一种非同心圆O形通道微流体混合器论文和设计-彭堙寅

全文摘要

本实用新型属于微流控芯片领域，具体公开了一种非同心圆O形通道微流体混合器，包括2个入口，1个出口，6个微流体通道，1个隔板以及1个连接微通道。通过设计特殊结构的微流体通道，在两种微流体流经微通道的不同区域时，利用微流体流动的“科恩达效应”，使得微流体沿微通道内壁面流动，在两种微流体汇合处由于混沌对流形成二次流，加强了对流扩散强度。本实用新型的优势在于：分离速度快，不需要设计挡块结构，有效避免了微流体流动过程中挡块的阻碍作用；不需要其他形式能量（如磁、声、电等）输入，仅依靠微通道结构改变就能实现多种微流体有效混合；结构简单，加工成本低。

主设计要求

1.一种非同心圆O形通道微流体混合器，包括第一入口（1）、第二入口（2）、隔板（3）、第一微通道（4）、第二微通道（5）、第三微通道（6）、第四微通道（7）、连接微通道（8）、第五微通道（9）、第六微通道（10）、出口（11）；该混合器其特征是：第一种微流体从第一入口（1）注入，第二种微流体从第二入口（2）注入，两种微流体后被分为两股支流，上支流流经第二微通道（5）、第四微通道（7），下支流流经第一微通道（4）、第三微通道（6），两股支流在连接微通道（8）入口处汇合，然后流经第五微通道（9），第六微通道（10），经出口（11）流出混合后微流体。

设计方案

2.根据权利要求1所述的非同心圆O形通道微流体混合器，其特征是：第一微通道（4）、第二微通道（5）、第三微通道（6）、第四微通道（7）组成微混合分单元，其具体结构为第一微通道（4）和第四微通道（7）是由两个矩形构成的，并且第一微通道（4）和第四微通道（7）左右对称，两个最低点相切的圆形1和圆形2构成第二微通道（5），第三微通道（6）与第二微通道（5）上下对称，第一微通道（4）和第四微通道（7）与第二微通道（5）和第三微通道（6）叠合。

3.根据权利要求1所述的非同心圆O形通道微流体混合器，其特征是：微混合单元中圆形1与圆形2半径之比3:2，其圆心距在水平方向分量为零，在竖直方向分量数值为入口宽度的一半；其圆形1圆心与矩形1长边长中心重合，圆形1直径与矩形1长边长数值相等，圆形2圆心与矩形2长边长中心重合，圆形2直径与矩形2长边长数值相等。

4.根据权利要求1所述的非同心圆O形通道微流体混合器，其特征是：第一入口（1）与第二入口（2）轴线平行，两个入口被隔板（3）均匀隔开，隔板在两个入口交界线上，且隔板中轴线与微流体混合器出口轴线共线。

5.根据权利要求1所述的非同心圆O形通道微流体混合器，其特征是：第五微通道（9）是矩形，第六微通道（10）是同心圆的圆形3和圆形4组成的结构；连接微通道（8）将左边微混合单元与右边第五微通道（9）连接，具体结构为正方形结构，且宽度与微流体混合器出口宽度一致。

6.根据权利要求1所述的非同心圆O形通道微流体混合器，其特征是：出口（11）是矩形，宽度是第一入口（1）、第二入口（2）的宽度之和。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种具有新型结构的非同心圆O形通道微流体混合器，其混合方式为被动式。

背景技术

微流控芯片是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力，因此又被称为芯片实验室，微流体混合器作为微流控芯片的重要组成部分，足以引起更多的关注；随着社会的不断发展与进步，在化学实验、环境监测分析、DNA检测等诸多领域中进行试验反应前都会用到微流体混合器，来实现不同要求下多种试剂的充分混合。

混合通常是指用机械或流体动力的方法，使两种或多种物料相互分散而达到一定均匀程度的单元操作，但微米量级的尺度下与宏观流体流动有很大区别，微米量级尺度下流体的对流作用并不强烈，在这种情况下，微流体的混合主要依靠分子间的扩散作用，所以在一定的实验要求之下，微流体的混合变得较为困难。低成本的微流体混合器通过简单的结构改进能够提升流体之间混合的效率，达到预期的混合效果。

微流体混合器根据输入能量的不同，可分为被动式微流体混合器和主动式微流体混合器两类；前者单纯的利用几何形状或流体特性产生混合效果，除驱动流体流动的力（如压力、电渗驱动等）外，混合不借助于其他外力，混合器也不含任何可移动部件；而后者则借助磁力、电场力、声场等外力实现混合。

主动式微流体混合器的混合效果较好，但是由于结构复杂，成本较高，在各个领域中实现这种技术的普遍性并不高；被动式微流体混合器结构简单，响应速度快，加工成本低，使用方便，在各个领域中得到广泛使用；性能优良的微流体混合器具有快速、高效、易于控制和易于集成的特点，而且成本较低，结构简单，混合良好。

发明内容

本实用新型目的在于提供一种具有新型结构的非同心圆O形通道微流体混合器，用于进一步优化微通道结构，减小微流体在微通道中流动的阻力，减小微流体流动过程中沿程压力损失，去除不必要的挡块，简化整体结构设计。

