CN103638852B - 一种合成射流无阀压电微混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种合成射流无阀压电微混合器，包括键合在一起的泵盖和泵体，两个合成射流腔和对应的进口混合流道和出口混合流道相通，第一压电振子固定于泵盖的正上方，第二、第三压电振子各固设在两个合成射流腔的正下方，进口混合流道和出口混合流道均是由两个分流流道和一个汇流流道组成Y型混合流道，在微混合器混合流道底部设置的合成射流激励器，利用合成射流周期性的喷出和吸入流体来干扰混合流道内流体的流动，调节施加在压电振子上的交变电压信号实现混合效果和混合时间在大范围的可控混合。

Description

一种合成射流无阀压电微混合器

技术领域

本发明涉及微流体机械中的微流体混合器，具体是指一种可对微量流体进行混合、流动方向可控制的无阀压电微混合器。

背景技术

  微流体系统以独特的几何特性、流动特性和传递特性决定了其优越性有：反应体积小、转化效率高、反应物耗费低、安全性能高等，因而在生化分析、药物传递、核酸排序、纳米技术及化学反应动力学等领域应用越来越深入。微流体系统包括微反应器、微混合器、微阀、微泵、微热交换器、微感应器等，其中的微混合器可以用作生物化学分析仪器的微传感器以及用于生物芯片和微量化学分析与检测系统中的不同检体及不同试剂之间的混合、用于药物的快速混合和微量注射，还可应用于传统的化学工程及生物化学的反应过程，替代现有的反应器从而提高反应速度，减小设备体积和降低成本。

    根据有无外界动力源，微混合器通常被分为主动微混合器和被动微混合器两种，被动微混合器通常采用具有复杂几何结构的通道来形成混沌流，以增强流体间的分子扩散和对流，从而增加其有效接触面积，提高流体的混合效率，被动式微混合器主要有层流式、交叉分液汇合式、注入式、混沌对流式等，其缺点是加工难度大、混合效率低、混合可控性差；主动微混合器需要外部能量诱发进行混合，包括微搅拌、压力扰动、声波扰动、电流体动力及磁流体动力驱动等，主动微混合方式具有混合效率高、混合时间短、混合可控性高的优点，但在众多基于不同混合机理的主动微混合器中仍存在如工作电压高、对混合液体有介电性或可极化要求，工作中发热、结构及制作工艺复杂、不易集成化等诸多问题。

微流体混合是指两股或多股流体在微小的通道内通过控制液层厚度或将一股流体分散到另一股流体中所实现的微尺度混合。在微尺度下实现微流体的快速有效混合是困难的，因为在微流体系统中，其特征尺寸在1μm～1mm之间，器件的压力受到限制，流体流速缓慢，一般雷诺数小于100，难以形成湍流，流体间主要通过分子的扩散作用进行混合，需要很长的距离和时间才能混合均匀，特别在处理包含大分子的试剂时，实现完全混合将变得困难，因此必须采取特殊的方式来增加液体间的微接触面积或者增强对流，提高混合效率。中国专利公开号为CN 102145265 A的专利文献公开了一种压电微流体混合器，在两泵进口与泵腔之间、泵出口与泵腔之间均连通一个变形混合管，变形混合管的变形部分由七个管道连通组成，两种待混合的流体经过进口进入左侧的变形混合管初步混合后进入泵腔中混合，再经过右侧的混合管从出口流出，实现混合和泵送，但由于变形混合管由直管道、半圆形管道和锥形管道七个管道连通组成，结构复杂，加工困难；在泵送过程中流过半圆形管道（锥形管道）的流体很少且所受阻力较大，流体主要在锥形管道（半圆形管道）中流动，难以形成较强的对流，混合效果较差，混合效率低。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有主动式微混合器中存在的不足而提出的一种合成射流无阀压电微混合器，它主要是针对现有微混合器所存在的问题如混合效率低、混合可控性及混合效果差而提出的能够提高微尺度下流体的混合效果和速率、有效缩短混合长度、在混合的同时达到泵送混合流体的合成射流无法压电微混合器，同时具有结构简单、加工方便、成本低、体积小、易于集成化和微型化等优点。

