低滞留体积混合腔

摘要

紧凑互作用腔用于引起高剪切、冲击力和气蚀，以减小颗粒尺寸并混合流体同时减少浪费和滞留体积。由不锈钢制成的第一壳体使用热膨胀将入口混合腔部件和出口混合腔部件保持在凹入孔中。入口和出口混合腔部件制造成使得冷却的凹入孔的直径略小于混合腔部件的直径。第一壳体被加热，使凹入孔的直径膨胀到足以使得入口和出口混合腔部件能够被插入。在混合腔部件被插入并对准在凹入孔中时，使得第一壳体冷却。一旦冷却，凹入孔收缩并施加足够的环向应力，以在高剪切力混合期间稳固地保持混合腔部件。

说明书

本申请要求2011年1月7日递交的美国专利申请No.12/986,477的优 先权。

技术领域

本发明一般地涉及高压混合装置和制造这种装置的方法。

背景技术

对于某些药物应用，制造商需要处理并混合昂贵的液体药物以使用最 低可能体积的流体进行测试和生产，从而省钱。目前的混合装置通过在高 压下泵送待混合流体通过包括固定在外壳内的两个混合腔部件的组件，来 进行操作。流体在高压下在两个混合腔部件之间混合，导致高能量耗散。 两个混合腔部件必须保持足够稳固，以承受由这种混合产生的高压和高能 量。在目前的混合腔中，利用保持在高拉伸下的管来稳固两个混合腔部 件，以使得管略微拉长，颈缩效应保持混合腔部件稳固。为以这种方式保 持混合腔部件，管必须相对长，目前的装置较大并且需要很多组成部分。 目前的混合装置的相对大且复杂的构造还意味着被混合流体的滞留体积 大，这导致昂贵混合产品的过度浪费。

附图说明

图1是现有技术混合装置的横截面图。

图2是根据本发明的一个示例性实施例沿着图3的线X-X获取的示例 性组装紧凑互作用腔的横截面图。

图3是根据本发明的一个示例性实施例的组装示例性紧凑互作用腔的 俯视图。

图4是根据本发明的一个示例性实施例沿着图3的线X-X获取的示例 性紧凑互作用腔的第一壳体的横截面图。

图5是根据本发明的一个示例性实施例沿着图3的线X-X获取的示例 性紧凑互作用腔的第二壳体的横截面图。

图6是根据本发明的一个示例性实施例沿着图3的线X-X获取的示例 性紧凑互作用腔的保持部件的横截面图。

图7是根据本发明的一个示例性实施例的示例性紧凑互作用腔的入口 混合腔部件的透视横截面图。

图8是根据本发明的一个示例性实施例的示例性紧凑互作用腔的出口 混合腔部件的透视横截面图。

具体实施方式

本发明一般地涉及使用组件的部件的内力而非施加的转矩来稳固混合 腔部件以使得组件处于拉伸状态并且引起颈缩效应的紧凑互作用腔。紧凑 互作用腔导致需要的部件更少并且尺寸更小。通过减小紧凑互作用腔的尺 寸和复杂性，流路也被缩短，从而减少滞留体积并节约使用该系统的制造 商的宝贵资源，而不会牺牲混合的质量和一致性。

具体地，本发明的紧凑互作用腔除了其他部件之外，还包括：第一壳 体；第二壳体；入口保持部件；出口保持部件；入口混合腔部件；和出口 混合腔部件。当被组装时，入口保持部件和出口保持部件被彼此相对地插 入在第一壳体的第一开口内。入口和出口混合腔部件彼此相邻并且在入口 和出口保持部件之间位于第一开口内。第二壳体被紧固到第一壳体，以使 得第二壳体上的凸出突起被插入到第一开口中，与第二保持部件接触。当 第一和第二壳体被紧固到一起时，第一保持部件和第二保持部件被迫彼此 相对，从而压缩入口和出口保持部件，并适当地将入口和出口混合腔部件 对准在一起。通过由第一开口的内壁施加在入口和出口混合腔部件上的环 向应力进一步固定混合腔部件，以供高压混合，这将在下文更详细地说 明。

