CN113101845A - 一种泵送和混合一体的压电微混合器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微流体混合器技术领域，具体涉及一种泵送和混合一体的压电微混合器。整体从上至下依次连接有上盖板、中间板、下盖板；所述中间板内部安装有第一压电振子和第二压电振子；所述中间板内部设置有第一泵腔、第二泵腔；所述上盖板和中间板之间设置有第一入口阀、第一出口阀；所述下盖板和中间板之间设置有第二入口阀、第二出口阀；所述中间板内部设置有混合腔；所述混合腔内部设置有多个介质球；所述中间板和下盖板之间设置有用于混合腔动力驱动的第三压电振子。优势与特点：混合效率和混合强度高，流体泵送精度高。

Description

一种泵送和混合一体的压电微混合器

技术领域

本发明属于微流体混合器技术领域，具体涉及一种泵送和混合一体的压电微混合器。

背景技术

在微流体领域，微混合器被广泛应用于化学、生物以及新能源领域。目前，微混合器根据驱动元件的有无可分为被动式微混合器和主动式微混合器。被动式微混合器通常采用复杂流道结构，尽可能增大流体接触面积以提高混合效率，其缺点在于结构复杂、混合效果及可控性差。主动式微混合器需要外部驱动元件驱动进行混合，主要包括：微搅拌、压力扰动、声波扰动、磁力驱动、电流体驱动等，其优点在于混合效果好且混合过程可控，但也会存在加工工艺复杂、加工成本昂贵、不易集成等诸多问题。作为主动式微混合器，压电微混合器具有结构简单、混合过程可控等特点，被广泛应用于微流体混合，如中国发明专利201310756812.4提出一种压电驱动微流体混合器，从结构上实现了流体的主要混合功能与泵送功能合二为一，微流体的泵送过程同时可以实现流体的混合。但现有压电微混合器主要采用压电振子直接扰动流体，由于压电振子自身振幅小，其仍存混合强度差的问题。

发明内容

针对现有微型混合器的不足，本发明提出一种结构简单、易于加工的主-被动式压电微混合器，使混合的速度更快，混合的效果更好。

本发明实施例提供了一种泵送和混合一体的压电微混合器，采用以下技术方案：从上至下依次连接有上盖板、中间板、下盖板；所述上盖板上表面设置有第一入口；所述上盖板内部设置第一通道；所述上盖板和中间板内部设置有第一分支流道；所述第一通道与入口连通；所述中间板内部安装有第一压电振子和第二压电振子；所述第一压电振子和第二压电振子的外缘与中间板连接；所述中间板内部设置有与第一压电振子配套进行驱动的第一泵腔；所述中间板内部设置有与第二压电振子配套进行驱动的第二泵腔；所述上盖板和中间板之间设置有控制流体从第一通道到第一泵腔单向流通的第一入口阀；所述上盖板和中间板之间设置有控制流体从第一泵腔至第一分支流道单向流通的第一出口阀；所述下盖板下表面设置有第二入口；所述下盖板内部设置有第二通道；所述下盖板和中间板内部设置有第二分支流道；所述下盖板和中间板之间设置有控制流体从第二通道到第二泵腔单向流通的第二入口阀；所述下盖板和中间板之间设置有控制流体从第二泵腔至第二分支流道单向流通的第二出口阀；所述第一分支流道与第二分支流道交汇于第一混合流道；所述中间板内部设置有混合腔；所述第一混合流道与混合腔连通；所述混合腔内部设置有多个介质球；所述中间板内部设置有第二混合流道；所述第二混合流道连通混合腔和出口；所述中间板和下盖板之间设置有用于混合腔动力驱动的第三压电振子；所述第三压电振子上表面连接有用于绝缘和缓冲的绝缘膜；所述绝缘膜外缘与中间板连接；所述第三压电振子外缘与下盖板连接。

