CN102293075B - 用于微型结构的热交换器 - Google Patents

Abstract

一种多层微流体装置[10]，其包括至少一条第一流体路径[40，40A，40B]和至少一条第二流体路径[50]，其中所述第一流体路径[40，40A，40B]包括所述微流体装置[10]的层[32]或者层的一部分[32A，32B]。所述第一路径[40，40A，40B]包括沿着该第一路径设置的多排[74]曲折的壁节段[72]。所述壁节段[72]沿着所述第一路径[40]的方向延伸。所述排[74]沿着对所述第一路径[40，40A，40B]为横路的方向延伸。对排[74]内壁节段[72]中的相邻壁节段进行设置，使得凹形部分[73]朝向节段[72]中的相邻节段的凹形部分[73]，而凸形部分[75]朝向节段[72]中的相邻节段的凸形部分[75]。

Description

用于微型结构的热交换器

优先权

本申请要求2008年11月26日提交的题为“用于微型结构的热交换器(Heat Exchangers For Microstructures)”的欧洲专利申请第08305844.6号的优先权。

背景技术

本申请涉及用于热交换器的装置和方法，所述热交换器可以用于微流体装置。

发明概述

根据本发明的一个方面，多层微流体装置包括至少一个第一流体路径和至少一个第二流体路径，其中所述第一流体路径包括所述微流体装置的层或层的部分。所述第一路径包括沿着该第一路径设置的多排曲折的壁节段。所述壁节段沿着所述第一路径的方向延伸。所述排沿着对所述第一路径为横路的方向延伸。对排内壁节段中的相邻壁节段进行设置，使得凹形部分朝向节段中的相邻节段的凹形部分，而凸形部分朝向节段中的相邻节段的凸形部分。

下面结合附图来描述本发明的其它的变化和特征。

附图简要说明

图1是微流体装置10形式的微结构的截面图；

图2是图1的微结构或微流体装置10的另一个截面图；

图3是显示微结构，例如图1和图2的微流体装置10的层32的壁34的设置的俯视截面图；

图4是图3所示的特征的放大的部分俯视图；

图5是显示比较热控制层33的特征的俯视图；

图6-8是将具有图3的结构的微结构的实施方式的性能与具有图5的比较结构的微结构的实施方式进行比较的图；

图9是显示了一种与图1类似的装置10的层32的另一种实施方式的设计的俯视图，不同之处在于，层32被分为部分32A和32B。

发明详述

只要有可能，在所有附图中使用相同的编号来表示相同或类似的部件。描述为“所希望的”特征是优选的，但任选的表示本发明的各种变化。

在本文中，“微结构”表示单件的或者以其他方式通常永久组装的微流体装置，所述微流体装置具有内部通道，所述内部通道具有数毫米至亚毫米范围的至少一个特征截面尺度；“微型反应器”表示用来进行化学工艺或物理工艺或其组合的装置，所述装置包括一个或多个微结构。

本发明所揭示的方法和/或装置通常可用来进行任何工艺，所述工艺包括在微型结构中对流体或流体混合物进行混合、分离、萃取、结晶、沉淀或其它的处理，所述流体混合物包括流体的多相混合物，并包括流体或包括还含有固体的流体的多相混合物的流体混合物。所述处理可以包括物理过程，化学反应，生物化学过程，或者任意其它形式的处理，化学反应被定义为导致有机物、无机物、或者有机物和无机物发生相互转化的过程。以下列出了可以通过所揭示的方法和/或装置进行的反应的非限制性例子：氧化；还原；取代；消除；加成；配体交换；金属交换；以及离子交换。更具体来说，以下列出了可以通过所揭示的方法和/或装置进行的反应的任一非限制性例子：聚合；烷基化；脱烷基化；硝化；过氧化；磺化氧化；环氧化；氨氧化；氢化；脱氢；有机金属反应；贵金属化学/均相催化剂反应；羰基化；硫羰基化；烷氧基化；卤化；脱卤化氢；脱卤化；加氢甲酰化；羧化；脱羧；胺化；芳基化；肽偶联；醇醛缩合；环化缩合；脱氢环化；酯化；酰胺化；杂环合成；脱水；醇解；水解；氨解；醚化；酶合成；缩酮化(ketalization)；皂化；异构化；季铵化；甲酰化；相转移反应；甲硅烷化；腈合成；磷酸化；臭氧分解；叠氮化物化学；复分解；氢化硅烷化；偶联反应；以及酶反应。

