一种轴对称对数螺旋线的十字微混合器

摘要

本发明公开一种轴对称对数螺旋线的十字微混合器，盖板和基体之间设有依次相连接的一个十字型流道、一个收缩流道和若干个混合单元，每个混合单元均由相连接的一个狭窄直流道、一个对数螺旋线流道以及放置在对数螺旋线流道中的一个对数螺旋线挡板构成；对数螺旋线流道和对数螺旋线挡板都关于中心轴对称，对数螺旋线挡板的凹面正对着所在的对数螺旋线流道入口；对数螺旋线挡板的两端边缘与对数螺旋线流道的内壁之间具有间隙；本发明能使流体在通过狭窄直流道后形成射流，射流冲击对数螺旋线挡板，沿对数螺旋线挡板流动，与来流形成对流，增加流体间的扰动，从而增加流体的接触面积，混合效果显著提高。

说明书

技术领域

本发明涉及生物芯片和微全分析系统中液体微混合的技术领域，具体是基于分离重组和附壁效应的被动式微混合器，实现微尺度下不同液体的快速混合。

背景技术

微流体系统是微电子机械系统的重要组成部分，微流控系统是微流体系统的一个重要分支，可使得传统生化监测过程的分离、加样、混合、反应、监测等功能在芯片上得以实现。微混合器作为微流控系统的重要组成部分，凭借其高效快速的混合性能，被广泛应用于生物分析、化学合成、药物筛选和临床测试等领域。对于两股或多股流体的化学反应，必须解决它们之间的有效混合问题。由于微流控芯片流道的尺寸在微米量级，流动通常处于层流状态，流体间难以充分混合，因此实现微尺度下流体的快速混合非常重要。

按照混合过程的原理，微混合器一般分为弱化层流型和强化层流型两种。而弱化层流型又分为被动式和主动式微混合两种。主动式是通过外部对混合器施加影响促进混合，而被动式是在流体内部采取强化措施，即借助改变或布置不同形状和结构的微流道来控制混合过程，如开槽流道、流体分层流（在流道中加障碍物）、蛇形流道、诱发混沌对流等。相比主动式微混合器而言，被动式微混合器不需要添加额外的设备，易于加工，使用更为方便。而在加强被动式微混合器中流体扩散和混合的方法上，优化流道结构和强化混沌对流是目前被公认的最佳选择。

目前，微流体混合器中的微流道的尺寸在几十到几百微米的范围内，微流道中液体流动的雷诺数很小以至于没有涡流产生，液体间的混合主要依靠分子扩散运动，混合时间相比宏观情况大大延长且混合效果差，因此必须采取特殊的方式来增加液体间的接触面积或者增强对流以提高混合效率。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有微混合器中存在的不足而提供一种结构简单、能提高混合效率的轴对称对数螺旋线的十字型微混合器，可实现生物芯片或微全分析系统中不同液体之间的快速均匀混合，强化混合效果，缩短混合时间。

本发明采用的技术方案是：本发明包括密合在一起的盖板和基体，盖板和基体之间设有依次相连接的一个十字型流道、一个收缩流道和若干个混合单元，每个混合单元均由相连接的一个狭窄直流道、一个对数螺旋线流道以及放置在对数螺旋线流道中的一个对数螺旋线挡板构成；若干个混合单元串接后连接于收缩流道和流道出口之间；十字型流道出口连接收缩流道入口，收缩流道出口连接第一个混合单元中的狭窄直流道入口，最后一个对数螺旋线流道出口连接流道出口且该出口宽度与流道出口的宽度相同，其余对数螺旋线流道出口均与狭窄直流道宽度相同；收缩流道和混合单元的中心均在一个中心轴上，对数螺旋线流道和对数螺旋线挡板都关于中心轴对称；对数螺旋线挡板的凹面正对着所在的对数螺旋线流道入口。

对数螺旋线流道的轮廓线由两个关于中心轴对称分布的对数螺旋线构成，对数螺旋线方程为，其对数螺旋线起点位于对数螺旋线挡板凹面一端的顶点处，包角α为135°，e为自然对数函数的底数，其值为2.71828，为20μm，k为0.001，θ1为220°～(220°+α)；

对数螺旋线挡板的轮廓线为两个关于中心轴对称分布的两个对数螺旋线构成，其对数螺旋线方程为，其起点为所在的对数螺旋线流道入口中心点，包角β为30°，为15μm，k为0.001，θ2为270°～(270°+β)。

