CN105107401B - 一种对称扇形圆环挡板的十字微混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种对称扇形圆环挡板的十字微混合器，盖板和基体之间具有一个十字型流道以及多个依次连接的混合单元，每个混合单元由依次连接的一个收缩流道、狭窄直流道、圆弧流道以及位于靠近圆弧流道出口处的一个扇形圆环挡板共同组成；十字型流道出口连接且连通第一个收缩流道入口，最后一个圆弧流道连接且连通流道出口；扇形圆环挡板的外边缘与圆弧流道的内壁之间具有间隙且两者的凹面相面对，扇形圆环挡板关于中心轴对称；本发明能使流体在通过收缩流道和狭窄直流道后形成射流，使流体流速增加，当流体流过扇形圆环挡板时，在扇形圆环挡板的凸面形成附壁流动，出现二次流现象，在流道长度较短的条件下得到较高的混合效果。

Description

一种对称扇形圆环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对称扇形圆环挡板的十字型微混合器，其结构简单，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：本发明包括盖板和基体，盖板和基体之间具有一个十字型流道以及多个依次连接的混合单元，每个混合单元由依次连接的一个收缩流道、狭窄直流道、圆弧流道以及位于靠近圆弧流道出口处的一个扇形圆环挡板共同组成；十字型流道出口连接且连通第一个收缩流道入口，最后一个圆弧流道连接且连通流道出口；扇形圆环挡板的两端边缘与圆弧流道的内壁之间具有间隙，且扇形圆环挡板的凹面和圆弧流道的凹面相面对，扇形圆环挡板中心轴与圆弧流道中心轴共线，且扇形圆环挡板关于中心轴对称；圆弧流道的圆心位于中心轴与扇形圆环挡板的凹面交点处，扇形圆环挡板的圆心位于位于所在的圆弧流道入口中心点处。

所述十字型流道上布置一个主流道入口和两个副流道入口，主流道和副流道相互垂直，十字型流道出口布置在主流道上。

十字型流道的主流道宽度D1等于副流道宽度D2的两倍，主流道进口侧的长度L1为主流道宽度D1的2.5倍，副流道进口侧的长度L3等于主流道进口侧的长度L1，副流道与收缩流道入口之间的最短距离L2=2×D1；收缩流道入口的宽度等于主流道宽度D1，收缩角度60°<α<90°；狭窄直流道宽度为D3=D1/4、长度为L4，300μm<L4<400μm，圆弧流道的半径r3=D1/2，扇形圆环挡板的内环半径r1=D1/2、外环半径r2= r1+20μm，扇形圆环挡板的圆心角为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收缩流道和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。射流冲击扇形圆环挡板，由于扇形圆环挡板的特殊结构，流体沿扇形圆环挡板流动，与来流形成对流，增加流体间的扰动。

2、当流体流过本发明中的扇形圆环挡板时，会在扇形圆环挡板的凸面形成附壁流动，出现二次流现象，增加流体的混合度。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。

3、本发明工作时，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。

4、本发明能有效提高不同液体之间的混合强度，实现微尺度下流体的快速混合，可以在流道长度较短的条件下得到较高的混合效果。

5、本发明中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。

附图说明

图1为本发明主体结构的剖视图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图2中十字型进口流道的几何结构放大示意图；

图4为图2中混合单元的几何结构放大示意图；

图5为图4中混合单元的中流体流动原理示意图；

图6为实施例中微混合器内流体质量分数分布图。

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.圆弧流道；7.扇形圆环挡板；8.流道出口；9.基体；10.十字型流道。

具体实施方式

参见图1、2所示，本发明包括上方的盖板3和下方的微混合器的基体9，盖板3和基体9密合在一起，在盖板3和基体9之间有一个十字型流道10、多个收缩流道4、多个狭窄直流道5以及多个圆弧流道6，最后一个圆弧流道6连接且连通流道出口8。十字型流道10、收缩流道4、狭窄直流道5以及圆弧流道6的中心轴均共线，位于微混合器的中心轴上。

