CN102553482A

CN102553482A - 新型回流式微混合器

Info

Publication number: CN102553482A
Application number: CN2012100445010A
Authority: CN
Inventors: 张端; 何熊熊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2012-07-11

Abstract

一种新型回流式微混合器，包括混合腔，所述混合腔分别与入口通道和出口通道连通，所述入口通道为至少两个，至少两个入口通道分别与初步混合通道连通，所述初步混合通道呈射流结构，所述初步混合通道与混合腔的入口连通，所述混合腔入口两侧均设置椭圆环形反馈通道，所述椭圆环形反馈通道的一端与混合腔的上部连通，所述椭圆环形反馈通道的另一端与混合腔的下部连通，所述混合腔的下端的出口与所述出口通道连通。本发明提供一种提高混合效率的新型回流式微混合器。

Description

新型回流式微混合器

技术领域

本发明涉及微系统领域，尤其是一种微混合器。

背景技术

微流控芯片技术将生物化学实验室搬到了微米到毫米级的薄片上。由于其体积小，减少了原有复杂的实验操作和人员的参与，用微通道和储液池代替实验台上的试管和烧杯，节省了反应原材料，适合昂贵的药品和有毒性试剂的实验。由于参与实验的试剂量很少，不但提高了反应的效率，加快了传热，增强了实验的安全性。但微米级别的结构导致了流体的面积与体积比大大增加，使流体产生区别于宏观流体的特殊特性，如层流效应导致流体分层流动，不利于微流体的混合。

微混合是发生反应前的必经阶段，混合效果好可以提高反应效率混合效果差时会影响实验的正常进行。在微米级别下，流体只能通过分子扩散进行混合，完全混合时需要较长时间，背离了芯片实验室高效、便利的初衷。在宏观化工反应器中常用的加速混合方法是通过回流装置，延长流体在反应器中的时间，让反应更加充分。这种方法应用到微混合器中也同样适用，但现有的回流微混合器存在的技术缺陷：回流效率低、混合效率低。论文《Design and characterization of a passiverecycle micromixer》中给出的一种回流混合器，在深度为150μm时，当入口流量为0.05ml/min(Re≈7)时，几乎无回流，在0.1ml/min(Re≈14)时，有很少的回流量，直到达到0.2ml/min(Re≈28)和0.3ml/min(Re≈42)回流量可达到2％和3％。针对雷诺数为7，14，28，42单个微混合器混合的效率分别为30.3％，53.6％，70.4％，78.6％，效果不太理想。

发明内容

为了克服现有的回流型微混合器回流率不高、混合效率较低的不足，本发明提供一种提高混合效率的新型回流式微混合器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种新型回流式微混合器，包括混合腔，所述混合腔分别与入口通道和出口通道连通，所述入口通道为至少两个，至少两个入口通道分别与初步混合通道连通，所述初步混合通道呈射流结构，所述初步混合通道与混合腔的入口连通，所述混合腔入口两侧均设置椭圆环形反馈通道，所述椭圆环形反馈通道的一端与混合腔的上部连通，所述椭圆环形反馈通道的另一端与混合腔的下部连通，所述混合腔的下端的出口与所述出口通道连通。

进一步，所述椭圆环形反馈通道两端与混合腔的连通处的宽度大于所述椭圆环形反馈通道的宽度。

再进一步，所述椭圆环形反馈通道呈椭圆环，且所述椭圆环呈倾斜设置，倾斜角为15～30°。

所述混合腔的下部的中央设有椭圆形阻挡，所述反馈通道的另一端位于所述椭圆形阻挡的中下侧，所述出口位于所述椭圆形阻挡的正下方。

所述初步混合通道的宽度0.02mm，长度0.15mm；所述椭圆环的倾斜角度为20°，椭圆环形反馈通道宽度是0.033mm，椭圆环的内环横向半径0.1mm，纵向半径0.2mm，椭圆环的外环横向半径0.15mm，纵向半径0.15mm；所述出口通道的宽度0.02mm。

本发明的技术构思为：根据流体的性质，增加流体间接触面积、碰撞、对流、涡流都可以强化扩散，改变微混合器的结构和几何形状有助于强化扩散、充分混合。本发明利用流体的康达效应，使流体依附在弧形的管道壁形成从下至上的回流。一部分流体经中间初步混合之后，流向两侧反馈回去进行二次混合，这样不断回流、反馈，增加了流体混合的长度，有效地提高了混合效率。

