KR102114778B1 - 미세혼합기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 미세혼합기는 2종류 이상의 유체가 유입되는 유입부; 상기 유입부로부터 유체를 전달받고 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록 형성되며, 서로 이격되어 순차적으로 형성되는 복수개의 제 1노즐부와, 상기 복수개의 제 1노즐부 중 인접하는 제 1노즐부 사이에 구비되는 제 1혼합유로를 포함하며, 전기장이 형성되어 유체가 이동하는 제 1채널; 상기 유입부로부터 유체를 전달받고, 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록 형성되며, 서로 이격되어 순차적으로 형성되는 복수개의 제 2노즐부와, 상기 복수개의 제 2노즐부 중 인접하는 제 2노즐부 사이에 구비되고, 상기 제 1혼합유로와 연통되는 제 2혼합유로를 포함하며, 전기장이 형성되어 유체가 이동하는 제 2채널; 및 상기 제 1채널 및 상기 제 2채널에서 혼합된 유체를 전달받아 배출시키는 배출부를 포함한다.
본 발명에 따른 미세혼합기는, 제 1노즐부 및 제 2노즐부가 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록 형성되고, 제 1노즐유로, 제 1혼합유로, 제 2노즐유로 및 제 3노즐유로, 제 2혼합유로, 제 4노즐유로가 순차적으로 반복배치됨으로써, 유체의 분리 및 확산을 반복수행함으로써, 혼합효율을 향상시킬 수 있다.

Description

미세혼합기{MICROMIXER}
본 발명은 미세혼합기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2종류 이상의 유체를 효율적으로 혼합시키기 위한 미세혼합기에 관한 것이다.
일반적으로 마이크로시스템(Microsystems)은 화학 분석, 생의학 진단, 환경 및 식품 모니터링, 약물 전달 등 수많은 용도로 사용되고 있다. 상기한 마이크로시스템은 마이크로크기의 유체유동의 제어, 혼합, 반응, 분리, 검출 등의 과정을 포함하며 상기한 마이크로크기의 유체유동이 전체 마이크로 분석 시스템의 개발에 중요한 영향을 미치게 된다. 마이크로시스템 중, 유체의 혼합을 위한 미세혼합기는 환자의 혈액샘플과 시약의 혼합 등과 같이 2종류 이상의 유체를 혼합시키기 위한 것으로, 초소형장치에서 분석 또는 생화학 반응을 위해 마이크로 채널에 의하여 운반되는 시료와 시약등의 효과적인 혼합은 필수적인 장치이다.
하지만, 마이크로 단위에서 나타나는 유체의 유동은 낮은 레이놀즈 수(Reynolds number)와 페클레 수(Peclet number)를 초래하게 되어, 난류의 형성이 어려워 확산에 의한 혼합을 요구하게 되어 균일한 유체의 혼합물을 얻는 것에 한계가 있다. 부연하면, 마이크로 유체의 유동에 있어서, 난기류가 없는 경우 혼합은 분자의 확산에 의하여 나타나며, 긴 마이크로채널의 길이를 필요로하여 많은 시간이 소요된다. 하지만 상기한 바와 같은, 긴 마이크로채널을 가지는 미세혼합기는, 마이크로 시스템에 통합시키는 것이 복잡하여 적용시키는 것이 바람직하지 않다.
한편 미세혼합기는 혼합 메커니즘에 따라 크게 능동(Active) 미세혼합기 및 수동(Passive) 미세혼합기의 두 가지 유형으로 분류 할 수 있다. 능동 미세혼합기는 마이크로채널 내부에 유동발생 수단을 구비하여, 혼합성능을 향상시킨 미세혼합기인 것으로, 능동 미세혼합기의 유체 흐름은 외부 에너지 또는 외부 자극에 의하여 혼합성능이 향상되도록 구성된다.
종래의 상기한 능동형 미세혼합기에 관한 기술로는 대한민국 등록특허 10-0769306호가 개시되어 있다.
하지만 종래의 능동 미세혼합기는, 수동 미세혼합기에 비하여 높은 혼합성능을 가질 수 있으나, 유동발생 수단을 위한 장치를 필요로하여 복잡하게 형성되며, 미세 소량 유체의 누출 가능성 및 제조원가의 상승의 단점이 있다. 또한 능동 미세혼합기는 장치의 복잡성에 의하여 마이크로 시스템과 통합시키는 데 어려움이 있다.
