CN106732111B - 一种d型非对称分离重组式微混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微流体混合领域中的D型非对称分离重组式微混合器，由上盖板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，混合板上设有入口通道、主通道和出口通道，主通道和出口通道的中心轴重合，在主通道出口端和出口通道进口端之间首尾相接若干个混合单元，每个混合单元由一个圆弧型的弯管和一个矩形的直流管构成，弯管的圆弧开口正对着直流管且与直流管相连，每个混合单元中的弯管和直流管布置在主通道中心轴的前后两侧，位于主通道中心轴同一侧的所有弯管和直流管周期性地交替布置，形成一个D型的混合单元通道；利用弯管和直流管交叉式结构对混合液的流动进行分离与重组，提高混沌对流强度，实现完全混合。

Description

一种D型非对称分离重组式微混合器

技术领域

本发明涉及微全分析系统中的微流体混合领域，尤其涉及一种被动式微混合器的结构。

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流动特性的系统。这样既可以减少试剂的使用量又能极大的缩短时间并提升效果。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，其已成为微流体系统的关键部件。目前微混合器按照有、无额外动力源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额外动力源，没有运动元件，所以操作简单，容易集成到微流控芯片中。被动式混合器主要有弯曲通道式、分合式、回流循环式等。

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

本发明的目的是为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D型分离重组式微混合器，缩短微混合器的混合距离、减少流动损失、大大提高微混合器的混合效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明由上盖板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，混合板上设有入口通道、主通道和出口通道，入口通道连接主通道进口端，主通道和出口通道的中心轴重合，在主通道出口端和出口通道进口端之间首尾相接若干个混合单元，每个混合单元由一个圆弧型的弯管和一个矩形的直流管构成，弯管的圆弧开口正对着直流管且与直流管相连，每个混合单元中的弯管和直流管布置在主通道中心轴的前后两侧，位于主通道中心轴同一侧的所有弯管和直流管周期性地交替布置，形成一个D型的混合单元通道。

进一步地，每个混合单元中的直流管出口端与相邻的弯管和直流管进口端相接相通，每一个弯管出口段是一段渐缩管，渐缩管出口端连接直流管出口端的管壁。

进一步地，在每一个弯管进口端处的内圆弧壁面上设有向外突出的圆弧状的分流壁面。

进一步地，弯管的内圆弧壁面和外圆弧壁面是具有相同圆心、不同半径的两段圆弧面，圆心在直流管的外壁面上。

本发明采用上述技术方案后体现的优点：本发明是利用弯管和直流管交叉式结构对混合液的流动进行分离与重组，使流体在混合流道中均产生二次流，并在两种管道结合处产生剧烈的碰撞，形成多向的漩涡。混合流体进入混合通道后，分流壁面破坏了流体的边界层，使流体产生径向分速度，分别进入弯管和直流管内流动；一方面，受离心力作用，流体在混合流道内产生二次流，形成漩涡区，提高混沌对流强度；另一方面，由于弯管出口处的渐缩管的截面不断缩小，混合流体在渐缩管内流动时，增大弯管内混合流体的惯性力，流速不断加快，从而在渐缩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，有效提高混沌对流强度，最终实现完全混合的目的，并且能缩短微混合器的混合距离，减少流动损失。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。同时该微混合器中的弯管、直流管和渐缩管组合成的微通道中存在突扩结构，混合流体经过突扩结构之后会形成扩展涡系，有利于提高混合效率，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，本发明微混合器综合性能更好。

附图说明

图1为本发明一种D型非对称分离重组式微混合器的主体结构剖视图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1中沿A-A方向的混合板的剖视图；

图4为图3中混合板9上单个混合单元的结构放大图；

图5为本发明与现有两种微混合器的混合性能对比图；

图中：1.第一入口通道；2.第二入口通道；3.主通道；4.弯管；5.渐缩管；6.直流管；7.分流壁面；8.出口通道；9.混合板；10.第三入口通道；11.第四入口通道；12.弯管的内壁面；13.弯管的外壁面；14.直流管的内壁面；15.直流管的外壁面；16.圆心；17.第一进口孔；18.第二进口孔；19.第三进口孔；20.第四进口孔；21.上盖板；22.出口孔。

