CN113101847A - 一种双振子驱动的主-被动式压电微混合器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微流体混合器技术领域，具体涉及一种双振子驱动的主‑被动式压电微混合器。从上至下依次设置有第一压电振子、第一绝缘膜、基体、第二绝缘膜以及第二压电振子；所述绝缘膜、基体以及第二绝缘膜之间设置有混合腔；所述混合腔内部设有挡板和螺旋弹性体；所述挡板与基体相连；所述混合腔内部设有介质球；所述介质球位于挡板的左侧。优势与特点：混合效率和混合强度高，结构简单、易于集成。

Description

一种双振子驱动的主-被动式压电微混合器

技术领域

本发明属于微流体混合器技术领域，具体涉及一种双振子驱动的主-被动式压电微混合器。

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液体的混合。但现有压电微混合器仅采用压电振子直接扰动液体，由于压电振子自身振幅小，现有压电微混合器仍存在混合强度差的问题。

发明内容

针对现有微型混合器的不足，本发明提出一种双振子驱动的主-被动式压电微混合器，其混合速度更快、混合效果更好。

本发明实施例提供了一种双振子驱动的主-被动式压电微混合器，采用以下技术方案：从上至下依次设置有第一压电振子、第一绝缘膜、基体、第二绝缘膜以及第二压电振子；所述第一绝缘膜下表面的外缘与基体连接；所述第二绝缘膜上表面的外缘与基体连接；所述第一绝缘膜的上表面与第一压电振子连接；所述第二绝缘膜的下表面与第二压电振子连接；所述第一压电振子外缘与基体连接；所述第二压电振子外缘与基体连接；所述第一绝缘膜、基体以及第二绝缘膜之间设置有混合腔；所述基体的左端设有第一入口和第二入口；所述第一入口与第一入口分支连通；所述第二入口与第二入口分支连通；所述第一入口分支与第二入口分支汇总于入口混合流道；所述入口混合流道与混合腔连通；所述混合腔的右端与第一出口分支和第二出口分支连通；所述第一出口分支与第二出口分支汇总于出口混合流道；所述出口混合流道与出口连通；所述混合腔内部设有挡板；所述挡板与基体相连；所述混合腔内部设有介质球；所述介质球位于挡板的左侧；

进一步的，所述挡板上表面与第一绝缘膜之间留有间隙；所述挡板下表面与第二绝缘膜之间留有间隙；所述混合腔的上部通过第一绝缘膜与基体相连进行密封；所述混合腔的下部通过第二绝缘膜与基体相连进行密封。

进一步的，所述第一压电振子、第二压电振子均由压电陶瓷片和金属基板同心粘结而成；所述第一压电振子的下表面与第一绝缘膜相连，其实现了压电振子和混合腔的绝缘；所述第二压电振子的上表面与第二绝缘膜相连，其实现了第二压电振子和混合腔的绝缘；所述第一压电振子和第二压电振子用胶粘接的方式在其外缘与基体相连。

进一步的，所述第一入口和第二入口通入的两种液体由外部动力源持续定量输入。

进一步的，所述第一入口分支与第二入口分支所夹角度为α，且60°＜α＜120°，通过第一入口分支与第二入口分支交汇于混合流道使得液体进行了初步的被动混合。进一步的，所述第一出口分支与第二出口分支所夹角度为β，且60°＜β＜120°，通过第一出口分支与第二出口分支交汇于出口混合流道使液体再一次进行被动混合。

进一步的，所述介质球的密度

略大于混合液体的密度

；所述介质球不工作时聚集在第二绝缘膜的上表面；所述第二压电振子在驱动电压的作用下产生变形，第二绝缘膜产生相应变形驱动介质球在混合腔内产生运动并相互碰撞，从而加强对混合液的扰动效果，以此提高了混合器的混合效率。

进一步的，

。

进一步的，所述挡板位于混合腔内部靠近出口的一端；所述挡板的上表面与第一绝缘膜之间的最大工作间隙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第二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出口混合流道，同时，挡板能够减缓液体的流速，避免混合液体在还未充分混合就流出出口。

