CN106268471A - 一种渐缩弯管串联式微混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微流体系统中的渐缩弯管串联式微混合器，沿主通道的中心轴方向上，从左至右等间距布置n个交叉混合通道，n≥2，每个交叉混合通道由两个渐缩弯管和两个直流管构成，每个交叉混合通道中的两个直流管的进口和出口首尾相接相通且分别布置在主通道的中心轴的前、后两侧，前侧的直流管的前侧布置第一个渐缩弯管，后侧的直流管的后侧布置第二个渐缩弯管；同侧的渐缩弯管和直流管的进口相连且相通，同侧的渐缩弯管和直流管的出口也相连且相通；渐缩弯管从进口至出口处的管道宽度逐渐缩小；利用渐缩弯管和直流管交叉式结构，使流体在渐缩弯管中产生二次流，并在两种管道结合处产生剧烈的混沌对流，最终实现完全混合。

Description

一种渐缩弯管串联式微混合器

技术领域

本发明涉及微流体系统中的微流体混合领域，尤其涉及一种微混合器。

背景技术

微流体系统是在微观尺度下控制、操作和检测复杂流体的系统，既可以减少实验试剂的使用量，又能极大地缩短实验时间并提升实验效果。微流体系统主要包含微混合器、微反应器、微流道，其中由于微混合器能在微尺度下使流体充分混合，成为微流体系统的重要部分。

目前微混合器按照有、无动力源区分，主要可分为主动式混合器和被动式混合器两类。主动式混合器按作用原理区分，可分为电动式、磁致式、射流式、机械式等，但是主动式混合器加工困难，成本较高。而被动式混合器不需要动力源，没有运动元件，所以混合比较容易实现。被动式混合器主要有弯曲通道式、分合式、回流循环式等结构。

现有被动式微混合器实现混合的主要方式是：在流道内设置挡板或者阻块，扰动流体产生混合，流动损失大；根据SAR概念设计的微混合器，通过产生混沌流来混合流体，混合效果好，但是存在着混合流道长，混合时间久，流动损失大等缺点。

发明内容

本发明的目的是解决现有微混合器存在混合流道长、混合时间久、流动损失大等缺点，提出一种渐缩弯管串联式微混合器，利用直流管和渐缩弯管的交叉式结构对混合液的流动进行分离与重组，提高流体的对流强度，从而缩短微混合器的混合距离、减少了流动损失、大大提高微混合器的混合效率。

本发明采用的技术方案是：由上盖板以及与上盖板键合在一起的位于上盖板正下方的混合板组成，混合板上三个入口通道，一个出口通道和一个主通道，三个入口通道共同连接且连通主通道，沿主通道的中心轴方向上，从左至右等间距布置n个交叉混合通道，n≥2，每个交叉混合通道由两个渐缩弯管和两个直流管构成，最左的第一个交叉混合通道的进口与主通道相连，最右的最后一个交叉混合通道的出口与出口通道相连；每个交叉混合通道中的两个直流管的进口和出口首尾相接相通且分别布置在所述主通道的中心轴的前、后两侧，两个直流管平行于主通道的中心轴，在前侧的直流管的前侧布置第一个渐缩弯管，后侧的直流管的后侧布置第二个渐缩弯管；同侧的渐缩弯管和直流管的进口相连且相通，同侧的渐缩弯管和直流管的出口也相连且相通；渐缩弯管从进口至出口处的管道宽度逐渐缩小。

