CN106823946B - 一种振荡流微混合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种振荡流微混合器，包括振荡器、入口通道、圆形腔室、连接通道、出口通道；所述振荡器、入口通道、圆形腔室、连接通道、出口通道均位于同一平面上；振荡器安装在入口通道处；第一入口通道与第一圆形腔室相切连接，第一连接通道与第一圆形腔室和第二圆形腔室的外圆相切，第一连接通道的位置位于接近于振荡器的位置；剩余的连接通道依次与相连接的两个圆形腔室的外圆相切，并垂直于前一连接通道，且剩余的连接通道均位于相连的圆形腔室和前一圆形腔室之间；出口通道与最后一圆形腔室的外圆相切，出口通道垂直于第c个连接通道，且位于最后两个圆形腔室之间；本发明的混合器可适用于较高流量及较宽粘度范围的液体的混合，具有较好的通用性。
Description
技术领域
本发明属于微流控器件,特别是一种振荡流微混合器。
背景技术
微流控是一项涉及到精密机械、流体力学、生物医学、化学等多个领域的交叉性科学技术，在生化分析、医疗诊断、药物筛选等方面存在广泛应用，并具有效率高、所需试样/试剂少、仪器设备便于小型化设计等优点，因而在近年获得了较快发展。而微流体混合强化则是微流控技术研究当中的一个主要关键问题。在低尺度下，液体的惯性力减弱而粘性力逐渐增强，混合变得困难，与此同时，当液体为高粘度时，混合则更加困难。常见的微混合器设计分为主动和被动两种方式。
主动混合采用外力，包括气动力、电磁力、超声波等来强化混合。比如：Niu X,LeeY K.Efficient spatial-temporal chaotic mixing in microchannels(J).Journal ofMicromechanics and Microengineering,2003,13(3):454，发表了一种借助外部动力给流体施加一个扰动增加液体的接触面积，从而达到促进混合的效果，但是这种设计需要借助外部器件，整个系统体积庞大；Liu L,Niu X,Wen W,et al.Electrorheological fluid-actuated flexible platform(J).Applied physics letters,2006,88(17):173505，提出了一种电流变液微阀，这种微阀通过给电流变液通断电来实现结构中的弹性膜的变化，实现流道通断，可用于液体的的混合，效果与前一种类似，但是这种结构除了需要借助外部电场之外，还依赖于通断电的频率。同时主动方式的电场、磁场、气动力等外部能量输入会对样本产生损坏和变质的风险。
被动混合采用特别设计的流体通道结构对流体产生扰动，从而促进混合。比如：Stroock A D,Dertinger S K W,Ajdari A,et al.Chaotic mixer for microchannels(J).Science,2002,295(5555):647-651，发表了一种在流道内部增加凹槽的结构，使得液体可以产生混沌对流。H.M.Xia,Z.P.Wang,Y.X.Koh,K.T.May,A microfluidic mixer withself-excited'turbulent'fluid motion for wide viscosity ratio applications,LabChip,10(2010)1712-1716，发表了一种可用于流体混合的多通道结构，通过对流体的拉伸和折叠操作来增加流体的接触面积,上述这两种混合器结构复杂，加工困难、成本高。
