CN101115548A - 耐泡微混合器 - Google Patents

Abstract

一种用于混合微流动***中的至少一个第一流体和一个第二流体的装置，包括至少两个限流器(56、57)与所述第一流体和容器(51)流体连通的第一传送管道(55)，与所述第二流体和容器流体连通的至少一个第二传送管道，所述第二传送管道具有与所述第一传送管道流体连通的至少两个流体出口(54a、54b)，其中，所述第二传送管道的所述出口的每个处于下游并且与其中一个所述限流器的出口流体连通，其特征在于，限流器是耐泡的，形成为防止进入限流器的气泡破裂为消耗源头与容器之间的压差的气泡链。泵送装置可附接至流动***，该泵可以是恒压类型的泵，其中的弹性囊将流体挤入通道。

Description

耐泡微混合器

技术领域

本发明涉及在微流动***中的流体混合，不具有气泡阻塞流动通道并由此破坏混合可靠性的任何风险。该混合器包括刻在板面上的类似毛细管或槽道的传送管道。流体以层压的方式汇合。将限流器***传送管道从而确保稳定的流率，并且具有能够使通过限流器的气泡***成不能阻塞流动路径的尺寸。

背景技术

具有微升/分钟数量级的流动的***通常通过将加压液体源连接至类似刻入板面的毛细管或槽道的传送管来实现。在下述内容钟，传送管可以任意地作为槽道进行参考。这一槽道***通常包括改变内部尺寸类似非常突然地变窄从而调节流率。

这种小尺寸的流动***存在公知的实际问题，即溶解在液体中的气体可形成为液体中的气泡，并且这种气泡可能对驱动流体处于给定流率所需的压力差或压力降产生严重的影响，并且在最坏的情况下，气泡可能有效地堵塞槽道。这是由于在槽道中将(较大的)气泡***为多个小气泡的现象，该现象在槽道的内部变窄部分的入口处尤其明显。

流体塞将小气泡彼此分离，每个小气泡需要在其端部之间的特定压力差从而沿着槽道移动。该压力差很大程度上独立于气泡长度。短于临界长度的气泡往往使其自身位于槽道中，由此堵塞流动。该临界长度取决的因素例如流体的粘性、槽道和流体的尺寸。

实际的堵塞是否发生当然取决于压力裕量，即可用于驱动流动的压力量。只有在源头与容器之间的总压差被从气泡串和流体塞的压降的总和消耗的情况下，才会出现堵塞。

对于许多的应用情况，理想的是在***中混合流体。即下述情况，当试剂流体被加入以示出一些变化从而表明流体中的一些物质的浓度时，例如颜色的变化可由光学设备检测到。一种应用情况是对糖尿病人分析人类细胞组织中的葡萄糖，在这种情况下，进行快速和可靠的测量涉及到生与死的问题。

因此，已经在流体层叠的基础上提出许多微混合器，以通过扩散增进混合，类似于将第一流体从上部和底部加入第二流体，从而跨过两个接触区域发生扩散，或者如DE 195 36 856中描述的更复杂的层叠，其中的流体被切成多个小的部分。

如果气泡使其自身限制其中一个流体的流动，那么这种通过层叠进行的混合会出现严重的问题，由此会改变流体的相对流率。这将导致流体的混合效率的降低，可能以错误的相对量混合流体。

为了最小化微流动***中的气泡对流率的影响，人们可***具有基本上比较大的阻力的限流器，使得气泡的相对作用不太明显。它们可选择为小件的玻璃毛细管，其内部直径小于槽道的直径。毛细管中的流率与毛细管的长度和直径的关系以及与沿着毛细管内部的压降的关系已经很好地进行限定。对于给定的压降，流率由此可通过选择适当长度和直径的毛细管而固定为理想值。这一实践的缺点在于这种限流器本身往往会***气泡，每个被***的气泡会增加总的流体阻力。

发明内容

本发明涉及通过将流体的层叠置在一起而进行简单的混合，其中第一流体从两侧汇合至第二流体，导致流体的层叠流动结构，层叠过程可自然地重复从而增加流体的层叠层的数量。然后，层叠流体沿着具有这一长度的槽道部分流动，该扩散可确保流体的充分混合，至少在理想情况下。

但是，如果流体包含气泡，那么流率可能会如前文所述受到影响，导致混合不可预测以及不可靠。

基于此，现在已经发现，通过根据理想的流率适当地扩宽流动槽道的入口，可控制流体膜围绕槽道中的气泡的干扰增长的定时，使得任何气泡***受到控制以使气泡长度只长于临界长度，由此不会产生堵塞毛细管的风险。

