一种微气泡发生与控制器的制作方法

本发明涉及微化工反应以及高热流密度下精密电子器件散热领域，特别涉及一种微气泡大小与形状精确可控的气泡发生装置。

背景技术：

微气泡或微液滴在微化工系统，精密器件散热，农业、生物医学工程，生活中都拥有广泛的应用。由于微气泡具有较大的比表面积，其化学携带能力强，使得流体的传热、传质能力大大增强。研究显示微气泡的传质系数比常规尺度设备高出至少1-2个数量级。在微化工技术领域，将流体反应物送入到微通道内反应，得益于微气泡的优良散热能力以及传质能力，能够使常规条件下反应过于剧烈而难以连续进行的强放热反应得以顺利进行，同时反应效率至少提高2个数量级。在精密电子器件散热领域，电子器件热流密度飞速上升的同时器件朝着微型化、轻量化的趋势发展，留给散热组件的空间极其有限，面对如此严苛的条件，常规散热方式已无能为力，而利用微通道中微流体散热技术能够有效地解决这一技术难题。在农业领域，用微气泡携带农药有效成分进行喷洒能极大提高农药利用率，能解决过度使用农药带来的污染问题。在生物医药领域，德国卡尔斯鲁厄理工学院毒理学与遗传研究所与上海纳米技术研究所合作，结合两个极端在同一表面制造出超疏水超疏油滑润表面，这是微流体芯片技术取得的一次重大突破，由微气泡携载药品对病灶进行高效治疗的技术手段成为现实。此外，香港城市大学已采用微流体技术制成拓扑流体二极管,可以控制微流体的定向流动，这对于干旱沙漠地区从空气中收集水进行灌溉和民用具有重要意义。

现有的微气泡发生装置，大多结构复杂，安装不便，而且运行稳定性不足，大部分都无法实现对气泡的形状与大小进行精确控制，使用的局限性比较大。中国实用新型专利201820706156.5公开了一种微纳米气泡发生装置，该装利用水泵、进气管和微纳米气泡喷嘴维持和增加水槽中水的微纳米气泡的含量，进而提高去污和净水能力。该装置适用于清洗装置领域，虽然结构布局合理，但却无法实现微气泡的大小形状的控制功能，适用范围有限。

中国发明专利申请201811162412.x也公开了一种微纳米气泡发生装置，该装置包括具有进水口和出水口的软管在所述软管内,自所述进水口至出水口依次安装有水流增速部件、水流稳定部件以及微纳气泡产生部件。通过水流增速部件对进入装置内的水进行增速,随后借助水流稳定部件将经增速的水流分成稳定的水流,最后具有稳定流速的水在微纳气泡产生部件内产生大量而且稳定的微纳气泡,并且由于水速经过水流稳定部件后,其水压稳定不再受外部水压影响,可以有效维持微纳气泡的产生率。这种装置可以产生稳定且大量微纳气泡,且不受外部水压的影响。可以满足污水处理，水体增氧，衣物洗涤等场合的应用。但是也无法满足对气泡大小的精确控制，无法使用在微化工或者定向靶向治疗等高端生物医药领域。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种微气泡发生与控制器，气液两相流经过t型微通道时会发生相分配现象，同时相分配现象受到两个分支的流动压降，分支管径等因素影响，利用该特性可以产生并控制微气泡的形状与大小。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供了一种微气泡发生与控制器，包括流体输送系统、气液混合系统、微气泡发生器和微气泡控制系统；流体输送系统、气液混合系统、微气泡发生器和微气泡控制系统依次相连通；所述流体输送系统包括气体输送系统和液体输送系统，气体输送系统和液体输送系统并联；气液混合系统用于混合流经的气体和液体；微气泡发生器为分配t型三通，所述分配t型三通包括主通道和两个分支通道，主通道的入口与气液混合系统相连通，分支通道的出口与微气泡控制系统相连通，混合的气体和液体在主通道内形成弹状流，主通道的横截面为矩形，尺寸为(800-1000)μm×(300-600)μm，分支通道的横截面为矩形，尺寸为(400-800)μm×(300-600)μm；微气泡控制系统包括微型阀和流量控制器，微型阀和流量控制器用于调节分支通道内的流体流量。

优选地，所述气体输送系统包括气体储存装置和气体流量控制器，气体流量控制器设置在气体储存装置和气液混合系统之间。

优选地，所述液体输送系统包括微型注射泵和三通接头，三通接头设置在微型注射泵和气液混合系统之间，微型注射泵输送的液相经过三通接头被分成两股，两股液相通过输送管道流向气液混合系统。

优选地，所述气液混合系统为十字型微通道，所述十字型微通道包括左通道、右通道、上通道和下通道；上通道和下通道分别和两股液相的输送管道相连通，左通道和气体输送系统相连通，右通道和分配t型三通的主通道相连通。

