KR100582964B1 - 마이크로채널 열 교환기 및 열 전달 방법 - Google Patents

Abstract

열 전달 유체의 능동 유체 이송을 이용하는 열 교환기(10)는 단순하지만 다양한 구조로 제공된 복수의 개별 유동 통로(16)를 가진다. 미세 구조형 유체 유동 채널(16)은 유체 이송 열 교환기(10)에 이용되는 필름 층(12)위에서 반복된다. 구조형 표면(13)은 전체적으로 연속적이고 매우 규칙적인 유체 유동 채널(16)을 한정한다. 이들 유체 유동 채널(16)은 선형, 분기형, 또는 나무 가지모양의 형태를 취할 수 있다. 양호하게 열 전도 특성을 가지는 덮개층(20)이 구조형 필름 지지면 위에 제공된다. 그러한 구조형 필름 지지면과 덮개층(20)은 유체 유동 채널(16)을 한정하기 위해 사용된다. 미세 구조형 표면을 가지는 필름 층(12)의 사용은 열 전달 유체의 능동 이송을 촉진시키기 위해 통로의 조립체를 가로지르는 포텐셜을 크게 분배하는 능력을 촉진한다. 열 전도성 덮개층(20)은 다음에 열 교환기(10)에 인접한 대상물, 기체, 또는 액체로의 열 전달을 수행한다.

열 전달 유체, 능동 유체 이송, 열 교환기, 유동 통로, 채널, 필름 층, 구조형 표면, 덮개층

Description

마이크로채널 열 교환기 및 열 전달 방법{MICROCHANNELED HEAT EXCHANGER AND METHOD OF TRANSFERRING HEAT}

본 발명은 열 전달 매체로서 능동 유체 유동(active fluid flow)용의 작은 개별 채널을 한정하는 마이크로채널 구조형 표면(microchanneled structured surface)을 포함하는 열 교환기에 관한 것이다.

열 흐름은 상이한 온도에 있는 시스템의 부분들 사이에서 일어나는 에너지 이동의 한 형태이다. 열은 3개의 열 흐름 메커니즘, 즉 대류, 전도, 및 복사중의 하나 또는 그 이상에 의해 한 온도의 필름 매체와 다른 온도의 제2 매체 사이를 흐른다. 한 부분이 그 부분 주위의 냉각제의 순환에 의해 냉각되는 것처럼 기체 또는 액체의 유동을 통한 대류에 의해 열 전달이 일어난다. 한편, 전도는 고체, 액체, 및 기체의 내부를 통해서와 같이, 시스템의 비-이동 부분들 사이의 열의 이동이다. 전도에 의해 고체, 액체, 또는 기체를 통한 열 전달율은 열 용량, 열 전도성, 및 고체, 액체 또는 기체의 상이한 부분들 사이의 온도 변화량을 포함하여, 열 영향을 받는 고체, 액체, 또는 기체의 소정의 특성에 의존한다. 일반적으로, 금속은 열의 양도체인 반면, 코르크, 종이, 유리섬유, 및 석면은 열의 부도체이다. 기체는 또한 일반적으로 그의 희박한 성질 때문에 부도체이다.

열 교환기의 일반적으로 알려진 실예는 전기 스토브의 버너와 투입 전열기를 포함한다. 양쪽의 적용에서, 전류가 인가되는 전기 전도성 코일이 전형적으로 사용된다. 전기 코일내의 저항은 열 영향을 받을 매체를 전도성 코일에 가깝게 배치하거나 또는 직접 접촉시킴으로써 전도 또는 대류를 통해 매체로 이동될 수 있는 열을 발생시킨다. 이러한 방식에서, 액체는 고온으로 유지되거나 또는 냉각될 수 있고, 음식은 소비를 위해 요리될 수 있다.

여러 형태의 유체 매체와 유체의 운반능력(즉, 예를 들면, 유체를 한 위치에서부터 다른 위치로 펌프하는 능력)에 관련된 적합한 전도 및 대류 특성 때문에, 많은 열 교환기들은 열 영향을 받게 될 대상물 또는 다른 유체로 또는 대상물이나 다른 유체로부터 열 전달을 촉진시키기 위해 유체를 이동시키는 것을 이용한다. 그러한 열 교환기의 일반적인 형태는 열 전달 유체가 튜브와 같은 제한된 본체 내부에 수용되어 제한된 본체를 통해 흐르는 것이다. 열 전달 유체로부터 대류에 의해 본체의 튜브 벽 또는 다른 한정된 표면으로, 그리고 전도에 의해 한정된 표면을 통해 열전달이 이루어진다. 열 영향을 받아야할 매체로의 열 전달은, 열 교환기에 의해 열 영향을 받게 될 다른 액체 또는 기체와 같은 이동 매체와 한정된 표면이 접촉상태로 배치될 때와 같이 대류를 통해, 또는 한정된 표면이 열 영향을 받아야 할 매체 또는 다른 대상물과 직접 접촉상태로 배치될 때와 같이 전도를 통해 일어날 수 있다. 열 전달을 효과적으로 촉진시키기 위해, 한정된 표면은 금속과 같은 그러한 바람직한 전도 특성을 가지는 소재로 구성되어야 한다.

열 교환기가 유익하게 채용된 특별한 적용예로는 마이크로 전자 산업 및 의료 산업이 포함된다. 예를 들면, 열 교환기는 집적 회로 칩, 마이크로 전자 패키지, 및 다른 구성부품 또는 그의 하이브리드에 의해 생긴 열의 집중을 분산시키기 위해 마이크로 전자 회로와 관련하여 사용된다. 그러한 적용에서, 냉각된 강제 공기 또는 냉각된 강제 액체는 냉각될 회로 소자에 인접하게 위치된 열 흡수 장치의 온도를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 의료 분야에서 사용된 열 교환기의 실예는 환자를 따뜻하게 하거나 차게 하는데 사용되는 열 담요이다.

열 전달을 달성하기 위한 열 교환기내의 도관 또는 다른 장치에 의한 유체의 운반은 도관 또는 장치 내에서 유동을 일으키는 메커니즘에 의거하여 특징화 될 수 있다. 유체 이송이 대부분의 경우 유체 유동이 장치에 인가된 외력으로부터 초래되는 비자발적인 유체 유동 상황에 속하는 경우에, 그러한 유체 이송은 능동적인 것으로 고려된다. 능동 이송에서, 유체 유동은 유동 영역 위에 부과된 포텐셜에 의해 장치를 통해 계속된다. 이러한 포텐셜은 진공원 또는 펌프를 이용하여 발생될 수 있는 압력차 또는 농도 구배(concentration gradient)로부터 초래된다. 메커니즘에 관계없이, 능동 유체 이송에서 장치를 통해 유체 유동에 동기를 부여하는 것은 포텐셜이다. 장치를 통해 액체를 흡인하기 위해 진공원에 부착된 카테테르(catheter)는 능동 유체 이송 장치의 실예로서 잘 알려져 있다.

한편, 유체 이송이, 유체 이동이 이송 장치 고유의 특성으로부터 생기는 자발적인 유동 상황에 속하는 경우에, 이 유체 이송은 수동적인 것으로 고려된다. 자발적 유체 이송의 예로는 물을 흡수하는 스펀지가 있다. 스펀지의 경우에, 물을 스펀지를 통해 빨아올려서 이송시키는 것은 바로 모세관 구조 및 스펀지의 표면 에너지이다. 수동 이송 시에, 장치를 통해 유체 유동에 동기를 부여하기 위해 어떠한 외부 포텐셜도 요구되지 않는다. 의료 행위에서 일반적으로 사용되는 수동 유체 이송 장치는 흡수제 패드이다.

