CN101091887A - 一种能够快速均匀混合气体的微混合器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种能够快速均匀混合气体的微混合器及其制备方法，涉及气体混合的技术领域，在原有的微型T混合器的混合通道内加入了凸脊，凸脊高度与混合通道深度一致，凸脊的宽度为混合通道的一半，长度与宽度一致。凸脊沿混合通道两边错开分布，相邻凸脊之间相隔一个凸脊的宽度，且对错均匀排列。凸脊个数一般视混合通道长度来定，n=(l－3)/2l₁，n表示凸脊的个数，l表示混合通道的长度，l₁为凸脊的边长。本发明的设计优点在于在混合通道内加入凸脊后，使得两种气体流经凸脊时受到挤压，缩短了两相之间的距离，有利于扩散混合；而且由于气体流经凸脊时速度增大，易产生漩涡，增大了两相的接触面积，有利于气体混合；另外在凸脊下游附近会产生回流，增强了两相气体的混合性能。

Description

一种能够快速均匀混合气体的微混合器及其制备方法

技术领域

本发明涉及气体混合的技术领域，特指一种能够快速均匀混合气体的微混合器及其制备方法。

背景技术

自20世纪90年代以来，随着纳米材料以及微机电系统的迅速发展，人们对小尺度和快速过程领域进行了大量的研究。微混合器件是微化工行业重要的执行器件，具有效率高，反应时间迅速，消耗试剂量较少等特点。因此前人对其进行了大量的研究。

微混合器一般分为主动式和被动式两种类型，主动混合器有外加扰动源，而被动混合器一般只需要引起流体流动的压力源即可，不需要外加动力源即能实现快速混合。在国际上现在研究最多的被动混合器是微型T混合器，研究发现在这种T型微混合通道内很难产生紊流，而在层流混合时两相气体之间的接触面积较小，分子之间的距离较大，仅仅是依靠气体之间的扩散得到的混合性能较差。另外，有人也研究了一种适用于动态反应的带凸脊的十字交叉型微混合器，在十字型微混合器出口处加上凸脊后表明，相对于不带有凸脊的微混合器，前者的混合性能有显著的提高。但此微混和器的尺寸较小，只适合于分子的混合，不能满足一般反应中量的要求。本发明是在T型微混和器的直混合通道上加入凸脊，结合了T型微混合器和带凸脊的十字交叉微混和器的优点，既满足了适应一般反应的量的问题，又达到了快速混合及混合均匀的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够快速均匀混合气体的微混合器及其制备方法，用于实现在微热光电系统中燃料燃烧前气体的快速均匀混合，缩短混合时间，提高混合性能。

一种能够快速均匀混合气体的微混合器，其特征在于：在原有的微型T混合器的混合通道内加入了凸脊，凸脊高度与混合通道深度一致，凸脊的宽度为混合通道的一半，长度与宽度一致。凸脊沿混合通道两边错开分布，相邻凸脊之间相隔一个凸脊的宽度，且对错均匀排列。凸脊个数一般视混合通道长度来定， $n=\frac{l-3}{2l_1},$ n表示凸脊的个数，l表示混合通道的长度，l₁为凸脊的边长。

本发明的设计优点在于在混合通道内加入凸脊后，使得两种气体流经凸脊时受到挤压，缩短了两相之间的距离，有利于扩散混合；而且由于气体流经凸脊时速度增大，易产生漩涡，增大了两相的接触面积，有利于气体混合；另外在凸脊下游附近会产生回流，增强了两相气体的混合性能。

上述微混合器的制备方法，其特征在于：先在两面抛光的硅板上用干法刻蚀的方法或是深离子反应刻蚀技术微加工技术刻蚀出一个与反应量相对应体积大小的带有凸脊的T型通道，凸脊的个数 $n=\frac{l-3}{2l_1},$ 然

后再与相对于槽道三个端口位置上打了孔的耐热玻璃阳极键合，使得原本开口的槽道能闭合成微型管道，并在出口处做上接口，套上管子通入或引出气体。

具体使用本发明时，对两种气体施加一定的压力，使得两种气体分别从微混合器上端的两个接口通入到T型微混合器中，施加的压力由玻璃和硅的键合强度决定。从出口得到的即为混合气体，可以将其引入到燃烧管，点火燃烧。本发明的优点是制造简单，上面为透明玻璃盖板易于观察，相对于传统的T型微混合器，在刻蚀深度和体积方面都有很大的改进，可以满足一般反应对反应量的需求。

附图说明

图1所示为本发明中提到的新型T型微混合器的外观整体图。

图2为微混合器的硅底板。

图3为微混合器的玻璃盖板。

图4为键合后沿孔直径方向的剖视图，上层为玻璃盖板，下层为硅板。

图中1.T型槽道，2.凸脊，3.硅板，4.通气孔，5.耐热玻璃板

具体实施方式

实施例：新型T型微混合器在微热光电系统中的应用

在微热光电系统中需要有提前混合好的氢气和氧气，将混合气体引入到燃烧管进行燃烧，因此用于混合的微混合器较为重要，而本发明的这种在微混合通道中加入凸脊(2)的新型微混合器能实现快速且较为均匀的混合。首先在一块20×10×0.5mm的硅板(3)上通过光刻和蚀刻得到深为250μm，带有6个边长为250μm的正方体凸脊的不完整的T型槽，混合通道的长度为16mm，宽度为0.5mm，然后与厚为500μm，在T型微混合器三个端口对应的位置上打了直径为2mm孔的7740耐热玻璃阳极键合，使得其成为一个闭合的微型管道，在孔上做好接口，插上管子通入气体。在一个标准大气压，常温下，将氢气和氧气以1.8/1的比例通入到通道中，氢气的入口压力为20000Pa，氧气的入口压力为40000Pa。通过模拟试验表明在混合通道出口面上单位体积内，氢气和氧气的体积比接近1.8/1，即为混合均匀。同时产生的混合气体通过燃烧试验表明，由气体流量计测得从微混合器出口流出的混合气体的流量为1000sccm，大于引起火焰的最小值200sccm，因此混合气在火焰管燃烧室内稳定燃烧，且用数字测温计测得在壁面上获得了1000℃～1200℃的温度且沿轴向管壁均匀分布，这有利于管壁发出较多的光电子供光电池吸收，提高了能量转换效率。

Claims (4)

1、一种能够快速均匀混合气体的微混合器，其特征在于：在原有的微型T混合器的混合通道内加入了凸脊，凸脊高度与混合通道深度一致，凸脊的宽度为混合通道的一半，长度与宽度一致，凸脊沿混合通道两边错开分布，相邻凸脊之间相隔一个凸脊的宽度，且对错均匀排列。

2、根据权利要求1所述的一种能够快速均匀混合气体的微混合器，其特征在于：凸脊个数 $n=\frac{l-3}{{2l}_1},$ l表示混合通道的长度，l₁为凸脊的边长。

3、权利要求1所述的一种能够快速均匀混合气体的微混合器的制备方法，其特征在于：先在两面抛光的硅板上刻蚀出一个与反应量相对应体积大小的带有凸脊的T型通道，凸脊的个数 $n=\frac{l-3}{{2l}_1},$ 然后再与相对于槽道三个端口位置上打了孔的耐热玻璃阳极键合，使得原本开口的槽道能闭合成微型管道，并在出口处做上接口，套上管子通入或引出气体。

4、权利要求3所述的一种能够快速均匀混合气体的微混合器的制备方法，其特征在于：用干法刻蚀的方法或是深离子反应刻蚀技术微加工技术刻蚀出一个与反应量相对应体积大小的带有凸脊的T型通道。