CN112936855B - 一种基于面固化3d打印的通用快速微混合器 - Google Patents

一种基于面固化3d打印的通用快速微混合器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于面固化3D打印的通用快速微混合器，包括壳体，其内集成有液体入口模块、直微通道模块、双螺旋微通道模块和混合液出口模块；液体入口模块包括至少两个入口，用于输入不同浓度的液体；直微通道模块的进、出口分别和液体入口模块的出口、双螺旋微通道模块的入口连接，双螺旋微通道模块的出口与混合液出口模块的入口连接；直微通道模块具有一直微通道腔，其内分布有若干第一障碍物；双螺旋微通道模块包括流入螺旋段和流出螺旋段，每个螺旋段由内分布有若干第二障碍物的膨胀收缩流道构成，膨胀收缩流道的多个截面积周期变化。本发明使得不同浓度的液体接触面积增大和混合长度增加，针对不同雷诺数的流体都有良好的混合效果。

Description

一种基于面固化3D打印的通用快速微混合器
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，尤其是一种基于面固化3D打印的通用快速微混合器。
背景技术
微流控在生物芯片及芯片实验室中具有越来越重要的作用，在两股或多股流体进行化学反应时，需解决流体的有效混合，因此微混合器是微流控***中的重要组成部分。由于微混合器流道结构尺寸小，通常为微米级，加上流体的雷诺数(雷诺数Reynolds number，是流体流动时的惯性力与黏性力之间的比率，通常为判别流体流动状态的标准，当雷诺数越大时，流体中惯性力的主导作用越大，当雷诺数越小时，流体中粘性力的主导作用越大)很小，处于层流状态，相邻流层间分子以扩散形式混合。
现有技术中，微混合器多数为可实现单一雷诺数范围内的混合目的，如直流道在低雷诺数状态下混合效果较好，螺旋流动在高雷诺数状态下混合效果较好，这使得微混合器的通用性受限。而且，对于单一的微流道结构，如直流道，混合过程比较缓慢，同时需外部的动力持续供给以克服***压力的巨大损失，导致微流控分析速度快的优势减弱甚至消失。
随着3D打印技术的快速发展，打印精度越来越高，尤其是基于面固化3D打印，加工幅面大，精度可达到5微米，不仅可以一次打印传统单层矩形截面微流道，也可以实现多层复杂截面的流道结构加工，有助于实现微流道尺寸结构的精细化设计，目前仍缺少相关产品以满足微尺度下流体的快速混合性能。
发明内容
本发明提供了一种基于面固化3D打印的通用快速微混合器，对于不同雷若数流体的混合具有通用性，满足微尺度下流体的快速混合需求。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于面固化3D打印的通用快速微混合器，包括壳体，其内集成有液体入口模块、直微通道模块、双螺旋微通道模块和混合液出口模块；所述液体入口模块包括至少两个入口，用于输入不同浓度的液体；所述直微通道模块的进、出口分别和所述液体入口模块的出口、所述双螺旋微通道模块的入口连接成通路，所述双螺旋微通道模块的出口与所述混合液出口模块的入口连接成通路；
所述直微通道模块具有一直微通道腔，其内分布有若干第一障碍物；所述双螺旋微通道模块包括流入螺旋段和流出螺旋段，每个螺旋段由多个膨胀收缩流道构成，膨胀收缩流道内分布有若干第二障碍物。
其进一步技术方案为：
每个膨胀收缩流道由截面宽度不同的膨胀部和收缩部首尾连接而成。
所述的膨胀部两端窄、中间宽，形成截面宽度变化的流道，所述膨胀部的半径根据流道的膨胀率α的设计，膨胀部的内壁半径R1、外壁半径R2的计算公式如下：
R1＝Rinner+αRinner
R2＝Router-αRouter
其中，Rinner、Router分别为内壁参考半径、外壁参考半径。
每个膨胀收缩流道弯曲成半圆形，多个膨胀收缩流道连接成螺旋状；半圆形的半径由外到内依次减小，构成单个半圆形的两个四分之一圆的尺寸相同，以所述收缩部为中心轴对称。
所述流出螺旋段的形状尺寸与所述流入螺旋段的相同。
第二障碍物为柱状结构，保证液体内颗粒从第二障碍物与第二障碍物之间、以及第二障碍物与膨胀收缩流道壁间的间隙内顺利通过。
