專利名稱：耐泡微混合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在微流動系統(tǒng)中的流體混合，不具有氣泡阻塞流動通道并由 此破壞混合可靠性的任何風險。該混合器包括刻在板面上的類似毛細管或槽 道的傳送管道。流體以層壓的方式匯合。將限流器插入傳送管道從而確保穩(wěn) 定的流率，并且具有能夠使通過限流器的氣泡分裂成不能阻塞流動路徑的尺 寸。
背景技術(shù)：
具有微升/分鐘數(shù)量級的流動的系統(tǒng)通常通過將加壓液體源連接至類似 刻入板面的毛細管或槽道的傳送管來實現(xiàn)。在下述內(nèi)容鐘，傳送管可以任意 地作為槽道進行參考。這一槽道系統(tǒng)通常包括改變內(nèi)部尺寸類似非常突然地 變窄A/v而調(diào)節(jié)流率。這種小尺寸的流動系統(tǒng)存在公知的實際問題，即溶解在液體中的氣體可 形成為液體中的氣泡，并且這種氣泡可能對驅(qū)動流體處于給定流率所需的壓 力差或壓力降產(chǎn)生嚴重的影響，并且在最壞的情況下，氣泡可能有效地堵塞 槽道。這是由于在槽道中將(較大的)氣泡分裂為多個小氣泡的現(xiàn)象，該現(xiàn) 象在槽道的內(nèi)部變窄部分的入口處尤其明顯。流體塞將小氣泡彼此分離，每個小氣泡需要在其端部之間的特定壓力差 從而沿著槽道移動。該壓力差很大程度上獨立于氣泡長度。短于臨界長度的 氣泡往往使其自身位于槽道中，由此堵塞流動。該臨界長度取決的因素例如 流體的粘性、槽道和流體的尺寸。實際的堵塞是否發(fā)生當然取決于壓力裕量，即可用于驅(qū)動流動的壓力 量。只有在源頭與容器之間的總壓差被從氣泡串和流體塞的壓降的總和消耗 的情況下，才會出現(xiàn)堵塞。對于許多的應(yīng)用情況，理想的是在系統(tǒng)中混合流體。即下述情況，當試 劑流體被加入以示出 一些變化從而表明流體中的 一些物質(zhì)的濃度時，例如顏 色的變化可由光學設(shè)備檢測到。 一種應(yīng)用情況是對糖尿病人分析人類細胞組
織中的葡萄糖，在這種情況下，進行快速和可靠的測量涉及到生與死的問題。 因此，已經(jīng)在流體層疊的基礎(chǔ)上提出許多微混合器，以通過擴散增進混 合，類似于將第一流體從上部和底部加入第二流體，乂人而跨過兩個接觸區(qū)域
發(fā)生擴散，或者如DE 195 36 856中描述的更復(fù)雜的層疊，其中的流體被切 成多個小的部分。
如果氣泡使其自身限制其中一個流體的流動，那么這種通過層疊進行的 混合會出現(xiàn)嚴重的問題，由此會改變流體的相對流率。這將導(dǎo)致流體的混合 效率的降低，可能以錯誤的相對量混合流體。
為了最小化微流動系統(tǒng)中的氣泡對流率的影響，人們可插入具有基本上 比較大的阻力的限流器，使得氣泡的相對作用不太明顯。它們可選擇為小件 的玻璃毛細管，其內(nèi)部直徑小于槽道的直徑。毛細管中的流率與毛細管的長 度和直徑的關(guān)系以及與沿著毛細管內(nèi)部的壓降的關(guān)系已經(jīng)很好地進行限定。 對于給定的壓降，流率由此可通過選擇適當長度和直徑的毛細管而固定為理 想值。這一實踐的缺點在于這種限流器本身往往會分裂氣泡，每個被分裂的 氣泡會增加總的流體阻力。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及通過將流體的層疊置在一起而進行簡單的混合，其中第一流 體從兩側(cè)匯合至第二流體，導(dǎo)致流體的層疊流動結(jié)構(gòu)，層疊過程可自然地重 復(fù)從而增加流體的層疊層的數(shù)量。然后，層疊流體沿著具有這一長度的槽道 部分流動，該擴散可確保流體的充分混合，至少在理想情況下。
但是，如果流體包含氣泡，那么流率可能會如前文所述受到影響，導(dǎo)致 混合不可預(yù)測以及不可靠。
基于此，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過根據(jù)理想的流率適當?shù)財U寬流動槽道的入 口，可控制流體膜圍繞槽道中的氣泡的干擾增長的定時，使得任何氣泡分裂 受到控制以使氣泡長度只長于臨界長度，由此不會產(chǎn)生堵塞毛細管的風險。