반면, 수동 미세혼합기는 마이크로 채널 내부에 정적인 미세구조를 도입하여, 유체가 혼합되도록 하는 미세혼합기인 것으로, 외부 에너지 입력이 필요하며 일정한 유량을 유지하기 위해 압력 헤드가 사용된다. 대부분의 수동 미세혼합기는 복잡한 형상을 통하여 혼합 유체 간의 계면 영역을 증가시켜 혼합율을 향상시키게되며, 제조 및 시스템 통합의 편의성 때문에 선호되나, 능동 미세혼합기에 비하여 채널 길이가 길고 혼합 시간이 오래 소요된다는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여 창출된 것으로, 제 1노즐부 및 제 2노즐부가 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록 형성되어, 제 1혼합유로로 이동하기 전 점차적으로 가압되고, 확산거리가 감소하게 되어 능동적인 제어 시스템 없이도, 혼합성능이 향상될 수 있으며, 가압된 유체가 제 1혼합유로 및 상기 제 2혼합유로로 확산이동하면서 혼합유체사이의 접촉 계면영역을 증가시켜 능동적인 제어 시스템 없이도, 혼합성능이 증대되는 미세혼합기를 제공하는데 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세혼합기는, 서로 상이한 유체가 각각 유입되는 제 1유체로 및 제 2유체로와, 일측이 상기 제 1유체로 및 제 2유체로와 각각 연통되고, 타측이 제 1노즐부 및 제 2노즐부의 일측과 연통되어 상기 제 1노즐부 및 상기 제 2노즐부로 각각 유체를 유입시키는 혼합유입로를 포함하는 유입부와, 상기 유입부로부터 유체를 전달받고 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록, 하면이 일측에서 타측으로 갈수록 상향경사지도록 형성되는 제 1노즐유로와, 상면이 일측에서 타측으로 갈수록 하향경사지도록 형성되는 제 2노즐유로를 포함하고, 상기 제 1노즐유로, 제 1혼합유로, 상기 제 2노즐유로가 반복적으로 배치된 제 1노즐부와, 상기 제 1노즐부 복수 개가 유체의 유동방향을 따라 연속반복으로 형성된 제 1채널과, 상기 유입부로부터 유체를 전달받고, 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록, 상면이 일측에서 타측으로 갈수록 하향경사지도록 형성되는 제 3노즐유로와, 하면이 일측에서 타측으로 갈수록 상향경사지도록 형성되는 제 4노즐유로를 포함하고, 상기 제 3노즐유로, 제 2혼합유로, 상기 제 4노즐유로가 반복적으로 배치된 제 2노즐부와, 상기 제 2노즐부 복수 개가 유체의 유동방향을 따라 연속반복으로 형성된 제 2채널과, 상기 제 1노즐유로의 상면 및 상기 제 2노즐유로의 하면에 -전극을 인가시키는 제 1전극부와, 상기 제 1노즐유로의 하면 및 상기 제 2노즐유로의 상면에 +전극을 인가시키는 제 2전극부와, 상기 제 3노즐유로의 하면 및 상기 제 4노즐유로의 상면에 -전극을 인가시키는 제 3전극부와, 상기 제 3노즐유로의 상면 및 상기 제 4노즐유로의 하면에 +전극을 인가시키는 제 4전극부를 포함하는 전기장유도부, 및 상기 제 1채널 및 상기 제 2채널에서 혼합된 유체를 전달받아 배출시키는 배출부를 포함하여, 서로 상이한 유체는 상기 제 1노즐부 및 상기 제 2노즐부에서 분리되고, 상기 제 1혼합유로 및 상기 제 2혼합유로에서 확산혼합되어, 분리 및 확산혼합을 반복수행한다.
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또한 상기 제 1노즐부 및 상기 제 2노즐부는, 상기 제 1노즐부 및 상기 제 2노즐부의 일측폭(Wc) 대비 길이(Lc)인 노즐길이(Lc/Wc)의 범위가, 0.41 내지 2.00로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 제 1노즐부 및 상기 제 2노즐부의 일측폭(Wc) 대비 타측폭(Wn)인 노즐단부폭(Wn/Wc)의 범위가, 0.13 내지 0.47로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 미세혼합기는, 제 1노즐부 및 제 2노즐부가 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록 형성되어, 제 1혼합유로로 이동하기 전 점차적으로 가압되고, 확산거리가 감소하게 되어 능동적인 제어 시스템 없이도, 혼합성능이 향상될 수 있으며, 가압된 유체가 제 1혼합유로 및 상기 제 2혼합유로로 확산이동하면서 혼합유체사이의 접촉 계면영역을 증가시켜 능동적인 제어 시스템 없이도, 혼합성능이 증대될 수 있다.
또한, 제 1채널 및 제 2채널에 전기장이 형성되어 전기삼투압 방식으로 유체가 혼합될 수 있어, 혼합효율이 증대될 수 있다.
