CN105056821A - 一种对称椭圆弧挡板的十字微混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种对称椭圆弧挡板的十字微混合器，盖板和基体之间设置一个十字形流道、一个收缩流道和多个混合单元，一个混合单元由依次连接的一个狭窄直流道、一个椭圆流道和布置在该椭圆流道内的一个椭圆弧挡板组成；多个混合单元依次串接于收缩流道和流道出口之间，十字型流道出口连接且连通收缩流道入口，椭圆弧挡板的凹面正对着椭圆流道入口，椭圆弧挡板的凸面与椭圆流道的椭圆短轴相切，椭圆弧挡板的弧角外边缘与椭圆流道内壁之间具有间隙；能使流体在通过狭窄直流道后形成射流，射流冲击椭圆弧挡板，与来流形成对流，增加流体间的扰动，当流体流过椭圆弧挡板时，会在椭圆弧挡板的凸面形成附壁流动，有效提高不同液体之间的混合强度。

Description

一种对称椭圆弧挡板的十字微混合器

技术领域

本发明涉及生物芯片和微全分析系统中液体微混合的技术领域，具体是基于分离重组和附壁效应的被动式微混合器，实现微尺度下不同液体的快速混合。

背景技术

微流体系统是微电子机械系统的重要组成部分，微流控系统是微流体系统的一个重要分支，可将传统生化监测过程的分离、加样、混合、反应、监测等功能在芯片上得以实现。微混合器作为微流控系统的重要组成部分，凭借其高效快速的混合性能，被越来越多的应用于生物分析、化学合成、药物筛选和临床测试等领域。对于两股或多股流体的化学反应，必须解决它们之间的有效混合问题，因而微混合器是微流控中的重要组成部分。由于微流控芯片流道的尺寸在微米量级，流动通常处于层流状态，流体间难以充分混合，因此实现微尺度下流体的快速混合非常重要。

按照混合过程的原理，微混合器一般分为弱化层流型和强化层流型两种。而弱化层流型又分为被动式和主动式微混合两种。主动式是通过外部对混合器施加影响促进混合，而被动式是在流体内部采取强化措施，即借助改变或布置不同形状和结构的微流道来控制混合过程，如开槽流道、流体分层流（在流道中加障碍物）、蛇形流道、诱发混沌对流等。相比前者而言，被动式微混合器不需要添加额外的设备，易于加工，使用更为方便。而在加强被动式微混合器中流体扩散和混合的方法上，优化流道结构和强化混沌对流是目前被公认的最佳选择。

目前，微流体混合器中的微流道的尺寸在几十到几百微米的范围内，微流道中液体的雷诺数很小以至于没有涡流产生，液体间的混合以分子扩散为主，使得混合时间相比宏观情况大大延长且混合效果差，因此必须采取特殊的方式来增加液体间的接触面积或者增强对流以提高混合效率。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种结构简单、能提高混合效率的对称椭圆弧挡板的十字型微混合器，其加工便易，可实现在生物芯片或微全分析系统中不同液体之间的快速均匀混合，强化混合效果，缩短混合时间。

本发明采用的技术方案是：包括一个流道出口以及密合在一起的盖板和基体，盖板和基体之间设置一个十字形流道、一个收缩流道和多个混合单元，一个混合单元由依次连接的一个狭窄直流道、一个椭圆流道和布置在该椭圆流道内的一个椭圆弧挡板组成；收缩流道、狭窄直流道以及椭圆流道的长轴共一个中心轴，每个混合单元均关于中心轴对称分布；多个混合单元依次串接于收缩流道和流道出口之间，其中的最后一个混合单元的椭圆流道出口宽度与流道出口的宽度相同，其余混合单元的椭圆流道出口宽度均与狭窄直流道出口宽度相同；十字型流道出口连接且连通收缩流道入口，收缩流道出口连接且连通第一个混合单元的狭窄直流道入口；椭圆弧挡板的凹面正对着椭圆流道入口，椭圆弧挡板的凸面与椭圆流道的椭圆短轴相切，椭圆弧挡板的弧角外边缘与椭圆流道内壁之间具有间隙。

