CN102000518A - 一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于微混合技术领域的一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***，该***为：直流脉冲激励电压***通过连接导线连接至微混合器主体的薄膜电阻微加热器两端的金属电极，供液泵***通过流体输送管路***与微混合器主体接通。直流脉冲激励电源在液体a环路的薄膜电阻微加热器上施加周期性开关电压，使得微加热器上产生的热汽泡发生周期性膨胀和收缩，汽泡胀缩对周围流场造成扰动使得垂直主混合微通道流动方向上产生脉动流，使得待混合流体受到垂直界面方向的高频扰动，从而快速高效地实现两种不同流体在微尺度下的充分混合。该发明通过汽泡周期性胀缩产生的周期性脉动流流场扰动来强化混合，在实现高效混合的同时避免了混合样品的热损伤。
Description
技术领域
本发明属于微混合技术领域，特别涉及一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***。
背景技术
近一个世纪以来，设备和***的微型化以及功能的集成化已成为微电子技术、信息技术、生物技术、纳米技术等高科技领域的共同发展趋势之一。与宏观***相比，微***具有样品消耗量少、惯性小、响应速度快、反应污染物排放少等优点，已经在生命科学、生物技术及分析化学等领域受到广泛关注。微混合器是用来实现不同反应物在微尺度条件下充分混合的微器件，是各种生物、化学反应的前置级，不同反应物之间在微混合器内的充分预混合是各种物理、化学及生物反应的先决条件。因此，微混合器混合效率的高低直接影响到微生物化学反应***的性能。
宏观尺度下的混合较易实现，如采用机械搅拌或通过提高运动流体的雷诺数使流动处于湍流区从而增加混合效果等。但微小尺度下流体混合的难点在于：微通道内的流动通常为低雷诺数的层流流动，不同流体之间的混合只能通过分子扩散来实现，往往需要较长的混合时间和较长的混合长度。
在微观尺度下，各种促进微混合方法的共性在于产生垂直于待混合流体界面的扰动。目前，已有微混合器可分为两类，即主动式微混合器和被动式微混合器。主动式微混合器需要在微混合器内部集成运动部件，具有混合效率高的优点，但是其加工工艺复杂，存在运动部件导致可靠性降低；被动式微混合器采用具有复杂几何结构的通道来形成混沌流以强化流体混合，混合效率通常比主动式混合器低，同时复杂通道结构会造成流动阻力的增大，需要较大的泵功，容易出现封装泄露问题。因此，微尺度下的流体混合尚未得到很好的解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***.，其特征在于：该微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***由直流脉冲激励电压***通过连接导线连接至微混合器主体的薄膜电阻微加热器两端的金属电极，供液泵***通过流体输送管路***与微混合器主体接通。
所述微混合器主体由上层盖板和下层基底键合而成；在上层盖板上沉积有薄膜电阻微加热器及其两端的金属电极，并且薄膜电阻微加热器位于液体a环路中的喷嘴结构正上方；在下层基底上有液体a入口和液体b入口分别通过各自的液体a流道、液体b流道汇合在一起连接主混合微通道，主混合微通道再连接混合流体出口；主混合微通道的连接通道与液体a环路上接通，液体a环路的一段形成葫芦状腔体，葫芦状腔体小端为喷嘴结构，喷嘴结构和连接通道接口之间设置气泡过滤器；在液体a环路内并排两个电极引线孔。
所述供液泵***泵送液体a和液体b两种待混合流体；在微混合器主体内首先由所述供液泵***通过流体输送管路***从液体a入口完全充满液体a，继而通过液体b入口充入液体b，液体a和液体b在主混合微通道内平行流动，最终混合流体通过混合流体出口流出；
