KR20250006855A

KR20250006855A - 계단형 내부를 갖춘 넓은 슬롯 채널이 있는 고전단 혼합 챔버

Info

Publication number: KR20250006855A
Application number: KR1020247035540A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 메시테; 양 수
Original assignee: 아이덱스 엠피티, 인크.
Priority date: 2022-03-28
Filing date: 2023-03-27
Publication date: 2025-01-13
Also published as: EP4499285A1; CN119300908A; JP2025513110A; WO2023192186A1

Abstract

단일 와이드 슬롯 마이크로채널을 포함하는 고전단 혼합 챔버가 제공되며, 이는 일반적인 다중 슬롯 혼합 챔버에 비해 더 높은 처리량, 적은 막힘, 더 긴 수명(예: 마모 감소)을 가능하게 한다. 제공된 혼합 챔버는 단일 와이드 슬롯 마이크로채널과 유체 연통된 유입구 및 유출구(예: 유입 플레넘 및 유출 플레넘을 통해)를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 와이드 슬롯 마이크로채널은 내부가 계단형 구조를 가지며, 이에 따라 와이드 슬롯 마이크로채널은 깊이가 다른 여러 부분을 포함할 수 있다. 와이드 슬롯 마이크로채널은 제1 면이 제2 면에 대향하며, 하나 이상의 계단부는 제1 면에만 형성되거나, 제2 면에만 형성되거나, 또는 제1 및 제2 면 모두에 형성될 수 있다. 상기 계단부는 유입 챔버와 유출 챔버 사이의 마이크로채널 전체 길이에 걸쳐 연장될 수 있다.

Description

계단형 내부를 갖춘 넓은 슬롯 채널이 있는 고전단 혼합 챔버

이 출원은 2022년 3월 28일에 출원된 미국 특허 출원 번호 63/324,366에 우선권을 주장하며, 해당 출원의 전체 개시는 본원에 참조로 포함된다.

고전단 혼합 챔버(high-shear mixing chamber)는 일반적으로 하나 이상의 유입 실린더에서 유체를 흘려보내어 하나 이상의 마이크로채널을 통과시킨 후 하나 이상의 유출 실린더로 배출되는 방식으로 작동한다. 일부 고전단 혼합 챔버는 다중 슬롯 구조로 형성될 수 있으며, 이 경우 유체는 유입 실린더를 통과하고, 유입 플레넘(plenum)을 지나, 다수의 개별 마이크로채널을 통과하고, 유출 플레넘을 지나 유출 실린더로 배출된다. 유체 흐름이 마이크로채널로 전환되는 과정에서 공동현상(cavitation)이 발생할 수 있으며, 이는 액체 내부에서 증기 공동(기포)이 형성되는 물리적 현상이다. 공동현상은 압력의 급격한 변화로 인해 발생하며, 압력이 증발 압력보다 낮아질 경우 액체가 끓어 증기 기포를 형성하게 된다.

마이크로채널 내부에서 발생하는 공동현상에는 여러 단점이 있다. 첫째, 공동이 유체 압력이 하류에서 회복되면서 붕괴될 수 있으며, 이로 인해 강력한 충격파가 생성될 수 있다. 이는 고전단 혼합 챔버의 내부면과 하류 배관(예: 챔버 성능 및 수명을 크게 감소시키는 부품 마모)에 심각한 손상을 초래할 수 있다. 또한, 공동현상은 국소적으로 높은 온도 지점을 발생시킬 수 있으며, 이로 인해 특정 열 민감성 재료가 손상될 수 있다. 둘째, 형성된 공동이 마이크로채널 내부에 머물며 일정한 부피를 차지하게 되면, 마이크로채널을 통한 흐름이 막히거나, 높은 종횡비를 가진 재료 또는 특정 고체 분산체를 처리할 때 막힘 문제가 발생할 수 있다. 셋째, 공동현상이 가장 심하게 발생하는 위치는 일반적으로 마이크로채널의 입구 근처인데, 이는 마이크로채널 입구 주변에서 사용 가능한 단면적이 감소하기 때문이다. 이로 인해 마이크로채널을 통한 유속이 제한되고, 결과적으로 채널 출구에서 평균 유속이 낮아진다. 이는 마이크로채널 출구에서 유체의 에너지를 감소시켜 특정 응용 분야에서 공정 효율이 저하될 수 있다.

고전단 혼합 챔버에서 공동현상과 관련된 단점 외에도, 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버의 설계 한계가 존재한다. 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버는 챔버를 포함하는 장비의 물리적 크기에 따라 개별 마이크로채널의 개수를 제한적으로만 포함할 수 있다. 또한, 각 개별 마이크로채널 사이에는 공간이 필요하므로, 이러한 공간은 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버에 포함될 수 있는 개별 마이크로채널의 개수를 더욱 제한한다. 이러한 물리적 제약은 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버의 처리량을 제한하게 된다.

따라서, 상기 단점을 개선할 수 있는 고전단 혼합 챔버가 요구된다.

본 개시는 일반적으로 유체 프로세서 또는 유체 균질화기에 사용되는 고전단 혼합 챔버에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 단일의 넓은 슬롯 마이크로채널을 갖춘 고전단 혼합 챔버가 제공되며, 이는 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버에 비해 더 높은 처리량, 적은 막힘 현상, 그리고 더 긴 수명(예: 마모 감소)을 가능하게 한다. 넓은 슬롯 마이크로채널 입구의 단면적은 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버의 개별 마이크로채널 입구 단면적보다 크며, 이는 막힘 문제의 발생을 줄이고 제공된 고전단 혼합 챔버의 유지보수 수명을 증가시키는 데 기여할 수 있다. 예를 들어, 넓은 슬롯 마이크로채널 입구에서의 더 큰 단면적은 넓은 슬롯 마이크로채널 입구에서 발생하는 공동현상의 심각성을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 또한, 넓은 슬롯 마이크로채널은 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버의 개별 마이크로채널 사이에 존재하는 빈 공간을 제거한다. 따라서, 제공된 고전단 혼합 챔버는 최소한 일부 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버에 비해 더 높은 처리량을 가질 수 있다.

일부 측면에서, 넓은 슬롯 마이크로채널은 내부에 계단형 구조를 가질 수 있으며, 이에 따라 넓은 슬롯 마이크로채널은 깊이가 서로 다른 부분들을 포함할 수 있다. 계단형 내부 구조에 의해 생성된 모서리는 유체가 넓은 슬롯 마이크로채널을 통과할 때 전단 생성이 증가하도록 도울 수 있다.

일 예시로서, 유체 프로세서를 위한 고전단 혼합 챔버는 유입 구멍(inlet hole) 및 하단 단부(bottom end)를 포함하는 유입 챔버, 상기 유입 챔버의 하단 단부와 유체 연통된 유입 플레넘(inlet plenum), 유출 구멍(outlet hole) 및 상단 단부(top end)를 포함하는 유출 챔버, 상기 유출 챔버의 상단 단부와 유체 연통된 유출 플레넘(outlet plenum), 및 상기 유입 플레넘을 상기 유출 플레넘에 연결하는 마이크로채널을 포함한다. 상기 마이크로채널의 제1 부분은 제1 균일 깊이를 가지며, 상기 마이크로채널의 제2 부분은 제2 균일 깊이를 가지고, 상기 마이크로채널의 제3 부분은 제3 균일 깊이를 가진다. 상기 제1 깊이는 제2 깊이와 다르다. 상기 제1 부분, 상기 제2 부분 및 상기 제3 부분은 상기 유입 플레넘에서 상기 유출 플레넘까지 마이크로채널의 길이를 따라 평행하게 배치된다.

