CN103638837A - 一种基于合成射流的压电微混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于合成射流的压电微混合器，包括固接在上泵体正下方的下泵体和固定在下泵体的正下方的压电振子，上泵体的顶面正中间开有泵出口、上部正中间是、上腔体、下部正中间是、汇流区一；下泵体的上部正中间是与汇流区一相通的汇流区二、下部正中间是下腔体，汇流区二的横截面为正方形，正方形的四个角处布置有四个肋，四个肋的横截面的轮廓均是由两条平行的对数螺旋线和一段连接两者的圆弧段构成，汇流区二的每个侧壁上开有二个进口，两种流体分别从八个进口交替进入，通过四个预混合通道初步混合，在上腔体内产生一对旋涡，在实现混合的同时可以连续岀流且流量高。

Description

一种基于合成射流的压电微混合器
技术领域
本发明涉及微流体混合与输送的微机械领域，尤其涉及一种基于压电式合成射流微混合器。
背景技术
  微流体系统可将传统的生化检测过程的分离、加样、混合、反应、检测等功能在芯片上得以实现。这样既节省了试剂，又减小了危险性（如有毒或者反应剧烈的试剂）。微化学工程作为新兴的技术可以用于分析和综合应用，微化学工程涉及的微型反应系统主要包括微混合器、微型热交换器、微流道。其中微混合器存在有许多缺陷：由于尺度的缩小，微通道中流体表面积与体积的比值相当的大，液体的流速和雷诺数较低，常处于一种层流的状态，混合常常是分子水平上的扩散运动，使微量液体的混合变得困难。
微混合器分为主动式和被动式，被动式微混合器是指不需要外部能量的方法，主要依赖于通道几何形状，如开槽通道、流体分层流（在通道中加障碍物），蛇形通道、诱发混沌对流等。主动式微混合器按作用原理分可分为电动力式、磁动力式、超声波式、分支注入式、压电式、磁致式、射流式、机械式等，例如震动源来自于压电陶瓷（PZT）的超声制动微混合器、蜘蛛式微混合器等。
中国专利公开号为CN 102145265 A，申请号为201110091097.8，名称为“一种压电微流体混合器”所公开的混合器虽然响应快，混合效率高，但是其流量低，不能连续岀流，流阻大耗能多，对于要求能够连续出流，无回流的场合并不适用。
现有的主动式微混合器较少，且很多主动式的微混合器不是一整套集成芯片结构，只是利用额外的能量来促进流体混合，仍然需要其他的动力源，如注射泵来输送流体，这是不利于芯片的集成化和批量生产应用。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术不足，提出一种利用合成射流的原理的压电微混合器，在实现流体混合的同时还大大提高压电微混合器的流量，并且可连续岀流、性能稳定。
本发明采用技术方案是：包括固接在上泵体正下方的下泵体和固定在下泵体的正下方的压电振子，上泵体的顶面正中间开有泵出口，上泵体的上部正中间是与泵出口相通的上腔体、下部正中间是与上腔体相通的汇流区一；下泵体的上部正中间是与汇流区一相通的汇流区二，下部正中间是下腔体，汇流区二和下腔体之间以喷口相连通；汇流区二的横截面为正方形，正方形的四个角处布置有四个肋，四个肋的横截面的轮廓均是由两条平行的对数螺旋线和一段连接两者的圆弧段构成，两条平行的对数螺旋线分别是源对数螺旋线和象对数螺旋线，四条源对数螺旋线的极点均为正方形的中心点；汇流区二的每个侧壁上开有二个进口，两种流体分别从八个进口交替进入。 
肋一的源对数螺旋线极坐标方程为                                                ，肋二的源对数螺旋线极坐标方程是
Figure 248491DEST_PATH_IMAGE002
，肋三的源对数螺旋线的极坐标方程是
Figure 540932DEST_PATH_IMAGE003
，肋四的源对数螺旋线的极坐标方程是，
Figure 403900DEST_PATH_IMAGE005
是对数螺旋线起始点的极角，
Figure 117778DEST_PATH_IMAGE006
，10μm<m<100μm。。
本发明通过四个预混合通道使流体进行初步混合，两种流体通过多个进口经喷口被吸入下腔体，这样流体在压电振子的带动下在上腔体内产生一对旋涡，使流体进行混合，流体从下腔体经喷口喷出时，同样会在上腔体内形成一对漩涡，这样压电振子的周期带动下会在上腔体内形成一列向出口迁移的旋涡对，并卷吸周围的流体，使流体进行混合，在实现混合的同时可以连续岀流且流量高、被压低。
附图说明