进一步的，在混合腔内还设置有螺旋弹簧状的螺旋弹性体，其螺旋半径均匀渐变；螺旋弹性体的螺旋直径沿着第一绝缘膜至第二绝缘膜方向先增加后减小，且所述螺旋弹性体的每层螺旋线之间的距离大于介质球的直径，保证介质球能够自由进出螺旋弹性体；螺旋弹性体设置于入口混合流道与挡板之间；螺旋弹性体相对于第一绝缘膜和第二绝缘膜的中面平面对称，其一端连接于第一绝缘膜的中心点，另一端连接于第二绝缘膜的中心点，两个圆形的绝缘膜的中点分别对应着圆形的第一压电振子、第二压电振子的中心点，压电振子在中心点处的位移最大，可以保证螺旋弹性体的变化量达到最大；螺旋弹性体由耐腐蚀且韧性、强度高的钛合金材料制成。

需要进行混合的两种液体分别通过第一入口和第二入口定量注入，再通过入口混合流道汇入混合腔，在这个过程中，两种液体得到了初步的被动混合。在混合腔内，混合液体由第一压电振子和第二压电振子驱动进行主动混合，主动混合过程可分为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：

第一工作状态：给第一压电振子、第二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、第二压电振子均向混合腔的外侧运动。

第二工作状态：给第一压电振子、第二压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压，第一压电振子和第二压电振子均向混合腔的内侧运动。

在交变电压信号的驱动下，第一、第二工作状态反复转变，所述混合腔内的混合液体在第一压电振子和第二压电振子的振动作用下充分混合；同时，介质球在第一压电振子和第二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液体的扰动效果，提高了混合强度和效率。在混合腔内充分混合后，混合液体再通过出口混合流道流出。所述出口混合流道采用多分枝流道，这样可使混合液体再次被动混合。

当第一、第二压电振子带动第一、第二绝缘膜进行运动时，设置于混合腔内的螺旋弹性体也随着第一、第二压电振子进行变化。第一工作状态中，螺旋弹性体被轴向拉伸至最长,其径向长度减少至最小；第二工作状态中，由于螺旋弹性体的弹性作用，其轴向压缩至最短，径向长度增加至最大。

螺旋弹性体在第一工作状态、第二工作状态的交替变化的过程中，其轴向尺寸和径向尺寸均发生变化，螺旋弹性体的本身会带动其周围的液体产生沿着螺旋弹性体径向以及轴向发生扰动，两个方向的扰动的叠加，使液体产生了不规则的紊流，大大提高了液体混合的均匀程度，同时，由于介质球可以自由出入螺旋弹性体的内外，螺旋弹性体的不断变化会与介质球发生碰撞，进一步提高介质球在混合腔内的活跃程度，提高液体混合效果。

本发明的特色及优势在于：1.混合强度和混合效率高：采用双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，同时入口混合流道和出口混合流道均采用多分枝结构进行被动混合，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.结构简单、易于集成：通过压电驱动，微混合器仅需在混合腔中加入介质球，流体混合效果即可得到大大提升，所以其结构简单、易于集成；3.通过设置在混合腔内的被第一、第二压电振子带动的螺旋弹性体，使混合腔内的液体产生了不规则紊流，大大提高了腔内液体的混合效果，同时，通过螺旋弹性体与介质球的协同作用，提高了介质球的活跃程度，进一步提高液体混合效果。

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的A-A向剖视图；

图3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4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5是图3中Ⅰ区域的局部放大图。

其中： 1-基体；101-第一入口；102-第二入口；113-第一入口分支；123-第二入口分支；103-入口混合流道；104-挡板；115-第一出口分支；125-第二出口分支；105-出口混合流道；106-出口；150-螺旋弹性体；21-第一压电振子；22-第二压电振子；2a-压电陶瓷片；2b-金属基板；31-第一绝缘膜；32-第二绝缘膜；4-混合腔；5-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，本发明提出一种双振子驱动的主-被动式压电微混合器，包括：从上至下依次设置有第一压电振子21、第一绝缘膜31、基体1、第二绝缘膜32以及第二压电振子22；所述第一绝缘膜31下表面的外缘与基体1连接；所述第二绝缘膜32上表面的外缘与基体1连接；所述第一绝缘膜31的上表面与第一压电振子21连接；所述第二绝缘膜32的下表面与第二压电振子22连接；所述第一压电振子21外缘与基体1连接；所述第二压电振子22外缘与基体1连接；所述第一绝缘膜31、基体1以及第二绝缘膜32之间设置有混合腔4；所述基体1的左端设有第一入口101和第二入口102；所述第一入口101与第一入口分支113连通；所述第二入口102与第二入口分支123连通；所述第一入口分支113与第二入口分支123汇总于入口混合流道103；所述入口混合流道103与混合腔4连通；所述混合腔4的右端与第一出口分支115和第二出口分支125分支连通；所述第一出口分支115与第二出口分支汇总于出口混合流道105；所述出口混合流道105与出口106连通；所述混合腔4内部设有挡板104；所述挡板104与基体1相连；所述混合腔4内部设有介质球5；所述介质球5位于挡板104的左侧；