다른 예시로, 유체 프로세서를 위한 고전단 혼합 챔버는 수직으로 배치된 유입 챔버로서, 유입 구멍과 하단 단부를 포함하는 유입 챔버, 상기 유입 챔버의 하단 단부와 유체 연통된 유입 플레넘, 수직으로 배치된 유출 챔버로서, 유출 구멍 및 상단 단부를 포함하는 유출 챔버, 상기 유출 챔버의 상단 단부와 유체 연통된 유출 플레넘, 및 상기 유입 플레넘을 상기 유출 플레넘에 연결하는 마이크로채널을 포함한다. 상기 마이크로채널은 상기 유입 플레넘에서 상기 유출 플레넘까지의 길이를 따라 연장된다. 상기 마이크로채널의 폭은 상기 유입 챔버의 폭 및 상기 유출 챔버의 폭보다 크다.

도 1 및 도 2는 본 개시에 따른 일 측면에서 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버를 나타낸다.
도 3은 본 개시에 따른 일 측면에서 도 1 및 도 2의 고전단 혼합 챔버에 대한 속도 분포를 나타낸다.
도 4는 본 개시에 따른 일 측면에서 넓은 슬롯 마이크로채널을 갖는 고전단 혼합 챔버를 나타낸다.
도 5는 본 개시에 따른 일 측면에서 도 4의 고전단 혼합 챔버의 단면도를 나타낸다.
도 6은 본 개시에 따른 일 측면에서 계단형 넓은 슬롯 마이크로채널을 갖는 고전단 혼합 챔버를 나타낸다.
도 7은 본 개시에 따른 일 측면에서 도 6의 계단형 넓은 슬롯 마이크로채널의 단면도를 나타낸다.
도 8은 본 개시에 따른 일 측면에서 도 6의 고전단 혼합 챔버의 단면도를 나타낸다.
도 9a 내지 도 9e는 본 개시에 따른 일 측면에서 계단형 넓은 슬롯 마이크로채널의 단면도를 나타낸다.
도 10은 본 개시에 따른 일 측면에서 계단형 내부 구조를 갖는 다수의 마이크로채널을 포함하는 고전단 혼합 챔버를 나타낸다.
도 11은 본 개시에 따른 일 측면에서 넓은 슬롯 마이크로채널과 마이크로채널을 넘어 확장되는 유입 및 유출 챔버를 갖는 고전단 혼합 챔버의 단면도를 나타낸다.
도 12는 본 개시에 따른 일 측면에서 액체/반응물 스트림을 처리하기 위한 예시적인 시스템의 개략적인 구성을 나타낸다.
도 13은 본 개시에 따른 일 측면에서 액체/반응물 스트림을 처리하기 위한 추가적인 예시적인 시스템의 개략적인 구성을 나타낸다.

본 개시는 새로운 혁신적인 고전단 혼합 챔버를 제공하며, 이는 단일의 넓은 슬롯 마이크로채널을 갖추고 있어 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버에 비해 더 높은 처리량, 적은 막힘 현상, 그리고 더 긴 수명(예: 마모 감소)을 가능하게 한다. 제공되는 고전단 혼합 챔버는 유입 플레넘과 유체 연통된 유입부, 유출 플레넘과 유체 연통된 유출부, 그리고 유입 플레넘을 유출 플레넘과 연결하는 단일의 넓은 슬롯 마이크로채널을 포함할 수 있다.

일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버에서와 같이 여러 개의 개별 마이크로채널을 포함하는 대신, 제공되는 고전단 혼합 챔버는 일부 예에서 단일의 넓은 슬롯 마이크로채널을 포함한다. 예를 들어, 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버의 각 마이크로채널은 약 1:1, 2:1, 또는 4:1의 종횡비(폭:깊이)를 가질 수 있다. 이에 반해, 제공되는 고전단 혼합 챔버의 단일 넓은 슬롯 마이크로채널은 10:1 이상, 예를 들어 20:1, 50:1 또는 100:1의 종횡비를 가질 수 있다. 따라서, 넓은 슬롯 마이크로채널 입구의 단면적은 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버의 각 개별 마이크로채널 입구의 단면적보다 크며, 이는 막힘 문제의 발생을 줄이고 제공되는 고전단 혼합 챔버의 유지보수 수명을 증가시키는 데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 넓은 슬롯 마이크로채널 입구의 더 큰 단면적은 넓은 슬롯 마이크로채널 입구에서 발생하는 공동현상의 심각성을 줄이는 데 기여할 수 있다. 공동현상의 심각성이 감소하면 고전단 혼합 챔버에 가해지는 손상이나 마모의 양을 줄이는 데 도움이 되며, 작동 중 흐름을 방해하는 공동 형성을 줄이는 데도 기여할 수 있다.

넓은 슬롯 마이크로채널은 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버의 개별 마이크로채널 사이의 빈 공간을 제거한다. 따라서, 제공되는 고전단 혼합 챔버는 최소한 일부 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버보다 더 높은 처리량을 가질 수 있다. 예를 들어, 넓은 슬롯 마이크로채널은 개별 마이크로채널 사이의 빈 공간을 제거하기 때문에 동일한 공간을 차지하는 개별 마이크로채널에 비해 더 많은 유체를 흐르게 할 수 있다.

일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버는 제공되는 고전단 혼합 챔버의 넓은 슬롯 마이크로채널만큼 높은 종횡비(폭:깊이)를 가진 마이크로채널을 포함하지 않으며, 이는 주로 두 가지 이유 때문이다. 첫째, 더 높은 종횡비는 더 큰 단면적을 의미하며, 따라서 더 높은 유량/처리량을 가져오는데, 유량이 지나치게 높아지면 장비의 용량을 초과하여 챔버가 충분히 높은 압력(예: 30 kpsi)에 도달하지 못하게 될 수 있다. 둘째, 단면적의 증가와 압력의 감소는 원하는 전단 속도를 낮출 수 있다. 그러나 발명자들은 넓은 슬롯 마이크로채널이 막힘 문제의 발생을 줄이고 앞서 설명한 처리량 이점을 제공하면서도 여전히 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버에 비해 적절한 수준의 전단을 생성할 수 있음을 발견하였다.

일부 측면에서, 제공되는 고전단 혼합 챔버의 넓은 슬롯 마이크로채널은 내부에 계단형 구조를 가질 수 있으며, 이로 인해 넓은 슬롯 마이크로채널은 깊이가 서로 다른 여러 부분을 포함할 수 있다. 이러한 측면에서, 넓은 슬롯 마이크로채널은 하나, 두 개, 세 개 또는 적합한 수량의 계단부를 가질 수 있다. 넓은 슬롯 마이크로채널은 제1 면(예: 상단면)과 이에 대향하는 제2 면(예: 하단면)을 가지며, 상기 계단부는 제1 면에서만, 제2 면에서만, 또는 제1 및 제2 면 모두에서 형성될 수 있다. 상기 계단부는 유입 플레넘과 유출 플레넘 사이의 마이크로채널 전체 길이에 걸쳐 연장될 수 있다. 제1 면에서 형성된 계단부는 제2 면을 향하거나 제2 면에서 멀어지도록 연장될 수 있으며, 그 반대도 가능하다. 계단형 내부 구조에 의해 형성된 모서리는 유체가 넓은 슬롯 마이크로채널을 통과할 때 전단 생성이 증가하도록 도울 수 있다.

이해되듯이, 단일 넓은(와이드) 슬롯 마이크로채널 대신, 제공되는 고전단 혼합 챔버는 소수의 넓은 슬롯 마이크로채널(예: 2개, 3개, 4개, 5개 등)을 포함할 수 있으며, 각각은 일반적인 고전단 혼합 챔버의 마이크로채널보다 더 넓을 수 있다. 예를 들어, 제공되는 고전단 혼합 챔버가 각각 종횡비(폭:깊이) 20:1을 가지는 두 개의 넓은 슬롯 마이크로채널을 포함하는 측면에서도, 적어도 일부 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버의 개별 마이크로채널 사이에 존재하는 빈 공간을 제거한다(즉, 두 개의 넓은 슬롯 마이크로채널 사이에 단 하나의 틈새 또는 빈 공간만 존재한다). 또한, 두 개의 넓은 슬롯 마이크로채널은 각각의 입구에서 단면적이 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버의 개별 마이크로채널 입구 단면적보다 더 크다. 이와 같은 소수의 넓은 슬롯 마이크로채널을 포함하는 제공된 고전단 혼합 챔버의 측면에서, 각 넓은 슬롯 마이크로채널은 계단형 내부 구조를 가질 수 있다.

