一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器

本发明涉及化工微流体混合领域，尤其涉及一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器。

背景技术：

1、微混合器被用于实现微流体系统中样品间的快速均匀混合。随着微流体和微制造技术的发展，微混合器被用于医学检测、化学反应、药物合成等各种领域。相比于宏观反应系统，由于尺度的大幅缩小，微流体系统具有反应效率高、灵敏度高、精度高、消耗试剂少等优势。反应物之间的充分混合，使产物更加稳定均匀。在一些特定情况下，还可通过控制混合时间调节产物的粒径分布。而鉴于其高灵敏度、高精度及微量化试剂的特征，微混合器在检测领域展现出巨大的潜力。

2、根据其混合机制，微混合器可分为主动式和被动式两种。主动式微混合器利用外部能量场，如电场、磁场、声场、热场和压力场等来影响流体状态。这种方式十分有效且灵活，因此主动式微混合器具有广泛的前景。但主动式微混合器需要植入使外场生效的组件，通常具有更加复杂的结构，不易制造。并且外部能量场对流体状态也会有升温等不利影响。被动式混合器则是依靠其特殊的几何结构来影响流体状态，如涡旋、拉伸、折叠流体等。被动式微混合器结构简单、体积小。但混合条件相对来说更严格，且对流体状态的影响程度通常不如主动式微混合器。

3、微混合器内通常处于层流状态，雷诺数较小。在无特殊设计的情况下，混合通常以扩散为主，效果不佳。通过设计微混合器的结构，以增大流体间的接触面积，可以有效促进混合。被动式微混合器常见的混合形式包括：1.增加截面面积，缩短扩散距离；2.分散再汇合，诱导流体碰撞形成迪恩涡；3.设置挡板，改变流向，产生分离涡；4.基于收缩和膨胀效应形成膨胀涡；5.改变流体流向和流形，形成漩涡流。现有的被动式混合器通常为平面结构，且存在混合时间长、混合效果不佳等问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器。

2、用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器为立体结构，包括两个处于同一水平面且互相平行的方形进口管，一个垂直于进口管平面的圆形出口管和一个主体混合区；

3、所述主体混合区是由外侧面、内侧面、顶面包围而成的空腔，其中，内侧面为倒置的圆锥面，顶面为圆环面，外侧面至上而下包括相互连接的一段圆柱面和一段圆台面；所述圆锥面、圆环面、圆柱面、圆台面的中心轴线共线，圆环面水平布置，其内圈与所述倒置的圆锥面的底面相连；所述圆柱面与圆环面的外圈相连；所述圆台面至上而下直径渐缩，圆台面锥角与圆锥面锥角相同，均为α；圆台面的下底面开口与圆形出口管相连；

4、两个所述方形进口管安装在所述圆柱面上，方形进口管与圆柱面相切，方形进口管与主体混合区相连通，圆柱面高度与方形进口管高度相同。

5、作为本发明的优选方案，所述圆环面内圈直径d3与倒置的圆锥面的底面直径相等，外圈直径d2与圆柱面的直径相等。

6、作为本发明的优选方案，所述圆台面与圆锥面的锥角α范围为：90°-140°

7、作为本发明的优选方案，所述方形进口管与圆形出口管的水力直径相等。

8、作为本发明的优选方案，方形进口管与圆形出口管的水力直径为d1，0.5mm<d1<2mm。

9、作为本发明的优选方案，圆环面的外圈直径为d2，内圈直径为d3，10mm<d3<d2<20mm。

10、作为本发明的优选方案，进口管长度以与主体混合区相切的外平面长度计，其长度为l1，l1≥5*d1，d1为方形进口管的水力直径。

11、作为本发明的优选方案，出口管长度l2≥0.5*(d2-d1)*cot(α/2)，d1为圆形出口管的水力直径，d2为圆环面的外圈直径。

12、本发明主体混合区圆台侧面与圆锥体的侧面形成曲面平行关系。该微混合器的剖面近似于y型。

13、本发明的优点是：

14、1.本发明利用螺旋流改变流体的流向与流形，通过立体结构增大流体流动时的接触面积。在主混合区设置圆锥形凹槽(由倒置的圆锥形内侧面所形成)，进一步引导流体的流向的同时，流向与流形的改变使流体在主混合区内部形成漩涡流，增加了流体间的接触，有效促进了混合，提高了混合效果。

15、2.本发明结构简单，仅包括进口管、出口管与主体混合区，易制造；无死区，混合过程压降小，能量损失少。

技术特征：

1.一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，所述微混合器为立体结构，包括两个处于同一水平面且互相平行的方形进口管，一个垂直于进口管平面的圆形出口管和一个主体混合区；

2.根据权利要求1所述一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，所述圆环面内圈直径d3与倒置的圆锥面的底面直径相等，外圈直径d2与圆柱面的直径相等。

3.根据权利要求1所述一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，所述圆台面与圆锥面的锥角α范围为：90°-140°。

4.根据权利要求1所述一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，所述方形进口管与圆形出口管的水力直径相等。

5.根据权利要求4所述一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，方形进口管与圆形出口管的水力直径为d1，0.5mm<d1<2mm。

6.根据权利要求5所述一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，圆环面的外圈直径为d2，内圈直径为d3，10mm<d3<d2<20mm。

7.根据权利要求4所述一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，进口管长度以与主体混合区相切的外平面长度计，其长度为l1，l1≥5*d1，d1为方形进口管的水力直径。

8.根据权利要求4所述一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，出口管长度l2≥0.5*(d2-d1)*cot(α/2)，d1为圆形出口管的水力直径，d2为圆环面的外圈直径。

技术总结
本发明公开了一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，涉及化工微流体混合领域。所述微混合器为立体结构，包括两个处于同一水平面且互相平行的方形进口管、一个垂直于进口管平面的圆形出口管和一个主体混合区；所述主体混合区是由外侧面、内侧面、顶面包围而成的空腔，两个所述方形进口管与主体混合区相切，方形进口管与主体混合区相连通。流体通过进口管进入主体混合区，螺旋向下，冲撞混合，最终从出口处流出。本混合器内流体通过螺旋流动，不断改变流向与流形，产生漩涡流以提升混合效果。

技术研发人员：吴可君,李丹龙,何宇晨
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4