进一步的，所述挡板104上表面与第一绝缘膜31之间留有间隙；所述挡板104下表面与第二绝缘膜32之间留有间隙；所述混合腔4的上部通过第一绝缘膜31与基体1相连进行密封；所述混合腔4的下部通过第二绝缘膜32与基体1相连进行密封。

进一步的，所述第一压电振子21、第二压电振子22均由压电陶瓷片2a和金属基板2b同心粘结而成；所述第一压电振子21的下表面与第一绝缘膜31相连，其实现了压电振子21和混合腔4的绝缘；所述第二压电振子22的上表面与第二绝缘膜32相连，其实现了第二压电振子22和混合腔4的绝缘；所述第一压电振子21和第二压电振子22用胶粘接的方式在其外缘与基体1相连。

进一步的，所述第一入口101和第二入口102通入的两种液体由外部动力源持续定量输入。

进一步的，所述第一入口分支113与第二入口分支123所夹角度为α，且60°＜α＜120°，通过第一入口分支113与第二入口分支123交汇于混合流道103使得液体进行了初步的被动混合。

进一步的，所述第一出口分支115与第二出口分支125所夹角度为β，且60°＜β＜120°，通过第一出口分支115与第二出口分支125交汇于出口混合流道105使液体再一次进行被动混合。

进一步的，所述介质球5的密度

略大于混合液体的密度

；所述介质球5不工作时聚集在第二绝缘膜32的上表面；所述第二压电振子22在驱动电压的作用下产生变形，第二绝缘膜32产生相应变形驱动介质球5在混合腔4内产生运动并相互碰撞，从而加强对混合液的扰动效果，以此提高了混合器的混合效率。

进一步的，

。

进一步的，所述挡板104位于混合腔4内部靠近出口106的一端；所述挡板104的上表面与第一绝缘膜31之间的最大工作间隙a小于介质球5的直径D，且

,这样可以防止介质球5跨过挡板104；所述挡板104的下表面与第二绝缘膜32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5跨过挡板104；设置挡板104可以避免介质球5流出混合腔4或堵塞出口混合流道105，同时，挡板能够减缓液体的流速，避免混合液体在还未充分混合就流出出口。

进一步的，在混合腔4内还设置有螺旋弹簧状的螺旋弹性体150，其螺旋半径均匀渐变；螺旋弹性体150的螺旋直径沿着第一绝缘膜31至第二绝缘膜32方向先增加后减小，且所述螺旋弹性体150的每层螺旋线之间的距离大于介质球5的直径，保证介质球5能够自由进出螺旋弹性体150；所述螺旋弹性体150设置于入口混合流道103与挡板104之间；所述螺旋弹性体150相对于第一绝缘膜31和第二绝缘膜32的中面平面对称，其一端连接于第一绝缘膜31的中心点，另一端连接于第二绝缘膜32的中心点，两个圆形的绝缘膜的中点分别对应着圆形的第一压电振子21、第二压电振子22的中心点，压电振子在中心点处的位移最大，可以保证螺旋弹性体150的变化量达到最大；所述螺旋弹性体150由耐腐蚀且韧性、强度高的钛合金材料制成。

需要进行混合的两种液体分别通过第一入口101和第二入口102定量注入，再通过入口混合流道103汇入混合腔4，在这个过程中，两种液体得到了初步的被动混合。在混合腔内，混合液体由第一压电振子21和第二压电振子22驱动进行主动混合，主动混合过程可分为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：

第一工作状态（图3）：给第一压电振子21、第二压电振子22施加与压电陶瓷片2a极化方向相反的电压；第一压电振子21、第二压电振子22均向混合腔4的外侧运动；当第一压电振子21位移变形最大时，得到挡板104的上表面与第一绝缘膜31之间的最大工作间隙a，如图5所示；当第二压电振子22位移变化最大时，得到挡板104的下表面与第二绝缘膜32之间的最大工作间隙b，如图5所示。

第二工作状态（图4）：给第一压电振子21、第二压电振子22施加与压电陶瓷片2a极化方向相同的电压，第一压电振子21和第二压电振子22均向混合腔4的内侧运动。

在交变电压信号的驱动下，第一、第二工作状态反复转变，所述混合腔4内的混合液体在第一压电振子21和第二压电振子22的振动作用下充分混合；同时，介质球5在第一压电振子21和第二压电振子22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液体的扰动效果，提高了混合强度和效率。在混合腔4内充分混合后，混合液体再通过出口混合流道105流出。所述出口混合流道105采用多分枝流道，这样可使混合液体再次被动混合。

