專利名稱：微流體組件的制作方法
微流體組件優(yōu)先權(quán)本申請要求對以下專利的優(yōu)先權(quán)2010年2月23日提交的美國專利申請第12/710，924號，以及2009年11月30日提交的題為“Microf luidic Assembly (微流體組件)”的美國臨時(shí)專利申請第61/265，186號。
背景技術(shù)：
本發(fā)明總地涉及微流體裝置，具體來說，涉及構(gòu)造成減小流過其中的流體反應(yīng)劑壓降的微流體裝置
發(fā)明內(nèi)容

微流體組件是包括微反應(yīng)器的裝置，微反應(yīng)器也可被稱之為微通道反應(yīng)器。微反應(yīng)器是這樣的裝置，其中，移動的或靜止的試樣被限制在該裝置內(nèi)并經(jīng)受處理。在某些情形中，該處理包括化學(xué)反應(yīng)的分析。在另一些情形中，該處理作為利用兩個(gè)不同反應(yīng)劑的制造過程一部分來執(zhí)行。在還有另一些情形中，移動的或靜止的試樣被限制在微反應(yīng)器內(nèi)，而在試樣和相關(guān)的熱交換流體之間進(jìn)行熱交換。如此的過程也可在單一微反應(yīng)器內(nèi)組合。在任一種情形中，微反應(yīng)器根據(jù)其通道的尺寸予以定義，通道通常在0. I至5mm的量級上，理想地為0. 5至2mm。微通道是這種限制的最典型的形式，且與間歇式反應(yīng)器相比，微反應(yīng)器通常是連續(xù)流動的反應(yīng)器。微通道減小的內(nèi)部尺寸在質(zhì)量和傳熱率上提供了相當(dāng)大的改進(jìn)。此外，微反應(yīng)器相對于傳統(tǒng)規(guī)格的反應(yīng)器提供了許多優(yōu)點(diǎn)，包括能效、反應(yīng)速度、反應(yīng)產(chǎn)量、安全性、可靠性、可量測性等方面的很大改進(jìn)。微流體組件也可被稱之為微結(jié)構(gòu)組件，微流體組件可包括多個(gè)不同的流體微結(jié)構(gòu)，它們彼此流體地連通，并構(gòu)造成在微反應(yīng)器內(nèi)執(zhí)行不同的功能。例如，但不加以限制，初始的微結(jié)構(gòu)可構(gòu)造成混合兩種反應(yīng)劑。其后的微結(jié)構(gòu)可構(gòu)造成進(jìn)行熱交換、急冷、水解等，或?qū)旌系姆磻?yīng)劑簡單地提供受控的駐留時(shí)間。各種不同的微結(jié)構(gòu)必須經(jīng)常地放置成彼此串聯(lián)地或并聯(lián)地流體連通。在許多情形中，用來將反應(yīng)劑引導(dǎo)到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)合適的微結(jié)構(gòu)的相關(guān)部件可以是相當(dāng)?shù)貜?fù)雜。此外，部件需要構(gòu)造成在高溫和高壓下運(yùn)行。微流體組件采用各種流體導(dǎo)管、配件、適配器、0形環(huán)、螺釘、夾具和其它類型的連接元件，來互連微反應(yīng)器構(gòu)造內(nèi)的各種微結(jié)構(gòu)。將微結(jié)構(gòu)組裝成微流體組件的方法可影響到壓降、組件的復(fù)雜性、必須用來形成組裝的反應(yīng)器的那些部件的復(fù)雜性，以及在使用過程中零部件所要經(jīng)受的應(yīng)力。傳統(tǒng)的微結(jié)構(gòu)和連接器可設(shè)計(jì)成讓反應(yīng)劑流體的入口和出口的連接器相對于微結(jié)構(gòu)處于相同的軸線上；然而，該對齊的結(jié)構(gòu)需要偏離直的流體流動通道(例如，彎頭、轉(zhuǎn)向、弧形的微通道)，以便使出口端口與入口端口對齊。這些偏離是微結(jié)構(gòu)中背壓和壓降變化的主要來源。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種微流體組件。微流體組件包括至少兩個(gè)相鄰的微結(jié)構(gòu)和多個(gè)互連的流體導(dǎo)管，其中，每個(gè)微結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)設(shè)置在微結(jié)構(gòu)入口側(cè)上的入口端口和至少一個(gè)設(shè)置在與微結(jié)構(gòu)入口側(cè)相對的微結(jié)構(gòu)出口側(cè)上的出口端口。