优选地，所述十字型微通道是在基板上刻出十字型的微凹槽结构，再用盖板封合后形成，基板和盖板均为有机玻璃板，微通道的横截面为矩形，矩形的尺寸为(800-1000)μm×(300-600)μm；左通道的长度为20-40mm；右通道的长度为150-200mm；上通道的长度为20-40mm；下通道的长度为20-40mm。

优选地，所述分配t型三通是在基板上刻出十字型的微凹槽结构，再用盖板封合后形成，基板和盖板均为有机玻璃板；主通道的长度为100-150mm，分支通道的长度为40-60mm。

优选地，所述盖板的长度为170-230mm，宽度为80-120mm，高度为4-6mm，且盖板与基板的尺寸相同。

优选地，十字型微通道的左通道、上通道、下通道的入口处、右通道的出口处、分配t型三通的主通道的入口处和两个分支通道的出口处均安装一个突扩管道，突扩管道的长度为0.9-1.1mm，突扩管道的横截面的尺寸为(1.05-1.15)mm×(1.05-1.15)mm。

优选地，分配t型三通的两个分支通道分别为第一分支通道和第二分支通道，第一分支通道和第二分支通道的长度相同，主通道和第一分支通道均在t型的横线上，微型阀包括第一微型阀和第二微型阀，流量控制器包括第一流量控制器和第二流量控制器，第一分支通道、第一微型阀和第一流量控制器依次相连通，第二分支通道、第二微型阀和第二流量控制器依次相连通。

优选地，分配t型三通的分支通道与微型阀的连接部件为橡胶软管，所述橡胶软管的内径为1.5-2mm，长度100-300mm；十字型微通道的右通道与分配t型三通的主通道之间的连接部件为导管，导管的内径为0.95-1.05mm

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果和优点：

(1)本发明提供的微气泡发生与控制器的关键部件十字型微通道、分配t型三通均在基板上刻出十字型的微凹槽结构，再用盖板封合后形成，其技术手段简便易行，成本低，安全稳定，实用性强。

(2)本发明提供一种精确可控的微气泡发生与控制器，能够根据需求灵活更换整体安装尺寸相同，内部通道拥有不同尺寸的分配t型三通，两个微型阀和流量控制器一起控制微气泡形状与大小，利用该微气泡发生与控制器可以产生长条形(图7中的a,截面与长度可控制)，子弹型(图7中的b,截面与长度可控制)，球形(图7中的c,直径50μm-1000μm)等形状的微气泡，可以满足多种领域对微小气泡的需求。

(3)本发明提供的分支通道横截面尺寸为400μm×500μm的分配t型三通里可得到形状独特的长条形气泡，特别适用于用来微化工技术中的演示教学实验。

附图说明

图1是微气泡发生与控制器的整体结构示意图；

图2是十字型微通道的基板截面示意图；

图3是分配t型通道的基板截面示意图；

图4是十字型微通道与分配t型通道的盖板示意图；

图5是十字型微通道的入口处气液两相速度的整体取值范围图；

图6是高速摄影仪拍摄到的不同尺寸分支通道的分配t型通道产生的气泡示意图；

图7是高速摄影仪跟踪拍摄到的截面与长度可控制的微气泡示意图；

附图1：图中1-气体储存装置；2-气体流量控制器；3-微型注射泵；4-三通接头；5-十字型微通道；6-分配t型三通；7-第一微型阀；8-第二微型阀；9-第一流量控制器；10-第二流量控制器。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

实施例

本实施例提供了一种微气泡发生与控制器，如图1所示，包括流体输送系统、气液混合系统、微气泡发生器和微气泡控制系统；流体输送系统、气液混合系统、微气泡发生器和微气泡控制系统依次相连通；所述流体输送系统包括气体输送系统和液体输送系统，气体输送系统和液体输送系统并联；气液混合系统用于混合流经的气体和液体；微气泡发生器为分配t型三通6，所述分配t型三通6包括主通道和两个分支通道，主通道的入口与气液混合系统相连通，分支通道的出口与微气泡控制系统相连通，混合的气体和液体在主通道内形成弹状流，主通道的横截面为矩形，尺寸为1000μm×500μm，分支通道的横截面为矩形，尺寸为800×500μm；微气泡控制系统包括微型阀和流量控制器，微型阀和流量控制器用于调节分支通道内的流体流量。

所述气体输送系统包括气体储存装置1和气体流量控制器2，气体流量控制器2设置在气体储存装置1和气液混合系统之间。本实施例的气体储存装置为小型压缩钢瓶1，气体流量控制器2为质量流量控制器mfc(cmq-v9500,yamatakecorporation,japan，控制精度为±1％)，气体为氮气。

所述液体输送系统包括微型注射泵3(保定兰格恒流泵有限公司，lsp02-1b，控制精度为0.1ml/h)和三通接头4，三通接头4设置在微型注射泵3和气液混合系统之间，微型注射泵3输送的液相经过三通接头4被分成两股，两股液相通过输送管道流向气液混合系统。液相为去离子水。