本發(fā)明的這一目的是產(chǎn)生可靠的微混合器，其中的流體可通過簡單的擴 散進行層疊和混合，而且沒有氣泡影響流率以及由此影響層疊和混合的缺 點。
這一 目的通過用于混合微流動系統(tǒng)中的至少一個第 一流體和一個第二 流體的裝置實現(xiàn)，包括-至少兩個限流器
-與所述第一流體和容器流體連通的第一傳送管道，
_與所述第二流體流體連通的至少一個第二傳送管道，所述第二傳送管 道具有與所述第一傳送管道流體連通的至少兩個流體出口 ，
其中，所述第二傳送管道的所述出口的每個處于下游并且與其中 一個所 述限流器的出口流體連通，其特征在于，限流器是耐泡的，形成為防止進入 限流器的氣泡破裂成消耗源頭與容器之間的壓差的氣泡鏈。
泵送裝置可附接至流動系統(tǒng)，該泵可以是恒壓類型的泵，其中的彈性 嚢將流體擠入通道。
圖l是在微流動系統(tǒng)中的兩種流體的簡單混合結(jié)構(gòu)，在其中一個通道中 具有氣泡。
圖2是流動通道的變窄將氣泡切為更小的氣泡。
圖3是通過將兩種流體層疊入兩個和三個平行的片而對兩種流體進行混合。
圖4是堵塞其中一個通道的流動通道的氣泡鏈。 圖5是具有錐形流體入口的限流器。 圖6是本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
具體實施例方式
圖1示出從蓄液器105接收流體的通道100，其中的蓄液器可以是擠出 流體的彈性嚢，其可以是設(shè)置在受壓容器中的撓性蓄液器，或者可以是用于 存儲流體并且產(chǎn)生流動的任何其他裝置。
第二通道101連通來自蓄液器106的第二流體，在本發(fā)明優(yōu)選實施例中 的蓄液器106與蓄液器105相同，但是對于本發(fā)明來說并不重要。
第一通道100在點102處纟皮分為分支100a和100b，這些分支分別乂人左 側(cè)和右側(cè)在匯合點103處與第二通道101匯合。壓力P條口P-P102-P103，其 中P102是正好在分支點102之前的通道100中的壓力，P103正好是在會聚 點103之后的通道101中的壓力。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，兩個通道100a、 100b的每一個具有相同的
內(nèi)流阻R，相同的壓降口P，流率在兩個通道100a、 100b中是相同的，使得 Q100a/Q100b= 1，其中Q100a和Q100b分別是通道100a和100b中的流率， Q100a= 口P/R-Q100b。當氣泡104進入時，例如進入通道100a,阻力受到降低速率Q100a的 擾動口R的影響，。R= 口P/(R+口R)，使得Q100a/Q100b = R/(R+口R) <1, 由于口R是正值。當混合流體處于分析系統(tǒng)中時，保持不變的流動條件通常 是重要的，由于如上所述，氣泡可能對于流率具有明顯的影響，當內(nèi)阻力R 比較小時，但是這種浮動可通過將基本上更大的限流器插入流動通道而被最 小化。如果擾動與阻力R相比較小，那么由于兩個流率Q100a和Q100b變 為幾乎相同，所以關(guān)系Q100a， oR/Q100b接近l。但是，在具有層疊流動的微流體系統(tǒng)領(lǐng)域中存在一個公知的現(xiàn)象，流動 連通裝置的結(jié)構(gòu)性變化可能導(dǎo)致氣泡形成或者分裂為各種尺寸，這樣它們將 堵塞系統(tǒng)。圖2示出具有入口 4到變窄部分3的流動通道1。在入口處，部 分3形成入口面7。流體2可包含氣泡8。氣泡8如圖所示通過源頭與容器之間的壓差作用 被驅(qū)動進入通道部分3的入口 4。通常，氣泡的存在導(dǎo)致在通道入口 4出現(xiàn) 兩相流動。流體在薄層9中流動，薄層9附接至通道3的內(nèi)表面。流體層9 同軸地環(huán)繞氣體流10，其填滿通道3的剩余芯部。