CN108201847A - 基于成涡结构强化混合的圆弧挡板平面被动式微混合器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于成涡结构强化混合的圆弧挡板平面被动式微混合器，上基体与下基体密合，包括呈上下设置的盖板与基体，所述基体上设有主流道与出口流道以及与主流道、出口流道连通的环形混合单元，所述混合单元包括呈心形设置的心形流道以及设置在心形流道内的挡板，所述挡板与心形流道的内壁留有间隙，所述心形流道上设有与主流道连通的入口收缩流道口，所述心形流道上设有与出口流道连通的出口收缩流道口，有效增加流体间扰动，提高混合效率。
Description
技术领域
本发明涉及微型混合芯片和生物芯片中微流体混合技术领域，具体的是基于分离重组和成涡结构强化混合的平面被动式微混合器。
背景技术
微混合器作为微流控系统的重要组成部分，借助其快速高效的混合性能，广泛应用于药物制备、化学检测、化妆品合成等领域，由于其特殊的尺寸特征，在测试或实验时既可以节省试剂，有减少了危险性（如强放热或有毒试剂反应）。微流体微混合器中的微流道尺寸在几十到几百微米范围之间，微流道中的流体通常处于层流状态，其混合主要是通过分子扩散来实现，对于两股或多股流体混合时，流体间很难充分混合，因此实现微尺度下流体高效快速混合非常重要。
按照混合过程原理，微混合器一般分为弱化层流型和强化层流型两种。弱化层流型中根据混合产生的原因上又可分为被动混合器与主动混合器两种。主动混合器依靠外加扰动源实现混合，而被动式则依赖迫使流体流动的压力源，被动式微混合器内部结构改变会导致流体流动迹线发生变化，流体流线的改变增加了流体分子间的接触面积，使得分子扩散加速，从而达到提高混合效果的目的。相比于主动式微混合器，被动式结构相对来说更简单，制造工艺简化，集成性较高，使用更为方便。
为了提高被动式微混合器的混合效率，通常使用环流、二次流、分层、剪切等方式增加流体间的有效接触面积。目前常用的方式有在微通道内设置挡板和利用喷嘴效应使混合液体出现混沌对流。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于成涡结构强化混合的圆弧挡板平面被动式微混合器，其结构简单、易于加工，可实现微流控系统中不同流体间快速高效混合。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于成涡结构强化混合的圆弧挡板平面被动式微混合器，包括呈上下设置的盖板与基体，所述基体上设有主流道与出口流道以及与主流道、出口流道连通的环形混合单元，所述混合单元包括呈心形设置的心形流道以及设置在心形流道内的挡板，所述挡板与心形流道的内壁留有间隙，所述心形流道上设有与主流道连通的入口收缩流道口，所述心形流道上设有与出口流道连通的出口收缩流道口。
作为优选，所述挡板呈弧形设置，所述挡板的凹面朝向入口收缩流道口，凸面朝向出口收缩流道口。
作为优选，所述主流道与心形流道之间设有直流道，所述主流道的两侧各设有一个副流道，所述副流道与直流道连通。
作为优选，所述主流道的宽度为D，副流道的宽度为D/3，其中100µm≤D≤500µm，所述主流道的长度为L1，副流道的长度为L2，其中L1=L2≥800µm，所述主流道与副流道间夹角为α，其中20°≤α≤90°。
作为优选，所述入口收缩流道口与出口收缩流道口的宽度为L5，其中L5=D/3。
作为优选，所述混合单元的数目至少有3个，所述混合单元沿中心轴轴向等距布置，且关于中心轴对称。
作为优选，所述混合单元之间间隔为L3，其中500µm≤L3≤1000µm。
作为优选，所述直流道的长度为L4，其中L4=L3/3。
作为优选，所述挡板的半径为R1，其中R1=L4/3。
本发明的有益效果是：当流体通过主流道与副流道经过入口收缩流道口进入混合单元时，会在入口收缩流道口的尺寸突然变窄的情况下形成射流，同时流体流速增加，在流体冲击到挡板时，由于圆弧挡板的特殊结构流体会沿着圆弧挡板流动，与原流动方向产生对流，从而产生扩展涡，增加了流体间的接触面积，在流体流过挡板时会在挡板凸起边沿挡板产生二次流，与从窄缝流过的流体产生对流形成分离涡，增加了流体间的扰动，流体经过不同混合单元不断地进行聚合、分离、成涡，从而增加了流体间的接触面积，使得混合效果显著提高。
借助微流道几何形状的变化和流体流动特性来增加扰动，借助圆弧形的挡板来实现涡系的叠加与强化，从而大大提高了平面式被动微混合器的混合效果，可以实现微尺度的快速混合。
附图说明
图1是本发明一种基于成涡结构强化混合的圆弧挡板平面被动式微混合器结构示意图；
