CN113101849B - 一种管道式压电微混合器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微流体混合技术领域，具体涉及一种管道式压电微混合器。沿流体运动方向外部依次相连有分支管、第一基体管、第二基体管、第三基体管以及出口管；流体管路中从左至右依次安装有第一压电振子、第一扰流板、第二扰流板、第二压电振子；所述第一扰流板和第二扰流板之间设置有第二混合腔；所述第二混合腔内部设置有多个介质球。优势与特点：混合效率和混合强度高，结构简单、易于集成。
Description
技术领域
本发明属于微流体混合技术领域，具体涉及一种管道式压电微混合器。
背景技术
在微流体领域，微混合器被广泛应用于化学、生物以及新能源领域。目前，微混合器根据驱动元件的有无可分为被动式微混合器和主动式微混合器。被动式微混合器通常采用复杂流道结构，尽可能增大流体接触面积以提高混合效率，其缺点在于结构复杂、混合效果及可控性差。主动式微混合器需要外部驱动元件驱动进行混合，主要包括：微搅拌、压力扰动、声波扰动、 磁力驱动、电流体驱动等，其优点在于混合效果好且混合过程可控，但也会存在加工工艺复杂、加工成本昂贵、不易集成等诸多问题。作为主动式微混合器，压电微混合器具有结构简单、混合过程可控等特点，被广泛应用于微流体混合，如中国发明专利201310756812.4提出一种压电驱动微流体混合器，从结构上实现了流体的主要混合功能与泵送功能合二为一，微流体的泵送过程同时可以实现流体的混合。但现有压电微混合器主要采用压电振子直接扰动流体，由于压电振子自身振幅小，其仍存混合强度差的问题。
发明内容
针对现有微混合器存在的问题，本发明提出一种管道式压电微混合器。采用以下技术方案：沿流体运动方向外部依次相连有分支管、第一基体管、第二基体管、第三基体管以及出口管；所述分支管内部设置有汇流腔；所述汇流腔设置有第一入口和第二入口；所述汇流腔与第一基体管之间安装有可使流体由汇流腔至第一基体管单向流通的第一压电振子；所述第三基体管与出口管之间安装有可使流体由第三基体管至出口管单向流通的第二压电振子；所述第一基体管和第二基体管之间安装有第一扰流板；所述第二基体管和第三基体管之间安装有第二扰流板；所述流体A由第一入口流入汇流腔；所述流体B由第二入口流入汇流腔；所述第一入口与第二入口之间的中心夹角为α, 且60°＜α＜120°；
进一步的，所述第一压电振子与第一扰流板之间设置有第一混合腔；所述第一扰流板和第二扰流板之间设置有第二混合腔；所述第二扰流板和第二压电振子之间设置有第三混合腔；所述第二压电振子与混合出口之间设置有出口腔；所述混合出口与出口腔连通；所述流体A和流体B的混合流体由混合出口输出；
进一步的，所述第二混合腔内部设置有多个介质球；所述介质球的密度
略大于混合流体密度
；
进一步的，
；
进一步的，所述第一压电振子和第二压电振子中心处均设置有阀孔；所述阀孔为通孔，其贯穿第一压电振子和第二压电振子；所述第一压电振子在阀孔处安装有第一轮式阀；所述第二压电振子在阀孔处安装有第二轮式阀；所述第一轮式阀控制汇流腔与第一混合腔的连通与隔断；所述第二轮式阀控制第三混流腔与出口腔的连通与隔断；
进一步的，所述第一扰流板和第二扰流板均布有多个通流孔；所述通流孔的孔径小于介质球外径；
进一步的，所述第一压电振子、第二压电振子均由金属基板和压电陶瓷片同心粘接而成；所述第一压电振子、第二压电振子两侧均配合安装有密封圈，通过两侧配备密封圈，第一压电振子和第二压电振子的支撑刚度降低，其振动振幅可以增大；所述第一压电振子、第二压电振子表面均做绝缘处理；
进一步的，在交流电压信号驱动下，所述第一压电振子和第二压电振子产生弯曲变形，结合第一轮式阀和第二轮式阀在压差和压电振子的动能作用下的开启和关闭，可实现混合流体的单向驱动。
所述流体A和流体B经汇流腔初步混合后通过第一压电振子的第一轮式阀进入混合腔，流体和流体的混合流体在第一混合腔、第二混合腔、第三混合腔中充分混合，随后经第二压电振子的第二轮式阀进入出口腔进行短暂缓冲，最终由混合出口输出。
进一步的，所述第一轮式阀和第二轮式阀均由阀片，悬臂梁和夹持边界组成；所述夹持边界与第一压电振子和第二压电振子连接；所述阀片与阀孔同心安装，且阀片的外径大于阀孔的孔径；所述阀片的运动实现第一轮式阀和第二轮式阀的开启与关闭；
