CN113856538A - 一种三维分裂重组被动式微混合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维分裂重组被动式微混合器，其特征在于，包括依次连接的入口通道、混合通道和出口通道；混合通道包括多个依次串联连接的混合单元；混合单元包括第一子通道和第二子通道，第一子通道和第二子通道均为L型通道，第一子通道的第一端与第二子通道的第一端层叠并相通连接，第一子通道的第二端与第二子通道的第二端层叠并相通连接；入口通道的出口与混合通道一端的第一子通道的第一端连接，出口通道的入口与混合通道另一端的第一子通道的第二端连接，相邻的两个混合单元的第一子通道与第二子通道相连为C型通道，入口通道的出口所在轴线与出口通道所在轴线共线。本发明不仅提高了微混合器的混合效率，而且通道压降损失较小。

Description

一种三维分裂重组被动式微混合器

技术领域

本发明涉及微混合器技术领域，特别是涉及一种三维分裂重组被动式微混合器。

背景技术

微流控芯片分析可以减小样品量、缩短反应时间，同时易于集成，在生命科学、药物分析和化学分析领域具有巨大的应用潜力。微混合器可实现样品在微通道或微腔内的快速均一混合，是微流控芯片的重要组成部分，其混合效果直接影响微流控芯片的分析性能。微混合器可分为主动式和被动式。主动式混合器依靠外部能量增强混合。被动式混合器利用微通道结构的改变提高混合效率。被动式混合器由于其制造成本低、结构简单、不需要额外的部件而受到越来越多的关注。因此，开发高混合效率的被动微混合器对微流控芯片有重要的意义。

被动式微混合器的发展由二维到三维结构的转变。三维微混合器相对于二维微混合器，混合效率有明显提升。在微通道类型上，微混合器的研究依次有T型、弯曲通道型、通道障碍物型和分裂重组型。研究表明，微流体混合主要依靠分子扩散和混沌对流进行，而混沌对流起主导作用。分裂重组式结构微通道可以多次改变流体的流向，流体界面会出现更多的扭曲、剪切和对流，因而增加了流体的扰动和混沌特性，混合效率明显高于其他结构。

文献(A.Afzal,K.-Y.Kim,Chem.Eng.J.203(2012)182–192.)提出了一种分裂重组微混合器，如图1所示。主通道首先分成两个子通道，子通道又汇合成主通道，子通道沿微通道长度方向以一定的间隔分布，整个混合过程在二维内实现。在雷诺数10到70范围内，实现了较高效率的混合。专利CN104138728B提出了一种桥式分裂重组式微混合器，如图2所示，微混合器由下层平面内方波状通道以及平面外桥式结构通道构成，每一个桥式结构通道包含一组共两个中间层通孔和上层倾斜通道。桥式结构通道的两竖直通道即两个中间层通孔与下层方波状通道分别构成分割区域和重组区域。经过多个混合单元反复地对流体进行分割与重组，增加了流体的混沌特性。

上述两种微混合器都是利用分裂重组结构实现较高效率混合。图1中的微混合器是在二维结构内的分裂重组，由于微通道没有在三维Z方向上的改变，使得流体不会发生扭曲和转向，流体分布状态始终是二维内的叠加，这就不能产生强烈的混沌流。图2中的微混合器是一种三维分裂重组结构，流体经过混合单元进行分割与重组时，上方分裂的流体来自原通道内靠近外侧区域的部分，而在重组时这部分流体汇合于原通道外侧区域，截面如图2所示。这样的结构显著改善了侧壁区域流体混合，而主通道内的组分保持原有的特性，没有达到整个流道内混合结构的改善。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维分裂重组被动式微混合器，实现流体均匀混合以提高混合效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种三维分裂重组被动式微混合器，包括依次连接的入口通道、混合通道和出口通道；所述混合通道包括多个依次串联连接的混合单元；

所述混合单元包括第一子通道和第二子通道，所述第一子通道和所述第二子通道均为L型通道，所述第一子通道的第一端与所述第二子通道的第一端层叠并相通连接，所述第一子通道的第二端与所述第二子通道的第二端层叠并相通连接；所述入口通道的出口与所述混合通道一端的所述第一子通道的第一端连接，所述出口通道的入口与所述混合通道另一端的所述第一子通道的第二端连接，相邻的两个混合单元的第一子通道与第二子通道相连为C型通道，所述入口通道的出口所在轴线与所述出口通道所在轴线共线。