所述膨胀收缩流道的膨胀部的截面宽度范围60-100μm，所述收缩部的截面宽度50μm，且所述第二障碍物的宽度为所述膨胀部截面宽度的1/20～1/12。
所述直微通道腔截面形状为矩形、梯形或三角形；所述第一障碍物为柱状结构，保证液体内颗粒从第一障碍物与第一障碍物之间、以及第一障碍物与直微通道腔壁间的间隙内顺利通过。
所述直微通道腔的截面宽度范围20-50μm，高度40μm，第一障碍物沿所述直微通道腔长度方向分布，且第一障碍物的高度小于40μm大于10μm。
液体入口模块包括液体入口一和液体入口二，液体入口一、液体入口二与直微通道腔呈T字形或Y字形交叉结构；或者，所述液体入口模块包括液体入口1A、液体入口1B和液体入口二，所述液体入口1A、液体入口1B、液体入口二与直微通道腔呈十字交叉结构。
本发明的有益效果如下：
本发明适用于不同雷若数流体的混合，满足微尺度下流体的快速混合需求，通用性强，混合效率高，效果好。
本发明将直微通道模块与双螺旋微通道模块相结合，延长了流体停留时间，满足不同雷诺数流体的混合需求。
本发明在流道内设置障碍物，增加流动过程中的扰动、增大了流层之间的接触面积，从而增强了混合效果。
本发明的双螺旋微通道模块的膨胀收缩流道，通过膨胀收缩结构增强射流效应，有效降低***压降，无需使用外接泵设备，实现不同浓度流体的快速混合，结构简单，操作方便，降低了成本。
本发明采用3D打印制作，模块式结构一体式成型，通过细圆管与其它微流控器件连通配合，使得本发明作为一通用模块，可以作为化学反应的平台，如在混合器内部实现单体之间的聚合反应，适用范围广。打印制作精度高，使得微尺寸和微结构设计得已方便实现，同时制作时间短，成本低，便于规模化生产。
附图说明
图1为本发明的液体入口模块第一种实施形式下的立体结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3a为本发明直微通道模块局部放大俯视图。
图3b为本发明直微通道模块局部放大轴侧图。
图4为图1中双螺旋微通道模块的轴侧局部放大图。
图5为本发明的双螺旋微通道模块的半径尺寸图。
图6为本发明的液体入口模块第二种实施形式下的立体结构示意图。
图7为图6的主剖视图。
图8为图6中双螺旋微通道模块的轴侧局部放大图。
图9为本发明的液体入口模块第三种实施形式下的立体结构示意图。
图10为图9的主剖视图。
图11为图9中双螺旋微通道模块的轴侧局部放大图。
图12为图2中A-A截面剖视图。
图13为本发明的直微通道模块内流线示意图。
图中：1、壳体；2、液体入口模块；3、直微通道模块；4、双螺旋微通道模块；5、混合液出口模块；21、液体入口一；22、液体入口二；211、液体入口1A；212、液体入口1B；31、直微通道腔；32、第一障碍物；41、膨胀收缩流道；42、第二障碍物；411、膨胀部；412、收缩部；421、圆柱状障碍物；422、六棱柱状障碍物。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例的基于面固化3D打印的通用快速微混合器，包括壳体1，其内集成有液体入口模块2、直微通道模块3、双螺旋微通道模块4和混合液出口模块5；
液体入口模块2包括至少两个入口，用于输入不同浓度的液体；直微通道模块3的进、出口分别和液体入口模块2的出口、双螺旋微通道模块4的入口连接成通路，双螺旋微通道模块4的出口与混合液出口模块5的入口连接成通路；
如图3a/3b所示，直微通道模块3具有一直微通道腔31，其内设置有若干第一障碍物32；
直微通道腔31截面形状为矩形、梯形或三角形，第一障碍物32为柱状结构，保证液体内颗粒从第一障碍物32与第一障碍物32之间、以及第一障碍物32与直微通道腔31壁间的间隙内顺利通过。
直微通道腔31的截面宽度范围20-50μm，高度40μm，第一障碍物32沿直微通道腔31长度方向分布，且第一障碍物32的高度为小于40μm大于10μm，第一障碍物32的截面尺寸可设置低至5μm。
具体地，第一障碍物32为圆柱状、三棱柱状、六棱柱状等柱状结构，或者任意几种的随机组合。