入口端口形成入口流動路徑，出口端口形成出口流動路徑，且入口流動路徑和出口流動路徑不沿共同的軸線上對齊。相應(yīng)的互連流體導(dǎo)管將一個(gè)微結(jié)構(gòu)的出口端口連接到相鄰微結(jié)構(gòu)的入口端口。此外，每個(gè)微結(jié)構(gòu)包括與入口端口和出口端口流體地連通的內(nèi)部平面流動路徑。微流體組件形成微結(jié)構(gòu)組件的軸線，相鄰微結(jié)構(gòu)的對應(yīng)入口端口沿著該軸線定向，或替代地，相鄰微結(jié)構(gòu)的對應(yīng)出口端口沿著該軸線定向。此外，每個(gè)微結(jié)構(gòu)相對于微流體組件軸線以非正交的角度定向。根據(jù)以下詳細(xì)的描述并結(jié)合附圖，將會更加完全地理解本發(fā)明實(shí)施例提供的這些特征和其它的特征。


當(dāng)結(jié)合以下附圖閱讀時(shí)，可最好地理解以下本發(fā)明特殊實(shí)施例的詳細(xì)描述，其中，相同的結(jié)構(gòu)用相同的附圖標(biāo)記表示，附圖中圖I是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的微流體組件的俯視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的微流體組件的分解立體圖，其從入口側(cè)顯示該微流體組件；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的微流體組件的分解立體圖，其從出口側(cè)顯示該微流體組件；以及圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的微流體組件的另一俯視圖。附圖中闡述的實(shí)施例本質(zhì)上是說明性的，并不意圖限制由權(quán)利要求書限定的本發(fā)明。此外，根據(jù)詳細(xì)描述，將會更加完全地明白和理解附圖和權(quán)利要求書的各個(gè)特征。
具體實(shí)施例方式參照圖1-4，微流體組件10包括至少兩個(gè)相鄰的微結(jié)構(gòu)20，微結(jié)構(gòu)20通過至少一個(gè)互連的流體導(dǎo)管50聯(lián)接起來。如這里所采用的，微流體組件10意指多個(gè)聯(lián)接的微結(jié)構(gòu)20，且每個(gè)微結(jié)構(gòu)20定義為包括多個(gè)尺寸在約0. I至5mm量級的微通道。盡管附圖在微流體組件10中僅示出了 2或3個(gè)微結(jié)構(gòu)20，但可以考慮任何數(shù)量的微結(jié)構(gòu)20可用于微流體組件10中。如以下詳細(xì)所示，相鄰微結(jié)構(gòu)20彼此平行地設(shè)置，但相對于微流體組件軸線M布置成斜的。這允許微結(jié)構(gòu)的連接不要求各個(gè)微結(jié)構(gòu)20的入口端口 32和出口端口 42對齊在同一軸線上，并由此具體降低了微結(jié)構(gòu)20內(nèi)的壓降，并在總體上降低微流體組件10內(nèi)的壓降。每個(gè)微結(jié)構(gòu)20包括至少一個(gè)設(shè)置在微結(jié)構(gòu)20入口側(cè)30上的入口端口 32和至少一個(gè)設(shè)置在微結(jié)構(gòu)20出口側(cè)40上的出口端口 42。微結(jié)構(gòu)20出口側(cè)40與入口側(cè)30相對。如圖1-3所示，入口端口 32形成入口流動路徑I。類似地，如圖1、3和4所示，出口端口 42形成出口流動路徑O。如下文中詳細(xì)描述的，入口流動路徑I和出口流動路徑0不沿同一軸線對齊，它們偏離一定距離X。圖2和3顯示入口端口 32和出口端口 42為孔洞，然而，其它的結(jié)構(gòu)，例如向外的突出也可考慮用于入口端口 32和出口端口 42。如圖1-3所示，互連的流體導(dǎo)管50可將一個(gè)微結(jié)構(gòu)20的出口端口 42連接到相鄰微結(jié)構(gòu)20的入口端口 32。在一個(gè)實(shí)施例中，互連的流體導(dǎo)管50可以是直的。