 本发明采用的技术方案是：包括键合在一起的泵盖和泵体，第一压电振子固定于泵盖的正上方，泵盖的左部分上设有两个泵进口、正中间设有泵腔的上半部分、右部分设有泵出口，泵体的上部分设有结构相同、同轴布置、相对于泵腔左右对称的进口混合流道和出口混合流道、两个结构相同且相对于所述混合流道的中心线前后对称布置的进口缓冲腔、一个出口缓冲腔和泵腔的下半部分，泵体下部分设有两个结构相同、中心轴线与所述混合流道的中心轴线相垂直的、相对于泵腔左右对称的两个合成射流腔以及两个结构相同的合成射流流道；泵腔的圆心和出口缓冲腔的圆心在同一直线上且与所述混合流道的中心轴线重合；进口混合流道和出口混合流道均是由两个分流流道和一个汇流流道组成Y型混合流道；两个合成射流腔上部是与其连通的对应的合成射流流道，第二、第三压电振子各固设在两个合成射流腔的正下方；泵进口与对应的进口缓冲腔连通，两个合成射流腔和对应的进口混合流道和出口混合流道相通，第一压电振子两端加载交变电压信号，第二、第三压电振子上施加的交变电压电压频率大于或等于第一压电振子的电压频率。

所述分流流道的宽度                                                均为80μm~300μm、长度均是宽度的4~6倍；所述汇流流道的宽度是宽度的1.5~2倍、长度是长度的4~6倍，所述分流流道和汇流流道的高度是宽度的1~1.5倍，所述分流流道的中心轴线和所述汇流流道的中心轴线的夹角为30°~90°。

本发明的有益效果是：在微混合器混合流道底部设置的合成射流激励器装置，利用合成射流周期性的喷出和吸入流体来干扰混合流道内流体的流动，合成射流激励器通过交变电压信号来控制；两种待混合流体经泵进口进入泵腔左侧的混合流道，在分流流道交汇处进行初步混合后在汇流流道内流动，同时在合成射流激励器上施加交变电压信号，在前0.5T内，合成射流激励器处于喷出状态，射流撞击到混合流道上壁面流向两侧，形成两个漩涡，这样促使两股流体间横向的相互作用，强化混合，在后0.5T内，合成射流激励器处于吸入状态，管道中有大量的流体被吸入，混合效果相对于喷出过程减弱，但流体的吸入在一定程度上干扰了混合流道内流体的流动，较没有射流时，增强了混合的效果；在0时刻及0.5T时刻，射流速度为零，由于喷出以及吸入过程对流场的影响的滞后效应，仍有小的漩涡存在，并起到了强化混合的效果，混合后的流体进入泵腔在脉动流的作用下进行进一步混合，压电泵泵送过程中在出口混合流道内进行相同的混合过程，总共五级的强化混合使得混合效率提高，混合时间进入纳秒级，同时通过调节施加在压电振子上的交变电压信号可以实现混合效果和混合时间在大范围的可控混合。

附图说明

图1是本发明的结构剖视图；

图2是图1的B-B向剖视图；

图3是图2的D-D向剖视图；

图4是图2的E-E向剖视图；

图5是图2中进口混合流道2的A局部放大图；

图6是图2中出口混合流道3的C局部放大图;

