CN105126683B - 一种柱状叶序排布结构的微混合器 - Google Patents

Abstract

一种柱状叶序排布结构的微混合器。本发明是微流体混合领域的一种圆柱形通道微混合器.该微混合器由被混合液体输入端盖、圆柱形混合通道芯、圆筒状外套和混合后液体输出端盖所组成，其特点是圆柱形混合通芯的外圆表面设有多个微圆柱(或称阻碍块)，以便提高混合效率。微圆柱在圆柱形混合通道芯表面的排布规律符合满足生物学中叶序排布理论的Van Iterson模型排布。由于微圆柱的排布满足Van Iterson模型排布，使得微圆柱在混合通道中的排布实现几何互补和最大填充，并在微圆柱间形成了液体环绕流动通道，当被混合的两种液体流过通道时，从而提高了液体的混合效率。

Description

一种柱状叶序排布结构的微混合器

技术领域

本发明涉及一种混合器，具体是一种柱状叶序排布结构的微混合器。该微混合器的混合方式为被动式混合。

背景技术

微混合器通道的结构是微流控分析研究的重要方向之一,微流控分析器件在微流体技术、生物医学系统、分析化学等领域扮演了重要角色。

流体混合就是将两种或多种不同的流体掺杂在一起，经搅拌或其他物理过程以形成一种均匀混合物的过程。从物理本质来看，混合是两种过程共同作用的结果:一是不同流体之间的扩散作用，即使在静止的区域内，流体之间也会由于固有的分子扩散作用而发生混合现象，这种扩散作用可以使待混合流体之间的浓度差逐渐缩小；另一种作用则是施加于待混合流体上的对流作用，它使待混合流体被分割、变形，并在整个混合域内重新分布，使得待混合流体之间相互混杂，这种作用可使不同流体间界面面积增加。

即使在微尺度条件下，单纯依赖扩散作用亦是无法达到完全混合的。分子扩散始终存在，但在流体单元变得足够小之前，其比表面积的大小不足以使扩散速率成为促进混合的最主要因素。扩散作用是由于分子的布朗运动产生的，驱动流体分子从浓度高处向浓度低处扩散。

由于微混合器的特征尺寸小,微混合器内流体的雷诺数Re一般小于100,几乎始终处于层流状态,难以快速、有效地混合。对微混合器结构做特定设计,或设置阻碍块是实现微通道内流体迅速均匀混合的简便有效方法。

目前，为了能使液体混合更加快速和均匀。研究人员主要通过两种方式来提高被动式微混合器的混合效率。一是通过对被动式微混合器通道做特定的设计，二是通过在被动式微混合器通道内设置阻碍物的设计。

总而言之，无论是什么方式都是通过增强待混合流体上的对流作用，使待混合流体被分割、变形，并在整个混合域内重新分布，使得待混合流体之间相互混杂，进而增加不同流体间界面面积，促进不同的液体混合。

发明内容

本发明的目的，是提供一种柱状叶序排布结构的微混合器。

采用的技术方案是：

柱状叶序排布结构的微混合器，由外套、圆柱形混合通道芯、输入端盖、输出端盖和多个微圆柱构成，多个微圆柱的轴线均指向圆柱形混合通道芯的轴线，且多个微型圆柱的轴线均与圆柱形混合通道芯的轴线垂直，即微圆柱的圆柱轴线是圆柱形混合通道芯的外圆表面的法线，多个微型圆柱的内端均与圆柱形混合通道芯的外圆表面固定连接；所述的外套为圆筒状，外套套设在圆柱形混合通道芯上，多个微型圆柱的外端均抵顶在外套的内筒壁上，且紧密贴合；输入端盖扣设在外套的上端，输出端盖扣设在外套的下端，输入端盖上开设有混合液体输入口，输出端盖上开设有混合液体输出口；

微圆柱在圆柱形混合通道芯的外圆表面的排布满足生物科学中的叶序理论的VanIterson模型，其模型为φ＝n*θ，R＝const，h＝c*n，n＝0,1,2，...,nmax；即在柱标系下，n是微圆柱的排布序数，R为第n个微圆柱在柱坐标系的极坐标面上的极坐标半径，且R是一个常数值，即柱形混合通道芯的母体半径；φ为第n个微圆柱在极坐标面上的极坐标角度；θ为第n个微圆柱与第n+1个微圆柱之间在极坐标面上的极坐标夹角，且θ＝137.508°；h为第n个微圆柱在柱坐标系中z，轴方向的位置坐标；c是微圆柱在z轴方向上的尺寸分布常数，单位为mm。

所述的微圆柱为圆柱形，其按照Van Iterson模型规律排布在圆柱形混合通道芯的外圆表面，微圆柱的直径d控制Ф0.5mm～Ф1.5mm范围内，高度控制在0.05mm～0.3mm范围内。

