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一種軸對稱對數螺旋線的十字微混合器.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510503838.7

申請日:

2015.08.17

公開號:

CN105148781A

公開日:

2015.12.16

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):B01F 13/00申請日:20150817|||公開
IPC分類號: B01F13/00 主分類號: B01F13/00
申請人: 江蘇大學
發明人: 何秀華; 顏杰; 朱學斌; 曹睿
地址: 212013江蘇省鎮江市京口區學府路301號
優先權:
專利代理機構: 代理人:
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510503838.7

授權公告號:

105148781B||||||

法律狀態公告日:

2017.06.27|||2016.01.13|||2015.12.16

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開一種軸對稱對數螺旋線的十字微混合器,蓋板和基體之間設有依次相連接的一個十字型流道、一個收縮流道和若干個混合單元,每個混合單元均由相連接的一個狹窄直流道、一個對數螺旋線流道以及放置在對數螺旋線流道中的一個對數螺旋線擋板構成;對數螺旋線流道和對數螺旋線擋板都關于中心軸對稱,對數螺旋線擋板的凹面正對著所在的對數螺旋線流道入口;對數螺旋線擋板的兩端邊緣與對數螺旋線流道的內壁之間具有間隙;本發明能使流體在通過狹窄直流道后形成射流,射流沖擊對數螺旋線擋板,沿對數螺旋線擋板流動,與來流形成對流,增加流體間的擾動,從而增加流體的接觸面積,混合效果顯著提高。

權利要求書

權利要求書
1.  一種軸對稱對數螺旋線的十字微混合器,包括密合在一起的蓋板(3)和基體(9),其特征是:蓋板(3)和基體(9)之間設有依次相連接的一個十字型流道(10)、一個收縮流道(4)和若干個混合單元,每個混合單元均由相連接的一個狹窄直流道(5)、一個對數螺旋線流道(6)以及放置在對數螺旋線流道(6)中的一個對數螺旋線擋板(7)構成;若干個混合單元串接后連接于收縮流道(4)和流道出口(8)之間;十字型流道(10)出口連接收縮流道(4)入口,收縮流道(4)出口連接第一個混合單元中的狹窄直流道(5)入口,最后一個對數螺旋線流道(6)出口連接流道出口(8)且該出口寬度與流道出口(8)的寬度相同,其余對數螺旋線流道(6)出口均與狹窄直流道(5)的寬度相同;收縮流道(4)和混合單元的中心均在一個中心軸上,對數螺旋線流道(6)和對數螺旋線擋板(7)都關于中心軸對稱;對數螺旋線擋板(7)的凹面正對著所在的對數螺旋線流道(6)入口,對數螺旋線擋板(7)的兩端邊緣與對數螺旋線流道(6)的內壁之間具有間隙。

2.  根據權利要求1所述一種軸對稱對數螺旋線的十字微混合器,其特征是:
對數螺旋線流道(6)的輪廓線由兩個關于中心軸對稱分布的對數螺旋線構成,對數螺旋線方程為,對數螺旋線起點位于對數螺旋線擋板(7)凹面一端的頂點處,包角α為135°,e為自然對數函數的底數,其值為2.71828,為20μm,k為0.001,θ1為220°~(220°+α);
對數螺旋線擋板(7)的輪廓線為兩個關于中心軸對稱分布的兩個對數螺旋線構成,其對數螺旋線方程為,其起點為所在的對數螺旋線流道(6)入口中心點,包角β為30°,為15μm,k為0.001,θ2為270°~(270°+β)。

3.  根據權利要求1所述一種軸對稱對數螺旋線的十字微混合器,其特征是:十字型流道(10)上布置一個主流道入口(1)和兩個副流道入口(2),兩個副流道的中心共線,主流道和兩個副流道相互垂直,十字型流道(10)的主流道中心在中心軸上,十字型流道(10)的主流道出口連接收縮流道(40進口。

4.  根據權利要求3所述一種軸對稱對數螺旋線的十字微混合器,其特征是:十字型流道(10)的主流道的進口寬度為D1,200μm<D1<400μm,D1等于十字型流道(10)的副流道進口寬度D2的兩倍;主流道進口的長度L1=2.5×(D1),副流道進口的長度L3等于L1,副流道與收縮流道(4)之間的最短距離L2=2×(D1);狹窄直流道(5)的軸向長度L4=(D1)/2、寬度D3=(D1)/4。