现在参照图1，示出现有技术的混合组件。混合组件200包括入口盖 202和出口盖204。入口盖202包括螺纹，该螺纹构造成与出口盖204上的 互补螺纹接合。混合组件200还包括入口流动连接器220、出口流动连接 器222、对准管221、入口保持器224、出口保持器226、入口混合腔部件 228和出口混合腔部件230。

入口流动连接器220布置在入口盖202内，出口流动连接器222布置 在出口盖204内。当组装时，管221使用多个销229保持对准入口流动连 接器220和出口流动连接器222两者。入口保持器224和出口保持器226 布置在管221内，用于对准并保持入口混合腔部件228和出口混合腔部件 230。入口保持器224和出口保持器226分别与入口流动连接器220和出口 流动连接器222接触。

当装置完全组装时，在入口流动连接器220、入口保持器224、入口 混合腔部件228、出口混合腔部件230、出口保持器226和出口流动连接 器222之间形成流路。未混合流体进入入口流动连接器220并行进通过入 口保持器224而到达入口混合腔部件228。在高压下并且由于高能反应， 未混合流体在入口混合腔部件228和出口混合腔部件230之间被混合。混 合流体然后行进通过出口保持器226和出口流动连接器222。

为确保混合腔部件被足够稳固地保持以承受混合的高压和高能量，入 口盖202螺纹接合出口盖204。随着入口盖202和出口盖204上转矩增 大，入口流动连接器220和出口流动连接器222被迫使彼此相对，并且使 管221受拉伸。随着拉伸增大，管略微拉长，经历颈缩效应，从而直径减 小。在入口混合腔部件228和出口混合腔部件230之间正被混合的流体在 非常高的压力下，因此入口盖202和出口盖204必然能够在流动连接器、 保持器和混合腔部件上施加高的力。此外，入口盖202和出口盖204必然 能够使得管221拉长，从而略微减小直径，以沿径向夹紧入口混合腔部件 228和出口混合腔部件230。随着力增大，入口流动连接器220推动入口 保持器224并且出口流动连接器222推动出口保持器226，这继而密封地 压缩入口混合腔部件228和出口混合腔部件230。为实现确保高压下的流 体密封所需要的转矩水平，并且为利用足够的拉伸力拉长管221以保持入 口混合腔部件228和出口混合腔部件230，管必须相对长，因此流动连接 器、入口盖和出口盖必须相应地足够大以容纳更长的管。由于管更长并且 流动连接器和盖更大，从入口流动连接器到出口流动连接器的流路比需要 的更长，因此滞留体积和浪费的流体量比提供可比混合结果的较小装置更 高。

如下所述，在本发明的紧凑互作用腔中，使用来自将两个壳体紧固在 一起的转矩的压缩以及在混合腔部件上的指向径向内部的第一壳体的内壁 的环向应力两者，固定混合腔部件。但是，不是使用需要被拉长以沿径向 保持混合腔部件的管部件，而是在插入混合腔部件之前加热第一壳体，并 且一旦混合腔部件被插入并对准则使第一壳体冷却并收缩。通过利用由于 热膨胀和收缩而施加的第一壳体的环向应力来固定混合腔部件，将混合腔 部件压缩在一起所需要的转矩显著减小。因此，紧凑互作用腔可以减小尺 寸、部件数量和复杂性，这导致滞留体积显著减小。

现在参照图2至图8，示出紧凑互作用腔的一个示例性实施例。图2 示出沿着图3所示的俯视图的线X-X获取的组装的互作用腔组件100的横 截面图。图4详细示出第一壳体102，图5详细示出第二壳体104，图6详 细示出入口/出口保持器108/110。图7详细示出入口混合腔部件112，图8 详细示出出口混合腔部件114。

如图2所示，组装的紧凑互作用腔组件100可以包括大致圆柱形的第 一壳体102和大致圆柱形的第二壳体104。第一壳体102构造成使用任意 充分紧固的技术被可操作地固定到第二壳体104。在图示的示例性实施例 中，第一壳体102利用多个螺栓106被固定到第二壳体104，这些螺栓 106布置成围绕中心轴线A的圆形阵列。应当理解，大致圆柱形的第一壳 体102和大致圆柱形的第二壳体104在组装时共用中心轴线A。