本发明的这一目的是产生可靠的微混合器，其中的流体可通过简单的扩散进行层叠和混合，而且没有气泡影响流率以及由此影响层叠和混合的缺点。

这一目的通过用于混合微流动***中的至少一个第一流体和一个第二流体的装置实现，包括

-至少两个限流器

-与所述第一流体和容器流体连通的第一传送管道，

-与所述第二流体流体连通的至少一个第二传送管道，所述第二传送管道具有与所述第一传送管道流体连通的至少两个流体出口，

其中，所述第二传送管道的所述出口的每个处于下游并且与其中一个所述限流器的出口流体连通，其特征在于，限流器是耐泡的，形成为防止进入限流器的气泡破裂成消耗源头与容器之间的压差的气泡链。

泵送装置可附接至流动***，该泵可以是恒压类型的泵，其中的弹性囊将流体挤入通道。

附图说明

图1是在微流动***中的两种流体的简单混合结构，在其中一个通道中具有气泡。

图2是流动通道的变窄将气泡切为更小的气泡。

图3是通过将两种流体层叠入两个和三个平行的片而对两种流体进行混合。

图4是堵塞其中一个通道的流动通道的气泡链。

图5是具有锥形流体入口的限流器。

图6是本发明的优选实施例。

具体实施方式

图1示出从蓄液器105接收流体的通道100，其中的蓄液器可以是挤出流体的弹性囊，其可以是设置在受压容器中的挠性蓄液器，或者可以是用于存储流体并且产生流动的任何其他装置。

第二通道101连通来自蓄液器106的第二流体，在本发明优选实施例中的蓄液器106与蓄液器105相同，但是对于本发明来说并不重要。

第一通道100在点102处被分为分支100a和100b，这些分支分别从左侧和右侧在汇合点103处与第二通道101汇合。压力降□P＝P102-P103，其中P102是正好在分支点102之前的通道100中的压力，P103正好是在会聚点103之后的通道101中的压力。

在本发明的优选实施例中，两个通道100a、100b的每一个具有相同的内流阻R，相同的压降□P，流率在两个通道100a、100b中是相同的，使得Q100a/Q100b＝1，其中Q100a和Q100b分别是通道100a和100b中的流率，Q100a＝□P/R＝Q100b。

当气泡104进入时，例如进入通道100a，阻力受到降低速率Q100a的扰动□R的影响，□R＝□P/(R+□R)，使得Q100a/Q100b＝R/(R+□R)＜1，由于□R是正值。当混合流体处于分析***中时，保持不变的流动条件通常是重要的，由于如上所述，气泡可能对于流率具有明显的影响，当内阻力R比较小时，但是这种浮动可通过将基本上更大的限流器***流动通道而被最小化。如果扰动与阻力R相比较小，那么由于两个流率Q100a和Q100b变为几乎相同，所以关系Q100a，□R/Q100b接近1。

但是，在具有层叠流动的微流体***领域中存在一个公知的现象，流动连通装置的结构性变化可能导致气泡形成或者***为各种尺寸，这样它们将堵塞***。图2示出具有入口4到变窄部分3的流动通道1。在入口处，部分3形成入口面7。

流体2可包含气泡8。气泡8如图所示通过源头与容器之间的压差作用被驱动进入通道部分3的入口4。通常，气泡的存在导致在通道入口4出现两相流动。流体在薄层9中流动，薄层9附接至通道3的内表面。流体层9同轴地环绕气体流10，其填满通道3的剩余芯部。

流动通道3中的两相流体产生不稳定的现象，这频繁地导致气体流***为分离的气泡11，由流体塞12分离。这是由于薄膜9的液-气接合面的表面张力的作用。表面张力往往使得液体膜减小其表面并且可能增加直到气泡破裂，如13和14处所示。这种***被频繁地观察到，虽然在实践中这种***如何开始很大程度上是不可预测的。

当毛细管的部分被***通道中作为限流器时，会如图2所示出现变窄的情况，这样本身导致气泡破裂，由此增加了可能会堵塞的问题。

对于比较大的流动，超过若干微升/分钟，通常足以通过简单的扩散混合两种流体，其中，相互混合通常通过流动的相对湍流本质得以促进，并且降在汇合之后存在。但是在微***中，通常的条件是流体为层叠的，没有这种湍流行为。这样，当两个流体30、31如图3a所示相遇时，它们以相对层叠的结构流动一段时间，将混合限制到接触面32，由此通过扩散减慢混合。为了增加混合时间，流体可层叠至多个片中，在图3b中，流体之一被分离为两种片30a、30b，分别层叠在第一流体31的上部和下部。这样将接触面积变为二倍32a和32b，进一步减小了扩散的深度，由于两个层30a和30b的厚度小于层31。