더불어 노즐길이(Lc/Wc)가, 0.41 내지 2.00의 크기로 형성되고, 노즐단부 폭(Wn/Wc)이, 0.13 내지 0.47 크기로 형성되어 혼합성능을 증대시킬 수 있는 미세혼합기의 최적의 치수를 채용가능하다.
도 1은 본 발명의 미세혼합기를 개략적으로 도시한 사시도,
도 2는 도 1에 도시한 미세혼합기 중 제 1채널의 단면도,
도 3은 도 1에 도시한 미세혼합기 중 제 2채널의 단면도,
도 4는 도 1에 도시한 미세혼합기의 노즐길이(Lc/Wc)와 유체의 혼합성능의 관계를 나타낸 그래프,
도 5 및 도 6은 도 1 에 도시한 미세혼합기의 노즐길이(Lc/Wc)의 변화에 대한 평면상의 염료질량 분율분포를 나타낸 해석이미지,
도 7은 도 1에 도시한 미세혼합기의 노즐단부 폭(Wn/Wc)과 유체의 혼합성능의 관계를 나타낸 그래프,
도 8 및 도 9는 도 1 에 도시한 미세혼합기의 노즐단부 폭(Wn/Wc)의 변화에 대한 평면상의 염료질량 분율분포를 나타낸 해석이미지,
도 10은 매개변수해석을 바탕으로 도출한 최적의 크기로 형성된 미세혼합기의 혼합성능과 초기디자인으로 형성된 미세혼합기의 혼합성능을 비교한 그래프,
도 11은, 도 1에 도시한 미세혼합기의 전기장에 의한 유체의 유동경로를 개략적으로 도시한 상태도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 실시예에 따른 미세혼합기(10)는 2종류이상의 유체를 혼합시키기 위한 것으로, 유입부(100), 제 1채널(200), 제 2채널(300), 배출부(400), 전기장유도부(500)를 포함한다.
상기 유입부(100)는 서로 혼합시키기 유체를 전달하기 위한 것으로, 유체가 이동하는 유로가 형성되어 2종류 이상의 유체가 유입된다. 상기 유입부(100)는 제1유체로(110), 제 2유체로(120), 혼합유입로(130)를 포함할 수 있다.
상기 제 1유체로(110) 및 제 2유체로(120)는 2종류 이상의 유체가 각각 유입된다. 상기 제 1 유체로(100) 및 상기 제 2유체로(120)는 서로 마주보는 방향으로 배치되며 일측에서 2종류 이상의 유체가 각각 유입되고 타측이 서로 연통되도록 형성된다. 따라서 상기 제 1 유체로(100)의 일측에서 타측으로 유체가 유입되고, 상기 제 2유체로(100)의 일측에서 타측으로 상기 제 1유체로(100)로 유입되는 유체와 상이한 유체가 유입되어, 상기 제 1유체로(110) 및 상기 제 2유체로(120)의 타측에서 2종류 이상의 유체가 서로 혼합될 수 있다. 부연하면 상기 제 1유체로(110)를 통하여 물-염료 용액이 유입되고, 상기 제 2유체로(120)를 통하여 물이 유입되는 것이 바람직하나 이에 한정하는 것은 아니며 유체의 종류는 상기 미세혼합기(10)의 용도에 따라 적절하게 변경하여 적용할 수 있을 것이다.
상기 혼합유입로(130)는 상기 제 1유체로(110) 및 상기 제2 유체로(120)로부터 유체를 전달받아, 후술(後述) 할 제 채널(200) 및 제 2채널(300)로 전달한다. 즉 상기 혼합유입로(130)는 일측이 상기 제 1유체로(110) 및 제 2유체로(120)와 각각 연통되고, 타측이 상기 제 1채널(200) 및 상기 제 2채널(300)와 각각 연통되어, 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)로 각각 유체를 유입시킨다. 부연하면 상기 혼합유입로(130)는 상기 제 1유체로(110) 및 상기 제 2유체로(120)의 타측에 수직방향으로 배치되어, 상기 제 1유체로(110) 및 상기 제 2유체로(120)의 타측에서 혼합된 2종류 이상의 유체를 전달받을 수 있으며, 상기 혼합유입로(130)를 통하여 2종류 이상의 유체가 서로 혼합되면서 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)로 유입될 수 있다.
