專(zhuān)利名稱(chēng)：用于微型結(jié)構(gòu)的熱交換器的制作方法
用于微型結(jié)構(gòu)的熱交換器優(yōu)先權(quán)本申請(qǐng)要求2008年11月26日提交的題為“用于微型結(jié)構(gòu)的熱交換器(Heat Exchangers For Microstructures)，，的歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)第 08305844. 6 號(hào)的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)涉及用于熱交換器的裝置和方法，所述熱交換器可以用于微流體裝置。發(fā)明_既述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，多層微流體裝置包括至少一個(gè)第一流體路徑和至少一個(gè)第二流體路徑，其中所述第一流體路徑包括所述微流體裝置的層或?qū)拥牟糠?。所述第一路徑包括沿著該第一路徑設(shè)置的多排曲折的壁節(jié)段。所述壁節(jié)段沿著所述第一路徑的方向延伸。所述排沿著對(duì)所述第一路徑為橫路的方向延伸。對(duì)排內(nèi)壁節(jié)段中的相鄰壁節(jié)段進(jìn)行設(shè)置，使得凹形部分朝向節(jié)段中的相鄰節(jié)段的凹形部分，而凸形部分朝向節(jié)段中的相鄰節(jié)段的凸形部分。下面結(jié)合附圖來(lái)描述本發(fā)明的其它的變化和特征。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是微流體裝置10形式的微結(jié)構(gòu)的截面圖；圖2是圖1的微結(jié)構(gòu)或微流體裝置10的另一個(gè)截面圖；圖3是顯示微結(jié)構(gòu)，例如圖1和圖2的微流體裝置10的層32的壁34的設(shè)置的俯視截面圖；圖4是圖3所示的特征的放大的部分俯視圖；圖5是顯示比較熱控制層33的特征的俯視圖；圖6-8是將具有圖3的結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式的性能與具有圖5的比較結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式進(jìn)行比較的圖；圖9是顯示了一種與圖1類(lèi)似的裝置10的層32的另一種實(shí)施方式的設(shè)計(jì)的俯視圖，不同之處在于，層32被分為部分32A和32B。發(fā)明詳述只要有可能，在所有附圖中使用相同的編號(hào)來(lái)表示相同或類(lèi)似的部件。描述為“所希望的”特征是優(yōu)選的，但任選的表示本發(fā)明的各種變化。在本文中，“微結(jié)構(gòu)”表示單件的或者以其他方式通常永久組裝的微流體裝置，所述微流體裝置具有內(nèi)部通道，所述內(nèi)部通道具有數(shù)毫米至亞毫米范圍的至少一個(gè)特征截面尺度；“微型反應(yīng)器”表示用來(lái)進(jìn)行化學(xué)工藝或物理工藝或其組合的裝置，所述裝置包括一個(gè)或多個(gè)微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所揭示的方法和/或裝置通?？捎脕?lái)進(jìn)行任何工藝，所述工藝包括在微型結(jié)構(gòu)中對(duì)流體或流體混合物進(jìn)行混合、分離、萃取、結(jié)晶、沉淀或其它的處理，所述流體混合物包括流體的多相混合物，并包括流體或包括還含有固體的流體的多相混合物的流體混合物。所述處理可以包括物理過(guò)程，化學(xué)反應(yīng)，生物化學(xué)過(guò)程，或者任意其它形式的處理，化