还有在T型通道基础上增加圆形腔室设计的微混合器，通过借助圆形腔室结构，使得液体内部可以产生涡流，增加液体接触面积来实现液体混合。(A.Alam,K.Y.Kim,Mixingperformance of a planar micromixer with circular chambers and crossingconstriction channels,Sensor Actuat B-Chem,176(2013)639-652.)但是这种结构的混合效果会随着粘度增加而减弱,即雷诺数Re<50，混合效果显著降低。
另外，采用振荡流的方式也可以增进流体的混合(H.M.Xia,Z.P.Wang,W.Fan,A.Wijaya,W.Wang,Z.F.Wang,Converting steady laminar flow to oscillatory flowthrough a hydroelasticity approach at microscales,Lab Chip,12(2012)60-64；H.M.Xia,Z.P.Wang,V.B.Nguyen,S.H.Ng,W.Wang,F.Y.Leong,D.V.Le,Analyzing thetransition pressure and viscosity limit of a hydroelastic microfluidicoscillator,ApplPhysLett,104(2014))，Xia等报道了一种不需要借助外部激励源的振荡器，仅在一定的压力条件下可以自发产生振荡，用于液体的混合，该振荡器应用在Y型结构通道上，能够以被动的工作方式达到主动混合的效果；但是这种混合器应用在Y型结构通道上存在一个问题，在固定振荡频率下，当流体流量较高时，流道内部容易形成较长的液体分段，液体接触面积变小，混合效果反而降低了。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种振荡流微混合器，可适用于较高流量(0～60ml/min)及较宽粘度范围(0～100cp)的液体的混合，具有较好的通用性；本发明的振荡流微混合器不需要借助额外的能量激励部件，且利用简单的结构，即可实现高流量高粘度液体的混合。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种振荡流微混合器，包括振荡器、入口通道、圆形腔室、连接通道、出口通道；所述振荡器、入口通道、圆形腔室、连接通道、出口通道均位于同一平面上；所述入口通道的数量为a个(a≥2)，包括第一入口通道和其他a-1个入口通道；所述圆形腔室的数量为b个(b≥1)，包括与第一入口通道1相切连接的第一圆形腔室和逐个通过连接通道连接的b-1个圆形腔室；所述连接通道的数量为c个(c＝b-1)，包括连接第一圆形腔室和第二圆形腔室的第一连接通道和依次与前一连接通道垂直的c-1个连接通道；所述出口通道数量为d个(d≥1)；
所述振荡器安装在任一入口通道处；所述第一入口通道与第一圆形腔室相连，且与第一圆形腔室的外圆相切，所述第一连接通道连接第一圆形腔室和第二圆形腔室，第一连接通道与第一圆形腔室和第二圆形腔室的外圆相切，且第一连接通道垂直于第一入口通道；在满足于第一连接通道与第一圆形腔室和第二圆形腔室的外圆相切且垂直于第一入口通道条件下，在第一连接通道垂直于第一圆形腔室和第二圆形腔室的外圆上有两个位置，一个接近于振荡器，一个偏远于振荡器，第一连接通道的位置位于接近于振荡器的位置；剩余的c-1个连接通道依次与相连接的两个圆形腔室的外圆相切，并依次垂直于前一个连接通道，且第n个连接通道位于第n-1个圆形腔室和第n-2个圆形腔室之间，(1<n≤c)；所述出口通道与最后一个圆形腔室的外圆相切，出口通道垂直于第c个连接通道，且位于最后两个圆形腔室之间。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明的振荡流微混合器对液体的混合效果好，通过振荡器与圆形腔室的结合，调整流体在圆形腔室的停留时间，提高了流体间的接触面积，促进液体之间的扩散，增强了流体之间的混合。
