CN115069134A

CN115069134A - 一种基于迪恩涡流的微流体高效混合器

Info

Publication number: CN115069134A
Application number: CN202210794738.4A
Authority: CN
Inventors: 陈成敏; 王建春; 李艳; 刘光霞; 王建梅
Original assignee: Energy Research Institute of Shandong Academy of Sciences
Current assignee: Energy Research Institute of Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2022-07-07
Filing date: 2022-07-07
Publication date: 2022-09-20
Anticipated expiration: 2042-07-07
Also published as: CN115069134B

Abstract

本发明公开了一种基于迪恩涡流的微流体高效混合器，其结构包括：两个入口、一个出口和微流体通道。通过设计微流体通道的结构，在两种微流体流经微通道的不同区域时，利用微流体在弯曲通道流动的“迪恩效应”以及流体在通道拐弯处的方向突变，使得微流体沿微通道内壁面在沿着流体流动方向以及垂直于流体流动方向流动、翻转，在两种微流体时刻处于位置交换的状态，加强了对流扩散强度。本发明的优势在于：结构简单，加工成本低，混合速度快，依靠微通道结构改变就能实现多种微流体高效被动混合，对流体流量局限较小。

Description

一种基于迪恩涡流的微流体高效混合器

技术领域

本发明属于微流控芯片领域；具体涉及一种基于迪恩涡流的微流体高效混合器。

背景技术

微流控芯片是一种以在微米尺度空间对流体进行操控的技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力，因此又被称为芯片实验室，微流体混合器作为微流控芯片的重要组成部分，越来越受到该领域的广泛关注，凭借其所具有的体积小、混合效率高、反应速度快等优势，在化学检测、生物检测、精细材料合成等领域应用越来越广泛。

在微纳尺度下，流体的主要流动状态为层流，混合主要依靠流体间的分子扩散作用，因此进行一些流体混合时，需要的时间较长，效率较低，在通道的结构与外部场等方面提出了很多改进。

在US9194780B2的专利文献中公开了一种微流控无源混合芯片，该芯片采用同心圆作为混合流道，包括两个入口和一个出口，两个入口位于外圈，从外圈向内圈依次流动，出口位于内圈；但是该方案因为外圈的曲率半径更大，根据迪恩数的表达式：

其中，d是弯管界面直径，R是弯管曲率半径，可以看出，曲率半径越大，迪恩数越小，所起到的混合作用越弱，因此从内圈设置出口不利于混合。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于迪恩涡流的微流体高效混合器。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了一种基于迪恩涡流的微流体高效混合器，包括两个入口、1个出口和一个微流体通道，两种微流体从两个入口流入，在微流体通道内混合后，从出口流出，其中微流体通道为依次连通的环形通道，入口位于最内圈的环形起始位置，然后，经过多圈环形通道后从最外圈的环形通道流出。

作为进一步的技术方案，所述的两个微流体通道入口为并行的通道入口，为方便加工，从通道的垂直方向注入；

作为进一步的技术方案，所述的混合通道，由同心/非同心圆的平行通道组成，同心圆的通道在两行通道交会时采用短直通道连接；

作为进一步的技术方案，所述的微流体混合通道长度根据所需混合的流体物性确定，可以由多组同心/非同心圆通道组成，也可由一组通道组成。

作为进一步的技术方案，所述的同心/非同心圆混合通道可以是变截面通道，也可以是等截面通道。

作为进一步的技术方案，所述的出口在通道末端，为方便加工以及混合液体的收集，从通道的垂直方向流出。

作为进一步的技术方案，所述的障碍物非均匀设置，自流体入口开始，所设置的第一个障碍物与环形通道的内圆外切，所设置的第二个障碍物与环形通道的外圆内切，以此间隔设置。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

1.本发明公开了一种基于迪恩涡流的微流体高效混合器，其结构包括两个入口、1个出口和微流体通道；两个入口位于最内圈的环形通道的起始位置，出口位于最外圈的环形通道的出口位置，通过设计微流体通道的结构，在两种微流体流经微通道的不同区域时，利用微流体在弯曲通道流动的“迪恩效应”以及流体在通道拐弯处的方向突变，使得微流体沿微通道内壁面在沿着流体流动方向以及垂直于流体流动方向流动、翻转，在两种微流体时刻处于位置交换的状态，加强了对流扩散强度；结构简单，加工成本低，混合速度快，依靠微通道结构改变就能实现多种微流体高效被动混合，对流体流量局限较小。