在第一壳体102和第二壳体104之间存在入口保持器108、出口保持 器110、入口混合腔部件112和出口混合腔部件114。入口保持器108布 置成与入口混合腔部件112相邻。入口混合腔部件112布置成与出口混合 腔部件114相邻，出口混合腔部件114布置成出口保持器110相邻。当紧 凑互作用腔组件100被组装时，螺栓106将第一壳体102夹紧到第二壳体 104，从而压缩入口保持器108和出口保持器110之间的入口混合腔部件 112和出口混合腔部件114。

在组装之后，未混合流体流动被引导至第一壳体102的入口116中， 并通过入口保持器108中的开口118。如下文更详细所述，未混合流体流 动然后沿着流路方向被引导通过入口混合腔部件102中的多个小通道。流 体然后沿着与入口混合腔部件112的表面和相邻出口混合腔部件114的表 面平行的方向，流动通过形成于入口混合腔部件102和出口混合腔部件 104之间的多个微通道。当多个微通道汇聚时，流体被混合。混合流体被 引导通过出口混合腔部件104中的多个小通道、通过出口保持器110中的 开口120、并通过第二壳体104的出口122。

应当理解，用于将第一壳体102固定到第二壳体104的多个螺栓106 提供夹紧力，该夹紧力足以压缩入口混合腔部件112和出口混合腔部件 114以使得两个表面之间形成的微通道是流体密封的。但是，由于入口混 合腔部件112和出口混合腔部件114之间产生混合所引起的高压和高能量 耗散，由扭转的螺栓106所施加的压力单独不足以在混合期间使混合腔部 件在第一壳体102的第一开口内保持静止。因此，除了由螺栓106施加的 压力之外，混合腔部件112、114被第一壳体102的第一开口115的内壁 117沿周向保持，这在混合腔部件上施加指向径向内部的大环向应力，如 在下文进一步所述。这种保持和固定的第二点减小压缩力的所需量，以在 高压和高能量混合期间将混合腔部件保持在适当位置。

例如，由于施加到混合腔部件的环向应力，一个实施例中六个螺栓 106中的每一个仅需要100英寸-磅的扭力，以将混合腔部件保持在一起从 而产生密封。但是，如上所述主要使用压缩来稳固混合腔部件的现有技术 装置，倾向于需要显著更高的扭力以将混合腔部件保持在一起从而产生密 封（约130英尺-磅的转矩）。因为现有技术装置使用必须被拉长以减小直 径并夹紧混合腔部件的管部件，所以现有技术装置需要更大的壳体、更多 的部件、并因此需要约0.5ml的更大滞留体积。在本发明的一个实施例 中，混合腔部件被固定在第一壳体的第一开口内，并实现从第一壳体的内 壁施加在混合腔部件的周向上的高环向应力，本发明利用精密配合部件和 热膨胀特性。本发明的紧凑互作用腔的滞留体积是约0.05ml。

现在参照图2中的组装的紧凑互作用腔和图4至图8中所示的每个单 独部件来描述用于组装本发明的紧凑互作用腔的一个实施例的示例性过 程。

首先，如图6所示的入口保持部件108可以被插入到如图4所示的第 一壳体的第一开口中。入口保持部件108具有大致圆柱形状，并且同心地 配合在第一壳体的第一开口内。当插入时，入口保持部件108包括斜表面 130，斜表面130构造成接触第一壳体102的互补斜内表面119。第一壳体 102和入口保持部件108之间的这种斜面配合，确保入口保持部件108在 第一开口内自定心并且适当地正好对齐到第一开口115的内壁117。应当 理解，入口保持部件108包括同心通道132，通道132使得流体能够流过 入口保持部件108。通道132对齐第一壳体102的入口116，未混合流体 从单独部件被泵送通过该通道132进入混合系统中。

第二，第一壳体102可以被加热到至少预定温度，在该预定温度下第 一开口115从第一开口直径膨胀到至少第一开口膨胀直径。在某些示例性 实施例中，第一壳体由不锈钢制成，使用热板或加热不锈钢的任意其他适 合方法来加热第一壳体。在一个这种实施例中，第一壳体被加热到的预定 温度在100°C和130°C之间。应当理解，当第一开口115处于第一直径 时，混合腔部件112、114不能配合在第一开口115内。但是，混合腔部 件112、114经制造并给定公差，以使得在第一壳体102被加热并且第一 直径膨胀到第一膨胀直径时，混合腔部件112、114能够配合在第一开口 115。在一个实施例中，第一膨胀直径比第一直径大0.0001和0.0002英寸 之间。