所述气液混合系统为十字型微通道5，所述十字型微通道5包括左通道、右通道、上通道和下通道；上通道和下通道分别和两股液相的输送管道相连通，左通道和气体输送系统相连通，右通道和分配t型三通6的主通道相连通。如图2所示，所述十字型微通道5是在基板上刻出十字型的微凹槽结构，再用盖板封合后形成，基板和盖板均为为有机玻璃板，微通道的横截面为矩形，尺寸为1mm×0.5mm；左通道的长度为20mm；右通道的长度为150mm；上通道的长度为40mm；下通道的长度为40mm。

如图3所示，所述分配t型三通是在基板上刻出十字型的微凹槽结构，再用盖板封合后形成，基板和盖板均为为有机玻璃板；主通道的长度为110mm，分支通道的长度为60mm。

如图4所示，所述盖板的长度为170mm，宽度为80mm，高度为4mm。盖板与基板的尺寸相同，空白盖板与基板在真空干燥箱中115℃高温下，经过8小时，通过热压融合方式，形成除3个出入口外，各处密封性良好的分配t型三通。

十字型微通道5的左通道、上通道、下通道的入口处、右通道的出口处、分配t型三通6的主通道的入口处和两个分支通道的出口处均安装一个突扩管道，突扩管道的长度为1mm，突扩管道的横截面的尺寸为1.1mm×1.1mm。

分配t型三通6的两个分支通道分别为第一分支通道和第二分支通道，第一分支通道和第二分支通道的长度相同，主通道和第一分支通道均在t型的横线上，微型阀包括第一微型阀7和第二微型阀8，流量控制器包括第一流量控制器9和第二流量控制器10，第一分支通道的出口、第一微型阀7和第一流量控制器9依次相连通，第二分支通道、第二微型阀8和第二流量控制器10依次相连通。微型阀在大范围内控制分支通道内的流体流量，流量控制器在小范围内精准控制分支通道内的流体流量并显示实时与累计的流体流量。

分支通道的出口和微型阀的连接部件为橡胶软管，所述橡胶软管的内径为1.5mm，长度150mm，流体输送系统、气液混合系统和微气泡发生器之间的连接部分均采用一次性使用硬膜外麻醉导管(规格为1.0mm)，确保气液两相在分配t型三通6的主通道内形成稳定的弹状流。

本实施例还提供了利用所述微气泡发生与控制器产生微气泡的方法，包括如下步骤：

首先，打开第一微型阀7和第二微型阀8。设定好气相流量与液相注射流量，(如图5，选取气相流量wg1＝0.014l/min,液相流量wl1＝7.5ml/min)。去离子水经过微型注射泵3流出，首先进入一个三通接头4形成两股液相，两股液相从十字型微通道的上通道和下通道的入口进入，并与从左通道的入口进入的气相混合，流过一段150mm长的软管后进入分配t型三通6。在分配t型三通6的100mm长的主通道中观测到稳定的弹状流后，此时就可以通过调节第一流量控制器9和第二流量控制器10，使得第一分支通道和第二分支通道的压降不同，从而在分配t型三通6中得到不同大小与形状的微气泡。

图5为气液两相的速度范围图，只要选取的点落在图中弹状流范围，就可以经过调节得到微气泡，选取不同的工况点可以得到不同速率的微气泡。

图6为高速摄影仪拍摄到的不同尺寸分支通道的分配t型三通6产生的气泡示意图；如图6所示，从上到下依次为第一分支通道横截面尺寸为0.8mm×0.5mm，0.6mm×0.5mm，0.4mm×0.5mm的矩形分配t型三通。大的气弹流过三通处时，由于第一分支通道处产生的拉普拉斯压力差，大气弹分裂为长条形气泡(第一分支通道)和子弹型气泡(第二分支通道)，长条形气泡的截面由第一分支通道横截面的尺寸控制，长条形气泡的长度由后面的微气泡控制系统控制。

图7用高速摄影仪跟踪拍摄到的截面与长度可控制的长条形气泡(图7中的a)，截面与长度可控制的子弹型气泡(图7中的b)，直径50μm-1000μm的球形微气泡(图7中的c)。

流量控制器显示的流量和产生的气泡形状对应关系如下表表1，第一分支通道气相采出分率(fg3)为第一分支通道与主通道的气体质量流量比,定义式如下，wg3和wg1分别是第一分支通道与主通道的的气相质量流量。

表1：第一分支通道的气相采出分率与气泡形状的关系

如实施例中取wg1＝0.014l/min，现需要得到球形气泡，由fg3取值范围可计算出wg3＝(0.098-0.014)l/min，因此调节第一流量控制器9和第二流量控制器10在此范围内，即可以得到球形气泡，在此范围内，当wg3越大，第二分支通道内球形气泡的半径就越小，可得到的气泡直径范围是50μm-1000μm。

本发明的实施方式并不受上述实例施的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。