도 1 및 도 2는 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버(100)의 작업 구간 예시를 나타낸다. 고전단 혼합 챔버(100)는 유입 구멍(104)을 갖는 유입 챔버(102), 유출 구멍(108)을 갖는 유출 챔버(106), 유입 플레넘(110), 유출 플레넘(112), 및 유입 플레넘(110)을 유출 플레넘(112)과 연결하는 복수의 마이크로채널(114)(예: 2개에서 20개 사이의 마이크로채널)을 포함한다. 적어도 일부 측면에서, 유입 챔버(102) 및 유출 챔버(106)는 원통형일 수 있다. 각 마이크로채널(114)은 마이크로채널(114)이 유입 플레넘(110)과 만나는 마이크로채널 입구(116)와 마이크로채널(114)이 유출 플레넘(112)과 만나는 마이크로채널 출구(117)를 포함한다. 다양한 예시에서, 각 마이크로채널(114)은 폭이 0.006인치에서 0.04인치 사이, 깊이가 0.002인치에서 0.03인치 사이의 범위를 가질 수 있다.

사용 시, 매우 높은 압력의 유입 유체는 유입 구멍(104)으로 들어가 유입 챔버(102)와 유입 플레넘(110)을 통과한 후, 마이크로채널 입구(116)에서 복수의 마이크로채널(114)로 유입된다. 이후 유체는 마이크로채널 출구(117)를 통해 복수의 마이크로채널(114)을 빠져나와 유출 플레넘(112)으로 들어가고, 유출 챔버(106)를 통과한 후 유출 구멍(108)을 통해 배출된다. 높은 유입 유체 압력은 일반적인 다중 슬롯 고전단 혼합 챔버(100)의 작업 구간을 통과하면서 유체에 고전단을 가한다.

공동 현상(cavitation)은 고전단 혼합 챔버(100) 내부에서 주로 두 곳에서 발생한다: (i) 마이크로채널 입구(116) 부근, (ii) 유출 구멍(108)이다. 유체 흐름이 마이크로채널(114)로 급격히 전환되면서 마이크로채널 입구(116)에서 급격한 방향 전환이 이루어지면 일반적으로 공동 현상이 발생한다. 더 나아가, 마이크로채널 입구(116) 각각 근처에서 가용 단면적이 감소하기 때문에 가장 심한 공동 현상은 마이크로채널 입구(116) 근처에서 발생할 수 있다. 공동 현상은 마이크로채널(114)의 내부면에 손상을 초래하여 마이크로채널(114)을 마모시킬 수 있으며, 이는 고전단 혼합 챔버(100)의 성능과 수명을 감소시킬 수 있다.

또한, 마이크로채널 입구(116) 근처의 가용 단면적 감소는 마이크로채널(114)을 통한 유량을 제한하며, 그 결과 마이크로채널 출구(117)에서 평균 유속이 낮아지게 된다. 이는 마이크로채널 출구(117)에서의 유체 에너지를 감소시키며, 특정 응용에서 공정 효율의 저하로 이어질 수 있다. 도 3은 전산 유체 역학 시뮬레이션을 사용하여 고전단 혼합 챔버(100)의 속도 분포를 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 고전단 혼합 챔버(100)의 속도 분포는 마이크로채널마다 균일하지 않다. 다시 말해, 각 마이크로채널의 동일 위치에서의 속도 분포가 동일하지 않다. 이러한 비균일한 속도 분포는 부분적으로 입구 효과와 작은 공동 포켓으로 인해 발생하며, 이는 각 마이크로채널의 하단부 절반 부근에서 더 높은 유속을 초래한다. 비균일 속도 분포의 또 다른 이유는 유입 플레넘(110) 내부의 유동 분포이다. 유입 플레넘(110)의 중심에 가까운 마이크로채널은 유입 챔버(102)에 더 가까워 더 높은 유속을 갖게 된다. 반면, 유입 플레넘(110)의 끝에 가까운 마이크로채널에 도달하기 위해 유동은 더 긴 거리를 이동해야 한다. 비균일한 속도 분포의 결과로, 마이크로채널(114) 간 가공된 물질의 변동이 발생하거나 특정 물질이 막히는 문제가 생길 수 있다.

또한, 일반적인 고전단 혼합 챔버(100)의 설계적 제한은 기계의 물리적 크기에 따라 단일 기계에 설치할 수 있는 마이크로채널(114)의 수가 제한된다는 점이다. 따라서, 일반적인 고전단 혼합 챔버(100)를 포함하는 기계의 처리량은 고전단 혼합 챔버(100) 내 마이크로채널(114)의 수와 상관관계가 있으며, 이는 개별 마이크로채널(114) 간에 필요한 빈 공간에 의해 추가적으로 제한된다. 여기에서 처리량은 주어진 시간에 고전단 혼합 챔버(100)를 통과할 수 있는 유체의 양을 의미한다.

도 4 및 도 5는 본 명세서에 개시된 고전단 혼합 챔버(400)의 작업 구간 예시를 나타낸다. 다양한 측면에서, 고전단 혼합 챔버(400)는 유입 구멍(404)을 갖는 유입 챔버(402), 유출 구멍(408)을 갖는 유출 챔버(406), 그리고 유입 챔버(402)를 유출 챔버(406)와 연결하는 단일 와이드 슬롯 마이크로채널(414)을 포함할 수 있다. 일부 측면에서는 고전단 혼합 챔버(400)가 유입 플레넘(410) 및/또는 유출 플레넘(412)을 포함할 수 있다. 이러한 측면에서 단일 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 유입 플레넘(410)과 유출 플레넘(412)을 연결할 수 있다. 이하 설명은 고전단 혼합 챔버(400)가 유입 플레넘(410)과 유출 플레넘(412)을 포함하는 측면에 관한 것이다. 적어도 일부 측면에서, 유입 챔버(402)와 유출 챔버(406)는 원통형일 수 있다. 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 와이드 슬롯 마이크로채널(414)이 유입 플레넘(410)과 만나는 마이크로채널 입구(416)와 와이드 슬롯 마이크로채널(414)이 유출 플레넘(412)과 만나는 마이크로채널 출구(417)를 포함한다. 사용 시, 유입 유체는 유입 구멍(404)으로 들어가 유입 챔버(402)와 유입 플레넘(410)을 통과한 후 마이크로채널 입구(416)를 통해 와이드 슬롯 마이크로채널(414)로 유입된다. 이후 유체는 마이크로채널 출구(417)를 통해 와이드 슬롯 마이크로채널(414)을 빠져나와 유출 플레넘(412)으로 들어가고, 유출 챔버(406)를 통과한 후 유출 구멍(408)을 통해 배출된다.

비록 도 5는 유입 플레넘(410)과 유출 플레넘(412)의 각 단부가 와이드 슬롯 마이크로채널(414)과 동일 평면에 있는 것으로 도시하고 있지만, 다른 예시에서는 유입 플레넘(410) 및 유출 플레넘(412)의 각 단부 중 적어도 하나가 와이드 슬롯 마이크로채널(414)을 넘어 연장될 수 있다. 예를 들어, 도 11은 유입 플레넘(410)과 유출 플레넘(412)의 각 단부(1100 및 1102)가 와이드 슬롯 마이크로채널(414)을 넘어 연장된 예시를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 유입 플레넘(410)의 단부(1100)로부터 거리(D1)만큼 떨어져 있으며, 유출 플레넘(412)의 단부(1102)로부터 거리(D2)만큼 떨어져 있다. D1과 D2는 동일하거나 서로 다른 거리일 수 있다. 한 예로, D1과 D2는 0.001인치에서 1인치 사이의 범위일 수 있다. 또 다른 예로, D1과 D2는 0.01인치에서 0.03인치 사이의 범위일 수 있다. 마이크로채널(예: 와이드 슬롯 마이크로채널(414))과 고전단 혼합 챔버(400)의 단부(1100 및/또는 1102) 사이에 거리 D1과 D2를 추가하면, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)로 유입되는 유동을 간소화하고, 마이크로채널 입구(416) 및 마이크로채널 출구(417)에서의 공동 현상 수준을 감소시키는 것으로 확인되었다. 즉, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)을 단부(1100) 위에 배치함으로써 단부(1102)에 유체 풀(pool)이 형성되어 공동 현상을 억제한다. 고전단 혼합 챔버(400)가 유입 플레넘(410) 및 유출 플레넘(412)을 포함하지 않는 측면에서는, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 유입 챔버(402) 및 유출 챔버(406) 중 적어도 하나의 해당 단부로부터 거리 D1 또는 D2만큼 떨어진 위치에 배치될 수 있다.