도 2를 참조하면 상기 제 1채널(200)은 유체가 이동하는 유로가 형성되어, 상기 혼합유입로(130)로부터 혼합된 2종류 이상의 유체가 함께 유입된다. 즉 상기 제 1채널(200)은 일단이 상기 유입부(100)와 연통되어 상기 유입부(100)로부터 2종류 이상의 유체를 전달받으며, 상기 제 1채널(200)을 따라 일측에서 타측으로 이동하면서 유체가 서로 혼합될 수 있다. 부연하면 상기 제 1채널(200)은 일단이 상기 혼합유입로(130)의 타측과 연통되어 유체를 전달받을 수 있으며, 상기 제 1채널(200)은 내부에 전기장이 형성되어 전기삼투압방식을 통하여 유체가 이동하도록 구성된다. 상기 제 1채널(200)은, 복수개의 제 1노즐부(210)과 복수개의 제 1혼합유로(220)를 포함할 수 있다.
상기 복수개의 제 1노즐부(210)는, 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록 형성되며, 서로 이격되어 순차적으로 형성된다. 즉, 유체는 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록 형성되는 복수개의 제 1노즐부(210)를 반복적으로 이동하게 된다. 상기 복수개의 제 1노즐부(210)는 제 1노즐유로(211)와, 제 2노즐유로(212)를 포함할 수 있다.
상기 제 1노즐유로(211)는 하면이 일측에서 타측으로 갈수록 상향경사지도록 형성된다. 즉 상기 제 1노즐유로(211)는 하면이 일측에서 타측으로 갈수록 상향경사지도록 경사면으로 형성되고, 상면은 평면으로 형성되어 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록 형성될 수 있다. 부연하면 상기 제 1노즐유로(211)는 일측폭의 길이가 타측폭의 길이보다 긴 사다리꼴형상으로 형성되며, 타측이 후술(後述) 할 제 1혼합유로(220)와 연통될 수 있다.
상기 제 2노즐유로(212)는 상면이 일측에서 타측으로 갈수록 하향경사지도록 형성된다. 즉 상기 제 2노즐유로(212)는 상면이 일측에서 타측으로 갈수록 하향경사지도록 경사면으로 형성되고, 하면은 평면으로 형성되어 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록 형성될 수 있다. 부연하면 상기 제 2노즐유로(212)는 일측폭의 길이가 타측폭의 길이보다 긴 사다리꼴형상으로 형성되며, 타측이 상기 제 1혼합유로(220)와 연통될 수 있다.
상기 제 1혼합유로(220)는 상기 복수개의 제 1노즐부(210) 중 인접하는 제 1노즐부(210) 사이에 구비된다. 즉 상기 제 1혼합유로(220)는 복수개의 제 1노즐부(210) 중 하나의 제 1 노즐부(210)와 다른 하나의 제 1노즐부(210) 사이에 구비되는 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로 상기 제1혼합유로(220)는 상기 제 1 노즐유로(211)와 상기 제 2노즐유로(212) 사이에 구비되는 것이 바람직하다. 부연하면 상기 제 1혼합유로(220)는 일측이 상기 제 1노즐유로(211)와 연통되며, 타측이 상기 제 2노즐유로(212)와 연통되어, 상기 제 1노즐유로(211), 상기 제 1혼합유로(220), 상기 제 2노즐유로(212)가 순차적으로 반복 배치되는 것이 바람직하다. 상기 제 1 혼합유로(220)는 일측 및 타측폭의 길이가 상기 제 1노즐부(210)의 일측폭의 길이와 대응하도록 형성되며, 단면이 직사각형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 3을 참조하면 상기 제 2채널(300)은 유체가 이동하는 유로가 형성되어, 상기 혼합유입로(130)로부터 혼합된 2종류 이상의 유체가 함께 유입된다. 즉 상기 혼합유입로(130)를 따라 이동하는 유체가 상기 제 1채널(200) 및 상기 제 2채널(300)로 분리되어 이동하게 된다. 상기 제 2채널(300)은 일단이 상기 유입부(100)와 연통되어 상기 유입부(100)로부터 2종류 이상의 유체를 전달받으며, 상기 제 2채널(300)을 따라 일측에서 타측으로 이동하면서 유체가 서로 혼합될 수 있다. 부연하면 상기 제 2채널(300)은 일단이 상기 혼합유입로(130)의 타측과 연통되어 유체를 전달받을 수 있으며, 상기 제 2채널(300)은 내부에 전기장이 형성되어 전기삼투압 방식을 통하여 유체가 이동하도록 구성된다. 상기 제 2채널(300)은 복수개의 제 2노즐부(310)과 복수개의 제 2혼합유로(320)를 포함할 수 있다.