进一步的，所述第一入口阀、第二入口阀、第一出口阀、第二出口阀均由阀座和柔性阀膜构成；所述阀座内部中心设置有阀孔；所述阀座设置有可保持柔性阀膜处于拉伸状态的凸台；所述柔性阀膜外缘与阀座连接；所述柔性阀膜由高弹性的橡胶膜制成；所述柔性阀膜与凸台配合安装后具有一定的变形拉伸，这样可以保证阀的密封性；所述柔性阀膜的宽度大于阀孔的孔径；所述第一入口阀的阀座与上盖板连接；所述第二入口阀的阀座与下盖板连接；所述第一出口阀和第二出口阀的阀座与中间板连接；当阀孔内部与外部的压力差高于柔性阀膜开启压力时，柔性阀膜在压力差作用下拉伸，阀打开；当阀孔内部压力低于柔性阀膜的外部压力时，柔性阀膜在自身弹力和压力差作用下收缩，阀关闭。

进一步的，所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子均由压电陶瓷片和金属基板同心粘接而成。

进一步的，所述介质球的密度

略大于混合腔内混合流体的密度

，介质球不工作时聚集在绝缘膜的上表面； 所述第三压电振子在驱动电压的作用下产生变形，带动绝缘膜产生相应变形进而驱动介质球在混合腔内产生运动并相互碰撞，从而加强了对混合流体的扰动效果，以此提高了混合效率和强度；所述绝缘膜实现了第三压电振子与混合腔的绝缘，同时也缓冲了工作过程中介质球对第三压电振子的撞击。

进一步的，

。

进一步的，所述混合腔内部设置有防止介质球流出混合腔的挡板；所述挡板位于混合腔内部靠近第二混合流道一侧；所述挡板的上表面与上盖板之间的工作间隙a小于介质球的直径D，且

,这样可以防止介质球跨过挡板；所述挡板的下表面与绝缘膜之间的最大工作间隙b小于介质球的直径D，且

,这样可以防止介质球跨过挡板；设置挡板可以避免介质球流出混合腔或堵塞第二混合流道，同时混合流体又可在挡板处产生复杂的漩涡群再次加强混合效果；所述挡板两端与中间板连接。

进一步的，第一分支流道和第二分支流道的流体流入聚合腔；所述聚合腔内的流体通过第一混合流道流出；所述第一分支流道和第二分支流道的液体流入入口方向以及第一混合流道的液体流出出口方向设置为与聚合腔的圆周内表面相切的方向。

进一步的，第三压电振子的初始形状为向下凹陷的月牙状。

进一步的，在第一分支流道与聚合腔相接的入口处以及第二分支流道与聚合腔的入口处均设置有网板，网板上均匀阵列有圆形通孔；聚合腔的内壁上均匀设置有半球形凸起。

一种泵送和混合一体的压电微混合器的工作状态可分为初始状态、第一工作状态以及第二工作状态，本实施例的具体工作过程，叙述如下：

初始状态：不施加交变电压，第一压电振子、第二压电振子和第三压电振子均不变形，介质球在自身重力作用下聚集在绝缘膜的上表面。

第一工作状态：给第一压电振子、第二压电振子和第三压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压，第一压电振子向第一泵腔外侧运动，第一泵腔体积增大、压力减小，进而第一入口阀开启、第一出口阀关闭，流体X从第一入口进入第一泵腔；第二压电振子向第二泵腔外侧运动，第二泵腔体积增大、压力减小，进而第二入口阀开启、第二出口阀关闭，流体Y从第二入口进入第二泵腔；第三压电振子向混合腔的外侧运动，介质球开始运动；在第三压电振子变形最大时，挡块与绝缘膜之间产生最大工作间隙b。

第二工作状态：给第一压电振子、第二压电振子和第三压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压，第一压电振子向第一泵腔的内侧运动，第一泵腔体积减小、压力增加，进而第一入口阀关闭、第一出口阀开启，流体X进入第一分支流道；第二压电振子向第二泵腔的内侧运动，第二泵腔体积减小、压力增大，进而第二入口阀关闭、第二出口阀开启，流体Y进入第二分支流道；第三压电振子向混合腔的内侧运动，介质球的运动逐渐变强。