本实用新型的技术方案是：一种非同心圆O形通道微流体混合器，包括第一入口、第二入口、隔板、第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道、连接微通道、第五微通道、第六微通道、出口；该混合器其特征是：第一种微流体从第一入口注入，第二种微流体从第二入口注入，两种微流体后被分为两股支流，上支流流经第二微通道、第四微通道，下支流流经第一微通道、第三微通道，两股支流在连接微通道入口处汇合，然后流经第五微通道，第六微通道，经出口流出混合后微流体。

所述的非同心圆O形通道微流体混合器，其特征是：第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道组成微混合分单元，其具体结构为微通道和第四微通道是由两个矩形构成的，并且第一微通道和第四微通道左右对称，两个最低点相切的圆形1和圆形2构成第二微通道，第三微通道与第二微通道上下对称，第一微通道和第四微通道与第二微通道和第三微通道叠合。

所述的非同心圆O形通道微流体混合器，其特征是：微混合单元中圆形1与圆形2半径之比3:2，其圆心距在水平方向分量为零，在竖直方向分量数值为入口宽度的一半；其圆形1圆心与矩形1长边长中心重合，圆形1直径与矩形1长边长数值相等，圆形2圆心与矩形2长边长中心重合，圆形2直径与矩形2长边长数值相等。

所述的非同心圆O形通道微流体混合器，其特征是：第一入口与第二入口轴线平行，两个入口被隔板均匀隔开，隔板在两个入口交界线上，且隔板中轴线与微流体混合器出口轴线共线。

所述的非同心圆O形通道微流体混合器，其特征是：第五微通道是矩形，第六微通道是同心圆的圆形3和圆形4组成的结构；连接微通道将左边微混合单元与右边第五微通道连接，具体结构为正方形结构，且宽度与微流体混合器出口宽度一致。

所述的非同心圆O形通道微流体混合器，其特征是：出口是矩形，宽度是第一入口、第二入口的宽度之和。

本实用新型的收益在于：为保证在微米量级尺度下，两种微流体能够很好地实现混合，需要通过改变微通道的结构，加强其对流作用。相比其他形式微流体混合器，本实用新型采用分合微通道结构，先将两种微流体分成两股支流，然后再将两股支流进行会合，在两股支流交汇处，便形成二次流，有效加强微流体的对流作用。为保证微流体在流经微通道过程中也能实现较好的混合，本实用新型的第二微通道和第三微通道采用变管径弯管结构，由于这两段管道内外管壁半径不同，圆心也不在同一位置，导致管径随位置不同而变化，微流体在流经半径不断变化的弯管过程中对流作用加强，实现了微流体的混合。同时，本实用新型去掉了阻碍微流体流动的挡块，减小了微流体在流动过程中的能量损失与压力损失，仅通过改变微流体通道结构便能实现很好地混合，简化了微流体混合器的结构设计，降低了加工成本，增强了微流体混合器的可集成性。

附图说明

图1为非同心圆O形通道微流体混合器二维结构示意图，图中：1.第一入口、2.第二入口、3.隔板、4.第一微通道、5.第二微通道、6.第三微通道、7.第四微通道、8.连接微通道、9.第五微通道、10.第六微通道、11.出口。

图2为非同心圆O形通道微流体混合器几何结构组成示意图，整个微流体混合器的微通道结构由图中矩形与圆形组合而成。

图 3为非同心圆O形通道微流体混合器为混合单元的几何结构。

图4为非同心圆O形通道微流体混合器浓度图，白色代表浓度为1mol\/m^{3<\/sup>，黑色代表浓度为0mol\/m^{3<\/sup>，颜色越浅代表浓度越大，出口处浓度在0.5 mol\/m ^{3<\/sup>左右。}}}

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步说明。

一种非同心圆O形通道微流体混合器，包括包括2个入口，1个出口，6个微流体通道，1个隔板以及1个连接微通道。

具体的，第一种浓度的微流体从第一入口注入，初始流速为0.1mm\/s，第二种浓度微流体从第二微流体入口注入，初始流速为0.3mm\/s，流经各微通道进行充分混合，从出口（11）流出；两种微流体的密度均为1000kg\/m^{3<\/sup>，动力粘度均为为0.001 Pa·s，电导率均为0.11845S\/m，相对介电常数均为80.2。}

具体的，从第一入口注入的第一种浓度的微流体的初始浓度设为1mol\/m^{3<\/sup>，从第二入口注入的第二种浓度的微流体的初始浓度设为0mol\/m^{3<\/sup>，两种微流体在流经各微通道之后在微流体混合器出口（11）流出浓度理论值应为0.5mol\/m^3<\/sup>。}}

具体的，所述微混合器入口宽度为10μm，出口宽度为20μm，圆形1直径为60μm，圆形2直径为40μm，圆形3直径为40μm，圆形4直径为20μm，两种不同浓度的微流体平行注入两个入口。矩形微通道长度为20μm，宽度为10μm。

具体的，本实用新型在模拟阶段所设定浓度为1 mol\/m ^{3<\/sup>和0mol\/m^{3<\/sup>，在具体实验操作过程中可以根据实际实验要求，通入具体浓度的微流体。}}

设计图

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