상기 복수개의 제 2노즐부(310)는, 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록 형성되며, 서로 이격되어 순차적으로 형성된다. 즉, 유체는 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록 형성되는 복수개의 제 2노즐부(310)를 반복적으로 이동하게 된다. 상기 복수개의 제 2노즐부(310)는 제 3노즐유로(311), 제 4노즐유로(312)를 포함할 수 있다.
상기 제 3노즐유로(311)는 상면이 일측에서 타측으로 갈수록 하향경사지도록 형성된다. 즉 상기 제 3노즐유로(311)는 상면이 일측에서 타측으로 갈수록 하향경사지도록 경사면으로 형성되고, 하면은 평면으로 형성되어, 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록 형성될 수 있다. 부연하면 상기 제 3노즐유로(311)는 일측폭의 길이가 타측폭의 길이보다 긴 사다리꼴형상으로 형성되며, 타측이 후술(後述) 할 제 2혼합유로(320)와 연통될 수 있다.
상기 제 4노즐유로(312)는 하면이 일측에서 타측으로 갈수록 상향경사지도록 형성된다. 즉 상기 제 4노즐유로(312)는 상면이 일측에서 타측으로 갈수록 하향경사지도록 경사면으로 형성되고, 하면이 평면으로 형성되어 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록 형성될 수 있다. 부연하면 상기 제 4노즐유로(212)는 일측폭의 길이가 타측폭의 길이보다 긴 사다리꼴형상으로 형성되며, 타측이 상기 제 2혼합유로(320)와 연통될 수 있다.
상기 제 2혼합유로(320)는 상기 복수개의 제 2노즐부(310) 중 인접하는 제 2노즐부(310) 사이에 구비된다. 즉 상기 제 2혼합유로(320)는 복수개의 제 2노즐부(310) 중 하나의 제 2노즐부(310)와 다른 하나의 제 2노즐부(310) 사이에 구비되는 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로 상기 제 2혼합유로(320)는 상기 제 3노즐유로(311)와 상기 제 4노즐유로(312) 사이에 구비되는 것이 바람직하다. 부연하면 상기 제 2혼합유로(320)는 일측이 상기 제 2노즐유로(311)와 연통되며, 타측이 상기 제 4노즐유로(312)와 연통되어, 상기 제 3노즐유로(311), 상기 제 2혼합유로(320), 상기 제 4노즐유로(312)가 순차적으로 반복 배치되는 것이 바람직하다. 상기 제 2혼합유로(320)는 일측 및 타측폭의 길이가 상기 제 2노즐부(310)의 일측폭의 길이와 대응하도록 형성되며, 단면이 직사각형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
한편 상기 제 2혼합유로(320)는 상기 제 1혼합유로(220)와 연통될 수 있다. 상기 제 1혼합유로(220)와 상기 제 2혼합유로(320)가 연통됨으로써, 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)를 이동하는 유체를 서로 혼합시킬 수 있다. 부연하면, 상기 제 1혼합유로(220) 및 상기 제 2혼합유로(220)는 서로 대응하는 크기로 형성되어 일체로 구성되는 것이 바람직하며, 상기 제 1혼합유로(220) 및 상기 제 2혼합유로(320)는 일측의 상부가 상기 제 2노즐유로(211)와 연통되고, 일측의 하부가 상기 제 3노즐유로(311)와 연통되어 상부 및 하부에서 각각 유체를 전달받아 혼합효율을 증대시킬 수 있다. 즉 유체는 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)에서 분리되고, 상기 제 1혼합유로(220) 및 상기 제 2혼합유로(320)에서 확산혼합되어, 분리 및 확산혼합을 반복수행함으로써 혼합효율을 향상시킬 수 있다. 또한 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)가 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록 형성되어, 상기 제 1혼합유로(220)로 이동하기 전 점차적으로 가압되고, 확산거리가 감소하게 되어 혼합성능이 향상될 수 있으며, 가압된 유체가 상기 제 1혼합유로(220) 및 상기 제 2혼합유로(320)로 확산이동하면서 혼합유체사이의 접촉 계면영역을 증가시켜 혼합성능이 증대될 수 있다.
한편 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)는, 서로 대응하는 크기로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)의 일측폭(Wc) 대비 길이(Lc)인 노즐길이(Lc/Wc)범위가, 0.41 내지 2.00로 형성되는 것이 바람직하다. 또한 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)는, 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)의 일측폭(Wc) 대비 타측폭(Wn)인 노즐단부 폭(Wn/Wc)의 범위가, 0.13 내지 0.47로 형성되는 것이 바람직하다.
