CN109985544B - 一种回流结构被动式微混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种回流结构被动式微混合器，包括第一入口通道、第二入口通道、第一通道、回流部和第二通道，所述回流部包括至少三个依次连通的回流单元，所述第一入口通道和第二入口通道均连通第一通道的首端，第一通道的末端通过所述回流部连通第二通道，所述第一通道与第二通道共轴线布置；通过回流单元两条圆弧通道不同宽度，流体的流速存在差异，从而加剧了流体的不平衡碰撞，提高了混合强度；通过在宽度较大第一圆弧通道上设置回流通道，利用康达效应，将第一圆弧通道内的流体进一步混合，并提高了第一圆弧通道的流速，增加了在汇合处的碰撞。

Description

一种回流结构被动式微混合器
技术领域
本发明属于微混合器领域，具体涉及一种回流结构被动式微混合器。
背景技术
微混合器属于微流控***的研究范畴，是一种可以在微尺度条件下实现流体流动、混合的装置，它可以在传统的生物化学分析领域实现多种试剂的快速混合、反应，充当反应器和混合器。
目前，微混合器根据是否借助外界能量输入以完成混合可以分为两大类：主动式微混合器和被动式微混合器。主动式微混合器是通过施加外界能量，对微通道内的流体进行激励，从而使流体分子间的扩散程度加剧，引发流体高效、快速地混合，主要有搅拌式微混合器、电滋驱动式微混合器、声波驱动式微混合器等。主动式的优点就是混合速度快、混合距离短。缺点是难以集成化，制造难度高，另外从经济性考虑，主动式微混合器的成本也较高。
被动式微混合器不需要额外的驱动装置提供能量支持，主要通过通道结构强化流体间的分子扩散和对流作用，相对于主动式微混合器，被动式微混合器以其结构简单、能耗低、运行稳定、易于集成等优点得到广泛的应用。发明人发现，被动式微混合器为了增加流体的分子扩散和对流作用，通过在通道内设置阻挡块，从而扰动流体产生混合，但其通道边界处的流动损失很大，另一种平面式的微混合器加工简单，但混合效率低。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种回流结构被动式微混合器，通过连续设置的多个回流单元，利用康达效应使流体在混合过程中产生一定量的回流，流体在回流单元中经过了分流、回流、碰撞后重新汇合，达到提高混合程度的效果。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种回流结构被动式微混合器，包括第一入口通道、第二入口通道、第一通道、回流部和第二通道，所述回流部包括至少三个依次连通的回流单元，所述第一入口通道和第二入口通道均连通第一通道的首端，第一通道的末端通过所述回流部连通第二通道，所述第一通道与第二通道共轴线布置。
更进一步地，所述第一入口通道和第二入口通道以第一通道的中轴线为对称轴，对称布置。
待混合的两种流体分别注入第一入口通道和第二入口通道，两种流体分别流经第一入口通道和第二入口通道，并在第一通道的首端汇合，混合后的流体流经第一通道后进入回流部，在回流部内进一步混合后，到达第二通道，并通过第二通道的末端流出。
更进一步地，所述回流单元包括第一圆弧通道和第二圆弧通道，所述第一圆弧通道和第二圆弧通道以第一通道的中轴线为对称轴，对称布置，第一圆弧通道的首端和第二圆弧通道的首端连通后，连通上一个回流单元或连通第一通道的末端，第一圆弧通道的末端和第二圆弧通道的末端连通后，连通下一个回流单元或连通第二通道。
更进一步地，所述回流部的回流单元依次连通，一个回流单元的第一圆弧通道与下一个回流单元的第一圆弧通道分别位于第一通道的中轴线的两侧。
更进一步地，所述第一入口通道、第二入口通道、第一通道、第二通道和第一圆弧通道的宽度均相等。
更进一步地，所述第一圆弧通道和第二圆弧通道的内圆半径相等，且第一圆弧通道的宽度大于第二圆弧通道的宽度。
更进一步地，所述回流单元还包括回流通道，所述回流通道的入口端连通第一圆弧通道的一点，出口端连通第一圆弧通道上的另一点，当流体流经第一圆弧通道时，一部分流体从回流通道入口进入回流通道，在回流通道中混合后，从回流通道出口流出到第一圆弧通道中。
更进一步地，所述回流通道为圆弧形，所述回流通道的入口端到第一圆弧通道末端的距离小于出口端到第一圆弧通道末端的距离。
更进一步地，所述回流通道的入口端的宽度等于第一圆弧通道的宽度，且大于回流通道的出口端的宽度。