2.本发明将通道设置成偏心结构，使得通道的宽度以及流速可以发生变化，因此迪恩数也发生变化，最终使得微通道内的两种流体的对流扩散强度更强。

3.本发明通过在通道内设置障碍物，一方面可以改变通道的宽度以及流速的变化，另外一方面利用的圆柱绕流，使流体不断混合-分离，增强对流扩散强度。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是实施例1中公开的微流体高效混合器示意图；

图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)是本发明实施例1中公开的微通道混合机理及混合效果示意图；

图3是实施例1中公开的其他形式的微流体高效混合器示意图；

图4是实施例2中公开的微流体高效混合器示意图；

图5是实施例3中公开的微流体高效混合器示意图；

图6是实施例4中公开的微流体高效混合器示意图；

图中：1入口，2出口，3微流体通道，4障碍物。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

术语解释部分:本实施例中的迪恩涡流，即Dean vortex，是一种流体力学中的特殊现象，是指在离心力的作用下弯管中的粘性流体在一定的主流速度下所产生的一对按一定规律运动的反向对称涡旋，可用于增强混合、传质及传热等。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种基于迪恩涡流的微流体高效混合器。

实施例1

如图1、图3所示，本实施例中公开了一种具有迪恩涡旋结构的微流体混合器包括两个入口1、1个出口2和一个微流体通道3，两种微流体从两个入口1流入，在微流体通道3内混合后，从出口2流出，其中微流体通道3为依次连通的环形通道，两个入口1位于最内圈的环形起始位置，然后，经过多圈环形通道后从最外圈的环形通道的1个出口2和流出；通过设计微流体通道的结构，在两种微流体流经微通道的不同区域时，利用微流体在弯曲通道流动的“迪恩效应”以及流体在通道拐弯处的方向突变，使得微流体沿微通道内壁面在沿着流体流动方向以及垂直于流体流动方向流动、翻转，在两种微流体时刻处于位置交换的状态，加强了对流扩散强度；结构简单，加工成本低，混合速度快，依靠微通道结构改变就能实现多种微流体高效被动混合，对流体流量局限较小。

进一步，所述的入口尺寸60～100微米，具体尺寸需与外接导管配合；所述的通道高度为100～200微米；

所述的第一个环形通道的内圆半径为200微米；沿着环形通道的径向方向，相邻环形通道之间的间隔为100～200微米；在本实施例的图1中环形通道的数量为两个；在本实施例的图3中环形通道的数量为五个。

进一步的，所述的出口尺寸为150微米，具体尺寸需与外界导管配合；所述的两个入口的流体速度为0.1～1m/s。所述的两种流体在扩散系数为1×10^-9m²/s时的混合效率：经过一个通道之后混合效率可达90％以上。

进一步的，两个微流体通道入口1为并行的通道入口，为方便加工，从通道的垂直方向注入。

进一步的，所述的出口2在通道末端，为方便加工以及混合液体的收集，从通道的垂直方向流出。

本实施例中的流体从两个平行入口1垂直流入通道内，在入口处实现局部混合增强。流体流入弧形通道之后，在迪恩涡旋的作用下，微流体的流线、压力场发生改变，在垂直于通道的截面上发生不断混合。流体从一个弧形通道流入另一个平行的弧形通道时，流体的流动方向发生迅速改变，在平行于通道的截面上发生混合，实现局部增强混合。在经过几个类似结构单元达到所需的混合度之后，由出口2流出，具体的混合效果如图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)所示。

实施例2

如图4所示，本实施例公开了一种具有迪恩涡旋结构的微流体混合器，其包括两个入口1、1个出口2和微流体通道3，两种微流体从两个入口1流入，在通道3内混合后，从出口2流出；其中微流体通道3包括两个环形通道，与实施例1公开的微流体混合器不同点在于，本实施例中的环形通道是偏心设置的，而实施例1中是同心设置的。

其中入口尺寸60～100微米，具体尺寸需与外接导管配合，通道高度为100-200微米；第一个环形通道的内圆半径为100-200微米，外圆半径为300-400微米，两圆的偏心距为20～100微米；第二个环形通道的内圆半径为500-600微米，外圆半径为800-900微米，两圆的偏心距为40微米；

