DE2306093A1

DE2306093A1 - HEAT EXCHANGER FOR FLUIDS

Info

Publication number: DE2306093A1
Application number: DE19732306093
Authority: DE
Inventors: D B Dr Rer Nat Knoll; Alfons Schmid; Karl Dr Phil Wesseley
Original assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Current assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Priority date: 1973-02-08
Filing date: 1973-02-08
Publication date: 1974-09-05

Description

WÄRMEAUSTÄUSCHER FUR STRÖMUNGSMITTEL Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher für Strömungsmittel, insbesondere Flüssigkeiten, mit mechanisch getrennten aber thermisch gekoppelten Strömungsmittelkanälen, welche mit Einlaß- und Auslaßleitungen verbunden sind. Insbesondere handelt es sich um einen Wärmeaustauscher für meßtechnische Zwecke, bei dem es darauf ankommt, spezifische temperaturabhängige Eigenschaften zweier strömender Medien zu messen, ohne daß das Meßergebnis in unzulässiger Weise durch den Temperaturgang der Medien beeinträchtigt wird. Dieses Problem spielt beispielsweise bei der Messung der Brechungsindizes von Flüssigkeiten in der Flüssigkeitschromatographie eine wichtige Rolle. FLUID HEAT EXCHANGER The invention relates to a Heat exchangers for fluids, in particular liquids, with mechanical separate but thermally coupled fluid channels, which with inlet and outlet lines are connected. In particular, it is a heat exchanger for metrological purposes, where it is important, specific temperature-dependent To measure properties of two flowing media without the measurement result being inadmissible Way is affected by the temperature change of the media. This problem plays for example when measuring the refractive indices of liquids in liquid chromatography an important role.

Bisher hat man speziell in der Flüssigkeitschromatographie versucht, die Temperaturabhängigkeit der Medien dadurch zu eliminieren, daß die Temperaturen beider Vergleichsmedien soweit wie möglich gleich und konstant gehalten wurden. Dies ist jedoch praktisch nur mit sehr großem apparativen Aufwand möglich.So far, attempts have been made specifically in liquid chromatography the temperature dependence of the media to be eliminated by that the temperatures of both comparison media are as constant and constant as possible were held. In practice, however, this is only possible with a very large outlay in terms of equipment possible.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher zwei strömende Medien permanent und im wesentlichen verzögerungsfrei auf gleichen, sich jedoch in vorgegebenen Toleranzgrenzen ändernden Temperaturen hält.In contrast, the invention is based on the object of a heat exchanger of the type mentioned to create, which two flowing media permanently and essentially without delay on the same, but within predetermined tolerance limits changing temperatures.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß -gekennzeichnet durch zwei Körper aus thermisch isolierendem Material, in deren einer Endfläche wenigstens jeeine spiegelbildlich deckungsgleiche Ausnehmung ausgebildet ist, und eine Folie aus gut wärmeleitendem Material, welche zwischen den Isolierkörpern derart eingefügt ist, daß sie mit den Ausnehmungen beider Isolierkörper umfangseitig geschlossene Strömungsmittelkanäle ausbildet. Auf diese Weise werden die beiden Medien thermisch weitgehend von der Umgebung isoliert, und es werden etwaige Temperaturdifferenzen beim Durchlaufen der Strömungsmittelkanäle weitgehend ausgeglichen.According to the invention, the solution to this problem is characterized by two bodies made of thermally insulating material, in one end face at least each is formed a mirror-inverted congruent recess, and a film made of good heat-conducting material, which is inserted between the insulating bodies in this way is that they are circumferentially closed with the recesses of both insulating bodies Forms fluid channels. In this way the two media become thermal largely isolated from the environment, and there are any temperature differences largely balanced when passing through the fluid channels.

Um auf engem Raum über eine größere Wärmeaustauschfläche kontinuierlich einen progressiven Temp eratur ausgleich herbeizuführen und den Strömungswiderstand der Kanäle möglichst gering zu halten, kann vorgesehen werden, daß die Ausnehmung jedes Isolierkörpers wenigstens näherungsweise spiralförmig ausgebildet ist.In order to continuously use a larger heat exchange surface in a confined space a progressive temperature compensation bring about and the Keeping the flow resistance of the channels as low as possible can be provided that the recess of each insulating body is at least approximately spiral-shaped is.