可选地，所述入口通道为T型通道，待混合物质分别从T型通道在一条直线上的两个端口进入。

可选地，所述第一子通道包括第一矩形通道和第二矩形通道，所述第一矩形通道和所述第二矩形通道连接为L型通道，所述第二矩形通道的宽度比所述第一矩形通道的宽度小，所述第一矩形通道的深度和所述第二矩形通道的深度相同，所述第一子通道的深度与所述入口通道的深度相同，所述第一矩形通道的宽度与所述入口通道的出口的宽度相同。

可选地，所述第二子通道包括第三矩形通道和第四矩形通道，所述第三矩形通道和所述第四矩形通道连接为L型通道，所述第四矩形通道的宽度比所述第三矩形通道的宽度小，所述第三矩形通道的深度和所述第四矩形通道的深度相同，所述第二子通道的深度与所述入口通道的深度相同，所述第三矩形通道的宽度与所述入口通道的出口的宽度相同。

可选地，所述第一矩形通道的宽度和所述第三矩形通道的宽度相同，所述第二矩形通道的宽度与所述第四矩形通道的宽度之和等于所述第一矩形通道的宽度。

可选地，各所述混合单元的出口的宽度相同。

可选地，所述入口通道的深度为300μm，所述入口通道的出口的宽度为500μm。

可选地，所述第二矩形通道的宽度为200μm、250μm或者300μm。

可选地，所述三维分裂重组被动式微混合器的材料为热固性聚合物。

可选地，所述混合单元的数量为6。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明包括依次连接的入口通道、混合通道和出口通道；混合通道包括多个依次串联连接的混合单元，混合单元包括第一子通道和第二子通道，第一子通道的第一端与第二子通道的第一端层叠并相通连接，第一子通道的第二端与第二子通道的第二端层叠并相通连接，第一子通道和第二子通道构成上下两层通道，本发明微混合器为三维交叉的微混合器，通过弯曲和折叠通道将混合微流体多次分离、旋转后重新组合，触发混沌流，提高了微混合器的混合效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种二维分裂重组微混合器示意图；

图2为一种三维分裂重组微混合器示意图；

图3为本发明一种三维分裂重组被动式微混合器结构示意图一；

图4为本发明一种三维分裂重组被动式微混合器结构示意图二；

图5为本发明两个相邻的混合单元结构示意图；

图6为本发明两个相邻的混合单元中各矩形通道位置示意图；

图7为本发明三种不同尺寸的三维分裂重组被动式微混合器的混合效果对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种三维分裂重组被动式微混合器，提高了混合效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图3为本发明一种三维分裂重组被动式微混合器结构示意图一，图4为本发明一种三维分裂重组被动式微混合器结构示意图二，如图3所示，一种三维分裂重组被动式微混合器包括依次连接的入口通道101、混合通道102和出口通道103；混合通道102包括多个依次串联连接的混合单元。

混合单元为如图4中虚线框中结构，图4中横截面S1、S2、S3、S4、S5和S6将混合通道102分为六个结构相同的混合单元，具体为：相邻的混合单元中其中一个混合单元翻转180度之后与另一个混合单元位置关系相同。

混合单元包括第一子通道1021和第二子通道1022，第一子通道1021和第二子通道1022均为L型通道，第一子通道1021的第一端与第二子通道1022的第一端层叠并相通连接，第一子通道1021的第二端与第二子通道1022的第二端层叠并相通连接；入口通道101的出口与混合通道102一端的第一子通道1021的第一端连接，出口通道103的入口与混合通道102另一端的第一子通道1021的第二端连接，相邻的两个混合单元的第一子通道1021与第二子通道1022相连为C型通道，入口通道101的出口所在轴线与出口通道103所在轴线共线。

入口通道101为T型通道，待混合物质分别从T型通道在一条直线上的两个端口进入，图4中入口通道101处的两个箭头为两个端口的入口方向。

第一子通道1021包括第一矩形通道201和第二矩形通道202，第一矩形通道201和第二矩形通道202连接为L型通道，第二矩形通道202的宽度比第一矩形通道201的宽度小，第一矩形通道201的深度和第二矩形通道202的深度相同，第一子通道1021的深度与入口通道101的深度相同，第一矩形通道201的宽度与入口通道101的出口的宽度相同。

第二子通道1022包括第三矩形通道203和第四矩形通道204，第三矩形通道203和第四矩形通道204连接为L型通道，第四矩形通道204的宽度比第三矩形通道203的宽度小，第三矩形通道203的深度和第四矩形通道204的深度相同，第二子通道1022的深度与入口通道101的深度相同，第三矩形通道203的宽度与入口通道101的出口的宽度相同。第一矩形通道201、第二矩形通道202、第三矩形通道203和第四矩形通道204的位置如图6所示。