盡管可考慮各種部件，但互連的流體導(dǎo)管50可包括聯(lián)接到入口端口 32的直的連接器54、聯(lián)接到出口端口 42的直的連接器56以及設(shè)置在入口端口連接器54和出口端口連接器56之間的直管52。使用直的互連流體導(dǎo)管50避免了與較為復(fù)雜連接器(例如，帶有角度或彎頭的連接器)相關(guān)的成本，并使與這些復(fù)雜連接器相關(guān)的壓降變得最小。此外，微流體組件10還包括固定裝置(未示出)，以將互連的流體導(dǎo)管50聯(lián)接到入口端口 32和出口端口 42。在一個(gè)實(shí)施例中，該固定裝置包括夾具。將金屬連接器固定到微結(jié)構(gòu)的固定器或夾具對于每個(gè)入口或出口端口可以是獨(dú)立的，以實(shí)現(xiàn)連接器54、56和相應(yīng)端口 32、42更佳的對齊。每個(gè)微結(jié)構(gòu)20包括內(nèi)部平面流動路徑，該流動路徑由多個(gè)延伸在入口端口 32和出口端口 42之間的內(nèi)部混合通道形成，并沿著微結(jié)構(gòu)20的微結(jié)構(gòu)偏移軸線A定向。該內(nèi)部平面流動路徑與入口端口 32和出口端口 42流體地連通?？梢钥紤]混合通道可以是弧形的、直線的，或兩者組合，視反應(yīng)要求的駐留時(shí)間而定。為了降低微結(jié)構(gòu)20的出口端口 42處的壓降，每個(gè)微結(jié)構(gòu)20的出口流動路徑0可構(gòu)造成從內(nèi)部平面流動路徑單向地延伸出。此外，為了降低微結(jié)構(gòu)20的入口端口 32處的壓力，每個(gè)微結(jié)構(gòu)的入口流動路徑I可以構(gòu)造成單向地延伸到內(nèi)部平面流動路徑。此外，如圖4所示，微流體組件10形成微流體組件軸線M，相鄰微結(jié)構(gòu)20的相應(yīng)入口端口 32沿著該軸線M定向，或替代地，相鄰微結(jié)構(gòu)20的相應(yīng)出口端口 42沿著該軸線M定向。微結(jié)構(gòu)20內(nèi)的內(nèi)部平面流動路徑相對于微流體組件軸線M以非正交的角度a定向，即，傾斜角度或銳角。參照圖1-3，入口端口 32可設(shè)置在相對于出口側(cè)40上的出口端口 42的位置更靠近入口側(cè)30邊緣的位置上。這就得出這樣的結(jié)構(gòu)，其中，微結(jié)構(gòu)20設(shè)置成相對于微流體組件軸線M為銳角的非正交的角度。在一替代的實(shí)施例中，出口端口 42可設(shè)置在比入口側(cè)30上的入口端口 32的位置更靠近出口側(cè)40邊緣的位置上。這就得出這樣的結(jié)構(gòu)，其中，微結(jié)構(gòu)設(shè)置成相對于微流體組件軸線M為傾斜的非正交的角度。參照圖4，非正交角度是從相對于微流體組件軸線M正交偏移角度偏移0。盡管這里對角度偏移考慮了各種定義，但角度偏移9 = tan-1 (X/ (L+T))，其中，X是沿著平行于微結(jié)構(gòu)偏移軸線A的投影介于入口流動路徑I和出口流動路徑0之間的距離，L是一個(gè)微結(jié)構(gòu)20的出口側(cè)40和相鄰微結(jié)構(gòu)20的入口側(cè)30之間的距離，而T是一個(gè)微結(jié)構(gòu)20的入口側(cè)30和出口側(cè)40之間的距離。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，角度偏移0可在約1°和約90°之間，或在約10°和約60°之間，或在約15°至45°之間。對于以上的角度偏移0的限定，微流體組件可限定一反應(yīng)器高度H，其等于H= 2 (L+T)/COS0。正如本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員所熟悉的，微結(jié)構(gòu)20可包括各種合適的材料。例如，微結(jié)構(gòu)可包括玻璃或玻璃陶瓷材料，例如含有二氧化硅(SiO2)和氧化硼(B2O3)的玻璃或玻璃陶瓷材料、娃石板、或它們的組合。一個(gè)合適的市售材料是康寧公司(CorningIncorporated)生產(chǎn)的Vycor 互連的流體導(dǎo)管50也可包括各種材料,例如，金屬、聚合物、玻璃、陶瓷以及玻璃-陶瓷，或它們的組合。入口端口連接器54和出口端口連接器56也可包括金屬、剛性聚合物材料、玻璃、陶瓷以及玻璃-陶瓷，或它們的組合。