CN103752200A

CN103752200A - 一种新型压电无阀微混合器

Info

Publication number: CN103752200A
Application number: CN201310555423.5A
Authority: CN
Inventors: 何秀华; 韦丹丹; 邓志丹; 杨嵩
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2033-11-11
Also published as: CN103752200B

Abstract

本发明公开一种新型压电无阀微混合器，包括泵体和固定在其正上方的上基体，压电振子固定于基体泵腔的正上方，泵体上设有泵进口混合单元、泵体泵腔、出口混合单元、出口缓冲腔，泵进口一、泵进口二和进口混合单元相通，进口混合单元和泵体泵腔相通，泵体泵腔和出口混合单元相通，出口混合单元和出口缓冲腔相通，出口缓冲腔和泵出口相通，泵体泵腔和基体泵腔相通；所述进口混合单元和出口混合单元均由n个基本混合单元首尾平滑连接组成，单个基本混合单元的水平轴截面的轮廓由四条对数螺旋线和直线构成，四条对数螺旋线共极心；将对数螺旋线组合而成的混合单元融入了压电泵中，作为一个***输送混合流体，耗电量低，结构简单。

Description

一种新型压电无阀微混合器

技术领域

本发明涉及微流体泵送与混合的微机械领域，尤其涉及一种新型压电无阀微混合器。

背景技术

微流体***可将传统的生化检测过程的分离、加样、混合、反应、检测等功能在芯片上得以实现，这样既节省了试剂，又减小了危险性（如有毒或者反应剧烈的试剂）。微化学工程作为新兴的技术可以用于分析和综合应用，微化学工程涉及的微型反应***主要包括微混合器、微型热交换器、微流道。其中，微混合器有有许多缺陷：由于尺度的缩小，微通道中流体表面积与体积的比值相当的大，液体的流速和雷诺数较低，常处于一种层流的状态，混合常常是分子水平上的扩散运动，使微量液体的混合变得困难。微混合器分为主动式和被动式，被动式微混合器是指不需要外部能量的方法，主要依赖于通道几何形状，如开槽通道、流体分层流（在通道中加障碍物），蛇形通道、诱发混沌对流等。例如SAR微混合器、SHM微混合器，SHM微混合器是利用在通道底部刻蚀交错渔鼓形槽道制成；还有通过让通道在空间范围内弯曲进行混合的微混合器，如C型、Z型、弯弧管道、L型、T型、修改的tesla结构、扭曲管道等。主动式微混合器按作用原理分可分为电动力式、磁动力式、超声波式、压电式、磁致式、射流式、机械式等，例如超声制动微混合器、蜘蛛式微混合器等。

中国专利公开号为：CN 102145265 A，申请号为：201110091097.8，名称为：一种压电微流体混合器，其结构相对复杂，且主要结构telsa阀混合效果不好，且其扩散管的会产生负压，流阻较大，泵送时所耗的能量较多。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺陷，提供一种结构简单并且能使流体混合更加充分的压电无阀微混合器，使混合的速度相对更快，混合的效果更好并且所消耗的能量较少。

本发明采用的技术方案是：包括泵体和固定在其正上方的上基体，压电振子固定于基体泵腔的正上方，上基体上的左部分设有泵进口一和泵进口二、右部分设有泵出口，上基体的正中间设有基体泵腔，压电振子固定于基体泵腔的正上方，泵体上设有泵进口混合单元、泵体泵腔、出口混合单元、出口缓冲腔，泵进口一、泵进口二和进口混合单元相通，进口混合单元和泵体泵腔相通，泵体泵腔和出口混合单元相通，出口混合单元和出口缓冲腔相通，出口缓冲腔和泵出口相通，泵体泵腔和基体泵腔相通；所述进口混合单元和出口混合单元均由n个基本混合单元首尾平滑连接组成，单个基本混合单元的水平轴截面的轮廓由四条对数螺旋线和直线构成，四条对数螺旋线共极心，第一对数螺旋线的极坐标方程为：

，第二对数螺旋线的极坐标方程为：

；第三对数螺旋线的极坐标方程为：；第四对数螺旋线的极坐标方程为：，10μm<m<100μm，第一对数螺旋线和第三对数螺旋线共极轴一，第二对数螺旋线和第四对数螺旋线共极轴二，

