ДЕРЖАТЕЛЬ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ МИКРОФЛЮИДНОГО ЧИПА Российский патент 2022 года по МПК B01L3/00 B01L9/00 G01N35/00 

Область техники

Изобретение относится лабораторным исследованиям, в основе которых лежит микрофлюидная технология. В основе микрофлюидных исследований всегда лежит использование микрофлюидного чипа и микрофлюидной платформы, которая обеспечивает визуальный контроль за движением флюидов в каналах микрофлюидного чипа при помощи цифровых камер или микроскопов и гарантируют герметичную подачу флюида внутрь микрофлюидного чипа при повышенных давлениях и повышенных температурах. Более конкретно, этот документ относится к набору деталей для держателя для микрофлюидного чипа, к микрофлюидному чипу и держателю для микрофлюидного чипа, и к совместной сборке держателя и микрофлюидного чипа.

Уровень техники

Из уровня техники известен пример микрофлюидного держателя высокого давления. Наиболее близкий аналог описывается в документе WO 2020037398 A1, опубл. 27.02.2020 (I). В (I) представлены три модификации микрофлюидного держателя, где заявлена работа при 310 бар и выше, информация по работе при повышенной температуре отсутствует. В US 2020/309285 А1, опубл. 01.10.2020 описывается микрофлюидная платформа, где присутствует аппаратная возможность для размещения микрофлюидного чипа. В патенте US 10001435 B1, опубл. 19.06.2018) описывается использование микрофлидного держателя и микрофлюидного чипа для исследования фазовых свойств флюидов, но держатель микрофлюидного устройства не предназначен для работы при больших давлениях и температурах. В US 2019/218897 A1, опубл. 18.07.2019 представлена процедура микрофлюидных исследований, где потенциально могут быть необходимы большие давления и температуры, но не описывается конструкция микрофлюидной платформы. В US 2016/298173 A1, опубл 13.10.2016 описываются полимерные микрофлюидные чипы специальной формы и способ локального нагрева микрофлюидного чипа до 95°C; описанное устройство неприменимо для полноценных исследований в нефтяной области. В IN-DEL-2015-03643 «A PORTABLE MICROFLUIDIC CHIP HOLDER», описывается устройство для установки микрофлюидного чипа с подвижными вставками для подачи и отбора флюида, но заявители не указывают параметры, при которых это устройство может работать. Это устройство позволяет устанавливать микрофлюидные чипы только фиксированной ширины, но разной длинны. В патенте CN 107703036 B, опубл. 16.02.2018 раскрыт держатель высокого давления и высокой температуры для микрофлюидного чипа, однако в данном патенте не раскрываются условия, при котором возможно использовать микрофлюидный чип, имеется возможность использования микрофлюидного чипа только одного размера, и держатель оснащен четырьмя отверстиями для ввода и вывода флюида. Перечисленные выше источники обладают техническими ограничениями, которые не позволяют их использовать в микрофлюидных экспериментах при высоких температурах и давлениях.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание микрофлюидного держателя для экспериментальных исследований с использованием кремниево-стеклянных микрофлюидных чипов при высоких давлениях (до 60 МПa) и высоких температурах (до 250°С).

Техническим результатом изобретения является возможность проведения экспериментальных исследований с использованием микрофлюидных чипов разного размера при высоких давлениях и высоких температурах.

Указанный результат достигается за счет того, что держатель (микрофлюидный держатель) высокого давления и высокой температуры для микрофлюидного чипа содержит крышку, закрепленную на основании, при этом поверхность основания, взаимодействующая с крышкой, снабжена углублением (пазом) для установки переходной пластины со сквозными отверстиями, на которой размещен микрофлюидный чип, при чем основание снабжено тупиковыми отверстиями для установки нагревателей и датчика температуры, сквозными отверстиями для вывода и ввода жидкости к микрофлюидному чипу, сквозными отверстиями для извлечения переходной пластины и тупиковым отверстием для установки датчика температуры, крышка снабжена отверстием с расширением, образующим полость для установки прокладки и сапфирового стекла, имеющего фаску на поверхности, обращенной к крышке, и выполнена с возможностью прижима микрофлюидного чипа сапфировым стеклом, причем сквозные отверстия переходной пластины выполнены с возможностью совмещения с частью сквозных отверстий для вывода и ввода жидкости. Сквозные каналы основания микрофлюидной платформы и переходной пластины оснащены канавками для размещения уплотнительных колец, которые необходимы для герметичной подачи флюида в микрофлюидный чип.

