Поверхностные элементы в технологии микропроцессов

Поверхностные элементы в технологии микропроцессов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение касается микроканального устройства, включающего микроканалы с элементами на внутренних поверхностях, изменяющими поток; способов использования этой микроканальной архитектуры и способов изготовления аппаратов, имеющих данные элементы.

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы наблюдается значительный академический и коммерческий интерес в микроканальных устройствах. Этот интерес возник ввиду преимуществ микротехнологии, в т.ч. меньшие размеры, повышенная производительность, возможность построения системы определенного размера, обеспечивающей требуемую производительность (т.е. "верхние" каналы), увеличение теплопередачи и усиление массообмена. Обзор некоторых работ, посвященных микрореакторам (частный случай микроканальных устройств), предоставлен в Gavrilidis et al., "Technology And Applications Of Microengineered Reactors," Trans. IChemE, Vol.80, Part A, p.3-30 (Jan. 2002).

Поверхностные элементы использовались для смешивания в микроканалах. В уровне техники использовались поверхностные элементы для улучшения смешивания двух потоков жидкости при очень малых числах Рейнольдса. Типичные значения числа Рейнольдса - менее 100, обычно от 0,1 до 10. Хороший смеситель определяется малым отклонением в массовой композиции в области сечения на выходе микромиксера. Далее, из уровня техники известно, что использование поверхностных элементов особенно полезно при низких числах Рейнольдса, но эффективность смешивания снижается при увеличении числа Рейнольдса свыше 10 или 100.

Известные из уровня техники микромешалки, основанные на использовании желобчатой стенки или стенки с расположенными под углом углублениями, впервые были рассмотрены Svasek в 1996 г. Здесь ряд угловых канавок (одна диагональная канавка с постоянным углом на элемент) располагался на одной стенке для смешивания раствора подсиненного йодом крахмала с раствором фотографического фиксатора. Было отмечено улучшение смешивания по сравнению с плоским каналом, где цель состояла в том, чтобы смешать путем организации потока в главном канале таким образом, чтобы диффузионное расстояние этих двух жидкостей в потоке в главном канале уменьшилось, и диффузия могла обеспечить окончательное смешивание. Отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло 0,25.

Использование желобчатых поверхностей снова появилось в декабре 2001 г. в сети. Авторы Johnson, Ross и Locascio описали использование четырех диагональных канавок (одна постоянная диагональная канавка на элемент) для улучшения смешивания в главном канале микромешалки. Авторы описывают улучшенное смешивание при более низких скоростях потока или меньших числах Рейнольдса для всех оцененных случаев. Они также описывают дополнительные изменения углов в диагональных канавках после секции 4 повторяющихся похожих канавок. Хотя характеристики улучшились, показатели смешивания снижались при увеличении числа Рейнольдса. Отношение глубины канавки или углубления к канальному промежутку составляло 2,74.

В январе 2002 г. Strook et al описали в Science использование двух микромешалок с канавками, одной с постоянной наклонной угловой канавкой и второй, названной мешалкой с шахматным рисунком "елочка" (SHM), где угловые элементы последовательно менялись после шести элементов. Задача этой работы состояла в улучшении смешивания двух жидкостей в микроканале при потоках с малыми числами Рейнольдса (менее 100). Авторы указывают, что длина смешивания увеличивается линейно как функция логарифма числа Пекле. Число Пекле определяется как скорость, умноженная на канальный промежуток и деленная на диффузионную способность. При более высоких скоростях необходимая длина смешивания увеличивается, что отрицательно влияет на смешивание. Отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло максимумом 0,6 для SHM.

Также в 2002 г. Strook et al описали в Analytical Chemistry ряд подобных наклонных углов с постоянным углом для смешивания жидкостей с числом Рейнольдса, где отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло максимумом 1,175. Авторы описывают спиральность потока, которая отражает шаг вращающегося потока. Авторы указывают, что мешалка с шахматным рисунком "елочка" ускоряет смешивание в микрожидкостных устройствах путем создания хаоса Лагранжа при малых числах Рейнольдса.

