專利名稱：新型回流式微混合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其是一種微混合器。
背景技術(shù)：
微流控芯片技術(shù)將生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室搬到了微米到毫米級(jí)的薄片上。由于其體積小，減少了原有復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作和人員的參與，用微通道和儲(chǔ)液池代替實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的試管和燒杯，節(jié)省了反應(yīng)原材料，適合昂貴的藥品和有毒性試劑的實(shí)驗(yàn)。由于參與實(shí)驗(yàn)的試劑量很少，不但提高了反應(yīng)的效率，加快了傳熱，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的安全性。但微米級(jí)別的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了流體的面積與體積比大大增加，使流體產(chǎn)生區(qū)別于宏觀流體的特殊特性，如層流效應(yīng)導(dǎo)致流體分層流動(dòng)，不利于微流體的混合。微混合是發(fā)生反應(yīng)前的必經(jīng)階段，混合效果好可以提高反應(yīng)效率混合效果差時(shí)會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。在微米級(jí)別下，流體只能通過分子擴(kuò)散進(jìn)行混合，完全混合時(shí)需要較長(zhǎng)時(shí)間，背離了芯片實(shí)驗(yàn)室高效、便利的初衷。在宏觀化工反應(yīng)器中常用的加速混合方法是通過回流裝置，延長(zhǎng)流體在反應(yīng)器中的時(shí)間，讓反應(yīng)更加充分。這種方法應(yīng)用到微混合器中也同樣適用，但現(xiàn)有的回流微混合器存在的技術(shù)缺陷回流效率低、混合效率低。論文 ((Design and characterization of a passive recycle micromixer》中會(huì)合出白勺一禾中回^ 混合器，在深度為150 μ m時(shí)，當(dāng)入口流量為0. 05ml/min(Re^7)時(shí)，幾乎無回流，在0. Iml/ min(Re ^ 14)時(shí)，有很少的回流量，直到達(dá)到 0. 2ml/min(Re ^ 28)和 0. 3ml/min(Re ^ 42) 回流量可達(dá)到2%和3%。針對(duì)雷諾數(shù)為7，14,28,42單個(gè)微混合器混合的效率分別為 30. 3%, 53. 6%, 70. 4%, 78. 6%,效果不太理想。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的回流型微混合器回流率不高、混合效率較低的不足，本發(fā)明提供一種提高混合效率的新型回流式微混合器。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種新型回流式微混合器，包括混合腔，所述混合腔分別與入口通道和出口通道連通，所述入口通道為至少兩個(gè)，至少兩個(gè)入口通道分別與初步混合通道連通，所述初步混合通道呈射流結(jié)構(gòu)，所述初步混合通道與混合腔的入口連通，所述混合腔入口兩側(cè)均設(shè)置橢圓環(huán)形反饋通道，所述橢圓環(huán)形反饋通道的一端與混合腔的上部連通，所述橢圓環(huán)形反饋通道的另一端與混合腔的下部連通，所述混合腔的下端的出口與所述出口通道連通。進(jìn)一步，所述橢圓環(huán)形反饋通道兩端與混合腔的連通處的寬度大于所述橢圓環(huán)形反饋通道的寬度。再進(jìn)一步，所述橢圓環(huán)形反饋通道呈橢圓環(huán)，且所述橢圓環(huán)呈傾斜設(shè)置，傾斜角為 15 30°。所述混合腔的下部的中央設(shè)有橢圓形阻擋，所述反饋通道的另一端位于所述橢圓形阻擋的中下側(cè)，所述出口位于所述橢圓形阻擋的正下方。