本发明的优点是：本发明是利用渐缩弯管和直流管交叉式结构，使流体在渐缩弯管中产生二次流，并在两种管道结合处产生剧烈的混沌对流的原理设计而成的。混合流体进入混合通道后，直流管中的倒角破坏了流体的边界层，使流体产生径向速度梯度，分别进入渐缩弯管和直流管内流动；一方面，受离心力作用，流体在渐缩弯管内产生二次流，提高混沌对流强度；另一方面，由于渐缩弯管的截面不断缩小，流体在渐缩弯管内流动时，流速不断加快，从而在渐缩弯管出口处产生一定强度射流，并与直流道出口处的流体发生碰撞，产生剧烈的扰动，增加了两种流体间的接触面积，最终实现完全混合的目的。与其他单纯利用二次流原理促进混合的微混合器相比，本发明设计的特殊流道结构，不但能产生较强的二次流，还能在流道出口处产生一定强度的射流，从而提高整个流道内流体的混沌对流强度，达到完全混合的目的。该微混合器的微通道内没有突扩和突缩结构，在保证混合效果的前提下，减少了微混合器的流动损失；与现有单一的弯管微混合器（如对数螺旋线微混合器）以及常见的T型微混合器相比，本发明的综合性能更好。

附图说明

图1为本发明一种渐缩弯管串联式微混合器的主体结构剖视图；

图2为图1中上盖板15的俯视图；

图3为图1中沿A-A方向的混合板8的剖视图；

图4为图3中混合板8的局部放大图；

图5为本发明与现有两种微混合器的性能对比图。

图中：1.第一入口通道；2.第二入口通道；3.主通道；4.渐缩弯管；5.直流管；6.中心轴；7.出口通道；8.混合板；9.第三入口通道；10.十字型通道；11.第一进口孔；12.第二进口孔；13出口孔；14第三进口孔；15上盖板；16渐缩弯管的外环壁面；17渐缩弯管的内环壁面；18渐缩弯管外环壁面的圆心；19渐缩弯管的内面壁面的圆心；20直流管的外壁；21直流管的内壁；22倒角。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明由上盖板15以及与上盖板15键合在一起的混合板8组成，混合板8位于上盖板15的正下方。在上盖板15上开有三个垂直的进口孔和一个垂直的出口孔13，三个进口孔分别是第一进口孔11、第二进口孔12和第三进口孔14。在混合板8上设有三个入口通道，一个出口通道7和一个主通道3，入口通道分别是第一入口通道1、第二入口通道2和第三入口通道9，这三个入口通道共同连接且连通主通道3；其中，第一入口通道1、主通道3以及出口通道7均左右水平布置，具有共同的中心轴6，第二入口通道2和第三入口通道9均前后水平布置，并且垂直于第一入口通道1、主通道3和出口通道7。三个入口通道1、2、9与主通道3一起构成十字型通道10。上盖板15上的三个进口孔11、12、14的孔的位置分别位于其下对应的三个入口通道1、2、9的正上方，出口孔13的位置位于其下对应的出口通道7的正上方。

上盖板15上的三个进口孔11、12、14和一个出口孔13均直接在pyrex7740玻璃上定位打孔，这四个孔的直径均为2-4mm，垂直高度均为H1，400μm≤H1≤600μm，等于上盖板15的上下厚度。混合板8由聚二甲基硅氧烷有机硅（PDMS）加工而成，其具体工艺流程为：首先，在PDMS上热生长SiO₂作为掩膜，掩膜厚度为2μm左右；然后在SiO₂掩膜上涂抹较厚光刻胶保护，采用光刻工艺并刻蚀SiO₂掩膜，从而在SiO₂上刻蚀出与掩膜版完全相同的微混合器平面结构；接着，采用Alcatel干法刻蚀工艺正面刻蚀，刻蚀深度H2，100μm≤ H2 ≤200μm；最后，干法去胶，去氧化层，清洗干净后与上盖板15对准并进行静电键合。

如图1，3所示，混合板8上的第一入口通道1、第二入口通道2和第三入口通道9的通道长度相同，均为L1，200μm≤ L1≤400μm。第二入口通道2和第三入口通道9的通道宽度相等，且二者宽度之和等于第一入口通道1的通道宽度；第一入口通道1的通道宽度与主通道3和出口通道7的通道宽度相同，均为W，100μm≤ W ≤200μm。混合过程中，第二入口通道2和第三入口通道9注入的是同一种液体，第一入口通道1注入的是另一种液体，两种不同液体以相同速度注入微混合器，以保证这两种不同的流体等量注入微混合器。