图1是微流体装置10形式的微结构的截面图。所述微流体装置10可以由多个基片20组成，通常至少有四个基片，如图上部所示，但是如果需要，也可以包括更多基片，总共多达“n”个，如图1中左边所标。在所述多个基片20的相邻各对基片之间，限定了装置10的层30，这样存在多层，通常至少三层，任选可以存在更多层，总共多达n-1层，如图1的右边所标。所述基片20互相连接，通过壁34(为了便于观察，没有全部标出)互相支承，其中一些被图中的截面切开，用阴影线表示。孔64可以贯穿一个或多个所述基片20，提供了通向第一流体路径40的外部通道，所述第一流体路径40被限定通过层30中的一层或多层，在此实例中通过层30中的两层32。如果需要的话，也可使用可替换的通道方法，例如通过壁34的通道。

在使用装置的时候，第一流体路径40优选用于流过热控制流体，但是在一些装置中，或者用于进行一些操作的时候，也可以用于流过工艺流体，例如流过反应工艺中的混合物等。图2是在与图1的平面平行的不同平面内获得的图1的微结构或微流体装置10的另一个截面图。在图2的截面图中，可以看到孔82提供了通向第二流体路径50的通道，第二流体路径50被限定通过装置的一层或多层30，在此实例中是通过一层31。层31在其两个主面上与层32邻接，通常但并不一定用于反应流体或者热交换所需的其他工艺流体。

可以使用各种材料方法形成图1和图2所示种类的微流体装置10，包括通过模塑或其他方式，在玻璃、陶瓷、金属或其他材料的基片20之间对含玻璃的玻璃料进行成形，形成壁34，然后对所述玻璃料壁进行加热或“烧制”，使得壁34和基片20粘附在一起，形成微流体装置。例如在美国专利7,007,709，Microfluidic Device and Manufacture Thereof(微流体装置及其 制造)中揭示和描述了这样的方法，该专利转让给本发明的受让人。

图2的截面图显示了一些可替换的成形方法的结果。在一种可替换的方法中，可以如以下文献所揭示和描述，对玻璃或玻璃-陶瓷片或者含玻璃的玻璃料组合物进行成形：如2007年2月28日提交的题为“制造微流体装置的方法以及通过该方法制造的装置(Method for Making MicrofluidicDevices and Devices Produced Thereof)”的欧洲专利申请第07300835号(转让给本受让人)所述，与模具一起加热；或如2006年3月31日提交的题为“玻璃和玻璃-陶瓷的粉末注塑(Powder Injection Molding of Glass andGlass-Ceramics)”的美国专利公开第2007-0154666号(转让给本受让人)所述，采用注塑法。如果由玻璃料或者平的玻璃前体在基片20上形成壁34，则固结的玻璃料材料的薄层22或者模塑的玻璃材料的薄层22可以保留在基片表面上，使得所述薄层22成为装置10的相应的层30的内衬，如图2的上部所示。作为另一种可替换的方法，不采用在基片上模塑，而是如图2所示，通过从顶部算起第四个基片20和相连的壁34可以将壁34和相邻的基片作为单件模塑，该基片20和相连的壁34均是固结的结构24的部分，这样在预先形成的通常平坦的物体上设置或形成其它的结构的意义上，就不需要独立的基片。另一种单件模塑的层可以包括相配合的壁34a，所述相配合的壁34a与壁34相遇并密封。还可以采用任意其它的合适的成形方法形成本发明的结构。