在微观尺度下，流体的康达效应仍起作用，本发明对康达效应的利用体现在两个层次上，第一，当流体通过初步混合通道连通进入混合腔时，由康达效应射流方向将偏向混合腔壁的一侧，同时也将引起该侧回流量大于另一侧回流量，所以在回流推动下，射流将偏向另一侧，进而造成另一侧回流量增大，射流又偏回原来一侧，形成振荡，循环往复，提高流体混合效果；第二，椭圆环形反馈通道本身的曲线利用了康达效应，增强回流，是回流量较其他回流混合器大幅提高。利用流体的这种性质，我们设计了一种新型的回流式微混合器，通过多次混合和碰撞微通道中的流体更加充分混合，在有限的空间内实现多次混合增加了混合长度，进而提高混合的效率。

本发明的有益效果主要表现在：入口处射流元件保证了康达效应的发生，使流体交替依附在微混合腔两侧壁上，产生回流效果；左右两侧的椭圆环形反馈通道，进一步利用康达效应产生强大的回流。回流相当于延长混合通道的长度，有助于强化扩散；左右交替依附产生的振荡会打乱层流秩序，有利于充分混合。在当入口流量为0.05ml/min(Re≈7)时，回流为1.25％；在0.1ml/min(Re≈14)时，回流为3.49％；0.2ml/min(Re≈28)和0.3ml/min(Re≈42)回流率可达到5.09％和8.9％。针对雷诺数Re为7，14，28，42单个微混合器混合的效率分别为48.1％，89.2％，95.2％，96.8％。对比发现，在同样条件下，本发明的微混合器回流率和混合率都有明显提高，而且适用范围广，不易发生堵塞，结构简单，易于加工。

附图说明

图1为回流式微混合器平面结构的示意图。

图2为回流式微混合器立体结构的示意图。

图3为回流率随入口流量变化曲线的示意图。

图4为雷诺数与混合效果关系曲线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种新型回流式微混合器，包括混合腔1，所述混合腔1分别与入口通道2和出口通道3连通，所述入口通道1为至少两个，至少两个入口通道1分别与初步混合通道4连通，所述初步混合通道4呈射流结构，所述初步混合通道4与混合腔1的入口连通，所述混合腔1入口两侧均设置椭圆环形反馈通道5，所述椭圆环形反馈通道5的一端与混合腔1的上部连通，所述椭圆环形反馈通道5的另一端与混合腔1的下部连通，所述混合腔1的下端的出口与所述出口通道3连通。

所述椭圆环形反馈通道5两端与混合腔1的连通处的宽度大于所述椭圆环形反馈通道5的宽度。

所述椭圆环形反馈通道5呈倾斜设置，倾斜角为15～30°。

所述混合腔1的下部的中央设有椭圆形阻挡，所述反馈通道的另一端位于所述椭圆形阻挡的中下侧，混合腔的下端出口位于所述椭圆形阻挡的正下方。

所述初步混合通道4的宽度0.02mm，长度0.15mm；所述椭圆环的倾斜角度为20°，椭圆环形反馈通道宽度是0.033mm，椭圆环的内环横向半径0.1mm，纵向半径0.2mm，椭圆环的外环横向半径0.15mm，纵向半径0.15mm；所述出口通道的宽度0.02mm。

本实施例中，回流式微混合器主要由四部分组成，如图1和图2，包括入口通道、流体混合腔、两侧椭圆环形反馈通道和出口通道。其中，入口通道是流体进入微混合器的通道，通常与微阀、微泵利用管道相连接，为了加强康达效应，初步混合通道设计成为射流结构，A点处的纵横比越大，流体的粘性力会随之减弱，康达效应越明显。流体会从A处流出后会交替依附在两侧的通道壁上，当流体流经椭圆环通道下侧时，康达效应再次发生作用，流体依附在反馈通道内壁向上流动。此时，B点处和C点处形成一个负的压力差，迫使流体由C点流经反馈通道到达B点，从而形成回流，通过S1面的流体速度方向为向右，在回流的推动作用下，另一侧流体依附另一侧壁，继续产生回流，通过S2面的流体速度为向左，如此交替往复地依附会产生振荡和回流促进混合。混合后的出口通道是已经混合的流体流出的位置，通常检测这里的流体成分便可测得流体的混合效率，它也是射流元件，使通过其中的流体加速到所需的速度进入下一装置。设计中两处应用康达效应，产生的回流比例更大，优于其他回流型微混合器。

