CN208553992U - 一种二维被动式微混合器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种二维被动式微混合器，包括依次连通的进液口、入口通道、混合通道和出口通道，进液口有两个，对称布置于入口通道进液端的两侧，两进液口与入口通道之间形成T型结构。所述混合通道由若干依次连通的葫芦型混合单元组成，第一个葫芦型混合单元的大腔室段端部与所述入口通道的出口端连通，最后一个葫芦型混合单元的小腔室段端部与所述出口通道的入口端连通，葫芦型混合单元与入口通道之间的接口尺寸、相邻葫芦型混合单元之间的接口尺寸均小于葫芦型混合单元的小腔室段的相应尺寸。本实用无任何垂直方向的复杂三维结构，即可在提高混合效率的同时可避免造成入口和出口之间的压力降，且混合效率随着雷诺数的增大有明显提高。
Description
技术领域
本实用新型属于尾流控芯片领域，特别涉及一种二维被动式微混合器。
背景技术
从20世纪90年代初A.Manz等人提出微型全分析系统的概念，到2003年Forbes杂志将微流控技术评为影响人类未来15件最重要的发明之一，微流控技术已经成为一个研究热点并得到了快速的发展。微流控技术是把化学、生物、医学分析过程中样品的制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米级的芯片上并自动完成分析全过程的一项技术。随着该技术的发展，分析化学和生命科学等领域的研究系统开始逐渐变得小型化、集成化。微流控芯片是微流控技术实现的主要平台，以微流控技术为基础，在玻璃、PDMS等材料上刻蚀微米或纳米级尺寸的通道，并研究其特性，在微尺寸通道上进行样品的制备、反应、分离、检测等，研究其物理及化学特性。目前存在的微流控芯片的加工方法主要有五种，分别为：热压法、注塑法、模塑法、激光切蚀法和LIGA。微流控芯片具有分析能力强、分析速度快、设备紧凑、成本低、能有效避免试剂污染和试剂消耗量小等优点而倍受青睐。微混合器作为微流控芯片的重要组成部分受到广泛的关注。
微混合器目前主要分为两种：主动式微混合器和被动式微混合器。
主动式混合器主要通过一个外部施加的刺激来促进液体混合，目前存在的刺激有：电场、磁场、声波以及光诱导等。主动式微混合器的优点在于能够利用外加能量源刺激流体，打破混合通道中流体的层流状态，增强湍流，提高混合效率。但主动式微混合器的制作过程和清洗过程较复杂，且其外部施加的刺激对反应体系造成破坏作用，一些生化反应中甚至会对精细的生物细胞产生破坏作用，成为其应用的制约因素。
被动式混合器主要是通过微通道中几何图形的变化，引入不同的微结构诱导复杂的流体运动，以实现适当的混合。被动式微混合器不需要复杂的控制单元或者是外加的刺激输入，不会干预生化反应，在生物分析和化学反应中有着广泛的应用。
采用微型器件实现液体的快速混合，有利于在芯片实现样本的快速处理和高通量分析。但由于微尺度环境下流体的雷诺数数很低，微通道内的微流体以层流形式的流动形态存在，不利于两股流体介质快速且高效混合，因此混合强度较低。所以，对高效被动式微混合器的研究就成为目前微流控领域的研究热点之一。
T型混合通道最初是由Kockmann N等人(Kockmann N,Foll C,Woias P,Flowregimes and mass transfer characteristics in static micro mixers,inMicrofluidics,Biomems,and Medical Microsystems,H.Becker P.Woias,Editors.2003.p.319-329.)于2003年提出来的，通过数值模拟发现，流体在T/Y型微混合通道中的流动状态可分为三种模式：层流、涡流以及吞没流。为了改善层流状态下的混合效率，Wang WT等人(Wang WT,Zhao SF,Shao T,et al.Numerical study of mixingbehavior with chemical reactions in micro-channels by a lattice Boltzmannmethod[J].Chemical Engineering Science,2012,84:148-154.)利用晶格玻尔兹曼方法(LBM)通过增加入口的个数以及调整流量及每个入口的宽度来实现快速混合。经模拟显示，随着入口数量的增加和入口流体流速的加快，混合效果有明显提高。Feng X等人(Feng X,Ren Y,Jiang H.An effective splitting-and-recombination micromixer with self-rotated contact surface for wide Reynolds number range applications[J].Biomicrofluidics,2013,7(5).)在直线型通道的基础上设计了XH型和XO型3D结构的混合通道，流体经过周期性的分裂、挤压、旋转以及重组，引发混沌对流。模拟结果显示，当Re为0.3时，直线型通道的混合效率为27.5％，XH和XO型的混合效率分别为91.8％和89.4％；Re为60时，直线型通道的混合效率下降至10％，XH和XO型的混合效率分别为87.7％和72.9％。总体来说，XH和XO型混合通道相比起直线型通道有很大的提高，但设计较为复杂。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种设计简单、可提高混合效率、降低微流体入口和出口之间压力降的二维被动式微混合器。