와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 유입 플레넘(410)에서 유출 플레넘(412)까지 길이 L(도 8 참조)로 연장되며, 길이 L에 수직인 폭 W(도 7 및 도 8 참조)를 갖는다. 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 내부 깊이는 첫 번째 면(예: 유입 챔버(402)에 가장 가까운 상면)에서 두 번째 면(예: 유출 챔버(406)에 가장 가까운 하면)까지 연장된다. 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 깊이는 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 길이 L 및 폭 W 모두에 수직이다. 다양한 예시에서, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 폭 W는 0.01인치에서 1인치 사이일 수 있다. 일부 예시에서는 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 폭 W가 0.1인치에서 1인치 사이일 수 있다. 다양한 예시에서 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 길이 L은 0.01인치에서 1인치 사이일 수 있다. 일부 예시에서는 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 길이 L이 0.1인치에서 1인치 사이일 수 있다.

적어도 일부 측면에서, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 폭 W는 유입 챔버(402)의 폭 또는 직경 및/또는 유출 챔버(406)의 폭 또는 직경보다 크다. 다양한 측면에서, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 폭 W는 유입 플레넘(410) 및/또는 유출 플레넘(412)의 폭의 1/2, 3/5, 2/3, 7/10, 3/4, 4/5, 9/10 또는 적절한 다른 비율 이상일 수 있다. 하나의 예로, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 폭 W는 유입 플레넘(410) 및/또는 유출 플레넘(412)의 폭과 실질적으로 동일하거나 약간 더 작을 수 있다. 일부 측면에서, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 폭 W는 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 길이 L보다 클 수 있다. 한 측면에서는, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 깊이가 길이 L 및 폭 W을 따라 균일할 수 있다. 다양한 예시에서, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 깊이는 0.002인치에서 0.1인치 사이일 수 있다. 일부 예시에서는 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 깊이가 0.002인치에서 0.03인치 사이일 수 있다.

다양한 측면에서, 상기 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 종횡비(폭:깊이)가 10:1 이상일 수 있으며, 예를 들어 20:1, 50:1, 100:1, 200:1과 같은 값을 가질 수 있다. 일부 측면에서는 와이드 슬롯 마이크로채널(414)이 200:1, 300:1, 400:1 또는 500:1 이하의 종횡비를 가질 수 있다. 일부 측면에서는 와이드 슬롯 마이크로채널(414)이 10:1에서 500:1 사이의 종횡비를 가질 수 있다. 또 다른 측면에서는 와이드 슬롯 마이크로채널(414)이 10:1에서 350:1 사이의 종횡비를 가질 수 있다. 일부 측면에서는, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)이 10:1에서 200:1 사이의 종횡비(폭:깊이)를 가질 수 있다. 또 다른 측면에서는 20:1에서 500:1 사이의 종횡비를 가질 수 있다. 일부 측면에서는 50:1에서 500:1 사이의 종횡비를, 그리고 또 다른 측면에서는 100:1에서 500:1 사이의 종횡비를 가질 수 있다. 본 명세서에 개시된 고전단 혼합 챔버(400)의 다양한 특성에 대한 모든 범위는 해당 범위의 끝값을 포함한다.

본 개시에 따른 일부 측면에서, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 계단형 내부 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 6은 계단부(600)를 포함하는 와이드 슬롯 마이크로채널(414)을 예로 들어 포함하는 고전단 혼합 챔버(400)를 나타낸다. 도 7은 도 6에 도시된 평면 A-A에서의 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 단면도를 나타낸다. 도 7의 예시에서, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 제1 면(714)과, 제2 면(704, 706, 708)을 포함하는 반대쪽 면을 갖는다. 상기 면(706)은 벽(710)을 통해 상기 제1 면(714)과 연결되며, 상기 면(708)은 벽(712)을 통해 상기 제1 면(714)과 연결된다. 상기 제1 면(714)은 상면일 수 있으며, 상기 제2 면은 하면일 수 있다. 상기 면(704)은 상기 벽(700) 및 상기 벽(702)에 의해 상기 면(706) 및 상기 면(708)과 오프셋되어 계단부(600)를 형성한다.

이 예시에서, 상기 계단부(600)는 제1 면(714)으로부터 멀어지며 연장되어 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 중앙 부분 깊이를 증가시킨다. 예를 들어, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 제1 면(714)과 면(708) 사이의 제1 부분에서 깊이 D를 가질 수 있으며, 제1 면(714)과 면(704) 사이의 제2 부분에서는 D보다 큰 깊이를 가질 수 있고, 제1 면(714)과 면(706) 사이의 제3 부분에서 다시 깊이 D를 가질 수 있다. 다른 예에서는, 제3 부분(제1 면(714)과 면(706) 사이)이 제1 및 제2 부분과 다른 깊이를 가질 수 있다. 다양한 측면에서, 제2 부분의 깊이는 D보다 크고 최대 깊이 3D 이하의 범위에 있을 수 있다. 다시 말해, 이러한 측면에서는 제2 부분의 깊이와 제1 및/또는 제3 부분의 깊이의 비율이 최대 3:1 이하일 수 있다. 일부 예에서는, 제2 부분의 깊이와 제1 및/또는 제3 부분의 깊이의 비율이 최대 2:1 이하일 수 있다.

일부 측면에서, 벽(710) 및 벽(712)의 깊이(이 예에서는 깊이 D)는 벽(700) 및 벽(702)의 깊이와 동일할 수 있다. 다른 측면에서는, 벽(710) 및 벽(712)의 깊이가 벽(700) 및 벽(702)의 깊이보다 크거나 작을 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 제1, 제2, 제3 부분의 깊이는 균일할 수 있다. 다른 측면에서는, 제1, 제2 및 제3 부분 중 하나 이상의 깊이가 비균일할 수 있다. 예를 들어, 이러한 다른 측면에서는 도 7에 도시된 것처럼 면(704)이 제1 면(714)과 평행하지 않고, 면(704) 및/또는 제1 면(714)이 기울어져 면(704)과 제1 면(714)이 서로 평행하지 않을 수 있다.

적어도 일부 경우에서, 계단식 내부 구조로 인해 형성된 모서리는 와이드 슬롯 마이크로채널(414)을 통해 유체가 흐를 때 전단 생성이 증가하도록 돕는다. 다시 말해, 전단은 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 가장자리 또는 모서리에서 가장 크게 발생하며, 계단식 내부 구조는 일정 깊이를 갖는 내부 구조를 가진 와이드 슬롯 마이크로채널(414)과 비교하여 추가적인 모서리를 형성한다. 예를 들어, 추가적인 모서리는 다음의 교차 지점에서 생성된다: (1) 면(706)과 벽(700), (2) 벽(700)과 면(704), (3) 면(704)과 벽(702), (4) 벽(702)과 면(708). 이 예시에서, 이러한 추가 모서리 각각은 직각을 형성한다. 다른 예시에서는, 앞서 설명된 비균일 깊이를 갖는 측면처럼, 계단식 내부 구조로 형성된 일부 모서리는 직각이 아닐 수 있다(예: 70°, 80°, 85° 등).