所述直流脉冲激励电压***通过连接导线将脉冲激励电压施加在金属电极上，从而在薄膜电阻微加热器上产生脉冲热功率，在该脉冲热功率的作用下，薄膜电阻微加热器上产生液体a的蒸汽泡，该蒸汽泡的快速生长和收缩由所述直流脉冲激励电压***控制，当输出脉冲高电平时，蒸汽泡生长；当输出零电平时，蒸汽泡收缩。从而在喷嘴结构处产生沿渐扩方向的流体泵送效应，使得所述薄膜电阻微加热器附近的受热流体在所述液体a环路内逆时针循环流动而冷却；同时，冷流体的冲刷使得蒸汽泡在所述直流脉冲激励电压***输出零电平时能够快速收缩，使得所述喷嘴结构周围的流场受到扰动，从而在所述连接通道内形成周期性脉动流；该脉动流使得所述主混合微通道内的液体a和液体b受到垂直流动方向的扰动，从而强化混合；因此通过控制所述直流脉冲激励电压***的电压输出频率可实现所述薄膜电阻微加热器上的液体a蒸汽泡的胀缩频率，继而控制a环路内的液体循环流速以及所述连接通道内垂直于所述主混合微通道流动方向上脉动流的频率，从而满足多种不同条件下流体混合的需要。
所述液体a环路上的汽泡过滤器用于防止所述薄膜电阻微加热器上产生的高温蒸汽泡在生长阶段进入所述连接通道。
所述薄膜电阻微加热器的有效加热区域为沿喷嘴结构渐扩方向的长条形。
所述上层盖板、下层基底材质为硅或耐热玻璃；聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯；所述薄膜电阻微加热器的材质为铂或铝；所述金属电极的材质为金。
所述液体a流道、液体b流道、主混合微通道及液体a环路的截面形状为矩形或正方形。
本发明的工作原理为：首先将液体a入口和液体b入口分别通过各自的液体a流道、液体b流道汇合在一起连接主混合微通道整个微混合器主体内注满液体a，然后通过供液泵***将液体a、液体b经流体输送管路***输入微混合器主体内的液体a通道和液体b通道进入主混合微通道，在主混合微通道内形成a、b两种液体的平行流。直流脉冲电压激励***通过金属引线在位于喷嘴结构上方的薄膜电阻微加热器上施加脉冲开关电压(即当高电平对应一定幅值的电压，低电平为零)。在该周期性直流脉冲电压的激励下，所述液体a环路中喷嘴结构正上方的薄膜电阻微加热器上产生周期性温升，从而在所述薄膜电阻微加热器上产生液体a的周期性蒸汽泡核化、生长和收缩。在所述薄膜电阻微加热器的气液界面上，温度梯度导致界面张力梯度从而引起气液界面的Marangoni效应，使得热蒸汽泡驻留在所述薄膜电阻微加热器上而不发生脱离。所述薄膜电阻微加热器上蒸汽泡核化、生长和收缩可实现流体泵送和流场扰动两个作用，即在高电平激励下蒸汽泡生长时，汽液界面增大将周围的流体向两个方向排挤；在零电平时蒸汽泡收缩，使得气泡周围流体向蒸汽泡处汇聚。由于喷嘴结构的存在，蒸汽泡周期性胀缩将在液体a环路内产生沿渐扩方向(逆时针方向)的循环脉动流动，该脉动流对流场的扰动通过所述液体a环路和主混合微通道的连接通道传播，并在主混合微通道内产生垂直于流动方向的扰动，从而极大地强化微混合。汽泡过滤器用于在蒸汽泡生长阶段，防止高温的汽液界面通过连接通道进入主混合微通道而灼伤待混合的流体样品。所述液体a环路中产生的周期性脉动流的脉动频率、脉动幅度可针对不同条件下微混合的具体要求由所述直流脉冲电压***输出的电压频率、电压幅值和占空比等参数控制。
本发明与现有微混合技术相比，具有以下优点：在已有主动式微混合器中，往往通过在微混合器内部集成微压电晶体或微搅拌装置等可运动部件来强化流体之间的混合，具有较高的混合效率，但由于采用了运动部件，不仅导致其加工工艺复杂，而且使其可靠性和使用寿命大大降低：在已有被动式微混合器中，往往采用具有复杂几何结构的通道使得待混合流体流经复杂结构通道时产生混沌流从而强化流体混合。被动式微混合器具有无需集成运动部件、可靠性高的优点，但其混合效率较主动式微混合器低，并且由于采用复杂几何结构通道增大了流动的压降，需要较大的泵送压力并对***密封提出更高要求。本发明采用直流脉冲电压激励，致使液体a环路内产生周期性的汽泡核化、生长和收缩，从而在液体a环路内产生脉动频率、脉动幅度均可控的脉动流，利用垂直于所述主混合微通道流动方向的连接通道将液体a环路与主混合微通道相连接，将液体a环路中的脉动流对流场的扰动沿垂直主混合微通道流动方向引入主混合微通道，从而极大的强化流体之间的混合，同时受热液体a仅在液体a环路内循环流动，避免了主混合微通道内待混合液体a、液体b的热灼伤。本发明所提供的微混合器，在没有集成运动部件的条件下，仅通过直流脉冲电压激励，实现了待混合流体界面的高频扰动。因此，本发明所提供的微混合器既具有主动式微混合器混合效率高的优点，又具有被动式微混合器无需集成运动部件、可靠性高的优点，特别是受热流体a仅在液体a环路内循环流动，避免了薄膜电阻微加热器及高温受热流体直接与待混合流体接触，从而有效防止生物、化学样品的热损伤，本发明提供了一种新颖、高效、可靠性高、安全的强化微流体混合的方法、装置和***，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***实施示意图。