Johnson и Locascio в июне 2002 г. описали микромешалку с четырьмя наклонными последовательными канавками для улучшения смешивания в канале объемного потока. Авторы указывают, что транспорт жидкости в канале увеличивался при увеличении глубины желоба или канавки до 50 микрон, однако, без дальнейшего усиления при увеличении свыше данной глубины. Большие значения глубины были отмечены как "мертвая зона", где поток или молекулы могут быть захвачены, а не смешаны. Число Рейнольдса было меньше 1. Авторы также указывают, что осевая дисперсия каналов с углублениями или канавками была выше, чем осевая дисперсия для плоских стенок или стенок без углублений. Отношение глубины канавки к канальному промежутку было в диапазоне от 0,32 до 2,74. Выше отношения 1,6 авторы не отмечают дополнительного улучшения. Во всех случаях рисунки показывают малый доступ смешивающейся жидкости напротив внутренней стены канавки.

Strook и Whitesides описывали в Accounts of Chemical Research в 2003 г. использование мешалки с шахматным рисунком "елочка" для растяжения и складывания потока в главном канале путем изменения ориентации канавок с равномерными интервалами или циклами. Отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло 0,44, а числа Рейнольдса были меньше 1. Авторы указывают, что длина смешивания пропорциональна логарифму скорости потока, потому что мешалки с шахматным рисунком "елочка" (SHM) способствуют хаотической адвекции в главном канале потока. В несмешанных каналах длина смешивания пропорциональна скорости потока. Авторы также указывают, что SHM снижает дисперсию для потока Пуазейля в микроканалах.

В 2003 г. Aubin et al описали в Chemical Engineering Technology, что диагональная мешалка создает очень небольшое конвективное смешивание, потому что создается сильный спиральный поток вокруг края канала, но не включает центральный поток канала. SHM наоборот обеспечивает очень хорошее смешивание в канале. В этом исследовании отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло меньше 0,6. Число Рейнольдса было равно 2. Авторы указывают, что самые низкие уровни жидкостной деформации (указывающей на растяжения или движения жидкости) наблюдаются в канавках канала, однако это, возможно, не является хорошим показателем для количественной оценки смешивания.

Wang et al опубликовали в июле 2003 г. в J. Micromech. Microeng количественное исследование микроканалов с расположенными по определенному образцу канавками. Отношение глубины канавки к канальному промежутку изменялось в диапазоне от 0,1 до 0,86. Диапазон используемых чисел Рейнольдса был от 0,25 до 5. Образец состоял из ряда сходных наклонных угловых канавок с постоянным углом. Авторы указывают, что отношение размеров канавки является самой важной переменной для смешивания, причем значение 0,86 было лучшим, чем 0,1. Структура потока представляла собой один вихрь в главном канале. Из рисунков видно, что амплитуда скорости сдвига или определенной спиральности снижается при увеличении числа Рейнольдса. Средний сдвиг или спиральность в цикле, вероятно, не зависят от числа Рейнольдса. Авторы указывают, что хаотическая адвекция не присутствовала в этой геометрии. Авторы указывают, что организованные по определенному образцу канавки в микроканалах создают мертвые объемы, но более глубокие элементы также улучшают смешивание и уменьшают длину канала для смешивания. Было отмечено, что эти мешалки предназначены для работы при относительно низких скоростях потока (Re<5), что сокращает перепад давления.

В 2003 г. Bennett и Wiggins опубликовали в Интернете сравнение различных конфигураций SHM. Конкретнее, короткие отрезки были удалены, а канавки были разделены на две части и их глубина была удвоена. Число Рейнольдса было меньше 0,1. Улучшенное смешивание наблюдалось при использовании канавок с двойной глубиной по сравнению с первоначальной структурой SHM, а удаление коротких отрезков давало немного худшие результаты, чем использование канавок с глубиной, равной половине первоначальной SHM. Авторы указывают, что эффективность мешалки - результат смешивания в желобе, где некоторая часть жидкости совершала возвратно-поступательное движение через канал в канавке или желобе, что обеспечивало больший сдвиг в жидкости и, таким образом, улучшало смешивание.

Авторы считают, что на основании этого предложенного механизма можно устранить короткие отрезки SHM, и это окажет очень малое влияние. Таким образом создаются элементы только с одним углом. Авторы также указывают, что перепад давления для желобчатых каналов меньше, чем в простых каналах без желобов, поскольку отверстия канавок оказывают эффективное действие по ослаблению граничного условия без проскальзывания. Наконец, авторы обсуждают длину смешивания как возрастающую функцию логарифма Ре, т.е. длина смешивания увеличивается при повышении скорости или диффузионного расстояния или при уменьшении массовой диффузионной способности.