所述第一扰流板、第二扰流板在第一压电振子、第二压电振子的振动驱动下产生相应的弯曲变形运动，带动介质球在第二混合腔内碰撞运动以此增加流体扰动，进而增强流体混合效果。
所述介质球运动过程中，由于介质球的滞后性，介质球与第一扰流板、第二扰流板以及第二基体管产生碰撞，同时介质球之间也会产生相互碰撞，这些碰撞运动进一步增强了介质球对第二混合腔内混合流体的扰流效果。
所述通流孔的孔径小于介质球的外径，这样能够保证介质球始终在第一扰流板、第二扰流板之间运动。
一种较佳实施例的单个工作周期可分为第一工作状态和第二工作状态：
第一工作状态：给第一压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压，第一压电振子向右弯曲变形，同时给第二压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压，第二压电振子向左弯曲变形；第一混合腔和第三混合腔的压力增大，在压力作用下，第一扰流板向右弯曲变形、第二扰流板向左弯曲变形；在动能和压力作用下，第一轮式阀关闭、第二轮式阀开启，混合流体流入出口腔。
第二工作状态：给第一压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压，第一压电振子向左弯曲变形，同时给第二压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压，第二压电振子向右弯曲变形；第一混合腔和第三混合腔的压力减小，在压力作用下，第一扰流板向左弯曲变形、第二扰流板向右弯曲变形；在动能和压力作用下，第一轮式阀开启、第二轮式阀关闭，流体A和流体B经汇流腔吸入第一混合腔。
在交变电压信号驱动下，第一工作状态和第二工作状态交替循环，第一压电振子、第二压电振子往复振动，结合第一轮式阀和第二轮式阀交替开启和关闭，从而获得流体的单向流动，混合流体由混合出口持续输出；所述第一压电振子的振动使流体A和流体B在汇流腔内获得初步的混合效果；初步混合后的混合流体经第一压电振子的第一轮式阀进入第一混合腔，由于第二压电振子的振动方向与第一压电振子相反，第一扰流板与第二扰流板也产生相反方向的运动，使得混合腔内的混合流体产生复杂漩涡，加快混合效率；第一扰流板和第二扰流板的往复振动迫使介质球在第二混合腔碰撞运动，介质球的碰撞运动加剧了混合流体的扰流效果，从而提高流体A和流体B的混合效率，实现高效混合。
本发明的特色及优势在于：1.混合强度高：采用压电振子结合小球的方式进行流体混合，在压电振子振动过程中，混合腔中的小球来回运动和碰撞，增强了混合腔内混合流体的扰动效果，提高了微混合器的混合强度；2.混合效率高：通过两个压电振子驱动液体单向流动，同时结合三个混合腔和两个扰流板作用，液体的混合效率大大提高；3.结构简单、易于集成：通过压电驱动，微混合器仅需在混合腔中加入小球，流体混合效果即可得到大大提升，所以其结构简单、易于集成。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例的剖视图；
图2是图1中A-A截面的剖视图；
图3是第一压电振子和轮式阀安装后的B-B向视图；
图4是本发明一个较佳实施例中的第一工作状态示意剖面图；
图5是本发明一个较佳实施例中的第二工作状态示意剖面图；
其中：1-分支管；101-第一入口；102-第二入口；103-汇流腔；2-介质球；31-第一基体管； 32-第一扰流板；33-第二基体管；34-第二扰流板；35-第三基体管；301-第一混合腔；302-通流孔；303-第二混合腔；304-第三混合腔；4-密封圈；51-第一轮式阀；52-第二轮式阀；501-阀片；502-悬臂梁；503-夹持边界；6-出口管；601-出口腔；602-混合出口；7a-第一压电振子；7b-第二压电振子；70-阀孔；71-压电陶瓷片；72-金属基板。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体化连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