所述的分布常数c可在0.10mm～0.16mm范围内选取，保证微圆柱总的横截面面积相对圆柱形混合通道芯的母体外圆表面面积的比率控制在35％～65％范围内。

所述的混合液体的输入端盖的内表面与圆筒状外套的外表面之间，以及混合后液体的输出端盖的内表面与圆筒状外套的外表面之间的装配连接为过盈配合，以确保对混合液体的密封。

发明的理论依据：

本发明的目的是提供一种用于微流控分析中的被动式微混合器，进一步改善两种微流体的混合效果，提高分析效率。

本发明是基于生物学的叶序理论的Van Iterson模型设计出种柱状叶序排布结构的微混合器。

生物学中的Van Iterson模型是描述松果和菠萝等具有圆柱状母体表面的籽粒排布的一个数学模型，即φ＝n*θ，R＝const，h＝c*n，n＝0,1,2，...,nmax；其中，n是在柱坐标系下籽粒在果实母体表面的排布序数，R为第n个籽粒在柱坐标系下极坐标面上的极坐标半径，且R是一个常数值，也是果实母体的半径；φ为第n个籽粒在极坐标面上的极坐标角度；θ为第n个籽粒与第n+1个籽粒之间在极坐标面上的极坐标夹角，且θ＝137.508°，为黄金分割角；h为第n个籽粒在柱坐标系中z轴方向的位置坐标；c是z轴方向上的分布常数，通常以mm为单位。

这种排布结构是自然界生物为适应环境进化选择的结果，它使籽粒在几何空间上实现了最大填充和位置的互补，并且籽粒排布形成了一族顺时针的籽粒叶列线螺旋和一族逆时针的籽粒叶列线螺旋。

在设计柱状叶序排布结构的微混合器时，如果把混合区域内的每个微圆柱(或称阻碍块)看成一个籽粒，那么微圆柱在微混合器的圆柱形混合通道芯母体的外圆表面的排布就可以按照Van Iterson模型的描述进行排布，微圆柱的排布模型也为φ＝n*θ，R＝const，h＝c*n，n＝0,1,2，...,nmax；即在柱标系下，n是微圆柱的排布序数，R为第n个微圆柱在柱坐标系的极坐标面上位置的极坐标半径，且R是一个常数值，它也是圆柱形混合通道芯母体的半径；φ为第n个微圆柱在极坐标面上位置的极坐标角度；θ为第n个微圆柱与第n+1个微圆柱之间在极坐标面上位置的极坐标夹角，且θ＝137.508°，也为满足黄金分割角；h为第n个微圆柱在柱坐标系中z轴方向的位置坐标；c是微圆柱在z轴方向上的分布常数，单位为mm。这样柱状叶序排布结构的微混合器的微圆柱在圆柱形混合通道芯的母体外圆表面的几何位置上实现了黄金分割律排布，达到最大填充和位置互补，并形成了微圆柱间的顺时针和逆时针叶列线螺旋沟流体通道，能提高微混合器的混合效率。

附图说明

图1是冷杉果和菠萝的籽粒叶序结构排布图。

在图1中的1是籽粒，2是逆时针籽粒叶列线螺旋，3是顺时针籽粒叶列线螺旋，4是果实母体。

图2是菠萝和冷杉果在圆柱母体上籽粒的叶序结构排布Van Iterson数学模型图。

图2中的5是种子籽粒点，6是母体，7是逆时针籽粒点叶列线螺旋，8是顺时针籽粒点叶列线螺旋，9是第n个籽粒点，10是第n+1个籽粒点，11是第n+2个籽粒点，12是逆时针籽粒点间的叶列线螺旋沟，13是顺时针籽粒点间的叶列线螺旋沟。

图3是圆柱形混合通道芯的叶序排布微圆柱结构图。

图3中的14是微圆柱,15是圆柱形混合通道芯的母体,16是逆时针叶列线螺旋沟，17是顺时针叶列线螺旋沟。

图4是图3中的A-A剖视图。

图5是图4中的B部放大图。

图6是第一种分布常数c对微圆柱排布状态的影响图。

图7是第二种分布常数c对微圆柱排布状态的影响图。

图8是第三种分布常数c对微圆柱排布状态的影响图。

图9是第四种分布常数c对微圆柱排布状态的影响图。

图10是第五种分布常数c对微圆柱排布状态的影响图。

图11是柱状叶序排布结构的微混合器结构图。

图11中的18是微混合器的被混合液体输入端盖，19是圆柱形混合通道芯，20是圆筒状外套，21是混合后液体输出端盖，22是被混合液体的输入孔，23是混合后液体的输出孔。