相邻的两个混合单元的第一子通道1021与第二子通道1022相连为C型通道的具体结构为：相邻的两个混合单元中一个混合单元的第一子通道1021的第一矩形通道201与另一个混合单元的第二子通道1022的第四矩形通道204相连为不规则C型通道，如图6所示。

第一矩形通道201的宽度和第三矩形通道203的宽度相同，第二矩形通道202的宽度与第四矩形通道204的宽度之和等于第一矩形通道201的宽度。

第一矩形通道201的长度和第四矩形通道204的长度相同，第二矩形通道202的长度和第三矩形通道203的长度相同。

各混合单元的出口的宽度相同。第一子通道1021和第二子通道1022连接处的通道的宽度等于入口通道101的出口的宽度。

在本发明中，通道的宽度是指液体入口方向上截面为矩形，矩形的边分别为宽度和深度。

入口通道101的深度为300μm，入口通道101的出口的宽度为500μm，即主通道的宽度为500μm。

第二矩形通道202的宽度n为200μm、250μm或者300μm。

作为具体实施例，第二矩形通道202的宽度为250μm，第二矩形通道202的宽度为250μm时，微混合器的混合效率更高，第二矩形通道202的宽度为200μm、250μm或者300μm时的混合效果如图7所示，图7中横坐标表示雷诺数，纵坐标表示混合指数。

相邻的两个混合单元中的其中一个混合单元中第一子通道1021的第二矩形通道202与另外一个混合单元中第二子通道1022的第三矩形通道203相互平行，且具有设定间隔。设定间隔为300μm。设定间隔为图5中a所示。

混合单元的数量为6。

三维分裂重组被动式微混合器的材料为热固性聚合物。

作为具体实施例，热塑性聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

图2中子图Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，以及图3中子图A、B、C和D中黑色区域和白色区域表示两种不同流体。图3中两种不同流体通过截面A、截面B、截面C和截面D分割为四个区段，通过截面A、截面B、截面C和截面D上流体的分别状态来反应四个区段内流体的流动情况。

本发明三维分裂重组被动式微混合器包括6各结构相同的混合单元，通过微通道的连续变化，使原本分子扩散的微流体产生混沌对流，增强了流体的层流混合，本发明被动式微混合器制造简单、低成本，不需要额外的动力源便可实现快速混合，大大调高了混合效率。

本发明一种三维分裂重组被动式微混合器的制备方法包括：

在2mm厚的聚甲基丙烯酸甲酯板材上采用数控中心微铣削的方法进行加工，在下层PMMA上获得T型入口通道101、出口通道103和多个第一子通道1021，在上层PMMA上获得与第一子通道1021对应的多个第二子通道1022。

对入口通道101、出口通道103、第一子通道1021和第二子通道1022用异丙醇清洗表面3分钟，再用去离子水清洗后用氮气干燥。

将第一子通道1021和第二子通道1022组成的两层芯片夹具固定后在80℃的热干燥烤箱中热压粘合120分钟，形成上下两层通道后自然冷却至室温。

本发明一种三维分裂重组被动式微混合器的混合单元为第一子通道1021和第二子通道1022构成的方形单元，第一子通道1021和第二子通道1022构成上下两层的通道，如图4所示。第一子通道1021和第二子通道1022的前半部分的截面尺寸与主通道的截面尺寸相同，后半部分受限于w＝m+n，w为主通道的截面宽度，m为第四矩形通道204的截面宽度，n为第二矩形通道202的截面宽度，每个混合单元均符合w＝m+n。

作为具体实施例，本发明三维分裂重组被动式微混合器中各矩形通道的深度h均为300μm，入口通道101和出口通道103的深度均为300μm，第一子通道1021和第二子通道1022构成的方形单元的第一边长l为1300μm，第二边长b为1300μm，如图5所示。

表1给出了一些比较经典的微混合器，具体条件及数值见表1。在相同雷诺数范围内，本发明微混合器的混合效率更高，压降更低。本发明混合器与其它混合器进行混合效率对比，虽然雷诺数范围不相同，但在相同范围内，本发明提出的微混合器的混合效率最高。在低雷诺数0.1时，本发明混合器混合效率为91％，高于其它微混合器，随着雷诺数的增加，本发明混合器的混合效率增加。

表1各种微混合器的参数对照表

表1中3D(三维)弯曲型微混合器为《Parametric study on mixing oftwo fluidsin a three-dimensional serpentine microchannel》中微混合器，作者是MubashshirAhmad Ansari，Kwang-Yong kim，文章链接为https://doi.org/10.1016/j.cej.2008.10.006。

