專利名稱：用于微型結構的熱交換器的制作方法
用于微型結構的熱交換器優(yōu)先權本申請要求2008年11月26日提交的題為“用于微型結構的熱交換器(Heat Exchangers For Microstructures)，，的歐洲專利申請第 08305844. 6 號的優(yōu)先權。
背景技術：
本申請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_既述根據本發(fā)明的一個方面，多層微流體裝置包括至少一個第一流體路徑和至少一個第二流體路徑，其中所述第一流體路徑包括所述微流體裝置的層或層的部分。所述第一路徑包括沿著該第一路徑設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。所述排沿著對所述第一路徑為橫路的方向延伸。對排內壁節(jié)段中的相鄰壁節(jié)段進行設置，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。下面結合附圖來描述本發(fā)明的其它的變化和特征。附圖簡要說明

圖1是微流體裝置10形式的微結構的截面圖；圖2是圖1的微結構或微流體裝置10的另一個截面圖；圖3是顯示微結構，例如圖1和圖2的微流體裝置10的層32的壁34的設置的俯視截面圖；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的結構的微結構的實施方式的性能與具有圖5的比較結構的微結構的實施方式進行比較的圖；圖9是顯示了一種與圖1類似的裝置10的層32的另一種實施方式的設計的俯視圖，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來表示相同或類似的部件。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，“微結構”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部通道，所述內部通道具有數毫米至亞毫米范圍的至少一個特征截面尺度；“微型反應器”表示用來進行化學工藝或物理工藝或其組合的裝置，所述裝置包括一個或多個微結構。本發(fā)明所揭示的方法和/或裝置通?？捎脕磉M行任何工藝，所述工藝包括在微型結構中對流體或流體混合物進行混合、分離、萃取、結晶、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程，化學反應，生物化學過程，或者任意其它形式的處理，化
3學反應被定義為導致有機物、無機物、或者有機物和無機物發(fā)生相互轉化的過程。以下列出了可以通過所揭示的方法和/或裝置進行的反應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。更具體來說，以下列出了可以通過所揭示的方法和/或裝置進行的反應的任一非限制性例子聚合；烷基化；脫烷基化；硝化；過氧化； 磺化氧化；環(huán)氧化；氨氧化；氫化；脫氫；有機金屬反應；貴金屬化學/均相催化劑反應；羰基化；硫羰基化；烷氧基化；鹵化；脫鹵化氫；脫鹵化；加氫甲?；霍然?；脫羧；胺化；芳基化；肽偶聯；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；異構化；季銨化；甲?；?；相轉移反應； 甲硅烷化；腈合成；磷酸化；臭氧分解；疊氮化物化學；復分解；氫化硅烷化；偶聯反應；以及酶反應。圖1是微流體裝置10形式的微結構的截面圖。所述微流體裝置10可以由多個基片20組成，通常至少有四個基片，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“η”個，如圖1中左邊所標。在所述多個基片20的相鄰各對基片之間，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η-1層，如圖1的右邊所標。所述基片20互相連接，通過壁34 (為了便于觀察，沒有全部標出)互相支承，其中一些被圖中的截面切開，用陰影線表示?？?4可以貫穿一個或多個所述基片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被限定通過層30中的一層或多層， 在此實例中通過層30中的兩層32。如果需要的話，也可使用可替換的通道方法，例如通過壁34的通道。在使用裝置的時候，第一流體路徑40優(yōu)選用于流過熱控制流體，但是在一些裝置中，或者用于進行一些操作的時候，也可以用于流過工藝流體，例如流過反應工藝中的混合物等。圖2是在與圖1的平面平行的不同平面內獲得的圖1的微結構或微流體裝置10的另一個截面圖。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被限定通過裝置的一層或多層30，在此實例中是通過一層31。層31在其兩個主面上與層32鄰接，通常但并不一定用于反應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所示種類的微流體裝置10，包括通過模塑或其他方式，在玻璃、陶瓷、金屬或其他材料的基片20之間對含玻璃的玻璃料進行成形，形成壁34，然后對所述玻璃料壁進行加熱或“燒制”，使得壁34和基片20粘附在一起， 形成微流體裝置。例如在美國專利 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,該專利轉讓給本發(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果。在一種可替換的方法中，可以如以下文獻所揭示和描述，對玻璃或玻璃-陶瓷片或者含玻璃的玻璃料組合物進行成形如2007年2月觀日提交的題為“制造微流體裝置的方法以及通過該方法制造的裝置 (Method for Making Microfluidic Devices and Devices Produced Thereof) ” 的歐洲專利申請第07300835號(轉讓給本受讓人)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)”的美國專利公開第2007-0154666號(轉讓給本受讓人)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的相應的層30的內襯，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，通過從頂部算起第四個基片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均是固結的結構M的部分，這樣在預先形成的通常平坦的物體上設置或形成其它的結構的意義上，就不需要獨立的基片。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)明的結構。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的結構，其包括從一個孔或入口 64延伸到另一個孔的流體路徑40。