6中进行混合并从出口 3流出。 液体C通过蠕动泵从入口 7进入流动腔9,并从出口 8流出。液体D通过蠕动泵从入口 10 进入流动腔12,并从出口 11流出。液体C和液体D两者温度不相同。电极13和14提供电 热效应所需的交流电压。
[0025] 图2为通道的图1中A-A横截面的示意图。盖板15的材料为PDMS，基底16的材 料为玻璃。通道横截面6内充满待混合溶液的微通道，9与12分别内通有连续流动的恒温 流体A(20°C)和恒温流体B(30°C)，两者温度可以分别控制并且两者内的温度不相等。图 3为通道底面加工有微电极图。
[0026] 通过改变通道横截面9与12之间的温度差，使得横截面6内在宽度方向产生加温 度梯度，从而增强电热流动，达到增强微通道中溶液混合效果的目的。
[0027] 实施方式二：设有电阻加热器以提高混合效率的交流电热流微混合器
[0028] 如图4所示，溶液A通过注射泵从入口 1进入通道4,溶液B从入口 2进入流动 腔5,流动腔4和流动腔5交汇合并成流动腔6,溶液A和溶液B在流动腔6中进行混合并 从出口 3流出。图5为图4中B-B横截面图，电极13和14提供电热效应所需的交流电压。 图5为图4中C-C纵截面图，电阻加热器17提供额外的温度梯度，电极13和电极14与电 阻加热器17之间有一层1微米厚的二氧化硅绝缘层作为电场隔离层，防止电阻加热器产生 的电场干扰电极13和和电极14产生的电场。电阻加热器17两端加载有直流电压，通过 控制电阻加热器17两端的电压，使得电阻加热器进行发热，使得通道内产生额外的温度梯 度，以达到提尚电热效应的目的，提尚混合效果。
[0029] 热源不局限于上述方式，通过在混合腔外部施加各种形式的热源，使其混合腔内 部产生非均匀温度梯度和温度场即可。
[0030]实例：
[0031] 使用COMSOLMultiphysics4. 3a对通过外部温度差提高混合效果的交流电热 微混合器进行数值模拟，将流场、电场和温度梯度的控制方程和其边界条件编码到软件中 进行计算，建立使用带有拉格朗日二次型函数的三角单元离散3D模型，计算域内的通道长 600ym，高50ym，宽100ym，如图7所示。图4为底面交流电极的设计图。如图5,总共在 3D模型上产生了 355460个四面体非结构网格，用有限元方法将其耦合并数值求解。收敛性 研宄表明此时解不随网格加密变化。使用软件求解代数方程组并重复迭代过程直到两个连 续的迭代步骤之间的绝对容差小于规定数值（在本仿真中取0.001)为止。交流电压采用 频率为l〇7Hz，均方根电压为7V，电导率为0.lS/m的条件。讨论微通道内通道宽度方向上 有温差的情况，在通道侧壁上分别设置固定温度为293K和303K。由于交流电极本身通电后 能产生少量的焦耳热，假设底部交流电极表面边界为固定温度298K。在通道入口设置浓度 边界条件，入口边界左半部分局域设置浓度Clin= 1，入口边界右半部分局域设置浓度边界 条件C2in= 0。通道入口为速度边界条件，入口速度为200ym/s。
[0032]图8为微混合器的各截面上浓度分布，a是考虑电热作用，无外部温度梯度；b是考 虑电热效应，有外部温度梯度。由浓度分布结果可以看出，浓度的分布与对应流线的形态紧 密相关。外加温度梯度之后，两种溶液的接触面增大，溶液混合的效果提高。外置温度梯度 之后，在通道横截面上的两液体由于流动的不对称性而产生不对称混合，接触面积增大，在 图中可以看出施加外置温度梯度之后混合更充分。
[0033] 评估通道出口处截面上的混合效率的计算公式为：
【主权项】
1. 一种施加温度偏场的交流电热微流体混合器，包括至少两条液体入口微通道、一条 液体出口微通道和电极对，液体入口微通道和液体出口微通道汇聚于同一处形成交流电热 流微混合腔，电极对设置在交流电热流微混合腔内，其特征在于，还包括两条液体通道，对 称设置在交流电热流微混合腔外壁两侧，用于通入具有温度差的液体以在混合腔的外壁两 侧产生温度差，外壁温度差驱使交流电热流微混合腔内部产生温度偏场，从而促进混合腔 内的溶液混合。
2. -种施加温度偏场的交流电热微流体混合器，包括至少两条液体入口微通道、一条 液体出口微通道和电极对，液体入口微通道和液体出口微通道汇聚于同一处形成交流电热 流微混合腔，电极对设置在交流电热流微混合腔底部，其特征在于，还包括加热器，设置在 交流电热流微混合腔外壁的底部或者侧面，通过加热器产热使得交流电热流微混合腔内部 产生温度偏场，从而促进混合腔内的液体混合。
3. 根据权利要求2所述的交流电热微流体混合器，其特征在于，还包括设置在所述电 极对与加热器之间的电场隔离层，用于防止电阻加热器产生的电场干扰电极对产生的电 场。
4. 根据权利要求3所述的交流电热微流体混合器，其特征在于，所述加热器为导电器 件。
【专利摘要】本实用新型提供一种交流电热流微混合器，包括至少两条液体入口微通道、一条液体出口微通道和电极对，液体入口微通道和液体出口微通道汇聚于同一处形成交流电热流微混合腔，电极对设置在交流电热流微混合腔内，两条液体通道或加热器设置在交流电热流微混合腔外壁。本实用新型通过额外施加的外部温度差使得交流电热流微混合腔内部产生温度梯度，促进混合腔内的液体混合，提高电热流对待混合液体的混合效果，放宽对溶液电导率、电压大小和频率的要求。
【IPC分类】B01F15-06, B01F13-00, B01L3-00
【公开号】CN204564025
【申请号】CN201420823613
【发明人】张峰, 陈瀚, 马龙威, 刘华
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2014年12月22日