CN1693245A - 高热效率玻璃微型通道及其真空成形方法 - Google Patents

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Abstract

微型流体装置包括玻璃成形片或玻璃陶瓷材料形成的成形片，该成形片的第一表面上具有一个或多个第一微型通道，在其相背的第二表面上有一个或多个第二微型通道。第二通道与第一通道的互补，且第一通道基本上被结合在所述成形片第一表面上的第一玻璃板或玻璃陶瓷材料板封盖。第二通道基本上被结合在所述第二表面上的第二玻璃板或玻璃陶瓷材料板封盖。该装置的形成可以先通过真空成形法在一单表面模上形成成形片，然后在所述成形片的一面或两面结合一块玻璃板而制成。

Description

高热效率玻璃微型通道及其真空成形方法
                           技术领域
本发明通常涉及微型流体装置及制造这类装置的方法，具体涉及高热效率玻璃，玻璃陶瓷或陶瓷质的微型通道(microchannel)即微型流体装置，以及制造这类装置的方法。
                           背景技术
微型通道即微型流体装置一般理解成其特征尺寸范围在10μm-1000μm之间的流体通道的装置，而流体在所述通道内通过，并以各种方式接受处理。这类装置被认为极有希望在化学与生物工艺技术中带来革命性变化，特别是因为在微型流体装置中传热速率与传质速导率要比常规化学处理系统所达到的速率高几个数量级。
玻璃或玻璃陶瓷中的流体微型通路一般具有优异化学耐性的优点，但玻璃与玻璃陶瓷是热的不良导体，而热交换在大多数化学合成中是关键的过程。准确而又安全的局部热控制一般可以使得化学过程在相对更高的浓度、压力与温度下进行，进而在大多数情况下使得产率更高，效率更高。
                           发明内容
本发明提供一种装置，它具有由薄的玻璃片，玻璃陶瓷片或陶瓷片材料所形成的微型流体通道，这些片状材料具有良好的表面特性与强度，且提供一种能可靠与有效地制造这类装置与通道的工艺方法。薄壁式微型通道能有效进行热交换，同时能提供优异化学耐性与耐热性。本发明的成形工艺提供的是一种简单而可靠的制造方法，同时提供最后得到的装置，其热交换量达到最大。
按照本发明一个实施方式，微型流体装置包括玻璃或玻璃陶瓷材料的成形片。所述的成形片要成形成在它的第一表面上具有一个或多个第一微型通道，且在所述第一表面相背的第二表面上具有一个或多个第二微型通道。所述的第二通道与第一通道是互补的。所述的第一通道由结合在所述的成形片第一表面上的第一玻璃板或玻璃陶瓷材料板所基本上封盖，且所述的第二通道可以由结合在所述第二表面上的第二玻璃板或玻璃陶瓷材料板所基本上封盖。
按照本发明另一个实施方式，它提供的是制造一种微型流体装置的方法。该方法包括是提供一个单表面模，将玻璃片或可陶化玻璃片置于该模上，对模与薄片进行加热，在薄片上施加气体压力差，使该薄片与模贴合。结果是在该薄片的至少一个面上，通常在它的两面上形成微型通道。然后将玻璃板或可可陶化玻璃板结合在具有微型通道的薄片的至少一个表面上将微型通道基本上封盖住。
按照本发明又一个实施方式，它提供的是制造一种微型流体装置的方法。该方法包括将第一软玻璃片轧平到一个移动模上的步骤，所述第一软玻璃片具有与所述模相背的第一表面以及与该第一表面相背的第二表面，该第二表面搁在所述模上；该方法还包括对软玻璃片真空成形，使该玻璃片贴合在所述模上，由此形成一个在第一表面与第二表面上具有微型通道的成形片。该方法还包括将第二软玻璃板轧平到所述成形片的所述第一表面上，然后将所述第二软玻璃板结合到所述成形片上，在其第一表面上将所述的微型通道基本上封盖。该方法还包括将所述成形片从所述模上揭下来。该方法可以另外包括将第三软玻璃板轧平到所述成形片的所述第二表面上，然后将所述第二软玻璃板结合到所述成形片上，在其第二表面上将所述微型通道基本上封盖。
可以理解前面的一般性叙述与后面的详细叙述提供的是本发明实施方式，意在提供理解本发明权利要求的本质与特征的综述与框架。附图用来进一步理解本发明，且在此引入并构成本专利的一个组成部分。附图说明本发明的各实施方式，连同说明书一起用来解释本发明的原理与操作。
                        附图说明
图1是与本发明相关的模20与真空箱24的截面图。
图2是图1模上放置了一块薄片30后的截面图。
图3是图2薄片30经过真空成形后形成的成形片32之后的截面图。