在十字型流道10上布置一个主流道入口1和两个副流道入口2，十字型流道10的主流道和副流道相互垂直，相交成十字型。十字型流道10出口布置在其主流道上。十字型流道10出口连接且连通第一个收缩流道4入口，第一个收缩流道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圆弧流道6入口，第一个圆弧流道6出口连接且连通第二个收缩流道4入口，第二个收缩流道4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出口连接且连通第二个圆弧流道6入口，第二个圆弧流道6出口连接且连通第三个收缩流道4入口，第三个收缩流道4出口连接且连通第三个狭窄直流道5入口，以此类推地，直至最后一个狭窄直流道5出口连接且连通最后一个圆弧流道6入口，最后一个圆弧流道6出口连接且连通流道出口8。

在每个圆弧流道6内部，靠近其出口处都置放一个扇形圆环挡板7，扇形圆环挡板7的两端边缘与圆弧流道6的流道内壁之间具有一定的间隙，可供流体在两者之间流过。扇形圆环挡板7的凹面正对着圆弧流道6入口，与圆弧流道6的凹面相对，扇形圆环挡板7的凹面即是其内环面，圆弧流道6的凹面即是其内表面。扇形圆环挡板7的中心轴与圆弧流道6的中心轴共线，且扇形圆环挡板7关于中心轴对称。扇形圆环挡板7的圆心o2位于其所在的圆弧流道6入口中心点处。圆弧流道6的圆心o1位于微混合器的中心轴上，也位于其余流道中心轴上，是中心轴与扇形圆环挡板7的凹面的交点处。

从第一个收缩流道4开始，由依次连接的一个收缩流道4、狭窄直流道5、圆弧流道6以及位于圆弧流道6出口处的扇形圆环挡板7共同组成一个混合单元，多个混合单元串接于十字型流道10出口和最后一个圆弧流道6入口之间。多个混合单元沿十字型流道10的主流道的轴向等距布置，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。

参见图3，十字型流道10的主流道的宽度为D1，副流道的宽度为D2。200μm<D1<400μm，主流道宽度D1恒等于副流道宽度D2的两倍。主流道进口侧的左右长度L1为主流道宽度D1的2.5倍，副流道进口侧的左右长度L3等于主流道进口侧的长度L1，十字型流道10的副流道与收缩流道4入口之间的最短的距离L2=2×D1。

参见图4，收缩流道4呈锥形，收缩流道4入口端为锥形的大端、出口端为锥形的小端。收缩流道4入口的宽度等于主流道宽度D1，其收缩角度为α，60°<α<90°，所谓收缩角度α即是收缩流道4的流道壁与中心轴的夹角。狭窄直流道5的宽度为D3，D3=D1/4，也等于收缩流道4出口宽度。狭窄直流道5的轴向长度为L4，300μm<L4<400μm。圆弧流道6的圆心o1位于中心轴上，其半径r3=D1/2，圆弧流道6的圆弧面与狭窄直流道5出口相交。扇形圆环挡板7的圆心o2位于狭窄流道5出口中心点上，也是其所在的圆弧流道6入口中心点处，其内环半径r1=D1/2，外环半径r2= r1+20μm，即其扇形圆环挡板7的厚度为20μm，扇形圆环挡板7的圆心角为β，60°<β<90°。最后一个圆弧流道6出口与流道出口8之间的轴向直流道的长度为大于500μm且小于1000μm，流道的上下深度等于D1/4。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。