如图3a所示，第一障碍物32为三棱柱结构，沿直微通道腔31长度方向分布，设置成两排交错的形式。具体分布形式、数量、相邻障碍物的间距等参数可根据实际需求进行可调试设计。
如图4、图8所示，双螺旋微通道模块4包括流入螺旋段和流出螺旋段，每个螺旋段包括膨胀收缩流道41，其内设置有若干第二障碍物42。膨胀收缩流道41的多个截面积周期变化。
如图7、图10所示，每个膨胀收缩流道41由截面积不同的膨胀部411和收缩部412首尾连接而成。
流入螺旋段，膨胀收缩流道41由外向内螺旋，半径逐渐减小，流出螺旋段由内向外螺旋，半径逐渐增大，且流出螺旋段的出口与流入螺旋段的入口相连通。
膨胀收缩流道41由截面积不同的膨胀部411和收缩部412首尾连接构成多个中间宽、两端窄的“膨胀收缩结构”，两个相邻的“膨胀收缩结构”在收缩部412处相连通。
具体地，如图2所示，以A-A截面为中心面，流入螺旋段由四个半圆形的膨胀收缩流道41组成，由外到内，半圆形的尺寸依次减小，且每个半圆的两个四分之一圆的微通道尺寸相同，以收缩部412中心呈轴对称分布。相对地，流出螺旋段由四个半圆形的膨胀收缩流道41组成，流出螺旋微通道与流入微通道形状、尺寸相同。
如图12所示，为图2中A-A截面的剖视图。
如图5所示，膨胀收缩流道41的膨胀部411的宽度呈现两端窄、中间宽的形式，膨胀部411的半径根据膨胀率α的大小设计，膨胀部411的内壁半径R1、外壁半径R2的计算公式如下：
R1＝Rinner+αRinner
R2＝Router-αRouter
其中，Rinner、Router分别为内壁参考半径、外壁参考半径。
例如膨胀率α为10％时，膨胀部411的内壁半径R1是内壁参考半径Rinner的1.1倍，膨胀部411的外壁半径R2是外壁参考半径Router的0.9倍，其计算公式如下：
R1＝Rinner+0.1Rinner
R2＝Router-0.1Router
膨胀率α的含义可由两种方式定义：
第一种：
流道宽度不变螺旋微流道的外径与流道宽度可变螺旋微流道的外径之差和流道截面宽度不变螺旋微流道的外径之比。即：
α＝(流道截面宽度不变螺旋微流道的外径-流道截面宽度可变螺旋微流道的外径)/流道截面宽度不变螺旋微流道的外径×100％
第二种：
流道截面宽度可变螺旋微流道的内径与流道截面宽度不变螺旋微流道的内径之差和截面宽度不变螺旋微流道的内径之比。即：
α＝(流道截面宽度可变螺旋微流道的内径-流道截面宽度不变螺旋微流道的内径)/流道截面宽度不变螺旋微流道的内径×100％
内壁参考半径Rinner的物理含义：表示简单环状螺旋流道的几何尺寸，代表流道截面宽度不变螺旋微流道的靠里半径(内壁侧的半径)；
外壁参考半径Router的物理含义：表示简单环状螺旋流道的几何尺寸，代表流道截面宽度不变螺旋微流道的靠外半径(外壁侧的半径)。
流道截面宽度不变螺旋微流道，是指一定环路圈数的螺旋微流道，流道宽度不变。
流道截面宽度可变螺旋微流道，是指一定圈数的螺旋微流道，流道宽度是变化的。
流道截面宽度由窄变宽，再由宽变窄的结构，即“膨胀收缩结构”。
具体地，膨胀部411的截面宽度范围60-100μm，收缩部412的截面宽度50μm，且第二障碍物42的宽度为膨胀部411宽度的1/20～1/12，第二障碍物42的截面尺寸可设置低至5μm。
流入、流出螺旋微通道内随机设置一定数量第二障碍物42，如图4所示，膨胀收缩流道41宽度小，且保证第二障碍物42与第二障碍物42、第二障碍物42与微通道壁间的距离能顺利通过液体内颗粒。
第二障碍物42为圆柱状、三棱柱状、六棱柱状等柱状结构，也可以柱状结构的任意几种的随机组合。
如图11所示，膨胀收缩流道41的第二障碍物42为圆柱状障碍物421和六棱柱状障碍物422的组合形式。
如图4所示，膨胀收缩流道41的第二障碍物42为六棱柱结构，沿螺旋流道方向间隔分布，具体间距和数量根据实际需要进行可调式设置。
如图1、图6和图9所示，分别为液体入口模块2三种实施形式：
如图2和图12所示，液体入口模块2包括液体入口一21和液体入口二22，液体入口一21和液体入口二22垂直相交，交点与直微通道腔31连通，且液体入口一21、液体入口二22和直微通道腔31构成T型交叉结构；