Vorzugsweise kann ein genau definierter und gut abgedichteter Aufbau dadurch erreicht werden, daß in je einer Endfläche jedes Isolierkörpers eine zusammenhängende Paßnut derart ausgebildet ist, daß die Schulter zwischen benachbarten Abschnitten dieser Paßnut in eine Paßnut des anderen Isolierkörpers eingreift und die Strömungsmittelkanäle einerseits in der Stirnfläche der Schulter des einen Isolierkörpers und andererseits im Boden der Paßnut des anderen Isolierkörpers ausgebildet sind und die thermisch gut leitende Folie der Form der Paßnut entspricht und zwischen dem Bodenabschnitt der Paßnut des einen Isolierkörpers und dem Bodenabschnitt der Paßnut des anderen Isolierkörpers liegt.A precisely defined and well-sealed structure can preferably be used can be achieved in that in each case one end face of each insulating body is a contiguous Fitting groove is formed such that the shoulder between adjacent sections this fitting groove engages in a fitting groove of the other insulating body and the fluid channels on the one hand in the end face of the shoulder of an insulating body and on the other hand are formed in the bottom of the fitting groove of the other insulating body and the thermal Good conductive film corresponds to the shape of the fitting groove and between the bottom section the fitting groove of one insulator and the bottom portion of the fitting groove of the other Insulator lies.

Eine weitere wesentliche Verbesserung des Wärmeaustauschers kann dadurch erreicht werden, daß sich auf der Folie im Abstand voneinander Stege zur laminaren Umwälzung des Strömungsmittels befinden, welche gegenüber der Längsrichtung der Folie geneigt sind, deren Höhe kleiner als die Höhe der zu beiden Seiten der Folie ausgebildeten Strömungsmittelkanäle ist und deren Enden sich radial im Abstand vom Umfang der Folie befinden. Die Anordnung der Stege bewirkt eine laminare'Durchmischung der Strömungsbahnen, d.h. es bilden sich im wesentlichen einander nicht durchdringende, geführte Strombahnen, da jeweils die "untere" Strombahn nach "oben" r d.h. zur Wärmeaustauschfolie umgewälzt wird, wenn sie in die Verengung zwischen einem Steg und einer Seitenwand des betreffenden Kanales gedrückt wird. Daher wird gleichzeitig die vorher oben befindliche Strömungsbahn von der Folie wegbewegt. Auf diese Weise werden unkontrollierte Wirbel vermieden, welche zwar einerseits den Wärmeaustausch innerhalb jedes Strömungsmittelmediums fördern würden, aber andererseits einen erhöhten Strömungswiderstand und damit eine unerwünschte Selbsterwärmung hervorrufen würden.A further significant improvement of the heat exchanger can thereby be achieved that on the film at a distance from each other webs to the laminar Circulation of the fluid located opposite the longitudinal direction of the Foil are inclined, the height of which is less than the height of either side of the foil formed fluid channels and the ends of which are radially spaced from Perimeter of the slide. The arrangement of the webs results in a laminar mixing of the flow paths, i.e. form it essentially each other non-penetrating, guided current paths, since the "lower" current path is behind "up" r i.e. circulated to the heat exchange foil when it enters the constriction is pressed between a web and a side wall of the channel in question. Therefore, at the same time the flow path previously located above is removed from the film moved away. In this way, uncontrolled eddies are avoided, which is true on the one hand would promote heat exchange within each fluid medium, but on the other hand an increased flow resistance and thus an undesirable one Would cause self-heating.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform~kann vorgesehen werden, daß jeweils eine Gruppe aus einem oder mehreren Stegen winkblmäßig wechselseitig gegenüber den entsprechenden benachbarten Gruppen von Stegen angeordnet ist. Hierdurch wird sichergestellt, daß die auf das strömende Medium durch die inneren und äußeren Seitenwände der Kanäle ausgeübtEn Drehimpulse sich ausgleichen.According to a further preferred embodiment it can be provided that in each case a group of one or more webs alternately angularly is arranged opposite the corresponding adjacent groups of webs. Through this ensures that the on the flowing medium through the inner and outer Side walls of the channels exerted angular impulses equalize each other.

Im folgenden werden bevorugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert; es stellen dar: Fig. la eine perspektivische'Querschnittsansicht eines Isolierkörpers; Fig. lb eine perspektivische Ansicht einer Wärmeaustauschfolie; Fig. lc eine perspektivische Querschnittsansicht eines anderen Isolierkörpers.In the following, preferred exemplary embodiments of the invention are based on the drawing explained; The figures show: FIG. 1 a is a perspective cross-sectional view an insulating body; Fig. Lb a perspective view of a heat exchange film; Fig. Lc is a perspective cross-sectional view of another insulating body.