图3是如图1和2所示的装置的俯视截面图，图中显示了层32的壁34的结构，其包括从一个孔或入口64延伸到另一个孔的流体路径40。通过壁34获取截面，图中仅显示了壁34，除端口或孔64，82之外。

图3显示的层32包括各种壁34。双层边界壁54横向封闭了层32的流体路径40。低的长椭圆形扶壁52围绕着边界壁54。在层的角上，双层环形壁80围绕孔82，所述孔提供通向该图平面以外的其他层的入口。围绕着各个孔64呈辐射图案的低的长椭圆形壁66在输入和输出端口或孔64的区域内为基片材料提供了额外的支持。位于图3平面以外的层内，例如图2内的第二流体路径50可以通过孔82中的一个或多个形成通路。

所述第一流体路径40包括层32，该层32包括多排75设置在其中的曲折的壁节段72。如图1所示，所述壁节段是与限定层32的两个基片20连接的壁34。如图3所示，曲折的壁节段72沿着第一路径40的方向延伸。从图3和图4(图4是显示图3中的特征的放大的部分截面俯视图)可以看到，成排74的壁节段72沿着对第一路径40为横路的方向延伸，对排74内壁节段72中的相邻壁节段进行设置，使得凹形部分73朝向节段72中的相邻节段的凹形部分73，而凸形部分75朝向节段72中的相邻节段的凸形部分75。

从图3和图4可以看到，所述节段72优选是S形的，但是也可以采用更长的曲折形式。各排74的节段72优选相对于相邻排74的节段处于偏移的位置。偏移的量优选等于该排74中从一个节段72到下一个节段72的中心至中心的距离的一半。参见图4，排74之内，节段72中的相邻节段的面对的凹形部分73之间的距离96优选至少为排74内节段72中的相邻节段的面对的凸形部分75之间的距离的两倍。

如图3所示，层32优选包括与排74中的第一排相邻，与排74中的最后一排相邻的相对较开放的区域60。可以通过在较开放区域60使用采取小圆柱68形式的壁34实现所述的开放，同时仍然为封闭的层32提供足够的耐压性。柱68提供结构强度，并且提供的流动阻力不像由成排74的曲折壁节段72组成的区域70的流动阻力那么大。因此区域60可以作为节段72的排40的区域70的低流动阻力集流腔和收集器。

本发明的曲折壁节段72的交错排74通过在沿着第一路径40流动的流体中产生迪安涡旋和/或其它的二次流动，从而将边界层的厚度减至最小。与比较设计相比，由此产生的二次流动能够显著改进微流体装置10的热交换性能，同时压降仅有适度的增大。还希望通过限制其中包括流体路径40的层32的高度33(见图2)，从而将边界层减至最小。其中包括路径40的层32的高度33优选为0.2-3毫米，更优选为0.2-1.5毫米，最优选为0.2-0.75毫米。所述节段72的厚度98优选为0.5-1.5毫米(见图4)。节段72中的相邻节段的面对的凸形部分75之间的距离94优选为2-4毫米，节段72中的相邻节段的面对的凹形部分73之间的距离96优选为4-8毫米，优选至少为距离94的两倍。相邻的排74之间的距离92优选为1-3毫米。

为了比较，对图5所示的包括层33的装置10的以前的结构进行了测试。在图5的装置中，在图5的层33中，分段的壁102不是曲折的，不以交错或偏移的排的方式设置，而是设置成引导流体较为平滑地从一个入口孔或端口104流向另一个孔或端口104。

实验

对图3所示的包括层32的装置10以及图5所示的包括层33的比较装置10进行比较测试。在这两个装置中，第二流体路径(图2的路径50)的结构基本上相同，层32或33中的流体与第二流体路径中的流体之间进行热交换。结果列于下表。

