[发明专利]一种控制微通道内幂律流体体积流量的装置及方法

说明书

本发明公开了一种控制微通道内幂律流体体积流量的装置及方法，幂律流体与微通道固体壁面接触，固体表面由于特定的物理化学作用而获得电荷。微通道固体表面上的电荷会影响幂律流体中离子的分布而在近壁面附近的幂律流体内形成双电层。双电层内的幂律流体在外加电场的作用下，产生电渗流动。本发明通过求解微通道内幂律流体流动的控制方程，得到通道内的电渗流速度分布，进而求得通微道内幂律流体的体积流量。通过调节电压，实现对微通道内幂律流体体积流量的精准调控。该装置在微通道两端增设电场，在电场的作用下，驱动幂律流体在微通道内运动，装置结构简单，没有转动部件，减少了振动与噪音。

【技术领域】

本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种控制微通道内幂律流体体积流量的装置及方法。

【背景技术】

随着社会生产的快速发展，对于设备性能要求剧增的同时，也要求设备的微小型化；在这种情况下，微流控技术应运而生。微流控技术在集成电路冷却、生化分析系统、药物试验和新能源等领域都有重要的应用；在这些重要应用中，如何精确控制微通道内流体工质的输运是一个共性关键问题。目前实际应用的拓展导致以非牛顿流体为流动工质的趋势日益明显，比如基于微流控技术的芯片实验室主要用于分析和处理各种生物流体(血浆、蛋白质和DNA溶液等)，这些流体本质都是非牛顿流体。由于绝大部分常见非牛顿流体遵从幂律流体的本构模型，因此，如何实现微通道内幂律流体有效而精确的运输是当前微流控技术领域的共性需求。基于泵和阀门的传统流体控制技术虽然在微流控领域中取得了一定的应用，但存在诸多缺点，不便推广应用。例如，由于微流控应用对空间的严格限制，传统的泵、阀门布置十分不便；另外，传统的泵存在转动部件，噪音大，流动稳定性差，很难实现流体流量的精确控制；最后，传统泵的驱动力来源于压力差，在微纳通道中驱动效率低。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于电渗流控制微通道内幂律流体体积流量的装置及方法。本发明较传统机械式泵对微通道内幂律流体体积流量的调控更加精确；用直流电压作为驱动力，驱动力调节范围大，可以实现幂律流体体积流量的宽范围调节，并可以保证流量稳定；不存在机械运动部件，不易损坏，易维护。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种控制微通道内幂律流体体积流量的装置，包括微通道，微通道的入口连通有入口储存箱，微通道的出口连通有出口储存箱；入口储存箱内设置有正电极，出口储存箱内设置有负电极，出口储存箱的流体输出端连接有流量计，流量计的信号输出端连接有运算器，运算器连接至控制及数据处理系统，控制及数据处理系统分别和正电极及负电极连接。

本发明的进一步改进在于：

优选的，微通道的入口处设置有微型稳流装置。

优选的，入口储存箱内设置有温度调节器，温度调节器与控制及数据处理系统连接。

优选的，微通道的出口和出口储存箱的连接管道为弧形管道，所述弧形管道流体输出端的直径小于流体输入端的直径。

一种控制微通道内幂律流体体积流量的方法，包括以下步骤：

(1)计算在电场作用下，微通道内幂律流体的亥姆霍兹-斯莫鲁霍夫斯基速度u_s；

(2)微通道的半径远远大于微通道壁面附近双电层的厚度，因此，微通道内幂律流体截面平均速度则幂律流体流过微通道的体积流量Q的计算公式为：

Q＝Au_s (11)

结合式(2)可得，通过调整微通道内幂律流体的亥姆霍兹-斯莫鲁霍夫斯基速度u_s，能够控制微通道内幂律流体的体积流量。