沿着环形通道的径向方向，相邻环形通道之间的间隔为100～200微米；

出口尺寸为150微米，具体尺寸需与外界导管配合。

两个入口的流体速度为0.1～1m/s。两种流体在扩散系数为1×10^-9m²/s时的混合效率：经过一个通道之后混合效率可达95％以上。

本实施例中将两个环形通道设计成了偏心结构，与同心结构相变，混合的距离有所减小，经过一个通道之后的混合效率较非偏心设置的通道混合效率有所提高。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上，在环形通道内设置圆柱形的障碍物，以图5所示的两个环形通道为例，对本实施例中的障碍物设置方式进行说明；在第一个通道内设置5个圆柱障碍物4(按照混合效果可增减圆柱数量)，自流体入口开始，5个圆柱障碍物均匀间隔设置，圆柱障碍物4的直径为50～100微米；在第二个通道内设置7个圆柱障碍物4(按照混合效果可增减圆柱数量)，所设置的圆柱障碍物直径为50～100微米，与第一个通道一致。所述的两种流体在扩散系数为1×10^-9m²/s时的混合效率：经过一个通道之后混合效率可达95％以上。

通过设置圆柱障碍物可以在迪恩涡的基础上再进一步通过圆柱绕流增强通道内的扰动，通过提高混合效率。

当然不难理解的，上述的障碍物还可以非均匀设置，具体的设置方式可以是自流体入口开始，所设置的第一个圆柱障碍物与第一个通道的内圆外切，所设置的第二个圆柱障碍物与第一个通道的外圆内切，以此间隔设置，这种方式设置障碍物，其混合效率更好。

实施例4

本实施例在实施例1的基础上，在环形通道内非均匀设置障碍物，以图6所示的两个环形通道为例，对本实施例中的障碍物设置方式进行说明；本实施例在第一个通道内设置3个非均匀设置的障碍物(按照混合效果可增减圆柱数量)，自流体入口开始，所设置的第一个圆柱障碍物与第一个通道的内圆外切，所设置的第二个圆柱障碍物与第一个通道的外圆内切，以此间隔设置，直径为50～100微米；第二个通道内设置5个圆柱障碍物(按照混合效果可增减圆柱数量)，自流体入口开始，所设置的第一个圆柱障碍物与第二个通道的内圆外切，所设置的第二个圆柱障碍物与第二个通道的外圆内切，所设置的第三个圆柱障碍物与第二个通道的内圆外切，所设置的第四个圆柱障碍物与第二个通道的外圆内切，以此间隔设施；所设置的圆柱障碍物直径为50～100微米，所述的两种流体在扩散系数为1×10^- ⁹m²/s时的混合效率：经过一个通道之后混合效率可达98％以上。通过设置圆柱障碍物可以在迪恩涡的基础上再进一步通过圆柱绕流增强通道内的扰动，通过提高混合效率。

当然不难理解的，上述的障碍物还可以均匀设置，具体的设置方式可以参考实施例3。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于迪恩涡流的微流体高效混合器，包括两个入口、1个出口和一个微流体通道，两种微流体从两个入口流入，在微流体通道内混合后，从出口流出，其特征在于，所述的微流体通道为依次连通的环形通道，两个入口位于最内圈的环形通道的起始位置，出口位于最外圈的环形通道的出口位置。

2.如权利要求1所述的基于迪恩涡流的微流体高效混合器，其特征在于，所述的环形通道同心设置。

3.如权利要求2所述的基于迪恩涡流的微流体高效混合器，其特征在于，在所述的环形通道上设有竖直设置的障碍物。

4.如权利要求3所述的基于迪恩涡流的微流体高效混合器，其特征在于，所述的障碍物非均匀设置，自流体入口开始，所设置的第一个障碍物与环形通道的内圆外切，所设置的第二个障碍物与环形通道的外圆内切，以此间隔设置。

5.如权利要求2所述的基于迪恩涡流的微流体高效混合器，其特征在于，在相邻两通道交会时采用短直通道连接。

6.如权利要求2所述的基于迪恩涡流的微流体高效混合器，其特征在于，所述的通道为变截面通道或等截面通道。

7.如权利要求1所述的基于迪恩涡流的微流体高效混合器，其特征在于，所述的环形通道偏心设置。

8.如权利要求7所述的基于迪恩涡流的微流体高效混合器，其特征在于，在所述的环形通道上设有竖直设置的障碍物。

9.如权利要求8所述的基于迪恩涡流的微流体高效混合器，其特征在于，所述的障碍物非均匀设置，自流体入口开始，所设置的第一个障碍物与环形通道的内圆外切，所设置的第二个障碍物与环形通道的外圆内切，以此间隔设置。

10.如权利要求1所述的基于迪恩涡流的微流体高效混合器，其特征在于，所述的入口垂直于通道所在的平面，所述的出口垂直于通道所在的平面。