[發明專利]一種微汽泡泵環路驅動的脈動流微混合系統

無效

• 申請號: 201010293916.2
• 申請日: 2010-09-27
• 公開（公告）號: CN102000518A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: 張偉;徐進良;王淑香
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: B01F5/00
• 分類號: B01F5/00;B01F15/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 史雙元

技術領域

本發明屬于微混合技術領域，特別涉及一種微汽泡泵環路驅動的脈動流微混合系統。

背景技術

近一個世紀以來，設備和系統的微型化以及功能的集成化已成為微電子技術、信息技術、生物技術、納米技術等高科技領域的共同發展趨勢之一。與宏觀系統相比，微系統具有樣品消耗量少、慣性小、響應速度快、反應污染物排放少等優點，已經在生命科學、生物技術及分析化學等領域受到廣泛關注。微混合器是用來實現不同反應物在微尺度條件下充分混合的微器件，是各種生物、化學反應的前置級，不同反應物之間在微混合器內的充分預混合是各種物理、化學及生物反應的先決條件。因此，微混合器混合效率的高低直接影響到微生物化學反應系統的性能。

宏觀尺度下的混合較易實現，如采用機械攪拌或通過提高運動流體的雷諾數使流動處于湍流區從而增加混合效果等。但微小尺度下流體混合的難點在于：微通道內的流動通常為低雷諾數的層流流動，不同流體之間的混合只能通過分子擴散來實現，往往需要較長的混合時間和較長的混合長度。

在微觀尺度下，各種促進微混合方法的共性在于產生垂直于待混合流體界面的擾動。目前，已有微混合器可分為兩類，即主動式微混合器和被動式微混合器。主動式微混合器需要在微混合器內部集成運動部件，具有混合效率高的優點，但是其加工工藝復雜，存在運動部件導致可靠性降低；被動式微混合器采用具有復雜幾何結構的通道來形成混沌流以強化流體混合，混合效率通常比主動式混合器低，同時復雜通道結構會造成流動阻力的增大，需要較大的泵功，容易出現封裝泄露問題。因此，微尺度下的流體混合尚未得到很好的解決。

發明內容

本發明的目的是提供一種微汽泡泵環路驅動的脈動流微混合系統.，其特征在于：該微汽泡泵環路驅動的脈動流微混合系統由直流脈沖激勵電壓系統通過連接導線連接至微混合器主體的薄膜電阻微加熱器兩端的金屬電極，供液泵系統通過流體輸送管路系統與微混合器主體接通。

所述微混合器主體由上層蓋板和下層基底鍵合而成；在上層蓋板上沉積有薄膜電阻微加熱器及其兩端的金屬電極，并且薄膜電阻微加熱器位于液體a環路中的噴嘴結構正上方；在下層基底上有液體a入口和液體b入口分別通過各自的液體a流道、液體b流道匯合在一起連接主混合微通道，主混合微通道再連接混合流體出口；主混合微通道的連接通道與液體a環路上接通，液體a環路的一段形成葫蘆狀腔體，葫蘆狀腔體小端為噴嘴結構，噴嘴結構和連接通道接口之間設置氣泡過濾器；在液體a環路內并排兩個電極引線孔。

所述供液泵系統泵送液體a和液體b兩種待混合流體；在微混合器主體內首先由所述供液泵系統通過流體輸送管路系統從液體a入口完全充滿液體a，繼而通過液體b入口充入液體b，液體a和液體b在主混合微通道內平行流動，最終混合流體通過混合流體出口流出；

所述直流脈沖激勵電壓系統通過連接導線將脈沖激勵電壓施加在金屬電極上，從而在薄膜電阻微加熱器上產生脈沖熱功率，在該脈沖熱功率的作用下，薄膜電阻微加熱器上產生液體a的蒸汽泡，該蒸汽泡的快速生長和收縮由所述直流脈沖激勵電壓系統控制，當輸出脈沖高電平時，蒸汽泡生長；當輸出零電平時，蒸汽泡收縮。從而在噴嘴結構處產生沿漸擴方向的流體泵送效應，使得所述薄膜電阻微加熱器附近的受熱流體在所述液體a環路內逆時針循環流動而冷卻；同時，冷流體的沖刷使得蒸汽泡在所述直流脈沖激勵電壓系統輸出零電平時能夠快速收縮，使得所述噴嘴結構周圍的流場受到擾動，從而在所述連接通道內形成周期性脈動流；該脈動流使得所述主混合微通道內的液體a和液體b受到垂直流動方向的擾動，從而強化混合；因此通過控制所述直流脈沖激勵電壓系統的電壓輸出頻率可實現所述薄膜電阻微加熱器上的液體a蒸汽泡的脹縮頻率，繼而控制a環路內的液體循環流速以及所述連接通道內垂直于所述主混合微通道流動方向上脈動流的頻率，從而滿足多種不同條件下流體混合的需要。

所述液體a環路上的汽泡過濾器用于防止所述薄膜電阻微加熱器上產生的高溫蒸汽泡在生長階段進入所述連接通道。

所述薄膜電阻微加熱器的有效加熱區域為沿噴嘴結構漸擴方向的長條形。

所述上層蓋板、下層基底材質為硅或耐熱玻璃；聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯；所述薄膜電阻微加熱器的材質為鉑或鋁；所述金屬電極的材質為金。

所述液體a流道、液體b流道、主混合微通道及液體a環路的截面形狀為矩形或正方形。