В апреле 2004 г. Kim et al. опубликовали работу, посвященную использованию хаотической микромешалки со встроенным барьером, размещенным в канале основного потока в дополнение к последовательному ряду угловых канавок, содержащих один угол на элемент. Авторы отмечают, что элементы могут размещаться и в верхней, и в нижней части канала, а также то, что могут быть получены сильные спиральные потоки. Авторы предполагают, что более сильные спиральные потоки обеспечат более высокий порядок смешивания. Отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло 0,15. Высота барьера составляла 40 микрон в 60-микронном микроканальном промежутке. Число Рейнольдса изменилось в диапазоне от 0,228 до 2,28. Авторы показали, что интенсивность смешивания уменьшается при увеличении числа Рейнольдса в пределах данной длины микроканала (21 мм) и что длина смешивания растет логарифмически с увеличением числа Рейнольдса.

Также в апреле 2004 г. Schonfeld и Hardt опубликовали работу о спиральных потоках в микроканалах. Они указывают, что теплопередача от стен канала усиливается, а гидродинамическая дисперсия индикаторов концентрации, транспортируемых через канал, снижается. Они количественно оценили образец поверхностного элемента с одной наклонной угловой канавкой на одной или на двух стенках микроканала с отношением глубины канавки к канальному промежутку от 0,02 до 6,3. Авторы указывают, что среднее отношение векторов поперечной скорости в у (ширина канала) и х (длина канала) плоскостях в пределах поверхностных элементов возрастает линейно от -1 до -0,4 в углублении канавки, а затем увеличивается экспоненциально в основном канале потока до выравнивания в центральной линии канала на нулевом уровне или, по существу, отсутствия результирующего потока поперек канала в канале объемного потока. Векторы поперечного потока в канале перемещаются вперед и назад приблизительно с одной скоростью. Авторы указывают, что в случае двух стенок переплетение тонких слоев двух потоков смешиваемых жидкостей увеличивается, что обеспечивает большую площадь между поверхностями для диффузионного смешивания в основном канале. Авторы проанализировали зависимость относительной поперечной скорости от числа Рейнольдса и сообщили об обнаруженной удивительно слабой зависимости. Абсолютная поперечная скорость в пределах наклонных кромок увеличивается, когда число Рейнольдса изменяется от 1 до 1000, но это едва влияет на относительную поперечную скорость над структурами. Для указанных случаев отношение средней скорости у и х в основном канале близко к нулю по промежутку микроканала. При увеличении числа Рейнольдса относительная скорость жидкости в основном канале в направлении ширины не изменялась.

Locascio опубликовала в мае 2004 г. краткий обзор микрожидкостного смешивания. Она указала, что смешивание было вызвано перекатыванием или сворачиванием жидкости при ее проходе через элементы в нижней части канала. В нижней части канала было обнаружено малое перемещение жидкости. Смешивание в устройствах с желобчатыми каналами происходит путем диффузионного смешивания, усиливаемого благодаря уменьшению диффузионной длины между двумя жидкостями, вызываемому эффектом сворачивания.

Также в мае 2004 г. Kang и Kwon опубликовали сравнение микромешалки с наклонными канавками (все элементы с одним углом), SHM и микромиксера со встроенным барьером. В каждом случае отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло 0,1765. Каждый вариант содержал 24 элемента в виде последовательности, причем SHM имел два набора из 12 элементов, а вершина двухуглового элемента перемещалась от одной стороны канала к другой. Число Рейнольдса, как сообщалось, составляло порядка 0,01. Миксер с наклонными канавками был признан худшим, а SHM - лучшим. Образцы потока в канале показали сворачивание и перемешивание материала в основном канале потока.

Liu, Kim и Sung опубликовали в июле 2004 г. исследование по оценке желобчатых микромиксеров. Размеры из статьи Strook в Science масштабировали с постоянным соотношением с тем, чтобы оценить канал с гидравлическим диаметром 200 микрон в сравнении с 111 микрон. Полученное отношение глубины канавки к канальному промежутку составило 0,23. Характеристики смешивания при числе Рейнольдса 1 были немного лучше, чем при 10. Авторы указывают, что характеристики смешивания ухудшались при больших числах Рейнольдса ввиду значительного сокращения времени пребывания жидкостей внутри миксера.

В марте 2004 г. Strook и McGraw опубликовали работу о простой управляемой крышкой модели потока в полости, предназначенной для качественного сравнения образцов смешивания с реальными экспериментами. В модели использовался SHM с длиной повторяющихся по всей поверхности элементов 0,9 мм. Отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло 0,44. Поток Стокса при числе Рейнольдса, приближающемся к 0, использовался в модели для сравнения с потоком при Re=0,01. Качественно модель описала результаты эксперимента, а именно то, что движение одного "лепестка жидкости" справа налево для одного и слева направо для другого в канавках SHM. Однако поток Стокса в модели низводит это до неинерционных потоков, где инерция потока не может конкурировать с диффузией количества движения.