본 발명은 능동 유체 이송을 이용하는 열 교환기에 관한 것이다. 일반적으로 능동 유체 이송 장치의 설계는 적용될 특정의 적용예에 따른다. 특히, 유체 이송 장치는 특정 적용예의 체적, 비율 및 치수에 따라 설계된다. 이것은 특히 복잡한 기하학적인 구조를 수반하는 전문화된 환경에서 종종 사용되는 것이 요구되는 능동 유체 이송 열 교환기에서 특히 명백하다. 더욱이, 유체가 유체 이송 장치 속으로 도입되는 방식은 설계에 영향을 준다. 예를 들면, 입구 및 출구 매니폴드 사이에 유체 유동이 있는 경우, 종종 열 교환기를 갖는 경우일 때, 하나 또는 복수의 개별 통로가 매니폴드들 사이에 한정될 수 있다.

특히, 능동 유체 이송 열 교환기에서, 유체 유동 통로를 제어하는 것이 바람직할 때가 종종 있다. 어떤 의미에서, 유체 유동 통로는 특정 적용에서 대상물 또는 다른 유체로부터 열을 제거하거나, 또는 그곳으로 열을 전달하기 위해 대상물 또는 다른 유체의 근처에서 개개의 유체를 흐르게 할 목적으로 제어될 수 있다. 다른 의미에서, 유체 유동 통로의 제어는 특정 유동 특성에 따라 유체가 흐르도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 유체 유동은 층들 사이에서 또는 복수의 채널에 의해 단일 도관을 통해 간단히 촉진될 수 있다. 유체 이송 유동 통로는, 예를 들면, 개별 유체 채널들 사이에서 교차 또는 혼합되는 것을 최소화하도록 유체 유동을 제어하기 위해 복수의 개별 채널에 의해 한정될 수 있다. 능동 유체 이송을 이용하는 열 교환기 장치는 또한 열 교환기를 통해 유체 유동의 체적 및 비율에 영향을 주는 바람직한 열 전달율, 및 열 교환기의 치수에 따라서 설계된다.

개별 마이크로채널을 가지는 강성 열 교환기(rigid heat exchanger)는 카말다 등에게 허여된 미국 특허 제5,527,588호, 후프맨 등에게 허여된 특허 제5,317,805호('805 특허), 및 토우시그넌트 등에게 허여된 특허 제5,249,358호에 기술되어 있다. 각각의 경우에, 마이크로채널 열 교환기는 마이크로채널을 형성하기 위해 나중에 제거되는 희생 코어(sacrificial core)에 대한 (전기도금과 같은) 소재의 침적(deposition)에 의해 제조된다. 카말다의 특허에서는, 작동 유체가 밀봉되는 관형상의 통로를 형성하기 위해 필라멘트가 침적 후 제거된다. 후프맨 등에게 허여된 '805 특허에서는, 복수의 개별 마이크로채널에 의해 연결된 입구 및 출구 매니폴드를 구비하는 열 교환기가 기술되어 있다. 유사하게, 후프맨 등에게 허여된 미국 특허 제5,070,606호는 열 교환기로서 사용될 수 있는 마이크로채널을 가지는 강성 장치를 기술하고 있다. 강성 마이크로채널 열 교환기는 고체로 형성된 본체 내에 마이크로채널을 남겨 두기 위해 나중에 제거되는 섬유의 배열체 둘레에 고체 본체를 형성함으로써 만들어진다. 열 교환기는 또한 후프맨 등에게 허여된 미국 특허 제4,871,623호에 기술되어 있다. 열 교환기는 복수의 긴 릿지(ridge)를 가지는 맨드렐 상에 소재를 전기 침적시킴으로써 형성되는 복수의 길게 에워싸인 전기 주조된 채널을 제공한다. 소재는 홈을 감싸서 마이크로채널을 가지는 고체 본체를 만들기 위해 릿지의 내부 표면상에서 보다 더욱 빠른 속도로 릿지의 가장자리상에서 침적된다. 강성 열 교환기는 또한 서로 적층되는 일련의 마이크로패턴형 작은 금속판을 가지는 것으로 공지되어 있다. 직사각형 채널(횡단면에서 볼 때)은 마이크로세공(microtooling)에 의해 채널을 밀링 가공함으로써 작은 금속판의 표면에 한정된다.

본 발명은 작은 개별 통로의 크게 분배된 시스템을 통한 능동 유체 이송을 이용하는 열 교환기를 제공함으로써 공지의 열 교환기의 단점과 불리한 점을 극복한다. 특히, 본 발명은 미세 구조형 표면을 가지는 중합 소재의 층에 형성된 복수의 채널, 양호하게는 미세 구조ㅇ조형 표면은 개별 통로를 형성하기 위해 인접한 층에 의해 완료되는 복수의 마ㅇ대상물 또는 유체로부터 열을 제거하거나 또는 그 곳으로 열을 전달하도ㅇ본 발명에 의해, 광범위한 적용을 위해 설계될 수 있는 열 교환기가 제조된다. 열 교환기는 미세 구조형 채널을 수용하는 층을 포함하는 층을 이루는 소재에 따라 유연ㅇ널의 시스템은 장치를 통한 유체 유동을 효과적으로 제어하기 위해 사용되고, 채널들ㅇ호하게는, 미세 구조는 유동 채널, 양호하게는 마이크로채널 표면을 한정하기 위해 값이 싸지만 용도가 다양한 중합 필름위로 반복 구조화될 수 있다. 이러한 미세 구조는 효과적이고 능률적인 능동 유체 이송을 제공하는 한편, 열 교환기에 인접한 유체 또는 대상물에 열 영향을 주기 위한 열 교환기의 제조에 적합하다. 더욱이, 유동 채널의 기하학적인 구조는 물론 그의 작은 크기는 유동 채널의 붕괴없이 비교적 높은 힘이 열 교환기에 인가되는 것을 가능하게 한다. 이것은 유체 이송 열 교환기가 붕괴될 수 있는 상황, 즉 무거운 대상물 아래에 있거나 또는 그 위를 걸을 때에도 사용될 수 있게 해 준다. 부가적으로, 그러한 미세 구조형 필름 층은 시간이 초과해도 그의 구조적인 본래의 상태를 유지한다.

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필름 층의 미세 구조는 양호하게는 연속적이고 매우 규칙적인 열 교환기내의 적어도 복수의 개개의 유동 채널을 한정한다. 이들 유동 채널은 선형의, 분기된, 또는 나뭇가지모양의 구조의 형태를 취할 수 있다. 열 전도성 소재의 층은 복수의 사실상 개별 유동 통로를 한정하도록 미세 구조 표면을 덮도록 인가된다. 포텐셜 공급원-한 지점으로부터 다른 지점까지 유체를 이동시키기 위해 포텐셜을 제공하는 소정의 공급원을 의미함-은 X교환기에 인가된다. 양호하게는, 공급원은 채널 입구 포텐셜로부터 채널 출구 포텐셜까지 유동 통로를 통한 유체 이동을 촉진시키기 위해 포텐셜을 유체 통로에 제공하도록 미세 구조형 표면의 외부에 제공된다. 열 교환기내에 미세 구조형 표면을 가지는 필름 층의 사용은 채널의 조립체를 가로질러 포텐셜을 높게 분배하는 능력을 촉진한다.