한편 도 4는 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)의 일측폭(Wc) 대비 길이(Lc)인 노즐길이(Lc/Wc)와 유체의 혼합성능의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 5 및 도 6은 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)의 일측폭(Wc) 대비 길이(Lc)인 노즐길이(Lc/Wc)의 변화에 대한 평면상의 염료질량 분율분포를 나타낸 해석이미지이다. 도 5에서 상기 노즐길이(Lc/Wc)는 0.41로 형성되었으며, 전기장(E)은 400(V/cm)로 인가되고, (a)는 상기 제 1채널(200)이며, (b)는 상기 제 2채널(300)이다. 또한 도 6에서 상기 노즐길이(Lc/Wc)는 1.67로 형성되었으며, 전기장(E)은 400(V/cm)로 인가되고, (a)는 상기 제 1채널(200)이며, (b)는 상기 제 2채널(300)이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 도 4의 그래프에서 확인되는 바와 같이 상기 노즐길이(Lc/Wc)의 크기가 0.41 내지 2.00의 범위 내에서 커질수록 혼합성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 또한 노즐길이(Lc/Wc)가 도 5의 노즐길이(Lc/Wc)보다 길게 형성된 도 6의 염료질량 분율분포가 도 5의 염료질량 분율분포 보다 낮게 형성된 것을 확인할 수 있으며, 노즐길이(Lc/Wc)가 길게 형성된 도 6의 유체의 혼합성능이 향상되었다는 것을 확인할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 상기 노즐길이(Lc/Wc)의 크기가 0.41 내지 2.00의 범위 내에서 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)의 길이(Lc)가 증가함에 따라 혼합 성능이 약 12%가 증가하여 향상된 것을 확인할 수 있으며, 상기 노즐길이(Lc/Wc)의 크기가 커짐에 따라 혼합 유체사이의 확산거리를 감소시켜 혼합지수가 향상될 수 있다는 점을 확인할 수 있다. 반면, 혼합지수의 증가율은 상기 노즐길이(Lc/Wc)가 증가함에 따라 감소한다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)의 일측폭(Wc) 대비 길이(Lc)인 노즐길이(Lc/Wc)가 0.41 내지 2.00의 범위로 형성됨으로써, 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)의 길이(Lc)가 유체의 접촉 계면영역이 확대되고, 확산거리를 감소시키는 적정범위로 형성되어, 혼합성능이 향상될 수 있다.
한편 도 7는 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)의 일측폭(Wc) 대비 타측폭(Wn)인 노즐단부 폭(Wn/Wc)과 유체의 혼합성능의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 8 및 도 9은 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)의 일측폭(Wc) 대비 타측폭(Wn)인 노즐단부 폭(Wn/Wc)의 변화에 대한 평면상의 염료질량 분율분포를 나타낸 해석이미지이다. 도 8에서 상기 노즐단부 폭(Wn/Wc)는 0.27로 형성되었으며, 전기장(E)은 400(V/cm)로 유도되고, (a)는 상기 제 1채널(200)이며, (b)는 상기 제 2채널(300)이다. 또한 도 9에서 상기 노즐단부 폭(Wn/Wc)은 0.13으로 형성되었으며, 전기장(E)은 400(V/cm)로 인가되고, (a)는 상기 제 1채널(200)이며, (b)는 상기 제 2채널(300)이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 도 7의 그래프에서 확인되는 바와 같이, 상기 노즐단부 폭(Wn/Wc)의 크기가 0.13 내지 0.47의 범위 내에서 감소함에 따라 혼합성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 또한 노즐단부 폭(Wn/Wc)이 도 8의 노즐단부 폭(Wn/Wc)보다 작게 형성된 도 9의 염료질량 분율분포가 도 8의 염료질량 분율분포 보다 낮게 형성된 것을 확인할 수 있어, 노즐단부 폭(Wn/Wc)이 작게 형성된 도 9의 유체의 혼합성능이 향상되었다는 것을 확인할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 상기 노즐단부 폭(Wn/Wc)이 0.47에서 0.27로 감소함에 따라 혼합지수가 약 9.68 %의 선형증가 되었으며, 상기 노즐단부 폭(Wn/Wc)가 0.27에서 0.13으로 더 감소하면 혼합지수는 2.6 % 증가하는 것을 확인 할 수 있으며, 상기 노즐단부 폭(Wn/Wc)의 크기가 작아짐에 따라 노즐단부 부근의 혼합 유체 사이의 확산 거리를 감소시키므로, 확산 혼합 및 전체 혼합 성능을 향상시키고, 유동 저항을 증가시켜 벌크 유체 속도를 감소하여 혼합지수가 향상될 수 있다는 점을 확인할 수 있다. 반면, 혼합지수의 증가율은 상기 노즐단부 폭(Wn/Wc)이 감소함에 따라 감소한다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)의 일측폭(Wc) 대비 타측폭(Wn)인 노즐단부 폭(Wn/Wc)이, 0.13 내지 0.47범위 내에서 형성됨으로써, 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)의 타측폭(Wn)이 노즐단부 부근의 혼합 유체 사이의 확산 거리를 감소시켜 확산 혼합 및 전체 혼합 성능을 향상시키는 적정범위로 형성되어, 혼합성능이 향상될 수 있다.