十字形流道上布置一个主流道入口和两个副流道入口，主流道与副流道呈十字形垂直相交，十字形流道出口布置在主流道上，主流道中心位于中心轴上。

十字型流道的主流道宽度D1等于副流道的宽度D2的两倍，200μm<D1<400μm，主流道的长度L1为D1的2.5倍，副流道的长度L3等于L1，副流道的与收缩流道之间最短的距离L2=2×(D1)；椭圆弧流道的短轴半径R1=(D1)/2，长轴半径为R2，(D1)/2<R2≤D1；狭窄直流道的宽度D3=(D1)/4，两个椭圆流道中心点之间的距离为L4，300μm<L4<400μm；，椭圆弧挡板的厚度D4=(D1/8)，椭圆弧挡板的椭圆弧的包角为β，60°<β<90°。

本发明采用上述技术方案后具有下列优点：

1、本发明能使流体在通过狭窄直流道后形成射流，使流体流速增加，增加流体的雷诺数。射流冲击椭圆弧挡板，由于椭圆弧挡板的特殊结构，流体沿椭圆弧挡板流动，与来流形成对流，增加流体间的扰动。当流体流过椭圆弧挡板时，会在椭圆弧挡板的凸面形成附壁流动，出现二次流现象，有效提高不同液体之间的混合强度。流体经过聚合、分离、成涡，依次循环进行，可以更加有效的接触混合；通过简单的流道结构实现了涡系的叠加和强化，从而增加了流体的接触面积，使得混合效果获得显著提高。

2、本发明在主流道上等距布置对称分离重组流道，借助微混合流道几何形状变化和流体流动特性来加大扰动，即在二维度平面内增加扰流度，大大提高了平面式被动微混合器的混合效果，实现微尺度下流体的快速混合。

3、本发明通过提高混合工质对流强度，使流体在流道内形成旋涡，从而增大混合工质的接触面积以达到提高混合效果的目的，可以在流道长度较短的条件下得到较高的混合效果。

附图说明

图1为本发明的主体结构剖视图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为图2中十字型进口流道的结构放大示意图；

图4为图2中混合单元的几何结构放大示意图；

图5为本发明中流体流动原理示意图。

图中：1、主流道入口；2、副流道入口；3、盖板；4、收缩流道；5、狭窄直流道；6、椭圆流道；7、椭圆弧挡板；8、流道出口；9、基体；10、十字型进口流道。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的主要结构分上下部分，上侧为该微混合器的盖板3，下侧为基体9，盖板3和基体9上下密合在一起。在盖板3和基体9之间设置微混合器的流道。该流道由一个十字形流道10、一个收缩流道4、多个狭窄直流道5、多个椭圆流道6组成。十字形流道10上布置三个流道入口，分别是一个主流道入口1和两个副流道入口2，主流道与副流道呈十字形垂直相交。十字型流道10出口布置在其主流道上，主流道中心位于中心轴上，十字形流道10出口连接且连通收缩流道4入口。

收缩流道4出口连接且连通第一个狭窄直流道5入口，第一个狭窄直流道5出口连接且连通第一个椭圆流道6入口，第一个椭圆流道6出口连接且连通第二个狭窄直流道5入口，第二个狭窄直流道5出口又连接且连通第二个椭圆流道6入口，第二椭圆流道6出口连接第三个狭窄直流道5入口，以此类推地串接，直至最后一个椭圆流道6的入口侧的半部分连接于流道出口8。

在每个椭圆流道6内部均布置一个椭圆弧挡板7，椭圆弧挡板7的凹面正对着椭圆流道6入口，凸面正对椭圆流道6出口。椭圆弧挡板7的凸面与椭圆流道6的椭圆短轴相切，该切点位于中心轴上，与椭圆弧挡板7凸面的中心点重合。椭圆弧挡板7的弧角外边缘与椭圆流道6的内壁之间具有一定的间隙，可供流体在两者之间流过。

由依次连接的一个狭窄直流道5、一个椭圆流道6和该椭圆流道6内的一个椭圆弧挡板7组成一个混合单元。椭圆流道6的外轮廓线与狭窄直流道5相交。多个混合单元依次串接于收缩流道4和流道出口8之间，其中，最后一个混合单元的椭圆流道6出口宽度与流道出口8的宽度相同，其余混合单元的椭圆流道6出口宽度均与狭窄直流道5的出口宽度相同。