Краткое описание чертежей

Представленные далее рисунки являются только примерами описанного изобретения и не должны ограничивать представленную информацию.

Фиг. 1: Покомпонентный вид микрофлюидного держателя в перспективе.

Фиг. 2: Вид микрофлюидного держателя в сборке сверху.

Фиг. 3: Поперечный разрез микрофлюидного держателя по линии А-А.

Фиг. 4: Поперечный разрез микрофлюидного держателя по линии В-В.

Фиг. 5: Вид микрофлюидного держателя в перспективе.

Фиг. 6: Основание микрофлюидного держателя, вид сверху.

Фиг. 7: Поперечный разрез основания микрофлюидного держателя по линии С-С.

Фиг. 8: Основание микрофлюидного держателя, вид снизу.

Фиг. 9: Вид основания микрофлюидного держателя в перспективе.

Фиг. 10: Крышка микрофлюидного держателя, вид сверху.

Фиг. 11: Поперечный разрез крышки микрофлюидного держателя по линии D-D.

Фиг. 12: Вид крышки микрофлюидного держателя в перспективе.

Фиг. 13: Вид сверху и в перспективе прокладки под сапфир.

Фиг. 14: Вид сверху и в перспективе сапфирового стекла.

Фиг. 15: Вид сверху и в перспективе переходной пластины.

Фиг. 16: Микрофлюидный держатель в сборке в перспективе.

Фиг. 17: Пример сборки микрофлюидного держателя вместе с микрофлюидным чипом.

Фиг. 18: Пример визуализации микрофлюидного эксперимента, микрофлюидный чип полностью заполнен нефтью (зеленый цвет).

Фиг. 19: Пример визуализации микрофлюидного эксперимент после вытеснения нефти водой.

Основные элементы устройства: 100 - основание микрофлюидного держателя; 200 - переходная пластина для микрофлюидного держателя (обойма); 300 - сапфировое стекло; 400 - прокладка; 500 - крышка микрофлюидного держателя.

В конструкции основания микрофлюидного держателя: 101 - верхняя поверхность основания микрофлюидного держателя; 102 - углубление (карман) основания для установки обоймы; 103 - сквозное отверстие для ввода и вывода жидкости к микрофлюидному чипу; 104 - отверстие для размещения нагревателя; 105 - отверстие с резьбой для фиксации нагревателя; 106 - сквозное отверстие для извлечения обоймы; 107 - отверстие для размещения датчика температуры; 108 - технологический выход фрезы; 109 - отверстие с резьбой для установки крепления микрофлюидного держателя; 110 - поверхность углубления 102; 111 - глубина кармана 102; 112 - техническое отверстие для изготовления 107; 113 - вертикальная ось основания; 121 - отверстие для установки фитинга; 122 - резьба фитинга; 131 - соединительное отверстие основания; 132 - резьба соединительных отверстий для 15.

В конструкции крышки микрофлюидного держателя: 501 - обзорное отверстие; 502 - соединительное отверстие крышки; 503 - углубление для установки сапфирового стекла; 504 - скругление в углубление для сапфирового стекла; 505 - поверхность углубления для сапфирового стекла.

В конструкции переходной пластины (обоймы): 201 - сквозные отверстия переходной пластины; 202 - место установки микрофлюидного чипа; 203 - нижняя поверхность микрофлюидной обоймы; 204 - верхняя поверхность микрофлюидной обоймы.

В конструкции сапфирового стекла: 301 - скругление сапфирового стекла; 302 - задняя поверхность сапфирового стекла; 303 - передняя поверхность сапфирового стекла.

Остальные элементы: 401 - торцевые поверхности прокладки 400; 11 - канавка для уплотнительного кольца; 12 - нагреватель; 13 - фиксатор нагревателя; 14 - винт для фиксатора; 15 - основной винт для сборки микрофлюидного держателя; 16 - уплотнительное кольцо.