本实用新型提供的这种二维被动式微混合器，包括依次连通的进液口、入口通道、混合通道和出口通道，进液口有两个，对称布置于入口通道进液端的两侧，两进液口与入口通道之间形成T型结构。所述混合通道由若干依次连通的葫芦型混合单元组成，第一个葫芦型混合单元的大腔室段端部与所述入口通道的出口端连通，最后一个葫芦型混合单元的小腔室段端部与所述出口通道的入口端连通，葫芦型混合单元与入口通道之间的接口尺寸、相邻葫芦型混合单元之间的接口尺寸均小于葫芦型混合单元的小腔室段的相应尺寸。
所述葫芦型混合单元的大腔室段和小腔室段的横截面均为圆形。
作为优选，所述葫芦型混合单元小腔室段的半径和大腔室段的半径分别为145um-242um和235um-242um，大腔室段和小腔室段具体选值时尽量使两者的比值基本符合黄金分割比，以保证在提升混合效率的同时减小压力降。
作为优选，所述葫芦型混合单元的腰身尺寸在50um-200um之间。
作为优选，相邻的葫芦型混合单元之间的接口尺寸为50um-200um。
作为优选，入口通道与第一个葫芦型混合单元大腔室端之间的接口尺寸与相邻葫芦型混合单元之间的接口尺寸相同。
为了保证微流体的混合效果，所述葫芦型混合单元至少设置20个。
本实用新型入口通道和出口通道之间的混合通道由若干葫芦型混合单元依次连通形成，且葫芦型混合单元与入口通道之间的接口尺寸、相邻葫芦型混合单元之间的接口尺寸及葫芦型混合单元的腰身尺寸均小于葫芦型混合单元的小腔室段的尺寸。当微流体从入口通道进入葫芦型混合单元时，葫芦型混合单元的侧壁增大了微流体的接触面积，可促进混合效率。当微流体从入口通道进入葫芦型混合单元时流通面积增大，可降低流通压力，从而使压力降变小，微流体从大腔室段流经腰身时流通面积变小受到挤压，又可增强混合效果，当微流体从腰身进入小腔室段时，流通面积增大又可降低流通压力，使压力降减小。如此反复。
综上所述，本实用新型的混合通道由多个葫芦型混合单元依次连通形成，无任何垂直方向的复杂三维结构，不仅具有加工简易，成本低廉，易于集成，适合于规模化生产应用，易于其在微流控分析系统中的集成的优势；还能在提高混合效率的同时可避免造成入口和出口之间的压力降，且混合效率随着雷诺数的增大有明显提高。
附图说明
图1为本实用新型一个实施例的结构示意图。
图2为本实施例与T型微混合器在雷诺数为1-100范围内的混合效率对比图。
图3为本实施例与T型微混合器在雷诺数为1-100范围内的压力降对比图。
图4为本实施例在不同腰身尺寸的混合效率对比图。
图5为本实施例在不同腰身尺寸的压力降对比图。
图6为本实施例的葫芦型混合单元应用在方波型和S型被动式微混合通道的混合效率对比图。
图7为本实施例的葫芦型混合单元应用在方波型和S型被动式微混合通道的压力降对比图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型公开的这种二维被动式微混合器，包括依次连通的进液口1、入口通道2、葫芦型混合单元3、出口通道4。
进液口1有两个，对称布置于入口通道2进液端的两侧，两进液口与入口通道之间形成T型结构。每个葫芦型混合单元3的大腔室段31和小腔室段32的横截面均为圆形。
多个葫芦型混合单元3依次连通组成混合通道，第一个葫芦型混合单元3的大腔室段31端部与入口通道2的出口端连通，最后一个葫芦型混合单元3的小腔室段32端部与出口通道4的入口端连通。
本实用新型基于仿生结构，在T型为混合通道的基础上引入葫芦型混合单元，微流体流经葫芦型混合单元的腰身狭窄处时易形成涡流，可显著的提高混合通道中微液体的混合效率。
本实用新型对葫芦型混合单元的大腔室段和小腔室段半径分别为242um和150um，腰身尺寸为200um，相邻葫芦型混合单元之间的接口尺寸为200um，葫芦型混合单元数量为20个，通过ANSYS Fluent软件对流体进行了仿真实验。实验材料为水，其密度为998kg·m-3，运动粘度为1.003*10-3kg m-1s-1，质量扩散系数为1.2*10-9m2s-1。两进液口的进液速度范围为0.0125m/s-1.25m/s，雷诺数范围为1-100。
实验得出的数据为：当Re＝1时，混合效率为20.44％，随着速度的增加，混合效率会呈现先降低后升高的趋势，当Re＝100时，混合效率能达到16.79％。
而T型微混合器在Re＝1时，混合效率为21.93％，Re＝100时，混合效率仅为4.59％。本混合器与T型微混合器的性能对比图如图2和图3所示。
本实用新型还对上述葫芦型单元的不同腰身尺寸进行了仿真实验。葫芦型单元的上述参数除腰身尺寸外均保持不变，而腰身尺寸分别为150um、100um和50um。