在交变电压信号的驱动下，第一、第二工作状态反复转变，流体X不断从第一入口进入第一分支流道；流体Y不断从第二入口进入第二分支流道；流体X和流体Y交汇于第一混合流道，实现了第一次被动混合并形成了混合流体；混合流体通过第一混合流道进入混合腔；在第三压电振子的上下振动作用下，混合流体在混合腔内再次充分混合；同时介质球在第三压电振子的驱动下不停地运动并相互碰撞，从而进一步增强了对混合流体的扰动效果，提高了混合强度和效率；混合流体通过第二混合流道到达出口。

本发明的特色及优势在于：1.混合强度和混合效率高：采用压电振子振动结合介质球的方式进行主动流体混合，这增强了混合腔内混合流体的扰动强度，同时第一混合流道和第二混合流道均采用扰流进行被动混合，通过主动和被动混合相结合，微混合器的混合效率大大提高；2.流体泵送易控制且泵送精度高：采用柔性阀膜作为单向阀，入口阀和出口阀的密封性得到很大的提升，可通过调节驱动电压或驱动频率进行精密的流体泵送调节，控制难度低且流体输送精度高；3．结构简单、易于集成：通过压电驱动同时进行泵送和混合，整体结构简单、易于集成；4.通过第一分支流道和第二分支流道的液体流入入口方向以及第一混合流道的液体流出出口方向设置为与聚合腔的圆周内表面相切的方向，使两种液体在被吸入聚合腔的时候，形成相互交织的旋流，进一步提升了液体的混合效果；5.通过将第三压电振子的初始形状设置向下凹陷的月牙状，使介质球初始以及下落均易集中于其凹陷处，当第三压电振子工作时，造成介质球集中→发散→集中的运动状态，这样提高了介质球的运动效果，进而提升了液体的混合效果；6.通过在第一分支流道与聚合腔相接的入口处以及第二分支流道与聚合腔设置带通孔的网板，将进入聚合腔的液体首先打散，使两种液体能够以更细小的径流混合，同时聚合腔内壁的半球形凸起可以防止切向进入的两种液体紧贴聚合腔的内壁，造成两种液体分层不易混合，通过网板以及半球形凸起协同作用，使液体先被打散，然后在交叉混合，使混合效果得到极大改善。