流動通道3中的兩相流體產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這頻繁地導(dǎo)致氣體流分裂 為分離的氣泡ll,由流體塞12分離。這是由于薄膜9的液-氣接合面的表 面張力的作用。表面張力往往使得液體膜減小其表面并且可能增加直到氣泡 破裂，如13和14處所示。這種分裂被頻繁地觀察到，雖然在實踐中這種分 裂如何開始4艮大程度上是不可預(yù)測的。當毛細管的部分被插入通道中作為限流器時，會如圖2所示出現(xiàn)變窄的 情況，這樣本身導(dǎo)致氣泡破裂，由此增加了可能會堵塞的問題。對于比較大的流動，超過若干微升/分鐘，通常足以通過簡單的擴散混合 兩種流體，其中，相互混合通常通過流動的相對湍流本質(zhì)得以促進，并且降在匯合之后存在。但是在微系統(tǒng)中，通常的條件是流體為層疊的，沒有這種 湍流行為。這樣，當兩個流體30、 31如圖3a所示相遇時，它們以相對層疊 的結(jié)構(gòu)流動一段時間，將混合限制到接觸面32,由此通過擴散減慢混合。為 了增加混合時間，流體可層疊至多個片中，在圖3b中，流體之一被分離為
兩種片30a、 30b，分別層疊在第一流體31的上部和下部。這樣將接觸面積 變?yōu)槎?2a和32b，進一步減小了擴散的深度，由于兩個層30a和30b的 厚度小于層31。
圖4示出當具有臨界尺寸的氣泡鏈40進入兩個或多個通道的連接區(qū)域 時發(fā)生的情況，在這里，兩個流體41、 42乂人分離的流動通道43、 44匯聚成 共同的混合通道45。如果源頭與容器之間的總壓差由氣泡40鏈的壓降總和 消耗，或者幾乎被消耗掉，那么氣泡40可能截留在通道43中，由此防止流 體41完全流入混合通道45，導(dǎo)致系統(tǒng)中不可靠的流動以及混合。
但是，研究表明，限流器幾何尺寸可以被改變從而抑制臨界長度以下的 氣泡的產(chǎn)生。如圖5所示，在比圖1大的尺寸上，示出如圖1的類似總體結(jié) 構(gòu)的限流器的入口端。但是，存在不同之處，即流動通道3已經(jīng)在入口處光 滑地并且逐漸地變寬從而形成拉管(trombone )形的入口嘴。在入口面7附 近，通道較寬。在進一步遠離入口面的位置處，通道變窄形成初始的內(nèi)直徑 D。在坐標z的條件下，在入口面7處設(shè)定為零，沿著22所示的流動方向指 向，在z-D處，通道具有內(nèi)直徑D(z) =3.5D,在z-10.5D處，通道具 有內(nèi)直徑D (z) =D。
通道3變寬的第一條規(guī)則可以通過下述條件得到，即入口幾何尺寸應(yīng)該 至少允許形成的氣泡足夠長從而避免通道3的堵塞。讓N表示限流器中的氣 泡數(shù)量，流動將被堵塞如果
其中，APd表示每個氣泡的變形壓降，如上述(3)所述?？紤]氣泡在流 動通道3的變寬部分中的通道的內(nèi)直徑D^D的點處破裂，已經(jīng)計算，如果
并且如果通道3的入口變寬達到稍微大于。*的直徑，這樣至少可能使 由破裂產(chǎn)生的氣泡足夠長從而不完整地停止通過通道的流動，即使通道被這 種氣泡完全填滿。在方程中，Q是流過通道3的液體的流率，ri是液體的粘 度，a是摩擦面張力參數(shù)，其必須通過經(jīng)驗得到。
現(xiàn)在討論破裂過程本身，圖2示出進入通道3的氣體15的氣泡16。在 氣泡的前部23，液體通過氣體產(chǎn)生位移從而在通道3的內(nèi)表面上形成厚度h (z)的薄膜17。由于在氣體-液體交接面24處的表面張力，薄膜17是不
NAPd<AP
穩(wěn)定的。表面張力施加泵送動作，使得液體產(chǎn)生徑向和軸向流動的趨勢，如 在25處所示，這在流體力學的領(lǐng)域中是公知的現(xiàn)象。這導(dǎo)致液體的局部累
積，最終導(dǎo)致形成填充通道3的液體塞。因此，較小的氣泡18 (在圖2中未 示出)可從氣泡16破裂而得到。
研究表明，夾斷是否實際發(fā)生很大程度上屬于局部表面曲率和定時的問 題。如果氣泡16通過開始液體局部累積的位置25但是液體膜17還沒有在 氣泡通過的同時達到形成液體塞的足夠厚度，那么夾斷不會發(fā)生。另一方面， 如果液體膜17變得足夠厚從而在通道3的中心處聚合以形成液體塞，在氣 泡16流過位置25的同時，將發(fā)生夾斷。