如图7所示，液体入口模块2包括液体入口一21和液体入口二22，液体入口一21和液体入口二22垂直相交，交点与直微通道腔31连通，且液体入口一21、液体入口二22与直微通道腔31呈Y字形交叉结构；
如图10所示，液体入口模块2包括液体入口一21和液体入口二22，液体入口一21包括液体入口1A 211、液体入口1B 212，液体入口1A 211、液体入口1B 212相对设置，并与液体入口二22设置，且液体入口1A 211、液体入口1B 212、液体入口二22与直微通道腔31呈十字交叉结构。
混合液出口模块5为矩形截面直微通道，供混合后的液体顺利流出。
本实施例在流道内分别设置第一障碍物31和第二障碍物42的目的是，流体高速撞击到障碍物上更易于诱导混沌对流，涡流有助于打破层流状态，增大接触面积，加速不同流层间分子的混合。
如图13所示，为直微通道腔31内的流线示意图。由图可知，将直微通道腔31分为A、B、C、D、E五段，图中流线表明流体在不同位置的具体流向。第一障碍物32为三棱柱即截面为三角形时，障碍物区域(ABCD)和不添加障碍物(E)区域具有明显不同的流线。在区域A-D中，可以看到明显的弯曲的流线，而在区域E中则只有直流线。障碍物使得流体以分流-聚合-分流-聚合的方式流动，因此极大地提高了流体间的接触面积和混合效果。
同时，障碍物还提高了流体停留时间。常规的混合器，直流道承受着相当大的压降，当流体在没有障碍物的直流道内流动时，阻力小，***压降大，流速快，流体的停留时间短，导致流层之间的分子在有限长度的微流道内无法充分混合。本实施例在直微通道腔31内设置障碍物，可有效延长流体停留时间，有利于充分混合。
另外，常规的混合器为克服压降并将流量保持在所需的雷诺数范围内，常常采用泵持续供给压力，增加了设备成本，而且给操作带来不便。
基于上述问题，本实施例的膨胀收缩流道41的膨胀部411和收缩部412首尾相接结构，不仅提高了混合质量，而且降低了***中的压降，降低压降超过60％。双螺旋微通道模块4的膨胀收缩流道41通道的宽度可变，且每个区段的流向发生变化，这种结构特征会导致流体不断出现扰动。如在流道宽度最宽时，流速达到最小，在流道宽度最窄时，流速达到最大，流体以更快的速度流出窄缝单元，增强射流效应，从而降低压降。根据混合器的类型，这种波动可以重复8到16次。
同时，膨胀部411和收缩部412首尾相接结构削弱了惯性项和粘性项的影响，随着环路数量的增加，如增加至3个环路以增加总混合长度，与没有膨胀的流道相比，有膨胀部分混合器中的流动覆盖更长的距离。从而有利于低雷诺数流体的充分混合。而直微通道腔31和膨胀收缩流道41相比，又增强了惯性项和粘性项的影响，因此有利于高雷诺数流体的充分混合。
本实施例的基于面固化3D打印的通用快速微混合器，各模块基于面固化3D打印技术一次性打印成型，成型时间短，精度高，通过3D打印可实现完全不同于常规微流控混合器结构的微尺寸结构设计。
本实施例混合器基于面固化3D打印技术，使得螺旋流道结构、微尺寸流道、各种柱状形状和微尺寸障碍物的设置成为可能，从而极大的提高混合器内流体混合流动的性能和混合效率。具体地打印方法：将混合器STL格式文件模型导入***软件，软件将模型以一个层厚的间距切割成一定数量的二维平面模型；通过设置曝光时间等参数，光源发出紫外光，利用光敏树脂光固化的原理，投影在液态树脂表面的是模型切片形状，被光照射到的位置液态树脂固化，即实现一个层厚的模型打印，重复循环，直至整个模型打印出来；若打印完成后的微通道内残存液态树脂，使用酒精清洗；若保证模型充分固化，需用紫外光进行二次光固化。
本实施例的基于面固化3D打印的通用快速微混合器，工作流程如下：
如图2所示，以给定流速从液体入口一21和液体入口二22流入两种不同液体，经过T字型交叉口混合后流入直微通道腔31，两种不同流体内的颗粒，在直微通道腔31内第一障碍物32的碰撞下，加剧扩散、混合，而后进入双螺旋微通道模块4的流入螺旋段，在膨胀收缩流道41的不对称流动、碰撞以及第二障碍物42的碰撞下，流体继续充分混合，经流出螺旋段流出，最终混合均匀的混合液体从混合液出口模块5的出口处流出。
