CN113289529B - 基于压电式合成射流技术的微流体混合器及其混合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电式合成射流技术的微流体混合器及其混合方法。该混合器从下到上依次包括基板、盖板、压电振子三部分；基板依次设有进样口、混合通道、出样口；混合通道两侧分别设有合成射流激励器；合成射流激励器包括合成射流腔体和合成射流喷口，合成射流喷口和混合通道相连，合成射流腔体由基板的凹槽、盖板的通孔和压电振子组成。当向压电振子施加交流电压时，压电振子的伸缩将带动混合通道两侧腔体体积出现周期性变化，从而在合成射流喷口处交替形成吹、吸射流。与现有技术相比，本发明具有结构紧凑、加工性好、强化混合效果好、可调节能力强、易于集成等显著优势。
Description
技术领域
本发明涉及微流体化学分析技术领域，具体地，涉及一种基于压电式合成射流技术的微流体混合器及其混合方法。
背景技术
在化学、生物领域，两种流体的混合是常见的传质过程。由于传统的宏观混合设备存在混合效率低、试剂消耗量大、安装体积大等诸多缺陷，越来越多的技术人员开始研究微小尺度下的快速混合技术。目前，微混合技术及其设备已经成为微流体分析领域的研究热点。微混合系统可以被定义为处理微升量级的微机电系统，其具有如下优点：①安装空间小；②能量消耗少；③比表面积大；④试剂用量少；⑤可控性好，安全性高。
对于微流体混合系统，由于尺度较小、流速较低，因此流体雷诺数较低，流体的运动状态为层流。于是，在微尺度下，为实现试剂间快速、有效的混合，微型混合器的设计应当设法增大两种流体间的接触面积。
为了实现较好的混合效果，现有的技术大多采用增加被动式扰流元件的方式改变流动结构、增大流体接触面积。CN2650109Y公开了一种三维交叉导流式微型混合器，其核心部件是加工有周期性交叉排列的导流块，通过在流场内产生剪切流和延伸流，增加不同流体间的界面面积以实现传质过程的强化。然而，该结构较为复杂，对加工工艺的要求比较高，并且存在压降较大的问题。
理想情况下，微流体混合器除混合效率高外，还应当具备混合效果可实时调节这一特征。传统技术大多采用改变试剂流量的方式调节混合效果，该方法虽然可行，但是对驱动流体运动的微泵的性能有较高的要求。CN109772222A公开了一种搭载压电式合成射流激励器的气体混合器。在该专利申请中，合成射流配合微阀技术，形成了高集成度微泵系统，可高效地泵送样品并具有实时可控的特点，然而，该专利申请的样品混合部分仍采用了被动设计，混合效率较低。专利申请CN103638852A公开了一种基于压电式合成射流的微混合器，该混合器将压电式合成射流激励器布置在混合通道下方，并且合成射流激励器的喷口位于混合通道下壁面的正中间。采用该方案虽然在一定程度上可以增强样品的混合效果，但是该方案存在两个缺陷：①多层堆叠结构在制造时需要用到多次刻蚀，这极大地增大了系统的复杂度和制造成本；②喷口位于混合通道上壁面的正中间，合成射流喷射形成的旋涡向左右两侧对称卷吸，卷吸区域的对称分布特性恰好与样品的对称分布一致，因此合成射流形成的纵向涡并没有直接促进两种的输入样品的对流掺混，混合增强效果较差。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足和缺陷，本发明提供了一种基于压电式合成射流技术的微流体混合器及其混合方法，本发明结构简单、设计合理，具有集成性好、混合效率高、可实时调节混合效果等显著优势。
一种基于压电式合成射流技术的微流体混合器，从下到上依次包括基板、盖板、压电振子三部分；基板依次设有进样口、混合通道、出样口；混合通道两侧分别设有合成射流激励器；合成射流激励器包括合成射流腔体和合成射流喷口，合成射流喷口和混合通道相连，合成射流腔体由基板的凹槽、盖板的通孔和压电振子组成。