在此基礎(chǔ)上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過根據(jù)所需的流率適當?shù)卦鰧捔鲃油ǖ赖娜?口，可控制通道3中圍繞氣泡的液體膜的擾動增加的定時，使得任何氣泡破 裂將產(chǎn)生氣泡，其或者長于方程6的限制長度，因此不會產(chǎn)生堵塞毛細管的 風險，或者足夠短從而減小流動，但是數(shù)量不足以使通過毛細管的液體的流 動停止。
經(jīng)計算，氣泡短于限制氣泡長度U!， 丄一 ；ro;Z)3 M = 322(/7_77》
其中Tlg是氣體粘度，導(dǎo)致阻塞流動通道的風險，因為氣體的較低粘度的 優(yōu)勢被變形產(chǎn)生的損失抵消；長于Lbl的氣泡將沿著流動通道自由地流動因 為氣體較低粘度的優(yōu)勢起到支配作用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在錐形通道部分中，不穩(wěn) 定性一般會導(dǎo)致液體膜在流動通道中心處匯聚，由此夾斷氣泡，研究表明， 這些局部時間段的最小時間段，指代為T*,控制通道3的加寬部分中的氣泡
破裂的時間比例。
理想地，阻止氣泡破裂成短于限制氣泡長度LM的氣泡，這種氣泡的特
性(最小)傳送時間^是
其中 一是坐標z的沿著通道3的內(nèi)直徑為其最小值的位置處的氣泡速度 的特性(最大)值。通道斜坡設(shè)計成使得 (2) / > rM
將防止形成長度Lb<Lbl的氣泡。
關(guān)系(1 )和(2)然后可結(jié)合在通道3的加寬入口的設(shè)計中從而形成耐
氣泡破裂的限流器，如下所述在通道3的入口面7與第一 z坐標Zi之間的第一區(qū)段中，通道直徑D 應(yīng)該保持為大于由上述關(guān)系(1)給出的值D氣在這一關(guān)系中，坐標zj殳計 為沿著通道的第一位置，其中的通道直徑變窄為D*。這將確保第一區(qū)段中 的任何氣泡破裂不會產(chǎn)生氣泡，其長度很短不會完全堵塞流動。在通道的第二區(qū)段中，在第一Z坐標Z!和第二Z坐標Z2之間，通道應(yīng)該設(shè)計為根據(jù)上述關(guān)系(2)朝向原始通道直徑D逐漸變窄。第二z坐標Z2定 義為沿著通道的第一位置，在該位置處，通道變窄為其原始的總體直徑D。 在實際的情況下，這意味著幾何尺寸應(yīng)該設(shè)計成隨著通道的變窄而最小化表 面曲率的變化。這將確保已經(jīng)到達Zl的氣泡不會破裂，或者在z,處已經(jīng)破 裂形成非臨界長度的氣泡，在它們沿著第二通道區(qū)段通過時不會進一步破 裂，并且將未破裂地進入通道3的剩余的直區(qū)段并且也在那里保持未破裂。圖6示出本發(fā)明-微混合器的優(yōu)選實施例。兩個流體50、 51容納在蓄液 器52、 53中。流體被分別導(dǎo)入通道54和55中，在這里，管被分為兩個分 支54a、 54b。流體以主要由驅(qū)動流體的壓差調(diào)節(jié)的流率流動，限流器56、 57插入通道中(其他的限流器可插入通道55中)。限流器具有限制氣泡的屬 性，類似具有上述錐形入口的毛細管的部件。這確保氣泡到達管54a、 54b, 并且變?yōu)椴荒芏氯鲃油ǖ赖某叽纾愃圃谕ǖ?4a、 54b、 55的匯聚點59。
權(quán)利要求
1、用于混合微流動系統(tǒng)中的至少一個第一流體和一個第二流體的裝置，包括-至少兩個限流器-與所述第一流體和容器流體連通的第一傳送管道，-與所述第二流體和容器流體連通的至少一個第二傳送管道，所述第二傳送管道具有與所述第一傳送管道流體連通的至少兩個流體出口，其中，所述第二傳送管道的所述出口的每個處于下游并且與其中一個所述限流器的出口流體連通，其特征在于，限流器是耐泡的，形成為防止進入限流器的氣泡破裂成消耗源頭與容器之間的壓差的氣泡鏈。