본 발명 내에 미세 구조형 채널을 사용함으로써, 열 전달 유체는 미세 구조형 채널 내에서 얇은 유체 유동을 한정하는 복수의 개별 통로를 통해 이송되며, 이것은 안내된 유체내에서 흐름이 정체되는 것을 최소화하며, 장치를 가로질러 능동 유체 이송방향으로 열 전달 유체의 균일한 체류시간을 촉진시킨다. 이러한 요인들은 장치의 전체적인 능률에 기여하며 열 전달 유체와 열 영향을 받는 매체와의 사이에 더욱 작은 온도차를 허용한다. 더욱이, 미세 구조형 채널을 가지는 필름 표면은 시스템의 체적 효율(volumetric efficiency)을 증가시키기 위해 열 전달 유체의 단위 체적당 높은 접촉 열 전달 표면 영역을 제공할 수 있다.

본 발명의 상기 이점은 제1 및 제2 주 표면을 가지는 중합 소재의 층을 포함하는 능동 유체 이송 열 교환기에 의해 성취될 수 있고, 여기서 제1 주 표면은 층 내에 형성된 구조형 중합 표면에 의해 한정되며, 구조형 중합 표면은 층의 표면을 따라 채널 입구로부터 채널 출구까지 연장하는 복수의 유동 채널을 가진다. 유동 채널은 양호하게는 수압 반경에 의해 분할된 채널 길이로서 한정된 약 10:1 의 최소 종횡비, 및 약 300 마이크로미터 이하의 수압 반경을 가진다. 적합한 열 전도 특성을 가지는 소재의 덮개층은 적어도 복수의 유동 채널로부터 개별 유동 통로를 한정하기 위해 구조형 중합 표면의 적어도 복수의 유동 채널위로 배치된다. 채널 입구 포텐셜로부터 채널 출구 포텐셜까지 유동 통로를 통해 유체의 이동을 촉진시키기 위해 개별 유동 통로에 걸쳐 포텐셜을 제공하도록 구조형 중합 표면의 외부에 공급원이 또한 제공된다. 이러한 방식에서, 이동하는 유체와 열 전도성 소재의 덮개층 사이, 및 열 영향을 받을 매체로의 열 전달이 성취될 수 있다.

양호하게는, 적어도 하나의 매니폴드가 또한 열 교환기의 구조형 표면의 채널을 통해 유체 유동을 공급 또는 수용하기 위해 복수의 채널과 조합하여 제공된다.

도1은 복수의 개별 유동 통로를 제공하기 위해 열전도성 소재의 덮개층에 결합된 구조층을 가지는 본 발명에 따른 능동 유체 이송 열 교환기의 사시도로서, 통로가 입구 매니폴드와 출구 매니폴드와의 사이에서 연결되고 입구 매니폴드는 복수의 개별 통로를 가로지르는 포텐셜을 제공하기 위한 공급원에 연결되는 것을 도시한다.

도2는 도1의 라인 2-2를 따라 취한 도1의 능동 유체 이송 열 교환기의 일부 확대 단면도를 사시도로 도시한 도면이다.

도3a 내지 도3c는 본 발명에 따른 열 교환기에서 사용될 수 있는 가능한 유동 채널 구조를 예시하기 위한 구조층의 단면도이다.

도4는 덮개층의 바닥 주 표면이 복수의 개별 유동 통로를 한정하기 위해 하부층의 미세 구조형 표면을 차단하도록 열전도성 덮개층이 스택 내에 번갈아 포개져서 서로의 위에 배치되는 미세 구조형 층의 스택의 단면도이다.

도5a 및 도5b는 본 발명에 따른 열 교환기에 사용될 수 있는 다른 비-선형 채널 구조를 예시하기 위한 구조층의 평면도이다.

도6은 미세 구조층들이 서로의 위에 배치되는 스택을 가지는 능동 유체 이송 열 교환기의 일부의 사시도로서, 열전도성 소재의 덮개층은 개별 유동 통로를 한정하기 위해 적층된 층의 대향한 구조형 표면과 인접한 구조형 표면과의 사이에 배치되고, 이 층은 한 유체로부터 다른 유체까지 열 전달을 촉진시키기 위해 유동 통로를 통해 두 개의 각각의 유체의 능동 유체 이송을 허용하는 방식으로 배치되는 것을 도시한다.

도7a 및 도7b는 가능한 채널 구조를 도시하는 한쌍의 미세 구조층의 부분적인 단면도로서, 열전도성 소재의 층은 두 유체들 사이에서 열 전달을 허용하기 위해 층의 구조형 표면들 사이에 배치되는 것을 도시한다.

도8은 환자에게 열적으로 영향을 주기위해 의료 행위중에 환자의 아래에 배치된 가요성 능동 유체 이동 열 교환기의 사용을 포함한, 능동 유체 이송 장치의 다양한 사용을 도시한다.

첨부 도면을 참조하면, 여러 도면을 통해 같은 구성부분에 같은 숫자가 표시되어 있다. 도1 및 도2에는 능동 유체 이송 열 교환기(10)가 도시되어 있다. 능동 유체 이송 열 교환기(10)는 기본적으로 그의 두 개의 주 표면중의 한 표면상에 구조형 표면(structured surface)(13)을 가지는 소재의 층(12), 열 전도성 소재의 덮개층(20), 및 능동 유체 이송 열 교환기(10)에 포텐셜을 공급하기 위한 포텐셜 공급원(14)을 포함한다. 층(12)의 구조형 표면(13)은 그의 주 표면상에서 복수의 고밀도의 유체 유동 채널(16)을 한정할 수 있다. 유체 유동 채널(16)(도2에서 가장 잘 도시됨)은 양호하게는 입구가 입구 매니폴드(18)와 유체 연통하고, 열 교환기(10)의 다른 가장자리에서, 출구 매니폴드(19)가 유체 유동 채널(16)의 출구에 유체 접속될 수 있도록 배열된다. 그러한 능동 유체 이송 열 교환기(10)는 입구 매니폴드(18)와 출구 매니폴드(19)에 의해 열 교환기(10)를 통한 특별한 유체의 순환을 제공하며, 이것에 의해 열 교환기(10)를 통과한 유체는 열 교환기(10)의 층(12)과 덮개층(20)의 하나 또는 양쪽을 통한 열 전달을 촉진시키도록 이용될 수 있다.

층(12)은 유연하거나, 반강성 이거나 또는 강성인 소재로 이루어 질 수 있고, 이것은 능동 유체 이송 열 교환기(10)의 특정 적용에 따라 선택될 수 있다. 양호하게는, 층(12)은 전형적으로 가격이 저렴하기 때문에 중합 소재로 이루어지며, 그러한 중합 소재는 구조형 표면(13)에 정밀하게 형성될 수 있다. 구조형 표면(13)은 양호하게는 미세 구조형 표면이다. 미세 구조형 표면을 만들기에 적합한 중합 소재들은 그의 특성들이 매우 상이하기 때문에 다양하게 이용될 수 있다. 중합 소재는 예를 들면 유연성, 강성, 투과성 등에 따라 선택될 수 있다. 중합 소재는 다른 소재들과 비교할 때, 감소된 열 팽창 및 수축 특성을 가지며, 접촉면의 외형에 상응하여 압축될 수 있고, 비부식성이며, 열 착색이 가능하고, 전기적으로 비전도성이며, 그리고 광범위한 열 전도성을 가진다는 것을 포함한 많은 특성을 제공한다. 게다가, 예를 들면, 필름 층으로 구성된 중합 층(12)의 사용에 의해, 그의 주 표면상에 많은 수의 고밀도의 유체 유동 채널(16)을 한정하는 구조형 표면이 제공될 수 있다. 따라서, 높은 레벨의 정확도와 경제성으로 제조하기 쉬운 고 분배 유체 이송 시스템(highly distributed fluid transport system)이 제공될 수 있다.