本发明和现有技术相比，拥有以下有益技术效果：
(1)回流单元两条圆弧通道不同宽度，利用了通道宽度的不均匀性，使流体的质量流速产生差异，从而加剧了流体的不平衡碰撞，提高了混合强度；
(2)通过在宽度较大第一圆弧通道上设置圆弧形的回流通道，利用康达效应，将第一圆弧通道内的流体进一步混合，并提高了第一圆弧通道的流速，增加了在汇合处的碰撞，另外在圆弧形的回流通道内，由于流体的离心力作用，会产生二次流，增加流体的扰动；
(3)通过多个回流单元的依次设置，将流体进行多次的分流、回流、碰撞后汇合，并且将相邻的回流单元的第一圆弧通道设置在不同侧，增大了流体的扰动效果，提高混合效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明回流结构被动式微混合器的结构示意图；
图2为本发明回流单元的结构示意图；
图3为本发明回流通道处流体的流向示意图；
1、第一入口通道，2、第二入口通道，3、直通道，4、回流单元，5、出口通道，401、第一圆弧通道，402、第二圆弧通道，403、回流通道入口，404、回流通道出口。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括””时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义；
康达效应(Coanda Effect)：亦称附壁作用或柯恩达效应。流体(水流或气流)有离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时(也可以说是流体粘性)，只要曲率不大，流体会顺着物体表面流动。
正如背景技术中所介绍的，一般的被动式微混合器为了增加流体的分子扩散和对流作用，通过在通道内设置阻挡块，从而产生扰动，促进流体的混合，但其通道边界处的流动损失很大，混合时间长，难以满足现有的微混合需求，为了解决上述技术问题，本申请提出了一种回流结构被动式微混合器。
实施例1
本申请的一种典型的实施方式中，如图1、图2、图3所示，一种回流结构被动式微混合器，第一入口通道1和第二入口通道2均连通第一通道首端，所述的第一通道为直通道3，直通道3的末端依次连通三个回流单元4，最后一个回流单元4连通第二通道，所述第二通道为出口通道5；需要混合的两种流体分别注入第一入口通道1和第二入口通道2，两种流体在直通道3的首端进行碰撞混合，并随即进入直通道3内进行扩散混合，在依次流经三个回流单元4后，最后通过出口通道5流出，完成混合；
当然，不难理解的是，当需要混合的流体难以进行混合需要提高微混合器的混合能力时，可以适当增加回流单元4的数目，但至少为三个，通过增加流体经过的回流单元4的数目，对流体进行多次进行分流、回流和碰撞汇合，提高混合效果。
进一步的，所述回流单元4包括第一圆弧通道401、第二圆弧通道402和回流通道，所述第一圆弧通道401和第二圆弧通道402以直通道3的中轴线为对称轴，对称布置，第一圆弧通道401的首端和第二圆弧通道402的首端连通后，连通上一个回流单元或连通直通道3的末端，第一圆弧通道的末端401和第二圆弧通道402的末端连通后，连通下一个回流单元或连通出口通道5；
所述回流通道入口连通第一圆弧通道的一点，回流通道出口连通第一圆弧通道上的另一点，当流体流经第一圆弧通道时，一部分流体从回流通道入口进入回流通道，在回流通道中混合后，从回流通道出口流出到第一圆弧通道中。
当然，可以理解的是，流体在流经两条圆弧通道的首端连接处时，被两条宽度不同的圆弧通道分流，通过回流单元中两条不同宽度的圆弧通道，流体的流速存在差异，从而在两个圆弧通道的汇合处形成了扰动漩涡，加剧了流体的不平衡碰撞，提高了混合强度；
通过在宽度较大的第一圆弧通道上设置回流通道，利用康达效应，第一圆弧通道中的一部分流体从回流通道入口进入回流通道，在回流通道中混合后，从回流通道出口流出到第一圆弧通道中，将第一圆弧通道内的流体进一步混合，并提高了第一圆弧通道的流速，增加了在汇合处的碰撞。
作为进一步优选的，所述回流通道为圆弧形；所述回流通道入口的宽度等于第一圆弧通道的宽度，且大于回流通道出口的宽度；所述回流通道的入口端到第一圆弧通道末端的距离小于出口端到第一圆弧通道末端的距离；