通過壁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。圍繞著各個孔64呈輻射圖案的低的長橢圓形壁66 在輸入和輸出端口或孔64的區(qū)域內為基片材料提供了額外的支持。位于圖3平面以外的層內，例如圖2內的第二流體路徑50可以通過孔82中的一個或多個形成通路。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沿著對第一路徑40為橫路的方向延伸，對排74內壁節(jié)段72中的相鄰壁節(jié)段進行設置，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的曲折形式。各排74的節(jié)段72優(yōu)選相對于相鄰排74的節(jié)段處于偏移的位置。偏移的量優(yōu)選等于該排74中從一個節(jié)段72到下一個節(jié)段72的中心至中心的距離的一半。參見圖4，排74 之內，節(jié)段72中的相鄰節(jié)段的面對的凹形部分73之間的距離96優(yōu)選至少為排74內節(jié)段 72中的相鄰節(jié)段的面對的凸形部分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較開放的區(qū)域60?？梢酝ㄟ^在較開放區(qū)域60使用采取小圓柱68形式的壁34實現所述的開放，同時仍然為封閉的層32提供足夠的耐壓性。柱68提供結構強度，并且提供的流動阻力不像由成排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的低流動阻力集流腔和收集器。本發(fā)明的曲折壁節(jié)段72的交錯排74通過在沿著第一路徑40流動的流體中產生迪安渦旋和/或其它的二次流動，從而將邊界層的厚度減至最小。與比較設計相比，由此產生的二次流動能夠顯著改進微流體裝置10的熱交換性能，同時壓降僅有適度的增大。還希望通過限制其中包括流體路徑40的層32的高度33(見圖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(見圖4)。節(jié)段72中的相鄰節(jié)段的面對的凸形部分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，對圖5所示的包括層33的裝置10的以前的結構進行了測試。在圖5 的裝置中，在圖5的層33中，分段的壁102不是曲折的，不以交錯或偏移的排的方式設置， 而是設置成引導流體較為平滑地從一個入口孔或端口 104流向另一個孔或端口 104。實驗對圖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進行比較測試。在這兩個裝置中，第二流體路徑(圖2的路徑50)的結構基本上相同，層32或 33中的流體與第二流體路徑中的流體之間進行熱交換。結果列于下表。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特征和性能，所述比較裝置與本發(fā)明的裝置類似，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。從表中可以看到，獲得的壓降僅僅相對增大18% (對流速為1升/分鐘的水測得)，傳熱增加高達40%。更詳細的測試結果示于圖6-8，各個圖顯示了獲得的體積傳熱系數(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中的流體獲得的結果，曲線120顯示了包括圖3的結構的本發(fā)明裝置的性能，而曲線110顯示了包括圖5的結構的比較裝置的性能。圖7顯示了將硅油作為流體獲得的結果，曲線140顯示了包括圖3的結構的本發(fā)明裝置的性能，而曲線130顯示了包括圖5的結構的比較裝置的性能。圖8顯示了使用水獲得的結果，曲線160顯示了包括圖3的結構的本發(fā)明裝置的性能，而曲線150顯示了包括圖5的結構的比較裝置的性能。從圖6-8可以看到，即使在本發(fā)明裝置中的對應于圖2的高度33的高度略大于比較裝置(見下表)中的高度的情況下，對于所有三種流體也都獲得了顯著的改進。圖9是根據本發(fā)明的裝置10中的熱控制層32的另一個實施方式的設計的俯視圖。在圖9所示種類的裝置中，可以將單獨的層32分成兩個或更多部分，在此實例中分為部分32A和部分32B，每個部分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。獨立的部分還使得在裝置10的不同部分中產生不同的熱分布曲線，或者在不同的方向產生熱分布曲線， 或者同時實現此兩種效果。
權利要求
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]的一個層[32]或者一個層的一部分[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]沿著對所述第一路徑W0，40A，40B]為橫路的方向延伸，對排 [74]內壁節(jié)段[72]中的相鄰壁節(jié)段進行設置，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]處于相對于相鄰排[74]的節(jié)段[72]偏移的位置。
4.如權利要求3所述的裝置，其特征在于，各排[74]的節(jié)段[72]相對于相鄰排[74] 的節(jié)段[72]處于偏移的位置，所述偏移的量為該排[74]內從一個節(jié)段[72]到下一個節(jié)段 [72]的距離的一半。
5.如權利要求1-4中任一項所述的裝置，其還包括與所述排[74]中的第一排相鄰的第一相對較開放的區(qū)域W0]。
6.如權利要求1-5中任一項所述的裝置，其還包括與所述排[74]中的最后一排相鄰的第二相對較開放的區(qū)域W0]。
7.如權利要求1-6中任一項所述的裝置，其特征在于，所述路徑W0，40A，40B]的層 [32]或層的一部分[32A，32B]的高度[33]為0. 2-1. 5毫米。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述路徑W0，40A，40B]的層[32]或層的一部分[32A，32B]的高度[33]為0. 2-0. 75毫米。
9.如權利要求1-8中任一項所述的裝置，其特征在于，所述節(jié)段[72]的厚度[98]為 0. 5-1. 5 毫米。
10.如權利要求1-8中任一項所述的裝置，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]沿著對所述第一路徑[40，40A，40B]為橫路的方向延伸。對排[74]內壁節(jié)段[72]中的相鄰壁節(jié)段進行設置，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H05K7/20GK102293075SQ200980155843
公開日2011年12月21日 申請日期2009年11月24日 優(yōu)先權日2008年11月26日
發(fā)明者E·D·拉夫瑞克 申請人:康寧股份有限公司