本發(fā)明涉及微流體系統(tǒng)中的微流體混合領(lǐng)域，尤其涉及一種微混合器。

背景技術(shù)：

微流體系統(tǒng)是在微觀尺度下控制、操作和檢測(cè)復(fù)雜流體的系統(tǒng)，既可以減少實(shí)驗(yàn)試劑的使用量，又能極大地縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間并提升實(shí)驗(yàn)效果。微流體系統(tǒng)主要包含微混合器、微反應(yīng)器、微流道，其中由于微混合器能在微尺度下使流體充分混合，成為微流體系統(tǒng)的重要部分。

目前微混合器按照有、無(wú)動(dòng)力源區(qū)分，主要可分為主動(dòng)式混合器和被動(dòng)式混合器兩類。主動(dòng)式混合器按作用原理區(qū)分，可分為電動(dòng)式、磁致式、射流式、機(jī)械式等，但是主動(dòng)式混合器加工困難，成本較高。而被動(dòng)式混合器不需要?jiǎng)恿υ?，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)元件，所以混合比較容易實(shí)現(xiàn)。被動(dòng)式混合器主要有彎曲通道式、分合式、回流循環(huán)式等結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)有被動(dòng)式微混合器實(shí)現(xiàn)混合的主要方式是：在流道內(nèi)設(shè)置擋板或者阻塊，擾動(dòng)流體產(chǎn)生混合，流動(dòng)損失大；根據(jù)SAR概念設(shè)計(jì)的微混合器，通過(guò)產(chǎn)生混沌流來(lái)混合流體，混合效果好，但是存在著混合流道長(zhǎng)，混合時(shí)間久，流動(dòng)損失大等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有微混合器存在混合流道長(zhǎng)、混合時(shí)間久、流動(dòng)損失大等缺點(diǎn)，提出一種漸縮彎管串聯(lián)式微混合器，利用直流管和漸縮彎管的交叉式結(jié)構(gòu)對(duì)混合液的流動(dòng)進(jìn)行分離與重組，提高流體的對(duì)流強(qiáng)度，從而縮短微混合器的混合距離、減少了流動(dòng)損失、大大提高微混合器的混合效率。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：由上蓋板以及與上蓋板鍵合在一起的位于上蓋板正下方的混合板組成，混合板上三個(gè)入口通道，一個(gè)出口通道和一個(gè)主通道，三個(gè)入口通道共同連接且連通主通道，沿主通道的中心軸方向上，從左至右等間距布置n個(gè)交叉混合通道，n≥2，每個(gè)交叉混合通道由兩個(gè)漸縮彎管和兩個(gè)直流管構(gòu)成，最左的第一個(gè)交叉混合通道的進(jìn)口與主通道相連，最右的最后一個(gè)交叉混合通道的出口與出口通道相連；每個(gè)交叉混合通道中的兩個(gè)直流管的進(jìn)口和出口首尾相接相通且分別布置在所述主通道的中心軸的前、后兩側(cè)，兩個(gè)直流管平行于主通道的中心軸，在前側(cè)的直流管的前側(cè)布置第一個(gè)漸縮彎管，后側(cè)的直流管的后側(cè)布置第二個(gè)漸縮彎管；同側(cè)的漸縮彎管和直流管的進(jìn)口相連且相通，同側(cè)的漸縮彎管和直流管的出口也相連且相通；漸縮彎管從進(jìn)口至出口處的管道寬度逐漸縮小。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：本發(fā)明是利用漸縮彎管和直流管交叉式結(jié)構(gòu)，使流體在漸縮彎管中產(chǎn)生二次流，并在兩種管道結(jié)合處產(chǎn)生劇烈的混沌對(duì)流的原理設(shè)計(jì)而成的?；旌狭黧w進(jìn)入混合通道后，直流管中的倒角破壞了流體的邊界層，使流體產(chǎn)生徑向速度梯度，分別進(jìn)入漸縮彎管和直流管內(nèi)流動(dòng)；一方面，受離心力作用，流體在漸縮彎管內(nèi)產(chǎn)生二次流，提高混沌對(duì)流強(qiáng)度；另一方面，由于漸縮彎管的截面不斷縮小，流體在漸縮彎管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流速不斷加快，從而在漸縮彎管出口處產(chǎn)生一定強(qiáng)度射流，并與直流道出口處的流體發(fā)生碰撞，產(chǎn)生劇烈的擾動(dòng)，增加了兩種流體間的接觸面積，最終實(shí)現(xiàn)完全混合的目的。與其他單純利用二次流原理促進(jìn)混合的微混合器相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)的特殊流道結(jié)構(gòu)，不但能產(chǎn)生較強(qiáng)的二次流，還能在流道出口處產(chǎn)生一定強(qiáng)度的射流，從而提高整個(gè)流道內(nèi)流體的混沌對(duì)流強(qiáng)度，達(dá)到完全混合的目的。該微混合器的微通道內(nèi)沒(méi)有突擴(kuò)和突縮結(jié)構(gòu)，在保證混合效果的前提下，減少了微混合器的流動(dòng)損失；與現(xiàn)有單一的彎管微混合器（如對(duì)數(shù)螺旋線微混合器）以及常見(jiàn)的T型微混合器相比，本發(fā)明的綜合性能更好。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種漸縮彎管串聯(lián)式微混合器的主體結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖2為圖1中上蓋板15的俯視圖；