为对数螺旋线旋转的起始点处极角，

，10μm<m<100μm。

本发明的优点是：本发明将对数螺旋线组合而成的混合单元融入了压电泵中，作为一个***输送混合流体，耗电量低，结构简单。混合单元的混合段主要起到混合流体的作用，扩散段是曲线的渐扩，起到整流的作用。两种流体流过混合单元，在混合单元内混合。压电振子的周期性振动输送流体的同时也会使流体在泵腔内产生混合。由于结构简单使得流阻较小，压电微混合器的能耗较少，在起到节能作用的同时又混合了流体。

附图说明

图1是本发明的结构主视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中的A-A剖面图；

图4是图3中的基本混合单元放大示意图，

图5是图3中进口混合单元放大示意图；

图6是图4中第一对数螺旋线放大示意图；

图中：1.泵进口一；2. 泵进口二；3.进口混合单元；4.泵体泵腔；5. 出口混合单元；6.出口缓冲；7. 泵体； 8.上基体；9. 基体泵腔；10. 压电振子；1.泵出口；12. 第一对数螺旋线;；13.极点

；14.

点切线；15.极轴一；16.辅助线一；17.极轴二；18.第二对数螺旋线；19.曲线二；20.直线段；21.第三对数螺旋线；22. 曲线一；23. 第六对数螺旋线；24.第四对数螺旋线；25.辅助线二；26.第五对数螺旋线。

具体实施方式

如图1~3所示，本发明包括泵进口一1、泵进口二2、进口混合单元3、泵体泵腔4、出口混合单元5、出口缓冲腔6、泵体7、上基体8、基体泵腔9、压电振子10以及泵出口11。泵体7和上基体8上下键合在一起，上基体8上设有泵进口一1、泵进口二2、一个泵出口11和基体泵腔9，泵体7上设有泵进口混合单元3、泵体泵腔4、出口混合单元5、出口缓冲腔6。压电振子10是通过压电陶瓷粘结在弹性基底上制成，将其通过黏结剂固定于基体泵腔9的正上方。上基体8上泵进口一1、泵进口二2和进口混合单元3相通，进口混合单元3和泵体泵腔4相通，泵体泵腔4和出口混合单元5相通，出口混合单元5和出口缓冲腔6相通，出口缓冲腔6和泵出口11相通，泵体泵腔4和基体泵腔9相通。

如图2所示，截面为圆形的泵进口一1、泵进口二2和泵出口11的直径均为d，它们的高度均为h1。它们在上基体8上位置分布如图2所示，泵进口一1和泵进口二2分布在中线两侧，泵进口一1的圆心到上基体8最右端距离为L1，泵进口二2的圆心到上基体8最右端距离为L4，泵进口一1和泵进口二2的圆心距为L2，泵进口二2的圆心到中心线距离为L3，；泵出口11在中心线的前侧，其圆心到上基体8最左端的距离为L5，其圆心到中心线距离为L6。

如图1所示，基体泵腔9和泵体泵腔4半径为R2，基体泵腔9高度为h1，泵体泵腔4高度为h2；泵体7上的流道高度为h2。压电振子10的弹性基底半径为R1， R1比R2大1mm左右，作为驱动元件，压电振子10的振动模式是采用径向伸缩振动，支撑方式为周边支撑。

进口混合单元3和出口混合单元5均由n个基本混合单元首尾平滑过渡连接组成，n≤2≤8。如图4所示，图4中仅画出两个相连的基本单元混合单元。单个基本混合单元的水平轴截面的轮廓由四条对数螺旋线和直线构成。四条对数螺旋线分别是第一对数螺旋线12、第二对数螺旋线18、第三对数螺旋线21和第四对数螺旋线24。其中，第一对数螺旋线12的极坐标方程为：

（

），第二对数螺旋线18的极坐标方程为：

（

）；第三对数螺旋线21的极坐标方程为：

（

）；第四对数螺旋线24的极坐标方程为：（）。其中m的取值范围为：10μm<m<100μm。所述四条对数螺旋线共极心点13，第一对数螺旋线12和第三对数螺旋线21共极轴一15，第二对数螺旋线18和第四对数螺旋线24共极轴二17。

如图6所示，θ为第一对数螺旋线12的极角；β为对数螺旋线上任意一点P的切线14和极点O13到P的向量

间的夹角（取锐角），且对数螺旋线上任意一点的夹角β均相等，故对数螺旋线又称等角螺旋线，cotβ>0时，螺旋线逆时针旋转，cotβ<0时，螺旋线顺时针旋转，本发明中四条螺旋线均逆时针旋转；