图2为本发明所述微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合器主体的结构示意图。
图3为液体a环路平面示意图。
附图标记说明：1、直流脉冲电压***，2、连接导线，3、微混合器，4、流体输送管路***，5、供液泵***，31、上层盖板，311、薄膜电阻微加热器，312、金属电极，32、下层基底，321、液体a入口，322、液体a流道，323液体b入口，324、液体b流道，325、混合流体出口，326、主混合微通道，327、液体环路，328、连接通道，329、电极引线孔，3271、喷嘴结构，3272、葫芦状腔体，3273、汽泡过滤器，3274、薄膜电阻微加热器对应的加热区域
具体实施方式
本发明提供一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***。下面结合附图对本发明作进一步说明；如图1所示，该微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***由直流脉冲激励电压***1通过连接导线2连接至微混合器主体3的薄膜电阻微加热器311两端的金属电极312，供液泵***5通过流体输送管路***4与微混合器主体3接通。
如图2所示，微混合器主体3由上层盖板31和下层基底32键合而成；在上层盖板31上沉积有薄膜电阻微加热器311及其两端的金属电极312，并且薄膜电阻微加热器311位于液体a环路327中的喷嘴结构3271正上方；在下层基底32上有液体a入口321和液体b入口323分别通过各自的液体a流道322、液体b流道323汇合在一起连接至主混合微通道326，主混合微通道326再连接混合流体出口325；主混合微通道326上的连接通道328与液体a环路327接通，液体a环路327的一段形成葫芦状腔体3272，葫芦状腔体3272小端为喷嘴结构3271，喷嘴结构3271和连接通道328接口之间设置气泡过滤器3273；在液体a环路327环框内并排两个电极引线孔329。
所述供液***5泵送液体a和液体b两种待混合流体；在微混合器主体3内首先由所述供液***5通过流体输送管路***从液体a入口321将液体a完全充满液体a环路327，继而通过液体b入口323充入液体b，液体a和液体b在主混合微通道326内平行流动，最终混合流体通过混合流体出口325流出。
所述直流脉冲激励电压***1通过连接导线2将脉冲激励电压施加在金属电极312上，从而在薄膜电阻微加热器311上产生脉冲热功率，在该脉冲热功率的作用下，薄膜电阻微加热器311上产生液体a的蒸汽泡，该蒸汽泡的快速生长和收缩由所述直流脉冲激励电压***1控制，当输出脉冲高电平时，蒸汽泡生长；当输出零电平时，蒸汽泡收缩。从而在喷嘴结构3271处产生沿渐扩方向的流体泵送效应，使得所述薄膜电阻微加热器311附近的受热流体在所述液体a环路327内逆时针循环流动而冷却；同时，冷流体的冲刷使得蒸汽泡在所述直流脉冲激励电压***1输出零电平时能够快速收缩，使得所述喷嘴结构3271周围的流场受到扰动，从而在所述连接通道328内形成周期性脉动流；该脉动流使得所述主混合微通道326内的液体a和液体b受到垂直流动方向的扰动，从而强化混合。
所述液体a环路上的汽泡过滤器3273用于防止所述薄膜电阻微加热器311上产生的高温蒸汽泡在生长阶段进入所述连接通道。从上述工作原理看出通过控制所述直流脉冲激励电压***的电压输出满足不同条件下流体混合的需要。
所述液体a流道、液体b流道、主混合微通道及液体a环路的截面形状为矩形或正方形。
Claims (8)