(2)相比于传统的主动混合方式，本发明的振荡流微混合器不需要借助额外的能量激励部件，结构简单、体积小、便携性好。
(3)本发明的振荡流微混合器无需外接能量激励部件，因此不会产生较高的能量输入，不会对样本产生破坏样本的完整性和对样本产生变质的风险，可靠性好。
(4)本发明的振荡流微混合器只需外部压力驱动流体，能耗低，节能环保。
(5)本发明的振荡流微混合器结构简单：采用平面结构的通道，同复杂的三维结构设计相比，本发明的振荡流微混合器结构简单，加工成本低。
(6)本发明的振荡流微混合器增加了圆形腔室的结构，同现有的Y型通道与振荡器结合相比，解决了流体在单一通道内难以充分接触、混合的问题，拓宽了可适用混合液体流量的范围。
(7)本发明的振荡流微混合器扩大了可适用的流体粘度范围(0～100cp)，通用性好。
(8)本发明的振荡流微混合器对存在粘度差异的两种液体也能很好的改善混合效果。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明的振荡流微混合器双入口的二维结构示意图。
图2是本发明振荡流微混合器双入口结构内部流道的三维结构示意图。
图3是本发明振荡流微混合器多入口的二维结构示意图。
图4是液体最大粘度与振荡器自身第二腔室深度之间的关系图。
图5是液体混合效果的参数与液体粘度关系图。
图6是液体粘度均为20cp时，液体在第一圆形腔室中的混合情况显示图。
图7是液体粘度分别为20cp和2cp时，液体在第一圆形腔室中的混合情况显示图。
图8是不同粘度比情况下的两种液体混合效果的与圆形腔室数量的关系图。
具体实施方式
本发明的振荡流微混合器包括振荡器2、入口通道、圆形腔室、连接通道、出口通道7；所述振荡器2、入口通道、圆形腔室、连接通道、出口通道7均位于同一平面上；所述入口通道作为液体进入第一圆形腔室10的流入通道，入口通道的数量为a个(a≥2)，包括第一入口通道1和其他a-1个入口通道；所述圆形腔室作为液体混合腔室，用于液体在腔室中停留和混合，圆形腔室的数量为b个(b≥1)，包括与第一入口通道1相切连接的第一圆形腔室10和逐个通过连接通道连接的b-1个圆形腔室；所述连接通道作为连接相邻两个圆形腔室之间的连接通道，连接通道的数量为c个(c＝b-1)，包括连接第一圆形腔室10和第二圆形腔室4的第一连接通道3和依次与前一连接通道垂直的c-1个连接通道；所述出口通道7作为与最后一个圆形腔室混合后的液体的流出通道，出口通道的数量为d个(d≥1)。
所述振荡器2安装在任一入口通道处，用于对流入的液体进行振动，使液体产生扰动。所述第一入口通道1与第一圆形腔室10相连，且与第一圆形腔室10的外圆相切，所述第一连接通道3连接第一圆形腔室10和第二圆形腔室4，第一连接通道3与第一圆形腔室10和第二圆形腔室4的外圆相切，且第一连接通道3垂直于第一入口通道1；在满足于第一连接通道3与第一圆形腔室10和第二圆形腔室4的外圆相切且垂直于第一入口通道1条件下，在第一连接通道3与第一圆形腔室10和第二圆形腔室4的外圆相切时有两个位置，一个接近于振荡器2，一个偏远于振荡器2；第一连接通道3的位置位于接近于振荡器2的位置，为了使得液体在第一圆形腔室10能够充分的停留；剩余的c-1个连接通道依次与相连接的两个圆形腔室的外圆相切，并依次垂直于前一个连接通道，且第n个连接通道位于第n-1个圆形腔室和第n-2个圆形腔室之间，(1<n≤c)；所述出口通道7与最后一个圆形腔室的外圆相切，出口通道7垂直于第c个连接通道，且位于最后两个圆形腔室之间。
进一步的，所述圆形腔室的体积大于一个周期内入口通道流入液体的流量总和。一个周期为振荡器2振动一次的时间。
所述入口通道、连接通道、出口通道7可为截面为矩形、圆形、三角形、菱形、平行四边形、梯形等多种形状的槽口通道，所述圆形腔室为圆柱形的空腔结构；