도 7에 도시된 바와 같이, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 폭 W를 갖는다. 일부 측면에서는, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 단면이 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 폭 W 중심에 있는 축에 대해 대칭적일 수 있다. 예를 들어, 일부 예시에서는 제1 부분, 제2 부분 및 제3 부분이 동일한 폭을 가질 수 있다. 다른 예시에서는, 도시에 나타난 것처럼, 제1 부분과 제3 부분이 동일한 폭을 가지는 반면, 제2 부분은 제1 및 제3 부분보다 폭이 크거나 작을 수 있다. 다른 측면에서는, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 단면이 폭 W 중심에 있는 축에 대해 비대칭적일 수 있다. 예를 들어, 일부 예시에서는 제1 부분과 제3 부분이 서로 다른 폭을 가질 수 있다. 이러한 경우, 제2 부분은 제1 부분 또는 제3 부분과 동일한 폭을 가질 수 있다. 또 다른 예시에서는, 제1 부분, 제2 부분 및 제3 부분이 모두 서로 다른 폭을 가질 수 있다.

도 8은 도 6에 도시된 평면 B-B에서의 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 단면도를 나타낸다. 도 7과 관련하여 설명된 바와 같이, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 제1 부분은 벽(702)과 벽(712) 사이의 구간이다. 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 제2 부분은 벽(700)과 벽(702) 사이의 구간이며, 제3 부분은 벽(710)과 벽(700) 사이의 구간이다. 도 8의 예에서, 제1 부분, 제2 부분 및 제3 부분 각각은 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 길이 L을 따라 유입 플레넘(410)에서 유출 플레넘(412)까지 연장된다. 다시 말해, 제1 부분의 깊이는 유입 플레넘(410)에서 유출 플레넘(412)까지 균일하며, 제2 부분과 제3 부분도 마찬가지로 깊이가 균일하다. 다른 예에서는, 제1, 제2 및 제3 부분 각각의 깊이가 유입 플레넘(410)에서 유출 플레넘(412)까지 균일하지 않을 수 있다. 예를 들어, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 일부 구간은 폭 전체에 걸쳐 균일한 깊이를 가질 수 있고, 다른 구간은 제1, 제2 및 제3 부분으로 나뉘어 각기 다른 깊이를 가질 수 있다.

도 9a부터 도 9e는 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 다양한 예를 나타내는 단면도를 도시한다. 도 9a의 예에서, 계단부(600)가 제1 면(714)으로부터 멀어지는 대신, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 제1 면(714) 쪽으로 연장되는 계단부(900)를 포함한다. 제2 면은 면(706), 면(708), 및 면(906)을 포함한다. 면(906)은 벽(902) 및 벽(904)에 의해 면(706)과 면(708)으로부터 오프셋되어 계단부(900)를 형성한다. 계단부(900)가 제1 면(714) 쪽으로 연장됨으로써 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 중앙 부분 깊이가 감소한다. 예를 들어, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 제1 면(714)과 면(708) 사이의 제1 부분에서 깊이 D를 가지며, 제1 면(714)과 면(906) 사이의 제2 부분에서는 D보다 작은 깊이를 가지며, 제1 면(714)과 면(706) 사이의 제3 부분에서 다시 깊이 D를 가질 수 있다.

도 9b의 예에서, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 앞서 설명된 계단부(600)를 포함하는 제2 면을 가질 수 있다. 제2 면은 제1 면과 반대쪽에 위치하며, 제1 면은 면(916), 면(918), 및 면(920)을 포함한다. 면(916)은 벽(912) 및 벽(914)에 의해 면(918)과 면(920)으로부터 오프셋되어 계단부(910)를 형성한다. 도시된 바와 같이, 계단부(910)는 제2 면으로부터 멀어지며 연장된다. 계단부(600)가 제1 면으로부터 멀어지고, 계단부(910)가 제2 면으로부터 멀어짐으로써 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 중앙 부분 깊이가 증가한다. 예를 들어, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 면(920)과 면(708) 사이의 제1 부분에서 깊이 D를 가지며, 면(916)과 면(704) 사이의 제2 부분에서는 D보다 큰 깊이를 가지며, 면(918)과 면(706) 사이의 제3 부분에서 다시 깊이 D를 가질 수 있다. 일부 측면에서는, 계단부(600)와 계단부(910)가 동일한 깊이를 가질 수 있다. 다시 말해, 벽(700)과 벽(702)의 깊이가 벽(912)과 벽(914)의 깊이와 동일할 수 있다. 다른 측면에서는, 계단부(600)와 계단부(910)의 깊이가 서로 다를 수 있으며, 계단부(600)의 깊이가 계단부(910)의 깊이보다 크거나 작을 수 있다.

도 9c의 예에서, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 앞서 설명된 계단부(900)를 포함하는 제2 면을 가질 수 있다. 제2 면은 제1 면과 반대쪽에 위치하며, 제1 면은 면(936), 면(938), 및 면(940)을 포함한다. 면(936)은 벽(932) 및 벽(934)에 의해 면(938)과 면(940)으로부터 오프셋되어 계단부(930)를 형성한다. 도시된 바와 같이, 계단부(930)는 제2 면 쪽으로 연장된다. 계단부(900)가 제1 면 쪽으로 연장되고, 계단부(930)가 제2 면 쪽으로 연장됨으로써 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 중앙 부분 깊이가 감소한다. 예를 들어, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 면(940)과 면(708) 사이의 제1 부분에서 깊이 D를 가지며, 면(906)과 면(936) 사이의 제2 부분에서는 D보다 작은 깊이를 가지며, 면(938)과 면(706) 사이의 제3 부분에서 다시 깊이 D를 가질 수 있다. 일부 측면에서는, 계단부(900)와 계단부(930)가 동일한 깊이를 가질 수 있다. 다시 말해, 벽(902) 및 벽(904)의 깊이가 벽(932) 및 벽(934)의 깊이와 동일할 수 있다. 다른 측면에서는, 계단부(900)와 계단부(930)의 깊이가 서로 다를 수 있으며, 계단부(900)의 깊이가 계단부(930)의 깊이보다 크거나 작을 수 있다.

도 9d의 예에서, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 앞서 설명된 계단부(930)를 포함하는 제1 면과, 앞서 설명된 계단부(600)를 포함하는 제2 면을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 계단부(930)는 제2 면 쪽으로 연장되고, 계단부(600)는 제1 면으로부터 멀어지며 연장된다. 일부 측면에서는, 계단부(930)의 깊이가 계단부(600)의 깊이와 동일할 수 있다. 다시 말해, 벽(932) 및 벽(934)의 깊이가 벽(700) 및 벽(702)의 깊이와 동일할 수 있다. 이러한 경우, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 폭 전체에 걸쳐 깊이는 동일하나 상하로 오프셋된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 면(940)과 면(708) 사이의 제1 부분에서 깊이 D를 가지며, 면(936)과 면(704) 사이의 제2 부분에서 깊이 D를 가지며, 면(938)과 면(706) 사이의 제3 부분에서도 깊이 D를 가질 수 있다. 다른 측면에서는, 계단부(930)와 계단부(600)가 서로 다른 깊이를 가질 수 있다. 이러한 경우, 제2 부분(면(936)과 면(704) 사이)의 깊이는 깊이 D보다 크거나 작을 수 있다.

도 9a부터 도 9d에 도시된 예들에서, 제1 면과 제2 면은 서로 바뀔 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 도 9d의 예에서, 제1 면은 제2 면으로부터 멀어지며 연장되는 계단부(예: 계단부(910))를 포함할 수 있고, 제2 면은 제1 면 쪽으로 연장되는 계단부(예: 계단부(900))를 포함할 수 있다. 앞서 도 7과 관련하여 설명된 바와 같이, 도 9a부터 도 9d에 나타난 예들에서 제1, 제2 및 제3 부분의 깊이와 폭은 적절한 종횡비를 가질 수 있다.