한편 도 10은 매개변수해석(Parametric analysis)을 바탕으로 도출한 최적의 크기로 형성된 미세혼합기(10;Optimum design)의 혼합성능과 초기디자인(Reference design)으로 형성된 미세혼합기의 혼합성능을 비교한 그래프이다. 상기 최적의 미세혼합기(10)의 상기 노즐길이(Lc/Wc)는 1.67, 노즐단부 폭(Wn/Wc)은 0.2, 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310)의 일측폭(Wc) 대비 상기 제 1혼합유로(220) 및 사기 제2혼합유로(320)의 길이(Ld)인 혼합유로길이(Ld/Wc)는 0.26로 설정되었으며, 전기장(E)은 400(V/cm)가 유도되었다.
상기 도 10에 도시된 바와 같이, 최적의 미세혼합기(10)는 초기 디자인을 기준으로 우수한 혼합 성능을 나타낸다는 것을 확인할 수 있다. 부연하면 최적의 미세혼합기(10)는 기준 디자인과 비교하여 혼합지수가 약 21% 향상되었으며, 상기 제 1채널(200) 및 상기 제 2채널(300)의 일측에서 60% 이내의 혼합지수가 상기 제 1채널(200) 및 상기 제 2채널(300)의 타측에서 약 89 %로 달성되었다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 미세혼합기(10)는 상기 노즐길이(Lc/Wc)범위가, 0.41 내지 2.00로 형성되고, 상기 노즐단부 폭(Wn/Wc)의 범위가, 0.13 내지 0.47로 형성됨으로써, 상기 노즐단부 폭(Wn/Wc)의 작은 값이 확산 거리를 감소시키고 상기 노즐길이(Lc/Wc)의 큰 값이 큰 계면 영역을 제공하여 혼합 과정을 향상시킴으로써, 상기 제 1채널(200) 및 상기 제 2채널(300) 내부의 유동 패턴을 적절하게 활용할 수 있어 혼합성능을 증대시킬 수 있다.
상기 배출부(400)는 상기 제 1채널(200) 및 상기 제 2채널(300)에서 혼합된 유체를 전달받아 배출시키기 위한 구성으로, 상기 배출부(400)는 상기 제 1채널(200) 및 상기 제 2채널(300)의 타단에 형성된다. 즉, 상기 배출부(400)는, 상기 제 1채널(200) 및 상기 제 2채널(300)를 따라 이동하며 혼합된 유체를 전달받아 배출시킨다.
상기 전기장유도부(500)는 상기 제 1채널(200) 및 상기 제 2채널(300)에 전기장을 유도시키기 위한 구성으로, 상기 전기장유도부(500)는 제 1전극부(510), 제 2전극부(520), 제 3전극부(530), 제 4전극부(540)를 포함할 수 있다.
도 11을 참조하면 상기 제 1전극부(510)는 상기 제 1노즐유로(211)의 상면 및 상기 제 2노즐유로(212)의 하면에 -전극을 인가시키며, 상기 제 2전극부(520)는 상기 제 1노즐유로(211)의 하면 및 상기 제 2노즐유로(212)의 상면에 +전극을 인가시킨다. 또한 상기 제 3전극부(530)는 상기 제 3노즐유로(311)의 하면 및 상기 제 4노즐유로(312)의 상면에 -전극을 인가시키며, 상기 제 4전극부(540)는 상기 제 3노즐유로(311)의 상면 및 상기 제 4노즐유로(312)의 하면에 +전극을 인가시킨다. 즉 상기 전기장유도부(500)는 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310) 중 경사면으로 형성된 상기 제 1노즐유로(211)의 하면 내부 및 상기 제 2노즐유로(212)의 상면 내부에 +전극을 인가 시키고, 평면으로 형성된 상기 제 1노즐유로(211)의 상면 및 상기 제 2노즐유로(212)를 -전극을 인가시켜, 상기 제 1노즐부(210) 및 상기 제 2노즐부(310) 내부에 전기장을 유도하며 전기 삼투압 방식을 이용하여 유체가 원활하게 이동할 수 있어 혼합효율이 증대될 수 있다.