十字型流道10主流道、收缩流道4、狭窄直流道5以及椭圆流道6的长轴均共一个中心轴，该中心轴也是微混合器的中心轴。多个混合单元沿中心轴的轴向等距布置，所有流道的横截面都为矩形，每个混合单元均关于中心轴对称分布。混合单元的个数n≥3个。

椭圆流道6的中心o1位于该微混合器的中心轴上，椭圆流道6的椭圆长轴位于中心轴上，短轴与长轴垂直相交于椭圆弧流道6的中心o1。椭圆弧挡板7的中心o2位于狭窄流道5出口的正中间点处，也是所在的椭圆流道6入口正中间点处，椭圆弧挡板7关于中心轴对称。

参见图3，十字型流道10的主流道宽度为D1，200μm<D1<400μm，D1恒等于副流道的宽度D2的两倍。主流道的长度L1为D1的2.5倍，副流道的长度L3等于L1，副流道的与收缩流道4之间最短的距离L2=2×(D1)。

参见图4，收缩流道4的形状尺寸等于椭圆弧流道6出口侧半部分的形状尺寸，即图4中椭圆流道6右半个椭圆形状尺寸。最后一个

收缩流道4的中心位于十字型流道10的出口正中心上。椭圆弧流道6的短轴半径R1=(D1)/2，长轴半径为R2，(D1)/2<R2≤D1。狭窄直流道5的宽度为D3，D3=(D1)/4。两个椭圆流道6中心点之间的距离为L4，300μm<L4<400μm。椭圆弧挡板7的中心位于狭窄直流道5出口的中心点处，椭圆弧挡板7的厚度D4=(D1/8)，椭圆弧挡板7的椭圆弧的包角为β，60°<β<90°，椭圆弧挡板7关于中心轴对称分布。最后一个混合单元的椭圆流道6出口与流道出口8之间连接一段出口直流道，出口直流道与最后一个混合单元的椭圆流道6出口相切，宽度相等，出口直流道的长度大于500μm且小于1000μm，微混合器的各流道的深度等于(D1)/2。各个流道的主要结构参数及取值范围均对微混合器的混合性能产生影响。

本发明将主流道入口1、副流道入口2和十字型流道10设置在微混合器的左侧，流道出口8设在微混合器的右侧，这样，各个流道的入口在该流道的左端，出口在该流道的右端，所述的宽度均是指前后方向的宽度，所述的长度均是指左右方向的轴向长度，所述的深度是指上下方向的深度。

本发明的工作时，如图5所示，三股不同组分的流体分别从主流道进口1和副流道进口2进入微混合器。首先，三股流体在十字形流道10内汇合，此时的混合基本依靠分子扩散，混合的程度较低，随着相互接触借助分子扩散作用进行初步混合，由于分子扩散混合程度很弱，主流道内的流体间形成明显的分界面，即三股流体等速向前流动；经过十字形流道10后，三股流体一同经过收缩流道4，多种组分流体接触更加充分，流入狭窄直流道5形成射流，三股流体被挤压和加速，在椭圆弧挡板7前形成射流现象，且在射流两侧形成扩展涡，射流冲击椭圆弧挡板7，由于椭圆弧挡板7的特殊结构，流体沿椭圆弧挡板7向两侧流动，与来流形成对流，并且与扩展涡形成更强的漩涡，从而加大流体间的扰动；然后流体经过椭圆弧挡板7，流体分成两股，并在椭圆弧挡板的凸面，发生附壁现象，产生二次流。经过数个混合单元，重复上述收缩、成涡、分散、附壁成涡过程，从而增加了流体的接触面积，使得混合效果获得显著提高，进一步加快反应速度和加速反应过程，最后流体从微混合器流道出口8流出。