当第一压电振子21、第二压电振子22带动第一绝缘膜31、第二绝缘膜32进行运动时，设置于混合腔4内的螺旋弹性体150也随着第一压电振子21、第二压电振子22进行变化。第一工作状态中，螺旋弹性体150被轴向拉伸至最长,其径向长度减少至最小；第二工作状态中，由于螺旋弹性体150的弹性作用，其轴向压缩至最短，径向长度增加至最大。

螺旋弹性体150在第一工作状态、第二工作状态的交替变化的过程中，其轴向尺寸和径向尺寸均发生变化，螺旋弹性体150的本身会带动其周围的液体产生沿着螺旋弹性体径向以及轴向发生扰动，两个方向的扰动的叠加，使液体产生了不规则的紊流，大大提高了液体混合的均匀程度，同时，由于介质球5可以自由出入螺旋弹性体的内外，螺旋弹性体150的不断变化会与介质球5发生碰撞，进一步提高介质球5在混合腔4内的活跃程度，提高液体混合效果。

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 (2)

1.一种双振子驱动的主-被动式压电微混合器，其特征在于：从上至下依次设置有第一压电振子、第一绝缘膜、基体、第二绝缘膜以及第二压电振子；所述第一绝缘膜下表面的外缘与基体连接；所述第二绝缘膜上表面的外缘与基体连接；所述第一绝缘膜的上表面与第一压电振子连接；所述第二绝缘膜的下表面与第二压电振子连接；所述第一压电振子外缘与基体连接；所述第二压电振子外缘与基体连接；所述第一绝缘膜、基体以及第二绝缘膜之间设置有混合腔；所述基体的左端设有第一入口和第二入口；所述第一入口与第一入口分支连通；所述第二入口与第二入口分支连通；所述第一入口分支与第二入口分支汇总于入口混合流道；所述入口混合流道与混合腔连通；所述混合腔的右端与第一出口分支和第二出口分支连通；所述第一出口分支与第二出口分支汇总于出口混合流道；所述出口混合流道与出口连通；所述混合腔内部设有挡板；所述挡板与基体相连；所述混合腔内部设有介质球；所述介质球位于挡板的左侧；所述挡板上表面与第一绝缘膜之间留有间隙；所述挡板下表面与第二绝缘膜之间留有间隙；所述第一压电振子、第二压电振子均由压电陶瓷片和金属基板同心粘结而成；所述第一入口和第二入口通入的两种液体由外部动力源持续定量输入；所述第一入口分支与第二入口分支所夹角度为α，且60°＜α＜120°；所述第一出口分支与第二出口分支所夹角度为β，且60°＜β＜120°；所述介质球的密度

略大于混合液体的密度

，且

；所述挡板位于混合腔内部靠近出口的一端；所述挡板的上表面与第一绝缘膜之间的最大工作间隙a小于介质球的直径D，且

；所述挡板的下表面与第二绝缘膜之间的最大工作间隙b小于介质球的直径D，且

。

2.根据权利要求 1 所述的一种双振子驱动的主-被动式压电微混合器，其特征在于：所述混合腔内设置有螺旋弹簧状的螺旋弹性体，其螺旋半径均匀渐变；所述螺旋弹性体的螺旋直径沿着第一绝缘膜至第二绝缘膜方向先增加后减小，且所述螺旋弹性体的每层螺旋线之间的距离大于所述介质球的直径；所述介质球可以自由出入螺旋弹性体的内外；所述螺旋弹性体设置于入口混合流道与挡板之间；所述螺旋弹性体相对于所述第一绝缘膜和所述第二绝缘膜的中面平面对称，其一端连接于所述第一绝缘膜的中心点，另一端连接于所述第二绝缘膜的中心点，两个圆形的绝缘膜的中点分别对应着圆形的所述第一压电振子、第二压电振子的中心点；所述螺旋弹性体由耐腐蚀且韧性、强度高的钛合金材料制成；所述螺旋弹性体在第一工作状态、第二工作状态的交替变化的过程中，其轴向尺寸和径向尺寸均发生变化，螺旋弹性体的本身会带动其周围的液体产生沿着螺旋弹性体径向以及轴向发生扰动，同时所述螺旋弹性体的不断变化会与介质球发生碰撞。

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