图4示出当具有临界尺寸的气泡链40进入两个或多个通道的连接区域时发生的情况，在这里，两个流体41、42从分离的流动通道43、44汇聚成共同的混合通道45。如果源头与容器之间的总压差由气泡40链的压降总和消耗，或者几乎被消耗掉，那么气泡40可能截留在通道43中，由此防止流体41完全流入混合通道45，导致***中不可靠的流动以及混合。

但是，研究表明，限流器几何尺寸可以被改变从而抑制临界长度以下的气泡的产生。如图5所示，在比图1大的尺寸上，示出如图1的类似总体结构的限流器的入口端。但是，存在不同之处，即流动通道3已经在入口处光滑地并且逐渐地变宽从而形成拉管(trombone)形的入口嘴。在入口面7附近，通道较宽。在进一步远离入口面的位置处，通道变窄形成初始的内直径D。在坐标z的条件下，在入口面7处设定为零，沿着22所示的流动方向指向，在z＝D处，通道具有内直径D(z)＝3.5D，在z＝10.5D处，通道具有内直径D(z)＝D。

通道3变宽的第一条规则可以通过下述条件得到，即入口几何尺寸应该至少允许形成的气泡足够长从而避免通道3的堵塞。让N表示限流器中的气泡数量，流动将被堵塞如果

NΔP_d＜ΔP

其中，ΔP_d表示每个气泡的变形压降，如上述(3)所述。考虑气泡在流动通道3的变宽部分中的通道的内直径D^*＞D的点处破裂，已经计算，如果

$\left(1\right),D^{*}>3\sqrt{\frac{{\mathrm{\αD}}^5}{32\mathrm{\ηQ}}}$

并且如果通道3的入口变宽达到稍微大于D^*的直径，这样至少可能使由破裂产生的气泡足够长从而不完整地停止通过通道的流动，即使通道被这种气泡完全填满。在方程中，Q是流过通道3的液体的流率，η是液体的粘度，α是摩擦面张力参数，其必须通过经验得到。

现在讨论破裂过程本身，图2示出进入通道3的气体15的气泡16。在气泡的前部23，液体通过气体产生位移从而在通道3的内表面上形成厚度h(z)的薄膜17。由于在气体-液体交接面24处的表面张力，薄膜17是不稳定的。表面张力施加泵送动作，使得液体产生径向和轴向流动的趋势，如在25处所示，这在流体力学的领域中是公知的现象。这导致液体的局部累积，最终导致形成填充通道3的液体塞。因此，较小的气泡18(在图2中未示出)可从气泡16破裂而得到。

研究表明，夹断是否实际发生很大程度上属于局部表面曲率和定时的问题。如果气泡16通过开始液体局部累积的位置25但是液体膜17还没有在气泡通过的同时达到形成液体塞的足够厚度，那么夹断不会发生。另一方面，如果液体膜17变得足够厚从而在通道3的中心处聚合以形成液体塞，在气泡16流过位置25的同时，将发生夹断。

在此基础上，已经发现，通过根据所需的流率适当地增宽流动通道的入口，可控制通道3中围绕气泡的液体膜的扰动增加的定时，使得任何气泡破裂将产生气泡，其或者长于方程6的限制长度，因此不会产生堵塞毛细管的风险，或者足够短从而减小流动，但是数量不足以使通过毛细管的液体的流动停止。

经计算，气泡短于限制气泡长度L_b1，

$L_{b1}=\frac{{\mathrm{\π\αD}}^3}{32Q(\mathrm{\η}-{\mathrm{\η}}_g)}$

其中η_g是气体粘度，导致阻塞流动通道的风险，因为气体的较低粘度的优势被变形产生的损失抵消；长于L_b1的气泡将沿着流动通道自由地流动因为气体较低粘度的优势起到支配作用。已经发现，在锥形通道部分中，不稳定性一般会导致液体膜在流动通道中心处汇聚，由此夹断气泡，研究表明，这些局部时间段的最小时间段，指代为τ^*，控制通道3的加宽部分中的气泡破裂的时间比例。

理想地，阻止气泡破裂成短于限制气泡长度L_b1的气泡，这种气泡的特性(最小)传送时间τ_b1是

τ_b1＝L_b1/v^*，

其中v^*是坐标z的沿着通道3的内直径为其最小值的位置处的气泡速度的特性(最大)值。通道斜坡设计成使得

(2)τ^*＞τ_b1

将防止形成长度L_b＜L_b1的气泡。

关系(1)和(2)然后可结合在通道3的加宽入口的设计中从而形成耐气泡破裂的限流器，如下所述：

在通道3的入口面7与第一z坐标z₁之间的第一区段中，通道直径D应该保持为大于由上述关系(1)给出的值D^*。在这一关系中，坐标z₁设计为沿着通道的第一位置，其中的通道直径变窄为D^*。这将确保第一区段中的任何气泡破裂不会产生气泡，其长度很短不会完全堵塞流动。