입구 및 출구 매니폴드(18, 19)는 각각 양호하게는 그의 입구 및 출구(도시되지 않음)를 통해 유체 유동 채널(16)의 각각과 유체 연통하며, 내부에 한정되어 유체 유동 채널(16)과 유체 연통하는 내부 챔버(도시되지 않음)가 제공된다. 입구 및 출구 매니폴드(18, 19)는 양호하게는 종래의 밀봉재에 의해 밀봉하는 그러한 공지의 또는 개선된 기술에 의해 층(12, 20)에 유체 밀봉된다. 입구 및 출구 매니폴드(18, 19)의 내부 챔버는 또한 적어도 복수의 유체 유동 채널(16)에 밀봉 가능하게 연결된다. 입구 및 출구 매니폴드(18, 19)는 층(12)과 같이, 유연하거나, 반강성이거나, 또는 강성으로 형성될 수 있다.

적어도 복수의 유체 유동 채널(16)을 차단하여 개별 유체 유동 통로를 한정하기 위해, 양호하게는 덮개층(20)이 제공된다. 적어도 복수의 유체 유동 채널(16)은 덮개층(20)의 폐쇄면(21)에 의해 유동 통로로서 완성될 수 있다. 덮개층(20)은 또한 입구 및 출구 매니폴드(18, 19)에 밀봉 가능하게 연결되며, 그 결과 채널 입구 포텐셜로부터 채널 출구 포텐셜까지 유체 유동 채널(16)을 가로지르는 포텐셜차에 기초하여 열 교환기(10)를 통해 능동 유체를 이송하는 복수의 개별 유동 통로가 형성된다. 덮개층(20)은 양호하게는 유동 통로를 통해 흐르는 유체와, 예를 들면, 열적 영향을 받게 될 엘리먼트(17)와의 사이의 열 전달을 촉진시키는 열 전도성 소재로 형성된다. 열의 영향을 받는 상기 엘리먼트(17)는 각각의 적용예에서 임의의 수의 대상 물체, 유체, 기체, 또는 이들의 조합물로 구성될 수 있을 것으로 생각된다.

덮개층(20)은 층(12)보다 더 큰 열 전도성을 가질 수 있다. 열 전도성은 열을 이송하는 능력으로 특징지어 지고 소재를 통한 열 전달율을 어느 정도 결정하는 특정 소재의 정량화할 수 있는 특성이다. 특히, 열 전달율은 횡단면 프로파일과 두께를 포함한 소재의 물리적인 치수와 소재의 온도차에 비례한다. 비례상수는 소재의 열 전도성으로 정의되며 단위 거리 곱하기 도(degree) 당 동력의 식으로 표현된다. 즉, 미터 단위를 이용하여 열 전달을 측정할 때, 열 전도성은 미터-섭씨 온도 당 와트(W/(m*℃))의 식으로 표현된다. 훌륭한 열 도체인 물질은 높은 열 전도성을 가지는 반면, 절연 물질은 낮은 열 전도성을 가진다.

더욱이, 폐쇄면(21)은 열적 영향을 받게 될 물체의 표면과 같이 덮개층(20)이외의 다른 층으로부터 제공될 수도 있다. 즉, 폐쇄면(21)은 열 영향을 받게 되고 층(12)이 접촉할 수 있는 어떤 물체의 일부가 될 수 있다. 따라서, 그러한 구성은 층(12)과 폐쇄면(21) 사이에 한정된 통로 내를 흐르는 유체와 열 영향을 받게 될 물체와의 사이에서 열 전달을 촉진시키기 위해 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 물체의 폐쇄면(21)은 단지 적어도 복수의 유체 유동 채널(16)을 차단하는 것만으로 복수의 개별 유체 유동 통로를 한정한다. 구조형 표면(13)을 가지는 층(12)과 물체는 영구적인 방식으로 이들을 조립함으로써 하나의 유닛으로 구성될 수 있거나, 또는 층(12)의 구조형 표면(13)은 물체의 폐쇄면에 대해 일시적으로 지지되거나 그렇지 않으면 유지될 수 있다. 전자의 경우에, 하나 또는 그 이상의 매니폴드가 조립체의 일부로서 밀봉식으로 제공될 수 있다. 후자의 경우에, 하나 또는 그 이상의 매니폴드가 층(12)에 대해서만 밀봉 가능하게 연결될 수 있다.

본 발명에 따르면, 포텐셜 공급원은 복수의 유동 통로를 가로질러 채널 입구 포텐셜로부터 채널 출구 포텐셜까지 포텐셜차를 제공하는 임의의 수단을 포함할 수 있다. 포텐셜차는 유체 특성의 특정 적용에 어느 정도 기초하여 복수의 유체 유동 채널(16)과 덮개층(20)에 의해 한정된 개별 통로를 통해 유체 유동을 일으키거나 또는 일으키는 것을 돕는데 충분해야 한다. 도1에 도시된 바와 같이, 유체 유동의 방향은 화살표로 도시된 바와 같이 입구 매니폴드(18)를 통해, 층(12, 20)으로 이루어진 열 교환기(10)의 본체를 통해, 그리고 출구 매니폴드(19)를 통해 제한되며, 포텐셜 공급원(14)은 집열기 리셉터클(26)에 일반적으로 연결되는 진공 발생기를 구비할 수 있다. 집열기 리셉터클(26)은 종래의 가요성 튜브(24)에 의해 출구 매니폴드(19)에 유체 연결된다. 따라서, 포텐셜 공급원(14)에서의 진공의 공급에 의해, 유체는 능동 유체 이송 열 교환기(10)의 외측에 제공된 유체 공급원(25)으로부터, 입구 매니폴드(18)를 통해 입구(도시되지 않음)로, 유동 통로를 통해, 출구 매니폴드(19)를 통해, 튜브(24)를 통해 집열기 리셉터클(26)로 흡인될 수 있다. 집열기 리셉터클(26)은 재순환 시스템을 제공하기 위해 유체 공급원(25)에 편리하게 연결될 수 있고, 이 경우에, 재사용하기 전에, 그 곳의 유체를 재가열 또는 재냉각시키는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 집열기 리셉터클(26)은 유체가 열 교환기(10)를 통해 흡인되기 전에 유체를 초기의 온도로 회복시키기 위해 집열기 리셉터클(26)내에 수용된 유체의 내부 또는 외부로 열이 이송되는 시스템에 연결될 수 있다. 이렇게 회복된 유체는 다음에 열 교환기(10)에서 재사용하기 위해 유체 공급원(25)으로 공급될 수 있다.