Eine spiralförmige, zusammenhängende Paßschulter 1 eines Isolierkörpers 2 kann in Eingriff mit einer weiteren, mit der ersten Paßnut spiegelbildlich deckungsgleichen Paßnut 3 eines Isolierkörpers 4 gebracht werden. In der Schulter 1 und dem Boden der Paßnut 3 sind flache Ausnehmungen 5 bzw. 6 vorgesehen. Zwischen der Schulter 1 und der Paßnut 3 kann eine der Form der Paßnuten entsprechende Wärmeaustauschfolie 7 eingelegt werden, welche dann zusammen mit den Ausnehmungen 5 bzw. 6 räumlich getrennte, jedoch thermisch wirksam verbundene Strömungsmittelkanäle ausbildet. An den Enden der spiralförmigen Kanäle in den beiden Isolierkörpern sind Durchgangslöcher 8 und 9 bzw. 10 und 11 vorgesehen, welche jeweils mit nichtdargestellten Einlaß- und Auslaßleitungen verbunden sind.A spiral-shaped, contiguous fitting shoulder 1 of an insulating body 2 can be in engagement with a further, mirror-inverted congruent with the first fitting groove Fitting groove 3 of an insulating body 4 are brought. In the shoulder 1 and the floor the fitting groove 3 shallow recesses 5 and 6 are provided. Between the shoulder 1 and the fitting groove 3 can be a heat exchange film corresponding to the shape of the fitting grooves 7 are inserted, which then together with the recesses 5 and 6 spatially forms separate, but thermally effectively connected fluid channels. There are through holes at the ends of the spiral channels in the two insulating bodies 8 and 9 or 10 and 11 are provided, each with an inlet (not shown) and outlet lines are connected.

Die Wärmeaustauschfolie 7 besteht aus einem thermisch gut leitenden und chemisch inerten Material, vorzugsweise einer Kupferfolie mit einem Überzug aus Gold. Die Isolierkörper bestehen vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen oder einem anderen thermisch isolierenden Kunststoffmaterial, welches sich gut bearbeiten läßt.The heat exchange film 7 consists of a thermally highly conductive and chemically inert material, preferably a copper foil with a coating of gold. The insulating bodies are preferably made of polytetrafluoroethylene or another thermally insulating plastic material that works well leaves.

Auf beiden Seiten der Wärmeaustauschfolie 7 sind elektrolytisch Stege 12 angebracht, von denen zwei Stege perspektivisch dargestellt sind. Die Stege sind halb so hoch wie jede der beiden Ausnehmungen 5 bzw. 6. Jeweils zwei aufeinanderfolgende Stege sind im Abstand voneinander fluchtend und im Winkel zu der Längsrichtung der Ausnehmungen angeordnet; die benachbarten Stegpaare sind gegenüber der Längsrichtung der Ausnehmungen in der anderen Richtung geneigt. Alle Stege weisen sowohl gegenseitig als auch gegenüber den Seitenwänden der die Strömungsmittelkanäle ausbildenden Ausnehmungen Zwischenräume auf.On both sides of the heat exchange film 7 there are electrolytic webs 12 attached, of which two webs are shown in perspective. The jetties are half as high as each of the two recesses 5 and 6. Two consecutive each Bars are aligned and at a distance from one another at an angle to the Arranged in the longitudinal direction of the recesses; the neighboring pairs of bars are opposite the longitudinal direction of the recesses inclined in the other direction. All footbridges point both to each other and to the side walls of the fluid channels forming recesses gaps.

Der beschriebene Wärmeaustauscher kann folgendermaßen betrieben werden: Durch die Durchgangslöcher 9 bzw. 11 treten die beiden Strömungsmittel unter Druck in gleicher Richtung in die Strömungsmittelkanäle mit möglichst nur geringfügig verschiedenen Temperaturen ein. Die Strömungsmittel sind innerhalb der Kanäle in den Isolierkörpern thermisch gegenüber der Umgebung isoliert, und es findet über die Wärmeaustauschfolie -progressiv in der Strömungsrichtung ein Wärmeaustausch und damit eine Temperaturangleichung insbesondere in den beiden Strömungsebenen statt, welche unmittelbar an der Wärmeaustauschfolie verlaufen Auf jeder Seite der Folie wird der übrige Strom bis etwa zur Hälfte der jeweiligen Stege zunächst seitlich nach außen bzw.The heat exchanger described can be operated as follows: The two fluids come under pressure through the through holes 9 and 11, respectively in the same direction in the fluid channels with as little as possible different temperatures. The fluids are inside the channels in the insulating body is thermally insulated from the environment, and it takes place over the heat exchange foil - a heat exchange progressively in the direction of flow and thus a temperature equalization especially in the two flow levels instead, which run directly on the heat exchange film on each side of the Foil, the rest of the stream is initially sideways up to about half of the respective webs to the outside or