入口及射流通道均为直通道，入口汇合后射流管道宽度0.02mm，长度0.15mm，保证从A点流出的线速度较大，从而发生康达效应，两侧反馈通道是由两个椭圆环倾斜一定的角度对称组成，倾斜角度为20°，反馈通道宽度是0.033mm，椭圆内环横向半径0.1mm，纵向半径0.2mm，椭圆外环横向半径纵向半径0.15mm，出口流体由两侧支流和混合腔内的流体汇合，宽度0.02mm。图1中C点处宽度较回流通道宽，保证较好的回流效果。整个混合器的厚度为0.15mm。

实例1：利用ANSYS软件针对两种不同的流体进行仿真模拟，密度分别为1000kg/m³、1100kg/m³，扩散系数均为10^-9m²/s。混合器的模型为三维，如图2所示，所用的方法是ANSYS中FLOTRAN/CFD模块中的多组分输运进行分析，密度和粘度系数随混合的发生而变化，通过观察速度的方向确定回流是否发生，通过观察混合后密度值判断混合状况。

回流量是回流型微混合器的一个重要指标，不间断的回流不但可以在有限的空间内增加混合长度，还会引起流体的振荡，对促进混合起到积极的作用。由于混合器结构和尺寸的不同和流速等外界激励的不同，对回流量的大小有不同的影响。根据流体力学和能量守恒定律可知，入口处的流量应该与出口处的流量保持相同，可把入口处的流量看作总流量，而流经图1中B点处且方向为沿X轴正方向的流量视为回流量，回流量与总流量的比被称之为回流率。

针对图2所标记的尺寸大小进行仿真，当雷诺数Re为7时，入口流量为0.05ml/min。在出口处是射流元件的设计，出口处的流速达到最大，接近0.4m/s。通过对该情况计算，得出此时回流率为1.25％。按照类似的方法，依次对雷诺数Re＝14，28，42，56，70情况进行仿真，同时按相应比例扩大入口流量，可得各种入口流量与回流率关系如图3所示。

造成微流体不易混合的主要原因是低流速导致的低雷诺数，因此评价一个微混合器是否合理的两个标准一个是低雷诺数下混合，另一个是混合效果如何。通过ANSYS仿真低流速下回流型微混合器的混合情况证明其可行性。

微混合器的效果也就是混合的均匀程度，通常用流体组分的浓度或质量分数来表示。按照混合效果的计算公式可计算出雷诺数Re分别为7，14，28，42，56，70时，微混合器的混合效率关系如图4曲线所示。

Claims

1.一种新型回流式微混合器，包括混合腔，所述混合腔分别与入口通道和出口通道连通，所述入口通道为至少两个，其特征在于：至少两个入口通道分别与初步混合通道连通，所述初步混合通道呈射流结构，所述初步混合通道与混合腔的入口连通，所述混合腔入口两侧均设置椭圆环形反馈通道，所述椭圆环形反馈通道的一端与混合腔的上部连通，所述椭圆环形反馈通道的另一端与混合腔的下部连通，所述混合腔的下端的出口与所述出口通道连通。

2.如权利要求1所述的新型回流式微混合器，其特征在于：所述椭圆环形反馈通道两端与混合腔的连通处的宽度大于所述环形反馈通道的宽度。

3.如权利要求1或2所述的新型回流式微混合器，其特征在于：所述椭圆环形反馈通道倾斜设置，倾斜角为15～30°。

4.如权利要求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设有椭圆形孔，所述反馈通道的另一端位于所述椭圆形阻挡的中下侧，所述出口位于所述椭圆形阻挡的正下方。

5.如权利要求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宽度0.02mm，长度0.15mm；所述椭圆环的倾斜角度为20°，椭圆环形反馈通道宽度是0.033mm，椭圆环的内环横向半径0.1mm，纵向半径0.2mm，椭圆环的外环横向半径0.15mm，纵向半径0.15mm；所述出口通道的宽度0.02mm。