本发明涉及换热器领域，尤其是涉及两种流体直接混合换热的换热装置，具体涉及一种微通道换热装置。
背景技术：
微通道换热器是一种新型高效换热器，具有传热效率高、体积小、重量轻、充注量少等优点，早已在各个领域大批量推广应用。1981年，tuckerman和pease提出了微通道散热器的概念；1985年，swife，migliori和wheatley研制出了用于两流体热交换的微通道换热器。随着微制造技术的发展，人们已经能够制造水力学直径10-1000μm通道所构成的微尺寸换热器。1986年cross和ramshaw研制了微尺寸换热器，体积换热系数达到7mw/(m3·k)；1994年friedrich和kang研制的微尺度换热器体积换热系数达45mw/(m3·k)；2001年，jiang等提出了微热管冷却系统的概念，该微冷却系统实际上是一个微散热系统，由电子动力泵、微冷凝器、微热管组成。
微通道换热器按外形尺寸可分为微型微通道换热器和大尺度微通道换热器。微型微通道换热器是为了满足电子工业发展的需要而设计的一类结构紧凑、轻巧、高效的换热器，其结构形式有平板错流式微型换热器、烧结网式多孔微型换热器。大尺度微通道换热器主要应用于传统的工业制冷、余热利用、汽车空调、家用空调、热泵热水器等。其结构形式有平行流管式散热器和三维错流式散热器。由于外型尺寸较大(达1.2m×4m×25.4mm)，微通道水力学直径在0.6mm-1mm以下，故称为大尺度微通道换热器。
设备的微型化、过程集成化是科学技术的发展方向，微化工技术是20世纪90年代初兴起的新的科技领域，并由于其超强的传热、传质能力，在化学、化工、能源、环境等领域得到了广泛的应用。针对不同的应用背景，利用微加工技术制造出的微型化工系统，派生出了各种功能的微化工器件，如微全分析系统、微换热器、微混合器、微反应器等。其中，微混合器作为微化工技术中的重要组成部分，可以在流体进行化学反应时，实现对两股或多股流体的有效混合。特别是在一些生化分析中，需要在极短的时间内将两种试剂完全混合，微混合器的混合时间可以控制在亚毫秒范围内。同时，微混合器减少了样品和试剂的消耗，大幅度提高了反应过程中资源和能量的利用效率，可以节省一些珍贵试剂的使用。
微混合器通道结构在微米量级，因此流动的雷诺数(re)很小，流体的流动表现为典型的层流流动，分层的流动状态使不同流体间的混合只局限于界面处的分子扩散，混合过程非常缓慢，混合困难且效果差。为了实现不同流体的高效混合，微混合器分为两类：主动式和被动式。主动混合技术需要外部能量来搅动液体样品以实现快速混合。此外，主动混合装置需要额外的控制系统，结构更复杂且操作难度更大。而被动装置不需要外部扰动，主要通过优化设计微通道的结构改变流体的运动轨迹，打破流体的层流状态，完成混合，具有结构简单、加工便捷、运行稳定、易于集成等优势。通过在微通道中嵌入障碍物，分裂、拉伸、折叠和破坏流体的流动形态，强化对流，实现不同流体的高效混合。
技术实现要素：
本发明旨在设计一种新型的被动式微通道换热装置，在无需主动方法进行辅助的条件下实现两流体的高效混合换热，通道结构简单、操作方便易于批量加工制作。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种强化两种微流体混合的微通道换热装置，所述装置包括第一流体通道、第二流体通道和混合通道；所述第一流体通道和第二流体通道的出口与混合通道的进口连接，第一流体通道、第二流体通道与混合通道倾斜设置，所述混合通道内壁上设置多个楔形结构，所述楔形结构的延伸方向与流体流动方向相反。
作为优选，所述的第一流体通道、第二流体通道和混合通道是扁平管结构，所述扁平管包括相对设置的宽平面壁面以及相对设置的与宽平面壁面相连接的窄平面壁面，所述锲形结构设置在窄平面壁面的内壁上，从窄平面壁面的内壁向混合通道内部延伸；前壁和后壁从宽平面壁面内壁延伸到相对设置的宽平面壁面内壁。
作为优选，楔形结构包括从内壁延伸的前壁和后壁，其中前壁的长度小于后壁，前壁和后壁的交点朝向流体的来流方向。
作为优选，第一流体通道、第二流体通道和混合通道每两个之间的中心线夹角为120°。
作为优选，沿着流体的流动方向，混合通道内壁设置多排楔形结构，相邻排的锲形结构错列分布。
作为优选，沿着流体的流动方向，混合通道内壁设置多个楔形结构，沿着流体的流动方向，锲形结构的分布密度越来越大。
作为优选，沿着流体的流动方向，混合通道内壁设置多个楔形结构，沿着流体的流动方向，锲形结构的尺寸越来越大。
作为优选，前壁的长度l1，后壁的长度l2，前壁与内壁的夹角是a1，后壁与内部的夹角是a2，沿着流体的流动方向上相邻楔形结构的间距s，满足如下要求：
