CN103877905B - 一种被动式微混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开微流体混合领域中的一种被动式微混合器，包括上下键合在一起的上盖板和混合板，上盖板的右部开有位于中心位置的出口管，上盖板的左部开有关于出口管前后对称的第一、第二种流体入口管，混合板上从左至右依次设有进口主通道、n个混合单元、出口主通道；n个混合单元是n个基本混合单元从左至右通过圆弧过渡连接得到，单个基本混合单元的水平轴截面的外轮廓是由四对数螺旋线和两个直线组合而成，第一、第二对数螺旋线的起始点之间通过直线一相连，第三、第四对数螺旋线的起始点之间通过直线二相连，以特殊曲线引组合而成的流道使流体的流动方向缓慢的发生改变，有利于流体间的接触，有效促进了混合。

Description

一种被动式微混合器
技术领域
本发明涉及微流体混合的微流体领域，尤其涉及一种被动式微混合器。
背景技术
微流体系统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，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，微混合器存在许多问题：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来促使流体混合，其优点是：结构简单，多为平面结构，易于加工和集成；缺点是：混合速度相对较慢，混合时间长。主动式微混合器则需要外力源来促进混合如：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。主动式微混合器虽然混合效果好，但是其结构相对复杂，制造和加工困难，不易于集成。因此如果用于芯片实验室上面现有的被动式微混合器更适合，但是需要继续提高其混合效率，缩短混合时间和混合长度。
中国专利公开号为：CN102233241A，申请号为：201110197592.7，名称为：一种基于成涡结构强化混合的平面被动式微混合器，利用弯管中加挡板和突缩结构扰动流体促使流体混合，虽然也能达到混合，但是由于流体直接撞击挡板和突缩结构带来的流动损失较大，耗能多。
微混合器多数是处于层流状态，通过改变微混合器的几何形状，增加流体的接触有助于充分混合。以往的被动式微混合器多是通过直接改变流动方向增加横向流动促使流体混合，但是其流动损失也比较大，且混合效果不是特别理想。现有被动式微混合器产生混合的主要方式是：1、在流道内增加挡板，扰动流体产生混合，流动损失大；2、混合流道长，混合时间长；3、产生混沌流来混合流体，混合效果好，流动损失大；4、利用突括和突缩结构产生旋涡混合流体。现有的被动式微混合器的主要缺点是：混合时间长，混合流道长，混合效果不佳。本发明的特点是利用对数螺旋线组合成的流道缩短了混合距离，混合效果也大大提高。
发明内容
为了克服现有的被动式微混合器的混合效率低，混合距离长，本发明提供一种高混合效率、短混合距离的被动式微混合器。
本发明采用的技术方案是：包括上下键合在一起的上盖板和混合板，上盖板的右部开有位于中心位置的出口管，上盖板的左部开有关于出口管前后对称的第一、第二种流体入口管，混合板上从左至右依次设有进口主通道、n个混合单元、出口主通道；n个混合单元是n个基本混合单元从左至右通过圆弧过渡连接得到，单个基本混合单元的水平轴截面的外轮廓是由四对数螺旋线和两个直线组合而成，第一、第二对数螺旋线的起始点之间通过直线一相连，第三、第四对数螺旋线的起始点之间通过直线二相连。
第一对数螺旋线的起始点的极坐标是，第二对数螺旋线的起始点的极坐标是，第三对数螺旋线的起始点的极坐标是，第四对数螺旋线的起始点的极坐标是；四条所述对数螺旋线的起始点围成一个正方形、终点围成另一个正方形；10μm<m<100μm，为对数螺旋线旋转的起始点处的极角，，。
本发明的优点是：
1、本发明利用对数螺旋线组合成微混合器，以这种特殊曲线引组合而成的流道使流体的流动方向缓慢的发生改变，在这些曲线起始的位置，流动方向的改变增加了流体间的接触面积。流体在能产生二次流和迪恩涡。这些都有利于流体间的接触，有效的促进了混合。并且这种方式产生的混合比通过碰撞方法产生混合所耗得能量少。从而有效的提高了混合效率。
2、本发明结构非常简单，仅有几条对数螺旋线组成，能量损失少；无死区，粒子通行性好；混合效率高，可以有效缩短混合时间和混合长度。
附图说明
图1是本发明的结构主视图；
图2是图1中上盖板7的俯视图；
图3是图1中A-A剖面图；
图4是本发明中的基本混合单元图；
图5是图4中局部I放大图；
图6是本发明中的对数螺旋线图；
图中：1.第一种流体入口管；2.第二种流体入口管；3.出口管；4.进口主通道；5.混合单元；6.出口主通道；7.上盖板；8.混合板；9.第一对数螺旋线的极轴一；10.第一对数螺旋线；11.中心点极点；12.第二对数螺旋线；13.第三对数螺旋线；14.第四对数螺旋线；15.极轴二；16.直线一；17.直线二；18.点P的切线。
具体实施方式
如图1~2所示，本发明包括上盖板7和混合板8，混合板8位于上盖板7的下方与上盖板7键合在一起。上盖板7的左部开有第一种流体入口管1和第二种流体入口管2，上盖板7的右部开有出口管3，出口管3在上盖板7的中心位置，第一种流体入口管1、第二种流体入口管2分布在上盖板7的中心线两侧，第一种流体入口管1和第二种流体入口管2关于出口管3前后对称。第一种流体入口管1、第二种流体入口管2和出口管3的高度均为H1。第一种流体入口管1和第二种流体入口管2的半径均为D1，它们的圆心到中心线的距离均为L5，它们的圆心到上盖板7左边缘的距离均为L4。出口管3的半径为D2，其圆心在中心线上，其圆心到上盖板右边缘的距离为L6。
如图3所示：混合板8上从左至右依次设有进口主通道4、n个混合单元5、出口主通道6。
如图4，所述n个混合单元5是由图4中的基本混合单元从左至右依次排列，首尾相接，之后通过圆弧过渡得到的。它们连接的方式是：基本混合单元中的第二对数螺旋线12和与其相连的基本混合单元中的第一对数螺旋线10相连；基本混合单元中的第三对数螺旋线13和与其相连的基本混合单元中的第四对数螺旋线14相连。圆弧半径为R，R的取值范围为：1μm<R<10μm。混合单元个数为n，2≤n≤5。所述相邻混合单元5中心点间距离为L2。进口主通道4长度为L1，出口主通道6长度为L3，进口主通道4和出口主通道6的前后宽度均为W。
如图4所示，单个基本混合单元的水平轴截面的外轮廓是由第一对数螺旋线10、第二对数螺旋线12、第三对数螺旋线13、第四对数螺旋线14、直线一16、直线二17组合而成的形状。第一对数螺旋线10和第二对数螺旋线12的起始点之间通过直线一16相连，第三对数螺旋线13和第四对数螺旋线14的起始点之间通过直线二17相连。四条对数螺旋线的起始点分别是，第一对数螺旋线10的起始点的极坐标是，第二对数螺旋线12的的起始点的极坐标是，第三对数螺旋线13的起始点的极坐标是，第四对数螺旋线14的极坐标的极坐标是。
所述第一对数螺旋线10的极坐标方程为:；如图6所示为极角，表示对数螺旋线上任意一点P的切线18和极点11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均相等，故对数螺旋线又称等角螺旋线；如图5所示：为对数螺旋线旋转的起始点处极角；m为常数，10μm<m<100μm；第二对数螺旋线12的极坐标方程为：；第三对数螺旋线13的极坐标方程为：；第四对数螺旋线14的极坐标方程为：。本发明中的取值范围为：，所以故其旋转方向为逆时针旋转。
如图4所示：基本混合单元的具体画法为：以平面上任意一点o为极点11，以极轴一9为旋转轴，以为起始点按第一对数螺旋线10的极坐标方程得到相应的对数螺旋线，其旋转方向为逆时针旋转，旋转极角从到；同样的方法以极轴二15为旋转轴，为起始点按相应的极坐标方程逆时针旋转得到第二对数螺旋线，旋转极角从到；以极轴一9为旋转轴，为起始点按相应的极坐标方程逆时针旋转得到第三对数螺旋线11，旋转极角从到；以极轴二15为旋转轴，为起始点按相应的极坐标方程逆时针旋转得到第四对数螺旋线14，旋转极角从到。
按上述方法所画的四条对数螺旋线的起始点正好能围成一个正方形，该正方形以o为中心以为四个顶点。四条对数螺旋线的终点同样能围成如图4中的基本混合单元所示的是以o为中心的正方形（虚线所示）的四个顶点。
第一种流体入口管1和第二种流体入口管2均与进口主通道4相通，进口主通道4与混合单元5相通，n个混合单元5相通，混合单元5与出口主通道6相通。
本发明的工作原理：两种流体分别从第一种流体入口管1和第二种流体入口管2经进口主通道4依次流过n个混合单元5，之后经出口主通道6进入出口管3完成整个混合过程，其中在n个混合单元5内流动方向发生了很大改变，圆弧过渡起到缓冲流体，增加混合，减少流动损失的目的。整个流动过程中能形成二次流和迪恩涡，是流体得到很大程度的扰动，混合效率有很大提高。混合好的流体从出口管3流出便完成了整个混合过程。

