[发明专利]利用汽泡微细化沸腾加强流体混合的微小型混合装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微小型流体混合装置，特别是利用汽泡微细化沸腾现象加强微小型管道中分层流体混合的装置。主要用于化学分析、生物及化学传感、分子分离、核酸排序及分析环境监测等领域的微小型流体混合装置。

背景技术

微小型混合装置是指实现不同流体在微小型通道内混合的微流控器件系统，其目的是降低流体的非均匀性。由于在化工、生物、医药、生物化学和微电子等领域中，微小管道内的换热和流动正被越来越多的科研人员关注与研究。由于微通道尺寸很小，大约在0.01mm到10mm范围内，因此造成雷诺数Re=uL/ν通常小于100，式中u表示流体的流速，L表示特征长度，ν表示流体的运动粘度。这就造成了微小通道内流体流动状态多呈层流流动。

随着微小通道内化工单元操作化学反应以及生化分析研究的深入，微小通道内流体的混合技术已经成为未来微通道发展中及其重要的一项研究。但是由于微通道内流体流动大多为层流流动，因此微通道内流体混合无法依靠湍流流动来实现。为解决微小通道内流体的混合以及其混合的快速性和均匀性等问题，微小混合装置的研究必将获得更为广阔的发展空间。

微小混合装置根据有无动力源可分为静态和动态两种。静态微混合装置主要依靠改变混合器中微小型管道的自身结构的特征来增加微流体的有效接触面积或者产生涡旋来增强扩散或者流体的扰动，提高流体的混合效果。目前的静态微混合装置主要包括T型微混合器、混沌微混合器、并行迭片微混合器、串联迭片微混合器、多交互薄层微混合器等。动态微混合装置主要通过微型反应器或外加力场来实现分层流体的混合。目前的动态微混合装置主要包括磁力搅拌型微混合器、超声波促进型微混合器、电场促进型微混合器、脉冲扰动微混合器、热扰动微混合器等。

对于现有的静态混合装置，其混合流体仅仅依靠分子扩散，因此造成静态混合装置混合时间过长，混合效果差，且容易引起管道内的堵塞。对于超声波、电场、磁力等驱动方式实现的动态微混合装置其缺点是驱动电压偏高，与微器件的功率不匹配，生产成本较高，只适合于有极性或磁性的液体等。因此目前大多数的微混合装置在应用上都受到了很大的约束。

从1981年日本学者Inada等人（S.Inada,Y.Miyasaka,R.Izumi,et al.,A study on boiling curves in subcooled pool boiling(4th Report;Heat transfer mechanism in transition boiling),Transaction of JSME47(423),1981,pp.2199–2208）首次在论文中发表关于汽泡微细化沸腾的研究到现在，关于其的研究还处于比较初级的阶段，但是该现象所带来的应用前景确是异常广泛的。Suzuki等人（K.Suzuki,T.Kokubu,M.Nakano,H.Kawamura,I.Ueno,H.Shida,O.Ogawa,Enhancement of heat transfer in subcooled flow boiling with microbubble emission,Experimental Thermal and Fluid Science29(2005),pp.827–832.）进行了大量流通沸腾条件下的汽泡微细化沸腾实验，而上海交通大学的郑平和王国栋（G.D.Wang,P.Cheng,Subcooled flow boiling and microbubble emission boiling phenomena in a partially heated microchannel,International Journal of Heat and Mass Transfer52,2009,pp.79–91）首次成功实现了微通道内的汽泡微细化沸腾现象。以上学者们的实验，都为微小通道内利用汽泡微细化沸腾加强分层流体的混合提供了实验基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用汽泡微细化沸腾实现快速、高效的加强流体混合的利用汽泡微细化沸腾加强流体混合的微小型混合装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括汽泡微细化沸腾加热部、微小型混合通道、水箱、温度控制箱、泵、流量计、混合液蓄水箱及废液水箱，所述微小型混合通道为人字形微管道即包括两个入口和一个出口，两个水箱分别连接微小型混合通道的两个入口，微小型混合通道的一个出口连接混合液蓄水箱及废液水箱，汽泡微细化沸腾加热部固定在微小型混合通道外，两个水箱与微小型混合通道的连接管道上设置温度控制箱、泵和流量计。