CN111804355A - 一种用于电渗流传输的微通道结构及装置 - Google Patents

一种用于电渗流传输的微通道结构及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电渗流传输的微通道结构包括：微通道单元：所述微通道单元包括：干路微通道和若干支路微通道，当所述微通道单元的体积和长度为定值时，所述支路微通道横截面积与所述干路微通道横截面积之比等于所述支路微通道的支路数倒数时，在恒定电压下所述微通道单元内的所述电渗流流量最大；所述微通道单元级联：所述微通道单元中的任一支路微通道可以作为下一级所述微通道单元的所述干路微通道，所述微通道单元中干路微通道也可以作为上一级所述微通道单元的所述支路微通道，本发明从而可以有效增加电渗流传输的效率，从而以更小的功耗满足微通道的流量要求，减少了能量的浪费，且流速大小可由外电场线性调节。

Description

一种用于电渗流传输的微通道结构及装置
技术领域
本发明涉及微通道传输领域，具体涉及一种恒定通道体积下用于电渗流传输的分形微通道。
背景技术
随着科学技术的不断发展和进步，高精度、微型化和集成化的设备逐渐成为了其发展的趋势。从电子设备的散热、生物化学方面的微流控芯片和微反应器到军工方面微型反应堆的试行，使得微通道在各科学领域的应用越来越广。由于通道的尺寸结构对流体的传输效率会有显著影响，尺寸越小流体传输阻力越大，所以越来越多的人开始研究微通道的结构，并对其进行优化设计以保证传输效率尽可能的提高。受到仿生学的启发，人们发现类似于动物血管的分形树状微通道结构具有能量交换效率高、流阻小、能耗低等特点。由于分形树状微通道的上下两级之间的长度比、直径比等几何参数对传输效率有着显著的影响，所以对分形树状通道的尺寸参数进行优化设计受到了普遍关注。
对于通道内流体的驱动方式，用电渗流来驱动微流体已经被广泛应用于生物芯片、微通道热沉中液体的传输和控制，其可以缩小芯片流体驱动系统的体积并且可以更加便捷的利用电流来控制液体流量。但是由于微通道的尺寸很小导致传输流体减少，因此如何能够在恒定驱动电压下传输更多的电渗流成为目前有待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何能够在恒定驱动电压下传输更多的电渗流，提供一种用于电渗流传输的微通道结构及装置。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种用于电渗流传输的微通道结构，所述微通道结构包括：
微通道单元；
所述微通道单元包括：干路微通道和若干支路微通道，当所述微通道单元的体积和长度为定值时，所述支路微通道横截面积与所述干路微通道横截面积之比等于所述支路微通道的支路数倒数时，在恒定电压下所述微通道单元内的所述电渗流流量最大；
所述微通道单元级联；
所述微通道单元中的任一支路微通道可以作为下一级所述微通道单元的所述干路微通道，所述微通道单元中干路微通道也可以作为上一级所述微通道单元的所述支路微通道。
较佳地，所述若干支路微通道结构相同，所述若干支路微通道与所述干路微通道相连通，所述微通道单元体积为所述干路微通道体积与所述若干支路微通道体积之和，所述微通道单元长度为所述干路微通道长度与任一所述若干支路微通道长度之和，当所述微通道单元的体积和长度为定值时，所述干路微通道横截面积和所述支路微通道横截面积可变化。
进一步地，所述微通道单元进行所述级联时下一级所述微通道单元的所述支路数可与所述微通道单元的所述支路数不同，上一级所述微通道单元的所述支路数也可与所述微通道单元的所述支路数不同。
更优地，所述微通道单元中所述干路微通道的长度远大于所述干路横截面直径，所述支路微通道的长度远大于所述支路横截面直径。
更优地，所述微通道单元中的所述干路微通道管壁和所述支路微通道管壁为非导电材料。
更优地，所述横截面的形状可以为任意几何形状。
一种用于电渗流传输的微通道装置，所述微通道装置包括：
上盖板，通道基板；
所述上盖板和所述通道基板周缘均设有相对应的若干螺孔及螺栓用于紧固所述微通道装置，所述上盖板还包括若干凸起的接口，所述接口用作所述电渗流的流入和流出，所述微通道结构设于所述通道基板中。
较佳地，所述微通道装置还包括密封圈和与所述密封圈对应的设于所述通道基板中所述微通道结构周围的密封圈卡槽，所述密封圈和所述密封圈卡槽用于防止所述电渗流泄漏。
较佳地，所述密封圈的材质为橡胶。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：可以有效增加电渗流传输的效率，从而以更小的功耗满足微通道的流量要求，减少了能量的浪费，且流速大小可由外电场线性调节，为提高电渗流驱动下微通道流体流动效率提供设计参考。
附图说明
图1为本发明一种用于电渗流传输的微通道结构及装置一实施例中的微通道结构示意图；
图2为本发明一种用于电渗流传输的微通道结构及装置一实施例中的微通道单元结构图；
图3为本发明一种用于电渗流传输的微通道结构及装置一实施例中的流量与横截面积比关系图；