nach innen verschoben, entsprechend dem Neigungswinkel des betreffenden Stegs. Aufgrund der Verengungen zwischen den -in Strömungsrichtung gesehen - hinteren Enden der stege und den Seitenwänden wird. das Medium dann nach oben gedrückt und umgewälzt, so daß es in Kontakt mit der Folie gelangt. Es werden also auf jeder Seite der Folie zwei im wesentlichen laminare Ströme geschaffen, von denen der eine durch die Stege umgewälzt wird und der andere über die Stege hinweg verläuft und nur mittelbar durch den umgewälzten Strom beeinflußt wird. Auf diese Weise wird der Wärmeaustausch über die Folie wesentlich gefördert, weil sich in keinem der Kanäle eine Temperaturdifferenz halten kann.shifted inwards, according to the angle of inclination of the relevant Bridge. Because of the constrictions between the rear ones - seen in the direction of flow Ends of the webs and the side walls. then push the media up and circulated so that it comes into contact with the film. So it will be on everyone Side of the slide two essentially laminar flows created, one of which is circulated through the webs and the other over the webs runs away and is only indirectly influenced by the circulating stream. on In this way, the heat exchange through the film is significantly promoted, because cannot maintain a temperature difference in any of the channels.

Der beschriebene Wärmeaustauscher hat sich insbesondere bei der relativen Messung der Brechungsindizes zweier Flüssigkeiten in einem Flüssigkeitschromatographen bewährt, wie er in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung der gleichen Anmelderin mit dem Titel 'tDurchstimmbares Interferometer-Resonanzfilter" erläutert ist. Dabei wurden die beiden Flüssigkeiten unter einem Druck von 1/10 atm.The heat exchanger described has proven itself particularly in the relative Measurement of the refractive indices of two liquids in a liquid chromatograph proven as it is in the patent application filed at the same time by the same applicant with the title 'tunable interferometer resonance filter' is explained the two liquids were under a pressure of 1/10 atm.

in die flachen Kanäle mit einem Durchsatz von 1 ml/min injiziert. Während der Temperaturunterschied der Medien an den Eingängen des Wärmeaustauschers 1° C betrug, ergab sich an den Ausgängen des Wärmeaustauschers nur noch eine 30 Temperaturdifferenz von weniger als 10 3 C. Um den Einfluß von Temperaturunterschieden auf den Brechungsindex zu veranschaulichen, sei angemerkt, daß 10C Temperaturunterschied beider Flüssigkeiten den Brechungsindex um 1 x lo 4 Einheiten ändert.injected into the shallow channels at a rate of 1 ml / min. During the temperature difference of the media at the inputs of the heat exchanger 1 ° C, there was only a 30 at the exits of the heat exchanger Temperature difference of less than 10 3 C. To the influence of temperature differences To illustrate the refractive index, it should be noted that 10C temperature difference of both liquids changes the refractive index by 1 x lo 4 units.

Es versteht sich, daß eine Vielzahl von Änderungen bezüglich der Geometrie und der Materialien vorgenommen werden können,.ohne das Prinzip der progressiven Angleichung der veränderlichen Temperaturen zweier strömender Medien zu verlassen: So brauchen die Kanäle nicht spiralförmig angeordnet zu sein, sondern können in anderer Weise, beispielsweise kreisförmig ausgebildet sein. Ebenso können die Stege auf dem Boden der Ausnehmungen in beiden Isolierkörpern sitzen, statt beiderseits der Wärmeaustauschfolie aufgebracht zu sein. Auch die Geometrie und'lage der Stege kann experimentell jeweils auf die Viskosität und andere Eigenschaften der Strömungsmittel abgestimmt werden.~Weiterhin brauchen nicht in jedem Fall Paßnuten vorgesehen zu werden, diese haben jedoch die Vorteile, daß sie die Maßhaltigkeit der Anordnung erhöhen und eine bessere Abdichtung der zusammen mit der-Folie gebildeten Strömungsmittelkanäle ergeben, da sich der Anpreßdruck der beiden Isolierkörper nicht auf die ganze Oberfläche dieser Körper sondern lediglich auf die Anlagefläche zwischen der Schulter der einen Nut und dem Boden der anderen Nut verteilt.It will be understood that a variety of changes in geometry and the materials can be made without the principle of progressive Alignment of variable temperatures of two flowing media to leave: So the channels do not need to be arranged in a spiral, but can be designed in another way, for example circular. Likewise can the webs sit on the bottom of the recesses in both insulating bodies, instead to be applied on both sides of the heat exchange film. Also the geometry and position the webs can be experimentally adapted to the viscosity and other properties the fluid must be matched. ~ Furthermore, fitting grooves are not always required to be provided, however, these have the advantage that they are dimensionally accurate increase the arrangement and better seal the formed together with the film Fluid channels arise because the contact pressure of the two insulating bodies not on the entire surface of this body but only on the contact surface distributed between the shoulder of one groove and the bottom of the other groove.