所述的压电振子包括下层的激振片和上层的压电片，激振片密封覆盖在盖板的通孔上，对称设置的两个压电振子的振幅和频率相等相位相反。
所述的进样口为一个或者多个，多个时相对于混合通道对称或者非对称设置。
所述的进样口和混合通道之间进一步设有进样通道。
所述的合成射流喷口的竖直深度不超过混合通道竖直深度的一半。
所述的微流体混合器，通过改变施加在所述压电振子两端的电压值和电压频率可实时调节混合通道内的样品混合程度。
一种采用所述的微流体混合器的混合方法，设置两个压电振子的振幅、频率相等，相位相反，在这一运行条件下，混合通道两侧合成射流喷口的吹、吸过程相反，这一方面使得混合通道内的纵向涡数量较为恒定，从而提升了合成射流的混合在时间上的均匀性，另一方面将合成射流整体的质量流量控制为零，从而避免了微流体混合器出样口的流量在合成射流的分流作用影响下产生波动。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
1、利用压电材料作为流动控制元件的驱动材料，具有结构紧凑、加工性好、功耗低、噪声小、材料兼容性好、可调节性强等显著优势。
2、基于纵向涡理论设计流动控制元件，使微通道内的流动状态从层流向多纵向涡结构改变，实现了以较小的阻力代价实现大幅增强传质过程的目的。
3、可根据实际的混合效果需求，通过改变输入电压的方式实时调节微流体混合器的混合效果，无需更改两种带混合实际的流量，调节方式简单，调节效果好，易于集成。
4、合成射流整体的质量流量控制为零，混合器流量始终保持稳定。
附图说明
图1是基于压电式合成射流技术的微流体混合器的一种三维透视图。
图2是基于压电式合成射流技术的微流体混合器的一种爆炸图。
图3是合成射流的工作原理图。
图4是合成射流冲击混合通道壁面的流动过程说明图；
附图标记说明：1、微流体混合器基板；2、微流体混合器盖板；3、压电振子；4、进样口A；5、进样通道A；6、进样口B；7、进样通道B；8、混合通道；9、合成射流喷口；10、合成射流腔体；11、出样口；12、凹槽；13、通孔；14、激振片；15、压电片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
如图1和图2所示，一种基于压电式合成射流技术的微流体混合器，它包括微流体混合器基板1、微流体混合器盖板2和两个压电振子3。微流体的流量为微升每分钟至毫升每分钟。
如图2所示，微流体混合器基板1包括进样口A（4）及其对应的进样通道A（5）、进样口B（6）及其对应的进样通道B（7）、混合通道8、合成射流喷口9、合成射流腔体凹槽12和出样口11。对于本领域技术人员来说，进样口和混合通道之间的距离可近可远，另外显然可以设置一个或者多个进样口。
如图2所示，进样口A（4）、进样口B（6）、出样口11贯穿微流体混合器盖板2便于进样或者取样。
如图2所示，合成射流激励器喷口9位于微流体混合器基板1上的混合通道8两侧，喷口9外侧连接着两个大面积的凹槽12，凹槽对应的微流体混合器盖板上带有同样面积的通孔13，凹槽12、通孔13和覆盖在微流体混合器盖板上的压电振子3构成了合成射流腔体10。
对于本领域技术人员来说，腔体的形状不局限于图中所示矩形，常见的椭圆形，甚至不规则形都可根据需要设置。
如图2和图3所示，所述的压电振子3由激振片14和压电片15组成，当向压电振子3施加交流电压时，在压电效应的影响下，压电振子3将产生振动，这一振动使得合成射流激励器腔体10体积出现周期性变化，从而在合成射流喷口9处交替形成吹、吸合成射流，合成射流改变了混合通道8内的流动结构，使得混合通道8的混合效果得到增强。