在通道的第二区段中，在第一z坐标z₁和第二z坐标z₂之间，通道应该设计为根据上述关系(2)朝向原始通道直径D逐渐变窄。第二z坐标z₂定义为沿着通道的第一位置，在该位置处，通道变窄为其原始的总体直径D。在实际的情况下，这意味着几何尺寸应该设计成随着通道的变窄而最小化表面曲率的变化。这将确保已经到达z₁的气泡不会破裂，或者在z₁处已经破裂形成非临界长度的气泡，在它们沿着第二通道区段通过时不会进一步破裂，并且将未破裂地进入通道3的剩余的直区段并且也在那里保持未破裂。

图6示出本发明微混合器的优选实施例。两个流体50、51容纳在蓄液器52、53中。流体被分别导入通道54和55中，在这里，管被分为两个分支54a、54b。流体以主要由驱动流体的压差调节的流率流动，限流器56、57***通道中(其他的限流器可***通道55中)。限流器具有限制气泡的属性，类似具有上述锥形入口的毛细管的部件。这确保气泡到达管54a、54b，并且变为不能堵塞流动通道的尺寸，类似在通道54a、54b、55的汇聚点59。

Claims (12)

1.用于混合微流动***中的至少一个第一流体和一个第二流体的装置，包括

-至少两个限流器

-与所述第一流体和容器流体连通的第一传送管道，

-与所述第二流体和容器流体连通的至少一个第二传送管道，所述第二传送管道具有与所述第一传送管道流体连通的至少两个流体出口，

其中，所述第二传送管道的所述出口的每个处于下游并且与其中一个所述限流器的出口流体连通，其特征在于，限流器是耐泡的，形成为防止进入限流器的气泡破裂成消耗源头与容器之间的压差的气泡链。

2.用于混合微流动***中的至少一个第一流体和一个第二流体的装置，包括

-至少两个限流器

-与所述第一流体和容器流体连通的第一传送管道，

-与所述第二流体和容器流体连通的至少一个第二传送管道，所述第二传送管道具有与所述第一传送管道流体连通的至少两个流体出口，

其中，所述第二传送管道的所述出口的每个处于下游并且与其中一个所述限流器的出口流体连通，至少一个所述限流器包括具有入口面、出口面和从入口至出口延伸的流动通道的主体，该通道在其大部分长度上具有基本上不变的最小液压直径D＝4A/W，其中A是通道的最小局部横截面积，W是通道的最小局部湿润圆周，其特征在于，该通道在入口处光滑地变宽，使得：

-在距离入口面的距离z处，0＜z＜z₁，通道具有液压直径D_z≥k*D，其中k≥1.3；

-在距离入口面的距离z处，z₁＜z＜z₂，通道具有液压直径D_z，k*D≥D_z≥D；并且

-在距离入口面的距离z处，z₂＜z，通道具有液压直径D_z，D_z≤1.02D，除了可能在出口处通道类似地变宽。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，k≥2。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，k≥3。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，k≥4。

6.如前述任一权利要求所述的装置，用于以流率Q输送粘度为η的液体的流动***，其中气泡出现在液体中，其在通道中的移动需要由摩擦面参数α控制的弯月形变形，其特征在于，

$k*D\≥3\sqrt{\frac{{\mathrm{\αD}}^5}{32\mathrm{\ηQ}}}$

7.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第二传送管道具有分支入至少两个流体出口的一个流体入口，所述限流器位于所述分支位置的下游和第二传送管道的每个流体出口的上游。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述限流器是毛细管。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述限流器是玻璃毛细管。

10.一种用于在将混合流体输送至容器之前混合至少两个流体的设备，该设备包括蓄液器，该蓄液器中的压力高于容器的压力，如前述任一权利要求所述的至少两个限流器，

-与所述蓄液器的第一个和所述容器流体连通的第一传送管道，

与所述蓄液器的第二个流体连通的至少一个第二传送管道，所述第二传送管道具有与所述第一传送管道流体连通的至少两个流体出口，

其中所述第二传送管道的所述出口的每个处于下游并且与其中一个所述限流器的出口流体连通，所述限流器的入口与所述蓄液器的第二个流体连通。

11.如前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置处于用于分析流体中的所含物质的***中。

12.用于混合流体的装置，包括具有锥形入口的限流器，其特征在于τ^*＞τ_b1，τ和τ^*如上所述限定。

Images