附图说明：

图1是本发明一个较佳实施例的结构剖面图；

图2是图1中Ⅰ区域的局部放大图；

图3是图2的A-A局部剖视图；

图4是图2在阀打开时的示意图；

图5是图2在阀关闭时的示意图；

图6是本发明一个较佳实施例中第一工作状态的结构剖面图；

图7是本发明一个较佳实施例中第二工作状态的结构剖面图；

图8是图6中Ⅱ区域的局部放大图；

图9为图1的B-B局部剖视图；

图10为聚合腔的局部视图；

图11为第三压电振子向下凹陷的月牙状示意图；

其中： 1-上盖板；11-第一入口；101-第一通道；102-第一分支流道；2-中间板；21-挡板； 203-第一混合流道；204-第二混合流道；13-出口；3-下盖板；12-第二入口；301-第二通道；302-第二分支流道；41-第一入口阀；42-第二入口阀；43-第一出口阀；44-第二出口阀；401-阀座；411-阀孔；421-凸台；402-柔性阀膜；51-第一压电振子；52-第二压电振子；53-第三压电振子；5a-压电陶瓷片；5b-金属基板；61-第一泵腔；62-第二泵腔；63-聚合腔；7-绝缘膜；8-混合腔；9-介质球。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9，本发明提出一种泵送和混合一体的压电微混合器，包括：从上至下依次连接有上盖板1、中间板2、下盖板3；所述上盖板1上表面设置有第一入口11；所述上盖板1内部设置第一通道101；所述上盖板1和中间板2内部设置有第一分支流道102；所述第一通道101与入口11连通；所述中间板2内部安装有第一压电振子51和第二压电振子52；所述第一压电振子51和第二压电振子52的外缘与中间板2连接；所述中间板2内部设置有与第一压电振子51配套进行驱动的第一泵腔61；所述中间板2内部设置有与第二压电振子52配套进行驱动的第二泵腔62；所述上盖板1和中间板2之间设置有控制流体从第一通道101到第一泵腔61单向流通的第一入口阀41；所述上盖板1和中间板2之间设置有控制流体从第一泵腔61至第一分支流道102单向流通的第一出口阀43；所述下盖板3下表面设置有第二入口12；所述下盖板3内部设置有第二通道301；所述下盖板3和中间板2内部设置有第二分支流道302；所述下盖板3和中间板2之间设置有控制流体从第二通道301到第二泵腔62单向流通的第二入口阀42；所述下盖板3和中间板2之间设置有控制流体从第二泵腔62至第二分支流道302单向流通的第二出口阀44；所述第一分支流道102与第二分支流道302交汇于第一混合流道203；所述中间板2内部设置有混合腔8；所述第一混合流道203与混合腔8连通；所述混合腔8内部设置有多个介质球9；所述中间板2内部设置有第二混合流道204；所述第二混合流道204连通混合腔8和出口13；所述中间板2和下盖板3之间设置有用于混合腔8动力驱动的第三压电振子53；所述第三压电振子53上表面连接有用于绝缘和缓冲的绝缘膜7；所述绝缘膜7外缘与中间板2连接；所述第三压电振子53外缘与下盖板3连接。

进一步的，如图2所示，所述第一入口阀41、第二入口阀42、第一出口阀43、第二出口阀44均由阀座401和柔性阀膜402构成；所述阀座401内部中心设置有阀孔411；所述阀座401设置有可保持柔性阀膜402处于拉伸状态的凸台421；所述柔性阀膜402外缘与阀座401连接；所述柔性阀膜402由高弹性的橡胶膜制成；所述柔性阀膜402与凸台421配合安装后具有一定的变形拉伸，这样可以保证阀的密封性；如图3所示，所述柔性阀膜402的宽度C大于阀孔411的孔径；所述第一入口阀41的阀座401与上盖板1连接；所述第二入口阀42的阀座401与下盖板3连接；所述第一出口阀43和第二出口阀44的阀座与中间板2连接；如图4所示，当阀孔411内部与外部的压力差高于柔性阀膜402开启压力时，柔性阀膜402在压力差作用下拉伸，阀打开；如图5所示，当阀孔411内部压力低于柔性阀膜402的外部压力时，柔性阀膜402在自身弹力和压力差作用下收缩，阀关闭。

进一步的，所述第一压电振子51、第二压电振子52、第三压电振子53均由压电陶瓷片5a和金属基板5b同心粘接而成。

进一步的，所述介质球9的密度

略大于混合腔8内混合流体的密度

，介质球9不工作时聚集在绝缘膜7的上表面； 所述第三压电振子53在驱动电压的作用下产生变形，带动绝缘膜7产生相应变形进而驱动介质球9在混合腔8内产生运动并相互碰撞，从而加强了对混合流体的扰动效果，以此提高了混合效率和强度；所述绝缘膜7实现了第三压电振子53与混合腔8的绝缘，同时也缓冲了工作过程中介质球9对第三压电振子53的撞击。

进一步的，

。

进一步的，所述混合腔8内部设置有防止介质球9流出混合腔8的挡板21；所述挡板21位于混合腔8内部靠近第二混合流道204一侧；如图8所示，所述挡板21的上表面与上盖板1之间的工作间隙a小于介质球9的直径D，且