该表显示了如图3和图4所示的包括一层或多层32的本发明的装置10与比较装置相比的相对特征和性能，所述比较装置与本发明的装置类似，但是包括图5所示的一层或多层33，三种不同的流体在各自的层32，33中流动。从表中可以看到，获得的压降仅仅相对增大18％(对流速为1升/分钟的水测得)，传热增加高达40％。

更详细的测试结果示于图6-8，各个图显示了获得的体积传热系数(单位为W/m³K)随着第一路径40中的流体流速(单位为毫升/分钟)而变化。图6显示了将乙醇作为路径40中的流体获得的结果，曲线120显示了包括图3的结构的本发明装置的性能，而曲线110显示了包括图5的结构的比较装置的性能。图7显示了将硅油作为流体获得的结果，曲线140显示了包括图3的结构的本发明装置的性能，而曲线130显示了包括图5的结构的比较装置的性能。图8显示了使用水获得的结果，曲线160显示了包括图3的结构的本发明装置的性能，而曲线150显示了包括图5的结构的比较装置的性能。从图6-8可以看到，即使在本发明装置中的对应于图2的高度33的高度略大于比较装置(见下表)中的高度的情况下，对于所有三种流体也都获得了显著的改进。

图9是根据本发明的装置10中的热控制层32的另一个实施方式的设计的俯视图。在图9所示种类的装置中，可以将单独的层32分成两个或更多部分，在此实例中分为部分32A和部分32B，每个部分32A，32B包括其各自的路径40A，40B。另外，在部分32A中，路径40A在层32的不同部分可以处于不同的方向。独立的部分32A和32B可以使得在热控制层32的不同部分(并因此在装置10的不同部分)中保持不同的温度。独立的部分还使得在装置10的不同部分中产生不同的热分布曲线，或者在不同的方向产生热分布曲线，或者同时实现此两种效果。

Claims (9)

1.一种多层微流体装置[10]，其包括至少一条第一流体路径[40,40A,40B]和至少一条第二流体路径[50],其中所述第一流体路径[40,40A,40B]包括所述微流体装置[10]的一个层[32]或者一个层的一部分[32A,32B],所述第一流体路径[40,40A,40B]包括沿着该第一流体路径设置的多排[74]曲折的壁节段[72],所述壁节段[72]沿着所述第一流体路径[40,40A,40B]的方向延伸,所述排[74]沿着对所述第一流体路径[40,40A,40B]为横路的方向延伸,对排[74]内壁节段[72]中的相邻壁节段进行设置，使得凹形部分[73]朝向壁节段[72]中的相邻壁节段的凹形部分[73],而凸形部分[75]朝向壁节段[72]中的相邻壁节段的凸形部分[75]，其中，各排[74]的壁节段[72]处于相对于相邻排[74]的壁节段[72]偏移的位置。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壁节段[72]是S形的。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，各排[74]的壁节段[72]相对于相邻排[74]的壁节段[72]处于偏移的位置,所述偏移的量为该排[74]内从一个壁节段[72]到下一个壁节段[72]的距离的一半。

4.如权利要求1所述的装置，其还包括与所述排[74]中的第一排相邻的第一相对较开放的区域[60]。

5.如权利要求1所述的装置，其还包括与所述排[74]中的最后一排相邻的第二相对较开放的区域[60]。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一流体路径[40,40A,40B]的层[32]或层的一部分[32A,32B]的高度[33]为0.2-1.5毫米。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一流体路径[40,40A,40B]的层[32]或层的一部分[32A,32B]的高度[33]为0.2-0.75毫米。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述壁节段[72]的厚度[98]为0.5-1.5毫米。

9.如权利要求3所述的装置，其特征在于，壁节段[72]中的相邻节段的相向的凹形部分[73]之间的距离[96]至少为该排[74]内壁节段[72]中的相邻壁节段的相向的凸形部分[75]之间的距离[94]的两倍。

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