沿主通道3的中心轴6方向上，从左至右等间距周期性布置由渐缩弯管4和直流管5组成的交叉混合通道，每两个渐缩弯管4和两个直流管5构成一个交叉混合单元，在主通道3的中心轴6上共布置有n个这样的交叉混合通道，n≥2。相邻的两个交叉混合通道的进口和出口首尾相接相通，最左的第一个交叉混合通道的进口与主通道3相连，最右的最后一个交叉混合通道的出口与出口通道7相连。

每个交叉混合通道中的两个直流管5的进口和出口首尾相接相通，分别布置在中心轴6的前后两侧，两个直流管5都平行于主通道3的中心轴6，并且相对于中心轴6前后对称。布置在中心轴6前侧的直流管5的前侧布置第一个渐缩弯管4，布置在中心轴6后侧的直流管5的后侧布置第二个渐缩弯管4。同侧的渐缩弯管4和直流管5的进口相连且相通，同侧的渐缩弯管4和直流管5的出口也相连且相通。也就是两个渐缩弯管4也布置在中心轴6的前后两侧，并且进口和出口首尾相接相通，形成S形状。每个渐缩弯管4与同侧的直流管5形成环状。

直流管5采用常规的矩形管道，直流管5的外壁面20在中心轴6上，是经过中心轴6的垂直面。直流管5的内壁面21是远离中心轴6的一面，与主通道3的外壁面共面。在直流管5的进口处出口处，其外壁面20用倒角22与渐缩弯管4过渡连接。

渐缩弯管4从进口至出口处，其管道宽度逐渐缩小。渐缩弯管4的外环壁面16和内环壁面17均为圆弧形，外环壁面16和内环壁面17的横截面分别由不同圆心且不同半径的两段圆弧组成，两段圆弧的圆心均在直流管5的外壁面20上。外环壁面16的圆心18是直流管5的外壁面20的中心点，外环壁面16的圆弧半径为R1，R1=500μm。渐缩弯管4的内环壁面17的圆心19与外环壁面16的圆心18在同一条左右布置的直线上，圆心19和圆心18之间的轴向距离为L6，L6=100μm，内环壁面17的圆弧半径为R2，R2=350μm。外环壁面16和内环壁面17分别与直流管5的内壁面21相交，形成渐缩弯管4的进口和出口。

最左的第一个交叉混合通道的第一个渐缩弯管4与第二入口通道2、第三入口通道9的距离为L2，300μm≤ L2≤600μm，出口通道7的长度为L5，1200μm≤ L3≤1400μm。 直流管5的长度为L3，900μm≤ L3<1000μm、宽度为L4，60μm≤ L4<120μm。

本发明工作时的混合过程如下，液体A经上盖板15上的第一进口孔11进入混合板8的第一入口通道1，液体B经上盖板15上的第二进口孔12和第三14进口孔分别进入混合板8的第二入口通道2、第三入口通道9，两种液体流经十字型通道10时，完成初步混合；而后，混合液进入周期性渐缩弯管4和直流管5组成的交叉混合通道区域，由于直流管5的外壁面20相对主流道3向主流道3的前后侧偏移，又因渐缩弯管4的分流作用，部分流体转入渐缩弯管4内流动，使得混合流体的边界层被破坏，增强了混合流体之间的混合效果；混合流体进入渐缩弯管4后，受离心力作用在渐缩弯管4内部产生二次流，形成漩涡区，增加接触面积并提高混合效率。由于渐缩弯管4的流道不断缩小，使得混合流体流速不断增大，当混合流体从渐缩弯管4流出时，将产生一定强度的射流，并与直流管5中的流体发生剧烈撞击，再一次增加了混合的接触面积和扰流的强度，这将有利于诱发产生混沌对流，提高混合效率。从主通道3流出的混合液最后流入出口通道7，并从出口孔13流出微混合器，完成混合过程。