请参阅图1、图2、图3、图4、图5，本发明提出一种管道式压电微混合器，沿流体运动方向外部依次相连有分支管1、第一基体管31、第二基体管32、第三基体管35以及出口管6；所述分支管1内部设置有汇流腔103；所述汇流腔103设置有第一入口101和第二入口102；所述汇流腔103与第一基体管31之间安装有可使流体由汇流腔103至第一基体管31单向流通的第一压电振子7a；所述第三基体管35与出口管6之间安装有可使流体由第三基体管35至出口管6单向了流通的第二压电振子7b；所述第一基体管31和第二基体管33之间安装有第一扰流板32；所述第二基体管33和第三基体管35之间安装有第二扰流板34；所述流体A由第一入口101流入汇流腔103；所述流体B由第二入口102流入汇流腔103；所述第一入口101与第二入口102之间的中心夹角为α, 且60°＜α＜120°；
进一步的，所述第一压电振子7a与第一扰流板32之间设置有第一混合腔301；所述第一扰流板32和第二扰流板34之间设置有第二混合腔303；所述第二扰流板34和第二压电振子7b之间设置有第三混合腔304；所述第二压电振子7b与混合出口602之间设置有出口腔601；所述混合出口602与出口腔601连通；所述流体A和流体B的混合流体由混合出口602输出；
进一步的，所述第二混合腔303内部设置有多个介质球2；所述介质球2的密度
略大于混合流体密度
；
进一步的，
；
进一步的，所述第一压电振子7a和第二压电振子7b中心处均设置有阀孔70；所述阀孔70为通孔，其贯穿第一压电振子7a和第二压电振子7b；所述第一压电振子7a在阀孔70处安装有第一轮式阀51；所述第二压电振子7b在阀孔70处安装有第二轮式阀52；所述第一轮式阀51控制汇流腔103与第一混合腔301的连通与隔断；所述第二轮式阀52控制第三混流腔304与出口腔601的连通与隔断；
进一步的，如图2所示，所述第一扰流板32和第二扰流板34均布有多个通流孔302；所述通流孔302的孔径D2小于介质球2外径D1；
进一步的，所述第一压电振子7a、第二压电振子7b均由金属基板72和压电陶瓷片71同心粘接而成；所述第一压电振子7a、第二压电振子7b两侧均配合安装有密封圈4，通过两侧配备密封圈4，第一压电振子7a和第二压电振子7b的支撑刚度降低，其振动振幅可以增大；所述第一压电振子7a、第二压电振子7b表面均做绝缘处理；
在交流电压信号驱动下，所述第一压电振子7a和第二压电振子7b产生弯曲变形，结合第一轮式阀51和第二轮式阀52在压差和压电振子的动能作用下的开启和关闭，可实现混合流体的单向驱动。
所述流体A和流体B经汇流腔103初步混合后通过第一压电振子7a的第一轮式阀51进入混合腔301，流体A和流体B的混合流体在第一混合腔301、第二混合腔303、第三混合腔304中充分混合，随后经第二压电振子7b的第二轮式阀52进入出口腔601进行短暂缓冲，最终由混合出口602输出。
进一步的，如图3所示，所述第一轮式阀51和第二轮式阀52均由阀片501，悬臂梁502和夹持边界503组成；所述夹持边界503与第一压电振子7a和第二压电振子7b连接；所述阀片501与阀孔70同心安装，且阀片501的外径大于阀孔70的孔径；所述阀片501的运动实现第一轮式阀51和第二轮式阀52的开启与关闭；
所述第一扰流板32、第二扰流板34在第一压电振子7a、第二压电振子7b的振动驱动下产生相应的弯曲变形运动，带动介质球2在第二混合腔303内碰撞运动以此增加流体扰动，进而增强流体混合效果。
所述介质球2运动过程中，由于介质球2的滞后性，介质球2与第一扰流板32、第二扰流板34以及第二基体管33产生碰撞，同时介质球2之间也会产生相互碰撞，这些碰撞运动进一步增强了介质球2对第二混合腔303内混合流体的扰流效果。
所述通流孔302的孔径D2小于介质球2的外径D1，这样能够保证介质球2始终在第一扰流板32、第二扰流板34之间运动。
一种较佳实施例的单个工作周期可分为第一工作状态和第二工作状态：
第一工作状态（图4）：给第一压电振子7a施加与压电陶瓷片71极化方向相反的电压，第一压电振子7a向右弯曲变形，同时给第二压电振子7b施加与压电陶瓷片71极化方向相同的电压，第二压电振子7b向左弯曲变形；第一混合腔301和第三混合腔304的压力增大，在压力作用下，第一扰流板32向右弯曲变形、第二扰流板34向左弯曲变形；在动能和压力作用下，第一轮式阀51关闭、第二轮式阀52开启，混合流体流入出口腔601。