具体实施方式

如图1~2所示，本发明由上盖板21以及与上盖板21键合在一起的位于上盖板21正下方的混合板9组成。在上盖板21上开有进口孔和出口孔，用于流体的进样和输出。本发明开有四个进口孔和一个出口孔22，四个进口孔分别是第一进口孔17、第二进口孔18、第三进口孔19和第四进口孔20。上盖板21上的四个进口孔和一个出口孔22均是垂直的通孔，直径均为2-4mm，高度均为H1，400μm≤H1≤600μm，等于上盖板21的上下厚度，并且均直接在pyrex7740玻璃上定位打孔。混合板9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，该深度H2等于混合板9的上下厚度，最后，干法去胶，去氧化层，清洗干净后与上盖板21对准并进行静电键合。

如图1和图3所示，在混合板9上设有流体的入口通道和出口通道，入口通道有四个，分别是第一入口通道1、第二入口通道2、第三入口通道10和第四入口通道11，四个入口通道的位置分别一一对应于上盖板21上开有的四个进口孔的正下方，并且与对应的进口孔相连通。一个出口通道8的位置位于上盖板21上开有的出口孔22的正下方，与出口孔22相连通。四个入口通道结构相同，均连通一个主通道3的左端进口端，主通道3在混合板9的正中间左右布置，四个入口通道相对于主通道3两两前后对称布置，并且与主通道3相垂直。第一入口通道1的对角处是第四入口通道11，第二入口通道2的对角处是第三入口通道10。四个入口通道的通道长度相同，均为L1，200μm≤ L1≤400μm；四个入口通道的通道宽度也均相等，为主通道3的通道宽度的二分之一。主通道3的通道宽度为W1，100μm≤ W1 ≤200μm。出口通道8的通道宽度为W2，W2大于四个入口通道的通道宽度并且小于主通道3的通道宽度。

混合过程中，两种不同流体从入口通道注入，其中，第一入口通道1和第四入口通道11注入的是同一种液体，第二入口通道2和第三10入口通道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。

出口通道8布置在混合板9的正中间右端出口端，主通道3布置在混合板9的正中间左端进口端，主通道3和出口通道8中心轴重合，该中心线也是混合板9的中心轴。在主通道3的出口端和出口通道8的进口端之间首尾相接地布置若干个交叉混合通道，混合通道的个数n≥2。每个混合通道即是一个混合单元，每个混合单元由一个弯管4和直流管6构成。主通道3的出口端与第一个弯管4和第一个直流管6的进口端相接相通，出口通道8的进口端与最后一个弯管4和最后一个直流管6的尾端出口端相接相通。每个混合单元中的弯管4和直流管6布置在主通道3中心轴的前后两侧，相邻两个混合单元中的弯管4布置在主通道3中心轴的前后两侧，相邻两个混合单元中的直流管6也布置在主通道3中心轴的前后两侧，这样，在主通道3中心轴的同一侧的所有弯管4和直流管6周期性地交替布置。

直流管6是矩形的直管，弯管4是圆弧型的弯管，圆弧开口正对着直流管6并且与直流管6相连，如此，每个混合单元中的弯管4和直流管6组合形成一个D型的混合单元通道，每个D型的混合单元通道中的直流管6的出口端与右侧相邻的D型混合通道中的弯管4和直流管6的进口端同时相连接且相连通。混合液经左侧的直流管6的出口端后即被分流，分别流入右侧相邻的D型混合通道中的弯管4和直流管6中。

如图3和图4所示，第一个弯管4的进口端与入口通道的最短距离为L2，300μm≤ L2≤600μm。出口通道8的左右长度为L5，200μm≤ L5≤400μm。直流管6的管道宽度为L4，80μm≤ L4<120μm。直流管6的长度为L3，900μm≤ L3<1000μm。

弯管4的内圆弧壁面是弯管的内壁面12，外圆弧壁面是弯管的外壁面13。弯管的内壁面12和弯管的外壁面13是具有相同圆心、不同半径的两段圆弧面。直流管6在靠近弯管4圆弧开口侧壁是直流管的内壁面14，直流管的内壁面14对面的是直流管的外壁面15。每一个弯管4的出口段部是一段渐缩管5，渐缩管5的出口端连接直流管6出口端的管壁，与直流管的内壁面14相连接。渐缩管5的管道向直流管的内壁面14延伸并逐渐变小。弯管的外壁面13与弯管的内壁面12的圆心16在直流管的外壁面15上。弯管的外壁面13的半径为R1，R1=500μm，弯管的内壁面12的半径为R2，R2=350μm。