5.  根據權利要求4所述一種軸對稱對數螺旋線的十字微混合器,其特征是:對數螺旋線流道(6)輪廓線的對數螺旋線的起點距離中心軸的垂直距離為D1/3,距離相鄰的對數螺旋線流道(6)的最大寬度處的軸向距離L5=2.5×(D1)。

6.  根據權利要求4所述一種軸對稱對數螺旋線的十字微混合器,其特征是:收縮流道(4)入口寬度、對數螺旋線流道(6)的最大寬度以及最后一個對數螺旋線流道(6)出口寬度均為D1。

說明書

說明書一種軸對稱對數螺旋線的十字微混合器
技術領域
本發明涉及生物芯片和微全分析系統中液體微混合的技術領域,具體是基于分離重組和附壁效應的被動式微混合器,實現微尺度下不同液體的快速混合。
背景技術
微流體系統是微電子機械系統的重要組成部分,微流控系統是微流體系統的一個重要分支,可使得傳統生化監測過程的分離、加樣、混合、反應、監測等功能在芯片上得以實現。微混合器作為微流控系統的重要組成部分,憑借其高效快速的混合性能,被廣泛應用于生物分析、化學合成、藥物篩選和臨床測試等領域。對于兩股或多股流體的化學反應,必須解決它們之間的有效混合問題。由于微流控芯片流道的尺寸在微米量級,流動通常處于層流狀態,流體間難以充分混合,因此實現微尺度下流體的快速混合非常重要。
按照混合過程的原理,微混合器一般分為弱化層流型和強化層流型兩種。而弱化層流型又分為被動式和主動式微混合兩種。主動式是通過外部對混合器施加影響促進混合,而被動式是在流體內部采取強化措施,即借助改變或布置不同形狀和結構的微流道來控制混合過程,如開槽流道、流體分層流(在流道中加障礙物)、蛇形流道、誘發混沌對流等。相比主動式微混合器而言,被動式微混合器不需要添加額外的設備,易于加工,使用更為方便。而在加強被動式微混合器中流體擴散和混合的方法上,優化流道結構和強化混沌對流是目前被公認的最佳選擇。
目前,微流體混合器中的微流道的尺寸在幾十到幾百微米的范圍內,微流道中液體流動的雷諾數很小以至于沒有渦流產生,液體間的混合主要依靠分子擴散運動,混合時間相比宏觀情況大大延長且混合效果差,因此必須采取特殊的方式來增加液體間的接觸面積或者增強對流以提高混合效率。
發明內容
本發明的目的是為了克服現有微混合器中存在的不足而提供一種結構簡單、能提高混合效率的軸對稱對數螺旋線的十字型微混合器,可實現生物芯片或微全分析系統中不同液體之間的快速均勻混合,強化混合效果,縮短混合時間。
本發明采用的技術方案是:本發明包括密合在一起的蓋板和基體,蓋板和基體之間設有依次相連接的一個十字型流道、一個收縮流道和若干個混合單元,每個混合單元均由相連接的一個狹窄直流道、一個對數螺旋線流道以及放置在對數螺旋線流道中的一個對數螺旋線擋板構成;若干個混合單元串接后連接于收縮流道和流道出口之間;十字型流道出口連接收縮流道入口,收縮流道出口連接第一個混合單元中的狹窄直流道入口,最后一個對數螺旋線流道出口連接流道出口且該出口寬度與流道出口的寬度相同,其余對數螺旋線流道出口均與狹窄直流道寬度相同;收縮流道和混合單元的中心均在一個中心軸上,對數螺旋線流道和對數螺旋線擋板都關于中心軸對稱;對數螺旋線擋板的凹面正對著所在的對數螺旋線流道入口。
對數螺旋線流道的輪廓線由兩個關于中心軸對稱分布的對數螺旋線構成,對數螺旋線方程為,其對數螺旋線起點位于對數螺旋線擋板凹面一端的頂點處,包角α為135°,e為自然對數函數的底數,其值為2.71828,為20μm,k為0.001,θ1為220°~(220°+α);
對數螺旋線擋板的輪廓線為兩個關于中心軸對稱分布的兩個對數螺旋線構成,其對數螺旋線方程為,其起點為所在的對數螺旋線流道入口中心點,包角β為30°,為15μm,k為0.001,θ2為270°~(270°+β)。
本發明采用上述技術方案后具有下列優點:
1、本發明能使流體在通過狹窄直流道后形成射流,使流體流速增加,增加流體的雷諾數。射流沖擊對數螺旋線擋板,由于對數螺旋線擋板的特殊結構,流體沿對數螺旋線擋板流動,與來流形成對流,增加流體間的擾動。