图4为本发明一种用于电渗流传输的微通道结构及装置另一实施例中的流量与横截面积比关系图；
图5为本发明一种用于电渗流传输的微通道结构及装置一实施例中的装置结构图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，为本发明的一个微通道结构示意图，所述微通道分级数为3，每个微通道单元的分支数为2，所述微通道结构由微通道单元100级联而成，所述微通道结构为分形树状结构，来源于仿生学的启发，像植物的根、叶脉和动物血管一样经过千万年的进化的结构必定是最优的或者接近最优的，其具有能量交换效率高、流阻小、能耗低等特点。简单来说，分形树状结构是具有自相似性树状分支结构，即自身的一部分单独拿出来都和整体的结构是相似的，所述微通道结构的横截面积在在1μm-1000μm之间，微通道中为电渗流，是一种电动现象，是在多孔介质、微通道、及其它流体管道两端施加电压时造成的流体流动现象，大多数电解液与固体材料接触时会自发产生表面电荷，进而由于同性相斥、异性相吸的静电效应改变电解液中带电粒子的分布，产生双电层，使得电解液中局部电荷密度不为零，相应的当微通道两段施加电压时，会对电解液施加静电力作用，驱动其流动产生电渗流，电渗流速度与管道尺寸无关，但是尺寸大的管道中流体与压力梯度的关系会更明显，电渗流对小尺寸流动意义更为重大。
在一个可选的示例中，如图2所示，为微通道单元结构，所述微通道单元中的干路微通道管壁和支路微通道管壁为非导电材料，所述微通道单元由干路微通道101和支路微通道102a，102b构成，支路微通道102a,102b结构相同，支路微通道102a，102b与干路微通道101相连通，干路微通道101和支路微通道102a，102b的横截面，不仅仅限制于矩形、圆形等常规形状，还可以是其它任意形状，如图2所示的微通道单元的分支数为2，即支路数为2，所述微通道单元进行级联构成微通道结构时，干路微通道101可成为上一级的支路微通道，支路微通道102a，102b可分別成为下一级的干路微通道，微通道单元进行级联时下一级微通道单元的支路数可与所述微通道单元的支路数不同，上一级微通道单元的支路数也可与所述微通道单元的支路数不同，所述微通道单元体积为干路微通道101体积与支路微通道102a，102b体积之和，所述微通道单元长度为干路微通道101长度与任一支路微通道102a或102b长度之和，当所述微通道单元的体积和长度为定值时，干路微通道101横截面积和支路微通道102a，102b横截面积可变化，当所述微通道单元的体积和长度为恒定且干路微通道101的长度远大于干路微通道101的横截面直径，支路微通道102a，102b的长度远大于支路微通道102a，102b的横截面直径，至少要求li/di>＝20时，在恒定电压下，支路微通道102a或102b横截面积与干路微通道101横截面积之比等于所述支路微通道的支路数倒数时，所述微通道单元内的所述电渗流流量最大。
在一个可选的示例中，如图3所示为在30KV恒定电压下微通道单元中干路微通道与支路微通道的横截面积为矩形且分支数N为2，级数m为1，如图4所示为在30KV恒定电压下微通道单元中干路微通道与支路微通道的横截面积为圆形且分支数N为2，级数m为1，设计8组不同横截面面积比例的微通道进行了仿真实验，其中，
首先进行理论推导：
对于单通道内的电渗流，其流速可以用Helmholtz-Smoluchowski公式表示为：
Figure BDA0002585220500000051
其中ε0为真空介电常数，ε流体的相对介电常数，ζ是表征通道内壁面电荷密度的zeta电势，E＝ΔVp/L是驱动电场，ΔVp是作用在通道两端的驱动电压，L通道长度，μ液体粘度。
相应的，任意截面形状的单通道内电渗流量可以表示为:
Figure BDA0002585220500000061
其中A是通道横截面积。
对于分支通道，设其具有对称性和自相似性，则满足
Figure BDA0002585220500000062
则任一级通道内的总流量为
Figure BDA0002585220500000063
其中ΔVp,i是i级通道两端的驱动电压，N为分支数，m为最大分支级数，Ai是i级通道的横截面积。
由连续性方程(即各级通道总流量相等)可知，
Figure BDA0002585220500000064
所以有
Figure BDA0002585220500000065
进一步可得
Figure BDA0002585220500000066
设整个分支系统进出口两端的总驱动压力ΔVp恒定，则有
Figure BDA0002585220500000067
相应的有，
Figure BDA0002585220500000068
由此可得，在恒定的驱动压力下分支通道内的流量为
Figure BDA0002585220500000071
上式是未考虑体积约束时的结果。考虑到实际的流体系统不可能无限大，要满足一定的尺寸约束，当在体积约束条件下：
(1)横截面积最优化分析
此时各级通道长度为定值