В ноябре 2004 г. Sato et al опубликовали исследование с использованием наклонного единственного углового элемента на 3 стенах. Авторы описывают создаваемый при этом плотный спиральный поток. Отношение глубины канавки к канальному промежутку равнялось 0,3. Авторы указывают, что лучшие результаты давали смещенные элементы на двух стенках, когда 5 наклонных канавок идут в ряд на одной боковой стенке, затем прекращаются, а на противоположной боковой стенке начинаются другие 5 наклонных канавок, в месте прекращения которых начинают идти другие канавки на противоположной стенке и т.д. Здесь число Рейнольдса было меньше 10.

В апреле 2005 г. Howell et al опубликовали исследование, в котором канавки располагались в верхней и нижней части микроканала. Канавки состояли из набора 4 наклонных канавок с одним углом, за которыми шли четыре шевронные канавки, после которых вновь располагались 4 наклонные канавки с одним углом и т.д. Отношение глубины канавки к канальному промежутку было в диапазоне от 0,24 до 0,74. Число Рейнольдса в данном исследовании было в диапазоне от 0,06 до 10. Поток в основном растягивался и сворачивался в основном пути потока с образованием более близко расположенных тонких слоев для диффузионного смешивания. Авторы указывают, что они не обнаружили значительного изменения в структуре потока по всему диапазону исследованных чисел Рейнольдса.

В августе 2005 г. Yang, Huang и Lin опубликовали исследование геометрических эффектов на смешивание жидкостей в желобчатых микромешалках. И вновь было отмечено, что жидкость сворачивалась и растягивалась с уменьшением диффузионной длины для смешивания. Отношение глубины канавки к канальному промежутку было в диапазоне от 0,15 до 0,44. Число Рейнольдса равнялось 10. Авторы указывают на отсутствие значительной корреляции между падением давления и показателем смешивания. Авторы оценили SHM с наборами расположенных в ряд 6 сходных элементов, после которых местоположение вершины следующего набора 6 сходных элементов изменялось по ширине основного канала. Отношение потока в канавках к основному каналу считают наиболее важным показателем для смешивания. Максимальная скорость потока в канавке относительно скорости потока в основном канале составляет 8,9%.

Список литературы
Aubin, Joelle, Fletcher, David F., Bertrand, Joel and Xuereb, Catherine, "Characterization of the Mixing Quality in Micromixers," Chem. Eng. Technol. 26, 12 (2003).
Bennett, John Patrick and Wiggins, Chris H., "A Computational Study of Mixing MicroChannel Flows," Columbus University, New York, NY, July 15 (2003).
Chew, Y.T., Xia, H.M. and Shu, C., "Techniques to Enhance Fluid Micro-Mixing and Chaotic Micromixers," World Scientific Modern Physics Letters B, Vol.19, Nos. 28 & 29, 1567-1570 (2005).
Hessel, Volker, Lowe, Holger and Schonfeld, Friedhelm, "Micromixers - a review on passive and active mixing principles," Chemical Engineering Sciences 60, 2479-2501 (2005).
Howell, Peter В., Mott, David R., Fertig, Stephanie, Kaplan, Carolyn R., Golden, Joel P., Oran, Elaine S. and Ligler, Frances S., "A microfluidic mixer with grooves placed on top and bottom of the channel," The Royal Society of Chemistry Lab Chip, 5,524-230, (2005).
Johnson, Timothy J. and Locascio, Laurie E., "Characterization and optimization of slanted well designs for microfluidic mixing under electroosmotic flow," The Royal Society of Chemistry, Lab Chip, 2,135-140 (2002).