图1是本发明的结构主视图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1中的A-A剖面图；
图4是图3中肋一11的结构放大示意图；
图5是图3中的I局部放大示意图；
图中：1.压电振子；2.下腔体；3.喷口；4.上腔体；5.泵出口； 6.上泵体；7. 汇流区一；8.汇流区二； 9.下泵体；10. 进口一；11. 肋一；12.进口二；13.预混合通道一；14.进口三；15.肋二；16.进口四；17.预混合通道二；18.进口五；19.肋三；20.进口六；21.预混合通道三；22.肋四；23.进口七；24.进口八；25.预混合通道四；26.肋一的象对数螺旋线；27.肋一的源对数螺旋线；28.极轴一；29.极轴二；30.辅助圆；31.曲线段；32.圆弧段。
具体实施方式
如图1~3所示，本发明包括上泵体6、下泵体9、压电振子1。上泵体6在下泵体9的正上方，且与下泵体9固接，压电振子1通过黏结剂固定在下泵体9的正下方。压电振子1是由压电陶瓷片粘在弹性基底上面制成的，压电振子1作为驱动元件，采用正弦交流电压，振动模式采用径向伸缩振动，压电材料和弹性基底均为圆形截面。
上泵体6的顶面正中间开有泵出口5，上泵体6的上部正中间是上腔体4，上腔体4与泵出口5相通。上泵体6的下部正中间是汇流区一7，上腔体4与汇流区一7相通。泵出口5、上腔体4、汇流区一7的横截面均为圆形。
下泵体9的上部正中间是汇流区二8，下部正中间是下腔体2，汇流区二8和下腔体2之间是喷口3。汇流区二8在汇流区一7的正下方，与汇流区一7相通，喷口3与其上部的汇流区二8相通，下腔体2与喷口3相通。下腔体2、喷口3的横截面均为圆形。
汇流区二8的横截面为正方形，正方形的中心是点
Figure 163095DEST_PATH_IMAGE007
，正方形的四个角处布置有四个肋11、15、19、22，四个肋的横截面的轮廓均是由两条平行的对数螺旋线和一段圆弧段构成，两条平行的对数螺旋线分别是源对数螺旋线和象对数螺旋线。四个肋的四条源对数螺旋线的极点均为点
Figure 371353DEST_PATH_IMAGE007
，肋一11和肋三19的源对数螺旋线的极轴为轴二29，肋二15和肋四22的源对数螺旋线的极轴为轴一28。
如图4所示，肋一11由源对数螺旋线27、象对数螺旋线26和圆弧段32构成。源对数螺旋线27和象对数螺旋线26相互平行，它们之间的间距为b，即肋宽为b。肋一11的源对数螺旋线极坐标方程为：
Figure 920146DEST_PATH_IMAGE001
，（
Figure 70505DEST_PATH_IMAGE008
），
Figure 337538DEST_PATH_IMAGE005
是对数螺旋线起始点的极角，θ为源对数螺旋线27上任意一点P处的极角。
Figure 848023DEST_PATH_IMAGE009
为肋一11源对数螺旋线27上任意一点P的切线和极点
Figure 313639DEST_PATH_IMAGE007
到P的向量间的夹角（取锐角），且对数螺旋线上任意一点的夹角
Figure 139961DEST_PATH_IMAGE009
均相等，故对数螺旋线又称等角螺旋线。肋二15的源对数螺旋线极坐标方程是: 
Figure 939290DEST_PATH_IMAGE002
（
Figure 774260DEST_PATH_IMAGE008
）；肋三19的源对数螺旋线的极坐标方程是：
Figure 204104DEST_PATH_IMAGE003
（
Figure 242467DEST_PATH_IMAGE008
）；肋四22的源对数螺旋线的极坐标方程是：
Figure 783170DEST_PATH_IMAGE004
（
Figure 239690DEST_PATH_IMAGE008
）。本发明中
Figure 637173DEST_PATH_IMAGE009
的取值范围为：
Figure 366095DEST_PATH_IMAGE012
，所以
Figure 756494DEST_PATH_IMAGE013
 故其旋转方向为逆时针旋转，是对数螺旋线起始点的极角，m的取值范围为：10μm<m<100μm。
所述肋一11的具体画法：1、以任意一点为极点
Figure 635905DEST_PATH_IMAGE007