第二工作状态（图5）：给第一压电振子7a施加与压电陶瓷片71极化方向相同的电压，第一压电振子7a向左弯曲变形，同时给第二压电振子7b施加与压电陶瓷片71极化方向相反的电压，第二压电振子7b向右弯曲变形；第一混合腔301和第三混合腔304的压力减小，在压力作用下，第一扰流板32向左弯曲变形、第二扰流板34向右弯曲变形；在动能和压力作用下，第一轮式阀51开启、第二轮式阀52关闭，流体A和流体B经汇流腔103吸入第一混合腔301。
在交变电压信号驱动下，第一工作状态和第二工作状态交替循环，第一压电振子7a、第二压电振子7b往复振动，结合第一轮式阀51和第二轮式阀52交替开启和关闭，从而获得流体的单向流动，混合流体由混合出口602持续输出；所述第一压电振子7a的振动使流体A和流体B在汇流腔103内获得初步的混合效果；初步混合后的混合流体经第一压电振子7a的第一轮式阀51进入第一混合腔301，由于第二压电振子7b的振动方向与第一压电振子7a相反，第一扰流板32与第二扰流板34也产生相反方向的运动，使得混合腔301内的混合流体产生复杂漩涡，加快混合效率；第一扰流板32和第二扰流板34的往复振动迫使介质球2在第二混合腔303碰撞运动，介质球2的碰撞运动加剧了混合流体的扰流效果，从而提高流体A和流体B的混合效率，实现高效混合。
Claims (1)
1.一种管道式压电微混合器，其特征在于：沿流体运动方向外部依次相连有分支管、第一基体管、第二基体管、第三基体管以及出口管；所述 分支管内部设置有汇流腔；所述汇流腔设置有第一入口和第二入口；所述汇流腔与第一基体管之间安装有可使流体由汇流腔至第一基体管单向流动的第一压电振子；所述第三基体管与出口管之间安装有可使流体由第三基体管至出口管单向流通的第二压电振子；所述第一基体管和第二基体管之间安装有第一扰流板；所述第二基体管和第三基体管之间安装有第二扰流板；流体A由第一入口流入汇流腔；流体B由第二入口流入汇流腔；所述第一入口与第二入口之间的中心夹角为α,且60°＜α＜120°；所述第一压电振子与第一扰流板之间设置有第一混合腔；所述第一扰流板和第二扰流板之间设置有第二混合腔；所述第二扰流板和第二压电振子之间设置有第三混合腔；所述第二压电振子与混合出口之间设置有出口腔；所述混合出口与出口腔连通；所述流体A和流体B的混合流体由混合出口输出；所述第二混合腔内部设置有多个介质球；所述介质球的密度ρ1略大于混合流体密度ρ2，其中0<ρ1-ρ2≤0.5g/cm3；所述第一压电振子和第二压电振子中心处均设置有阀孔；所述阀孔为通孔，其贯穿第一压电振子和第二压电振子；所述第一压电振子在阀孔处安装有第一轮式阀；所述第二压电振子在阀孔处安装有第二轮式阀；所述第一轮式阀控制汇流腔与第一混合腔的连通与隔断；所述第二轮式阀控制第三混流腔与出口腔的连通与隔断；所述第一扰流板和第二扰流板均布有多个通流孔；所述通流孔的孔径D2小于介质球外径D1；所述第一压电振子、第二压电振子均由金属基板和压电陶瓷片同心粘接而成；所述第一压电振子、第二压电振子两侧均配合安装有密封圈；所述第一压电振子、第二压电振子表面均做绝缘处理；所述第一轮式阀和第二轮式阀均由阀片，悬臂梁和夹持边界组成；所述夹持边界与第一压电振子和第二压电振子连接；所述阀片与阀孔同心安装，且阀片的外径大于阀孔的孔径；在交变电压信号驱动下，第一压电振子、第二压电振子往复振动，结合第一轮式阀和第二轮式阀交替开启和关闭，从而获得流体的单向流动，混合流体由混合出口持续输出；所述第一压电振子的振动使流体A和流体B在汇流腔内获得初步的混合效果；初步混合后的混合流体经第一压电振子的第一轮式阀进入第一混合腔，由于第二压电振子的振动方向与第一压电振子相反，第一扰流板与第二扰流板也产生相反方向的运动，使得混合腔内的混合流体产生复杂漩涡，加快混合；第一扰流板和第二扰流板的往复振动迫使介质球在第二混合腔碰撞运动，介质球的碰撞运动加剧了混合流体的扰流效果，从而提高流体A和流体B的混合效率，实现高效混合。
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