專利名稱：新型回流式微混合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及微系統(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)實驗室搬到了微米到毫米級的薄片上。由于其體積小，減少了原有復(fù)雜的實驗操作和人員的參與，用微通道和儲液池代替實驗臺上的試管和燒杯，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驗。由于參與實驗的試劑量很少，不但提高了反應(yīng)的效率，加快了傳熱，增強了實驗的安全性。但微米級別的結(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，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)效率混合效果差時會 影響實驗的正常進行。在微米級別下，流體只能通過分子擴散進行混合，完全混合時需要較長時間，背離了芯片實驗室高效、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，延長流體在反應(yīng)器中的時間，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〉〉中給出的一種回流混合器，在深度為150 μ m時，當(dāng)入口流量為O. 05ml/min(Re^7)時，幾乎無回流，在O. Iml/min(Re ^ 14)時，有很少的回流量，直到達到 O. 2ml/min(Re ^ 28)和 O. 3ml/min(Re ^ 42)回流量可達到2%和3 %。針對雷諾數(shù)為7，14，28，42單個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，本實用新型提供一種提高混合效率的新型回流式微混合器。本實用新型解決其技術(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，至少兩個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。[0010]所述初步混合通道的寬度O. 02mm,長度O. 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O. 033mm,橢圓環(huán)的內(nèi)環(huán)橫向半徑O. Imm,縱向半徑O. 2mm,橢圓環(huán)的外環(huán)橫向半徑O. 15mm,縱向半徑O. 15mm ;所述出口通道的寬度O. 02mm。本實用新型的技術(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、對流、渦流都可以強化擴散，改變微混合器的結(jié)構(gòu)和幾何形狀有助于強化擴散、充分混合。本實用新型利用流體的康達效應(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)反饋回去進行二次混合，這樣不斷回流、反饋，增加了流體混合的長度，有效地提高了混合效率。在微觀尺度下，流體的康達效應(yīng)仍起作用，本實用新型對康達效應(yīng)的利用體現(xiàn)在兩個層次上，第一，當(dāng)流體通過初步混合通道連通進入混合腔時，由康達效應(yīng)射流方向?qū)⑵蚧旌锨槐诘囊粋?cè)，同時也將引起該側(cè)回流量大于另一側(cè)回流量，所以在回流推動下，射流將偏向另一側(cè)，進而造成另一側(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效應(yīng)，增強回流，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)，我們設(shè)計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)實現(xiàn)多次混合增加了混合長度，進而提高混合的效率。本實用新型的有益效果主要表現(xiàn)在入口處射流元件保證了康達效應(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，進一步利用康達效應(yīng)產(chǎn)生強大的回流。回流相當(dāng)于延長混合通道的長度，有助于強化擴散；左右交替依附產(chǎn)生的振蕩會打亂層流秩序，有利于充分混合。在當(dāng)入口流量為0.05ml/min (Re ^ 7)時，回流為 I. 25% ;在 O. lml/min(Re 14)時，回流為 3. 49% ；0. 2ml/min(Re28)和O. 3ml/min(Re 42)回流率可達到5. 09%和8. 9%。針對雷諾數(shù)Re為7，14，28，42單個微混合器混合的效率分別為48. 1%,89. 2%,95. 2%,96. 8%。對比發(fā)現(xiàn)，在同樣條件下，本實用新型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)簡單，易于加工。

圖I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。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述。參照圖I 圖4，一種新型回流式微混合器，包括混合腔1，所述混合腔I分別與入口通道2和出口通道3連通，所述入口通道I為至少兩個，至少兩個入口通道I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I的入口連通，所述混合腔I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I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I的下部連通，所述混合腔I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I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I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O. 02mm，長度O. 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O. 033mm,橢圓環(huán)的內(nèi)環(huán)橫向半徑O. Imm,縱向半徑O. 2mm,橢圓環(huán)的外環(huán)橫向半徑O. 15mm,縱向半徑O. 15mm ;所述出口通道的寬度O. 02mm。本實施例中，回流式微混合器主要由四部分組成，如圖I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，為了加強康達效應(yīng)，初步混合通道設(shè)計成為射流結(jié)構(gòu)，A點處的縱橫比越大，流體的粘性力會隨之減弱，康達效應(yīng)越明顯。流體會從A處流出后會交替依附在兩側(cè)的通道壁上，當(dāng)流體流經(jīng)橢圓環(huán)通道下側(cè)時，康達效應(yīng)再次發(fā)生作用，流體依附在反饋通道內(nèi)壁向上流動。此時，B點處和C點處形成一個負(fù)的壓力差，迫使流體由C點流經(jīng)反饋通道到達B點，從而形成回流，通過SI面的流體速度方向為向右，在回流的推動作用下，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)地依附會產(chǎn)生振蕩和回流促進混合?；旌虾蟮某隹谕ǖ朗且呀?jīng)混合的流體流出的位置，通常檢測這里的流體成分便可測得流體的混合效率，它也是射流元件，使通過其中的流體加速到所需的速度進入下一裝置。設(shè)計中兩處應(yīng)用康達效應(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O. 02mm，長度O. 15mm，保證從A點流出的線速度較大，從而發(fā)生康達效應(yīng)，兩側(cè)反饋通道是由兩個橢圓環(huán)傾斜一定的角度對稱組成，傾斜角度為20°，反饋通道寬度是O. 033mm，橢圓內(nèi)環(huán)橫向半徑O. 1mm，縱向半徑O. 2mm,橢圓外環(huán)橫向半徑縱向半徑O. 15mm,出口流體由兩側(cè)支流和混合腔內(nèi)的流體匯合，寬度O. 02mm。圖I中C點處寬度較回流通道寬，保證較好的回流效果。整個混合器的厚度為O. 15mm。實例I :利用ANSYS軟件針對兩種不同的流體進行仿真模擬，密度分別為IOOOkg/m3、1100kg/m3，擴散系數(shù)均為10_9m2/s?；旌掀鞯哪Ｐ蜑槿S，如圖2所示，所用的方法是ANSYS中FL0TRAN/CFD模塊中的多組分輸運進行分析，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)增加混合長度，還會引起流體的振蕩，對促進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的不同，對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I中B點處且方向為沿X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。針對圖2所標(biāo)記的尺寸大小進行仿真，當(dāng)雷諾數(shù)Re為7時，入口流量為O. 05ml/min。在出口處是射流元件的設(shè)計，出口處的流速達到最大,接近O. 4m/s。通過對該情況計算，得出此時回流率為I. 25%。按照類似的方法，依次對雷諾數(shù)Re = 14，28，42，56，70情況進行仿真，同時按相應(yīng)比例擴大入口流量，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)，因此評價一個微混合器是否合理的兩個標(biāo)準(zhǔn)一個是低雷諾數(shù)下混合，另一個是混合效果如何。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。按照混合效果的計算公式可計算出雷諾數(shù)Re分別為7，14，28，42，56，70時，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，其特征在于至少兩個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I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I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、O. 02mm，長度O. 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O. 033mm，橢圓環(huán)的內(nèi)環(huán)橫向半徑O. Imm,縱向半徑O. 2mm,橢圓環(huán)的外環(huán)橫向半徑O. 15mm,縱向半徑、O. 15mm ;所述出口通道的寬度O. 02_。
專利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，至少兩個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。本實用新型提供一種提高混合效率的新型回流式微混合器。
文檔編號B01F5/06GK202527089SQ20122006314
公開日2012年11月14日 申請日期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 申請人:何熊熊, 張端