3學(xué)反應(yīng)被定義為導(dǎo)致有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、或者有機(jī)物和無(wú)機(jī)物發(fā)生相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程。以下列出了可以通過(guò)所揭示的方法和/或裝置進(jìn)行的反應(yīng)的非限制性例子氧化；還原；取代；消除；加成；配體交換；金屬交換；以及離子交換。更具體來(lái)說(shuō)，以下列出了可以通過(guò)所揭示的方法和/或裝置進(jìn)行的反應(yīng)的任一非限制性例子聚合；烷基化；脫烷基化；硝化；過(guò)氧化； 磺化氧化；環(huán)氧化；氨氧化；氫化；脫氫；有機(jī)金屬反應(yīng)；貴金屬化學(xué)/均相催化劑反應(yīng)；羰基化；硫羰基化；烷氧基化；鹵化；脫鹵化氫；脫鹵化；加氫甲?；?；羧化；脫羧；胺化；芳基化；肽偶聯(lián)；醇醛縮合；環(huán)化縮合；脫氫環(huán)化；酯化；酰胺化；雜環(huán)合成；脫水；醇解；水解； 氨解；醚化；酶合成；縮酮化(ketalization)；皂化；異構(gòu)化；季銨化；甲?；幌噢D(zhuǎn)移反應(yīng)； 甲硅烷化；腈合成；磷酸化；臭氧分解；疊氮化物化學(xué)；復(fù)分解；氫化硅烷化；偶聯(lián)反應(yīng)；以及酶反應(yīng)。圖1是微流體裝置10形式的微結(jié)構(gòu)的截面圖。所述微流體裝置10可以由多個(gè)基片20組成，通常至少有四個(gè)基片，如圖上部所示，但是如果需要，也可以包括更多基片，總共多達(dá)“η”個(gè)，如圖1中左邊所標(biāo)。在所述多個(gè)基片20的相鄰各對(duì)基片之間，限定了裝置10 的層30，這樣存在多層，通常至少三層，任選可以存在更多層，總共多達(dá)η-1層，如圖1的右邊所標(biāo)。所述基片20互相連接，通過(guò)壁34 (為了便于觀(guān)察，沒(méi)有全部標(biāo)出)互相支承，其中一些被圖中的截面切開(kāi)，用陰影線(xiàn)表示?？?4可以貫穿一個(gè)或多個(gè)所述基片20，提供了通向第一流體路徑40的外部通道，所述第一流體路徑40被限定通過(guò)層30中的一層或多層， 在此實(shí)例中通過(guò)層30中的兩層32。如果需要的話(huà)，也可使用可替換的通道方法，例如通過(guò)壁34的通道。在使用裝置的時(shí)候，第一流體路徑40優(yōu)選用于流過(guò)熱控制流體，但是在一些裝置中，或者用于進(jìn)行一些操作的時(shí)候，也可以用于流過(guò)工藝流體，例如流過(guò)反應(yīng)工藝中的混合物等。圖2是在與圖1的平面平行的不同平面內(nèi)獲得的圖1的微結(jié)構(gòu)或微流體裝置10的另一個(gè)截面圖。在圖2的截面圖中，可以看到孔82提供了通向第二流體路徑50的通道，第二流體路徑50被限定通過(guò)裝置的一層或多層30，在此實(shí)例中是通過(guò)一層31。層31在其兩個(gè)主面上與層32鄰接，通常但并不一定用于反應(yīng)流體或者熱交換所需的其他工藝流體?？梢允褂酶鞣N材料方法形成圖1和圖2所示種類(lèi)的微流體裝置10，包括通過(guò)模塑或其他方式，在玻璃、陶瓷、金屬或其他材料的基片20之間對(duì)含玻璃的玻璃料進(jìn)行成形，形成壁34，然后對(duì)所述玻璃料壁進(jìn)行加熱或“燒制”，使得壁34和基片20粘附在一起， 形成微流體裝置。例如在美國(guó)專(zhuān)利 7，007, 709，Microfluidic Device and Manufacture Thereof (微流體裝置及其制造)中揭示和描沭了這樣的方法,該專(zhuān)利轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的警讓人。圖2的截面圖顯示了一些可替換的成形方法的結(jié)果。在一種可替換的方法中，可以如以下文獻(xiàn)所揭示和描述，對(duì)玻璃或玻璃-陶瓷片或者含玻璃的玻璃料組合物進(jìn)行成形如2007年2月觀(guān)日提交的題為“制造微流體裝置的方法以及通過(guò)該方法制造的裝置 (Method for Making Microfluidic Devices and Devices Produced Thereof) ” 的歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)第07300835號(hào)(轉(zhuǎn)讓給本受讓人)所述，與模具一起加熱；或如2006年3月31 日提交的題為“玻璃和玻璃-陶瓷的粉末注塑(Powder Injection Molding of Glass and Glass-Ceramics)”的美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)第2007-0154666號(hào)(轉(zhuǎn)讓給本受讓人)所述，采用注塑法。