需要特别指出的是，回流通道为圆弧形，流体流经回流通道时，由于离心力作用，在靠近壁面处产生二次流，提高了流体的扰动效果；回流通道出口宽度比回流通道入口宽度小，提高了出口处的流速。
进一步的，所述回流部的回流单元依次连通，一个回流单元的第一圆弧通道与下一个回流单元的第一圆弧通道分别位于第一通道的中轴线的两侧；
将两个相邻的回流单元的连接处形成四通结构，并将宽度相同的两个第一圆弧通道设置在不同侧，流体从前一个回流单元到后一个回流单元时的分流的不对称，从而提高扰动效果，通过多次的回流和碰撞，在有限的空间内增加了混合长度，并实现了多次充分混合，进而提高了混合的效率。
结合图1，对微混合器的工作过程叙述如下：
待混合的两种流体分别流经第一入口通道1和第二入口通道2，在直通道3的一端汇合，然后流经直通道后到达第一个回流单元的一端，流体在第一个回流单元的一端被第一圆弧通道和第二圆弧通道分流，一部分流体进入第二圆弧通道，另一部分流体进入第一圆弧通道；
当流体流经第一圆弧通道时，部分流体产生康达效应，进入回流通道入口，在回流通道中混合后，通过回流通道出口流出，回流通道出口狭小，提高了回流通道出口处的流体流速，增加了第一圆弧通道内流体的扰动；
第一圆弧通道内的流体经第一个回流单元末端流出时，与第二圆弧通道末端流出的流体发生碰撞，进一步混合，混合后的流体在第二个回流单元的一端再次被分流，并在第二个回流单元内进行混合后从第二个回流单元末端流出；
从第二个回流单元末端流出的流体在第三个回流单元的一端再次被分流，并在第三个回流单元内进行混合后到达第三个回流单元末端；
第三个回流单元末端的混合流体经过出口通道流出，实现流体的混合。
实施例2
本申请的第二种实施方式中，区别于实施例1：
回流单元中的第一圆弧通道的宽度为D，第二圆弧通道的宽度为0.8D；
回流单元中的回流通道入口宽度为D，回流通道出口宽度为0.5D。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种回流结构被动式微混合器，其特征在于，
包括第一入口通道、第二入口通道、第一通道、回流部和第二通道，所述回流部包括至少三个依次连通的回流单元，所述第一入口通道和第二入口通道均连通第一通道的首端，第一通道的末端通过所述回流部连通第二通道，所述第一通道与第二通道共轴线布置；
所述回流单元包括第一圆弧通道和第二圆弧通道，所述第一圆弧通道和第二圆弧通道以第一通道的中轴线为对称轴，对称布置，第一圆弧通道的首端和第二圆弧通道的首端连通后，连通上一个回流单元或连通第一通道的末端，第一圆弧通道的末端和第二圆弧通道的末端连通后，连通下一个回流单元或连通第二通道；第一圆弧通道的宽度大于第二圆弧通道的宽度；
所述回流单元还包括回流通道，所述回流通道的入口端连通第一圆弧通道的一点，出口端连通第一圆弧通道上的另一点，当流体流经第一圆弧通道时，一部分流体从回流通道入口进入回流通道，在回流通道中混合后，从回流通道出口流出到第一圆弧通道中；
回流通道入口端的宽度大于回流通道的出口端的宽度。
2.如权利要求1所述的回流结构被动式微混合器，其特征在于，所述第一圆弧通道和第二圆弧通道的内圆半径相等。
3.如权利要求1所述的回流结构被动式微混合器，其特征在于，所述回流通道为圆弧形，所述回流通道的入口端到第一圆弧通道末端的距离小于出口端到第一圆弧通道末端的距离。
4.如权利要求3所述的回流结构被动式微混合器，其特征在于，所述回流通道的入口端的宽度等于第一圆弧通道的宽度。
5.如权利要求1所述的回流结构被动式微混合器，其特征在于，所述回流部的回流单元依次连通，一个回流单元的第一圆弧通道与下一个回流单元的第一圆弧通道分别位于第一通道的中轴线的两侧。
6.如权利要求1所述的回流结构被动式微混合器，其特征在于，所述第一入口通道和第二入口通道以第一通道的中轴线为对称轴，对称布置。
7.如权利要求1所述的回流结构被动式微混合器，其特征在于，所述第一入口通道、第二入口通道、第一通道、第二通道和第一圆弧通道的宽度均相等。
8.如权利要求1所述的回流结构被动式微混合器，其特征在于，待混合的两种流体分别注入第一入口通道和第二入口通道，两种流体分别流经第一入口通道和第二入口通道并在第一通道的首端汇合，混合后的流体流经第一通道后进入回流部，在回流部内进一步混合后，到达第二通道，并从第二通道的末端流出。
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