，以D3为直径画出如图4所示的虚线辅助圆30，按照肋一11的源对数螺旋线极坐标方程逆时针旋转，极角从0到π，则该螺旋线必与辅助圆30相交，交点处对数螺旋线的极角θ即为，剪掉辅助圆30内的曲线段31，得到如图4所示的肋一11的源对数螺旋线27，在源对数螺旋线27的左边画一条与其等距的对数螺旋线，间距为b,剪掉辅助圆内多余的曲线，得到象对数螺旋线26。源对数螺旋线27、象对数螺旋线26和辅助圆30的交点用圆弧32段连接。该圆弧段直径为D3。从源对数螺旋线27的终点向上画一段直线，长为L3，从象对数螺旋线26的终点向左画一段直线，长为L3，即图4所示的肋一11左端到下泵体9的壁面的距离L3。这样就得到了肋一11，同样的方法可以得到其余三个肋。四个肋高均为H2。
如图1，泵出口5直径为D1；汇流区一7的直径为D3，汇流区一7的高度为0.02mm, 汇流区二8的高度为H2；喷口3直径为D4，高度为H3；下腔体2直径为D5，高为H4。上腔体4直径为D2高为H1（上泵体6与下泵体9粘结处薄板的厚度可以忽略不计）。所述喷口3直径0.05mm≤D4≤1mm，2≤H3/D4≤6。上腔体4高度H1与喷口3的直径D4之比范围为：20≤H1/D4≤30。
在汇流区二8的每个侧壁上开有二个进口，共有8个进口，分别是进口一10、进口二12、进口三14、进口四16、进口五18、进口六20、进口七23、进口八24。在汇流区二8的内部，每两个肋之间之间的空间形成一个预混合通道，肋11、15之间是预混合通道一13，肋15、19之间是预混合通道二17，肋19、22之间是预混合通道三21，肋11、22之间预混合通道四25。
本发明的工作原理是：压电陶瓷片在周期性变化的压电信号作用下发生逆压电效应，弹性基底随之发生周期性上下振动；微混合器的运动分为排出和吸入两个阶段。排出过程时，压电振子1向上振动，在喷口3处流体由于受到强烈的剪切作用，进而产生流动分离，形成漩涡对，卷吸周围流体向泵出口5迁移。吸入过程时，压电振子1向下振动，流体由8个进口经四个预混合通道被吸入下腔体2，此时在上个周期形成的漩涡对已向下迁移，不会受到吸入的影响，流体在这种吸入和排出交替进行的过程中，形成一列向泵出口5迁移的漩涡对，旋涡一经形成，就会以自诱导速度向泵出口5迁移，形成连续岀流。两种流体分别从八个进口交替进入预混合通道，在四个预混合通道进行首次混合，对数螺旋线能够很好的引导流体改变流动方向进行混合，又能减少直接碰撞来改变流动方向带来的流动损失。流体进入下腔体2，由于压电振子的周期性振动使流体产生混沌流，从而进行第二次混合，流体经喷口3喷出后卷吸周围的流体则会进行第三次混合，最终，混合的好流体从泵出口5流出。 

Claims (3)

1.一种基于合成射流的压电微混合器，包括固接在上泵体（6）正下方的下泵体（9）和固定在下泵体（9）的正下方的压电振子（1），上泵体（6）的顶面正中间开有泵出口（5），其特征是：上泵体（6）的上部正中间是与泵出口（5）相通的上腔体（4）、下部正中间是与上腔体（4）相通的汇流区一（7）；下泵体（9）的上部正中间是与汇流区一（7）相通的汇流区二（8），下部正中间是下腔体（2），汇流区二（8）和下腔体（2）之间以喷口（3）相连通；汇流区二（8）的横截面为正方形，正方形的四个角处布置有四个肋，四个肋的横截面的轮廓均是由两条平行的对数螺旋线和一段连接两者的圆弧段构成，两条平行的对数螺旋线分别是源对数螺旋线和象对数螺旋线，四条源对数螺旋线的极点均为正方形的中心点；汇流区二（8）的每个侧壁上开有二个进口，两种流体分别从八个进口交替进入。
2.根据权利要求1所述的一种基于合成射流的压电微混合器，其特征是：肋一的源对数螺旋线极坐标方程为                                                
Figure 2013105527168100001DEST_PATH_IMAGE001
，肋二的源对数螺旋线极坐标方程是
Figure 729003DEST_PATH_IMAGE002
，肋三的源对数螺旋线的极坐标方程是
Figure 780136DEST_PATH_IMAGE003
，肋四的源对数螺旋线的极坐标方程是，
Figure 116625DEST_PATH_IMAGE005
是对数螺旋线起始点的极角，
Figure 178122DEST_PATH_IMAGE006
，10μm<m<100μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于合成射流的压电微混合器，其特征是：喷口（3）的直径为D4，0.05mm≤D4≤1mm；上腔体（4）的高为H1，20≤H1/D4≤30；汇流区一（7）的高度为0.02mm。
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