층(12, 20)에 대해 가요성 소재가 사용되면, 열 교환기(10)가 기계적으로 유연한 성질을 가지게 되므로 복잡한 외형에서 유익하게 사용될 수 있다. 가요성 장치는 고도로 분배된 유체 유동을 제공하도록 비교적 크게 이루어 질 수 있고, 그로 인해 큰 영역이 이 장치에 의해 영향을 받을 수 있다. 가요성 유체 이송 열 교환기는 예를들면 환자를 냉각 또는 가열시키기 위해 담요의 형태를 취할 수 있다. 그러한 가요성 장치는 대상물의 형상에 상응하거나, 대상물 둘레에 감싸지거나, 또는 (예를 들면, 쿠션위에 제공된) 대상물과 함께 적합하게 형성되어 그로 인해 열 전달을 촉진시킬 수 있다. 특히, 그러한 열 교환기 장치의 가요성 성질은 이 장치와 열의 영향을 받을 대상물과의 사이에서 표면 접촉을 향상시키고, 이것은 열 전달을 촉진시킨다. 유체 이송 장치가 가요성으로 형성될 수 있음에도 불구하고, 이 장치는 하중으로 인한 파손과 얽힘에 대한 저항성을 갖는다. 중합 필름으로 구성될 수 있는 층(12)의 미세 구조는 본 발명에 따른 능동 유체 이송 열 교환기내에 이용될 수 있는 만족스러운 구조를 제공하여, 예를 들면, 서있는 사람 또는 엎드린 사람을 지지하기에 충분한 하중-지지 구조를 가진다.

도3a에 도시된 바와같이, 유체 유동 채널(16)은 예시된 실시예에 따라 일련의 정점(28)에 의해 한정될 수 있다. 그러한 경우에, 정점(28)을 층(12)의 한 가장자리로부터 다른 가장자리까지 완전히 연장하는 것이 바람직하지만, 다른 적용에 대해서는, 구조형 표면(13)의 일부를 따라서만 정점(28)을 연장하는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 정점(28)들 사이에 한정된 유체 유동 채널(16)은 층(12)의 한 가장자리로부터 다른 가장자리까지 완전히 연장할 수 있거나, 또는 그러한 유체 유동 채널(16)은 층(12)의 일부분에 걸쳐서만 연장하도록 한정될 수도 있다. 이 채널 부분은 층(12)의 가장자리로부터 시작할 수 있고, 또는 층(12)의 구조형 표면(13)내에서 완전히 중간에 제공될 수도 있다.

열의 영향을 받게 될 표면 또는 덮개층(20)의 폐쇄면(21)은 열 교환기(10)내의 개별 유동 통로의 생성을 강화하기 위해 구조형 표면(13)의 일부 또는 전부의 정점(28)에 접착될 수 있다. 이것은 폐쇄면(21)과 층(12)의 소재에 적합한 종래의 접착제의 사용에 의해 수행될 수 있거나, 또는 다른 열 접합, 초음파 접합 또는 다른 기계적인 장치 등에 의해 수행될 수 있다. 접합은 정점(28)을 따라 전체적으로 폐쇄면(21)에 제공될 수 있고, 또는 일정한 패턴에 따라 또는 임의로 제공될 수 있는 스폿 접합일 수 있다.

포텐셜 공급원(14)이 진공 발생기로 구성되는 경우에, 출구 매니폴드(19)를 거쳐 유체 유동 채널(16)에 제공된 진공은 폐쇄면(21)을 정점(28)에 적절하게 밀봉하기에 충분할 수 있다. 즉, 진공 자체는 정점(28)에 대해 폐쇄면(21)을 지지하는 경향이 있어서 열 교환기(10)의 개별 유동 통로를 형성한다. 양호하게는, 구조형 표면(13)에 의해 한정되는 유체 유동 채널(16)의 각각은 폐쇄면(21)에 의해 완전히 차단되어 최대수의 사실상 개별적인 유동 통로를 한정한다. 따라서, 유체 유동 채널(16)들 사이에서 유체가 횡단하는 현상은 최소화되고, 외부 공급원으로부터 제공된 포텐셜은 층(12)의 구조형 표면(13) 상에서 더욱 효과적이고 능률적으로 분배될 수 있다. 그러나, 구조형 표면(13)은 소정 지점에서의 유동 통로들 사이에 유체의 횡단을 허용하는 유체 유동 채널(16) 형상을 포함할 수 있다고 생각된다. 이것은 중간 정점(28)의 일부를 폐쇄면(21)에 부착하지 않음으로써, 또는 선택된 위치에서 정점(28)을 통과하는 개구를 제공함으로써 달성될 수 있다.

본 발명에 따르면 다른 포텐셜 공급원(14)가 진공 발생 장치 대신에 또는 이것과 결합하여 이용될 수 있다. 일반적으로, 유동 통로를 통해 유체 유동을 일으키는 모든 방식이 고려될 수 있다. 즉, 유체를 통로를 통해 이송되게 하거나 이송되는 것을 돕는 외부 장치 또는 포텐셜 공급원이 고려된다. 다른 포텐셜 공급원의 실예는 진공 펌프, 압력 펌프 및 압력 시스템, 자기 시스템, 자기유체역학 구동장치, 음향 유동 시스템, 원심 스피닝, 중력, 및 적어도 어느 정도까지 유체를 흐르게 하는 포텐셜차의 발생을 이용하는 다른 공지된 또는 밝혀진 유체 구동 시스템을 포함하지만, 이들에 제한되지는 않는다.

비록 도1의 실시예가 (도3a에 도시된 바와 같이) 한 측면 가장자리로부터 다른 측면 가장자리까지 연속적으로 제공된 복수의 정점(28)을 구비한 구조형 표면을 가지는 것으로 도시되어 있다고 해도, 다른 구조들도 고려된다. 예를 들면, 도3b에 도시된 바와 같이, 채널(16')은 약간 평평한 정점(28')들 사이에서 더 넓은 평평한 계곡부를 가진다. 도3a의 실시예처럼, 열 전도성 덮개층(20)이 하나 또는 그 이상의 정점(28')을 따라 고정되어 개별 채널(16')을 한정한다. 도3a의 실시예에서 측면벽(17)들이 선을 따라서 서로 연결되는데 반해, 이 경우에는 바닥면(30)이 채널 측면벽(31)들 사이에 연장된다.

도3c에는 다른 구조가 도시된다. 제1 채널(32)이 정점(28")들 사이에서 한정되지만, 채널 측면벽들 사이에 평평한 표면을 제공하는 대신, 복수의 더욱 작은 정점(33)들이 정점(28")들의 측면벽들 사이에 제공된다. 따라서 이들 더욱 작은 정점(33)들이 그 사이에 제2 채널(34)을 한정한다. 정점(33)은 정점(28")과 같은 높이까지 상승하거나 상승하지 않을 수 있고, 도시된 바와 같이, 내부에 더 제2 채널(34)이 분배된 넓은 제1 채널(32)을 형성한다. 정점(28", 33)은 그들 스스로 또는 서로에 대해 균일하게 분배될 필요는 없다.

비록 도1, 도2, 및 도3a-3c가 층(12) 내에 길고, 직선으로 구성된 채널을 도시하고 있지만, 이 채널은 많은 다른 구조로 제공될 수 있다. 예를 들면, 이 채널은 채널 길이를 따라 변하는 횡단면 폭을 가질 수 있다; 즉, 이 채널은 채널의 길이를 따라 분산되거나 집중될 수 있다. 채널 측면벽은 또한 채널의 연장 방향으로, 또는 채널의 높이로 일직선으로 되기보다는 오히려 등고선으로 형성될 수 있다. 일반적으로, 유체 이송 장치내의 채널 입구로부터 채널 출구까지 연장하는 적어도 복수의 개별 채널 부분들을 제공할 수 있는 모든 채널 구조가 고려될 수 있다.