2、當流體流過對數螺旋線擋板時,會在對數螺旋線擋板的凸面形成附壁流動,出現二次流現象,增加流體的混合度。通過簡單的流道結構實現了渦系的疊加和強化,從而增加了流體的接觸面積,使得混合效果顯著提高。
3、本發明在十字型微混合器的主流道上等距布置對稱分離重組流道,流體經過聚合、分離、成渦,依次循環進行,可以更加有效的接觸混合。借助微混合流道幾何形狀變化和流體流動特性來加大擾動,即在二維度平面內增加擾流度,大大提高了平面式被動微混合器的混合效果。
附圖說明
圖1為本發明的主體結構剖視圖;
圖2為圖1中A-A剖視圖;
圖3為圖2中十字型流道的幾何結構放大示意圖;
圖4為圖2中混合單元的幾何結構放大示意圖;
圖5為本發明流體流動原理示意圖;
圖中:1、主流道入口;2、副流道入口;3、蓋板;4、收縮流道;5、狹窄直流道;6、對數螺旋線流道;7、對數螺旋線擋板;8、流道出口;9、基體;10、十字型流道。
具體實施方式
如圖1和圖2所示,本發明主要結構分上下兩部分,上部分為該微混合器的蓋板3,下部分為微混合器的混合流道基體9。蓋板3和基體9密合在一起,在蓋板3和基體9之間設有一個十字型流道10、一個流道出口8、一個收縮流道4、若干個狹窄直流道5、若干個對數螺旋線流道6和若干個對數螺旋線擋板7。其中,十字型流道10上布置一個主流道入口1和兩個副流道入口2,兩個副流道的中心共線,主流道和兩個副流道相互垂直組成十字型流道。
十字型流道10的主流道出口平滑連接收縮流道4進口,收縮流道4出口連接第一個狹窄直流道5進口,第一個狹窄直流道5出口連接第一個對數螺旋線流道6入口,第一個對數螺旋線流道6出口連接第二個狹窄直流道5入口,第二個狹窄直流道5出口連接第二個對數螺旋線流道6入口,如此連續地,直至最后一個狹窄直流道5出口連接最后一個對數螺旋線流道6入口。最后一個對數螺旋線流道6的進口至出口寬度逐漸增大,最后一個對數螺旋線流道6出口與流道出口8的寬度相同,除此之外,其余對數螺旋線流道6出口均與狹窄直流道5的寬度相同。收縮流道4從進口至出口寬度逐漸減小,收縮流道4出口寬度等于狹窄直流道5的寬度。
在每個對數螺旋線流道6中放置一個對數螺旋線擋板7,對數螺旋線擋板7的凹面正對著所在的對數螺旋線流道6入口,對數螺旋線擋板7的凸面正對著所在的對數螺旋線流道6出口。對數螺旋線擋板7的兩端邊緣與對數螺旋線流道6的內壁之間具有間隙,該間隙供流體通過。由一個狹窄直流道5、一個對數螺旋線流道6、一個對數螺旋線擋板7構成一個混合單元,狹窄直流道5和對數螺旋線流道6相連接。若干個混合單元相串接后連接于收縮流道4和流道出口8之間。相串接的若干個混合單元沿中心軸方向等距布置。對數螺旋線擋板7的凹面正對著對數螺旋線流道6入口,對數螺旋線擋板7的凸面正對著對數螺旋線流道6出口。
十字型流道10主流道、收縮流道4、狹窄直流道5、對數螺旋線流道6以及對數螺旋線擋板7的中心均在一個中心軸上。對數螺旋線流道6和對數螺旋線擋板7都關于中心軸對稱,該中心軸也是本發明十字型微混合器的中心軸。多個混合單元沿中心軸的軸向等距布置,混合單元的個數n≥3。
如圖3所示,十字型流道10的主流道的進口寬度為D1,200μm<D1<400μm,D1恒等于副流道進口寬度D2的兩倍。主流道進口的長度L1為D1的2.5倍,L1=2.5×(D1),副流道進口的長度L3等于L1,副流道與收縮流道4之間的最短距離L2=2×(D1)。
如圖4所示,狹窄直流道5的軸向長度為L4,L4=(D1)/2,狹窄直流道5的寬度D3=(D1)/4。