Johnson, Timothy J., Ross, David and Locascio, Laurie E., "Rapid Microfluidic Mixing," Analytical Chemistry, Vol.74, No. 1, January 1 (2002).
Kang, Tae Gon and Kwon, Tai Hun, "Colored particle tracking method for mixing analysis of chaotic micromixers, "Journal of Micromechanics and Microengineering, 14, 891-899 (2004).
Kim, Dong Sung, Lee, Seok Woo, Kwon, Tai Hun and Lee, Seung S., "A barrier embedded chaotic micromixer," "Journal of Micromechanics and Microengineering," 14, 798-805 (2004).
Liu, Ying Zheng, Kim, Byoung Jae and Sung, Hyung Jin, "Two-fluid mixing in a microchannel," Elsevier International Journal of Heat and Fluid Flow, 25,986-995 (2004).
Locascio, Laurie E., "Microfluidic mixing," Anal Bioanal Chem, 379: 325-327, May 5 (2004).
Nguyen, Nam-Trung and Wu, Zhigang, "Micromixers - a review," Journal of Micromechanics and Microengineering 15 R1-R16 (2005).
Sato, Hironobu, Ito, Seiki, Tajima, Kenji, Orimoto, Norimune, Shoji, Shuichi, "PDMS microchannels with slanted grooves embedded in three walls to realize efficient spiral flow," Elsevier B.V. Sensors and Actuators A 119, 365-371, (2005).
Schonfeld, F., Hessel, V. and Hofmann, C, "An optimized split-and-recombine micro-mixer with uniform "chaotic" mixing," The Royal Society of Chemistry Lab Chip, 4, 65-69 (2004).
Schonfeld, Friedhelm and Hardt, Steffen, "Simulation of Helical Flows in Microchannels," AlChE Journal Vol.50, No.4 April (2004).
Stremler, Mark A., Haselton, F.R. and Aref, Hassan, "Designing for chaos; applications of chaotic advection at the microscale," The Royal Society 362, 1019-1036 (2004).
Stroock, Abraham D. and McGraw, Gregory J., "Investigation of the staggered herringbone mixer with a simple analytical model," The Royal Society 10.1098/rsta. 1357 (2003).
Stroock, Abraham D. and Whitesides, George M., "Controlling Flows in Microchannels with Patterned Surface Change and Topography," Accounts of Chemical Research, 597-604, Vol.36, No.8. (2003).
Stroock, Abraham D., Dertinger, Stephan K., Whitesides, George M. and Ajdari, Armand, "Patterning Flows Using Grooved Surfaces," Analytical Chemistry, Vol.74, No.20, October 15, (2002).

Stroock, Abraham D., Dertinger, Stephan K.W., Ajdari, Armand, Mezic, Igor, Stone, Howard A., and Whitesides, George M., "Chaotic Mixer for Microchannels," Science Vol.295, 25 January (2002).
Svasek, Peter, Jobst, Gerhard, Urban, Gerald and Svasek, Edda, "Dry Film Resist Based Fluid Handling Components for uTAS," Analytical Methods & Instrumentation: Special Issue, 78-80, (1996).
Wang, Hengzi, lovenitti, Pio, Harvey, Erol and Masood, Syed, "Numerical investigation of mixing in microchannels with patterned grooves, "Journal of Micromechanics and Microengineering 13, 801-808 (2003).
Wang, Hengzi, Masood, A/Prof. Syed, lovenitti, Dr. Pio and Harvey, A/Prof. Erol, "Passive Mixing in a MicroChannel," Abstract, 261-268.
Yang, Jing-Tang, Huang, Ker-Jer and Lin, Yu-Chun, "Geometric effects on fluid mixing in passive grooved micromixers," The Royal Society of Chemistry Lab Chip, 5,1140-1147 (2005).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящем изобретении поверхностные элементы в микроканалах могут использоваться для улучшения работы устройств при увеличении числа Рейнольдса. В данном изобретении поверхностные элементы могут быть с выгодой использованы при Re 100 или более, в некоторых вариантах осуществления - при Re, равном 200 или более, 1000 или более, а в некоторых вариантах осуществления - при Re в диапазоне от 300 до 2200. Кроме того, использование поверхностных элементов обеспечивает дополнительные неожиданные преимущества в виде улучшения турбулентного режима.

Важным элементом во многих аспектах существующего изобретения является взаимодействие молекул жидкости с "активной поверхностью". Поверхность считают активной, если на ней происходит массовый обмен или теплообмен. Поверхность включает дно и стороны канавок, а также гребни между элементами. "Гребень" - это стенка или поверхность, соединяющая по крайней мере два открытых поверхностных элемента и открытая для канала основного потока. При увеличении количества взаимодействий жидкости с активной поверхностью также улучшается работа устройства. В случае химического реактора гетерогенный катализатор может быть расположен в поверхностных элементах, а также на вершинах или гребнях или на плоских областях микроканала и, необязательно, вдоль всех поверхностей или выбранных поверхностей. Вместо того, чтобы диффузия являлась единственной движущей силой для движения реагирующих компонентов к активной стенке, адвекция или конвекция потока становится доминирующей движущей силой для быстрого перемещения реагентов к каталитической стенке и удаления продуктов от стенки в объемный поток. Например, если только диффузия является доминирующей движущей силой для перемещения потока из объемного потока к активной катализаторной стенке, характеристическое время может составлять от нескольких до десятков миллисекунд для газообразных химических реакторов, которые работают с общим временем контакта от нескольких до десятков миллисекунд. Для потока метана и воздуха в 1 мм канале при 850°С и 1,0 бар диффузионная способность составляет приблизительно 2,2 см²/с, а диффузионное расстояние от центра канального промежутка (предполагая, что катализатор расположен в элементах активной поверхности с обеих сторон микроканального промежутка) приблизительно равно 0,5 мм. Таким образом, характеристическое время для диффузии составляет порядка 1 миллисекунды.