圖3為圖1中沿A-A方向的混合板8的剖視圖；

圖4為圖3中混合板8的局部放大圖；

圖5為本發(fā)明與現(xiàn)有兩種微混合器的性能對(duì)比圖。

圖中：1.第一入口通道；2.第二入口通道；3.主通道；4.漸縮彎管；5.直流管；6.中心軸；7.出口通道；8.混合板；9.第三入口通道；10.十字型通道；11.第一進(jìn)口孔；12.第二進(jìn)口孔；13出口孔；14第三進(jìn)口孔；15上蓋板；16漸縮彎管的外環(huán)壁面；17漸縮彎管的內(nèi)環(huán)壁面；18漸縮彎管外環(huán)壁面的圓心；19漸縮彎管的內(nèi)面壁面的圓心；20直流管的外壁；21直流管的內(nèi)壁；22倒角。

具體實(shí)施方式

如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明由上蓋板15以及與上蓋板15鍵合在一起的混合板8組成，混合板8位于上蓋板15的正下方。在上蓋板15上開(kāi)有三個(gè)垂直的進(jìn)口孔和一個(gè)垂直的出口孔13，三個(gè)進(jìn)口孔分別是第一進(jìn)口孔11、第二進(jìn)口孔12和第三進(jìn)口孔14。在混合板8上設(shè)有三個(gè)入口通道，一個(gè)出口通道7和一個(gè)主通道3，入口通道分別是第一入口通道1、第二入口通道2和第三入口通道9，這三個(gè)入口通道共同連接且連通主通道3；其中，第一入口通道1、主通道3以及出口通道7均左右水平布置，具有共同的中心軸6，第二入口通道2和第三入口通道9均前后水平布置，并且垂直于第一入口通道1、主通道3和出口通道7。三個(gè)入口通道1、2、9與主通道3一起構(gòu)成十字型通道10。上蓋板15上的三個(gè)進(jìn)口孔11、12、14的孔的位置分別位于其下對(duì)應(yīng)的三個(gè)入口通道1、2、9的正上方，出口孔13的位置位于其下對(duì)應(yīng)的出口通道7的正上方。