以下提供本发明的一个实施例：

本实施例利用CFD软件对两种不同的流体乙醇C₂H₆O溶液和水在混合器中的混合流动进行模拟。采用主流道进口1宽度D1为200μm，副流道进口2的宽度D2为100μm。主流道进口1的长度L1和副流道进口2的长度L3都为500μm，副流道与收缩流道4之间最短距离L2为400μm，宽度D3为50μm。混合单元如图5所示：收缩流道4中心位于十字型流道10出口中心，短轴垂直于中心轴，短轴半径为R1=(D1)/2，，长轴半径R2=200μm，椭圆流道6的中心距离十字型流道10出口为350μm，短轴半径R1=100μm，长轴半径R2=200μm，椭圆流道6外轮廓与狭窄直流道5出口边相交；椭圆弧挡板7的中心o2在狭窄直流道5出口中心点，其圆弧包角β为80°，椭圆弧挡板7的厚度D4=25μm，流道出口8与最后的半个椭圆流道6出口之间的直流道长度为1000μm。

待混合流体在压力驱动下分别从三个流道入口匀速注入微混合器，副流道入口2注入乙醇溶液,为了保证不同组分流体等量注入流道，等质量的水从主流道入口1注入。此时乙醇溶液从主流道两侧的副流道垂直对向流入。经过该混合器的4个混合单元，充分混合以后从出口流出。

Claims (5)

1.一种对称椭圆弧挡板的十字微混合器，包括一个流道出口（8）以及密合在一起的盖板（3）和基体（9），其特征是：盖板（3）和基体（9）之间设置一个十字形流道（10）、一个收缩流道（4）和多个混合单元，一个混合单元由依次连接的一个狭窄直流道（5）、一个椭圆流道（6）和布置在该椭圆流道（6）内的一个椭圆弧挡板（7）组成；收缩流道（4）、狭窄直流道（5）以及椭圆流道（6）的长轴共一个中心轴，每个混合单元均关于中心轴对称分布；多个混合单元依次串接于收缩流道（4）和流道出口（8）之间，其中的最后一个混合单元的椭圆流道（6）出口宽度与流道出口（8）的宽度相同，其余混合单元的椭圆流道（6）出口宽度均与狭窄直流道（5）出口宽度相同；十字型流道（10）出口连接且连通收缩流道（4）入口，收缩流道（4）出口连接且连通第一个混合单元的狭窄直流道（5）入口；椭圆弧挡板（7）的凹面正对着椭圆流道（6）入口，椭圆弧挡板（7）的凸面与椭圆流道（6）的椭圆短轴相切，椭圆弧挡板（7）的弧角外边缘与椭圆流道（6）内壁之间具有间隙。

2.根据权利要求1所述一种对称椭圆弧挡板的十字微混合器，其特征是：十字形流道（10）上布置一个主流道入口（1）和两个副流道入口（2），主流道与副流道呈十字形垂直相交，十字形流道（10）出口布置在主流道上，主流道中心位于中心轴上。

3.根据权利要求2所述一种对称椭圆弧挡板的十字微混合器，其特征是：十字型流道（10）的主流道宽度D1等于副流道的宽度D2的两倍，200μm<D1<400μm，主流道的长度L1为D1的2.5倍，副流道的长度L3等于L1，副流道的与收缩流道（4）之间最短的距离L2=2×(D1)；椭圆弧流道（6）的短轴半径R1=(D1)/2，长轴半径为R2，(D1)/2<R2≤D1；狭窄直流道（5）的宽度D3=(D1)/4，两个椭圆流道（6）中心点之间的距离为L4，300μm<L4<400μm；，椭圆弧挡板（7）的厚度D4=(D1/8)，椭圆弧挡板（7）的椭圆弧的包角为β，60°<β<90°。

4.根据权利要求1所述一种对称椭圆弧挡板的十字微混合器，其特征是：收缩流道（4）的形状尺寸等于椭圆弧流道（6）出口侧半个椭圆弧流道（6）的形状尺寸，收缩流道（4）中心位于十字型流道（10）出口正中心；椭圆弧挡板（7）的中心位于所在的椭圆流道（6）入口的中心点处。

5.根据权利要求1所述一种对称椭圆弧挡板的十字微混合器，其特征是：多个混合单元沿中心轴的轴向等距布置，混合单元的个数n≥3个。