Bei einem Ausführungsbeispiel wurden die folgenden Abmessungen vorgesehen: Breite der Paßnut: 3 mm Höhe der Paßnut: 1 mm Länge der Paßnut: 12 cm Breite der Strömungsmittelkanäle: 1 mm Tiefe der Strömungsmittelkanä?le 0,15 mm Breite der Wärmeaustauschfolie 3 mm Höhe der Stege: 0,05 mm Länge der Stege: 3 mm Neigungswinkel der Stege: 80 Abstand der Stege: 3 mm Der beschriebene Wärmeaustauscher ist insbesondere für die Messung von Parametern zweier strömender Medien geeignet, wenn es darauf ankommt, daß möglichst keine Temperaturdifferenz zwischen den Medien auftreten soll, um eine Verfälschung des Meßergebnisses zu verhindern.In one embodiment, the following dimensions were provided: Width of the fitting groove: 3 mm Height of the fitting groove: 1 mm Length of the fitting groove: 12 cm Width of the Fluid channels: 1 mm depth of the fluid channels 0.15 mm width of the Heat exchange foil 3 mm Height of the bars: 0.05 mm Length of the bars: 3 mm Angle of inclination of the webs: 80 Distance between the webs: 3 mm The heat exchanger described is particularly suitable for the measurement of parameters of two flowing media, when it is important that there is as little temperature difference as possible between the media should occur in order to prevent falsification of the measurement result.

Claims

Heat exchangers for fluids, especially liquids, with mechanically separated but thermally coupled fluid channels, which are connected to inlet and outlet lines, g e k e n n -z e i c h n e t through two bodies (2; 4) made of thermally insulating material, in one end face at least one mirror-inverted congruent recess (5; 6) each is formed is, and a film (7) made of a highly thermally conductive material, which is between the insulating bodies is inserted such that it is circumferentially with the recesses of both insulating bodies forms closed fluid channels.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the recess of each insulating body is at least approximately spiral-shaped is trained.

3. Heat exchanger according to claim 1 to 2, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that in each case one end face of each insulating body has a contiguous Fitting groove (1; 3) is formed such that the shoulder between adjacent sections this fitting groove engages in a fitting groove of the other insulating body and the fluid channels on the one hand in the Face of the shoulder of one insulating body and on the other hand, are formed in the bottom of the fitting groove of the other insulating body and the thermally highly conductive film corresponds to the shape of the fitting grooves and between the bottom portion of the fitting groove of an insulating body and the bottom portion of the Mating groove of the other insulator is located.

4. Heat exchanger according to claim 1 to 3, characterized in that g e -k e n n z e i c h n e t that the insulating bodies are made of polytetrafluoroethylene.

5. Heat exchanger according to claim 1 to 4, characterized in that g e -k e n n z e i c h n e t that the thermally conductive foil is made of gold-plated copper consists.

6. Heat exchanger according to claim 1 to 5, characterized in that g e -k e n n z e i c h n e t that there are webs to the laminar at a distance from one another on the film Circulation of the fluid located opposite the longitudinal direction of the Foil are inclined, the height of which is less than the height of either side of the foil formed fluid channels and the ends of which are radially spaced from Perimeter of the slide.

7. Heat exchanger according to claim 1 to 5, characterized in that g e -k e n n z e i c h n e t that on at least one of the grooves and opposite the heat exchange film at a distance from each other webs for the laminar circulation of the Fluid located, which is inclined relative to the longitudinal direction of the film are, the height of which is smaller than the height of the formed on both sides of the film Fluid channels and the ends of which are radially spaced from the circumference of the Slide.

8. Heat exchanger according to claim 6 or 7, characterized in that g e -k e n n -z e i c h n e t that the height of the webs is approximately equal to half the height of the flow center channels is.

9. Heat exchanger according to claim 6 to 8, characterized in that g e -k e n n z e i c h n e t that in each case a group of one or more webs angularly arranged alternately opposite the corresponding adjacent groups of webs is.

10. Heat exchanger according to claim 6 to 9, characterized in that g e -k e n n z e i c h n e t that the webs each in the longitudinal direction of the fluid channels are offset.