CN113262691B - 一种主动式压电固液微混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微流体混合技术领域，具体涉及一种主动式压电固液微混合器。由上板、中板、下板、第一压电振子、第二压电振子、小球、绝缘膜和漏斗构成；上板、中板和下板从上至下依次同心连接；上板和中板之间设置有第一压电振子；第一金属基板的中心处开设有一通孔；通孔处安装有漏斗；第一金属基板在通孔周围均布设置有6个排气孔；下板和中板之间设置有第二压电振子；第二压电振子与下板同心连接；第二金属基板上表面设置有绝缘膜；第一压电振子，中板和绝缘膜之间设置有混合腔；混合腔内放置有多个小球；中板的两侧分别设置有进口和出口；混合腔靠近出口的一侧设置有横梁。特色及优势：混合效率和混合强度高，结构简单、易于集成。

Description

一种主动式压电固液微混合器
技术领域
本发明属于微流体混合技术领域，具体涉及一种主动式压电固液微混合器。
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主要采用压电振子直接扰动液体，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
针对现有压电微混合器存在的不足，本发明提出一种主动式压电固液微混合器，采用以下技术方案：由上板、中板、下板、第一压电振子、第二压电振子、小球、绝缘膜和漏斗构成；所述上板、中板和下板从上至下依次同心连接；所述上板和中板之间设置有第一压电振子；所述第一压电振子由第一金属基板和第一压电陶瓷片同心粘接而成；所述第一金属基板的中心处开设有一通孔；所述通孔处安装有漏斗；所述漏斗内填充有固体颗粒；所述第一金属基板在通孔周围均布设置有6个排气孔，排气孔的作用在于释放腔内气体，保证腔内外气压相等；所述下板和中板之间设置有第二压电振子；所述第二压电振子与下板同心连接；所述第二压电振子由第二金属基板和第二压电陶瓷片同心粘接而成；所述第二金属基板的上表面设置有绝缘膜；所述第一压电振子，中板和绝缘膜之间设置有混合腔；所述混合腔内放置有多个小球；所述中板的两侧分别设置有进口和出口；所述混合腔靠近出口的一侧设置有横梁。通过以上设置，当液体和固体颗粒的混合溶液流出混合腔时，在出口处会遇到横梁的阻碍而产生复杂的漩涡群，所产生的漩涡群会促进混合。
进一步地，液体由外部动力源持续定量从进口输入，在混合腔与固体颗粒充分混合后由出口处的输出动力源抽出。
进一步地，漏斗内的固体颗粒排出体积
Figure 565551DEST_PATH_IMAGE001
与施加在第一压电振子上的驱动频率
Figure 235960DEST_PATH_IMAGE002
之间存在相应关系：
Figure 64546DEST_PATH_IMAGE003
其中
Figure 582115DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 793522DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 625212DEST_PATH_IMAGE006
为固体颗粒的堆积密度，
Figure 992127DEST_PATH_IMAGE007
为漏斗管道的内径，
Figure 664286DEST_PATH_IMAGE008
为无量纲振动强度，
Figure 411924DEST_PATH_IMAGE009
为固体颗粒能够掉落的最小振动强度，
Figure 502764DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 439365DEST_PATH_IMAGE011
为无量纲比例系数，
Figure 844544DEST_PATH_IMAGE012
为重力系数。
进一步地，所述第一压电振子和上板之间的连接方式为胶接。
进一步地，所述小球的密度大于液体的密度，在第二压电振子不工作时，小球因自身重力聚集在绝缘膜的上表面。
进一步地，所述绝缘膜可以防止混合腔内的液体与第二压电振子的第二金属基板接触，保证第二压电振子与混合腔绝缘。
进一步地，当液体和固体颗粒的混合溶液流出混合腔时，在出口处会遇到横梁的阻碍而产生复杂的漩涡群，所产生的漩涡群会促进混合。