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，入口端口連接器54和出口端口連接器56包括鋼材。類似地，直管52包括金屬、剛性聚合物材料、玻璃、陶瓷以及玻璃-陶瓷，或它們的組合。在一個(gè)實(shí)施例中，直管包括全氟烷氧基的塑性材料。在另一實(shí)施例中，直管包括抗化學(xué)品腐蝕的鋼材。在還有另一實(shí)施例中，直管包括氧化招。 本發(fā)明所揭示的方法和/或裝置通?？捎脕磉M(jìn)行任何工藝，所述工藝包括在微型結(jié)構(gòu)中對流體或流體混合物進(jìn)行混合、分離、萃取、結(jié)晶、沉淀或其它的處理，所述流體混合物包括流體的多相混合物，并包括流體或包括還含有固體的流體的多相混合物的流體混合物。所述處理可以包括物理過程，化學(xué)反應(yīng)，生物化學(xué)過程，或者任意其它形式的處理，化學(xué)反應(yīng)被定義為導(dǎo)致有機(jī)物、無機(jī)物、或者有機(jī)物和無機(jī)物發(fā)生相互轉(zhuǎn)化的過程。以下列出了可以通過所述方法和/或裝置進(jìn)行的反應(yīng)的非限制性例子氧化、還原、置換、消除、加成、配體交換、金屬交換、以及離子交換。更具體來說，以下列出了可以通過所揭示的方法和/或裝置進(jìn)行的反應(yīng)的非限制性例子聚合、烷基化、脫烷基化、硝化；過氧化、磺化氧化、環(huán)氧化、氨氧化、氫化、脫氫、有機(jī)金屬反應(yīng)、貴金屬化學(xué)/均相催化劑反應(yīng)、羰基化、硫羰基化、烷氧基化、鹵化、脫鹵化氫、脫鹵化、加氫甲?；?、羧化、脫羧、胺化、芳基化、肽偶聯(lián)、醇醛縮合、環(huán)化縮合、脫氫環(huán)化、酯化、酰胺化、雜環(huán)合成、脫水、醇解、水解、氨解、醚化、酶合成、酮化、皂化、異構(gòu)化、季銨化、甲?；?、相轉(zhuǎn)移反應(yīng)、甲硅烷化、腈合成、磷酸化、臭氧分解、疊氮化學(xué)反應(yīng)、復(fù)分解、氫化硅烷化、偶聯(lián)反應(yīng)、以及酶反應(yīng)。
為描述并限定本發(fā)明，應(yīng)注意到的是在此使用的術(shù)語“大約”、“約”、“基本上”代表不確定度的固有程度，該不確定度可屬于任何定量比較、數(shù)值、測量值或其它表述。還在此采用這些術(shù)語以表示數(shù)量表示可不同于規(guī)定參考值而不在此問題上導(dǎo)致本主題的基本功能改變的程度。此外，盡管術(shù)語“至少”是用來定義本發(fā)明的若干個(gè)部件，但不利用該術(shù)語的那些部件不局限于單一的元件。對于本書面文件中術(shù)語的任何意義或定義與參考文件中術(shù)語的任何意義或定義相悖的程度，則賦予本書面文件中術(shù)語的意義或定義應(yīng)是主導(dǎo)的。已經(jīng)詳細(xì)地描述了所主張的發(fā)明并參照了本發(fā)明的具體實(shí)施例，應(yīng)該明白到，還可以作出各種修改和變化，而不會脫離附后權(quán)利要求書所定義的范圍。具體來說，盡管某些方面在文中被指定為較佳的或特別有利的，但應(yīng)考慮到，本發(fā)明的權(quán)利要求書不一定局限于這些優(yōu)選的方面。
權(quán)利要求
1.ー種微流體組件，該微流體組件包括至少兩個(gè)相鄰的微結(jié)構(gòu)和多個(gè)互連的流體導(dǎo)管，其中 每個(gè)微結(jié)構(gòu)包括至少ー個(gè)設(shè)置在微結(jié)構(gòu)入口側(cè)上的入口端口和至少ー個(gè)設(shè)置在與所述微結(jié)構(gòu)入口側(cè)相對的微結(jié)構(gòu)出ロ側(cè)上的出ロ端ロ ； 所述入口端ロ形成入口流動路徑； 所述出ロ端ロ形成出ロ流動路徑； 所述入口流動路徑和所述出ロ流動路徑不對齊在共同的軸線上； 相應(yīng)的互連流體導(dǎo)管將一個(gè)微結(jié)構(gòu)的出ロ端ロ連接到相鄰微結(jié)構(gòu)的入口端ロ； 每個(gè)微結(jié)構(gòu)包括與所述入口端口和出ロ端ロ流體地連通的內(nèi)部平面流動路徑； 所述微流體組件形成微流體組件軸線，相鄰微結(jié)構(gòu)的對應(yīng)入口端ロ沿著該軸線定向，或替代地，相鄰微結(jié)構(gòu)的對應(yīng)出ロ端ロ沿著該軸線定向；以及 每個(gè)微結(jié)構(gòu)相對于所述微流體組件軸線以非正交角度定向。