如果由玻璃料或者平的玻璃前體在基片20上形成壁34，則固結(jié)的玻璃料材料的薄層22或者模塑的玻璃材料的薄層22可以保留在基片表面上，使得所述薄層22成為裝置10的相應(yīng)的層30的內(nèi)襯，如圖2的上部所示。作為另一種可替換的方法，不采用在基片上模塑， 而是如圖2所示，通過(guò)從頂部算起第四個(gè)基片20和相連的壁34可以將壁34和相鄰的基片作為單件模塑，該基片20和相連的壁34均是固結(jié)的結(jié)構(gòu)M的部分，這樣在預(yù)先形成的通常平坦的物體上設(shè)置或形成其它的結(jié)構(gòu)的意義上，就不需要獨(dú)立的基片。另一種單件模塑的層可以包括相配合的壁Ma，所述相配合的壁3 與壁34相遇并密封。還可以采用任意其它的合適的成形方法形成本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。圖3是如圖1和2所示的裝置的俯視截面圖，圖中顯示了層32的壁34的結(jié)構(gòu)，其包括從一個(gè)孔或入口 64延伸到另一個(gè)孔的流體路徑40。通過(guò)壁34獲取截面，圖中僅顯示了壁34，除端口或孔64，82之外。圖3顯示的層32包括各種壁34。雙層邊界壁M橫向封閉了層32的流體路徑40。 低的長(zhǎng)橢圓形扶壁52圍繞著邊界壁M。在層的角上，雙層環(huán)形壁80圍繞孔82，所述孔提供通向該圖平面以外的其他層的入口。圍繞著各個(gè)孔64呈輻射圖案的低的長(zhǎng)橢圓形壁66 在輸入和輸出端口或孔64的區(qū)域內(nèi)為基片材料提供了額外的支持。位于圖3平面以外的層內(nèi)，例如圖2內(nèi)的第二流體路徑50可以通過(guò)孔82中的一個(gè)或多個(gè)形成通路。所述第一流體路徑40包括層32，該層32包括多排75設(shè)置在其中的曲折的壁節(jié)段72。如圖1所示，所述壁節(jié)段是與限定層32的兩個(gè)基片20連接的壁34。如圖3所示， 曲折的壁節(jié)段72沿著第一路徑40的方向延伸。從圖3和圖4(圖4是顯示圖3中的特征的放大的部分截面俯視圖)可以看到，成排74的壁節(jié)段72沿著對(duì)第一路徑40為橫路的方向延伸，對(duì)排74內(nèi)壁節(jié)段72中的相鄰壁節(jié)段進(jìn)行設(shè)置，使得凹形部分73朝向節(jié)段72中的相鄰節(jié)段的凹形部分73，而凸形部分75朝向節(jié)段72中的相鄰節(jié)段的凸形部分75。從圖3和圖4可以看到，所述節(jié)段72優(yōu)選是S形的，但是也可以采用更長(zhǎng)的曲折形式。各排74的節(jié)段72優(yōu)選相對(duì)于相鄰排74的節(jié)段處于偏移的位置。偏移的量?jī)?yōu)選等于該排74中從一個(gè)節(jié)段72到下一個(gè)節(jié)段72的中心至中心的距離的一半。參見(jiàn)圖4，排74 之內(nèi)，節(jié)段72中的相鄰節(jié)段的面對(duì)的凹形部分73之間的距離96優(yōu)選至少為排74內(nèi)節(jié)段 72中的相鄰節(jié)段的面對(duì)的凸形部分75之間的距離的兩倍。如圖3所示，層32優(yōu)選包括與排74中的第一排相鄰，與排74中的最后一排相鄰的相對(duì)較開(kāi)放的區(qū)域60?？梢酝ㄟ^(guò)在較開(kāi)放區(qū)域60使用采取小圓柱68形式的壁34實(shí)現(xiàn)所述的開(kāi)放，同時(shí)仍然為封閉的層32提供足夠的耐壓性。柱68提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并且提供的流動(dòng)阻力不像由成排74的曲折壁節(jié)段72組成的區(qū)域70的流動(dòng)阻力那么大。因此區(qū)域60 可以作為節(jié)段72的排40的區(qū)域70的低流動(dòng)阻力集流腔和收集器。本發(fā)明的曲折壁節(jié)段72的交錯(cuò)排74通過(guò)在沿著第一路徑40流動(dòng)的流體中產(chǎn)生迪安渦旋和/或其它的二次流動(dòng)，從而將邊界層的厚度減至最小。與比較設(shè)計(jì)相比，由此產(chǎn)生的二次流動(dòng)能夠顯著改進(jìn)微流體裝置10的熱交換性能，同時(shí)壓降僅有適度的增大。