图4是图3成形片32从模20被揭下来之后的截面图。
图5是一个组合板38的截面图，它包括图4的成形片32，顶板34与底板36。
图6是按照本发明的一个实施方式中的微型流体装置50的截面图，所述装置50是将图5所述组合板结合一起而成的。
图7是图6微型流体装置50的截面图，它包括一个流体接头52。
图8是图6微型流体装置50的截面图，表明了可供第一流体F1与第二流体F2用的的交替通道。
图9可用于本发明装置的微型流体通路结构的平面图，所述结构具有一些平行通道54，每个通道具有两个孔56。
图10是可用于本发明装置的另一种微型流体通路结构的平面图，所述结构具有两个交替的同心螺旋形通道。每个通道在其中心处与螺旋边缘处各有一个孔。
图11是微型流体装置50的截面图，它包括一些小通道60。
图12是可用于本发明装置的另一种微型流体通路结构的平面图，所述结构包括小通道60。
图13是图4所述成形片32的截面图，它表明在虚线所圈定部位41内的部位材料可以除去，使相邻交替通道(43与45)之间形成流体连通。
图14A-14E是一组截面图，分别说明制造本发明装置优选方法的某些步骤。
图15是微型流体装置50的另一种实施方式的截面图，它具有三角形通道40。
                         具体实施方式
本发明提供一种装置，它具有由薄玻璃片，玻璃陶瓷片或陶瓷片材料形成的微型流体通道，这些片状材料具有良好的表面特性与强度，且提供一种能可靠与有效地制造这类装置与通道的工艺方法。本发明方法采用气体压力差成形法得到所需的薄壁高表面质量的玻璃，玻璃陶瓷或陶瓷的微型通道。形成的薄壁微型通道使得热交换效率提高，同时提供优异的化学耐性与耐热性。本发明的成形方法提供简单而可靠的制造工艺，制成的装置具有最大热交换效率。
按照本发明，微型通道是由一种工艺造成的，它包括将玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷的三维形体封盖起来，而不是仅仅将微结构板叠加在一起。下面将参考图1-7说明构成本发明一个方面的示例性工艺。
图1是用于本发明一个方面的装置10的截面图，该装置包括流体通路模20，它由经机械加工，或其他方法由合适材料，如Thyssen-France，78Maurepas，France出售的耐高温钢板NS 30/ASI 310制成。模20中具有用于形成真空的微通道22。模20置于如真空箱24一类的真空密封结构之中，它具有一个表面或凸缘26，用于在模20周围形成真空密封。所述真空箱24的内部空间连接到图中未被显示的真空泵一类的真空源。
使用之前，模20用合适的脱模剂，如氢氧化钙(乙醇+Disperbick 190，如0.5％悬浮液)涂覆。Disperbick 190可以从BYK-Chemie Gmbh，Abelstr.14D-46483 Wesel，Germany购得。所述脱模剂最好均匀一致喷涂在所述模20的整个表面上。
如图2所示，然后将由合适的玻璃材料构成，其表面积大小正好覆盖到模的表面或凸缘26的薄片30，放置在模20上。例如，所述玻璃片可以是Corning1737，Corning Inc.Corning NY，USA所售的。
然后将薄片30与模20一起加热到玻璃材料退火温度以上，且最好是接近但低于该材料的软化温度。在使用Corning 1737的玻璃片情况下，它的退火温度约为721℃，软化温度约为925℃，则模与薄片可以加热到约870℃，时间长达约20分钟。
然后真空箱24内抽真空达足够长时间，使薄片30贴合在模20表面上，形成如图3所示的成形片32。作为一种代替的办法，也可以在与模20表面相背的薄片30表面上施加气体压力，而微通道22仅用提供剥除的反压力。另外一种办法是在模的外部施加正压力，同时在模的内部抽真空。
真空成形法，除了将薄片30成形为成形片32之外，也具有对薄片30的再压延作用(也叫“真空压延”)，形成的成形片32通常比原先的薄片30更薄，特别是在材料被抽吸在模上的区域更是如此。因此，真空成形工艺可以可靠重复地形成厚度小于0.3mm，最好在约0.2mm至0.7mm或更小范围之内的壁结构。另一方面，使用适当厚的起始片，采用本工艺也可以形成较厚的壁结构，其厚度范围约在约0.7mm-3mm之间，这种厚度可以用于高压或很高压的用途。
真空成形后，将模20与成形片32冷却至足够低的温度，使所述成形片32保持其所成的形状，但最好要求温度还足够高，使成形片容易从模20揭下来。例如，对于Corning1737，薄片30可以冷却至约750℃，时间长达2分钟。然后，在真空通道22中施加较小的空气压力，将成形片32从模20揭下来。脱模剂有明显促进这步操作的作用。最后形成的成形片32其截面图示于图4中。