为旋转的起始点e₂处极角值，将a 代入第一对数螺旋线12的极坐标方程就可以得到e₂点的坐标值，也可以通过相同的方法得到e₁、e₃、e₄的坐标值。

图4中所示的基本混合单元结构的画法：1、选取任意一点为极点O13，以极轴一15为旋转轴，以e₂为起始点按第一对数螺旋线12的极坐标方程得到相应的对数螺旋线，其旋转方向为逆时针旋转，旋转极角从从a到π；相通的画法得到其他三条对数螺旋线。连接点e₁、e₂、e₃、e₄得到两条直线段。2、画n个混合基本单元，它们依次排列，首尾相连。n个混合基本单元中的第一个混合基本单元，只要画出e₂、e₃连接成的直线段20即可，剩下（n-1）则两条直线段均要画。3、将第一对数螺旋线12沿辅助线一16向下偏移至点e₁，剪掉曲线一22（图中用虚线表示）即得到第五对数螺旋线26；将第四对数螺旋线24沿辅助线二25向右偏移至点e₄，剪掉曲线二19（图中用虚线表示）即得到第六对数螺旋线23。同样的方法可以得到出口混合单元5的基本混合单元，出口混合单元5的基本混合单元与进口混合单元3的基本混合单元的不同处在于：出口混合单元5的基本混合单元是在进口混合单元3的基本混合单元的基础上剪掉第一个混合基本结构中第四对数螺旋线24和第六对数螺旋线23，并且连接点e₁、e₄，其余结构均相同。4、按前面的方法画好基本混合单元后，再在图5所示的相应位置倒圆角即可，圆角半径为R，倒圆角的目的是为了减小流动过程中的能量损失。

本发明的工作原理是：振子随电压频率上下振动，泵腔内流动过程可以分为吸入过程和排出过程。当压电振子10向上振动时，流体经进口混合单元3和出口混合单元5流入泵腔，由于混合通道的正反向流阻不同，从而使从进口混合通道3吸入的流体量大于从出口混合单元5吸入的流体量。此时流体主要从进口吸入，相反压电振子10向下振动时，从出口混合单元5流出的流体量大于从进口混合单元3流出的流体量，流体主要从出口混合单元5流出。从而实现流体主要从进口混合单元3流入，从出口混合单元5流出，实现了流体的单向运输。在整个过程中对数螺旋线对流体的诱导混合起主要作用，其次压电振子的周期性振动使流体在泵腔内做进一步的混合。

Claims

1.一种新型压电无阀微混合器，包括泵体（7）和固定在其正上方的上基体（8），压电振子（10）固定于基体泵腔（9）的正上方，上基体（8）上的左部分设有泵进口一（1）和泵进口二（2）、右部分设有泵出口（11），上基体（8）的正中间设有基体泵腔（9），压电振子（10）固定于基体泵腔（9）的正上方，其特征是：泵体（7）上设有泵进口混合单元（3）、泵体泵腔（4）、出口混合单元（5）、出口缓冲腔（6），泵进口一1、泵进口二（2）和进口混合单元（3）相通，进口混合单元（3）和泵体泵腔（4）相通，泵体泵腔（4）和出口混合单元（5）相通，出口混合单元（5）和出口缓冲腔（6）相通，出口缓冲腔（6）和泵出口（11）相通，泵体泵腔（4）和基体泵腔（9）相通；

进口混合单元（3）和出口混合单元（5）均由n个基本混合单元首尾平滑连接组成，单个基本混合单元的水平轴截面的轮廓由四条对数螺旋线和直线构成，四条对数螺旋线共极心，第一对数螺旋线（12）的极坐标方程为：

，第二对数螺旋线（18）的极坐标方程为：

；第三对数螺旋线（21）的极坐标方程为：

；第四对数螺旋线（24）的极坐标方程为：

，10μm<m<100μm，第一对数螺旋线（12）和第三对数螺旋线（21）共极轴一（15），第二对数螺旋线（18）和第四对数螺旋线（24）共极轴二（17），为对数螺旋线旋转的起始点处极角，

，10μm<m<100μm。

2.根据权利要求1所述的一种新型压电无阀微混合器，其特征是：基体泵腔（9）和泵体泵腔（4）的半径均为R2，压电振子（10）的基底半径为R1， R1比R2大1mm。

3.根据权利要求1所述的一种新型压电无阀微混合器，其特征是：泵进口一（1）和泵进口二（2）分布在上基体（8）的中线两侧，泵出口（11）在上基体（8）的中心线前侧。