2.如權(quán)利要求I所述的微流體組件，其特征在于，非正交的角度定義為a，且從相對于微流體組件軸線M正交偏移角度偏移0，所述角度偏移0 ZtarT1 (X/ (L+T))，其中，X是沿著平行于微結(jié)構(gòu)偏移軸線A的投影介于入口流動路徑和出ロ流動路徑之間的距離，L是一個(gè)微結(jié)構(gòu)的出ロ側(cè)和相鄰微結(jié)構(gòu)的入口側(cè)之間的距離，而T是ー個(gè)微結(jié)構(gòu)的入口側(cè)和出ロ側(cè)之間的距離。
3.如權(quán)利要求2所述的微流體組件，其特征在干，所述微流體組件限定反應(yīng)器高度H，其等于 H = 2 (L+T)/cos0。
4.如權(quán)利要求2所述的微流體組件，其特征在于，所述角度偏移0在15°至45°之間。
5.如權(quán)利要求I所述的微流體組件，其特征在于，每個(gè)微結(jié)構(gòu)的出ロ流動路徑從所述內(nèi)部平面流動路徑單向地延伸。
6.如權(quán)利要求I所述的微流體組件，其特征在于，每個(gè)微結(jié)構(gòu)的入口流動路徑單向地延伸到所述內(nèi)部平面流動路徑。
7.如權(quán)利要求I所述的微流體組件，其特征在于，每個(gè)微結(jié)構(gòu)包括多個(gè)延伸在入口端口和出口端ロ之間的混合通道，其中，多個(gè)混合通道形成所述內(nèi)部平面流動路徑。
8.如權(quán)利要求I所述的微流體組件，其特征在于，所述入口端ロ設(shè)置在相對于出口側(cè)上的出口端ロ的位置更靠近入口側(cè)的邊緣的位置上。
9.如權(quán)利要求I所述的微流體組件，其特征在于，所述出ロ端ロ設(shè)置在相對于入口側(cè)上的入口端ロ的位置更靠近出口側(cè)的邊緣的位置上。
10.如權(quán)利要求I所述的微流體組件，其特征在于，所述互連的流體導(dǎo)管是直的。
11.如權(quán)利要求10所述的微流體組件，其特征在于，直的導(dǎo)管包括從所述入口端ロ延イ申到所述出口端ロ的直管。
12.如權(quán)利要求10所述的微流體組件，其特征在于，還包括將互連的流體導(dǎo)管聯(lián)接到入口端口和出口端ロ的固定裝置。
13.如權(quán)利要求I所述的微流體組件，其特征在于，所述互連的流體導(dǎo)管包括聯(lián)接到所述入口端ロ的直的連接器、聯(lián)接到所述出ロ端ロ的直的連接器、以及設(shè)置在入口端ロ連接器和出口端ロ連接器之間的直管。
14.如權(quán)利要求13所述的微流體組件，其特征在于，所述入口端ロ連接器和所述出口端ロ連接器包括金屬、鋼、或它們的組合。
15.如權(quán)利要求13所述的微流體組件，其特征在于，所述直管包括剛性的聚合物材料。
16.如權(quán)利要求13所述的微流體組件，其特征在于，所述直管包括全氟烷氧基的塑性材料。
17.如權(quán)利要求13所述的微流體組件，其特征在于，直管包括金屬。
18.如權(quán)利要求13所述的微流體組件，其特征在于，直管包括玻璃、陶瓷和玻璃-陶瓷中的ー個(gè)或多個(gè)。
19.如權(quán)利要求13所述的微流體組件，其特征在于，所述入口端口和所述出口端ロ包括孔洞或向外的突出。
全文摘要
微流體組件的實(shí)施例包括至少兩個(gè)相鄰的微結(jié)構(gòu)和多個(gè)互連的流體導(dǎo)管，互連的流體導(dǎo)管將一個(gè)微結(jié)構(gòu)的出口端口連接到相鄰微結(jié)構(gòu)的入口端口。每個(gè)微結(jié)構(gòu)包括不對齊在共同的軸線上的入口流動路徑和出口流動路徑。此外，微流體組件形成微流體組件軸線，相鄰微結(jié)構(gòu)的對應(yīng)入口端口沿著該軸線定向，或替代地，相鄰微結(jié)構(gòu)的對應(yīng)出口端口沿著該軸線定向，每個(gè)微結(jié)構(gòu)相對于微流體組件軸線以非正交的角度定向。
文檔編號B01L3/00GK102630187SQ201080054033
公開日2012年8月8日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者M·S·弗萊斯科 申請人:康寧股份有限公司