壓力脈動式微混合器

主動式微混合器之結構設計分成漸闊型、漸縮型與直管三種。利用PDMS做為主動式微混合器 之製作材料，藉由正弦壓力產生機構輸出隨時間振盪的壓力，再加入疊加壓力來驅動工作流體，

以觀察兩工作流體在漸闊型、漸縮型與直管微混合器內混合的情形。

漸闊型微混合器之結構如圖一所示，可分為T型區、漸闊區及出口區。T型區上下兩入口流道 寬度90 μm，長度皆為2,500 μm，二入口之流體接管處半徑為550 μm。匯流後之流道寬度為180 μm，

長度為300 μm。出口之流體接管處半徑為1,800 μm。漸闊區長度為1,200 μm，半角為5°、10°、15°、

20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°共11種。出口區長度Lo與寬度wo隨漸闊區半角大小而改 變。漸縮型微混合器之結構如圖二所示，同樣分為T型區、漸縮區及出口區。

圖一 漸闊型微混合器

o

圖二 漸縮型微混合器

regeneration unit

motor driver power supply cam

dynamic pressure source

follower

device

computer motor

photoelectric sensor to generate timing signal

outlet

CCD camrea dichroic cube excitation filter

nm

emission filter nm objective 5X

Xenon lamp Fluid B reservoir

Fluid A reservoir

圖三 濃度場量化量測實驗設置

混合量化之實驗架構如圖三所示，主要組成為正弦壓力產生機構、倒立式顯微鏡、直流電源供 應器、光電感測器及CCD攝影機。在本研究中，使用正弦壓力產生機構產生隨時間呈正弦變化之 壓力源來驅動工作流體，利用直流電源供應器(power supply, Good Will, GPC-6030D)輸出電壓控制 馬達轉速，可調整壓力振盪頻率。進行實驗時，使用的壓頭振幅固定為50 mm，且在完成壓力平衡 校正後，將燒杯內的工作流體液面再提高10 mm，作為疊加壓頭。因此，最高壓頭為60 mm，所對 應之壓力為492 Pa，最低壓頭為-40 mm，所對應之壓力為-328 Pa。進行濃度場量化量測實驗時，

壓力振盪頻率固定為0.25 Hz，兩凸輪之相位差則共有0 (in-phase)、0.25π、0.5π、0.75π、π

(anti-phase)、1.25π、1.5π及1.75π八種變化。混合量化實驗主要是利用倒立式顯微鏡所拍攝的濃度 場隨時間衍化的影像作為量化依據，再搭配濃度場可視化，利用雷射掃瞄共軛焦顯微鏡系統高對 比影像的特色，紀錄動態壓力下微混合器內濃度場隨時間的衍化，以探討微混合器內之混合機制。

微混合器量化所選定之區域如圖四所示，擷取倒立式顯微鏡所獲得之影像，取漸闊區或漸縮區內 之灰階值進行計算。

圖四 (a)漸闊型微混合器 (b)漸縮型微混合器 (c)直管微混合器，

混合量化區域示意圖

1.1 漸闊型微混合器 成截阻作用。此外，當相位差為0、0.25π、0.5π、1.25π、1.5π及 1.75π時，可發現兩工作流體之接 觸介面產生明顯的不穩定現象。

圖六 微擴散器內的濃度場衍化，相位差為π，

θ

圖七為主動式漸闊型微混合器內不同相位差與漸闊半角下，CV 值的等高線圖。由實驗結果可 發現，當半角為20°，相位差為 0.75π時，其對應之 CV 值最小，約為 0.04，此為混合最佳的情況，

即圖七中的斜線區域。此外，當相位差為0 (inphase)時，半角對於 CV 值幾乎無任何影響，混合效 果普遍不佳。但當相位差增至 0.25π時，混合效果獲得大幅改善，使 CV 值遽降。在半角小於 15°

時，CV 值隨半角增加而降低。尤其是直管 (

θ

圖七 在主動式漸闊型微混合器內，半角與相位差對 CV 值之影響

1.2 漸縮型及直管微混合器

由主動式漸縮型微混合器之可視化結果可發現，在各相位差條件下，流體間之接觸介面皆無出 現流體不穩定的現象。反之，對於直管微混合器而言，在相位差為0、0.25π、0.5π、0.75π、1.25π、

1.5π及 1.75π時，工作流體之間的接觸介面皆產生流體不穩定的現象。由 Sanhu 和 Govindarajan [12]

的線性分析發現，在穩流條件下，直管內不論Reynolds number 的大小流場皆呈穩定，但對於漸闊 型的流道，即使其漸闊半角只有1.5°，在 Reynolds number 約 150 時，即會產生流體不穩定的現象，

進入紊流。Hamadiche 等[13] 由非線性分析亦得到類似的結論，對於 Jeffery-Hamel 流而言，流場 不穩定初始的臨界Reynolds number 會隨半角增加而大幅下降。此外，對於直管而言，在壓力振盪 流的情況下，在頻率極高或極低時，臨界Reynolds number 會比穩流時為小。故可知對於主動式微 混合器而言，可改變其半角，藉由激發流體不穩定現象來加強折疊拉伸效應，進而提高混合效率。

圖八為主動式漸縮型微混合器內對於不同相位差與漸縮半角下，CV 值的等高線圖。由實驗結 果可發現，當漸縮半角為-30°，相位差為 0.75π時，其對應之 CV 值最小，約為 0.09，此為混合最 佳的情況，即圖八中的斜線區域。此外，當相位差為0 (inphase)及π (antiphase)時，半角對於 CV 值 己幾乎無任何影響，混合效果皆不佳，CV 值約為 0.4 至 0.5 內。但在其他相位差時，混合效果皆 有改善。當半角大於-5°時，CV 值隨半角的增加而增加。在相位差大於為 1.25π時，半角對於 CV 值影響及小，CV 值皆介於 0.1 至 0.2 之間。

圖八 在主動式漸縮型微混合器內，半角與相位差對 CV 值之影響

綜合以上結果，可得知在同相制動下，不論半角大小混合效果皆相當差，若改變制動壓力的相 位差，可大幅提升混合效率，尤其在搭配半角變化後混合效果更佳。由流場可視化結果可知，漸 闊型微混合器中會產生流體不穩定的現象，有助於混合作用。故漸闊型微混合器的最佳CV值較漸 縮型微混合器為小。