도 9a부터 도 9d와 관련하여 설명된 각 예에서는 제1 및/또는 제2 면에 단일 계단부를 갖는다. 그러나 다른 예에서는, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)이 제1 및/또는 제2 면에 두 개 이상의 계단부를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 9e는 두 개의 계단부를 포함하는 제2 면을 가진 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 단면도를 나타낸다. 이 예에서, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 면(706) 및 면(708)으로부터 벽(700) 및 벽(702)에 의해 오프셋된 면(704A) 및 면(704B)을 포함하며, 이를 통해 계단부(600)가 형성된다. 또한, 면(704A) 및 면(704B)으로부터 벽(952) 및 벽(954)에 의해 오프셋된 면(956)을 포함하며, 이를 통해 계단부(950)가 형성된다. 계단부(950)는 계단부(600)에서 연장되며, 제1 면(714)으로부터 멀어지는 방향으로 연장된다.

계단부(950)가 제1 면(714)으로부터 멀어지며 연장됨에 따라, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 중앙 부분 깊이가 와이드 슬롯 마이크로채널(414)의 다른 부분들에 비해 증가한다. 예를 들어, 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 면(714)과 면(708) 사이의 제1 부분에서 깊이 D를 가지며, 면(714)과 면(704B) 사이의 제2 부분에서 깊이 D보다 큰 깊이를 가지며, 면(714)과 면(956) 사이의 제3 부분에서 깊이가 제2 부분의 깊이보다 크며, 면(714)과 면(704A) 사이의 제4 부분에서 깊이 D보다 큰 깊이를 가지며, 면(714)과 면(706) 사이의 제5 부분에서 깊이 D를 가질 수 있다. 일부 측면에서, 계단부(950)와 계단부(600)는 동일한 깊이를 가질 수 있다. 다시 말해, 벽(952) 및 벽(954)의 깊이는 벽(700) 및 벽(702)의 깊이와 동일할 수 있다. 다른 측면에서는, 계단부(950)와 계단부(600)는 서로 다른 깊이를 가질 수 있으며, 계단부(950)의 깊이는 계단부(600)의 깊이보다 크거나 작을 수 있다.

도 7 및 도 9a부터 도 9d의 예와 마찬가지로, 도 9e의 예에서 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 부분의 각각의 깊이와 폭은 적절한 종횡비를 가질 수 있다. 특정한 예에서, 제3 부분의 깊이는 1.5D, 즉 제1 부분 깊이의 1.5배일 수 있으며, 제2 부분의 깊이는 1.2D, 즉 제1 부분 깊이의 1.2배일 수 있다. 또 다른 특정 예에서는, 제3 부분의 폭이 제2 부분의 폭 및 제1 부분의 폭의 두 배일 수 있다. 이 특정 예에서, 제4 부분의 폭은 제2 부분의 폭과 동일할 수 있으며, 제5 부분의 폭은 제1 부분의 폭과 동일할 수 있다.

다양한 측면에서, 두 개 이상의 계단부를 가지는 와이드 슬롯 마이크로채널(414)은 단일 계단부를 가지는 와이드 슬롯 마이크로채널(414)과 관련하여 설명된 임의의 배치를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 면(714)이 제2 면 대신 계단부(600) 및 계단부(950)를 포함할 수 있으며, 또는 제1 면(714)과 제2 면이 각각 두 개 이상의 계단부를 포함하고, 이 계단부들이 서로 반대쪽 면을 향해 연장되거나 반대 방향으로 연장될 수 있다. 일부 측면에서는, 두 개 이상의 계단부를 가진 면이 서로 반대 방향으로 연장되는 계단부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 계단부(950)는 제1 면(714)을 향해 연장되는 반면, 계단부(600)는 제1 면(714)으로부터 멀어지며 연장될 수 있다. 또한, 일부 측면에서는 제1 면과 제2 면이 동일한 수의 계단부를 가질 수 있다. 다른 측면에서는, 제1 면과 제2 면이 서로 다른 수의 계단부를 가질 수 있다.

또 다른 구현예로, 도 10에 도시된 바와 같이, 고전단 혼합 챔버(400)는 계단식 내부 구조를 가진 복수의 마이크로채널(1002, 1004, 1006, 1008)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 마이크로채널(1002, 1004, 1006, 1008)은 앞서 설명된 예들 중 하나의 계단식 내부 구조를 가질 수 있다. 일부 측면에서는, 각 마이크로채널(1002, 1004, 1006, 1008)이 동일한 유형의 계단식 내부 구조(예: 도 9a의 계단식 내부 구조)를 가질 수 있다. 다른 측면에서는, 적어도 하나의 마이크로채널(1002, 1004, 1006, 1008)이 다른 마이크로채널들과 다른 유형의 계단식 내부 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 마이크로채널(1002) 및 마이크로채널(1006)은 도 9a의 계단식 내부 구조를 가지는 반면, 마이크로채널(1004) 및 마이크로채널(1008)은 도 9b의 계단식 내부 구조를 가질 수 있다. 고전단 혼합 챔버(400)에 복수의 마이크로채널이 포함되는 예에서, 각 마이크로채널은 종횡비(폭:깊이)가 4:1 이상일 수 있으며, 예를 들어 10:1, 20:1, 50:1, 100:1, 150:1, 또는 200:1과 같은 값을 가질 수 있다. 일부 측면에서는, 각 마이크로채널이 종횡비(폭:깊이) 10:1 이상을 가질 수 있다. 일부 측면에서는, 각 마이크로채널이 종횡비(폭:깊이) 100:1, 150:1, 200:1, 또는 250:1 이하를 가질 수 있다. 또한, 도 10은 계단식 내부 구조를 가진 네 개의 마이크로채널을 포함하는 고전단 혼합 챔버(400)를 도시하고 있지만, 다른 예에서는 고전단 혼합 챔버(400)가 계단식 내부 구조를 가진 다른 적합한 수의 마이크로채널(예: 두 개, 세 개, 다섯 개 등)을 가질 수 있다.

일부 측면에서, 고전단 혼합 챔버(400)는 적합한 세라믹(예: 알루미나) 및/또는 다이아몬드(예: 다결정 다이아몬드)로 적어도 부분적으로 구성될 수 있다. 한 예로, 고전단 혼합 챔버(400)는 전체가 다결정 다이아몬드로 구성될 수 있다. 일부 측면에서는, 고전단 혼합 챔버(400)의 내부의 적어도 일부가 다이아몬드(예: 다결정 다이아몬드)로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 고전단 혼합 챔버(400)의 내부 전체가 다이아몬드로 코팅될 수 있다. 일부 경우, 고전단 혼합 챔버(400)는 증착 공정을 통해 코팅될 수 있다.

다양한 측면에서, 고전단 혼합 챔버(400)는 5,000psi, 10,000psi, 20,000psi, 또는 35,000psi 이상의 작동 압력을 견딜 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 고전단 혼합 챔버(400)는 5,000-50,000psi, 10,000-40,000psi, 10,000-50,000psi, 5,000-40,000psi, 5,000-30,000psi, 10,000-30,000psi, 5,000-25,000psi, 10,000-25,000psi, 5,000-20,000psi, 10,000-20,000psi, 30,000-50,000psi, 20,000-40,000psi, 20,000-50,000psi, 15,000-40,000psi, 15,000-50,000psi 및 다른 적합한 압력 범위를 견딜 수 있도록 구성될 수 있다.

다양한 예에서, 고전단 혼합 챔버(400) 및/또는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 마이크로채널(예: 와이드 슬롯 마이크로채널(414) 또는 마이크로채널(1002, 1004, 1006, 1008))은 고압 유체 믹서, 고압/고전단 유체 프로세서, 고압 임핑저 제트 반응기 및 고압 균질기와 같은 적합한 고압 유체 시스템의 구성 요소일 수 있다. 이러한 적합한 고압 유체 시스템은 Microfluidics International Corporation(IDEX Corporation의 계열사, 미국 매사추세츠주 Westwood에 위치)에서 제공하는 다양한 시스템을 포함할 수 있으며, 여기에는 파일럿 규모 기계와 생산 규모 기계가 포함된다. 예를 들어, 파일럿 규모 기계에는 Microfluidics International Corporation에서 제공하는 Pilot Scale M110EH 및 Pilot Scale M815 제품이 포함될 수 있다. 생산 규모 기계에는 M700 및 M710 시리즈 제품(예: M7125 및 M7250)이 포함될 수 있다.

