CN105214546A - 一种基于脉动流的震荡射流式微混合器 - Google Patents
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Abstract
一种基于脉动流的震荡射流式微混合器，该微混合器包含玻璃盖板、下层基板；玻璃盖板与下层基板采用高温键合连接，构成微混合器。本发明结合了被动式微混合器和主动式微混合器的优势，可有效提高微混合器的效率，解决现有微混合器混合机制单一、加工难度大等缺陷。本发明主要通过在微混合器对称的两入口处分别对一种流体施加具有锯齿波型流动速度的脉动流，促使混合流体产生震荡；并借助二级混合室、支路结构、锯齿形结构等增加扰动强度，实现微尺度下流体的充分混合。该微混合器具有结构易加工、成本低廉，混合效率高等优势。
Description
技术领域
本发明提供一种可用于提高不同反应物混合效率的新型微混合器。该混合器内部具有混沌对流的特征，可以实现微尺度下多种流体的快速融合。涉及生命科学、化工等技术领域，尤其涉及一种微混合器。
背景技术
微型全分析***的目标是把整个化学实验室的取样、混合、稀释、加样、反应、分离和检测等功能集中于一个芯片上，从而最大程度上节省反应试剂，降低分析过程的危险性(如高毒或易燃易爆的试剂)，提高分析效率，同时还具有易于小型化和自动化等优势。由于以上优点，该技术应用前景极为广泛。
宏观尺寸下，多数流体处于湍流状态，可以通过湍流快速的实现不同流体之间的完全混合，而在微尺度下微流控芯片内部流体的表面积与体积的比值急剧增大，表面力与粘性力的影响占主导地位，惯性力的作用迅速减少，使微通道内部流体的流动以层流为主，在微流控装置中很难快速高效混合。因此，单纯依靠分子扩散是不能满足现代生物、化学分析中反应速度快、使用药品剂量少、快速分析和实时检测的需要。为了实现微尺度条件下反应物的高效、均匀混合，微混合器应运而生。
根据有无外界能量驱动微混合器可分为两类：一类是主动式微混合器，另一类是被动式微混合器。前者机理是通过外场的作用产生液体间的相对运动来达到混合的效果。被动式微混合器的机理主要靠改变管道的内部结构和形状，尽可能增大混合面积，达到增强混合的效果。有关被动式混合器的研究显示，混沌流、二次流、漩涡结构等流动现象可以有效增加流体间的接触面积，促进液体的混合。其中混沌对流以及漩涡结构的实现有多种方式，如改进通道结构，周期性变化的流动等。
发明内容
本发明结合了被动式微混合器和主动式微混合器的优势，可有效提高微混合器的效率，解决现有微混合器混合机制单一、加工难度大等缺陷。本发明主要通过在微混合器入口处分别对一种流体施加具有锯齿波型流动速度的脉动流，促使混合流体产生震荡；并借助二级混合室、支路结构、锯齿形结构等增加扰动强度，实现微尺度下流体的充分混合。该微混合器具有结构易加工、成本低廉，混合效率高等优势。
本发明采用的技术方案如下，一种基于脉动流的震荡射流式微混合器，该微混合器包含玻璃盖板(11)、下层基板(12)，其中下层基板刻有微混合器通道；玻璃盖板(11)与下层基板(12)的表面采用高温键合连接，构成微混合器(13)。
所述玻璃盖板(11)为高透明度材质，以方便观察微混合器内部的流动，并起到密封的作用。
所述下层基板(12)中的微混合器通道是一种变异的水滴型结构，该变异的水滴型结构的底部和顶部以及两者相连接处为圆弧形曲线，其中，底部曲率大于顶部曲率。该下层基板(12)为多个入口通道形式，以期实现多种流体的混合；入口通道的数量大于等于三个；入口通道优选数量为三个，即入口通道a(1)、入口通道b(2)、入口通道c(3)。其中入口通道a(1)、入口通道b(2)、入口通道c(3)均匀对称分布。上述各入口通道端部通过类喷嘴结构(4)与出口通道(10)的两端连接并组成混合腔结构，该混合腔结构分为上、中、下三部分，混合腔结构的上部为第一混合室(5)，中部设有条形支路结构(6)，下部设有第二混合室(7)且第二混合室(7)内设有圆柱型挡流结构(8)，第二混合室(7)与出口通道(10)连接，且出口通道(10)内设有锯齿形结构(9)。
所述入口通道a(1)、入口通道b(2)、入口通道c(3)为示意结构，且以两种流体混合为前提；若需增加流体种类的混合数目，在入口通道a(1)处添加支路结构。
所述入口通道b(2)、入口通道c(3)宽度以及流体流入角度取决于流体混合的要求。
第一混合室(5)的高度距离射流入口高度为入口通道宽度的5～10倍。
混合腔中部的支路数目能够根据需要增加，支路的最小宽度不小于20μm，以便于加工。
圆柱型挡流结构(8)的直径大于出口通道(10)的宽度，且置于入口通道的中心线上，以保证挡流效果。
出口通道(10)内的锯齿形结构(9)数目根据需要适当增加，理论上数目越多混合效果越好，但相应的流动阻力也随之增大。
本发明的工作过程如下，其中通过入口通道a(1)流入一种流体，另外一种流体通过入口通道b(2)、入口通道c(3)以不同波型速度流入。三股流体分别经喷嘴结构加速，形成有规律的射流，流入微混合器第一混合室中；在第一混合腔中，三股射流交汇，形成射流震荡，并进行预混合。震荡射流经预混合后进入混合腔中部，并分别进入条状支路结构进行强化混合。经各支路强化混合后的流体，在第二混合腔汇流，腔内设置有圆柱形挡流结构，以增加支流在腔体内的混合时间以及混合强度。流体经第二混合室进入出口通道，该通道内部锯齿形结构有助在流体中形成漩涡结构以及混沌对流，进一步强化混合。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、在该类混合器的入口通道处引入脉动流动，该流动有助于在诱发通道内的混沌对流，促进混合。