도5a에는, 구조형 표면(13)을 한정하기 위해 층(12)에 적용될 수 있는 채널 구조가 평면도로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 열 전달 유체를 수용하기 위해 매니폴드에 연결될 수 있는 입구(도시되지 않음)를 가지는 복수의 집중 채널(36)이 제공될 수 있다. 집중 채널(36)은 단일의 공통 채널(38)에 각각 유체 연결된다. 이것은 채널에 대한 출구의 준비를 최소화 한다. 도5b에 도시된 바와 같이, 유사한 이유로 특별한 영역을 커버하기 위해 설계될 수 있는 복수의 채널 분기(37)에 중앙 채널(39)이 연결될 수 있다. 다시, 일반적으로 복수의 개개의 채널이 채널 입구로부터 채널 출구까지 구조형 표면(13)의 일부분에 걸쳐 제공되기만 하면 본 발명에 따른 소정의 패턴으로 고려된다. 상기 실시예와 같이, 도5a 및 도5b에 도시된 패턴화된 채널은 양호하게는 개별 유동 통로를 한정하고 열의 영향을 받을 본체로 열 전달을 촉진시키기 위해 열 전도성 소재의 덮개층에 의해 또는 열의 영향을 받는 대상물의 표면에 의해 제공되는 그러한 폐쇄면에 의해 유동 통로로서 완성된다.

본 발명의 미세 구조형 표면의 개개의 유동 채널은 사실상 개별적일 수 있다. 만일 그렇다면, 유체는 인접한 채널내의 유체와 독립적으로 채널을 통해 이동할 수 있을 것이다. 따라서, 채널은 인접한 채널과 독립적으로 특정 채널을 따라서 또는 이 채널을 통해 유체를 안내하도록 서로에 대해 포텐셜을 독립적으로 수용할 수 있다. 양호하게는, 비록 인접한 채널들 사이에 다소 확산이 일어날 수는 있지만, 하나의 유동 채널로 들어가는 유체는 상당한 정도까지 인접한 채널로 들어가지는 못한다. 열 교환기 유체를 효과적으로 이송하기 위해 마이크로채널의 개별성을 유지함으로써, 대상물에 대한 열 전달은 더욱 촉진될 수 있다. 그러한 잇점은 하기에 기술된다.

여기에 사용된 종횡비(aspect ratio)는 수압 반경에 대한 채널의 길이의 비를 의미하며, 수압 반경은 축축한 채널 주위에 의해 분할된 채널의 축축한 횡단면 영역이다. 구조형 표면은 바람직하게는 10:1, 어떤 실시예에서는 대략 100:1을 초과하고, 다른 실시예에서는 적어도 약 1000:1의 최소 종횡비(길이/수압 반경)을 가지는 개별 유동 채널을 한정하는 미세 구조형 표면이다. 상단부에서, 종횡비는 무한히 높지만, 일반적으로 약 1,000,000:1미만이 될 것이다. 채널의 수압 반경은 약 300m 이하이다. 여러 실시예에서, 이것은 100m 미만이 될 수 있고, 10m 미만이 될 수도 있다. 비록 일반적으로 여러 적용에 대해 더 작을수록 더 양호하지만(수압 반경이 크기에서 미크론보다도 작을 수 있지만), 수압 반경은 전형적으로 대부분의 실시예에 대해 1m 보다 작지 않을 것이다. 아래에서 가장 잘 설명되는 바와 같이, 이들 매개변수들 내에 한정된 채널들은 능동 유체 이송 장치를 통해 효과적인 체적 유체 이송을 제공할 수 있다.

구조형 표면에는 또한 매우 낮은 프로파일이 제공될 수 있다. 따라서, 능동 유체 이송 장치는 구조형 중합층이 5000 마이크로미터 이하, 심지어는 1500 마이크로미터의 두께를 가지는 것도 고려된다. 이렇게 하기 위해, 채널은 대략 5 내지 1200 마이크로미터의 높이를 가지고 약 10 내지 2000 마이크로미터의 정점 거리를 가지는 정점들에 의해 한정될 수 있다.

본 발명에 따른 미세 구조형 표면은 시스템의 체적이 높게 분배되는 유동 시스템을 제공한다. 즉, 그러한 유동 시스템을 통과하는 유체 체적은 넓은 영역에 걸쳐 분배된다. 직선 센티미터당 약 10(25/in)에서 직선 센티미터당 1000(2500/in)(채널을 가로질러 측정됨)까지의 미세 구조형 채널 밀도는 높은 유체 이송율을 제공한다. 일반적으로, 공통의 매니폴드가 채용될 때, 각각의 채널은 적어도 400 퍼센트 이상, 더욱 양호하게는 채널 입구와 출구에 배치된 매니폴드보다 적어도 900 퍼센트 이상 큰 종횡비를 가진다. 이러한 종횡비의 상당한 증가는 포텐셜의 작용을 분배하여 본 발명의 현저한 이득에 기여한다.
그러한 열 교환기를 통해 넓은 영역에 걸쳐 유체의 체적을 분배하는 것은 많은 열 교환기의 적용에 대해 특히 유익하다. 특히, 미세 구조형 표면으로 형성된 채널은 열 교환기(10)를 통과하는 유체의 체적으로 또는 체적으로부터 다량의 열 전달을 제공한다. 유체의 이러한 체적 유동은 덮개층과 구조형 표면의 마이크로채널에 의해 한정된 개별 통로를 통해 복수의 얇은 균일한 층 내에 유지되어 전도성 유동에 있어서의 유동 정체를 최소화한다.

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다른 태양에서, 미세 구조형 표면(13)을 각각 가지는 복수의 층(12)이 도4에 도시된 바와 같이, 스택(40)을 형성하도록 구성될 수 있다. 이 구성은 명백히 유체를 이송하기 위한 구조적인 능력을 증대시킨다. 즉, 각각의 층은 채널의 수와 유동 용량을 배로 늘어나게 한다. 특정 적용예에 따라서는, 층은 상이한 채널 구조 및/또는 채널의 수로 구성될 수 있다. 더욱이, 이러한 형태의 스택 구조는 폭이 제한되고 그에 따라 비교적 좁은 유체 이송 열 교환기를 요하는 적용예에서 소정의 열 전달율과 소정의 유체 이송 용량이 요구될 때 특히 적합할 수 있다는 것이 주목된다. 따라서, 좁은 장치는 열 교환 용량에 대해 증대된 유동 용량을 갖도록 만들어 질 수 있다.

도4에 도시된 스택(40)에서, 덮개층(20)이 스택(40)내에 삽입되어 인접한 구조물들 사이에 열 교환을 향상시킨다. 덮개층(20)은 양호하게는 한 층(12)의 구조형 표면을 통해 흐르는 유체와 인접한 층(12) 사이에서 열 교환을 용이하게 하기위해 층(12)보다 더 나은 열 전도성을 가지는 소재로 이루어진다.

