CN1542429A - 交叉导流式微型静态混合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交叉导流式微型静态混合器。在第一块基体上刻蚀有一端分别第一、第二输入口相连通的输入管道、两个输入管道相交处连接上部混合腔，上部混合腔内的两侧依次有呈周期交叉排列、而槽又相连通的导流块，上部混合腔的另一端接输出口，在第二块基体上刻蚀有下部混合腔，下部混合腔内的两侧有与第一块基体相同尺寸的、依次有呈周期交叉排列、而槽又相连通的导流块，两块基体的刻蚀面相互键合，形成封闭的三维管道。它利用周期排列的导流块，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，同时加强分子扩散作用，达到实现快速而高效的混合的目的。本发明具有结构简单，易集成、加工工艺简单等特点，特别适用于微化学分析系统。
Description
所属技术领域
本发明涉及微流体化学分析系统器件，特别涉及一种交叉导流式微型静态混合器。
背景技术
微流体系统可以被定义为处理微升以至纳升级流体的MEMS系统。微流体化学分析系统具有如下的优点：较短的响应时间、较少的试剂和试样消耗量、易于小型化和自动化，效率高等特点。微化学分析系统的功能包括取样、预处理、混合、化学反应、分离、后处理和识别等。混合处理的目的是用来降低非均匀性，例如用于稀释，或者用来强化化学反应速率，因此实现快速而高效的混合是非常重要的。
根据混合理论，产生混合的主要原因是由于流场的对流作用而形成的不同流体之间相对位置的重新分布，从而导致各种流体相互混杂的过程；同时在分子尺度，由于分子的布朗运动，产生扩散作用，驱动流体分子从浓度高处向浓度低处扩散，促使流体达到分子级均匀混合。
对于微流体系统，由于尺度的限制，使用现有的微加工技术，难于采用具有可动部件的旋转搅拌结构，同样也难于加工出类似于常规静态混合器形式的复杂三维结构。而且对于微流体系统而言，它的流量属于微升甚至纳升级，体积小，速度低，属于小雷诺数流动，若无强烈的外加扰动，流体保持层流状态。因此在微尺度条件下，为达到分子级均匀混合的目的，微型混合器的设计应加强分子扩散作用。因此目前国内外研究的静、动态微型混合器，主要是利用增强分子扩散作用的原理，通过流道的结构设计、机械的或其他方式的扰动增加不同液体之间的接触面积，减小流体元的体积，达到实现混合的目的。
理想的微型混合器应具有如下特点：快速、流量可调、体积小、浓度可调、易于集成。现有的微型混合器，由于加工工艺的限制，多数是平面结构，例如利用多个交叉微管道组成的微型混合器，这样的微型混合器占用空间大，效率较低；其他的还有采用复杂的加工工艺，例如借助压电晶体薄膜，同时施加交变电场产生超声振动来混合；或采用同时施加电场和磁场，通过洛仑兹力对电解质的作用而达到混合的目的，这样的结构不仅占用空间大，而且加工复杂，难于集成，成本也较高。静态混合器由于不需要运动部件，混合也不是通过外来搅动完成，而是利用液体流过混合单元时产生的自然运动，因此开发结构简单、易于加工的微型静态混合器对于微化学分析系统的实用化进程有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足和缺陷，本发明的目的在于提供适用于微化学分析系统的快速而高效的一种交叉导流式微型静态混合器。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是它包括：在第一块基体的一个表面上刻蚀有一端分别第一、第二输入口相连通的输入管道、两个输入管道相交处连接上部混合腔，上部混合腔内的两侧依次有呈周期交叉排列、而槽又相连通的导流块，上部混合腔的另一端接输出口，在第二块基体的一个表面上刻蚀有下部混合腔，下部混合腔内的两侧有与第一块基体相同尺寸的、依次有呈周期交叉排列、而槽又相连通的导流块，两块基体的刻蚀面相互键合，两层导流块相接触形成封闭的三维管道。
在上部混合腔和下部混合腔内每一块导流块与壁面的夹角为30°～60°，导流块在混合腔横截面方向上的投影长度m与混合腔宽度n之比为0.5～0.8。
所说的基体材料为有机玻璃或晶体硅或玻璃或陶瓷或硅橡胶。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：通过在管道内设置交替排列的导流块，可以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，加强分子扩散作用，最终实现分子级的均匀混合。本发明提供的微型静态混合器，由多个混合单元组成，可根据实际应用，选择不同数目的混合单元。本发明具有结构简单，易集成、加工工艺简单等特点，特别适用于微化学分析系统。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明结构原理示意图；
图2为上基体结构示意图；
图3为下基体结构示意图；
图4为图1的D局部放大图；
图5为图1C-C的剖面图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，它包括：在第一块基体A的一个表面上刻蚀有一端分别第一、第二输入口1相连通的输入管道2、两个输入管道2相交处连接上部混合腔6，上部混合腔6内的两侧依次有呈周期交叉排列、而槽又相连通的导流块4、5，上部混合腔6的另一端接输出口3，在第二块基体B的一个表面上刻蚀有下部混合腔7，下部混合腔7内的两侧有与第一块基体A相同尺寸的、依次有呈周期交叉排列、而槽又相连通的导流块4′、5′，两块基体A、B的刻蚀面相互键合，上层的导流块4、5和下层的导流块4′、5′在端部有一定的接触8，两层导流块相接触形成封闭的三维管道。
如图4、图5所示，在上部混合腔6和下部混合腔7内，每一块导流块与壁面的夹角α为30°～60°，导流块在混合腔横截面方向上的投影长度m与混合腔宽度n之比为0.5～0.8。
当流体进入混合腔后，由于上下导流块的作用，上层流体要绕过上层的导流块4、5，下层流体也要绕过下层的导流块4′、5′，于是上层流体的流动方向与下层流体的流动方向不同，形成交叉，产生剪切流；同时由于混合腔内通流面积的周期性变化，可以产生延伸流；由此达到减小流体元的体积和增加不同流体间的界面面积的目的，加强分子扩散作用，最终达到高效而快速的分子级混合。导流块与中心线成一定角度，且偏向流动方向，因此导流块不会引起过大的压力降；当流体进入混合腔内，导流块就对流体起导向的作用。
本发明提供的微型静态混合器，采用基于平面刻蚀加工工艺为基础的三维结构加工技术。
Claims (3)
1、一种交叉导流式微型静态混合器，其特征在于它包括：在第一块基体(A)的一个表面上刻蚀有一端分别第一、第二输入口(1)相连通的输入管道(2)、两个输入管道(2)相交处连接上部混合腔(6)，上部混合腔(6)内的两侧依次有呈周期交叉排列、而槽又相连通的导流块(4、5)，上部混合腔(6)的另一端接输出口(3)，在第二块基体(B)的一个表面上刻蚀有下部混合腔(7)，下部混合腔(7)内的两侧有与第一块基体(A)相同尺寸的、依次有呈周期交叉排列、而槽又相连通的导流块(4’、5’)，两块基体(A、B)的刻蚀面相互键合，两层导流块相接触形成封闭的三维管道。
2、根据权利要求1所述的一种交叉导流式微型静态混合器，其特征在于：在上部混合腔(6)和下部混合腔(7)内，每一块导流块与壁面的夹角α为30°～60°，导流块在混合腔横截面方向上的投影长度m与混合腔宽度n之比为0.5～0.8。
3、根据权利要求1所述的一种交叉导流式微型静态混合器，其特征在于：所说的基体材料为有机玻璃或晶体硅或玻璃或陶瓷或硅橡胶。
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