1.一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***.，其特征在于：该微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***由直流脉冲激励电压***通过连接导线连接至微混合器主体的薄膜电阻微加热器两端的金属电极，供液泵***通过流体输送管路***与微混合器主体接通。
2.根据权利要求1所述的一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***，其特征在于：所述微混合器主体由上层盖板和下层基底键合而成；在上层盖板上沉积有薄膜电阻微加热器及其两端的金属电极，并且薄膜电阻微加热器位于液体a环路中的喷嘴结构正上方；在下层基底上有液体a入口和液体b入口分别通过各自的液体a流道、液体b流道汇合在一起连接主混合微通道，主混合微通道再连接混合流体出口；主混合微通道的连接通道与液体a环路上接通，液体a环路的一段形成葫芦状腔体，葫芦状腔体小端为喷嘴结构，喷嘴结构和连接通道接口之间设置气泡过滤器；在液体a环路内并排两个电极引线孔。
3.根据权利要求1所述的一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***，其特征在于：所述供液泵***泵送液体a和液体b两种待混合流体；在微混合器主体内首先由所述供液泵***通过流体输送管路***从液体a入口完全充满液体a，继而通过液体b入口充入液体b，液体a和液体b在主混合微通道内平行流动，最终混合流体通过混合流体出口流出；
4.根据权利要求1所述的一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***，其特征在于：所述直流脉冲激励电压***通过连接导线将脉冲激励电压施加在金属电极上，从而在薄膜电阻微加热器上产生脉冲热功率，在该脉冲热功率的作用下，薄膜电阻微加热器上产生液体a的蒸汽泡，该蒸汽泡的快速生长和收缩由所述直流脉冲激励电压***控制，当输出脉冲高电平时，蒸汽泡生长；当输出零电平时，蒸汽泡收缩，从而在喷嘴结构处产生沿渐扩方向的流体泵送效应，使得所述薄膜电阻微加热器附近的受热流体在所述液体a环路内逆时针循环流动而冷却；同时，冷流体的冲刷使得蒸汽泡在所述直流脉冲激励电压***输出零电平时能够快速收缩，使得所述喷嘴结构周围的流场受到扰动，从而在所述连接通道内形成周期性脉动流；该脉动流使得所述主混合微通道内的液体a和液体b受到垂直流动方向的扰动，从而强化混合；因此通过控制所述直流脉冲激励电压***的电压输出频率可实现所述薄膜电阻微加热器上的液体a蒸汽泡的胀缩频率，继而控制a环路内的液体循环流速以及所述连接通道内垂直于所述主混合微通道流动方向上脉动流的频率，从而满足多种不同条件下流体混合的需要。
5.根据权利要求1所述的一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***，其特征在于：所述液体a环路上的汽泡过滤器用于防止所述薄膜电阻微加热器上产生的高温蒸汽泡在生长阶段进入所述连接通道。
6.根据权利要求1所述的一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***，其特征在于：所述薄膜电阻微加热器的有效加热区域为沿喷嘴结构渐扩方向的长条形。
7.根据权利要求1所述的一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***，其特征在于：所述上层盖板、下层基底材质为硅或耐热玻璃；聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯；所述薄膜电阻微加热器的材质为铂或铝；所述金属电极的材质为金。
8.根据权利要求1所述的一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合***，其特征在于：所述液体a流道、液体b流道、主混合微通道及液体a环路的截面形状为矩形或正方形。
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