Характеристическая средняя скорость в основном канале составляет 100 м/с для примера с высокой скоростью и высоко ламинарным числом Рейнольдса (Re порядка 700 для разбавленного потока метана в воздухе при 850°С и 1 атм). При этой скорости чисто ламинарного потока скорость по оси в 1,5 раз больше средней, т.е. 150 м/с. В канале длиной 10 см молекулы, проходящие вдоль оси канального промежутка, пробудут в канале, в среднем, около 0,7 мс. Таким образом, одной лишь диффузии будет недостаточно для того, чтобы молекулы реагентов попали на активную стенку с катализатором. Даже если бы скорость в основном канале была в десять раз меньшей, при средней скорости 10 м/с и числе Рейнольдса меньше 100 время пребывания молекул, находящихся на осевой линии (т.е. молекул около центра канального промежутка), увеличится до 7 мс. Таким образом, при наличии только лишь диффузии в среднем будет наблюдаться менее десяти столкновений молекул реагента на осевой линии с активной стенкой с катализатором.

Эти результаты совершенно иные в случае элементов активной поверхности, где тянущие и толкающие силы заставляют жидкость и реагенты попадать в поверхностные элементы. Результаты показали, что скорость потока в направлениях х и у (где z проходит вдоль длины потока, а х и у соответствуют боковому (от одной стороне к другой) и поперечному (от верха к низу) направлению потока, соответственно) не превышает среднюю скорость потока в направлении z в соответствующем плоском канале, но составляет порядка 1% или 5%, 10%, 20% или больше от средней скорости потока в направлении длины. Соответственно, для этого примера, средняя скорость в направлении у (от верхней к нижней части микроканала или между стенками с элементами активной поверхности, предполагая, что активные стенки расположены на обеих поверхностях) составляет, по меньшей мере, 1 м/с. При такой скорости характеристическое время для адвекции реагирующих молекул к стенкам элементов активной поверхности меньше 0,5 мс, что меньше половины времени, требуемого для диффузии. По мере повышения скорости в направлении у характеристическое время для адвекции соответственно сокращается.

Одна только эта разница во времени между конвекцией и диффузией говорит о части преимуществ, но не о всех. Дополнительное преимущество элементов активной поверхности состоит в уменьшении массовой дисперсии, что значительно повышает число контактов молекул из объемного потока в основном промежутке со стенкой элементов активной поверхности. Кроме того, как только молекулы входят в канавку элемента активной поверхности, они оказываются вне основного пути течения и на них не действует та же адвекция потока, которая перемещает молекулы из потока или вниз по потоку от канавок элементов активной поверхности. Таким образом, классическая дисперсия Тейлора-Ариса уменьшается, что позволяет молекулам проводить больше времени в элементе активной поверхности, улучшая требуемые показатели устройства.

Расположение катализатора в поверхностном элементе согласно уровню техники обеспечило бы лишь незначительное усовершенствование, поскольку цель предыдущих устройств состояла в том, чтобы позволить молекулам смешиваться в канале объемного потока, а не активно сталкиваться или взаимодействовать со стенками с элементами активной поверхности. Для настоящего изобретения желательно иметь по меньшей мере 1, 2, 3 или больше столкновений молекул на центральной линии со стенками элементов активной поверхности для хороших показателей работы. Далее, желательно, чтобы по меньшей мере 30% всей массы, поступающей по меньшей мере в один канал, который включает по меньшей мере одну секцию с поверхностным элементом, поступало по меньшей мере в один поверхностный элемент по меньшей мере один раз в секции поверхностных элементов. "Секция поверхностных элементов" определяется как непрерывный ряд близко расположенных поверхностных элементов в стенке вдоль длины потока микроканала. В способах настоящего изобретения "секция поверхностных элементов" - это место, где поток значительно не ослабляется до ламинарного параболического профиля потока между двумя элементами. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 70%, и еще более предпочтительно по меньшей мере 90% массы, входящей в канал, входит по меньшей мере в один элемент активной поверхности в секции поверхностных элементов.