本发明采用上述技术方案后具有下列优点：

1、本发明能使流体在通过狭窄直流道后形成射流，使流体流速增加，增加流体的雷诺数。射流冲击对数螺旋线挡板，由于对数螺旋线挡板的特殊结构，流体沿对数螺旋线挡板流动，与来流形成对流，增加流体间的扰动。

2、当流体流过对数螺旋线挡板时，会在对数螺旋线挡板的凸面形成附壁流动，出现二次流现象，增加流体的混合度。通过简单的流道结构实现了涡系的叠加和强化，从而增加了流体的接触面积，使得混合效果显著提高。

3、本发明在十字型微混合器的主流道上等距布置对称分离重组流道，流体经过聚合、分离、成涡，依次循环进行，可以更加有效的接触混合。借助微混合流道几何形状变化和流体流动特性来加大扰动，即在二维度平面内增加扰流度，大大提高了平面式被动微混合器的混合效果。

附图说明

图1为本发明的主体结构剖视图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为图2中十字型流道的几何结构放大示意图；

图4为图2中混合单元的几何结构放大示意图；

图5为本发明流体流动原理示意图；

图中：1、主流道入口；2、副流道入口；3、盖板；4、收缩流道；5、狭窄直流道；6、对数螺旋线流道；7、对数螺旋线挡板；8、流道出口；9、基体；10、十字型流道。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明主要结构分上下两部分，上部分为该微混合器的盖板3，下部分为微混合器的混合流道基体9。盖板3和基体9密合在一起，在盖板3和基体9之间设有一个十字型流道10、一个流道出口8、一个收缩流道4、若干个狭窄直流道5、若干个对数螺旋线流道6和若干个对数螺旋线挡板7。其中，十字型流道10上布置一个主流道入口1和两个副流道入口2，两个副流道的中心共线，主流道和两个副流道相互垂直组成十字型流道。

十字型流道10的主流道出口平滑连接收缩流道4进口，收缩流道4出口连接第一个狭窄直流道5进口，第一个狭窄直流道5出口连接第一个对数螺旋线流道6入口，第一个对数螺旋线流道6出口连接第二个狭窄直流道5入口，第二个狭窄直流道5出口连接第二个对数螺旋线流道6入口，如此连续地，直至最后一个狭窄直流道5出口连接最后一个对数螺旋线流道6入口。最后一个对数螺旋线流道6的进口至出口宽度逐渐增大，最后一个对数螺旋线流道6出口与流道出口8的宽度相同，除此之外，其余对数螺旋线流道6出口均与狭窄直流道5的宽度相同。收缩流道4从进口至出口宽度逐渐减小，收缩流道4出口宽度等于狭窄直流道5的宽度。

在每个对数螺旋线流道6中放置一个对数螺旋线挡板7，对数螺旋线挡板7的凹面正对着所在的对数螺旋线流道6入口，对数螺旋线挡板7的凸面正对着所在的对数螺旋线流道6出口。对数螺旋线挡板7的两端边缘与对数螺旋线流道6的内壁之间具有间隙，该间隙供流体通过。由一个狭窄直流道5、一个对数螺旋线流道6、一个对数螺旋线挡板7构成一个混合单元，狭窄直流道5和对数螺旋线流道6相连接。若干个混合单元相串接后连接于收缩流道4和流道出口8之间。相串接的若干个混合单元沿中心轴方向等距布置。对数螺旋线挡板7的凹面正对着对数螺旋线流道6入口，对数螺旋线挡板7的凸面正对着对数螺旋线流道6出口。

十字型流道10主流道、收缩流道4、狭窄直流道5、对数螺旋线流道6以及对数螺旋线挡板7的中心均在一个中心轴上。对数螺旋线流道6和对数螺旋线挡板7都关于中心轴对称，该中心轴也是本发明十字型微混合器的中心轴。多个混合单元沿中心轴的轴向等距布置，混合单元的个数n≥3。

如图3所示，十字型流道10的主流道的进口宽度为D1，200μm<D1<400μm，D1恒等于副流道进口宽度D2的两倍。主流道进口的长度L1为D1的2.5倍，L1=2.5×(D1)，副流道进口的长度L3等于L1，副流道与收缩流道4之间的最短距离L2=2×(D1)。