Figure BDA0002585220500000072
相应的有
Figure BDA0002585220500000073
公式(2)带入(1)得体积约束下流量为
Figure BDA0002585220500000074
进一步求解
Figure BDA0002585220500000075
可得kO＝N-1，即相邻两级通道横截面积比满足1/N时，具有体积约束的分支通道在恒定驱动电压下流量最大，流量随相邻两级通道面积比的变化图如图3和图4所示。
(2)通道长度最优化分析
此时各级通道横截面积为定值
Figure BDA0002585220500000076
相应的有
Figure BDA0002585220500000077
公式(3)带入(1)得体积约束下流量为
Figure BDA0002585220500000078
进一步求解
Figure BDA0002585220500000079
解，即不存在最优的相邻两级长度比，使得具有体积约束的分支通道在恒定驱动电压下流量最大，而是同时可发现γ越小，流量越大。
分析结果表明，当矩形截面通道相邻面积之比达到0.5时，电渗流传输流体的流量最大，如果为圆形截面，也在圆形截面通道相邻半径之比达到0.707(即
Figure BDA0002585220500000081
时，电渗流传输流体的流量达到最大，换算为通道面积之比也为0.5，综合理论分析和实验研究表明，本发明所指出的分形树状微流道结构可以有效增加电渗流传输的效率，即恒定的驱动电压下微流道内的流量最大，以更小的功耗满足微流道的流量要求；对于微流控芯片、微通道散热等微通道的设计优化，本发明指出的结构可以提供更好的参考。
在一个可选的示例中，如图4所示，为一种用于电渗流传输的微通道装置，其中，对微通道结构进行了加工，此装置包括上盖板4、通道基板6、橡胶密封圈5和紧固螺栓1，上盖板4和通道基板6四边都加工了螺孔，并且两两对应，在通道基板6中设有微通道结构，微通道结构周围设有与橡胶密封圈5对应的密封圈卡槽，上盖板4左右两侧分别设有凸起的接口用作流体的入口2和流体的出口3，与所述通道基板6的流道上下联通，流体通过上盖板4的入口2进入流道之后，再通过上盖板4的出口3流出，所述橡胶密封圈5，是为了防止上下两板之间因不能够紧密贴合而造成的液体浸漏，安装在所述通道基板6上的密封圈卡槽内，再由紧固螺栓1进行紧固。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于电渗流传输的微通道结构，其特征在于，所述微通道结构包括：
微通道单元；
所述微通道单元包括：干路微通道和若干支路微通道，当所述微通道单元的体积和长度为定值时，所述支路微通道横截面积与所述干路微通道横截面积之比等于所述支路微通道的支路数倒数时，在恒定电压下所述微通道单元内的所述电渗流流量最大；所述微通道单元级联；
所述微通道单元中的任一支路微通道可以作为下一级所述微通道单元的所述干路微通道，所述微通道单元中干路微通道也可以作为上一级所述微通道单元的所述支路微通道。
2.如权利要求1所述的一种用于电渗流传输的微通道结构，其特征在于，所述若干支路微通道结构相同，所述若干支路微通道与所述干路微通道相连通，所述微通道单元体积为所述干路微通道体积与所述若干支路微通道体积之和，所述微通道单元长度为所述干路微通道长度与任一所述若干支路微通道长度之和，当所述微通道单元的体积和长度为定值时，所述干路微通道横截面积和所述支路微通道横截面积可变化。
3.如权利要求2所述的一种用于电渗流传输的微通道结构，其特征在于，所述微通道单元进行所述级联时下一级所述微通道单元的所述支路数可与所述微通道单元的所述支路数不同，上一级所述微通道单元的所述支路数也可与所述微通道单元的所述支路数不同。
4.如权利要求3所述的一种用于电渗流传输的微通道结构，其特征在于，所述微通道单元中所述干路微通道的长度远大于所述干路横截面直径，所述支路微通道的长度远大于所述支路横截面直径。
5.如权利要求4所述的一种用于电渗流传输的微通道结构，其特征在于，所述微通道单元中的所述干路微通道管壁和所述支路微通道管壁为非导电材料。
6.如权利要求1至5任一项所述的用于电渗流传输的微通道结构，其特征在于，所述横截面的形状可以为任意几何形状。
7.一种用于电渗流传输的微通道装置，其特征在于，所述微通道装置包括：
上盖板，通道基板；
所述上盖板和所述通道基板周缘均设有相对应的若干螺孔及螺栓用于紧固所述微通道装置，所述上盖板还包括若干凸起的接口，所述接口用作所述电渗流的流入和流出，所述微通道结构设于所述通道基板中。
8.如权利要求7所述的一种用于电渗流传输的微通道装置，其特征在于，所述微通道装置还包括密封圈和与所述密封圈对应的设于所述通道基板中所述微通道结构周围的密封圈卡槽，所述密封圈和所述密封圈卡槽用于防止所述电渗流泄漏。
9.如权利要求8所述的一种用于电渗流传输的微通道装置，其特征在于，所述密封圈的材质为橡胶。
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