图7是图2中混合流道的几何结构放大图；

图8是图4中的I局部放大图；

图9是图4中合成射流腔的几何结构放大图；

图10是图1的俯视图；

图11是图10的F-F向剖视图；

图12是本发明在工作时合成射流激励器的工作原理图，（a）图是喷出过程工作原理图，（b）图是吸入过程工作原理图；

图13是本发明的Y型流道结构的工作示意图；

图14是本发明在一个周期内通过混合流道的瞬时流量图曲线；

图中：1.泵盖；2.进口混合流道；3.出口混合流道；4、5、6.压电振子；7.泵出口；8、9.泵进口；10、11.合成射流腔；12、13.射流流道；14.出口缓冲腔；15、16.进口缓冲腔；17.泵腔；18、19、20、21.分流流道；22.泵体；23、24.汇流流道。

具体实施方式

如图1、2、3、4、10、11所示，本发明将微流体驱动单元（即压电泵）和微流体混合单元（即混合流道）集成于一体。包括泵盖1、泵体22、合成射流激励器和压电振子4。应用MEMS技术在泵盖1上加工出泵进口8、泵进口9、泵腔17的上半部分和泵出口7。泵进口8和泵进口9位于泵盖1的左部分，分别外接进口管路。泵出口7位于泵盖1的右部分，外接出口管路。泵腔17的上半部分在泵盖1的正中间。

在泵体22的上部分加工出结构相同的进口混合流道2和出口混合流道3、两个结构相同的进口缓冲腔15、16、一个出口缓冲腔14和泵腔17的下半部分，在泵体22的下部分加工出两个结构相同的合成射流腔10、11和两个结构相同的合成射流流道12、13。进口混合流道2和出口混合流道3结构相同且同轴布置，相对于泵腔17左右对称；两个合成射流腔10、11结构相同，其中心轴线与混合流道2、3中心轴线相垂直，且相对于泵腔17左右对称。两个进口缓冲腔15、16相对于进口混合流道2和出口混合流道3的中心轴线前后对称布置。泵腔17的圆心和出口缓冲腔14的圆心在同一直线上且与进口混合流道2和出口混合流道3的中心轴线重合；泵体22和泵盖1通过静电键合在一起，压电振子4通过黏结剂固定于泵盖1的正上方，压电振子5、6通过黏结剂分别固定于合成射流腔10、11的正下方。

如图5、6、7所示,进口混合流道2和出口混合流道3为Y型混合流道，进口混合流道2由两个分流流道18、19和一个汇流流道23组成，出口混合流道3由两个分流流道20、21和一个汇流流道24组成。进口混合流道2的两个分流流道18、19分别对应地连通两个进口缓冲腔15、16，进口混合流道2的汇流流道23连通泵腔17。出口混合流道3的两个分流流道20、21均连通泵腔17，出口混合流道3的一个汇流流道24连通出口缓冲腔14。泵进口8与对进口缓冲腔15连通，泵进口9与进口缓冲腔16连通。

如图7、9所示，分流流道18、19、20、21的宽度均为80μm~300μm，长度均是宽度的4~6倍，汇流流道23、24的宽度均是，是分流流道18、19、20、21宽度的1.5~2倍，汇流流道23、24的长度是分流流道18、19、20、21长度的4~6倍，分流流道18、19、20、21和汇流流道23、24的高度均为，其大小是分流流道18、19、20、21宽度的1~1.5倍，分流流道18、19、20、21中心轴线和汇流流道23、24中心轴线的夹角为30°~90°。

 如图7、8、9所示，合成射流腔10上的开小孔缝隙形成射流流道12，与合成射流腔10和进口混合流道2相通，合成射流腔11上开小孔形成缝隙，形成射流流道13，与合成射流腔11和出口混合流道3相通，振动部件5、6为复合压电振子。