Подробное раскрытие изобретения

Микрофлюидный держатель высокого давления и высокой температуры для микрофлюидного чипа содержит крышку (500), закрепленную на основании (100). Крышка (500) и основание (100) снабжены соединительными отверстиями (502, 131), предназначенными для соединения крышки (500) и основания (100) между собой при помощи винтов (15). Поверхность основания (101), взаимодействующая с крышкой (500), снабжена углублением 102) для установки переходной пластины (200) со сквозными отверстиями (201). На переходной пластине (200) размещен микрофлюидный чип (на фиг. не показан), а основание снабжено нагревателями (12), установленные в отверстия (104), сквозными отверстиями (103) для ввода и вывода жидкости к микрофлюидному чипу и сквозными отверстиями (106) для извлечения переходной пластины (200). Крышка (500) снабжена отверстием (501) с расширением, образующим полость (503) для установки сапфирового стекла (300). Крышка (500) при соединении с основанием (100) прижимает микрофлюидный чип сапфировым стеклом (300) через прокладку (400). При установке переходной пластины (200) в углубление (102) основания (100), сквозные отверстия (201) переходной пластины (200) совмещаются с частью сквозных отверстий (103) для ввода и вывода жидкости к микрофлюидному чипу микрофлюидного держателя (100).

Основание (100) микрофлюидного держателя (фиг. 6-9) позволяет использовать различные переходные пластины (200), позволяющие устанавливать на них микрофлюидные чипы разного размера. Верхняя поверхность основания (101) микрофлюидного держателя оснащена углублением (102) для установки переходной пластины (200). По двум сторонам углубления (102) для размещения переходной пластины (200) с микрофлюидным чипом присутствуют выхода для фрезерного оборудования (108), которые также необходимы для облегченного извлечения переходной пластины (200) из основания (100) микрофлюидного держателя. В углублении (102) выполнены 9-ть сквозных отверстий (103) для вывода и ввода жидкости к микрофлюидному чипу. Указанные сквозные отверстия (103) проходят вдоль вертикальной оси основания (113) микрофлюидного держателя и позволяют изменять места ввода и вывода жидкости в зависимости от геометрии расположения сквозных отверстий (201) переходной пластины (200), которые могут быть совмещены только с частью сквозных отверстий (103). Сквозные отверстия (103, 201) оборудованы дополнительными канавкам (11) и с верхней стороны основания для установки уплотнительных колец и герметизации соосных отверстий (103, 201) переходной пластины (200) и микрофлюидного чипа. Переходная пластина (200) содержит 2-9 сквозных отверстий (201), которые могут частично или полностью совпадать со сквозными отверстиями (103). Подобная конструкция сквозных отверстий (103, 201) переходной пластины (200) и основания (100) с углублением позволяет сформировать до 9-ти независимых каналов для ввода и вывода флюида при помощи сквозных отверстий (103, 201). Дополнительно в углублении (102) основания (100) выполнено два отверстия (106), которые позволяют облегчить извлечение переходной пластины (200) из основания микрофлюидного держателя. В отверстиях (104) основания (100) микрофлюидного держателя закреплены 6-ть нагревателей (12) по его периметру перпендикулярно вертикальной оси основания (100), что позволяет равномерно и быстро производить нагрев всего микрофлюидного держателя и микрофлюидного чипа. Нагреватель (12) закрепляется в основание микрофлюидного держателя (100) за счёт фиксации нагревателя фиксатором (13) и винтом (14) в соответствующем отверстие (109). Контроль температуры в микрофлюидном устройстве происходит за счет установки датчика температуры в специальном отверстие (107) в процессе производстве которого изготавливается технические отверстие (112) в основание микрофлюидного держателя (100).

Крышка (500) микрофлюидного держателя (рис. 10-12) содержит отверстие (501), с расширением, образующим полость (502), позволяющее одновременно осуществлять визуальный контроль за экспериментом во время фильтрации флюидов к через микрофлюидный чип и позволяет прижимать сапфировое стекло (300) к микрофлюидному чипу. Крышка (500) устанавливается на основание микрофлюидного держателя (100) соосно отверстиям для винтов (131, 502) и прикручивается шестью винтами (15) за счет резьбы (132) в отверстиях (131) микрофлюидного держателя для фиксации микрофлюидного чипа, переходной пластины (200), сапфирового стекла (300) и основания микрофлюидной держателя, а также для герметизации сквозных отверстий (103, 201) основания (100) и переходной пластины (200).