上蓋板15上的三個(gè)進(jìn)口孔11、12、14和一個(gè)出口孔13均直接在pyrex7740玻璃上定位打孔，這四個(gè)孔的直徑均為2-4mm，垂直高度均為H1，400μm≤H1≤600μm，等于上蓋板15的上下厚度?；旌习?由聚二甲基硅氧烷有機(jī)硅（PDMS）加工而成，其具體工藝流程為：首先，在PDMS上熱生長(zhǎng)SiO₂作為掩膜，掩膜厚度為2μm左右；然后在SiO₂掩膜上涂抹較厚光刻膠保護(hù)，采用光刻工藝并刻蝕SiO₂掩膜，從而在SiO₂上刻蝕出與掩膜版完全相同的微混合器平面結(jié)構(gòu)；接著，采用Alcatel干法刻蝕工藝正面刻蝕，刻蝕深度H2，100μm≤ H2 ≤200μm；最后，干法去膠，去氧化層，清洗干凈后與上蓋板15對(duì)準(zhǔn)并進(jìn)行靜電鍵合。

如圖1，3所示，混合板8上的第一入口通道1、第二入口通道2和第三入口通道9的通道長(zhǎng)度相同，均為L(zhǎng)1，200μm≤ L1≤400μm。第二入口通道2和第三入口通道9的通道寬度相等，且二者寬度之和等于第一入口通道1的通道寬度；第一入口通道1的通道寬度與主通道3和出口通道7的通道寬度相同，均為W，100μm≤ W ≤200μm。混合過(guò)程中，第二入口通道2和第三入口通道9注入的是同一種液體，第一入口通道1注入的是另一種液體，兩種不同液體以相同速度注入微混合器，以保證這兩種不同的流體等量注入微混合器。

沿主通道3的中心軸6方向上，從左至右等間距周期性布置由漸縮彎管4和直流管5組成的交叉混合通道，每?jī)蓚€(gè)漸縮彎管4和兩個(gè)直流管5構(gòu)成一個(gè)交叉混合單元，在主通道3的中心軸6上共布置有n個(gè)這樣的交叉混合通道，n≥2。相鄰的兩個(gè)交叉混合通道的進(jìn)口和出口首尾相接相通，最左的第一個(gè)交叉混合通道的進(jìn)口與主通道3相連，最右的最后一個(gè)交叉混合通道的出口與出口通道7相連。

每個(gè)交叉混合通道中的兩個(gè)直流管5的進(jìn)口和出口首尾相接相通，分別布置在中心軸6的前后兩側(cè)，兩個(gè)直流管5都平行于主通道3的中心軸6，并且相對(duì)于中心軸6前后對(duì)稱。布置在中心軸6前側(cè)的直流管5的前側(cè)布置第一個(gè)漸縮彎管4，布置在中心軸6后側(cè)的直流管5的后側(cè)布置第二個(gè)漸縮彎管4。同側(cè)的漸縮彎管4和直流管5的進(jìn)口相連且相通，同側(cè)的漸縮彎管4和直流管5的出口也相連且相通。也就是兩個(gè)漸縮彎管4也布置在中心軸6的前后兩側(cè)，并且進(jìn)口和出口首尾相接相通，形成S形狀。每個(gè)漸縮彎管4與同側(cè)的直流管5形成環(huán)狀。

直流管5采用常規(guī)的矩形管道，直流管5的外壁面20在中心軸6上，是經(jīng)過(guò)中心軸6的垂直面。直流管5的內(nèi)壁面21是遠(yuǎn)離中心軸6的一面，與主通道3的外壁面共面。在直流管5的進(jìn)口處出口處，其外壁面20用倒角22與漸縮彎管4過(guò)渡連接。