所述初步混合通道的寬度0. 02mm,長(zhǎng)度0. 15mm ；所述橢圓環(huán)的傾斜角度為20°， 橢圓環(huán)形反饋通道寬度是0. 033mm,橢圓環(huán)的內(nèi)環(huán)橫向半徑0. Imm,縱向半徑0. 2mm,橢圓環(huán)的外環(huán)橫向半徑0. 15mm，縱向半徑0. 15mm ；所述出口通道的寬度0. 02mm。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為根據(jù)流體的性質(zhì)，增加流體間接觸面積、碰撞、對(duì)流、渦流都可以強(qiáng)化擴(kuò)散，改變微混合器的結(jié)構(gòu)和幾何形狀有助于強(qiáng)化擴(kuò)散、充分混合。本發(fā)明利用流體的康達(dá)效應(yīng)，使流體依附在弧形的管道壁形成從下至上的回流。一部分流體經(jīng)中間初步混合之后，流向兩側(cè)反饋回去進(jìn)行二次混合，這樣不斷回流、反饋，增加了流體混合的長(zhǎng)度， 有效地提高了混合效率。在微觀尺度下，流體的康達(dá)效應(yīng)仍起作用，本發(fā)明對(duì)康達(dá)效應(yīng)的利用體現(xiàn)在兩個(gè)層次上，第一，當(dāng)流體通過初步混合通道連通進(jìn)入混合腔時(shí)，由康達(dá)效應(yīng)射流方向?qū)⑵蚧旌锨槐诘囊粋?cè)，同時(shí)也將引起該側(cè)回流量大于另一側(cè)回流量，所以在回流推動(dòng)下，射流將偏向另一側(cè)，進(jìn)而造成另一側(cè)回流量增大，射流又偏回原來一側(cè)，形成振蕩，循環(huán)往復(fù)，提高流體混合效果；第二，橢圓環(huán)形反饋通道本身的曲線利用了康達(dá)效應(yīng)，增強(qiáng)回流，是回流量較其他回流混合器大幅提高。利用流體的這種性質(zhì)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的回流式微混合器， 通過多次混合和碰撞微通道中的流體更加充分混合，在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多次混合增加了混合長(zhǎng)度，進(jìn)而提高混合的效率。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在入口處射流元件保證了康達(dá)效應(yīng)的發(fā)生，使流體交替依附在微混合腔兩側(cè)壁上，產(chǎn)生回流效果；左右兩側(cè)的橢圓環(huán)形反饋通道，進(jìn)一步利用康達(dá)效應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)大的回流。回流相當(dāng)于延長(zhǎng)混合通道的長(zhǎng)度，有助于強(qiáng)化擴(kuò)散；左右交替依附產(chǎn)生的振蕩會(huì)打亂層流秩序，有利于充分混合。在當(dāng)入口流量為0. 05ml/min(Re^7)時(shí)， 回流為 1. 25%;在 0. lml/min(Re ^ 14)時(shí)，回流為 3. 49%；0. 2ml/min(Re ^ 28)和 0. 3ml/ min(Re^42)回流率可達(dá)到5. 09%和8. 9%。針對(duì)雷諾數(shù)Re為7，14，28，42單個(gè)微混合器混合的效率分別為48. 1^,89.2^,95.2^,96.8 ^對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在同樣條件下，本發(fā)明的微混合器回流率和混合率都有明顯提高，而且適用范圍廣，不易發(fā)生堵塞，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工。


圖1為回流式微混合器平面結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2為回流式微混合器立體結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3為回流率隨入口流量變化曲線的示意圖。