還希望通過(guò)限制其中包括流體路徑40的層32的高度33(見(jiàn)圖2)，從而將邊界層減至最小。 其中包括路徑40的層32的高度33優(yōu)選為0. 2-3毫米，更優(yōu)選為0. 2-1. 5毫米，最優(yōu)選為 0. 2-0. 75毫米。所述節(jié)段72的厚度98優(yōu)選為0. 5-1. 5毫米(見(jiàn)圖4)。節(jié)段72中的相鄰節(jié)段的面對(duì)的凸形部分75之間的距離94優(yōu)選為2-4毫米，節(jié)段72中的相鄰節(jié)段的面對(duì)的凹形部分73之間的距離96優(yōu)選為4-8毫米，優(yōu)選至少為距離94的兩倍。相鄰的排74之間的距離92優(yōu)選為1-3毫米。為了比較，對(duì)圖5所示的包括層33的裝置10的以前的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試。在圖5 的裝置中，在圖5的層33中，分段的壁102不是曲折的，不以交錯(cuò)或偏移的排的方式設(shè)置， 而是設(shè)置成引導(dǎo)流體較為平滑地從一個(gè)入口孔或端口 104流向另一個(gè)孔或端口 104。實(shí)驗(yàn)對(duì)圖3所示的包括層32的裝置10以及圖5所示的包括層33的比較裝置10進(jìn)行比較測(cè)試。在這兩個(gè)裝置中，第二流體路徑(圖2的路徑50)的結(jié)構(gòu)基本上相同，層32或 33中的流體與第二流體路徑中的流體之間進(jìn)行熱交換。結(jié)果列于下表。該表顯示了如圖3和圖4所示的包括一層或多層32的本發(fā)明的裝置10與比較裝置相比的相對(duì)特征和性能，所述比較裝置與本發(fā)明的裝置類(lèi)似，但是包括圖5所示的一層或多層33，三種不同的流體在各自的層32，33中流動(dòng)。從表中可以看到，獲得的壓降僅僅相對(duì)增大18% (對(duì)流速為1升/分鐘的水測(cè)得)，傳熱增加高達(dá)40%。更詳細(xì)的測(cè)試結(jié)果示于圖6-8，各個(gè)圖顯示了獲得的體積傳熱系數(shù)(單位為W/ m3K)隨著第一路徑40中的流體流速(單位為毫升/分鐘)而變化。圖6顯示了將乙醇作為路徑40中的流體獲得的結(jié)果，曲線(xiàn)120顯示了包括圖3的結(jié)構(gòu)的本發(fā)明裝置的性能，而曲線(xiàn)110顯示了包括圖5的結(jié)構(gòu)的比較裝置的性能。圖7顯示了將硅油作為流體獲得的結(jié)果，曲線(xiàn)140顯示了包括圖3的結(jié)構(gòu)的本發(fā)明裝置的性能，而曲線(xiàn)130顯示了包括圖5的結(jié)構(gòu)的比較裝置的性能。圖8顯示了使用水獲得的結(jié)果，曲線(xiàn)160顯示了包括圖3的結(jié)構(gòu)的本發(fā)明裝置的性能，而曲線(xiàn)150顯示了包括圖5的結(jié)構(gòu)的比較裝置的性能。從圖6-8可以看到，即使在本發(fā)明裝置中的對(duì)應(yīng)于圖2的高度33的高度略大于比較裝置(見(jiàn)下表)中的高度的情況下，對(duì)于所有三種流體也都獲得了顯著的改進(jìn)。圖9是根據(jù)本發(fā)明的裝置10中的熱控制層32的另一個(gè)實(shí)施方式的設(shè)計(jì)的俯視圖。在圖9所示種類(lèi)的裝置中，可以將單獨(dú)的層32分成兩個(gè)或更多部分，在此實(shí)例中分為部分32A和部分32B，每個(gè)部分32A，32B包括其各自的路徑40A，40B。另外，在部分32A中， 路徑40A在層32的不同部分可以處于不同的方向。獨(dú)立的部分32A和32B可以使得在熱控制層32的不同部分(并因此在裝置10的不同部分)中保持不同的溫度。獨(dú)立的部分還使得在裝置10的不同部分中產(chǎn)生不同的熱分布曲線(xiàn)，或者在不同的方向產(chǎn)生熱分布曲線(xiàn)， 或者同時(shí)實(shí)現(xiàn)此兩種效果。
權(quán)利要求
