CN114251531A - 一种流体连接管及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流体连接管及其应用，属于流体或微流体控制领域，本发明中每个出口子流道均包括逐级相连通的M级圆弧流道，并且每一圆弧流道对应的圆弧角和圆的直径均相同；同时，每一个拓扑点流体下游的相邻两圆弧流道所对应的圆共用切线，并且切线方向为拓扑点处流体的速度矢量方向。如此，本发明通过流道拓扑点处的圆弧设计和切线设计防止了湍流的产生，在此基础上，进一步通过流道拓扑点处的对称设计和总长一致设计保证了每个出口子流道的流阻一致性，从而在每个出口子流道内实现了流体流量的高度一致性。

Description

一种流体连接管及其应用
技术领域
本发明属于流体或微流体控制领域，更具体地，涉及一种流体连接管及其应用。
背景技术
流体连接管把一个入口流道变成N个出口流道，是流体/微流体控制的关键技术，在气液输运设备、供给药设备、微流控系统中应用非常普遍。而有些气液输运过程对流体的控制要求非常严苛，如多发射极胶体推进器对液体工质的输运，要求每个发射极出口流量相等。对于多发射极胶体推进器则必然需要1流道变N流道的流体连接管，将工质从储罐输运到推进器的多个发射极。如果推进器是9发射极，那么这个流体连接管必然是1流道变9流道的流体连接管。对于微牛级胶体推进器，要求9发射极出口流体流量差异在pL/min数量级。因此要求1流道变9流道的流体连接管的9个出口流体流量差异在pL/min数量级。
然而，目前1流道变N流道的流体连接管的流道设计没有考虑到这种高精度的流体流量差异的需求。有的流道设计甚至连湍流的发生都无法避免。针对这些问题，本发明提出了一种具有全流道流阻一致性的1流道变N流道的流体连接管。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种流体连接管及其应用，旨在解决现有流体连接管无法避免湍流的发生以及高精度的流体流量的一致性难以实现的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种流体连接管，包括：
粘结在一起的顶盖层和基底层；所述基底层和/或顶盖层设置导流流道，所述导流流道包括一段入口子流道和与所述入口子流道相连通的N段出口子流道；每一所述出口子流道均包括逐级相连通的M级圆弧流道，并且每一所述圆弧流道对应的圆弧角和圆的直径均相同；N≥2，M≥1；
每一个拓扑点流体下游的相邻两圆弧流道所对应的圆共用切线，并且切线方向为所述拓扑点处流体的速度矢量方向；其中，所述拓扑点为所述入口子流道与圆弧流道的连接点，或所述圆弧流道两两之间的连接点。
进一步地，当所述基底层设置导流流道时，所述基底层材料为硅，所述顶盖层材料为玻璃或硅。
进一步地，当所述顶盖层设置导流流道时，所述顶盖层材料为硅，所述基底层材料为玻璃或硅。
进一步地，当所述基底层和顶盖层均设置导流流道时，所述顶盖层和基底层材料为硅。
进一步地，所述顶盖层和基底层通过键合工艺粘结在一起。
第二方面，本发明提供了一种胶体推进器，包括流量控制阀和N个发射极，其特征在于，还包括如第一方面所述的流体连接管，且所述流量控制阀与所述入口子流道连通，所述N个发射极分别与N段出口子流道对应连通。
第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述的流体连接管在流体或微流体控制领域的应用。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
本发明中每个出口子流道均包括逐级相连通的M级圆弧流道，并且每一圆弧流道对应的圆弧角和圆的直径均相同；同时，每一个拓扑点流体下游的相邻两圆弧流道所对应的圆共用切线，并且切线方向为拓扑点处流体的速度矢量方向。如此，本发明通过流道拓扑点处的圆弧设计和切线设计防止了湍流的产生，在此基础上，进一步通过流道拓扑点处的对称设计和总长一致设计保证了每个出口子流道的流阻一致性，从而在每个出口子流道内实现了流体流量的高度一致性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的全流道流阻一致性的一流道变七流道流体连接管的整体结构示意图。
图2为本发明实施例提供的全流道流阻一致性的一流道变七流道流体连接管的基底层结构示意图。
图3为本发明实施例提供的全流道流阻一致性的一流道变七流道流体连接管的导流流道空间示意图。