Благодаря переходной пластине (200) для микрофлюидных чипов микрофлюидный держатель имеет модульную конструкцию. Верхняя поверхность любой переходной пластины (200) оснащена углублением (пазом) для установки микрофлюидного чипа. Высота переходной пластины совпадает с глубиной (111) углубления (102) основания (100). Переходные пластины (200) разной формы, которые отличаются по площади углубления (202) для установки микрофлюидного чипа и месту расположения сквозных отверстий (201), позволяют использовать разные микрофлюидные чипы, имеющие различные размеры. Сквозные отверстия (201) верхней поверхности переходной пластины (200) оборудованы дополнительными канавками, в которых размещены уплотнительные кольца (16), которые позволяют герметично вводить флюиды в соосные каналы основания (100), образованные совмещением сквозных отверстий (103, 201) переходной пластины (200) и микрофлюидного чипа.

В полость (502) отверстия (501) крышки (500) мироклюфлюидного держателя устанавливается сапфировое стекло (300), при этом между полостью (502) и сапфировым стеклом (300) размещена прокладка (400), затем крышка (500) с полостью (502), в которой установлено сапфировым стеклом (300) с прокладкой (400), устанавливается на основании (100) и фиксируется винтами (15). Внутренняя стенка полости (505) входит в контакт с торцевой поверхностью прокладки (401), прокладка контактирует с верхней поверхностью сапфирового стекла (303), а нижняя поверхность сапфирового стекла (302) контактирует с микрофлюидным чипом по всей доступной площади чипа и верхней поверхностью микрофлюидной обоймы (204), которая в свою очередь фиксируется на поверхности (110) углубления (102) основания (100). Сапфировое стекло (300) выполняет несколько функций. Сапфировое стекло (300) имеет полированную поверхность, что позволяет проводить оптические исследования через него, при этом сапфировое стекло (300) имеет высокую температуру плавления, что способствует проведению экспериментов при высоких температурах (до 250°С). Площадь сапфирового стекла (300) больше площади используемого микрофлюидного чипа, поэтому при сборке микрофлюидного держателя сапфировое стекло (300) также используется для прижима микрофлюидного чипа к переходной пластине (200), а переходная пластина (200) прижимается к поверхности (102) углубления (101) основания (100) микрофлюидного держателя. Специальная фаска (301) по периметру грани сапфирового стекла, которая при установке обращена к поверхности (505) кармана (502) микрофлюидной крышки (500), уменьшает напряжения, возникающие на ребре по контуру сапфира, тем самым можно достичь в максимальное рабочее давление (до 60 МПа) микрофлюидного держателя с меньшей толщиной самого сапфира.

Металлическая прокладка (400) используется для правильной установки сапфирового стекла в полость (502) крышки микрофлюидного держателя и позволяет равномерно по периметру сапфира распределять нагрузку при сборке микрофлюидного держателя, что позволяет проводить эксперименты при высоком давлении (до 60 МПа) и высокой температуре (до 250°С).

Сборка микрофлюидного держателя происходит за счет установки всех необходимых деталей (200, 300, 400, 500) микрофлюидного держателя на основание (100) и последующем закручивании винтов (15). Детали (200, 300, 400, 500) микрофлюидного держателя прижимаются друг к другу в вертикальном направление, что приводит к плотной посадке микрофлюидного чипа в обойму. При сборке детали (200, 300, 400, 500) прижимаются друг к другу, а соосные отверстия (103, 201) основания (100) микрофлюидной держателя, переходной пластины (200) и микрофлюидного чипа обеспечивают герметичную подачу и отбор флюида через соосные отверстия и микрофлюидный чип за счет использования уплотнительных колец (16) между этими деталями.

В последующих абзацах будут описываться сведения о различных частях изобретения и процессы, которые являются отображением заявляемого изобретения.

Здесь раскрывается пример микрофлюидного держателя, который позволяет использовать микрофлюидный чип, подводить к нему флюид при повышенном давление (до 60 МПа), нагревать микрофлюидный держатель вместе с микрофлюидным чипом до (250°C). Особая конструкция обеспечивает герметичную подачу и отбор флюида, через соосные отверстия (103, 201) отдельных деталей (100, 200) микрофлюидного держателя через каналы микрофлюидного чипа. Конструкция микрофлюидного держателя способствует работе микрофлюидного чипа при повышенных давлениях и минимизирует возможность микрофлюдиного чипа быть подвергнутым деформациям и разрушениям.