,这样可以防止介质球9跨过挡板21；所述挡板21的下表面与绝缘膜7之间的最大工作间隙b小于介质球5的直径D，且

,这样可以防止介质球9跨过挡板21；设置挡板21可以避免介质球9流出混合腔8或堵塞第二混合流道204，同时混合流体又可在挡板21处产生复杂的漩涡群再次加强混合效果；如图9所示，所述挡板21两端与中间板2连接。

进一步的，如图 10 所示，所述中间板设置有聚合腔63；第一分支流道102 和第二分支流道302的流体流入聚合腔63；所述聚合腔63内的流体通过第一混合流道203流出；所述第一分支流道102和第二分支流道302 的液体流入入口方向以及第一混合流道203的液体流出出口方向设置为与聚合腔63的圆周内表面相切的方向。

进一步的，如图 11所示，第三压电振子 53的初始形状为向下凹陷的月牙状。

进一步的，在第一分支流道102 与聚合腔63 相接的入口处以及第二分支流道302与聚合腔63 的入口处均设置有网板，网板上均匀阵列有圆形通孔；聚合腔63 的内壁上均匀设置有半球形凸起；通过在第一分支流道102 与聚合腔63 相接的入口处以及第二分支流道302 与聚合腔63 设置带通孔的网板，将进入聚合腔63 的液体首先打散，使两种液体能够以更细小的径流混合，同时聚合腔63 内壁的半球形凸起可以防止切向进入的两种液体紧贴聚合腔63 的内壁，造成两种液体分层不易混合；网板以及半球形凸起协同作用，使液体先被打散，然后在交叉混合，使混合效果得到极大改善。

一种泵送和混合一体的压电微混合器的工作状态可分为初始状态、第一工作状态以及第二工作状态，本实施例的具体工作过程，叙述如下：

初始状态（图1）：不施加交变电压，第一压电振子51、第二压电振子52和第三压电振子53均不变形，介质球9在自身重力作用下聚集在绝缘膜7的上表面。

第一工作状态（图6）：给第一压电振子51、第二压电振子52和第三压电振子53施加与压电陶瓷片5a极化方向相反的电压，第一压电振子51向第一泵腔61外侧运动，第一泵腔61体积增大、压力减小，进而第一入口阀41开启、第一出口阀43关闭，流体X从第一入口11进入第一泵腔61；第二压电振子52向第二泵腔62外侧运动，第二泵腔62体积增大、压力减小，进而第二入口阀42开启、第二出口阀44关闭，流体Y从第二入口12进入第二泵腔62；第三压电振子53向混合腔8的外侧运动，介质球9开始运动；如图8所示，在第三压电振子53变形最大时，挡块21与绝缘膜7之间产生最大工作间隙b。

第二工作状态（图7）：给第一压电振子51、第二压电振子52和第三压电振子53施加与压电陶瓷片5a极化方向相同的电压，第一压电振子51向第一泵腔61的内侧运动，第一泵腔61体积减小、压力增加，进而第一入口阀41关闭、第一出口阀43开启，流体X进入第一分支流道102；第二压电振子52向第二泵腔62的内侧运动，第二泵腔62体积减小、压力增大，进而第二入口阀42关闭、第二出口阀44开启，流体Y进入第二分支流道302；第三压电振子53向混合腔8的内侧运动，介质球9的运动逐渐变强。

在交变电压信号的驱动下，第一、第二工作状态反复转变，流体X不断从第一入口11进入第一分支流道102；流体Y不断从第二入口12进入第二分支流道302；流体X和流体Y交汇于第一混合流道203，实现了第一次被动混合并形成了混合流体；混合流体通过第一混合流道302进入混合腔8；在第三压电振子53的上下振动作用下，混合流体在混合腔8内再次充分混合；同时介质球9在第三压电振子53的驱动下不停地运动并相互碰撞，从而进一步增强了对混合流体的扰动效果，提高了混合强度和效率；混合流体通过第二混合流道204到达出口13。