如图7、9，合成射流腔10、11的腔体高度为40μm~60μm，合成射流腔10、11腔体直径是腔体高度的1~1.5倍，射流流道12、13出口截面宽度为10μm~20μm，长度是宽度的10~15倍，射流流道12、13高度是出口截面宽度的10~15倍，合成射流激励器的射流流道12、13的出口位置与混合流道2、3的分流流道18、19、20、21与汇流流道23、24交汇处的距离是汇流流道23、24宽度的0.5~5倍，射流流道12、13中心轴线与汇流流道23、24中心轴线的距离是汇流流道23、24宽度的0~0.25倍。由相应的合成射流腔10、11、相应的射流流道12、13、相应的压电振子5、6组成多个相应的合成射流激励器。合成射流激励器位于进口混合流道2的下方或者出口混合流道3的下方，或者位于进口混合流道2和出口混合流道3的下方，根据待混合流体的特性所述合成射流激励器可以选取1~6个。

 如图2、5、6所示，两个进口缓冲腔15、16的圆心在混合流道2的分流流道18、19的中心轴线上，出口缓冲腔14的圆心在出口混合流道3的汇流流道24的中心轴线上，进口缓冲腔15、16与出口缓冲腔14的直径相同，均为。

如图1、10、12、13所示，本实施例中合成射流无阀压电微混合器的工作原理是：在压电振子4两端加载交变电压信号后压电振子4会发生弯曲变形并随电压频率上下振动，该振动带动泵体22内的流体流动，可将压电振子4的运动分为向上位移运动和向下位移运动，则泵腔17内流动过程就相应分为吸入过程和排除过程。当压电振子4向上振动时，泵腔17体积增大，泵腔17内的压力降低且小于外界压强，从而流体经过泵腔17两侧的混合流道2、3流入泵腔17，这时混合器处于吸入状态，此过程中在合成射流激励器的压电振子5、6上施加交变电压信号，其电压频率大于或等于位于泵腔17上压电振子4的电压频率，则由泵进口8、9进入进口混合流道2的两种待混合流体在分流流道18、19交汇处进行初步混合后在汇流流道23内流动，同时合成射流激励器在交变电压的作用下表现为喷出和吸入，在0~0.5T（T为交变周期）内，合成射流激励器处于喷出状态，射流撞击到混合流道2、3上壁面流向两侧，形成两个漩涡，这样促使两股流体间横向的相互作用，强化混合，在0.5T时刻，射流速度为0，由于喷出过程对流场影响的滞后效应，仍有小的漩涡存在，并起到了强化混合的效果，在0.5T~T内，合成射流激励器处于吸入状态，管道中有大量的流体被吸入，混合效果相对于喷出过程减弱，但流体的吸入在一定程度上干扰了混合流道内流体的流动，较没有射流时，增强了混合的效果，在T时刻，射流速度同样也为0，但由于吸入过程对流场影响的滞后效应，仍有小的漩涡存在，并起到了强化混合的效果；混合后的流体进入泵腔17在脉动流的作用下进行进一步混合；当压电振子4向下振动时，泵腔17体积减小，泵腔17内的压力增大且大于外界压强，从而流体经过泵腔17两侧的混合流道2、3流出泵腔17，这时微混合器处于排出状态，进行和吸入过程相同的混合。

如图13所示，两混合流道2、3为“Y”型流道，流体在“Y”型流道中沿不同的方向流动时流动阻力不同，其效率可用正向流量与反向流量之比的平方来表示，即，当时表示正向流动流过的流体多，当时表示反向流动流过的流体多；在本实施例中由于取分流流道18、19、20、21中心轴线和汇流流道23、24中心轴线的夹角θ为80°,在该角度下有=1.228,即当压电泵处于吸入状态时，由于流体流过进口混合流道2所受的阻力小于流体流过出口混合流道3所受的阻力，故从进口混合流道2流入泵腔17的流体多于从出口混合流道3流入泵腔17的流体，当其处于泵送状态时，由于流体流过进口混合流道2所受的阻力大于流体流过出口混合流道3所受的阻力，故从进口混合流道2流出泵腔17的流体小于从出口混合流道3流出泵腔17的流体，所以微混合器呈现出流体从泵进口8、9流入，从泵出口7流出，在实现有效混合的同时达到泵送的目的。

