotoide è facilmente riproducibile tramite tecnologie di lavorazione dei materiali di cui viene realizzato il corpo 2. Infatti, tramite l'uso di rami di clotoide, la geometria tramite la quale si può ottenere un mescolamento elevato è sostanzialmente bidimensionale e, preferibilmente, si può ottenere tramite un singolo ciclo di processo fotolitografico. In altre parole, sono sufficienti gli spessori, compresi fra 10 e 500 micrometri, ottenibili tramite il singolo processo fotolitografico per realizzare condotti aventi una sezione trasversale adeguata all'impiego microfluidico . In particolare, il processo fotolitografico viene utilizzato per realizzare stampi nei quali viene colato e reticolato il materiale polimerico che costituisce il corpo 2. Ad esempio, un primo strato definisce in recesso tre superfici consecutive del condotto 6, se quest'ultimo presenta una sezione quadrangolare, mentre il secondo strato presenta una superficie sostanzialmente piana definente gli ingressi 4 e l'uscita 7. Furthermore, the geometry of the clothoid can be easily reproduced through technologies for processing the materials of which the body 2 is made. In fact, through the use of clothoid branches, the geometry through which a high mixing can be obtained is substantially two-dimensional and, preferably, it can be obtained through a single photolithographic process cycle. In other words, the thicknesses, comprised between 10 and 500 micrometers, obtainable through the single photolithographic process are sufficient to produce ducts having a cross section suitable for microfluidic use. In particular, the photolithographic process is used to make molds in which the polymeric material that constitutes the body 2 is poured and cross-linked. For example, a first layer defines three consecutive surfaces of the duct 6 in recess, if the latter has a quadrangular section , while the second layer has a substantially flat surface defining the inlets 4 and the outlet 7.
Risulta infine chiaro che al dispositivo microfluidico 1 qui descritto e illustrato è possibile apportare modifiche o varianti senza per questo uscire dall'ambito di tutela come definito dalle rivendicazioni allegate. Finally, it is clear that modifications or variants can be made to the microfluidic device 1 described and illustrated here without thereby departing from the scope of protection as defined by the attached claims.
E' possibile che la linea media del condotto 6 non giaccia in un piano. In questo modo è possibile ottenere un dispositivo di mescolamento operante in una struttura tridimensionale in questo caso lo stampo viene necessariamente realizzato con almeno due cicli fotolitografici successivi. It is possible that the center line of duct 6 does not lie in one plane. In this way it is possible to obtain a mixing device operating in a three-dimensional structure in this case the mold is necessarily made with at least two subsequent photolithographic cycles.
Claims (6)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| IT000550A ITTO20100550A1 (en) | 2010-06-28 | 2010-06-28 | MICROFLUID CONVECTIVE MIXING DEVICE |
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| IT000550A ITTO20100550A1 (en) | 2010-06-28 | 2010-06-28 | MICROFLUID CONVECTIVE MIXING DEVICE |
Publications (1)
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| ITTO20100550A1 true ITTO20100550A1 (en) | 2011-12-29 |
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ID=43528304
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| IT000550A ITTO20100550A1 (en) | 2010-06-28 | 2010-06-28 | MICROFLUID CONVECTIVE MIXING DEVICE |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| IT (1) | ITTO20100550A1 (en) |
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2010
- 2010-06-28 IT IT000550A patent/ITTO20100550A1/en unknown
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