본 명세서에 따른 예시적인 장치/시스템은 일반적으로 액체 스트림(예: 반응물)의 혼합을 처리하도록 설계된다. 액체 스트림은 일반적으로 공급 펌프에 의해 증압 펌프로 전달된다. 본 명세서에 개시된 장치/시스템은 액체 스트림이 제어된 비율로, 제어된 위치에서, 제어된 에너지 투입으로 혼합되도록 설계되었다. 예를 들어, 도 12는 본 명세서에 따른 처리 배열의 일부로서 예시적으로 나타낸 액체 스트림("반응물(Reactant)")을 도식적으로 도시하고 있다. 본 명세서에 따르면, 액체 스트림은 다양한 형태를 취할 수 있으며, 예를 들어 다상 유체, 혼화성 유체 및/또는 비혼화성 유체일 수 있다. 액체 스트림은 공급 용기/유입 저장소와 연결되어 나타난다. 물론, 액체 스트림이 본 명세서에 개시된 처리 장치/시스템에 도입되기 전에 처리되거나 저장되는 방식은 매우 다양할 수 있으며, 개시된 유입 저장소는 단순히 반응물/유체 스트림의 전처리 취급/저장 방식을 예시적으로 나타낸 것이다. 액체 스트림은 일반적으로 증압 펌프 또는 기타 고압 펌프와 결합되어 이러한 액체 스트림을 압력(예: 최대 50,000 psi)으로 가압하여 혼합 챔버(예: 고전단 혼합 챔버(400))로 공급되도록 한다.

상기 공급 펌프는 증압 펌프/고압 펌프와 결합하여 액체 스트림의 유량을 제어한다. 시스템의 다양한 위치에서 액체 스트림에 입력되는 에너지는 유동 경로의 형상에 의해 제어된다. 따라서, 유리한 배관 설계/배치, 혼합 챔버/마이크로리액터의 설계/형상, 및 혼합 챔버 하류에 배치된 열 교환기의 설계/배치를 통해 에너지 소산(dissipation)을 제어하거나 최소화할 수 있다. 일반적으로 에너지 소산은 혼합 챔버/마이크로리액터의 설계/형상에 의해 가장 크게 영향을 받으며, 이는 혼합 챔버/마이크로리액터와 관련된 난류 및/또는 전단에 의해 결정된다.

액체 스트림은 고정된 형상의 혼합 챔버/마이크로리액터 내부에서 나노미터 단위로 유리하게 혼합된다. 혼합 챔버/마이크로리액터의 하류에서, 액체 스트림은 일반적으로 열 교환기로 공급되어 냉각되거나, 필요에 따라 가열될 수 있다. 일부 경우, 액체 스트림은 이 처리 단계에서 전부 또는 일부가 수집될 수 있다. 그러나 본 명세서의 예시적인 구현/실시에서는, 액체 스트림이 전부 또는 일부가 장치/시스템으로 재순환될 수 있으며, 예를 들어 증압 펌프/고압 펌프의 상류로 재순환 공급을 도입하는 방식으로 처리될 수 있다.

도 13은 본 명세서에 따른 예시적인 유동 구현을 도식적으로 나타낸다. 유압 펌프는 모터에 의해 구동되어 유압유를 증압 펌프에 전달한다. 액체 공급 스트림("반응물 스트림")은 증압 펌프에 도입되어 혼합 챔버(예: 고전단 혼합 챔버(400))로 전달되기 위해 가압된다. 혼합 챔버를 빠져나온 후, 액체 생성물 스트림은 온도 조절(즉, 냉각 또는 가열)을 위해 열 교환기로 유입될 수 있다.

도 12 및 도 13은 단일 반응물 액체 스트림을 나타내고 있지만, 일부 예에서는 두 개 이상의 반응물 액체 스트림이 증압 펌프 또는 기타 고압 펌프와 연결되어 결합될 수 있으며, 이러한 결합된 액체 스트림은 가압되어(예: 최대 50,000psi) 혼합 챔버로 공급될 수 있다. 이러한 예에서는, 두 개 이상의 반응물 액체 스트림이 증압 펌프로 도입되기 전에 매니폴드, 티(tee) 또는 이와 유사한 구성에서 결합될 수 있거나, 별도의 포트를 통해 증압 펌프로 도입될 수 있다. 대안적으로, 예시적인 장치/시스템은 두 개 이상의 액체 스트림을 증압 펌프로 전달하기 위한 동축 공급 구조/설계를 포함할 수 있다. 특정한 예로, 첫 번째 액체 스트림의 공급 라인/파이프가 두 번째 액체 스트림의 공급 라인/파이프 내부에 배치되어, 이러한 반응물 액체 스트림이 증압 펌프(또는 기타 고압 펌프)로 실질적으로 동축 형태로 전달될 수 있다. 따라서, 두 번째 액체 스트림의 공급 라인/파이프는 첫 번째 액체 스트림의 공급 라인/파이프 외경에 비해 더 큰 내부 직경을 가지며, 이를 통해 첫 번째 액체 스트림의 공급 라인/파이프 외부에 정의된 링 모양의 유동 채널에서 두 번째 액체 스트림의 흐름이 가능해진다. 이와 같은 방식으로, 첫 번째 및 두 번째 액체 스트림 간의 혼합은 압력이 증대되기 직전까지 방지되거나(또는 실질적으로 최소화되어) 유지된다. 따라서, 동축 공급 구조/설계의 이 예에서는 첫 번째 및 두 번째 액체 간의 조기 상호작용이 효과적으로 방지되며, 이러한 액체 스트림 간의 상호작용은 혼합 챔버/마이크로리액터 내에서 발생하며, 예를 들어 나노미터 수준에서 이루어진다. 대안적으로, 나란히 배치된 공급 라인/파이프와 같은 다른 유동 패턴이 적용되어 조기 상호작용 및/또는 혼합을 최소화하거나 방지할 수 있으며, 이는 본 명세서의 취지나 범위를 벗어나지 않는다.

본 명세서에서 사용된 "약(about)", "대략(approximately)" 및 "실질적으로(substantially)"라는 용어는 숫자의 범위를 나타내며, 예를 들어 참조된 숫자의 -10%에서 +10% 범위를 의미하며, 바람직하게는 -5%에서 +5%, 보다 바람직하게는 -1%에서 +1%, 가장 바람직하게는 -0.1%에서 +0.1%의 범위를 의미한다.

또한, 본 명세서에 포함된 모든 수치 범위는 해당 범위 내의 모든 정수와 소수 값을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아울러, 이러한 수치 범위는 해당 범위 내의 임의의 숫자 또는 숫자들의 하위 집합에 대한 청구를 뒷받침하는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, "1에서 10까지"라는 개시는 "1에서 8까지", "3에서 7까지", "1에서 9까지", "3.6에서 4.6까지", "3.5에서 9.9까지" 등과 같은 범위를 뒷받침하는 것으로 해석될 수 있다.

별도의 설명 없이도, 당업자가 전술한 설명을 통해 청구된 발명을 최대한 활용할 수 있을 것이라고 믿어진다. 본 명세서에 개시된 예시 및 측면은 단지 예시적인 것으로 해석되어야 하며, 본 개시의 범위를 어떠한 방식으로도 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 당업자라면, 상기 설명된 예시의 세부 사항에 변경을 가하더라도, 논의된 기본 원칙을 벗어나지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 즉, 상기 설명에서 구체적으로 개시된 예시의 다양한 변형 및 개선은 첨부된 청구범위의 범위 내에 포함된다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명된 다양한 예시의 특징들을 적합하게 조합하는 것도 포함될 수 있다.