进一步地，如图2所示，为防止小球跑出混合腔，所述第一压电振子在向上振动达到最大变形量时第一金属基板下表面与横梁上表面之间的距离小于小球的直径，所述第二压电振子在向下振动达到最大变形量时绝缘膜上表面与横梁下表面之间的距离小于小球的直径；所述横梁的高度小于混合腔的高度；所述横梁的厚度小于混合腔半径的一半。
本实施例理想的工作过程可分为第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态。
第一工作状态：外部动力源向进口定量输入待混合液体，第一压电振子和第二压电振子不工作，然后停止，液体保留于腔体内。
第二工作状态：给第一压电振子施加交变电压，第一压电振子开始振动（当施加与第一压电陶瓷片极化方向相同的电压时，第一压电振子向下振动；当施加与第一压电陶瓷片极化方向相反的电压时，第一压电振子向上振动）；所述第一压电振子的振动带动漏斗振动使得固体颗粒不断向下排出；给第二压电振子施加交变电压，第二压电振子开始振动（当施加与第二压电陶瓷片极化方向相同的电压时，第二压电振子向上振动；当施加与第二压电陶瓷片极化方向相反的电压时，第二压电振子向下振动）；所述第二压电振子上下振动使液体和固体颗粒获得初步的混合效果；同时，第二压电振子振动带动小球运动，由于小球的滞后性，多个小球会产生相互碰撞，碰撞使得小球对液体和固体颗粒的扰流加剧，从而提高混合效率。
第三工作状态，在液体和固体颗粒混合后，出口处的输出动力源将混合溶液抽出；在混合溶液抽出时会在出口处遇到横梁的阻碍而产生复杂的漩涡群，所产生的漩涡群会进一步加剧混合。
三个工作状态的交替进行就能实现液体和固体颗粒的持续高效混合。
本发明的特色及优势在于：1.混合效率和混合强度高：采用压电振子结合小球的方式进行流体混合，在压电振子振动过程中，混合腔中的小球来回运动和碰撞，增强了混合腔内混合液体的扰动效果，提高了微混合器的混合强度；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小球，液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.通过设置固体颗粒排出体积V 与施加在第一压电振子上的驱动频率f 之间的对应关系，使混合器能够根据固体颗粒的多少自动调整混合的强度，避免当固体颗粒逐渐增多时，由于混合强度不足导致混合不均；或者避免当固体颗粒较少时，混合强度过大浪费能源。
附图说明：
图1是本发明一个较佳实施例的示意图；
图2是本发明一个较佳工作状态的示意图；
图3是本发明一个较佳实施例中第一压电振子的俯视图；
图4是本发明一个较佳实施例中中板的俯视图；
其中：1-上板；2-中板；21-横梁；22-混合腔；23-进口；24-出口；3-下板；4-第一压电振子；41-第一金属基板；42-第一压电陶瓷片；43-排气孔；44-通孔；5-第二压电振子；51-第二金属基板；52-第二压电陶瓷片；6-小球；7-绝缘膜；8-漏斗。
具体实施方式：下面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。
请参照图1、图2、图3和图4，本发明提出一种主动式压电固液微混合器，包括：上板1、中板2、下板3、第一压电振子4、第二压电振子5、小球6、绝缘膜7和漏斗8；所述上板1、中板2和下板3从上至下依次同心连接；所述上板1和中板2之间安装有第一压电振子4；所述第一压电振子4由第一金属基板41和第一压电陶瓷片42同心粘接而成；所述第一金属基板41的中心处开设有一通孔44；所述通孔44处安装有漏斗8；所述漏斗8内填充有固体颗粒；所述第一金属基板41在通孔44周围均布设置有6个排气孔43，排气孔43的作用在于释放腔内气体，保证腔内外气压相等；所述下板3和中板2之间安装有第二压电振子5；所述第二压电振子5与下板3同心连接；所述第二压电振子5由第二金属基板51和第二压电陶瓷片52同心粘接而成；所述第二金属基板51的上表面连接有绝缘膜7；所述绝缘膜7外缘与中板2密封连接；所述第一压电振子4，中板2和绝缘膜7之间设置有混合腔22；所述中板2的两侧分别设置有进口23和出口24；所述混合腔22内部设有横梁21；所述横梁21与中板2相连；所述混合腔22内部设有小球6；所述小球6位于横梁21的左侧。
进一步地，液体由外部动力源持续定量从进口23输入，在混合腔22与固体颗粒充分混合后由出口24处的外部动力源吸出，通过液体的输入和输出控制，可以控制混合腔22内的液面，以此防止液面超过漏斗8的颗粒出口。