具体实施方式

1)根据被混合液体对象要求设计出图3中的圆柱形混合通道芯的母体15，母体15的直径和长度由被混合液体对象所决定。

2)以图3中的圆柱形混合通道芯的母体15的中心为微圆柱14排布的中心，然后根据图1和图2中的松果和菠萝籽粒的叶序结构排布规律和Van Iterson数学模型，设计微圆柱14在混合通道芯的母体15的外圆表面的排布位置，显示在图3中的叶序排布图案。

3)设计叶序排布的微圆柱14的尺寸。如图3所示的微圆柱为圆柱形，它的直径d控制在Ф0.5mm～Ф1.5mm范围内，微圆柱的高度s在0.05mm～0.3mm范围内选取。

4)通过改变Van Iterson数学模型中的分布常数c，得到不用分布常数c下的微圆柱排布形式。通过控制c值的大小从而将微圆柱14总的横截面面积相对圆柱形混合通道芯的母体15外圆表面面积的比率控制在35％～65％范围内。通过图6、7、8、9、10中不同分布常数c下微圆柱的分布情况可知，分布常数c影响圆柱形混合通道芯的母体表面微圆柱排布的疏密程度,c值越大圆柱形混合通道芯的母体表面微圆柱排布的越稀疏。c的取值范围为0.10mm～0.16mm。

5)根据圆柱形混合通道芯的尺寸对象要求利用CAD软件设计出图5中的微混合器的被混合液体输入端盖18、圆筒状外套20和混合后液体输出端盖21的结构，并且给出被混合液体的输入孔22和混合后液体的输出孔23。

6)将微混合器的被混合液体输入端盖18、圆柱形混合通道芯19、圆筒状外套20和混合后液体输出端盖21组装到一起，且设计尺寸保成混合通道芯外表面固结的多个微型圆柱14的外端均抵顶在外套的内筒壁上，且紧密贴合，被混合液体输入端盖的内表面与圆筒状外套的外表面之间，以及混合后液体输出端盖的内表面与圆筒状外套的外表面之间的装配连接为过盈配合，以确保对混合液体的密封。

例如，按照上述实施过程设计某微混合器，选取圆柱形混合通道芯的母体15的外圆半径R＝1.5mm，微圆柱14的直径d＝Ф0.9mm，微圆柱14的高度s＝0.2mm，分布常数c＝0.125，则可将微圆柱14总的横截面面积相对圆柱形混合通道芯的母体15外圆表面面积的比率控制在54％。

Claims (2)

1.一种柱状叶序排布结构的微混合器，用于微流控分析，由外套、圆柱形混合通道芯、输入端盖、输出端盖和多个微圆柱构成，其特征在于：多个微圆柱的轴线均指向圆柱形混合通道芯的轴线，且多个微圆柱的轴线均与圆柱形混合通道芯的轴线垂直，微圆柱的圆柱轴线是圆柱形混合通道芯的外圆表面的法线，多个微圆柱的内端均与圆柱形混合通道芯的外圆表面固定连接；所述的外套为圆筒状，外套套设在圆柱形混合通道芯上，多个微圆柱的外端均抵顶在外套的内筒壁上，且紧密贴合；输入端盖扣设在外套的上端，输出端盖扣设在外套的下端，输入端盖上开设有混合液体输入口，输出端盖上开设有混合液体输出口；

微圆柱在圆柱形混合通道芯的外圆表面的排布满足生物科学中的叶序理论的VanIterson模型，其模型为φ＝n*θ，R＝const，h＝c*n，n＝0,1,2，...,n_max；即在柱坐标系下，n是微圆柱的排布序数，R为第n个微圆柱在柱坐标系的极坐标面上位置的极坐标半径，且R是一个常数值，即圆柱形混合通道芯的母体半径；φ为第n个微圆柱在极坐标面上位置的极坐标角度；θ为第n个微圆柱与第n+1个微圆柱之间在极坐标面上位置的极坐标夹角，且θ＝137.508°；h为第n个微圆柱在柱坐标系中z轴方向的位置坐标；c是微圆柱在z轴方向上位置的尺寸分布常数，单位为mm，通过这种排布，使得微圆柱在圆柱形混合通道芯的母体外圆表面的几何位置上达到最大填充和位置互补，提高混合效率；

所述的微圆柱为圆柱形，微圆柱的直径d控制在Ф0.5mm～Ф1.5mm范围内，高度控制在0.05mm～0.3mm范围内；所述的分布常数c在0.10mm～0.16mm范围内选取，保证微圆柱总的横截面面积相对圆柱形混合通道芯的母体外圆表面面积的比率控制在35％～65％范围内。

2.根据权利要求1所述的一种柱状叶序排布结构的微混合器，其特征在于：被混合液体的输入端盖的内表面与圆筒状外套的外表面之间，以及混合后液体的输出端盖的内表面与圆筒状外套的外表面之间的装配连接为过盈配合，以确保对混合液体的密封。