본 발명에 따른 미세혼합기는, 제 1노즐부 및 제 2노즐부가 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록 형성되고, 제 1노즐유로, 제 1혼합유로, 제 2노즐유로 및 제 3노즐유로, 제 2혼합유로, 제 4노즐유로가 순차적으로 반복배치됨으로써, 유체의 분리 및 확산을 반복수행함으로써, 혼합효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 제 1채널 및 제 2채널에 전기장이 형성되어 전기삼투압 방식으로 유체가 혼합될 수 있어, 혼합효율이 증대될 수 있다.
더불어 노즐길이(Lc/Wc)가, 0.41 내지 2.00의 크기로 형성되고, 노즐단부 폭(Wn/Wc)이, 0.13 내지 0.47 크기로 형성되어 혼합성능을 증대시킬 수 있는 미세혼합기의 최적의 치수를 채용가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 미세혼합기 100 : 유입부
110 : 제 1유체로 120 : 제 2유체로
130 : 혼합유입로 200 : 제 1채널
210 : 제 1노즐부 211 : 제 1노즐유로
212 : 제 2노즐유로 220 : 제 1혼합유로
300 : 제 2채널 310 : 제 2노즐부
311 : 제 3노즐유로 312 : 제 4노즐유로
320 : 제 2혼합유로 400 : 배출부
500 : 전기장유도부 510 : 제 1전극부
520 : 제 2전극부 530 : 제 3전극부
540 : 제 4전극부

Claims (8)

  1. 서로 상이한 유체가 각각 유입되는 제 1유체로 및 제 2유체로와, 일측이 상기 제 1유체로 및 제 2유체로와 각각 연통되고, 타측이 제 1노즐부 및 제 2노즐부의 일측과 연통되어 상기 제 1노즐부 및 상기 제 2노즐부로 각각 유체를 유입시키는 혼합유입로를 포함하는 유입부;
    상기 유입부로부터 유체를 전달받고 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록, 하면이 일측에서 타측으로 갈수록 상향경사지도록 형성되는 제 1노즐유로와, 상면이 일측에서 타측으로 갈수록 하향경사지도록 형성되는 제 2노즐유로를 포함하고, 상기 제 1노즐유로, 제 1혼합유로, 상기 제 2노즐유로가 반복적으로 배치된 제 1노즐부;
    상기 제 1노즐부 복수 개가 유체의 유동방향을 따라 연속반복으로 형성된 제 1채널;
    상기 유입부로부터 유체를 전달받고, 유체의 진행방향에 따라 단면적이 좁아지도록, 상면이 일측에서 타측으로 갈수록 하향경사지도록 형성되는 제 3노즐유로와, 하면이 일측에서 타측으로 갈수록 상향경사지도록 형성되는 제 4노즐유로를 포함하고, 상기 제 3노즐유로, 제 2혼합유로, 상기 제 4노즐유로가 반복적으로 배치된 제 2노즐부;
    상기 제 2노즐부 복수 개가 유체의 유동방향을 따라 연속반복으로 형성된 제 2채널;
    상기 제 1노즐유로의 상면 및 상기 제 2노즐유로의 하면에 -전극을 인가시키는 제 1전극부와, 상기 제 1노즐유로의 하면 및 상기 제 2노즐유로의 상면에 +전극을 인가시키는 제 2전극부와, 상기 제 3노즐유로의 하면 및 상기 제 4노즐유로의 상면에 -전극을 인가시키는 제 3전극부와, 상기 제 3노즐유로의 상면 및 상기 제 4노즐유로의 하면에 +전극을 인가시키는 제 4전극부를 포함하는 전기장유도부; 및
    상기 제 1채널 및 상기 제 2채널에서 혼합된 유체를 전달받아 배출시키는 배출부를 포함하여,
    서로 상이한 유체는 상기 제 1노즐부 및 상기 제 2노즐부에서 분리되고, 상기 제 1혼합유로 및 상기 제 2혼합유로에서 확산혼합되어, 분리 및 확산혼합을 반복수행하는 미세혼합기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1노즐부 및 상기 제 2노즐부는,
    상기 제 1노즐부 및 상기 제 2노즐부의 일측폭(Wc) 대비 길이(Lc)인 노즐길이(Lc/Wc)의 범위가, 0.41 내지 2.00로 형성되는 미세혼합기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1노즐부 및 상기 제 2노즐부는,
    상기 제 1노즐부 및 상기 제 2노즐부의 일측폭(Wc) 대비 타측폭(Wn)인 노즐단부폭(Wn/Wc)의 범위가, 0.13 내지 0.47로 형성되는 미세혼합기.
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