Claims (3)

1.一种合成射流无阀压电微混合器，包括键合在一起的泵盖（1）和泵体（22），第一个压电振子（4）固定于泵盖（1）的正上方，泵盖（1）的左部分上设有第一个泵进口（8）和第二个泵进口（9）、正中间设有泵腔（17）的上半部分、右部分设有泵出口（7），其特征是：泵体（22）的上部分设有结构相同、同轴布置、相对于泵腔（17）左右对称的进口混合流道（2）和出口混合流道（3）、结构相同且相对于所述混合流道的中心线前后对称布置的第一个进口缓冲腔（15）和第二个进口缓冲腔（16）、一个出口缓冲腔（14）和泵腔（17）的下半部分，泵体（22）下部分设有结构相同、中心轴线与所述混合流道的中心轴线相垂直的、相对于泵腔（17）左右对称的第一个合成射流腔（10）和第二个合成射流腔（11）以及结构相同的第一个合成射流流道（12）和第二个合成射流流道（13）；泵腔（17）的圆心和出口缓冲腔（14）的圆心在同一直线上且与所述混合流道的中心轴线重合；进口混合流道（2）和出口混合流道（3）均是由两个分流流道和一个汇流流道组成Y型混合流道；第一个合成射流腔（10）上部是与其连通的第一个合成射流流道（12），第二个合成射流腔（11）上部是与其连通的第二个合成射流流道（13），第二个压电振子（6）固设在第一个合成射流腔（10）的正下方，第三个压电振子（6）固设在第二个合成射流腔（11）的正下方；第一个泵进口（8）与第一个进口缓冲腔（15）连通，第二个泵进口（9）与第二个进口缓冲腔（16）连通，第一个合成射流腔（10）和进口混合流道（2）相通，第二个合成射流腔（11）和出口混合流道（3）相通，第一个压电振子（4）两端加载交变电压信号，第二个压电振子（5）和第三个压电振子（6）上施加的交变电压电压频率大于或等于第一个压电振子（4）的电压频率。

2.根据权利要求1所述的一种合成射流无阀压电微混合器，其特征是：进口混合流道（2）的第一个分流流道（18）和第二个分流流道（19）以及出口混合流道（3）的第三个分流流道（20）和第四个分流流道（21）的宽度                                                均为80μm~300μm、长度均是宽度的4~6倍；进口混合流道（2）的第一个汇流流道（23）以及出口混合流道（3）的第二个汇流流道（24）的宽度是宽度的1.5~2倍、长度是长度的4~6倍，所有分流流道和汇流流道的高度是宽度的1~1.5倍，第一个分流流道（18）、第二个分流流道（19）的中心轴线和第一个汇流流道（23）的中心轴线的夹角均为30°~90°，第三个分流流道（20）、第四个分流流道（21）的中心轴线和第二个汇流流道（24）的中心轴线的夹角均为30°~90。

3.根据权利要求2所述一种合成射流无阀压电微混合器，其特征是：第一个合成射流腔（10）和第二个合成射流腔（11）的腔体高度均为40μm~60μm、直径是高度的1~1.5倍；第一个合成射流流道（12）和第二个合成射流流道（13）的出口截面宽度为10μm~20μm、长度是宽度的10~15倍、高度是宽度的10~15倍；第一个合成射流流道（12）的出口位置与第一个分流流道（18）、第二个分流流道（19）和第一个汇流流道（23）交汇处的距离是宽度的0.5~5倍，第二个合成射流流道（13）的出口位置与第三个分流流道（20）、第四个分流流道（21）和第二个汇流流道（24）交汇处的距离是宽度的0.5~5倍；第一个合成射流流道（12）的中心轴线与第一个汇流流道（23）中心轴线的距离是宽度的0~0.25倍，第二个合成射流流道（13）的中心轴线与第二个汇流流道（24）中心轴线的距离是宽度的0~0.25倍。