以上实施例供理解本发明之用，并非用于限制，在不违背本发明原理情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出多种变化和变形，但这些相应的变化和变形都应属于本发明所属的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种泵送和混合一体的压电微混合器，其特征在于：从上至下依次连接有上盖板、中间板、下盖板；所述上盖板上表面设置有第一入口；所述上盖板内部设置第一通道；所述上盖板和中间板内部设置有第一分支流道；所述第一通道与入口连通；所述中间板内部安装有第一压电振子和第二压电振子；所述第一压电振子和第二压电振子的外缘与中间板连接；所述中间板内部设置有与第一压电振子配套进行驱动的第一泵腔；所述中间板内部设置有与第二压电振子配套进行驱动的第二泵腔；所述上盖板和中间板之间设置有控制流体从第一通道到第一泵腔单向流通的第一入口阀；所述上盖板和中间板之间设置有控制流体从第一泵腔至第一分支流道单向流通的第一出口阀；所述下盖板下表面设置有第二入口；所述下盖板内部设置有第二通道；所述下盖板和中间板内部设置有第二分支流道；所述下盖板和中间板之间设置有控制流体从第二通道到第二泵腔单向流通的第二入口阀；所述下盖板和中间板之间设置有控制流体从第二泵腔至第二分支流道单向流通的第二出口阀；所述第一分支流道与第二分支流道交汇于第一混合流道；所述中间板内部设置有混合腔；所述第一混合流道与混合腔连通；所述混合腔内部设置有多个介质球；所述中间板内部设置有第二混合流道；所述第二混合流道连通混合腔和出口；所述中间板和下盖板之间设置有用于混合腔动力驱动的第三压电振子；所述第三压电振子上表面连接有用于绝缘和缓冲的绝缘膜；所述绝缘膜外缘与中间板连接；所述第三压电振子外缘与下盖板连接；所述第一入口阀、第二入口阀、第一出口阀、第二出口阀均由阀座和柔性阀膜构成；所述阀座内部中心设置有阀孔；所述阀座设置有可保持柔性阀膜处于拉伸状态的凸台；所述柔性阀膜外缘与阀座连接；所述柔性阀膜由高弹性的橡胶膜制成；所述柔性阀膜与凸台配合安装后具有一定的变形拉伸；所述柔性阀膜的宽度大于阀孔的孔径；所述第一入口阀的阀座与上盖板连接；所述第二入口阀的阀座与下盖板连接；所述第一出口阀和第二出口阀的阀座与中间板连接；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子均由压电陶瓷片和金属基板同心粘接而成；所述介质球的密度

略大于混合腔内混合流体的密度

，且

；所述混合腔内部设置有防止介质球流出混合腔的挡板；所述挡板位于混合腔内部靠近第二混合流道一侧；所述挡板的上表面与上盖板之间的工作间隙a小于介质球的直径D，且

；所述挡板的下表面与绝缘膜之间的最大工作间隙b小于介质球的直径D，且

；所述挡板两端与中间板连接。

2.根据权利要求 1 所述的泵送和混合一体的压电微混合器，其特征在于：所述中间板设置由聚合腔；所述第一分支流道和第二分支流道的流体流入聚合腔；所述聚合腔内的流体通过第一混合流道流出；所述第一分支流道和第二分支流道的液体流入入口方向以及第一混合流道的液体流出出口方向设置为与聚合腔的圆周内表面相切的方向。

3.根据权利要求 1 所述的泵送和混合一体的压电微混合器，其特征在于：第三压电振子的初始形状为向下凹陷的月牙状。

4.根据权利要求 2 所述的泵送和混合一体的压电微混合器，其特征在于：所述第一分支流道与聚合腔相接的入口处以及第二分支流道与聚合腔的入口处均设置有网板；所述网板上环形均匀阵列有圆形通孔；所述聚合腔的内壁上均匀设置有半球形凸起。

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