圖4為雷諾數(shù)與混合效果關(guān)系曲線的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照?qǐng)D1 圖4，一種新型回流式微混合器，包括混合腔1，所述混合腔1分別與入口通道2和出口通道3連通，所述入口通道1為至少兩個(gè)，至少兩個(gè)入口通道1分別與初步混合通道4連通，所述初步混合通道4呈射流結(jié)構(gòu)，所述初步混合通道4與混合腔1的入口連通，所述混合腔1入口兩側(cè)均設(shè)置橢圓環(huán)形反饋通道5，所述橢圓環(huán)形反饋通道5的一端與混合腔1的上部連通，所述橢圓環(huán)形反饋通道5的另一端與混合腔1的下部連通，所述混合腔1的下端的出口與所述出口通道3連通。所述橢圓環(huán)形反饋通道5兩端與混合腔1的連通處的寬度大于所述橢圓環(huán)形反饋通道5的寬度。所述橢圓環(huán)形反饋通道5呈傾斜設(shè)置，傾斜角為15 30°。所述混合腔1的下部的中央設(shè)有橢圓形阻擋，所述反饋通道的另一端位于所述橢圓形阻擋的中下側(cè)，混合腔的下端出口位于所述橢圓形阻擋的正下方。所述初步混合通道4的寬度0. 02mm,長(zhǎng)度0. 15mm ；所述橢圓環(huán)的傾斜角度為 20°，橢圓環(huán)形反饋通道寬度是0. 033mm，橢圓環(huán)的內(nèi)環(huán)橫向半徑0. 1mm，縱向半徑0. 2mm， 橢圓環(huán)的外環(huán)橫向半徑0. 15mm，縱向半徑0. 15mm ；所述出口通道的寬度0. 02mm。本實(shí)施例中，回流式微混合器主要由四部分組成，如圖1和圖2，包括入口通道、流體混合腔、兩側(cè)橢圓環(huán)形反饋通道和出口通道。其中，入口通道是流體進(jìn)入微混合器的通道，通常與微閥、微泵利用管道相連接，為了加強(qiáng)康達(dá)效應(yīng)，初步混合通道設(shè)計(jì)成為射流結(jié)構(gòu)，A點(diǎn)處的縱橫比越大，流體的粘性力會(huì)隨之減弱，康達(dá)效應(yīng)越明顯。流體會(huì)從A處流出后會(huì)交替依附在兩側(cè)的通道壁上，當(dāng)流體流經(jīng)橢圓環(huán)通道下側(cè)時(shí)，康達(dá)效應(yīng)再次發(fā)生作用， 流體依附在反饋通道內(nèi)壁向上流動(dòng)。此時(shí)，B點(diǎn)處和C點(diǎn)處形成一個(gè)負(fù)的壓力差，迫使流體由C點(diǎn)流經(jīng)反饋通道到達(dá)B點(diǎn)，從而形成回流，通過Sl面的流體速度方向?yàn)橄蛴遥诨亓鞯耐苿?dòng)作用下，另一側(cè)流體依附另一側(cè)壁，繼續(xù)產(chǎn)生回流，通過S2面的流體速度為向左，如此交替往復(fù)地依附會(huì)產(chǎn)生振蕩和回流促進(jìn)混合?；旌虾蟮某隹谕ǖ朗且呀?jīng)混合的流體流出的位置，通常檢測(cè)這里的流體成分便可測(cè)得流體的混合效率，它也是射流元件，使通過其中的流體加速到所需的速度進(jìn)入下一裝置。設(shè)計(jì)中兩處應(yīng)用康達(dá)效應(yīng)，產(chǎn)生的回流比例更大，優(yōu)于其他回流型微混合器。入口及射流通道均為直通道，入口匯合后射流管道寬度0.02mm，長(zhǎng)度0. 15mm，保證從A點(diǎn)流出的線速度較大，從而發(fā)生康達(dá)效應(yīng)，兩側(cè)反饋通道是由兩個(gè)橢圓環(huán)傾斜一定的角度對(duì)稱組成，傾斜角度為20°，反饋通道寬度是0.033mm，橢圓內(nèi)環(huán)橫向半徑0. 1mm，縱向半徑0. 2mm，橢圓外環(huán)橫向半徑縱向半徑0. 15mm,出口流體由兩側(cè)支流和混合腔內(nèi)的流體匯合，寬度0.02mm。圖1中C點(diǎn)處寬度較回流通道寬，保證較好的回流效果。整個(gè)混合器的厚度為0. 15mm。實(shí)例1 利用ANSYS軟件針對(duì)兩種不同的流體進(jìn)行仿真模擬，密度分別為IOOOkg/ m3、1100kg/m3，擴(kuò)散系數(shù)均為10_9m2/S。混合器的模型為三維，如圖2所示，所用的方法是 ANSYS中FL0TRAN/CFD模塊中的多組分輸運(yùn)進(jìn)行分析，密度和粘度系數(shù)隨混合的發(fā)生而變化，通過觀察速度的方向確定回流是否發(fā)生，通過觀察混合后密度值判斷混合狀況。回流量是回流型微混合器的一個(gè)重要指標(biāo)，不間斷的回流不但可以在有限的空間內(nèi)增加混合長(zhǎng)度，還會(huì)引起流體的振蕩，對(duì)促進(jìn)混合起到積極的作用。