如图2、图4所示，所述的合成射流喷口9的深度不超过混合通道8深度的一半，从而使得合成射流冲击混合通道8壁面后形成的流动结构以纵向涡为主。对于管内层流流动的牛顿流体，反映阻力水平的粘性耗散函数φ可表示为
其中u, v, w分别为沿x, y, z方向的速度。其中沿x方向与通道方向平行，y方向与z方向与通道方向垂直。对于管内层流流动，u ≫v，u ≫ w，并且∂/∂z ≪ ∂/∂x，∂/∂z ≪∂/∂y。因此计算式（A）可以近似表示为
从计算式（B）中可以看出，混合通道8内层流流动的阻力主要由沿x方向的主流速度决定。对于纵向涡流动结构，其对侧向速度v和w的改变量要远远大于流向速度u，因此结合计算式（B）可知，合成射流冲击形成的纵向涡通过强烈的卷吸作用可大幅促进待混合流体之间的对流，并且引入的额外压降损失较小。
如图1和图3所示，所述的两个压电振子3的振幅和频率相等但是相位相反，在这一运行条件下，混合通道8两侧合成射流喷口9的吹、吸过程正好相反，这一方面使得混合通道8两侧喷口9交替形成合成射流，确保混合通道8内的纵向涡数量较为恒定，流场结构相对较为稳定，从而使得合成射流的混合增强效果在时间上的均匀性大幅提升。另一方面，通过将合成射流整体的质量流量控制为零，可避免微流体混合器出样口11的流量在合成射流的分流作用影响下产生波动，使混合器运行过程中的流量保持稳定。
如图3所示，所述的微流体混合器，通过改变施加在所述压电振子3两端的电压值和电压频率调节合成射流的射流雷诺数和冲程，直接控制合成射流冲击壁面形成的纵向涡的尺度与强度，从而起到实时调节合成射流对混合通道8内样品混合增强程度的效果。
以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施案例，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 (6)
1.一种基于压电式合成射流技术的微流体混合器，其特征在于：从下到上依次包括基板、盖板、压电振子三部分；基板依次设有进样口、混合通道、出样口；混合通道两侧分别设有合成射流激励器；合成射流激励器包括合成射流腔体和合成射流喷口，合成射流喷口和混合通道相连，合成射流腔体由基板的凹槽、盖板的通孔和压电振子组成；
所述的压电振子包括下层的激振片和上层的压电片，激振片密封覆盖在盖板的通孔上，对称设置的两个压电振子的振幅和频率相等相位相反，混合通道两侧合成射流喷口的吹、吸过程相反，这一方面使得混合通道内的纵向涡数量较为恒定，从而提升了合成射流的混合在时间上的均匀性，另一方面将合成射流整体的质量流量控制为零，从而避免了微流体混合器出样口的流量在合成射流的分流作用影响下产生波动。
2.如权利要求1所述的微流体混合器，其特征在于：所述的进样口为一个或者多个，多个时相对于混合通道对称或者非对称设置。
3.如权利要求1所述的微流体混合器，其特征在于：所述的进样口和混合通道之间进一步设有进样通道。
4.如权利要求1所述的微流体混合器，其特征在于：所述的合成射流喷口的竖直深度不超过混合通道竖直深度的一半。
5.如权利要求1所述的微流体混合器，其特征在于：通过改变施加在所述压电振子两端的电压值和电压频率可实时调节混合通道内的样品混合程度。
6.一种采用如权利要求1所述的微流体混合器的混合方法，其特征在于：设置两个压电振子的振幅、频率相等，相位相反，在这一运行条件下，混合通道两侧合成射流喷口的吹、吸过程相反，这一方面使得混合通道内的纵向涡数量较为恒定，从而提升了合成射流的混合在时间上的均匀性，另一方面将合成射流整体的质量流量控制为零，从而避免了微流体混合器出样口的流量在合成射流的分流作用影响下产生波动。
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