스택(40)은 층(12)의 수보다 더 작은 덮개층(20)을 구비하거나 또는 복수의 층(12)에 덮개층(20)을 구비하지 않을 수도 있다. 모든 층(12) 또는 어느 한 층의 제2 주 표면(즉, 구조형 표면(13)에 대향한 표면)은 인접한 구조형 표면과 직접 접촉하여 인접한 층(12)의 적어도 복수의 유체 유동 채널(16)을 차단하고 복수의 개별 유동 통로를 한정하도록 이용될 수 있다. 즉, 하나의 층(12)은 인접한 층(12)에 대한 덮개층으로 구성될 수 있다. 특히, 하나의 층(12)의 제2 주 표면은 비-구조형 덮개층(20)과 같은 방식으로 인접한 층(12)의 대수의 유체 유동 채널(16)을 폐쇄하는 작용을 할 수 있다. 비록 하나의 덮개층(20)이 상부표면(도4에 도시된 바와같이)으로서 제공되어, 상부의 덮개층(20)에 의해 대상물에 열적으로 영향을 가하지만, 스택(40) 외부의 대상물에 열 전달을 용이하게 하는 것이 바람직한 경우에는 중간의 비-구조형 덮개층(20)이 필요하지 않을 수도 있다. 스택(40)의 층(비-구조형 덮개층(20)을 갖거나 또는 갖지 않는 복수의 층(12))은 종래의 방식대로 서로 접합되거나 또는 단순히 서로 적층될 수 있고, 이것에 의해 스택의 구조적인 일체성이 개별 유동 통로를 적절하게 한정할 수 있다. 개개의 층들 사이에 끼워진 덮개층에 대해 또는 서로에 대해 스택(40)의 층들을 고정시키는 경향이 있는 포텐셜 공급원으로서 진공이 이용되는 경우에, 이러한 능력은 상술한 바와 같이 향상된다. 어느 한 층(12)의 유체 유동 채널(16)들은 또 다른 공급원으로부터 다른 유체 공급원에 또는 모든 채널이 같은 공급원에 연결될 수 있다. 따라서, 스택(40)내에서 순환되는 둘 또는 그 이상의 유체들 사이에 열 교환이 달성될 수 있다.

미세 구조형 표면을 각각 가지는 중합층의 스택을 구비하는 층 구조물은 도6에 도시된 바와 같이 제2 유체 공급원을 급속하게 냉각 또는 가열시키기 위한 열 교환기(110)를 만드는데 유익하게 이용될 수 있다. 도6의 열 교환기(110)는 하나의 주 표면상에 구조형 표면(113)을 가지는 개개의 층(112a, 112b)의 스택을 채용하여 층(112a, 112b)내에 유동 채널(116)을 한정한다. 각각의 층(112a, 112b)의 유동 채널(116)의 방향은 인접한 층(112a, 112b)의 유동 채널의 방향과 상이할 수 있고, 도시된 바와같이, 실제로 이 방향에 수직으로 배치될 수 있다. 이러한 방식에서, 열 교환기(110)의 층(112a)의 유동 채널(116)은 길이 방향으로 유체 유동을 촉진시킬 수 있고, 횡방향 층(112b)의 유동 채널(116)은 열 교환기(110)를 통해 횡방향으로 유체 유동을 촉진시킨다.

상술한 바와 같이, 층(112a, 112b)의 제2 주 표면은 인접한 층(112a, 112b)의 미세 구조형 표면(113)에 의해 한정된 유동 채널(116)을 폐쇄하는 덮개층으로서 작용할 수 있다. 대안으로서, 도6에 도시된 바와 같이, 구조형 표면(113)이 인접한 층(112a, 112b)으로 형성되는 대향한 제1 주 표면들 사이에 덮개층(120)들이 삽입될 수 있다. 즉, 길이방향으로 정렬된 유동 채널(116)을 가지는 길이방향 층(112a)은 이들 길이방향 층(112a)의 구조형 표면(113)이 길이방향 층(112a)의 바로 아래에서 횡방향 층(112b)의 구조형 표면(113)과 대면하도록 도4의 스택(40)에 연합된 구조로부터 역전되어 있다. 이러한 방식에서, 덮개층(120)은 대향한 층(112a, 112b)의 유동 채널(116)들 사이에 직접 삽입되어 각각의 인접한 층(112a, 112b)의 유동 채널(116)을 차단하고, 그에 따라 길이방향 및 횡방향의 개별 유동 통로를 한정한다.

채널 입구 포텐셜이 길이방향 층(112a)을 가로질러 인가되어 길이방향 층(112a)의 유동 통로를 통해 제1 유체 공급원으로부터의 유체 유동을 촉진시킨다. 채널 출구 포텐셜이 횡방향 층(112b)을 가로질러 인가되어 제2 유체 공급원으로부터의 유체 유동을 촉진시킨다. 이러한 방식에서, 덮개층(120)은 한쌍의 대향한 유체 유동들 사이에 삽입된다. 그에 따라 제1 유체 유동으로부터의 열 전달은 덮개층(120)을 가로질러 제2 유체 공급원을 급속하게 가열 또는 냉각시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 층(112a, 112b)의 미세 구조형 표면(113)은 열 교환기(110)의 유동 통로를 통해 복수의 균일한 얇은 유체 유동을 촉진시키고, 따라서 대향한 유동들 사이에서 급속한 열 전달을 돕는다. 임의의 수의 공급원이 사용되어, 층 내의 임의의 수의 채널 내에서 또는 임의의 층들 사이에서 유체 유동을 선택적으로 발생시킬 수 있다.

도6은 열 교환기(110)의 상부의 길이방향 층(112a)의 제2 주 표면에 덮개층(120)이 부착된 것을 도시한다. 이 상부의 덮개층(120)은 길이방향 층(112a)의 제2 주 표면을 통한 유동 채널(116)내의 제1 유체로부터의 열 전달을 수용함으로써 원하는 매체 또는 다른 유체에 열적으로 영향을 주기 위해 유익하게 사용될 수 있다. 길이방향 층(112a)에 대해 선택된 소재에 따라서, 상부의 덮개층(120)은 예를 들면 살아 있는 조직과 같이 열적으로 영향을 받을 민감한 매체에 낮은 열 전달율을 유익하게 제공하기 위해 열 교환기(110)의 대향한 유체 유동들 사이에 직접 삽입된 덮개층(120)보다 더 낮은 열 전달을 제공하면서, 여전히 열 교환기(110)가 급속 유체 대 유체 열 전달 장치로서 작용하는 것을 허용할 수 있다.

도6의 열 교환기(110)가 서로에 대해 사실상 수직으로 정렬된 교대로 배치된 층(112a, 112b)의 유동 채널(116)을 도시하고 있지만, 각각의 유체 유동에 연관된 교대 층들의 미세 구조형 채널은 특정 적용예의 요구에 따라 임의의 수의 방식으로 배열될 수도 있다. 예들 들면, 도7a는 제1 공급원으로부터 유체를 수용할 수 있는 층(212a)과 제1 공급원과 다른 제2 공급원으로부터 유체를 수용할 수 있는 제2 층(212b)을 도시한다. 각각의 층(212a, 212b)은 각 층의 제1 주 표면상에 형성된 채널(216)을 가진다. 열 전도성 소재의 덮개층(220)이 층(212a, 212b)의 채널(216)들 사이에 삽입되어, 개별 유동 통로를 한정하고 층(212a)을 가로지르는 제1 유체 유동과 층(212b)을 가로지르는 제2 유체 유동과의 사이에 열 전달을 촉진시킨다. 층(212a, 212b)의 채널(216)은 서로 사실상 평행하게 정렬된다. 도7a의 실시예에서, 층(212a, 212b)의 채널(216)의 정점(228)은 서로 대향하게 정렬된다. 도7b는 층(212a)의 정점(228)이 대향한 층(212b)의 정점(228)들 사이에 정렬되어 있는 층(212a, 212b)을 도시한다.