由于混合器結(jié)構(gòu)和尺寸的不同和流速等外界激勵(lì)的不同，對(duì)回流量的大小有不同的影響。根據(jù)流體力學(xué)和能量守恒定律可知，入口處的流量應(yīng)該與出口處的流量保持相同，可把入口處的流量看作總流量，而流經(jīng)圖1中B點(diǎn)處且方向?yàn)檠豖軸正方向的流量視為回流量，回流量與總流量的比被稱之為回流率。針對(duì)圖2所標(biāo)記的尺寸大小進(jìn)行仿真，當(dāng)雷諾數(shù)Re為7時(shí)，入口流量為0. 05ml/ min。在出口處是射流元件的設(shè)計(jì)，出口處的流速達(dá)到最大，接近0.4m/s。通過對(duì)該情況計(jì)
5算，得出此時(shí)回流率為1. 25%。按照類似的方法，依次對(duì)雷諾數(shù)Re = 14，28，42，56，70情況進(jìn)行仿真，同時(shí)按相應(yīng)比例擴(kuò)大入口流量，可得各種入口流量與回流率關(guān)系如圖3所示。造成微流體不易混合的主要原因是低流速導(dǎo)致的低雷諾數(shù)，因此評(píng)價(jià)一個(gè)微混合器是否合理的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)是低雷諾數(shù)下混合，另一個(gè)是混合效果如何。通過ANSYS仿真低流速下回流型微混合器的混合情況證明其可行性。微混合器的效果也就是混合的均勻程度，通常用流體組分的濃度或質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表示。按照混合效果的計(jì)算公式可計(jì)算出雷諾數(shù)Re分別為7，14，28，42，56，70時(shí)，微混合器的混合效率關(guān)系如圖4曲線所示。
權(quán)利要求
1.一種新型回流式微混合器，包括混合腔，所述混合腔分別與入口通道和出口通道連通，所述入口通道為至少兩個(gè)，其特征在于至少兩個(gè)入口通道分別與初步混合通道連通， 所述初步混合通道呈射流結(jié)構(gòu)，所述初步混合通道與混合腔的入口連通，所述混合腔入口兩側(cè)均設(shè)置橢圓環(huán)形反饋通道，所述橢圓環(huán)形反饋通道的一端與混合腔的上部連通，所述橢圓環(huán)形反饋通道的另一端與混合腔的下部連通，所述混合腔的下端的出口與所述出口通道連通。
2.如權(quán)利要求1所述的新型回流式微混合器，其特征在于所述橢圓環(huán)形反饋通道兩端與混合腔的連通處的寬度大于所述環(huán)形反饋通道的寬度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的新型回流式微混合器，其特征在于所述橢圓環(huán)形反饋通道傾斜設(shè)置，傾斜角為15 30°。
4.如權(quán)利要求3所述的新型回流式微混合器，其特征在于所述混合腔的下部的中央設(shè)有橢圓形孔，所述反饋通道的另一端位于所述橢圓形阻擋的中下側(cè)，所述出口位于所述橢圓形阻擋的正下方。
5.如權(quán)利要求3所述的新型回流式微混合器，其特征在于所述初步混合通道的寬度 0.02mm，長(zhǎng)度0. 15mm ；所述橢圓環(huán)的傾斜角度為20°，橢圓環(huán)形反饋通道寬度是0. 033mm， 橢圓環(huán)的內(nèi)環(huán)橫向半徑0. 1mm，縱向半徑0. 2mm，橢圓環(huán)的外環(huán)橫向半徑0. 15mm，縱向半徑 0. 15mm ；所述出口通道的寬度0. 02mm。
全文摘要
一種新型回流式微混合器，包括混合腔，所述混合腔分別與入口通道和出口通道連通，所述入口通道為至少兩個(gè)，至少兩個(gè)入口通道分別與初步混合通道連通，所述初步混合通道呈射流結(jié)構(gòu)，所述初步混合通道與混合腔的入口連通，所述混合腔入口兩側(cè)均設(shè)置橢圓環(huán)形反饋通道，所述橢圓環(huán)形反饋通道的一端與混合腔的上部連通，所述橢圓環(huán)形反饋通道的另一端與混合腔的下部連通，所述混合腔的下端的出口與所述出口通道連通。本發(fā)明提供一種提高混合效率的新型回流式微混合器。
文檔編號(hào)B01L3/00GK102553482SQ20121004450
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月24日
發(fā)明者何熊熊, 張端 申請(qǐng)人:何熊熊, 張端