y＝a b*x-c*x2，其中y＝(l1 l2)/s，x＝sin(a2)/sin(a1)；
作为优选，0.5568<a<0.5572，0.1338<b<0.1340，0.3550<c<0.3554；
作为优选，0.35<x<0.75，0.46<y<0.56，45<a1<75°，15<a2<45°，275<s<345微米，70<l2<130微米，30<l2<90微米。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明提供了一种新的微通道换热装置，通过在在混合通道内设置楔形结构，所述楔形结构的延伸方向与流体流动方向相反，对流体产生干扰，打破流体流动的层流状态；由于楔形结构的存在，流体内部会形成涡流，从而加强了换热器的混合效果，使得两种流体快速达到温度均衡和混合均匀。
2)通过设置锲形结构的分布密度和尺寸变化，能够一方面促进流体在开始就进行充分混合，使得混合流体充分利用传导在整个流体流动过程中进行换热，进一步促进换热均匀，而且还能节省材料和成本。
3)本发明对微通道换热装置的楔形结构进行优化，以达到最优的混合效果和换热效果。
附图说明：
图1为本发明微混合换热器的三维结构示意图；
图2为本发明微混合换热器的二维结构示意图；
图3为典型y型通道中两流体混合效果；
图4为带有楔形结构的y型通道中两流体混合效果；
图5新型微混合器玻璃芯片实物图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图1公开了一种强化两种微流体混合的微通道换热装置。如图1所示，所述装置包括第一流体通道1、第二流体通道2和混合通道3；所述第一流体通道1和第二流体通道2的出口与混合通道3的进口连接，第一流体通道1、第二流体通道2与混合通道3倾斜设置，所述混合通道3内壁上设置多个楔形结构4-7，所述楔形结构的延伸方向与流体流动方向相反。当然，图1中仅仅是示意性的示出了四个锲形结构，实际上不限于图1中的数量。
因为微混合器通道结构在微米量级，因此流动的雷诺数(re)很小，流体的流动表现为典型的层流流动，分层的流动状态使不同流体间的混合只局限于界面处的分子扩散，混合过程非常缓慢，混合困难且效果差，从而导致两种流体混合换热的效果也比较差。本发明提供了一种新的微通道换热装置，通过在在混合通道内设置楔形结构，对流体产生干扰，打破流体流动的层流状态；由于楔形结构的存在，流体内部会形成涡流，从而加强了换热器的混合效果，使得两种流体快速达到温度均衡和混合均匀。
作为优选，楔形结构4包括从内壁延伸的前壁41和后壁42，其中前壁41的长度小于后壁42，前壁和后壁的交点43朝向流体的来流方向。通过设置两个壁长不一样的楔形结构，进一步促进混合效果，使得两种流体快速达到温度均衡和混合均匀。
作为优选，第一通道、第二通道和混合通道的横截面是长方形。
作为优选，第一流体通道1、第二流体通道2和混合通道3的每两个之间的中心线夹角为120°。通过设置这一角度，使得流体进口混合效果达到最贱，促进流体冲击混合效果，同时又能使得流体快速的沿着混合通道流动，减小流动阻力。
作为优选，沿着流体的流动方向，混合通道3内壁设置多个楔形结构4，相邻的锲形结构错列分布。通过错列分布，使得上层或者下层的不同流体分别的引导进入下层或者上层，从而促进流体的充分混合。
作为优选，如图1所示，所述的第一流体通道1、第二流体通道2和混合通道3是扁平管结构，所述扁平管包括相对设置的宽平面壁面以及相对设置的与宽平面壁面相连接的窄平面壁面，所述锲形结构设置在窄平面壁面的内壁上，从窄平面壁面的内壁向混合通道3内部延伸。前壁和后壁从宽平面壁面内壁延伸到相对设置的宽平面壁面内壁。
作为优选，沿着流体的流动的方向，混合通道内壁设置多个楔形结构，沿着流体的流动相反方向，锲形结构的分布密度越来越大。通过设置锲形结构的分布密度，能够一方面促进流体在开始就进行充分混合，使得混合流体充分利用传导在整个流体流动过程中进行换热，进一步促进换热均匀，而且还能节省材料和成本。
进一步优选，沿着流体的流动相反方向，锲形结构的分布密度越来越大的幅度不断增加。通过上述设置，能够进一步存进流体的混合和换热，进一步促进换热均匀，进一步节省材料和成本
作为优选，锲形结构是相似形。
作为优选，沿着流体的流动方向，混合通道内壁设置多个楔形结构，沿着流体的流动的相反方向，锲形结构的尺寸越来越大。通过设置锲形结构的尺寸变化，能够一方面促进流体在开始就进行充分混合，使得混合流体充分利用传导在整个流体流动过程中进行换热，进一步促进换热均匀，而且还能节省材料和成本。
进一步优选，沿着流体的流动相反方向，锲形结构的尺寸越来越大的幅度不断增加。通过上述设置，能够进一步存进流体的混合和换热，进一步促进换热均匀，进一步节省材料和成本。