随后，如图5截面图所示，将顶板34与底板36置于成形片32上，形成一个组合板38。在将所述组合片38粘结之前通过钻孔、打磨或其它合适工艺最好是透过顶板34和/或底板36(如有所需，还可以透过成形片32)形成任何所需的输入孔与输出孔。如图5所示，这些孔可以形成在相背的两块板上，如孔42与孔44(在该图的右边)，或者如有需要，可以在同一板上形成孔，如孔46与孔48。孔可以透过顶板34与成形片32，如孔48就是如此。
然后将组合板38结合成如图6所示的具有包封的微型通道40连同样品孔42、44、46与48的微型流体装置50。组合板38的结合最好通过玻璃-玻璃热结合，即将Corning 1737板结合到Corning 1737成形片上，然后将所述组合板38在约870℃下退火约90分钟。在结合之前，通过钻孔或其它方法形成孔，这样由成孔工艺产生的微小裂缝与表面损伤(如果有的话)，可以在退火处理时消除。
上述本发明工艺方法的例子在同一工艺步骤中，可以形成由一薄玻璃层分隔的双通道结构。例如，从厚度为0.5mm薄片起始，侧壁58的厚度范围在0.4-0.3mm之间，对热交换几无障碍。如有要求，侧壁可以较厚，从0.7mm或1mm厚的薄片起始。
图7所示的标准流体接头52可以通过聚合物结合或其它兼容的玻璃结合手段固定之。
由于上述成形工艺方法容易在成形片32的上下两面制成互补式双通道结构。以这种方式形成的微型流体装置的一个普通应用就是热交换。如图8所示，所述成形片32的一边通道中可以有第一流体F1，而该成形片32的另一边通道中可以有第二流体F2。因为这两边的通道是由极薄玻璃片分隔的，所以可以快速有效地进行传热递。
图9所示为如图8的微型流体通路中相隔两条通道的一种可能排列方向的平面图。通道54可以呈直线，平行排列在一起，有两个孔在各通道的两端。这类通道可用于两个相隔通道中的两种流体以相反方向流动，如图中箭头与阴影所示，或在另一方式中，如有需要，两种流体以平行相同方向流动，能达到高流量的热交换。
图10所示为如图8一类两个相隔通道的另一种可能的排列。在图10中，两个相间通道54以同心螺旋状排列在一起，两个孔56在所述螺旋的最外边与中心处。
本专利工艺产生的微型通道的排列不一定限于如图9与10所示的那些相隔而互不连通的通道排列。
如有需要，例如形成成形片32的模可以结构成能将所使成形片32一面的部分通道或全部通道的通道尺寸达到最小，造成如图11所示那种微型流体装置50，它有小通道60，与它交替排列的是通常尺寸的通道40。由此产生的小通道然后可以从流体通路结构中整个被省略掉。如果需要，这些小通道60可以交替地充以空气、氦或其它气体，或甚至部分真空，有助于相邻流体通道的绝热效果。相反，如果需要高热质量与相对较高的传热效果以及温度的均匀性，这些小通道也可充以水或其它流体。
图12平面图所示的是根据本发明装置的一个实施方式，在成形片一面具有小通道尺寸。在此实施方式中，小通道60并不包括在微型流体通路中，而正常尺寸通道54具有孔56。如图12所示的实施方式，可以采用单块板封盖住正常尺寸的通道。
在本发明微型流体装置的另一替代实施方式中，如有需要，在成形片32一面的流体通道与另一面互补的流体通道，可以通过除去成形片32内的通道壁的选定部分而造成流体互通的开口。例如，如图13所示的虚线框41内的材料可以通过打磨、钻孔或其它工艺方法从成形片32除去，形成相互邻近通道43与45之间的通孔。被除去的材料不一定沿通道延伸一大段长度(沿图中朝里与朝外方向)，因此成形片32基本上可以保持其结构的整体性。
本发明微型流体装置可以使用各种组成的玻璃成功地制造，包括Corning0211、Corning 7059、Corning 1737(这些在Corning Incorporated、CorningNew York、USA有售)和Glaverbel D236(在Glaverbel Group，1170 Brussels，Belgium有售)。在这些玻璃材料中，Corning 1737提供的热膨胀系数最小，约为37.6×10-7C。由Corning 1737制成的微型流体装置适用于流体温度高达650℃。也可以使用诸如Kerablack(从Keraglass，77 Bagneau surLoing，France购得)的铝硼硅酸盐玻璃。微型流体装置如上制成后，Kerablack玻璃然后被可陶化成玻璃陶瓷，它具有超低热膨胀系数，约为-2×10-7。