图2为基体流道平面结构剖视图；
图3为流道图。
图中：1、盖板；2、基体；3、主流道；4、出口流道；5、心形流道；6、挡板；7、入口收缩流道口；8、出口收缩流道口；9、副流道；10、直流道。
具体实施方式
参照图1至图3所示，本案例实施的一种基于成涡结构强化混合的圆弧挡板平面被动式微混合器，包括呈上下设置的盖板1与基体2，所述基体2上设有主流道3与出口流道4以及与主流道3、出口流道4连通的环形混合单元，所述混合单元包括呈心形设置的心形流道5以及设置在心形流道5内的挡板6，所述挡板6与心形流道5的内壁留有间隙，所述心形流道5上设有与主流道3连通的入口收缩流道口7，所述心形流道5上设有与出口流道4连通的出口收缩流道口8；
所述挡板6呈弧形设置，所述挡板6的凹面朝向入口收缩流道口7，凸面朝向出口收缩流道口8，所述主流道3与心形流道5之间设有直流道10，所述主流道3的两侧各设有一个副流道9，所述副流道9与直流道10连通；
所述主流道3的宽度为D，副流道9的宽度为D/3，其中100µm≤D≤500µm，所述主流道3的长度为L1，副流道9的长度为L2，其中L1=L2≥800µm，所述主流道3与副流道9间夹角为α，其中20°≤α≤90°，所述入口收缩流道口7与出口收缩流道口8的宽度为L5，其中L5=D/3；
所述混合单元的数目至少有3个，所述混合单元沿中心轴轴向等距布置，且关于中心轴对称，所述混合单元之间间隔为L3，其中500µm≤L3≤1000µm，所述直流道10的长度为L4，其中L4=L3/3，所述挡板6的半径为R1，其中R1=L4/3
工作时，当两种不同的三股流体通过主流道3和副流道9在直流道10内混合，经过入口收缩流道口7进入心形流道5之中，当流体在通过入口收缩流道口7时，由于入口收缩流道口7尺寸突然变窄会使得流体流速增加，使流体形成射流，在流体冲击到圆弧挡板6时，由于圆弧挡板6的特殊结构流体会沿着圆弧挡板6向射流两侧流动并产生回流，与原流体的流动方向产生对流，从而产生扩展涡，增大了流体间的扰动，增加了流体间的接触面积；然后在流体流过圆弧挡板6后，流体分为两股，并在圆弧挡板6凸起边产生附壁现象，产生二次流，与从窄缝流过的流体产生对流形成分离涡，再次增加流体间的扰动，如此流体在经过不同的心形混合单元时不断地进行聚合、分离、成涡，最后流体从出口收缩流道口8流出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于成涡结构强化混合的圆弧挡板平面被动式微混合器，其特征在于：包括呈上下设置的盖板与基体，所述基体上设有主流道与出口流道以及与主流道、出口流道连通的环形混合单元，所述混合单元包括呈心形设置的心形流道以及设置在心形流道内的挡板，所述挡板与心形流道的内壁留有间隙，所述心形流道上设有与主流道连通的入口收缩流道口，所述心形流道上设有与出口流道连通的出口收缩流道口。
2.根据权利要求1所述的基于成涡结构强化混合的圆弧挡板平面被动式微混合器，其特征在于：所述挡板呈弧形设置，所述挡板的凹面朝向入口收缩流道口，凸面朝向出口收缩流道口。
3.根据权利要求1或2所述的基于成涡结构强化混合的圆弧挡板平面被动式微混合器，其特征在于：所述主流道与心形流道之间设有直流道，所述主流道的两侧各设有一个副流道，所述副流道与直流道连通。
4.根据权利要求3所述的基于成涡结构强化混合的圆弧挡板平面被动式微混合器，其特征在于：所述主流道的宽度为D，副流道的宽度为D/3，其中100µm≤D≤500µm，所述主流道的长度为L1，副流道的长度为L2，其中L1=L2≥800µm，所述主流道与副流道间夹角为α，其中20°≤α≤90°。
5.根据权利要求4所述的基于成涡结构强化混合的圆弧挡板平面被动式微混合器，其特征在于：所述入口收缩流道口与出口收缩流道口的宽度为L5，其中L5=D/3。
6.根据权利要求1或2所述的基于成涡结构强化混合的圆弧挡板平面被动式微混合器，其特征在于：所述混合单元的数目至少有3个，所述混合单元沿中心轴轴向等距布置，且关于中心轴对称。
7.根据权利要求6所述的基于成涡结构强化混合的圆弧挡板平面被动式微混合器，其特征在于：所述混合单元之间间隔为L3，其中500µm≤L3≤1000µm。
8.根据权利要求7所述的基于成涡结构强化混合的圆弧挡板平面被动式微混合器，其特征在于：所述直流道的长度为L4，其中L4=L3/3。
9.根据权利要求8所述的基于成涡结构强化混合的圆弧挡板平面被动式微混合器，其特征在于：所述挡板的半径为R1，其中R1=L4/3。
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