参见图1-5，本发明工作时，将两种或三种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，在十字型流道10内汇合，此时的混合基本依靠分子扩散，混合的程度很弱，随着相互接触借助分子扩散作用进行极少程度的初步混合，由于分子扩散混合程度很弱，十字型流道10内的流体间形成明显的分界面，即流体等速向前流动，然后共同进入第一个收缩流道4，多种组分流体接触更加充分，流入狭窄直流道5内时流体被挤压和加速，多种组分流体接触更加充分，流体在经过第一个狭窄直流道5后形成射流，在扇形圆环挡板7前形成射流现象，且在射流两侧形成扩展涡，射流冲击第一个圆弧流道6中的扇形圆环挡板7，由于扇形圆环挡板7的特殊结构，流体沿扇形圆环挡板7向侧方流动，部分流体冲击在圆弧流道6的圆弧流道壁上，在圆弧流道6的圆弧流道和扇形圆环挡板7之间形成对称漩涡，从而加大流体间的扰动。当流体通过扇形圆环挡板7时，流体分成两股，在扇形圆环挡板7的凸面形成附壁现象，出现二次流现象，增加了流体的混合度。如此经过数个混合单元，重复收缩、成涡、分散、附壁成涡过程，从而增加了流体的接触面积，使得混合效果显著提高，进一步加快反应速度和加速反应过程，最后混合后的流体从流道出口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溶液和水在该本发明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，十字型流道10与收缩流道4之间距离L2为400μm，收缩流道4的收缩角为60°，狭窄直流道5宽度D3为50μm。狭窄直流道5的左右长度L4=320μm，圆弧流道6的半径r3为100μm，扇形圆环挡板7的内圆半径r1为100μm、外圆半径r2为120μm，扇形圆环挡板7的圆心角β为90°，流道出口8的轴向直流道长度为1000μm，流道的上下深度等于为50μm。待混合液体在压力驱动下分别从三个流道入口匀速注入微混合器，副流道进口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进口1注入。此时乙醇溶液从主流道两侧垂直对向流入。经过该混合器的4个混合单元，充分混合以后从出口流出。微混合器的效果也就是混合的均匀程度，通常用流体组分的质量分数来表示。微混合器内流体质量分数分布图如图6所示，由图6可以看出，在经过3个混合单元以后，乙醇和水的混合效果达到最佳。

Claims (5)

1.一种对称扇形圆环挡板的十字微混合器，包括盖板（3）和基体（9），其特征是：盖板（3）和基体（9）之间具有一个十字型流道（10）以及多个依次连接的混合单元，每个混合单元由依次连接的一个收缩流道（4）、狭窄直流道（5）、圆弧流道（6）以及位于靠近圆弧流道（6）出口处的一个扇形圆环挡板（7）共同组成；十字型流道（10）出口连接且连通第一个收缩流道（4）入口，最后一个圆弧流道（6）连接且连通流道出口（8）；扇形圆环挡板（7）的两端边缘与圆弧流道（6）的内壁之间具有间隙，且扇形圆环挡板（7）的凹面和圆弧流道（6）的凹面相面对，扇形圆环挡板（7）中心轴与圆弧流道（6）中心轴共线，且扇形圆环挡板（7）关于中心轴对称；圆弧流道（6）的圆心位于中心轴与扇形圆环挡板（7）的凹面交点处，扇形圆环挡板（7）的圆心位于所在的圆弧流道（6）入口中心点处。

2.根据权利要求1所述一种对称扇形圆环挡板的十字微混合器，其特征是：十字型流道（10）上布置一个主流道入口（1）和两个副流道入口（2），主流道和副流道相互垂直，十字型流道（10）出口布置在主流道上。

3.根据权利要求2所述一种对称扇形圆环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等于副流道宽度D2的两倍，主流道进口侧的长度L1为D1的2.5倍，副流道进口侧的长度L3等于L1，副流道与收缩流道（4）入口之间的最短距离L2=2×D1；收缩流道（4）入口的宽度等于D1，收缩角度60°<α<90°；狭窄直流道（5）宽度D3=D1/4、长度为L4，300μm<L4<400μm，圆弧流道（6）的半径r3=D1/2，扇形圆环挡板（7）的内环半径r1=D1/2、外环半径r2= r1+20μm，扇形圆环挡板（7）的圆心角为β，60°<β<90°。

4.根据权利要求1所述一种对称扇形圆环挡板的十字微混合器，其特征是：十字型流道（10）的主流道、收缩流道（4）、狭窄直流道（5）和圆弧流道（6）的中心轴均共线，每个混合单元均关于中心轴对称。

5.根据权利要求1所述一种对称扇形圆环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。