通过大量的数值模拟和实验研究发现，锲形结构的角度以及尺寸对于换热以及混合均匀具有很大的影响，锲形结构夹角偏小，会导致混合效果变差，而且导致锲形尺寸过大，影响流动阻力，锲形夹角偏大，或导致搅动流体效果不好，混合效果变差，锲形的间距过大，会导致扰流效果不好，间距过小会导致增加运动阻力，因此本申请通过大量的数据模拟和实验得到了最近的锲形结构尺寸优化关系。
作为优选，前壁的长度l1，后壁的长度l2，前壁与内壁(窄平面壁面内壁)的夹角是a1，后壁与内壁(窄平面壁面内壁)的夹角是a2，沿着流体的流动方向上相邻楔形结构的间距s，即同一侧相邻锲形结构的交点43在内壁垂点之间的距离，满足如下要求：
y＝a b×x-c×x2，其中y＝(l1 l2)/s，x＝sin(a2)/sin(a1)；
作为优选，0.5568<a<0.5572，0.1338<b<0.1340，0.3550<c<0.3554；
由上述各式可以进行锲形结构的最优的设计要求。上述的结构优化公式是本发明的一个主要改进点，是通过大量的数值模拟和实验研究的出来的最有的优化公式，并不是本领域的公知常识。
作为优选，0.35<x<0.75，0.46<y<0.56，45°<a1<75°，120°<a2<150°，275μm<s<345μm，50μm<l1<70μm，57μm<l2<100μm。
作为优选，第一通道、第二通道和混合通道的横截面是长方形，其中长方形的长度是150μm，长方形的宽度是40μm。
作为优选，第一通道、第二通道的长度是280μm-320μm，混合通道的长度是1100μm-1200μm。
待混合的两种流体进入到混合通道4内，经楔形结构后，形成旋涡破坏了原本的层流状态，不断地进行混合。多个楔形结构交替布置，待混合流体分别在楔形结构之间形成涡流，增强了混合效果。
作为优选，所述的锲形结构是通过在混合通道外壁冲压形成。
作为优选，所述的锲形结构和混合通道一体铸造成型。
作为一个可选的方案，本申请要求保护一种如图1-5所述的混合器，即流体进行充分混合，参与混合两种流体温度可以相同。温度不同的情况下就是混合换热的换热器。
该装置相比一些三维微混合装置，结构更简单，更容易加工制作，便于大规模生产配置组装；仅仅作为混合器的时候，在材料选择上，该通道的制作既可以采用比较常用的pdms材质，又可采用玻璃材质，由于楔形结构的存在使得流体产生涡流，能够强化流体混合的效果。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
1.一种强化两种微流体混合的微通道换热装置，所述装置包括第一流体通道、第二流体通道和混合通道；所述第一流体通道和第二流体通道的出口与混合通道的进口连接，第一流体通道、第二流体通道与混合通道倾斜设置，所述混合通道内壁上设置多个楔形结构；所述楔形结构的延伸方向与流体流动方向相反。
2.如权利要求1所述的换热装置，其特征在于，所述的第一流体通道、第二流体通道和混合通道是扁平管结构，所述扁平管包括相对设置的宽平面壁面以及相对设置的与宽平面壁面相连接的窄平面壁面，所述锲形结构设置在窄平面壁面的内壁上，从窄平面壁面的内壁向混合通道内部延伸；前壁和后壁从宽平面壁面内壁延伸到相对设置的宽平面壁面内壁。
3.如权利要求1所述的换热装置，其特征在于，楔形结构包括从内壁延伸的前壁和后壁，其中前壁的长度小于后壁，前壁和后壁的交点朝向流体的来流方向。
4.如权利要求1所述的换热装置，其特征在于，第一流体通道、第二流体通道和混合通道每两个之间的中心线夹角为120°。
5.如权利要求1所述的换热装置，其特征在于，沿着流体的流动方向，混合通道内壁设置多排楔形结构，相邻排的锲形结构错列分布。
6.如权利要求1所述的换热装置，其特征在于，沿着流体的流动方向，混合通道内壁设置多个楔形结构，沿着流体的流动方向，锲形结构的分布密度越来越大。
7.如权利要求1所述的换热装置，其特征在于，沿着流体的流动方向，混合通道内壁设置多个楔形结构，沿着流体的流动方向，锲形结构的尺寸越来越大。
8.如权利要求1所述的换热装置，其特征在于，前壁的长度l1，后壁的长度l2，前壁与内壁的夹角是a1，后壁与内壁的夹角是a2，沿着流体的流动方向上相邻楔形结构的间距s，满足如下要求：
y＝a b×x-c×x2，其中y＝(l1 l2)/s，x＝sin(a2)/sin(a1)；
0.5568<a<0.5572，0.1338<b<0.1340，0.3550<c<0.3554；
0.35<x<0.75，0.46<y<0.56，45°<a1<75°，120°<a2<150°，275μm<s<345μm，50μm<l1<70μm，57μm<l2<100μm。
技术总结