第三，入口混合腔部件112被插入在第一壳体102的第一开口115 中。入口混合腔部件112的顶表面304构造成与入口保持部件108的底表 面132接触。由于入口保持部件108自对准斜配合表面119和130，所以 当表面304完全接触入口保持部件108的表面132时入口混合腔部件112 也被适当地对准。

第四，出口混合腔部件114被插入在第一壳体102的第一开口115 中。出口混合腔部件114的顶表面310构造成与入口混合腔部件112的底 表面306接触。应当理解在某些实施例中，表面306和表面310包括确保 入口混合腔部件112被适当定向并与出口混合腔部件114对准的互补特 征。例如，在一个实施例中，入口混合腔部件112包括一个或多个突起， 这些突起配合出口混合腔部件114的一个或多个互补凹部，以确保两个混 合腔部件的旋转对准。

第五，一旦混合腔部件112、114被布置在第一壳体102的第一开口 115内，出口保持部件110可以被插入在第一开口115中。出口保持部件 110的结构基本类似于入口保持部件108。与入口保持部件108类似，出 口保持部件110的表面132构造成与出口混合腔部件114的表面312接 触。

第六，第二壳体104与第一壳体102对准，组装的第一和第二壳体被 可操作地固定在一起。如图4所示，第二壳体104包括从顶表面126延伸 的突起125。当第一壳体102与第二壳体104对准时，突起125配合在第 一开口115中。与第一开口115的相对端类似，突起125包括互补斜表面 123，该斜表面123构造成接触出口保持部件110的斜表面130。同样类似 于第一壳体与入口保持器108的接触，突起125的斜表面123确保出口保 持部件110正对开口115的内表面117。当入口保持部件108和出口保持 部件110两者分别通过第一壳体102和第二壳体104的突起125被适当对 准时，入口混合腔部件112和出口混合腔部件114被正确地对准在第一开 口115内。如果混合腔部件112、114有即使很微小的未对准，这些部件 会由于不适当的保持力和混合的高压而被损坏。此外，如果混合腔部件没 有通过保持部件和第一与第二壳体被完全对准，则混合结果的一致性和可 靠性较低。

第七，第一壳体可以被可操作地固定到第二壳体，以使得入口保持 器、入口混合腔部件、出口混合腔部件、出口保持器、和第二壳体的凸出 部件受压缩。在图示的实施例中，六个螺栓106可以用于将第一壳体102 固定到第二壳体104。为确保第一壳体102和第二壳体104之间相对的夹 紧力，螺栓106被间隔开六十度并且到中心轴线A距离相等。如上所述， 六个螺栓106的紧固提供充分的夹紧力，以使入口混合腔部件的表面306 与出口混合腔部件的表面310密封。应当理解，可以使用任意适合的紧固 布置或任意数量的螺栓。

第八，第一壳体能够给从加热状态冷却下来。在各种实施例中，通过 使得第一壳体返回到室温或者利用适合的冷却剂主动地使第一壳体冷却， 使第一壳体冷却下来。当第一壳体被冷却时，第一壳体的材料回缩，第一 壳体膨胀直径被迫回缩到第一壳体直径。因为混合腔部件已经被布置并对 准在第一壳体的第一开口内部，第一壳体的收缩直径在混合腔部件上施加 指向径向内部的数量高的力。这种力结合从六个螺栓106施加的压缩力， 足以将混合腔部件保持在适当位置以进行高压混合。应当理解，混合腔部 件可以由任意适合材料制成，以承受在第一开口直径收缩时施加的30,000 磅每平方英寸的径向向内应力。在一个实施例中，混合腔部件利用99.8% 的氧化铝构造。在另一实施例中，混合腔部件利用聚晶金刚石构造。

现在更具体地返回到图7和图8，讨论和示出对一个示例的混合处理 的更详细说明。在图7中，示出入口混合腔部件112。顶表面304构造成 在入口保持部件108被插入到第一壳体102的第一开口115中时接触入口 保持部件108。入口混合腔部件112包括从表面304朝向底表面306延伸 的多个端口300、302。端口300、302较小，应当理解为举例说明，图7 和图8未按比例绘制。在入口混合腔部件112的底表面306上，蚀刻出多 个微通道308。端口300、302与微通道308流体连通。