进一步地，漏斗8内的固体颗粒排出体积
Figure 437068DEST_PATH_IMAGE001
与施加在第一压电振子4上的驱动频率
Figure 925075DEST_PATH_IMAGE002
之间存在相应关系：
Figure 827434DEST_PATH_IMAGE013
其中
Figure 77281DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 78472DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 117973DEST_PATH_IMAGE006
为固体颗粒的堆积密度，
Figure 251669DEST_PATH_IMAGE007
为漏斗管道的内径，
Figure 801644DEST_PATH_IMAGE008
为无量纲振动强度，
Figure 837602DEST_PATH_IMAGE009
为固体颗粒能够掉落的最小振动强度，
Figure 605094DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 167532DEST_PATH_IMAGE011
为无量纲比例系数，
Figure 198329DEST_PATH_IMAGE012
为重力系数。
进一步地，所述小球6的密度
Figure 331370DEST_PATH_IMAGE014
略大于固液混合流体密度
Figure 712673DEST_PATH_IMAGE015
；所述小球6不工作时聚集在绝缘膜7的上表面；所述第二压电振子5在驱动电压的作用下产生变形，绝缘膜7产生相应变形驱动小球6在混合腔22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。
进一步地，
Figure 866967DEST_PATH_IMAGE016
。
进一步地，所述绝缘膜7可以防止混合腔22内的液体与第二压电振子5的第二金属基板51接触，保证第二压电振子5与混合腔22绝缘。
进一步地，当液体和固体颗粒的混合溶液流出混合腔22时，在出口24处会遇到横梁21的阻碍而产生复杂的漩涡群，所产生的漩涡群会促进混合。
进一步地，所述横梁21位于混合腔22内部靠近出口24的一端；所述第一压电振子4在向上振动达到最大变形量时第一金属基板41下表面与横梁21上表面之间的间隙为最大工作间隙S1；所述横梁21的上表面与第一金属基板41之间的最大工作间隙S1小于小球6的直径D，且
Figure 862474DEST_PATH_IMAGE017
,这样可以防止小球6跨过横梁21；所述第二压电振子5在向下振动达到最大变形量时绝缘膜7上表面与横梁21下表面之间的间隙为最大工作间隙S2；所述横梁21的下表面与绝缘膜7之间的最大工作间隙S2小于小球6的直径D，且
Figure 482811DEST_PATH_IMAGE018
, 防止小球6跨过横梁21；设置横梁21可以避免小球6流出混合腔22或堵塞出口24，同时，横梁21能够减缓混合流体的流速，避免混合流体在还未充分混合就流出出口。当液体和固体颗粒
的混合溶液流出混合腔22 时，在出口24 处会遇到横梁21 的阻碍而产生复杂的漩涡群，所产生的漩涡群会促进混合。
本实施例理想的工作过程可分为第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态。
第一工作状态：外部动力源向进口23定量输入待混合液体，然后停止，液体保留于腔体内，第一压电振子4和第二压电振子5不工作。
第二工作状态：给第一压电振子4施加交变电压，第一压电振子4开始振动（当施加与第一压电陶瓷片42极化方向相同的电压时，第一压电振子4向下振动；当施加与第一压电陶瓷片42极化方向相反的电压时，第一压电振子4向上振动）；所述第一压电振子4的振动带动漏斗8振动使得固体颗粒不断向下排出；给第二压电振子5施加交变电压，第二压电振子5开始振动（当施加与第二压电陶瓷片52极化方向相同的电压时，第二压电振子5向上振动；当施加与第二压电陶瓷片52极化方向相反的电压时，第二压电振子5向下振动）；所述第二压电振子5上下振动使液体和固体颗粒获得初步的混合效果；同时，第二压电振子5振动带动小球6运动，由于小球6的滞后性，多个小球6会产生相互碰撞，碰撞使得小球6对液体和固体颗粒的扰流加剧，从而提高混合效率。