如图4所示，狭窄直流道5的轴向长度为L4，L4=(D1)/2，狭窄直流道5的宽度D3=(D1)/4。

收缩流道4入口宽度为D1，对数螺旋线流道6的最大宽度为D1，最后一个对数螺旋线流道6出口宽度为最大宽度D1，与流道出口8宽度相同也为D1。收缩流道4的轮廓线尺寸与对数螺旋线流道6外轮廓线尺寸保持相同。对数螺旋线流道6的轮廓线由两个关于中心轴对称分布的对数螺旋线构成，其轮廓线的对数螺旋线方程为，所确定的包角α为135°，其起点a位于对数螺旋线挡板7凹面一端的顶点处，其中e为自然对数函数的底数，其值约为2.71828，为20μm，k为0.001，θ1为220°～(220°+α)。对数螺旋线流道6与狭窄直流道5是相连的。流道出口8的轴向长度大于500μm且小于1000μm，微混合器的深度等于(D1)/2。

对数螺旋线的起点a距离中心轴的垂直距离为D1/3，对数螺旋线的起点a距离相邻的对数螺旋线流道6的最大宽度处的轴向距离L5等于主流道进口的长度L1，即L5=L1=2.5×(D1)。

对数螺旋线挡板7的轮廓线为两个关于中心轴对称分布的两个对数螺旋线构成，该对数螺旋线方程为，包角β为30°，其中为15μm，k为0.001；θ2为270°～(270°+β)；对数螺旋线的起点b为所在的对数螺旋线流道6入口中心点，起点b位于中心轴上，对数螺旋线挡板7的挡板厚度为D4=(D1)/4。各个流道的主要结构参数及取值范围均对微混合器的混合性能产生影响。

本发明将主流道入口1、副流道入口2和十字型流道10设置在微混合器的左侧，流道出口8设在微混合器的右侧，这样，各个流道的入口在该流道的左端，出口在该流道的右端，所述的宽度均是指前后方向的宽度，所述的长度均是指左右方向的轴向长度，所述的深度是指上下方向的深度。

如图5所示，本发明工作时，两种或三种不同组分的流体分别从一个主流道进口1和两个副流道进口2进入微混合器，在十字型流道10内汇合并进行极少程度混合后共同进入其主流道，此时的混合基本依靠分子扩散，混合的程度很弱。随后流体经过收缩流道4，多种组分流体接触更加充分，流体在经过狭窄直流道5后，三股流体被挤压和加速，形成射流，并冲击对数螺旋线挡板7，由于对数螺旋线挡板7结构特殊，流体沿对数螺旋线挡板7向两端流动，部分流体冲击在对数螺旋线流道壁上，在对数螺旋线流道6和对数螺旋线挡板7之间形成对称漩涡，增加流体扰动。当流体通过对数螺旋线挡板7时，会在对数螺旋线挡板7的凸面形成附壁流动，出现二次流现象，增加流体的混合度。流体经过三个以上相同混合单元后，重复收缩、成涡、分散、附壁成涡过程，从而增加了流体的接触面积，使得混合效果获得显著提高。最后从流体微混合器的流道出口8流出，完成混合过程。

以下提供本发明的一个实施例：

本实施例利用CFD软件对两种不同的流体乙醇C₂H₆O溶液和水在本发明中的混合流动进行模拟。采用主流道进口宽度D1为200μm，副流道的进口宽度D2为100μm。主流道进口的长度L1和副流道进口的长度L3都为500μm，副流道10与收缩流道4入口之间的最短距离L2为400μm，狭窄直流道5的轴向长度L4为100μm、宽度D3为50μm，对数螺旋线挡板7的轮廓线为两条关于中心轴对称的对数螺旋线，其方程所确定的包角β为30°，起点b在对数螺旋线流道6入口中心点，其中为15μm，k为0.001；θ2为270°～(270°+β)，对数螺旋线挡板7的厚度为D4=50μm。对数螺旋线流道6的轮廓线为两条关于中心线对称的分布的一段对数螺旋线，其方程，所确定的包角α为135°，起点a为对数螺旋线挡板7的内弧顶点，其中e为自然对数函数的底数，其值约为2.71828，为20μm，k为0.001，θ1为220°～(220°+α)。流道出口8的轴向长度为600μm。

混合液体在压力驱动下分别从三个流道入口匀速注入微混合器，入口流道2注入乙醇溶液,为了保证不同组分流体等量注入流道，等质量的水从流道入口1注入。此时乙醇溶液从主流道两侧垂直对向流入。经过该混合器的4个混合单元，充分混合以后从流道出口8流出。