Claims (2)

1.一种被动式微混合器，包括上下键合在一起的上盖板(7)和混合板(8)，上盖板(7)的右部开有位于中心位置的出口管(3)，上盖板(7)的左部开有关于出口管(3)前后对称的第一、第二种流体入口管(1、2)，其特征是：混合板(8)上从左至右依次设有进口主通道(4)、n个混合单元(5)、出口主通道(6)；n个混合单元(5)是n个基本混合单元从左至右通过圆弧过渡连接得到，单个基本混合单元的水平轴截面的外轮廓是由四对数螺旋线和两个直线组合而成，第一、第二对数螺旋线(10、12)的起始点之间通过直线一相连，第三、第四对数螺旋线(13、14)的起始点之间通过直线二相连；
第一对数螺旋线(10)的起始点e1的极坐标是第二对数螺旋线(12)的起始点e2的极坐标是第三对数螺旋线(13)的起始点e3的极坐标是第四对数螺旋线(14)的起始点e4的极坐标是四条所述对数螺旋线的起始点e1、e2、e3、e4围成一个正方形、终点围成另一个正方形；a为对数螺旋线旋转的起始点处的极角，a￡q￡p，10μm<m<100μm。
2.根据权利要求1所述一种被动式微混合器，其特征是：n个基本混合单元从左至右过渡连接的圆弧半径为R，1μm<R<10μm；所述混合单元个数为n，2≤n≤5。
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