进一步的，所述入口通道、连接通道、出口通道(7)、圆形腔室均在同一平面内，且所述入口通道、连接通道、出口通道7、圆形腔室的高度均一致。
实施例1：
结合图1、图2，一种双入口通道的振荡流微混合器，包括第一入口通道1、第二入口通道11、振荡器2、第一圆形腔室10、第一连接通道3、第二圆形腔室4、第二连接通道9、第三圆形腔室8、第三连接通道5、第四圆形腔室6、出口通道7；
第一入口通道1、第二入口通道11作为液体的流入第一圆形腔室10的两个入口，所述第一入口通道1与第一腔室10的外圆相切，所述第二入口通道11与第一入口通道1相通；所述第一连接通道3连接第一圆形腔室10和第二圆形腔室4，第一连接通道3与第一圆形腔室10和第二圆形腔室4的外圆均外切，第一连接通道3与第一入口通道1相互垂直；满足上述第一连接通道3的位置有两个，一个接近于振荡器2的位置，一个偏远于振荡器2的位置，为了使得液体在第一圆形腔室10能够充分的停留后，再经第一连接通道3流入第二圆形腔室4，第一连接通道3的位置位于接近于振荡器2的位置；
所述第二连接通道9连接第二圆形腔室4和第三圆形腔室8，第二连接通道9与第二圆形腔室4和第三圆形腔室8的外圆均相切，第二连接通道9垂直于第一连接通道3，为了使液体在第二圆形腔室4中能够有充分的停留时间，第二连接通道9的位置位于第一圆形腔室10和第二圆形腔室4之间；
所述第三连接通道5连接第三圆形腔室8和第四圆形腔室6，所述第三连接通道5与第三圆形腔室8和第四圆形腔室6的外圆均相切，且第三连接通道5垂直于第二连接通道9，同理，为了使液体在第三圆形腔室8中能够有充分的停留时间，第三连接通道5的位置位于第二圆形腔室4和第三圆形腔室8之间；
所述出口通道7连接第四圆形腔室6，出口通道7作为充分混合液体的出口。所述出口通道7垂直于第四圆形腔室6的外圆，出口通道7垂直于第三连接通道5，为了使液体在第四圆形腔室6中能够有充分的停留，出口通道7位于第三圆形腔室8和第四圆形腔室6之间；
实施例2：
结合图3，一种三入口通道的振荡流微混合器，包括第一入口通道1、第二入口通道11、第三入口通道12、振荡器2、第一圆形腔室10、第一连接通道3、第二圆形腔室4、第二连接通道9、第三圆形腔室8、第三连接通道5、第四圆形腔室6、出口通道7；
所述第三入口通道12与第一连接通道相通，其他入口通道、振荡器2、圆形腔室、连接通道、出口通道7的连接方式与实施例2中相同。
结合图4，本发明的振荡流微混合器液体最大粘度与振荡器第二个腔室深度之间的关系图。左侧竖轴是本发明的振荡器可以工作的粘度范围，横轴是振荡器的第二个腔室深度，随着振荡器第二个腔室深度的增加，器件可工作的最大粘度升高。可认为通过调整振荡器第二个腔室的深度，振荡流微混合器的粘度工作上限可以达到100cp。
结合图5，液体混合效果的参数与液体粘度关系图：
双入口通道均采用相同浓度的水和甘油配比的溶液，而为了观测混合情况，其中第二入口通道11中的溶液中增加了黑色墨水，两种液体入口流量比为1：1。图中所示为三组不同粘度液体的混合效果数据(根据像素点分布情况计算)。σ为衡量液体混合效果的参数，它的计算公式是：
其中：N为像素点个数，σi是第i个点对应的像素偏差，而
其中Ii是第i个点的像素值，Iunmix是液体完全未混合的像素值，Imix是液体完全混合的像素值。在实际过程中，由于存在黑白两种颜色均为完全未混合状态(黑色对应像素值为0，白色对应像素值为255)，因此存在Iunmix，1和Iunmix，2两个值，假设：Iunmix，1>Imix>Iunmix，2，那么Iunmix，1为白色液体对应的像素值，Iunmix，2黑色液体对应的像素值。则
根据上述方法，当σ等于1时代表完全混合，反之，σ等于0时代表完全没混合。