В работе устройств, включая гомогенные химические реакции и теплообменники, взаимодействие компонентов объемного потока со стенкой элементов активной поверхности также является желательным для передачи тепла к соседней теплообменной камере. В отличие от микромешалок предыдущего уровня техники, желательно переместить объемный поток ближе к стенке и за ней, а не обязательно полностью и однородно смешивать объемный поток. Стенка элементов активной поверхности, которая перемещает свежую жидкость ближе к активной поверхности и за нее, является предпочтительной по сравнению со структурой, которая в основном перемешивает объемный поток.

Для этих применений характеристики улучшаются при более высоких числах Рейнольдса в противоположность ухудшению показателей при больших числах Рейнольдса, потому что потоки с большим количеством движения перемещаются в повторяющейся, вращающейся структуре потока, которая выносит объемный поток мимо элементов активной поверхности и по существу не останавливает вращение потока и пытается возвратить его в противоположном направлении. Как только поток начинает вращаться в постоянном направлении в элементах активной поверхности, он продолжается двигаться в том же самом направлении, таким образом демонстрируя высокое вихрение, так что жидкость у стенок элементов активной поверхности пополняется. Поскольку количество движения увеличивается при более высоких числах Рейнольдса, относительное вихрение или угловая сила, вращающая жидкость, также увеличивается, и, таким образом, число контактов или столкновений со стенками элементы активной поверхности или рядом с ними также увеличивается. В этих случаях, однако, одно только вихрение не является единственным элементом. Образцы, которые просто вращают жидкость в пути объемного течения, таком как создаваемый единственным угловым диагональным желобчатым элементом через ширину стенки микроканала, не обеспечивают перемещения центрального потока к элементам активной поверхности. В настоящем изобретении геометрия образца стенки с элементами активной поверхности может быть разработана таким образом, чтобы улучшить "контакт" (как определено для молекулы, проникающей через плоскость канавки элемента активной поверхности и поступающей в углубленную угловую канавку) с элементами активной поверхности. У предпочтительных элементов активной поверхности имеется больше одного угла по ширине по меньшей мере одной стенки микроканала. "По меньшей мере один угол" означает, что есть изменение в наклоне - элемент не прямая линия, а содержит изгиб; элемент предпочтительно является смежным, таким как шеврон или зигзаг; но в некоторых вариантах осуществления поверхностный элемент, имеющий "по меньшей мере один угол", может быть прерывистым, если элементы элемента расположены таким образом, что (за исключением промежутка) углубления или выступы соединяются - примером является шеврон с недостающей вершиной.

Для примеров из уровня техники относительное время, проведенное типичной молекулой в пределах поверхностных элементов, было меньше чем приблизительно 10%, в то время как для типичной молекулы в настоящем изобретении время, проведенное в пределах поверхностных элементов, предпочтительно больше чем приблизительно 15%, более предпочтительно больше чем 20% и более предпочтительно все еще больше, чем приблизительно 30% среднего времени пребывания в канале в элементах активной поверхности. Время, которое молекула проводит в пределах элемента активной поверхности, определяется временем, которое молекулы тратят после прохода через плоскость поверхностных элементов и перемещения из пути объемного течения. "Путь объемного течения" по существу непрерывен от входа до выхода, где элементы активной поверхности обычно начинаются и прекращаются вдоль пути течения.

Согласно изобретению улучшение характеристик элементов активной поверхности по сравнению с соответствующими лишенными элементов, плоскими или гладкими стенками обычно достигается при уменьшении времени пребывания. Лишенная элементов стенка определена микроканалом, у которого есть промежуток без глубины углубленных элементов и одинаковая ширина и длина. По мере увеличения числа Рейнольдса увеличивается важность инерционных сил. Для потоков с большей инерцией или количеством движения поддержание количества движения в одном основном направлении, вместо изменения направления или изменения его на противоположное, облегчает поддержание потока во вращающемся состоянии. Поскольку поток продолжает вращаться, он продолжает перемещать все больший и больший поток или больше молекул в элементы активной поверхности, где они могут взаимодействовать со стенками, которые обеспечивают обмен теплом, массой или и тем, и другим.