在每一个弯管4进口端处的弯管的内壁面12上设有向外突出的分流壁面7，分流壁面7为圆弧状，使得混合流体能够分布均匀地流入弯管4和直流管6。

如图1-4所示，本申请的混合过程如下，将液体A经上盖板21上的第一进口孔17和第四进口孔20进入混合板9的第一入口通道1和第四入口通道11，将液体B经上盖板21上的第二进口孔18和第三进口孔19进入混合板9的第二入口通道2和第三入口通道10，两种液体流经主通道3时，完成初步混合；而后，混合液通过分流壁面7后进入周期性弯管4和直流管6的交叉混合区域，由于分流壁面7的分流作用，使得混合流体的边界层被破坏的同时均匀地流入混合流道内，能有效地增强了混合流体之间的传质效果；混合流体进入混合流道后形成二次流，增加接触面积并提高混合效率。由于渐缩管5的流道不断缩小，使得混合流体流速不断增大，当混合流体从渐缩管5流出时，产生一定强度的射流，并与直流管6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动的强度，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8，并从出口孔19流出微混合器，完成混合过程。

如图5，分别用C1、C2、C3曲线表示本申请所述D型非对称分离重组式微混合器、菱形非对称分离重组微混合器以及带扇形空腔式分离重组微混合器在不同雷诺数下的混合效率。本申请中，当混合流体进入混合单元时由于混合流体受到不同离心力作用，会形成迪恩涡（Dean）提升对流强度，又因为渐缩管5的流管不断缩小，使得混合流体的流速不断增大，并在渐缩管5的出口处产生射流与直流管6中的混合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。从图5可以看出，在相同雷诺数下，本申请设计的微混合器的混合效率明显优于另外两个微混合器。本申请微混合器使得混合效率不会出现随Re增大而下降的情况，同时当雷诺数超过40时，本申请微混合器的混合效率已经超过了90%，达到完全混合状态。

Claims (7)

1.一种D型非对称分离重组式微混合器，由上盖板（21）及与上盖板（21）键合在一起的位于上盖板（21）正下方的混合板（9）组成，混合板（9）上设有入口通道、主通道（3）和出口通道（8），入口通道连接主通道（3）进口端，主通道（3）和出口通道（8）的中心轴重合，其特征是：在主通道（3）出口端和出口通道（8）进口端之间首尾相接若干个混合单元，每个混合单元由一个圆弧型的弯管（4）和一个矩形的直流管（6）构成，弯管（4）的圆弧开口正对着直流管（6）且与直流管（6）相连，每个混合单元中的弯管（4）和直流管（6）布置在主通道（3）中心轴的前后两侧，位于主通道（3）中心轴同一侧的所有弯管（4）和直流管（6）周期性地交替布置，形成一个D型的混合单元通道；每个混合单元中的直流管（6）出口端与相邻的弯管（4）和直流管（6）进口端相接相通，每一个弯管（4）出口段是一段渐缩管（5），渐缩管（5）出口端连接直流管（6）出口端的管壁。

2.根据权利要求1所述一种D型非对称分离重组式微混合器，其特征是：在每一个弯管（4）进口端处的内圆弧壁面上设有向外突出的圆弧状的分流壁面（7）。

3.根据权利要求1所述一种D型非对称分离重组式微混合器，其特征是：弯管（4）的内圆弧壁面和外圆弧壁面是具有相同圆心、不同半径的两段圆弧面，该圆心在直流管（6）的外壁面（15）上。

4.根据权利要求3所述一种D型非对称分离重组式微混合器，其特征是：弯管（4）的外圆弧壁面的半径为R1，R1=500μm，弯管（4）的内圆弧壁面的半径为R2，R2=350μm。

5.根据权利要求1所述一种D型非对称分离重组式微混合器，其特征是： 第一个弯管（4）进口端与入口通道的最短距离为L2，300μm≤ L2≤600μm，出口通道（8）的长度为L5，200μm≤ L5≤400μm，直流管（6）的管道宽度为L4，80μm≤ L4<120μm，直流管（6）的长度为L3，900μm≤ L3<1000μm。

6.根据权利要求1所述一种D型非对称分离重组式微混合器，其特征是：所述入口通道有四个，四个入口通道结构相同，四个入口通道相对于主通道（3）两两前后对称布置且与主通道（3）相垂直，对角处的两个入口通道注入同一种液体。

7.根据权利要求6所述一种D型非对称分离重组式微混合器，其特征是：主通道（3）的通道宽度为W1，100μm≤ W1 ≤200μm；四个入口通道的通道长度均为L1，200μm≤ L1≤400μm、通道宽度为主通道（3）的通道宽度的二分之一。