表1中3D-E型微混合器为《Numerical analysis ofmixing behaviors oftwotypes ofE-shape micromixers》中微混合器，作者是Xueye Chen，文章链接为https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.09.034。

本发明三维分裂重组被动式微混合器的数值模拟与实验结果一致，误差在5％以内。当雷诺数＝1时，混合效率最低为91％，混合效率随雷诺数的增加而增加。在0.1～100的雷诺数范围内，混合效率接近于100％。

马蹄变换原理是一种将流体拉伸挤压后再“塞回”原单元的结构，多次变换会引发强烈混沌流。受马蹄变换原理启发，本发明提出了一种三维分裂重组被动式微混合器，即一种基于热塑性聚合物材料(PMMA)的三维分裂重组被动式微混合器。本发明微混合器具有如下特点：第一，分裂通道内的微流体组分与分裂前主通道内流体组分保持一致，在两个分裂通道中流体会发生相反方向转动且在重组前流道宽度被压缩，流体截面如图3。这样的设计使得流体分布更加均匀，显著增加两种流体的接触面。第二，CNC加工一次成型并具有较低的流道压降，在较大的雷诺数范围内表现出优异的性能。因此，这种三维分裂重组微混合器实现高效率混合成为可能，它的广泛应用对芯片实验室的发展具有重要的意义。

本发明一种三维分裂重组被动式微混合器在雷诺数0.1到100范围内，由马蹄变换原理思想启发，通过弯曲和折叠的通道将混合微流体多次分离、旋转后重新组合，触发混沌流，提高了微混合器的混合效率。另外，本发明混合单元少、易于制造，混合通道压降小，而且在实际使用时能承受较高的混合压力。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种三维分裂重组被动式微混合器，其特征在于，包括依次连接的入口通道、混合通道和出口通道；所述混合通道包括多个依次串联连接的混合单元；

所述混合单元包括第一子通道和第二子通道，所述第一子通道和所述第二子通道均为L型通道，所述第一子通道的第一端与所述第二子通道的第一端层叠并相通连接，所述第一子通道的第二端与所述第二子通道的第二端层叠并相通连接；所述入口通道的出口与所述混合通道一端的所述第一子通道的第一端连接，所述出口通道的入口与所述混合通道另一端的所述第一子通道的第二端连接，相邻的两个混合单元的第一子通道与第二子通道相连为C型通道，所述入口通道的出口所在轴线与所述出口通道所在轴线共线。

2.根据权利要求1所述的三维分裂重组被动式微混合器，其特征在于，所述入口通道为T型通道，待混合物质分别从T型通道在一条直线上的两个端口进入。

3.根据权利要求1所述的三维分裂重组被动式微混合器，其特征在于，所述第一子通道包括第一矩形通道和第二矩形通道，所述第一矩形通道和所述第二矩形通道连接为L型通道，所述第二矩形通道的宽度比所述第一矩形通道的宽度小，所述第一矩形通道的深度和所述第二矩形通道的深度相同，所述第一子通道的深度与所述入口通道的深度相同，所述第一矩形通道的宽度与所述入口通道的出口的宽度相同。

4.根据权利要求3所述的三维分裂重组被动式微混合器，其特征在于，所述第二子通道包括第三矩形通道和第四矩形通道，所述第三矩形通道和所述第四矩形通道连接为L型通道，所述第四矩形通道的宽度比所述第三矩形通道的宽度小，所述第三矩形通道的深度和所述第四矩形通道的深度相同，所述第二子通道的深度与所述入口通道的深度相同，所述第三矩形通道的宽度与所述入口通道的出口的宽度相同。

5.根据权利要求4所述的三维分裂重组被动式微混合器，其特征在于，所述第一矩形通道的宽度和所述第三矩形通道的宽度相同，所述第二矩形通道的宽度与所述第四矩形通道的宽度之和等于所述第一矩形通道的宽度。

6.根据权利要求1所述的三维分裂重组被动式微混合器，其特征在于，各所述混合单元的出口的宽度相同。

7.根据权利要求1所述的三维分裂重组被动式微混合器，其特征在于，所述入口通道的深度为300μm，所述入口通道的出口的宽度为500μm。

8.根据权利要求3所述的三维分裂重组被动式微混合器，其特征在于，所述第二矩形通道的宽度为200μm、250μm或者300μm。

9.根据权利要求1所述的三维分裂重组被动式微混合器，其特征在于，所述三维分裂重组被动式微混合器的材料为热固性聚合物。

10.根据权利要求1所述的三维分裂重组被动式微混合器，其特征在于，所述混合单元的数量为6。

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