Claims

유입 구멍 및 하단 단부를 포함하는 유입 챔버;
상기 유입 챔버의 하단 단부와 유체 연통된 유입 플레넘;
유출 구멍 및 상단 단부를 포함하는 유출 챔버;
상기 유출 챔버의 상단 단부와 유체 연통된 유출 플레넘; 및
상기 유입 플레넘을 상기 유출 플레넘에 연결하는 마이크로채널 - 상기 마이크로채널의 제1 부분은 제1 균일 깊이를 가지며, 상기 마이크로채널의 제2 부분은 제2 균일 깊이를 가지고, 상기 마이크로채널의 제3 부분은 제3 균일 깊이를 가지며, 상기 제1 깊이는 상기 제2 깊이와 다르며, 상기 제1, 제2 및 제3 부분은 상기 유입 챔버와 상기 유출 챔버 사이의 마이크로채널 길이를 따라 평행하게 배치됨 -;
을 포함하는, 고압 유체 프로세서를 위한 고전단 혼합 챔버.
제1항에 있어서,
상기 유입 챔버 및/또는 상기 유출 챔버는 수직으로 배치된, 고전단 혼합 챔버.
제1항에 있어서,
상기 유입 챔버 및/또는 상기 유출 챔버는 원통형인, 고전단 혼합 챔버.
제1항에 있어서,
상기 마이크로채널은 상기 유입 챔버와 상기 유출 챔버 사이의 길이를 따라 연장되며, 상기 마이크로채널의 폭은 상기 유입 챔버의 폭이나 직경 및 상기 유출 챔버의 폭이나 직경보다 크고, 상기 폭은 상기 길이에 수직인, 고전단 혼합 챔버.
제1항에 있어서,
상기 제2 부분은 상기 제1 부분 및 상기 제3 부분 사이에 위치하며, 상기 제1 깊이는 상기 제3 깊이와 동일한, 고전단 혼합 챔버.
제1항에 있어서,
상기 제3 깊이는 상기 제1 깊이 및 상기 제2 깊이와 다른, 고전단 혼합 챔버.
제1항에 있어서,
상기 제1 깊이는 상기 제1 부분 전반에 걸쳐 일관되며, 상기 제2 깊이는 상기 제2 부분 전반에 걸쳐 일관되고, 상기 제3 깊이는 상기 제3 부분 전반에 걸쳐 일관된, 고전단 혼합 챔버.
제1항에 있어서,
상기 제2 부분은 상기 제1 부분과 상기 제3 부분 사이에 위치하며, 상기 마이크로채널은 제1 면 및 이에 대향하는 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면은 계단 형태를 가져 상기 제2 깊이가 상기 제1 깊이보다 크도록 하는, 고전단 혼합 챔버.
제1항에 있어서,
상기 제2 부분은 상기 제1 부분과 상기 제3 부분 사이에 위치하며, 상기 마이크로채널은 제1 면 및 이에 대향하는 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면은 계단 형태를 가져 상기 제2 깊이가 상기 제1 깊이보다 작도록 하는, 고전단 혼합 챔버.
제1항에 있어서,
상기 마이크로채널 내부의 중심 영역은 복수의 모서리를 포함하며, 각 모서리는 상기 마이크로채널의 길이를 따라 연장되는, 고전단 혼합 챔버.
제1항에 있어서,
상기 마이크로채널 내부의 중심 영역은 복수의 직각면을 포함하며, 각 직각면은 마이크로채널의 길이를 따라 연장되는, 고전단 혼합 챔버.
제1항에 있어서,
상기 마이크로채널은 제1 계단형 면 및 이에 대향하는 제2 계단형 면을 포함하며, 상기 제1 계단형 면 및 상기 제2 계단형 면 각각은 상기 제1 계단형 면 및 상기 제2 계단형 면의 중심 부분에 복수의 직각을 포함하고, 각각은 마이크로채널의 길이를 따라 연장되는, 고전단 혼합 챔버.
제1항에 있어서,
상기 마이크로채널의 상기 제1 부분은 상기 마이크로채널의 상기 제2 부분과 직접 인접하는, 고전단 혼합 챔버.
제1항에 있어서,
상기 고전단 혼합 챔버는 적어도 부분적으로 세라믹 및 다이아몬드 중 적어도 하나로 구성되는, 고전단 혼합 챔버.
제1항에 있어서,
상기 고전단 혼합 챔버 내부의 적어도 일부는 다결정 다이아몬드로 코팅된, 고전단 혼합 챔버.
제1항에 있어서,
5,000~50,000 psi 범위의 작동 압력에서 파손 없이 견딜 수 있도록 구성된, 고전단 혼합 챔버.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 고전단 혼합 챔버를 통해 5k psi, 10k psi, 20k psi 및 35k psi로 이루어진 군으로부터의 압력 중 적어도 어느 하나의 압력으로, 유체를 통과시키는 단계
를 포함하는 에멀전 생산 방법.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 고전단 혼합 챔버를 통해 5k psi, 10k psi, 20k psi 및 35k psi로 이루어진 군으로부터의 압력 중 적어도 어느 하나의 압력으로, 입자 스트림을 통과시키는 단계
를 포함하는 입자 크기 감소 방법.
수직으로 배치된 유입 챔버로서, 유입 구멍 및 하단 단부를 포함하는 유입 챔버;
상기 유입 챔버의 하단 단부와 유체 연통된 유입 플레넘;
수직으로 배치된 유출 챔버로서, 유출 구멍 및 상단 단부를 포함하는 유출 챔버;
상기 유출 챔버의 상단 단부와 유체 연통된 유출 플레넘; 및
상기 유입 플레넘을 상기 유출 플레넘에 연결하는 마이크로채널 - 상기 마이크로채널은 상기 유입 플레넘에서 상기 유출 플레넘까지의 길이를 따라 연장되며, 상기 마이크로채널의 폭은 상기 유입 챔버의 폭 및 상기 유출 챔버의 폭보다 큼 -;
을 포함하는, 고압 유체 프로세서를 위한 고전단 혼합 챔버.
제19항에 있어서,
상기 유입 플레넘의 폭은 상기 마이크로채널의 폭과 평행하며, 상기 마이크로채널의 폭은 상기 유입 플레넘의 폭의 최소 절반인, 고전단 혼합 챔버.
제19항에 있어서,
단일 마이크로채널이 상기 유입 플레넘을 상기 유출 플레넘에 연결하는, 고전단 혼합 챔버.
제19항에 있어서,
상기 마이크로채널은 제1 면 및 이에 대향하는 제2 면을 포함하며, 상기 제1 면은 상기 마이크로채널의 길이를 따라 연장되는 적어도 하나의 제1 계단부를 포함하며, 상기 적어도 하나의 제1 계단부는 상기 제2 면 쪽으로 또는 상기 제2 면에서 멀어지도록 연장되는, 고전단 혼합 챔버.
제22항에 있어서,
상기 제2 면은 상기 마이크로채널의 길이를 따라 연장되는 적어도 하나의 제2 계단부를 포함하며, 상기 적어도 하나의 제2 계단부는 상기 제1 면 쪽으로 또는 상기 제1 면에서 멀어지도록 연장되는, 고전단 혼합 챔버.
제19항에 있어서,
상기 마이크로채널의 종횡비(폭:깊이)는 10:1 이상인, 고전단 혼합 챔버.
제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 고전단 혼합 챔버를 통해 5k psi, 10k psi, 20k psi 및 35k psi로 이루어진 군으로부터의 압력 중 적어도 어느 하나의 압력으로, 유체를 통과시키는 단계
를 포함하는 에멀전 생산 방법.
제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 고전단 혼합 챔버를 통해 5k psi, 10k psi, 20k psi 및 35k psi로 이루어진 군으로부터의 압력 중 적어도 어느 하나의 압력으로, 입자 스트림을 통과시키는 단계
를 포함하는 입자 크기 감소 방법.