图4为本发明实施例提供的全流道流阻一致性的一流道变七流道流体连接管的导流流道结构设计图。
图5为本发明实施例提供的全流道流阻一致性的一流道变二流道流体连接管的导流流道结构示意图。
图6为本发明实施例提供的全流道流阻一致性的一流道变四流道流体连接管的导流流道结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明中，流体连接管包括粘结在一起的顶盖层和基底层，当基底层设置导流流道时，基底层材料为硅，顶盖层材料为玻璃或硅；当顶盖层设置导流流道时，顶盖层材料为硅，基底层材料为玻璃或硅；当基底层和顶盖层均设置导流流道时，顶盖层和基底层材料为硅。
本实施例中，如图1所示，整体结构为两层硅晶圆片通过键合工艺堆叠而成。10是基底层，11是流体的入口，26、27分别是流体的第6、第7出口，30是顶盖层。基底层10和顶盖层30通过键合工艺粘结在一起，形成从流道入口到出口的密封闭合导流流道，具体的，本发明利用深硅刻蚀工艺在硅晶圆上刻蚀导流流道。
流体连接管的基底层的具体结构如图2所示。流体从入口11进入，通过一系列圆弧形流道设计，流体最终从21、22、23、24、25、26、27七个出口流出。这是1流道变7流道的全流阻一致性的流体连接管。全流阻一致性体现在图3和图4中。
本发明中，导流流道包括一段入口子流道和与入口子流道相连通的N段出口子流道；每一出口子流道均包括逐级相连通的M级圆弧流道，并且每一圆弧流道对应的圆弧角和圆的直径均相同；N≥2，M≥1；每一个拓扑点流体下游的相邻两圆弧流道所对应的圆共用切线，并且切线方向为拓扑点处流体的速度矢量方向；其中，拓扑点为入口子流道与圆弧流道的连接点，或圆弧流道两两之间的连接点。
以N＝7，M＝4为例，参阅图3和图4，记导流流道入口的中心点为P0，流道从一个流道变为2个流道的点记为拓扑点，如P1、P2、P3、P4、P5、P6。其中，P0P1为直线段，表示入口子流道；P1P2、P1P3为圆弧段，表示第一级圆弧流道；P2P4、P2P5、P3P6也为圆弧段，表示第二级圆弧流道；同样的设计，与第二级圆弧流道相连接的下游圆弧流道为第三级圆弧流道，与第三级圆弧流道相连接的下游圆弧流道为第四级圆弧流道。如图4所示，每个出口子流道包括逐级相连通的四级圆弧流道。可以理解的是，在图4所示导流流道结构的基础上，若去掉第四级圆弧流道，即M＝3时，仍然可以实现1流道变7流道，在具体应用中可根据实际情况进行设计。
在拓扑点P1，流道由一个入口子流道P0P1变为两个圆弧流道P1P2和P1P3。P1P2是圆O1对应的圆弧，圆弧角记为θ11，θ11＝45°；P1P3是圆O2对应的圆弧，圆弧角记为θ21，θ21＝45°。圆O1和圆O2直径相同并且共用切线P0P1，因此圆心O1和圆心O2的连线垂直于P0P1。这种设计带来两个好处：第一，圆弧流道P1P2和P1P3长度相同，因为流道流阻与流道长度成正比，因此，这种对称的设计从理论上实现了P1P2和P1P3的流阻完全相等；第二，流体在拓扑点P1处的速度矢量为
Figure BDA0003424516170000051
因为P0P1是圆弧流道P1P2和P1P3的切线，因此P0P1与
Figure BDA0003424516170000052
共线，因此从一个流道变成两个流道的前后过程中，流体的能量损失大大降低，有效地防止了湍流的发生。
在拓扑点P2，圆弧流道P1P2继续变成两个圆弧流道P2P4和P2P5，P2P4和P2P5分别是圆O1和圆O3的圆弧，对应的圆弧角相同，都是45度。并且圆O1和圆O3共用一个切线，切线的方向即是流体在拓扑点P2处的速度矢量方向。因此两个圆弧流道P2P4和P2P5的流阻完全相同，同样防止了湍流的发生。按照同样的设计原理，最终所有的圆弧流道流阻完全相同，并且在每个拓扑点都有效的防止了湍流的发生。
需要说明的是，通过本发明，最多可以实现1流道变2M流道，即N≤2M，在具体应用中可根据实际情况进行设计。
可以理解的是，为进一步实现高精度的流体流量的一致性，各圆弧流道的截面积应相同。
图5和图6分别展示了1流道变2流道和1流道变4流道的全流道流阻一致性的流体连接管。同样的设计原理，可以设计1流道变N流道的全流道流阻一致性的流体连接管，N≥2。
本发明还提供了一种胶体推进器，包括流量控制阀、N个发射极和上述的流体连接管，且流量控制阀与入口子流道连通，N个发射极分别与N段出口子流道对应连通，可以实现出口流体流量差异在pL/min数量级。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种流体连接管，其特征在于，包括：