如图5，曲线C1表示本发明所述渐缩弯管串联式微混合器在不同雷诺数下的混合效率，曲线C2表示现有的对数螺旋线微混合器在不同雷诺数下的混合效率，曲线C3表示现有的T型微混合器在不同雷诺数下的混合效率。由图5可知，本发明，当混合流体进入渐缩弯管4时会形成二次流提升对流强度，又因为渐缩弯管4的流管不断缩小，使得混合流体的流速不断增大，并在渐缩弯管4的出口处产生射流，与直流管5中的流体发生剧烈的碰撞，产生了剧烈的扰动，增大了混合流体的接触面积，大大提升混合效率。在相同雷诺数下，本发明的混合效率明显优于另外两个微混合器。当雷诺数超过40时，本发明的混合效率已经超过了95%，如曲线C1所示的，达到完全混合状态。

Claims (6)

1.一种渐缩弯管串联式微混合器，由上盖板（15）以及与上盖板（15）键合在一起的位于上盖板（15）正下方的混合板（8）组成，混合板（8）上三个入口通道，一个出口通道（7）和一个主通道（3），三个入口通道共同连接且连通主通道（3），其特征是：沿主通道（3）的中心轴（6）方向上，从左至右等间距布置n个交叉混合通道，n≥2，每个交叉混合通道由两个渐缩弯管（4）和两个直流管（5）构成，最左的第一个交叉混合通道的进口与主通道（3）相连，最右的最后一个交叉混合通道的出口与出口通道（7）相连；每个交叉混合通道中的两个直流管（5）的进口和出口首尾相接相通且分别布置在所述主通道（3）的中心轴（6）的前、后两侧，两个直流管（5）平行于主通道（3）的中心轴（6），在前侧的直流管（5）的前侧布置第一个渐缩弯管（4），后侧的直流管（5）的后侧布置第二个渐缩弯管（4）；同侧的渐缩弯管（4）和直流管（5）的进口相连且相通，同侧的渐缩弯管（4）和直流管（5）的出口也相连且相通；渐缩弯管（4）从进口至出口处的管道宽度逐渐缩小。

2.根据权利要求1所述一种渐缩弯管串联式微混合器，其特征是：渐缩弯管（4）的外环壁面（16）和内环壁面（17）均为圆弧形，外环壁面（16）的圆心（18）是直流管（5）的外壁面（20）的中心点，渐缩弯管（4）的内环壁面（17）的圆心（19）与外环壁面（16）的圆心（18）在同一条左右布置的直线上，内环壁面（17）的圆心（19）和外环壁面（16）的圆心（18）之间的轴向距离为100μm。

3.根据权利要求2所述一种渐缩弯管串联式微混合器，其特征是：外环壁面（16）的圆弧半径为500μm，内环壁面（17）的圆弧半径为350μm；直流管（5）的长度为L3，900μm≤ L3<1000μm，直流管（5）的宽度为L4，60μm≤ L4<120μm。

4.根据权利要求1所述一种渐缩弯管串联式微混合器，其特征是：直流管（5）的外壁面是经过所述中心轴（6）的垂直面；直流管（5）的内壁面（21）与主通道（3）的外壁面共面。

5.根据权利要求1所述一种渐缩弯管串联式微混合器，其特征是：直流管（5）的进口处和出口处的外壁面均用倒角与渐缩弯管（4）过渡连接。

6.根据权利要求1所述一种渐缩弯管串联式微混合器，其特征是：最左的第一个交叉混合通道的第一个渐缩弯管（4）与第二入口通道（2）和第三入口通道（9）之间的距离为L2，300μm≤ L2≤600μm，出口通道（7）的长度为L5，1200μm≤ L3≤1400μm。