在图8中，示出出口混合腔部件114。出口混合腔部件114包括在顶 表面310中蚀刻出的多个微通道318。出口混合腔部件114的表面310上 的微通道318构造成当出口混合腔部件114和入口混合腔部件112对准并 且密封地彼此抵靠时，对准图7的入口混合腔部件112的表面306上的微 通道308。当彼此密封接触时，入口混合腔部件112和出口混合腔部件 314中每一者上的微通道308、318分别产生流体密闭微流路。出口混合腔 部件114还包括多个出口端口314、316，出口端口314、316与微通道 318和出口混合腔部件114的底表面312流体连通。

在操作中，当入口混合腔部件112和出口混合腔部件114被固定并保 持在第一壳体中位于入口保持部件和出口保持部件之间时，表面306与表 面310流体密封。未混合流体被泵送通过第一壳体102的流路116，并通 过入口保持器108而到达入口混合腔部件112。在入口混合腔部件112 处，流体在高压下被泵送到端口300和302中，然后进入多个微通道308 中。由于从流路116到端口300、302再到微通道308的流体出口尺寸减 小，未混合流体上的压力和剪力在流体到达微通道308时变得非常高。如 上所述并且由于入口和出口混合腔部件之间的稳固保持，微通道308和 318组合形成微流路，未混合流体行进通过该微流路。当微流路彼此汇聚 时，高压流体经历剧烈反应，流体的组成部分结果被混合。在流体在微流 路中被混合之后，混合流体行进通过出口混合腔部件114的出口端口 314、316。

应当理解，本发明的紧凑互作用腔组件成功减小形成混合组件的部件 的数量和尺寸，导致制造成本更低并且滞留体积更小，从而浪费更少。除 了节约成本和资源之外，本发明一致且可靠地实施，并且可以有利地构造 成与现有机器一起操作而不需要进行改动。

在本发明的一个示例性实施例中，紧凑互作用腔组件包括具有第一中 心轴线的第一壳体、具有第二中心轴线的第二壳体、第一混合腔部件、第 二混合腔部件和至少一个保持部件。

第一壳体具有位于第一壳体的底表面上的第一开口，第一开口具有第 一开口直径的大致圆柱形形状并且共用第一中心轴线。第一壳体还包括从 第一壳体的顶表面延伸的第一入口突起。第一入口突起包括第一流路并共 用第一中心轴线，第一流路从第一开口延伸穿过第一入口突起。

第二壳体包括位于第二壳体的底表面上的第二入口开口，第二入口开 口共用第二中心轴线。第二壳体还包括从第二壳体的顶表面延伸的第二突 起，第二突起具有第二直径。第二突起包括第二流路，第二流路从第二入 口开口延伸穿过第二突起并共用第二中心轴线。第二壳体构造成被紧固到 第一壳体，以使得第二中心轴线与第一中心轴线共线，并且第二突起构造 成当第一壳体和第二壳体被紧固到一起时延伸到第一开口中。

第一混合腔部件和第二混合腔部件构造成位于第一壳体的第一开口 内。由于第一和第二壳体被紧固在一起，第一混合腔部件的底表面与第二 混合腔部件的顶表面流体密封接触。在第一和第二混合腔部件布置在第一 开口内之后，第一和第二混合腔部件中每一者的外边缘接触第一开口的内 表面，以使得第一和第二混合腔部件沿径向向内受压，从而在第一和第二 混合腔部件中每一者的外边缘和第一开口的内表面之间引起流体密封。至 少一个保持部件构造成位于第一壳体的第一开口内并且接触混合腔部件。 当完全组装时，紧凑互作用腔的滞留体积是0.05ml，相比之下现有技术装 置的滞留体积在约0.5ml级别。

应当理解，对于本领域技术人员来说，对本文描述的优选实施例的各 种改变和修改是显而易见的。可以在不脱离本发明的精神和范围并且不削 弱其优点的情况下，进行这些改变和修改。因此，这些改变和修改由权利 要求书覆盖。