收縮流道4入口寬度為D1,對數螺旋線流道6的最大寬度為D1,最后一個對數螺旋線流道6出口寬度為最大寬度D1,與流道出口8寬度相同也為D1。收縮流道4的輪廓線尺寸與對數螺旋線流道6外輪廓線尺寸保持相同。對數螺旋線流道6的輪廓線由兩個關于中心軸對稱分布的對數螺旋線構成,其輪廓線的對數螺旋線方程為,所確定的包角α為135°,其起點a位于對數螺旋線擋板7凹面一端的頂點處,其中e為自然對數函數的底數,其值約為2.71828,為20μm,k為0.001,θ1為220°~(220°+α)。對數螺旋線流道6與狹窄直流道5是相連的。流道出口8的軸向長度大于500μm且小于1000μm,微混合器的深度等于(D1)/2。
對數螺旋線的起點a距離中心軸的垂直距離為D1/3,對數螺旋線的起點a距離相鄰的對數螺旋線流道6的最大寬度處的軸向距離L5等于主流道進口的長度L1,即L5=L1=2.5×(D1)。
對數螺旋線擋板7的輪廓線為兩個關于中心軸對稱分布的兩個對數螺旋線構成,該對數螺旋線方程為,包角β為30°,其中為15μm,k為0.001;θ2為270°~(270°+β);對數螺旋線的起點b為所在的對數螺旋線流道6入口中心點,起點b位于中心軸上,對數螺旋線擋板7的擋板厚度為D4=(D1)/4。各個流道的主要結構參數及取值范圍均對微混合器的混合性能產生影響。
本發明將主流道入口1、副流道入口2和十字型流道10設置在微混合器的左側,流道出口8設在微混合器的右側,這樣,各個流道的入口在該流道的左端,出口在該流道的右端,所述的寬度均是指前后方向的寬度,所述的長度均是指左右方向的軸向長度,所述的深度是指上下方向的深度。
如圖5所示,本發明工作時,兩種或三種不同組分的流體分別從一個主流道進口1和兩個副流道進口2進入微混合器,在十字型流道10內匯合并進行極少程度混合后共同進入其主流道,此時的混合基本依靠分子擴散,混合的程度很弱。隨后流體經過收縮流道4,多種組分流體接觸更加充分,流體在經過狹窄直流道5后,三股流體被擠壓和加速,形成射流,并沖擊對數螺旋線擋板7,由于對數螺旋線擋板7結構特殊,流體沿對數螺旋線擋板7向兩端流動,部分流體沖擊在對數螺旋線流道壁上,在對數螺旋線流道6和對數螺旋線擋板7之間形成對稱漩渦,增加流體擾動。當流體通過對數螺旋線擋板7時,會在對數螺旋線擋板7的凸面形成附壁流動,出現二次流現象,增加流體的混合度。流體經過三個以上相同混合單元后,重復收縮、成渦、分散、附壁成渦過程,從而增加了流體的接觸面積,使得混合效果獲得顯著提高。最后從流體微混合器的流道出口8流出,完成混合過程。
以下提供本發明的一個實施例:
本實施例利用CFD軟件對兩種不同的流體乙醇C2H6O溶液和水在本發明中的混合流動進行模擬。采用主流道進口寬度D1為200μm,副流道的進口寬度D2為100μm。主流道進口的長度L1和副流道進口的長度L3都為500μm,副流道10與收縮流道4入口之間的最短距離L2為400μm,狹窄直流道5的軸向長度L4為100μm、寬度D3為50μm,對數螺旋線擋板7的輪廓線為兩條關于中心軸對稱的對數螺旋線,其方程所確定的包角β為30°,起點b在對數螺旋線流道6入口中心點,其中為15μm,k為0.001;θ2為270°~(270°+β),對數螺旋線擋板7的厚度為D4=50μm。對數螺旋線流道6的輪廓線為兩條關于中心線對稱的分布的一段對數螺旋線,其方程,所確定的包角α為135°,起點a為對數螺旋線擋板7的內弧頂點,其中e為自然對數函數的底數,其值約為2.71828,為20μm,k為0.001,θ1為220°~(220°+α)。流道出口8的軸向長度為600μm。
混合液體在壓力驅動下分別從三個流道入口勻速注入微混合器,入口流道2注入乙醇溶液,為了保證不同組分流體等量注入流道,等質量的水從流道入口1注入。此時乙醇溶液從主流道兩側垂直對向流入。經過該混合器的4個混合單元,充分混合以后從流道出口8流出。

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一種 軸對稱 對數 螺旋線 十字 混合器
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