粘结在一起的顶盖层和基底层；所述基底层和/或顶盖层设置导流流道，所述导流流道包括一段入口子流道和与所述入口子流道相连通的N段出口子流道；每一所述出口子流道均包括逐级相连通的M级圆弧流道，并且每一所述圆弧流道对应的圆弧角和圆的直径均相同；N≥2，M≥1；
每一个拓扑点流体下游的相邻两圆弧流道所对应的圆共用切线，并且切线方向为所述拓扑点处流体的速度矢量方向；其中，所述拓扑点为所述入口子流道与圆弧流道的连接点，或所述圆弧流道两两之间的连接点。
2.根据权利要求1所述的流体连接管，其特征在于，当所述基底层设置导流流道时，所述基底层材料为硅，所述顶盖层材料为玻璃或硅。
3.根据权利要求1所述的流体连接管，其特征在于，当所述顶盖层设置导流流道时，所述顶盖层材料为硅，所述基底层材料为玻璃或硅。
4.根据权利要求1所述的流体连接管，其特征在于，当所述基底层和顶盖层均设置导流流道时，所述顶盖层和基底层材料为硅。
5.根据权利要求1至4任一项所述的流体连接管，其特征在于，所述顶盖层和基底层通过键合工艺粘结在一起。
6.一种胶体推进器，包括流量控制阀和N个发射极，其特征在于，还包括如权利要求1至5任一项所述的流体连接管，且所述流量控制阀与所述入口子流道连通，所述N个发射极分别与N段出口子流道对应连通。
7.一种如权利要求1至5任一项所述的流体连接管在流体或微流体控制领域的应用。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101283042A (zh) * 2005-08-09 2008-10-08 查珀尔希尔北卡罗来纳大学 制造微流体器件的方法和材料
TW201224457A (en) * 2010-12-08 2012-06-16 Nat Pingtung University Of Scienceand Technology Miniature chip
CN104154798A (zh) * 2014-04-24 2014-11-19 中国科学院广州能源研究所 一种新型平面微通道换热器
CN105238676A (zh) * 2015-10-15 2016-01-13 清华大学深圳研究生院 一种用于细胞打印的微流控芯片
CN107051599A (zh) * 2017-05-15 2017-08-18 深圳先进技术研究院 微流控芯片及微流控芯片控制方法
WO2018191787A1 (en) * 2017-04-21 2018-10-25 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Flow distribution system
CN112240411A (zh) * 2020-11-17 2021-01-19 常州工业职业技术学院 一种双对称平行薄膜微恒流阀及流量调控方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101283042A (zh) * 2005-08-09 2008-10-08 查珀尔希尔北卡罗来纳大学 制造微流体器件的方法和材料
TW201224457A (en) * 2010-12-08 2012-06-16 Nat Pingtung University Of Scienceand Technology Miniature chip
CN104154798A (zh) * 2014-04-24 2014-11-19 中国科学院广州能源研究所 一种新型平面微通道换热器
CN105238676A (zh) * 2015-10-15 2016-01-13 清华大学深圳研究生院 一种用于细胞打印的微流控芯片
WO2018191787A1 (en) * 2017-04-21 2018-10-25 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Flow distribution system
CN107051599A (zh) * 2017-05-15 2017-08-18 深圳先进技术研究院 微流控芯片及微流控芯片控制方法
CN112240411A (zh) * 2020-11-17 2021-01-19 常州工业职业技术学院 一种双对称平行薄膜微恒流阀及流量调控方法

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