当溶液为1cp以及8cp时，σ的值接近1，而当液体粘度为12cp时，σ的值接近0.9，在本发明中可认为液体完全混合。同时1cp、8cp、12cp这三种粘度对应的流量分别为24ml/min,44ml/min以及27ml/min。
结合图6，液体粘度均为20cp时，液体流量比为4：1时两种液体在第一圆形腔室10中的混合情况显示图，液体产生了多个分层，呈现出以层状接触的特点，极大地增加了流体的接触面积。
结合图7，本发明的振荡流微混合器中的两种液体的粘度比为20cp:2cp，流量比为4：1的两种液体混合在第一个圆形腔室10内。两种颜色的液体界面之间存在清晰的齿状结构，由于液体的粘度差异导致的突扩效应，使得两种液体界面处产生了强烈的不稳定性。同时，在第一圆形腔室10的出口处，液体存在明显的拉伸折叠现象，极大地增加了液体的接触面积。
结合图8，本发明的振荡流微混合器在不同粘度比情况下的两种液体混合效果与圆形腔室数量的关系图(液体的流量比4：1)，当粘度为高粘度液体(20cp)时，相同粘度(20cp)的液体混合时，液体在第三腔室中液体混合效果的参数σ的值接近0.5；液体在第四腔室中液体混合效果的参数σ的值接近0.6；但在不同粘度(20cp-2cp)的液体混合时，由于突扩效应，第四腔室中液体混合效果的参数σ的值接近1，可认为第四个腔室内的液体已经完全混合。此外随着圆形腔室的增加，液体在圆形腔室中的混合越来越好。
Claims (4)
1.一种振荡流微混合器，其特征在于：包括振荡器(2)、入口通道、圆形腔室、连接通道、出口通道(7)；所述振荡器(2)、入口通道、圆形腔室、连接通道、出口通道(7)均位于同一平面上；所述入口通道的数量为a个，a≥2，包括第一入口通道(1)和与第一入口通道(1)相通的其他a-1个入口通道；所述圆形腔室的数量为b个，b≥1，包括与第一入口通道(1)相切连接的第一圆形腔室(10)和逐个通过连接通道连接的b-1个圆形腔室；所述连接通道的数量为c个，c=b-1，包括连接第一圆形腔室(10)和第二圆形腔室(4)的第一连接通道(3)和依次与前一连接通道垂直的c-1个连接通道；所述出口通道(7)数量为d个，d≥1；
所述振荡器(2)安装在任一入口通道处；所述第一入口通道(1)与第一圆形腔室(10)相连，且与第一圆形腔室(10)的外圆相切，所述第一连接通道(3)连接第一圆形腔室(10)和第二圆形腔室(4)，第一连接通道(3)与第一圆形腔室(10)和第二圆形腔室(4)的外圆相切，且第一连接通道(3)垂直于第一入口通道(1)；在满足于第一连接通道(3)与第一圆形腔室(10)和第二圆形腔室(4)的外圆相切且垂直于第一入口通道(1)条件下，在第一连接通道(3)与第一圆形腔室(10)的外圆相切处有两个位置，一个接近于振荡器(2)，一个偏远于振荡器(2)，第一连接通道(3)的位置位于接近于振荡器(2)的位置；剩余的c-1个连接通道依次与相连接的两个圆形腔室的外圆相切，并依次垂直于前一个连接通道，且第n个连接通道位于第n-1个圆形腔室和第n-2个圆形腔室之间，1<n≤c；所述出口通道(7)与最后一个圆形腔室的外圆相切，出口通道(7)垂直于第c个连接通道，且位于最后两个圆形腔室之间。
2.如权利要求1所述的振荡流微混合器，其特征在于：所述圆形腔室的体积大于一个周期内入口通道流入液体的流量总和，所述一个周期为振荡器(2)振动一次的时间。
3.如权利要求1所述的振荡流微混合器，其特征在于：所述入口通道、连接通道、出口通道(7)为截面为矩形或圆形的槽口通道，所述圆形腔室均为圆柱形的空腔结构。
4.如权利要求1所述的振荡流微混合器，其特征在于：所述入口通道、连接通道、出口通道(7)、圆形腔室均在同一平面内，且所述入口通道、连接通道、出口通道(7)、圆形腔室的高度均一致。
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