2、 用于混合微流動系統(tǒng)中的至少一個第 一流體和一個第二流體的裝置，包括-至少兩個限流器-與所述第一流體和容器流體連通的第一傳送管道，-與所述第二流體和容器流體連通的至少一個第二傳送管道，所述第二 傳送管道具有與所述第一傳送管道流體連通的至少兩個流體出口 ，其中，所述第二傳送管道的所述出口的每個處于下游并且與其中一個所 述限流器的出口流體連通，至少一個所述限流器包括具有入口面、出口面和 從入口至出口延伸的流動通道的主體，該通道在其大部分長度上具有基本上不變的最小液壓直徑D-4A/W，其中A是通道的最小局部橫截面積，W是 通道的最小局部濕潤圓周，其特征在于，該通道在入口處光滑地變寬，使得 -在距離入口面的距離z處，0<z<zP通道具有液壓直徑Dz^k*D ,其 中fel.3;-在距離入口面的3巨離z處，z!<z<z2，通道具有液壓直徑Dz， k*D^Dz^D ;并且-在距離入口面的距離z處，z2<z，通道具有液壓直徑Dz, D^1.02D， 除了可能在出口處通道類似地變寬。
3、 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，k22。
4、 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，k23。
5、 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，k24。
6、如前述任一權(quán)利要求所述的裝置，用于以流率Q輸送粘度為T(的液 體的流動系統(tǒng)，其中氣泡出現(xiàn)在液體中，其在通道中的移動需要由摩擦面參 數(shù)(X控制的彎月形變形，其特征在于，
7、 如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述第二傳送管道具有分支入至少兩個流體出口的一個流體入口 ，所述限流器位于所述分支位置 的下游和第二傳送管道的每個流體出口的上游。
8、 如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述限流器是毛細管。
9、 如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述限流器是玻璃毛細管。
10、 一種用于在將混合流體輸送至容器之前混合至少兩個流體的設(shè)備， 該設(shè)備包括蓄液器，該蓄液器中的壓力高于容器的壓力，如前述任一權(quán)利要 求所述的至少兩個限流器，-與所述蓄液器的第一個和所述容器流體連通的第一傳送管道， 與所述蓄液器的第二個流體連通的至少一個第二傳送管道，所述第二傳送管道具有與所述第一傳送管道流體連通的至少兩個流體出口 ，其中所述第二傳送管道的所述出口的每個處于下游并且與其中一個所述限流器的出口流體連通，所述限流器的入口與所述蓄液器的第二個流體連通。
11、 如前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述裝置處于用于 分析流體中的所含物質(zhì)的系統(tǒng)中。
12、 用于混合流體的裝置，包括具有錐形入口的限流器，其特征在于T*>Tbl,T和1*如上所述限定。
全文摘要
一種用于混合微流動系統(tǒng)中的至少一個第一流體和一個第二流體的裝置，包括至少兩個限流器(56、57)與所述第一流體和容器(51)流體連通的第一傳送管道(55)，與所述第二流體和容器流體連通的至少一個第二傳送管道，所述第二傳送管道具有與所述第一傳送管道流體連通的至少兩個流體出口(54a、54b)，其中，所述第二傳送管道的所述出口的每個處于下游并且與其中一個所述限流器的出口流體連通，其特征在于，限流器是耐泡的，形成為防止進入限流器的氣泡破裂為消耗源頭與容器之間的壓差的氣泡鏈。泵送裝置可附接至流動系統(tǒng)，該泵可以是恒壓類型的泵，其中的彈性囊將流體擠入通道。
文檔編號F15D1/08GK101115548SQ200580047871
公開日2008年1月30日 申請日期2005年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月8日
發(fā)明者霍爾格·迪拉克 申請人:丹佛斯公司