实验发现，在Re＝1时，流体间主要通过分子扩散的作用进行混合，因此混合较低。随着Re的增大，流体在经过收缩口时受到挤压和拉伸形成涡流，从而能够促进混合效果。随着速度的增加，涡流增强，每个混合通道的混合效果在100时均达到了的最好程度。随着腰身尺寸的减小，这种旋涡会呈现处一种强化的趋势。腰身尺寸为50um是混合最均匀且最好的，当Re达到100时，腰身尺寸为50um的葫芦型混合单元的小腔室段腔室中开始出现涡流，大腔室段腔室中出现多个涡流，从而使得混合效果加强，而入口通道和出口通道之间的压力降却没有明显增加。也就说，本实用新型的葫芦型混合单元在获得高混合效率的同时并不会产生很高的压力降。实验验证，当压力降为4030Pa的时候，混合效率能够提升到80.33％，大大高于在相同压力下的T型微混合通道。
将上述葫芦型混合单元腰身尺寸分别为200um、150um、100um和50um对应的性能测试曲线分别记为GM1、GM2、GM3和GM4，它们的混合效率和压力降对比如图4和图5所示。
将本实用新型的葫芦型混合单元应用在S型和方波型混合器中进行仿真实验发现，混合效果更加明显。未引入葫芦型混合单元的S型混合通道在Re＝1时，混合效率为24.51％，Re＝100时，混合效率仅为12.93％，而引入葫芦型混合单元后，Re＝1时，混合效率为32.8％，而Re＝100时，混合效率可达到84.07％。
未引入葫芦型混合单元的S型混合通道在Re＝1时，混合效率为24.51％，Re＝100时，混合效率仅为12.93％，而引入葫芦型混合单元后，Re＝1时，混合效率为32.8％，而Re＝100时，混合效率可达到84.07％。
对于方波型微混合通道，Re＝1时混合效率为27.73％；Re＝100时为24.32％。引入葫芦型混合单元后，在Re＝1时能达到37.68％；Re＝100时能达到83.35％。本混合器与S型和方波型微混合器的性能对比图如图2和图3所示。
从上述仿真实验可以独处结论，本实用新型在设计了葫芦型混合单元后，无需加入任何外部设置，即可在较宽的雷诺数范围内增加液体混合效率，且在提高混合效率的同时不会产生较大的压力降。
Claims (7)
1.一种二维被动式微混合器，包括依次连通的进液口、入口通道、混合通道和出口通道，进液口有两个，对称布置于入口通道进液端的两侧，两进液口与入口通道之间形成T型结构，其特征在于：所述混合通道由若干依次连通的葫芦型混合单元组成，第一个葫芦型混合单元的大腔室段端部与所述入口通道的出口端连通，最后一个葫芦型混合单元的小腔室段端部与所述出口通道的入口端连通，葫芦型混合单元与入口通道之间的接口尺寸、相邻葫芦型混合单元之间的接口尺寸均小于葫芦型混合单元的小腔室段的相应尺寸。
2.如权利要求1所述的二维被动式微混合器，其特征在于：所述葫芦型混合单元的大腔室段和小腔室段的横截面均为圆形。
3.如权利要求2所述的二维被动式微混合器，其特征在于：所述葫芦型混合单元小腔室段的半径和大腔室段的半径分别为145um-242um和235um-242um。
4.如权利要求3所述的二维被动式微混合器，其特征在于：所述葫芦型混合单元的腰身尺寸在50um-200um之间。
5.如权利要求4所述的二维被动式微混合器，其特征在于：相邻的葫芦型混合单元之间的接口尺寸为50um-200um。
6.如权利要求5所述的二维被动式微混合器，其特征在于：入口通道与第一个葫芦型混合单元大腔室端之间的接口尺寸与相邻葫芦型混合单元之间的接口尺寸相同。
7.如权利要求1所述的二维被动式微混合器，其特征在于：所述葫芦型混合单元至少设置20个。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201820829516.0U CN208553992U (zh) | 2018-05-30 | 2018-05-30 | 一种二维被动式微混合器 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110947329A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-04-03 | 南昌航空大学 | 一种锯齿型被动式微混合器 |
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2018
- 2018-05-30 CN CN201820829516.0U patent/CN208553992U/zh active Active
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| CN110947329A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-04-03 | 南昌航空大学 | 一种锯齿型被动式微混合器 |
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