1.一種多層微流體裝置[10]，其包括至少一條第一流體路徑W0，40A，40B]和至少一條第二流體路徑[50]，其中所述第一流體路徑W0，40A，40B]包括所述微流體裝置[10]的一個(gè)層[32]或者一個(gè)層的一部分[32A，32B]，所述第一路徑W0，40A，40B]包括沿著該第一路徑設(shè)置的多排[74]曲折的壁節(jié)段[72]，所述壁節(jié)段[72]沿著所述第一路徑W0，40A， 40B]的方向延伸，所述排[74]沿著對(duì)所述第一路徑W0，40A，40B]為橫路的方向延伸，對(duì)排 [74]內(nèi)壁節(jié)段[72]中的相鄰壁節(jié)段進(jìn)行設(shè)置，使得凹形部分[73]朝向節(jié)段[72]中的相鄰節(jié)段的凹形部分[73]，而凸形部分[75]朝向節(jié)段[72]中的相鄰節(jié)段的凸形部分[75]。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述節(jié)段[72]是S形的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，各排[74]的節(jié)段[72]處于相對(duì)于相鄰排[74]的節(jié)段[72]偏移的位置。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，各排[74]的節(jié)段[72]相對(duì)于相鄰排[74] 的節(jié)段[72]處于偏移的位置，所述偏移的量為該排[74]內(nèi)從一個(gè)節(jié)段[72]到下一個(gè)節(jié)段 [72]的距離的一半。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的裝置，其還包括與所述排[74]中的第一排相鄰的第一相對(duì)較開(kāi)放的區(qū)域W0]。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的裝置，其還包括與所述排[74]中的最后一排相鄰的第二相對(duì)較開(kāi)放的區(qū)域W0]。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述路徑W0，40A，40B]的層 [32]或?qū)拥囊徊糠諿32A，32B]的高度[33]為0. 2-1. 5毫米。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述路徑W0，40A，40B]的層[32]或?qū)拥囊徊糠諿32A，32B]的高度[33]為0. 2-0. 75毫米。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述節(jié)段[72]的厚度[98]為 0. 5-1. 5 毫米。
10.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，節(jié)段[72]中的相鄰節(jié)段的相向的凹形部分[73]之間的距離[96]至少為該排[74]內(nèi)節(jié)段[72]中的相鄰節(jié)段的相向的凸形部分[75]之間的距離[94]的兩倍。
全文摘要
一種多層微流體裝置[10]，其包括至少一條第一流體路徑[40，40A，40B]和至少一條第二流體路徑[50]，其中所述第一流體路徑[40，40A，40B]包括所述微流體裝置[10]的層[32]或者層的一部分[32A，32B]。所述第一路徑[40，40A，40B]包括沿著該第一路徑設(shè)置的多排[74]曲折的壁節(jié)段[72]。所述壁節(jié)段[72]沿著所述第一路徑[40]的方向延伸。所述排[74]沿著對(duì)所述第一路徑[40，40A，40B]為橫路的方向延伸。對(duì)排[74]內(nèi)壁節(jié)段[72]中的相鄰壁節(jié)段進(jìn)行設(shè)置，使得凹形部分[73]朝向節(jié)段[72]中的相鄰節(jié)段的凹形部分[73]，而凸形部分[75]朝向節(jié)段[72]中的相鄰節(jié)段的凸形部分[75]。
文檔編號(hào)H05K7/20GK102293075SQ200980155843
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2009年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月26日
發(fā)明者E·D·拉夫瑞克 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司