2、微混合器中，混合腔设计为水滴形结构，该结构在脉动流动前提下，可形成射流震荡，强化混合。
3、混合器中，条形支路结构、挡流板结构以及锯齿形结构均可以有效增加流体分子之间的不平衡碰撞，提高反应物混合效率。
附图说明
图1是本发明的玻璃盖板三维示意图。
图2是本发明的微混合器内部流道三维示意图。
图3是本发明的微混合器俯视图。
图4是本发明的微混合器组装三维示意图。
图5是本发明的入口通道b、入口通道c流动速度波型图。
图中：1、入口通道a，2、入口通道b，3、入口通道c，4、类喷嘴结构，5、第一混合室，6、条形支路结构，7、第二混合室，8、圆柱型挡流结构，9、锯齿形结构，10、微混合器出口通道，11、玻璃盖板，12、下层基板，13、微混合器。
具体实施方式
1、加工要求
a)此种微混合器的材质采用玻璃材质、PDMS等透明材质，加工方法采用化学刻蚀的方法，通道入口、出口处外接导管可采用特氟隆塑料胶管。注意玻璃板与下层基板之间的键合质量，保证***封闭性。
b)此种微混合器可以实现多种流体的混合，入口通道可以设置多条，文中为了便于解释仅仅设置三条入口通道。因此，在实际设计时如果需要增加流体种类的混合数目，可在入口通道a(1)处添加支路结构，以满足实际工况要求。
c)入口通道b(2)、入口通道c(3)宽度以及流入角度可根据混合要求进行变化。
d)第一混合室需保持适当的高度，一般距离射流入口高度为入口通道宽度的5～10倍即可。
e)混合腔中部的支路结构数目可根据需要增加，一般最小宽度不小于20μm(方便加工)。
f)圆柱型挡流结构的直径应大于出口通道的宽度，且需置于入口通道的中心线上，以保证荡流效果。
g)出口通道(10)内锯齿形结构(9)的数目，可根据需要适当增加，理论上数目越多混合效果越好，但相应的流动阻力也随之增大。
2、流量输入要求(以两种流体均匀混合为例)
通过入口通道a(1)、入口通道b(2)、入口通道b(3)流量(速度)需遵循以下原则：
a)入口通道a(1)中的流量(速度)保持恒定。
b)入口通道b(2)、入口通道c(3)分别为脉动流动，入口通道b(2)、入口通道c(3)的入口速度可参考图5。若需改变，请遵循以下原则：入口通道b(2)、入口通道c(3)流动速度的相位差需保证180°，脉动频率理论上越小越好。
Claims (7)
1.一种基于脉动流的震荡射流式微混合器，其特征在于：该微混合器包含玻璃盖板(11)、下层基板(12)；玻璃盖板(11)与下层基板(12)的表面采用高温键合连接，构成微混合器(13)；
所述玻璃盖板(11)为高透明度材质，以方便观察微混合器内部的流动，并起到密封的作用；
所述下层基板(12)中的微混合器通道是一种变异的水滴型结构，该变异的水滴型结构的底部和顶部以及两者相连接处为圆弧形曲线，其中，底部曲率大于顶部曲率；该下层基板(12)为多个入口通道形式，以期实现多种流体的混合；入口通道的数量大于等于三个；入口通道优选数量为三个，即入口通道a(1)、入口通道b(2)、入口通道c(3)。其中口通道a(1)、入口通道b(2)、入口通道c(3)均匀对称分布。上述各入口通道端部通过类喷嘴结构(4)与出口通道(10)的两端连接并组成混合腔结构，该混合腔结构分为上、中、下三部分，混合腔结构的上部为第一混合室(5)，中部设有条形支路结构(6)，下部设有第二混合室(7)且第二混合室(7)内设有圆柱型挡流结构(8)，第二混合室(7)与出口通道(10)连接，且出口通道(10)内设有锯齿形结构(9)。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉动流的震荡射流式微混合器，其特征在于：所述入口通道a(1)、入口通道b(2)、入口通道c(3)以两种流体混合为前提；若需增加流体种类的混合数目，在入口通道a(1)处添加支路结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉动流的震荡射流式微混合器，其特征在于：所述入口通道b(2)、入口通道c(3)宽度以及流体流入角度取决于流体混合的要求。
4.根据权利要求1所述的一种基于脉动流的震荡射流式微混合器，其特征在于：第一混合室(5)的高度距离射流入口高度为入口通道宽度的5～10倍。
5.根据权利要求1所述的一种基于脉动流的震荡射流式微混合器，其特征在于：混合腔中部的支路数目能够根据需要增加，支路的最小宽度不小于20μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于脉动流的震荡射流式微混合器，其特征在于：圆柱型挡流结构(8)的直径大于出口通道(10)的宽度，且置于入口通道的中心线上。
7.根据权利要求1所述的一种基于脉动流的震荡射流式微混合器，其特征在于：出口通道(10)内的锯齿形结构(9)数目根据需要适当增加，理论上数目越多混合效果越好，但相应的流动阻力也随之增大。
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