В одном аспекте изобретение обеспечивает микроканальное устройство, включающее: микроканал, включающий поверхностные элементы; по меньшей мере сегмент микроканала, характеризующийся длиной входного элемента более 10; отличающееся тем, что длина сегмента составляет, по меньшей мере, 1 см; тем, что указанный сегмент включает множество сходных, повторяющихся поверхностных элементов; и тем, что сходные, повторяющиеся поверхностные элементы включают, по меньшей мере, 1 угол в каждом сходном поверхностном элементе. Предпочтительно, большая часть окружности микроканала заполнена поверхностными элементами; например, противоположные поверхности прямоугольного микроканала.

В другом аспекте изобретение обеспечивает микроканальное устройство, включающее: микроканал, определенный по меньшей мере 3 стенками микроканала; по меньшей мере сегмент микроканала, характеризующийся числом длины входного элемента больше 10; отличающееся тем, что длина сегмента составляет, по меньшей мере, 1 см; тем, что указанный сегмент включает множество сходных, повторяющихся поверхностных элементов; и тем, что сходные, повторяющиеся поверхностные элементы включают, по меньшей мере, 1 угол в каждом сходном поверхностном элементе.

В другом аспекте изобретение обеспечивает микроканальное устройство, включающее: микроканал, включающий стенку микроканала, имеющую поверхностные элементы; отличающееся тем, что поверхностные элементы включают субструктуру, увеличивающую площадь поверхности стенок микроканала; и дополнительно включающее состав катализатора, расположенный по меньшей мере на поверхностных элементах, которые включают субструктуру.

В другом аспекте изобретение обеспечивает микроканальное устройство, включающее: микроканал, включающий стенку микроканала, включающую более 15 сходных, повторяющихся поверхностных элементов. Сходные, повторяющиеся поверхностные элементы включают по меньшей мере 1 угол в каждом сходном поверхностном элементе.

Любой из аспектов изобретения может быть далее охарактеризован любым из описанных здесь элементов. Например, в предпочтительных вариантах осуществления микроканал имеет две основные противоположные стенки, включающие поверхностные элементы, в которых глубина поверхностного элемента: канальный промежуток больше 0,3. В предпочтительных вариантах осуществления микроканалы работают параллельно и соединены через трубопровод. Распределение потока на параллельные микроканалы предпочтительно равномерно с меньшей чем 35% (25%, 10%) разницей в массовом потоке на канал.

Устройство согласно изобретению может демонстрировать отличные результаты для процессов, включающих гетерогенный катализ или теплопередачу с Re свыше 100.

В другом аспекте изобретение обеспечивает микроканальное устройство, включающее: микроканал, включающий стенку микроканала, включающую поверхностные элементы в мешалке с шахматным рисунком "елочка" (SHM), отличающееся тем, что SHM имеет промежутки между угловыми поверхностными элементами; и заполняющие элементы расположены в промежутках.

В еще одном аспекте изобретение обеспечивает способ обработки жидкости в микроканале, включающий: обеспечение наличия микроканального устройства, включающего микроканал;

отличающийся тем, что микроканал включает две противоположные стенки микроканала и промежуток между двумя противоположными стенками микроканала; тем, что по меньшей мере одна из стенок микроканала включает по меньшей мере 10 сходных поверхностных элементов в виде последовательности; тем, что каждый из сходных поверхностных элементов включает по меньшей мере один угол и отношение глубины поверхностного элемента: канального промежутка равно по меньшей мере 0,4; и протекание жидкости через микроканал при Re свыше 100.

В некоторых предпочтительных вариантах осуществления катализатор или сорбент расположен на поверхностных элементах. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления есть теплоотвод или источник тепла, контактирующий со стенкой микроканала, имеющей ряд сходных поверхностных элементов. Во многих предпочтительных вариантах осуществления способы изобретения используются с малым временем контакта и/или большими числами Рейнольдса (Re) и/или большими Ре (числами Пекле).

В другом аспекте изобретение предлагает способ обработки жидкости в микроканале, включающий: протекание жидкости через микроканал с числом Рейнольдса Re свыше 100; отличающийся тем, что микроканал включает поверхностные элементы; и выполнение операции устройства с жидкостью в поверхностных элементах. Операцией устройства может быть любая операция устройства из описанных здесь, не только смешивание (хотя смешивание обычно часто сопровождает другие операции устройства).

В другом аспекте изобретение предлагает способ обработки жидкости в микроканале, включающий: прохождение жидкости через вход канала в микроканал; отличающийся тем, что мик