同样地，如图10所示，包括两种液体入口，其中一种从液体入口1A 211、液体入口1B 212流入，另一种从液体入口二22流入，两种液体垂直相交，呈十字形状，然后从十字型交叉口处流入直微通道腔31，后续的流动过程和原理同上。
本实施例采用直流道、带膨胀收缩结构的螺旋流道以及流道内的障碍物相结合的技术方案，综合障碍物对各流层流体的碰撞、分流，螺旋流道对各流层流体的惯性和粘性的弱化，螺旋环路数量的增加增大混合长度的影响，使得不同浓度的液体增大接触面积和混合长度，针对不同雷诺数的流体都有良好的混合效果。

Claims (9)

1.一种基于面固化3D打印的通用快速微混合器，其特征在于，包括壳体(1)，其内集成有液体入口模块(2)、直微通道模块(3)、双螺旋微通道模块(4)和混合液出口模块(5)；所述液体入口模块(2)包括至少两个入口，用于输入不同浓度的液体；所述直微通道模块(3)的进、出口分别和所述液体入口模块(2)的出口、所述双螺旋微通道模块(4)的入口连接成通路，所述双螺旋微通道模块(4)的出口与所述混合液出口模块(5)的入口连接成通路；
所述直微通道模块(3)具有一直微通道腔(31)，其内分布有若干第一障碍物(32)；所述双螺旋微通道模块(4)包括流入螺旋段和流出螺旋段，每个螺旋段由多个膨胀收缩流道(41)构成，每个膨胀收缩流道(41)由截面宽度不同的膨胀部(411)和收缩部(412)首尾连接而成，膨胀收缩流道(41)内分布有若干第二障碍物(42)。
2.根据权利要求1所述的基于面固化3D打印的通用快速微混合器，其特征在于，所述的膨胀部(411)两端窄、中间宽，形成截面宽度变化的流道，所述膨胀部(411)的半径根据流道的膨胀率α的设计，膨胀部(411)的内壁半径R1、外壁半径R2的计算公式如下：
R1＝Rinner+αRinner
R2＝Router-αRouter
其中，Rinner、Router分别为内壁参考半径、外壁参考半径。
3.根据权利要求2所述的基于面固化3D打印的通用快速微混合器，其特征在于，每个膨胀收缩流道(41)弯曲成半圆形，多个膨胀收缩流道(41)连接成螺旋状；半圆形的半径由外到内依次减小，构成单个半圆形的两个四分之一圆的尺寸相同，以所述收缩部(412)为中心轴对称。
4.根据权利要求2所述的基于面固化3D打印的通用快速微混合器，其特征在于，所述流出螺旋段的形状尺寸与所述流入螺旋段的相同。
5.根据权利要求2所述的基于面固化3D打印的通用快速微混合器，其特征在于，第二障碍物(42)为柱状结构，保证液体内颗粒从第二障碍物(42)与第二障碍物(42)之间、以及第二障碍物(42)与膨胀收缩流道(41)壁间的间隙内顺利通过。
6.根据权利要求5所述的基于面固化3D打印的通用快速微混合器，其特征在于，所述膨胀收缩流道(41)的膨胀部(411)截面宽度范围60-100μm，所述收缩部(412)的截面宽度50μm，且所述第二障碍物(42)的宽度为所述膨胀部(411)截面宽度的1/20～1/12。
7.根据权利要求1所述的基于面固化3D打印的通用快速微混合器，其特征在于，所述直微通道腔(31)截面形状为矩形、梯形或三角形；所述第一障碍物(32)为柱状结构，保证液体内颗粒从第一障碍物(32)与第一障碍物(32)之间、以及第一障碍物(32)与直微通道腔(31)壁间的间隙内顺利通过。
8.根据权利要求7所述的基于面固化3D打印的通用快速微混合器，其特征在于，所述直微通道腔(31)的截面宽度范围20-50μm，高度40μm，第一障碍物(32)沿所述直微通道腔(31)长度方向分布，且第一障碍物(32)的高度小于40μm大于10μm。
9.根据权利要求1所述的基于面固化3D打印的通用快速微混合器，其特征在于，液体入口模块(2)包括液体入口一(21)和液体入口二(22)，液体入口一(21)、液体入口二(22)与直微通道腔(31)呈T字形或Y字形交叉结构；或者，所述液体入口模块(2)包括液体入口1A(211)、液体入口1B(212)和液体入口二(22)，所述液体入口1A(211)、液体入口1B(212)、液体入口二(22)与直微通道腔(31)呈十字交叉结构。
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