Прочный корпус крышки (500) микрофлюидного держателя, как описано выше, содержит полость (502) для размещения сапфирового стекла (300). Стенки этой полости (505) обеспечиваются дополнительную жесткость на изгиб крышки (500), что позволяет проводить эксперименты при высоком давлении (до 60 Мпа). Для обеспечения работоспособности микрофлюидного держателя при высоких давлениях и температурах был произведен прочностной расчет всех элементов конструкции и выбрана высокопрочные материалы микрофлюидного держателя.

Работа микрофлюидного держателя осуществляется следующим образом. Для проведения микрофлюидного эксперимента внутрь микрофлюидного держателя помещаются микрофлюидный чип, который соответствует размеру выбранной переходной пласты (200). Затем микрофлюидной чип зажимается между сапфировым стеклом (300) и переходной пластиной (200) путем закручивания винтов (15), герметичность подачи флюидов обеспечивается при помощи использования уплотнительных колец (16) между микрофлюидным чипом и переходной пластиной (200), и переходной пластиной (200) и основанием (100) микрофлюидного держателя. К отверстиям микрофлюидного держателя (121) присоединяются трубки за счет прикручивания фитингов к резьбе (122) внутри этих отверстий для подачи флюида в микрофлюидный чип и последующего отбора флюида из микрофлюидного чипа. Визуализация эксперимента происходит благодаря использованию цифрового микроскопа, который устанавливается над микрофлюидной платформой напротив сквозного окна в крышке микрофлюидного держателя. В начале эксперимента микрофлюидный чип заполняется нефтью, затем через систему прокачивается жидкость для вытеснения нефти из пористой структуры микрофлюидного чипа. После эксперимента при помощи специального программного обеспечения рассчитывается коэффициент вытеснения на чипе для выбранного вытесняющего агента.

Использование микрофлюидных чипов в разработанной микрофлюидном держателе позволяет проводить фильтрационные эксперименты в разных термобарических условиях: от атмосферного давления и комнатной температуры до экстремально высоких условий (60 МПа и 250°C). Такая особенность может использоваться для:

1. проведения экспериментальных исследований нефтегазовых месторождений, когда требуется воспроизведение оригинальных термобарических условий.

2. синтеза химических соединений и других исследований, где существует необходимость иметь визуальный контроль в работе с небольшим объемов флюидов при повышенном давление и температуре.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение позволяет наблюдать за состоянием каналов в микрофлюидных чипах посредством цифрового микроскопа или камеры. Также устройство предназначено для подачи жидкости через различную комбинацию портов в микрофлюидный чип, через специальную обойму и основание микрофлюидного держателя. Предложен держатель высокого давления и высокой температуры для микрофлюидного чипа, содержащий крышку, закрепленную на основании, при этом поверхность основания, взаимодействующая с крышкой, снабжена углублением для установки переходной пластины со сквозными отверстиями, на которой размещен микрофлюидный чип. Причем основание снабжено нагревателями, сквозными отверстиями для вывода и ввода жидкости к микрофлюидному чипу и сквозными отверстиями для извлечения переходной пластины. Крышка снабжена отверстием с расширением, образующим полость для установки прокладки и сапфирового стекла, имеющего фаску на поверхности, обращенной к крышке, и выполнена с возможностью прижима микрофлюидного чипа сапфировым стеклом. Причем сквозные отверстия переходной пластины выполнены с возможностью совмещения с частью сквозных отверстий для вывода и ввода жидкости. В устройстве предусмотрена возможность контроля рабочей температуры (до 250°C) и давления (до 60 МПа). Технический результат - возможность проведения экспериментальных исследований с использованием микрофлюидных чипов разного размера при высоких давлениях и высоких температурах. 19 ил.

Держатель высокого давления и высокой температуры для микрофлюидного чипа, содержащий крышку, закрепленную на основании, при этом поверхность основания, взаимодействующая с крышкой, снабжена углублением для установки переходной пластины со сквозными отверстиями, на которой размещен микрофлюидный чип, причем основание снабжено нагревателями, сквозными отверстиями для вывода и ввода жидкости к микрофлюидному чипу и сквозными отверстиями для извлечения переходной пластины, крышка снабжена отверстием с расширением, образующим полость для установки прокладки и сапфирового стекла, имеющего фаску на поверхности, обращенной к крышке, и выполнена с возможностью прижима микрофлюидного чипа сапфировым стеклом, причем сквозные отверстия переходной пластины выполнены с возможностью совмещения с частью сквозных отверстий для вывода и ввода жидкости.