按照本发明还有一种实施方式，两种热膨胀系数相当接近的玻璃材料可用来制成一单个微型流体装置。例如，成形片32可以由Corning 1737制成，而用于装置50内封盖通道用的顶板34与底板36可以由Pyrex 7740玻璃制成(参见图5与6)。这两种玻璃材料的软化温度差约100℃，可在大约780℃的温度进行热熔接。这种较低的熔接温度有助于防止成形片32后真空成形时的变形上。
优选的制造工艺
上述的等温工艺被用于原型结构，它适用于很小规模的制造。下面叙述的是一种成本较为低廉与更为有效的工业化规模制造的一个实施方式，参见图13A-13F。
如图14A所示，一块玻璃料坯70从进料罐(未被显示)传送到两个加热的滚子72与74之间。结果轧出玻璃片76到移动模78上，立刻抽真空，形成如图14B所示的成形片80，由于真空抽吸作用，成形片的厚度相对于软玻璃片76的厚度减小了。通过第二步立即进行的滚子间通过，如图14C所示，第二张软玻璃板82放置在成形片80上。此第二张软玻璃板立即封盖所述成形片80的上表面，形成封闭的上通道90，如图14D所示。上通道90由此建成并在短至约5-10秒内快速封盖。然后将具有封闭上通道90的成形片从模上揭下来，反转过来置于支撑台82上。然后将先前未被封盖的互补流体通道，如图14E所示，用第三张软玻璃板84封盖，形成封闭的下通道100，制成图14F那样的微型流体装置50。
对于采用Pyrex 7740玻璃料，所要求的热条件是在1350℃将玻璃料传送到温度为650℃的加热滚子和模上。脱模剂最好是乙炔裂化产生的炭黑。玻璃片愈薄，滚子温度应愈高。演示的是0.8mm轧制与真空成形的成形片，而在其底部厚度甚至小于0.2mm。
本发明与本发明工艺制造的微型流体装置不一定限于近垂直通道壁的结构。这里图15所示为具有三角形通道40的微型流体装置50的截面图。按照本发明也很容易获得这种与其它结构。
本发明工艺与方法可以重复可靠地形成壁很薄的玻璃微型通道。本发明形成的微型流体装置特别适合用于高流量微型流体的热交换。
与形成微型流体装置的其它方法相比，本发明还提供相邻通道之间的壁表面积相对于通道截面积大的优点。壁的表面积大主要归因于相对高的通道长径比(通道高度与通道宽度之比)，采用本专利揭示的方法，此长径比可达2∶1或更高。

Claims (10)

1.微型流体装置，它包括玻璃或玻璃陶瓷材料的模制成形片，它粘结到少一块玻璃片或玻璃陶瓷材料片上，使其形成微型通道。
2.如权利要求1所述的微型流体装置，其特征为：玻璃或玻璃陶瓷材料的模制成形片被结合在，各自为玻璃或玻璃陶瓷材料的两块板之间，使其形成互补微型通道。
3.如权利要求1或2所述的微型流体装置，其特征为：所述模制成形片是第一玻璃材料，两块板都是第二玻璃材料，第一玻璃材料比第二玻璃材料具有更高的软化温度。
4.如权利要求1-3中任何一项所述的微型流体装置，其特征为：相邻微型通道之间被所述模制成形片分隔，模制成形片的厚度范围约在0.2mm-0.7mm之间。
5.如权利要求1-3中任何一项所述的微型流体装置，其特征为：相邻微型通道之间被模制成形片分隔，模制成形片的厚度范围约在0.7mm-3mm之间。
6.如权利要求1-5中任何一项所述的微型流体装置，还包括至少一个通过模制成形片的通孔，所述通孔用于一对相邻微型通道之间的流体连通。
7.制造微型流体装置的方法，所述方法包括：
提供一个模；
将软化的玻璃片或可可陶化玻璃片置于所述模上；
对所述玻璃片施加气体压力差，使所述玻璃片与所述模贴合，由此至少在所述玻璃片的一面形成微型通道；
通过在所述模上结合一块玻璃板或可可陶化玻璃板，在所述玻璃片的至少一面上基本上封盖所述的微型通道。
8.权利要求7所述的方法，还包括所述玻璃板与所述模制成形玻璃片的可陶化步骤。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征为：对所述玻璃片施加气体压力差，使所述玻璃片与所述模贴合的步骤，它包括在所述玻璃片与所述模之间对所述玻璃片抽真空。
10.如权利要求7-9中任何一项所述的方法，其特征为：在所述模上将所述成形片的至少一个面上的微型通道通过一玻璃板或可可陶化玻璃板结合而基本上封盖的步骤包括将一软玻璃板轧平放置在所述成形片上，由此将所述软玻璃板结合在所述成形片上。
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