第三工作状态，在液体和固体颗粒混合后，出口24处的输出动力源将混合溶液抽出；在混合溶液抽出时会在出口24处遇到横梁21的阻碍而产生复杂的漩涡群，所产生的漩涡群会进一步加剧混合。
三个工作状态的交替进行就能实现液体和固体颗粒的持续高效混合。
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 (3)

1.一种主动式压电固液微混合器，其特征在于，包括：上板1、中板2、下板3、第一压电振子4、第二压电振子5、小球6、绝缘膜7和漏斗8；所述上板1、中板2和下板3从上至下依次同心连接；所述上板1和中板2之间安装有第一压电振子4；所述第一压电振子4由第一金属基板41和第一压电陶瓷片42同心粘接而成；所述第一金属基板41的中心处开设有一通孔44；所述通孔44处安装有漏斗8；所述漏斗8内填充有固体颗粒；所述第一金属基板41在通孔44周围均布设置有6个排气孔43，排气孔43的作用在于释放腔内气体，保证腔内外气压相等；所述下板3和中板2之间安装有第二压电振子5；所述第二压电振子5与下板3同心连接；所述第二压电振子5由第二金属基板51和第二压电陶瓷片52同心粘接而成；所述第二金属基板51的上表面连接有绝缘膜7；所述绝缘膜7外缘与中板2密封连接；所述第一压电振子4，中板2和绝缘膜7之间设置有混合腔22；所述中板2的两侧分别设置有进口23和出口24；所述混合腔22内部设有横梁21；所述横梁21与中板2相连；所述混合腔22内部设有小球6；所述小球6位于横梁21的左侧；漏斗8内的固体颗粒排出体积V与施加在第一压电振子4上的驱动频率f之间存在相应关系：
Figure FDA0003492107490000011
其中
Figure FDA0003492107490000012
ρV为固体颗粒的堆积密度，d为漏斗管道的内径，Γ为无量纲振动强度，Γ0为固体颗粒能够掉落的最小振动强度，k0、k1为无量纲比例系数，g为重力系数；所述小球6的密度ρ1大于固液混合流体密度ρ2，且0＜ρ1-ρ2≤0.5g/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种主动式压电固液微混合器，其特征在于：所述横梁21位于混合腔22内部靠近出口24的一端；所述第一压电振子4在向上振动达到最大变形量时第一金属基板41下表面与横梁21上表面之间的间隙为最大工作间隙S1；所述横梁21的上表面与第一金属基板41之间的最大工作间隙S1小于小球6的直径D，且0.6≤S1/D＜1，这样可以防止小球6跨过横梁21；所述第二压电振子5在向下振动达到最大变形量时绝缘膜7上表面与横梁21下表面之间的间隙为最大工作间隙S2；所述横梁21的下表面与绝缘膜7之间的最大工作间隙S2小于小球6的直径D，且0.6≤S2/D＜1，防止小球6跨过横梁21。
3.使用根据权利要求1-2之一所述的一种主动式压电固液微混合器的液体混合方法，其特征在于：
包括第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态；
第一工作状态：外部动力源向进口23定量输入待混合液体，然后停止，液体保留于腔体内，第一压电振子4和第二压电振子5不工作；
第二工作状态：给第一压电振子4施加交变电压，第一压电振子4开始振动；当施加与第一压电陶瓷片42极化方向相同的电压时，第一压电振子4向下振动；当施加与第一压电陶瓷片42极化方向相反的电压时，第一压电振子4向上振动；所述第一压电振子4的振动带动漏斗8振动使得固体颗粒不断向下排出；给第二压电振子5施加交变电压，第二压电振子5开始振动；当施加与第二压电陶瓷片52极化方向相同的电压时，第二压电振子5向上振动；当施加与第二压电陶瓷片52极化方向相反的电压时，第二压电振子5向下振动；所述第二压电振子5上下振动使液体和固体颗粒获得初步的混合效果；同时，第二压电振子5振动带动小球6运动，由于小球6的滞后性，多个小球6会产生相互碰撞，碰撞使得小球6对液体和固体颗粒的扰流加剧，从而提高混合效率；
第三工作状态，在液体和固体颗粒混合后，出口24处的输出动力源将混合溶液抽出；在混合溶液抽出时会在出口24处遇到横梁21的阻碍而产生复杂的漩涡群，所产生的漩涡群会进一步加剧混合；
三个工作状态的交替进行就能实现液体和固体颗粒的持续高效混合。
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