漸縮彎管4從進(jìn)口至出口處，其管道寬度逐漸縮小。漸縮彎管4的外環(huán)壁面16和內(nèi)環(huán)壁面17均為圓弧形，外環(huán)壁面16和內(nèi)環(huán)壁面17的橫截面分別由不同圓心且不同半徑的兩段圓弧組成，兩段圓弧的圓心均在直流管5的外壁面20上。外環(huán)壁面16的圓心18是直流管5的外壁面20的中心點(diǎn)，外環(huán)壁面16的圓弧半徑為R1，R1=500μm。漸縮彎管4的內(nèi)環(huán)壁面17的圓心19與外環(huán)壁面16的圓心18在同一條左右布置的直線上，圓心19和圓心18之間的軸向距離為L(zhǎng)6，L6=100μm，內(nèi)環(huán)壁面17的圓弧半徑為R2，R2=350μm。外環(huán)壁面16和內(nèi)環(huán)壁面17分別與直流管5的內(nèi)壁面21相交，形成漸縮彎管4的進(jìn)口和出口。

最左的第一個(gè)交叉混合通道的第一個(gè)漸縮彎管4與第二入口通道2、第三入口通道9的距離為L(zhǎng)2，300μm≤ L2≤600μm，出口通道7的長(zhǎng)度為L(zhǎng)5，1200μm≤ L3≤1400μm。 直流管5的長(zhǎng)度為L(zhǎng)3，900μm≤ L3<1000μm、寬度為L(zhǎng)4，60μm≤ L4<120μm。

本發(fā)明工作時(shí)的混合過(guò)程如下，液體A經(jīng)上蓋板15上的第一進(jìn)口孔11進(jìn)入混合板8的第一入口通道1，液體B經(jīng)上蓋板15上的第二進(jìn)口孔12和第三14進(jìn)口孔分別進(jìn)入混合板8的第二入口通道2、第三入口通道9，兩種液體流經(jīng)十字型通道10時(shí)，完成初步混合；而后，混合液進(jìn)入周期性漸縮彎管4和直流管5組成的交叉混合通道區(qū)域，由于直流管5的外壁面20相對(duì)主流道3向主流道3的前后側(cè)偏移，又因漸縮彎管4的分流作用，部分流體轉(zhuǎn)入漸縮彎管4內(nèi)流動(dòng)，使得混合流體的邊界層被破壞，增強(qiáng)了混合流體之間的混合效果；混合流體進(jìn)入漸縮彎管4后，受離心力作用在漸縮彎管4內(nèi)部產(chǎn)生二次流，形成漩渦區(qū)，增加接觸面積并提高混合效率。由于漸縮彎管4的流道不斷縮小，使得混合流體流速不斷增大，當(dāng)混合流體從漸縮彎管4流出時(shí)，將產(chǎn)生一定強(qiáng)度的射流，并與直流管5中的流體發(fā)生劇烈撞擊，再一次增加了混合的接觸面積和擾流的強(qiáng)度，這將有利于誘發(fā)產(chǎn)生混沌對(duì)流，提高混合效率。從主通道3流出的混合液最后流入出口通道7，并從出口孔13流出微混合器，完成混合過(guò)程。

如圖5，曲線C1表示本發(fā)明所述漸縮彎管串聯(lián)式微混合器在不同雷諾數(shù)下的混合效率，曲線C2表示現(xiàn)有的對(duì)數(shù)螺旋線微混合器在不同雷諾數(shù)下的混合效率，曲線C3表示現(xiàn)有的T型微混合器在不同雷諾數(shù)下的混合效率。由圖5可知，本發(fā)明，當(dāng)混合流體進(jìn)入漸縮彎管4時(shí)會(huì)形成二次流提升對(duì)流強(qiáng)度，又因?yàn)闈u縮彎管4的流管不斷縮小，使得混合流體的流速不斷增大，并在漸縮彎管4的出口處產(chǎn)生射流，與直流管5中的流體發(fā)生劇烈的碰撞，產(chǎn)生了劇烈的擾動(dòng)，增大了混合流體的接觸面積，大大提升混合效率。在相同雷諾數(shù)下，本發(fā)明的混合效率明顯優(yōu)于另外兩個(gè)微混合器。當(dāng)雷諾數(shù)超過(guò)40時(shí)，本發(fā)明的混合效率已經(jīng)超過(guò)了95%，如曲線C1所示的，達(dá)到完全混合狀態(tài)。