미세 구조형 표면을 가지는 층의 스택의 많은 다른 구조가 또한 예상될 수 있다. 예를 들면, 채널은 도7a 및 도7b에서처럼 서로 평행하게 정렬되거나, 또는 도6에서 처럼 교차하게 정렬되거나, 또는 특정 적용예에서 요구되는 바와 같이 서로에 대해 다른 각도 관계로 정렬될 수 있다. 복수의 적층된 층을 갖는 열 교환기의 각각의 층은 스택내의 다른 층과 비교할 때 더 많거나 더 적은 미세 구조형 채널을 포함할 수 있고, 유동 채널은 적층된 구조의 하나 또는 그 이상의 층내에서 선형 또는 비-선형으로 배치될 수 있다.

여기에 기술된 층의 적층된 구조는 서로 나란히 정렬된 복수의 스택을 포함할 수 있다. 즉, 도4 또는 도6에 도시된 바와 같은 스택은 유사한 또는 상이한 스택에 인접하게 배열될 수 있다. 이때, 이들은 어댑터에 의해 함께 모일 수 있거나, 또는 유체 이송 배관에 개별적으로 부착되거나, 또는 원하는 방식으로 열 전달을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 능동 유체 이송 열 교환기의 실예가 도8에 예시되어 있다. 의료 분야 사용에서, 환자에게 열적으로(예를 들면, 가열 또는 냉각으로) 영향을 주기 위해 상술한 바와 같은 (가요성 담요의 형태로 이루어 질 수 있는) 능동 유체 이송 열 교환기(70)위에 환자가 놓여진다.

이러한 구조의 열 전달 장치는 약간의 이점을 가진다. 열 전달 유체가 매우 작은 채널 내에 유지될 수 있기 때문에, 채널 내에는 유체의 정체가 최소로 될 것이다. 채널 내의 층류 유동 유체는 채널의 중심에서의 유체가 가장 큰 속도를 가지는 속도 유동 프로파일을 보여준다. 그러한 유동 상황에서 채널 경계에서의 유체는 반드시 정체된다. 채널의 크기, 유체의 열 전도성, 및 유체가 채널의 아래로 이동하는데 소모된 시간의 량에 따라서, 이러한 유동 프로파일은 채널을 가로질러 상당한 온도 구배를 야기할 수 있다. 대조적으로, 본 발명에 따라 최소의 종횡비와 수압 반경을 가지는 채널은 작은 열 전달 거리 때문에 채널을 가로질러 더욱 작은 온도 구배를 보여 줄 것이다. 더욱 작은 온도 구배는 유체가 채널을 통과함에 따라 유체가 균일한 열 부하를 경험하기 때문에 유익하다.

작은 채널의 시스템을 통한 열 전달 유체의 잔류 시간은 또한 입구 매니폴드로부터 출구 매니폴드까지 반드시 일정하다. 균일한 잔류 시간은 유체가 경험하는 열 부하내의 불균일성을 최소화하기 때문에 유익하다.

온도 구배의 감소 및 균일한 잔류 시간은 또한 전체적인 효율에 기여하며, 소정의 열 전달율에 대해, 가열되거나 또는 냉각될 부재와 열 전달 유체와의 사이에 더 작은 온도차이를 허용한다. 더 작은 온도차이는 열 교환기가 피부 또는 조직 접촉과 같이 열에 민감한 적용예에 사용될 때 바람직하지 않은 국부적으로 뜨겁거나 찬 영역의 가능성을 감소시킨다. 열 전달 모듈내에서, 열 전달 유체의 단위 체적당 높은 접촉면 영역은 시스템의 체적 효율을 증대시킨다.

열 전달 장치는 또한 제한된 영역에서 특히 유용할 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 열 교환기는 데이터 저장 또는 처리 유닛의 작은 공간내에 컴퓨터 마이크로 칩에 대한 냉각을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 미세 구조-지지 필름을 바탕으로 한 유닛의 소재의 경제성은 폐기시 오염의 문제를 불러 일으키는 의료장치와 같은 제한된 또는 단일의 적용에 적합하게 한다.

본 발명의 열 전달 장치는 이 장치가 유연성이 있어 여러 분야에서 적용이 가능하다는 점에서 유익하다. 이 장치는 단단히 맨 밴드 또는 만곡부의 주위의 형상에 따라 유연하게 적응될 수 있다. 이러한 유연성은 불규칙한 표면에 대한 밀접한 접촉을 요하는 상황에서 장치를 사용할 수 있게 한다. 본 발명의 유체 이송 열 교환기는 유동 채널 또는 구조형 중합층을 상당히 수축시키지 않고 대략 1 인치(2.54 cm) 또는 이보다 더 큰 직경을 가지는 맨드렐을 중심으로 장치가 일치될 수 있을 정도로 유연하도록 만들어 질 수 있다. 본 발명의 장치는 또한 열 교환기를 직경이 대략 1 cm 인 맨드렐에 대해 유리하게 일치시키는 중합 소재로부터 만들어 질 수 있다.

중합 필름과 같은 중합 층위에 구조형 표면, 특히 미세 구조형 표면을 만드는 것은 마렌틱 등에게 허여된 미국 특허 제5,069,403호 및 제5,133,516호에 기술되어 있다. 구조층은 또한 벤슨 등에게 허여된 미국 특허 제5,691,846호에 기술된 원리 또는 단계들을 이용하여 연속적으로 미세 반복 구조화될 수 있다. 미세 구조형 표면을 기술하는 다른 특허들은 죤스톤 등에게 허여된 미국 특허 제5,514,120호, 노린 등에게 허여된 미국 특허 제5,158,557호, 루 등에게 허여된 미국 특허 제5,175,030호, 및 바버에게 허여된 미국 특허 제4,668,558호를 포함한다.

그러한 기술에 따라 생산된 구조형 중합층은 미세복제될 수 있다. 모든 제품에 대해 실질적인 변화없이 그리고 비교적 복잡한 처리 기술을 사용하지 않고 구조형 표면이 대량생산될 수 있기 때문에 미세복제된 구조층의 제공은 유익하다. "미세복제(microreplication)" 또는 "미세복제된(microreplicated)"은 모든 제품을 제조하는 중에 구조형 표면의 형상이 약 50㎛ 이상 변하지 않는 개별 형상 원본 동일성을 유지하는 공정을 통해 미세 구조형 표면을 생산하는 것을 의미한다. 미세복제된 표면은 양호하게는 모든 제품을 제조하는 중에 구조형 표면의 형상이 25㎛ 이상 변하지 않는 개별 형상 원본 동일성을 유지하도록 생산된다.

본 발명에 따른 임의의 실시예에 대한 유체 이송 층은 열가소성, 열경화성, 및 경화성 폴리머를 포함하는 다양한 폴리머 또는 코폴리머로부터 형성될 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 열경화성과 구별되는 열가소성은 열에 노출될 때 유연하게 되어 용해되고 냉각될 때 재응고되며 많은 사이클을 통해 용해 및 응고될 수 있는 폴리머를 언급한다. 한편으로는, 열경화성 폴리머는 응고되면 가열 및 냉각될 때 역행하지 않는다. 폴리머 체인들이 상호 연결되거나 또는 교차결합되는 경화된 폴리머 시스템은 화학 약제 또는 이온화 복사의 사용을 통해 실온에서 형성될 수 있다.

본 발명의 물품에서 구조층을 형성하는데 유용한 폴리머는 폴리에틸렌 및 폴리에틸렌 코폴리머, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 및 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)과 같은 폴리올레핀을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 다른 중합 소재는 아세테이트, 셀룰로오스 에테르, 폴리비닐 알코올, 다당류, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리우레탄, 폴리우레아(polyurease), 폴리카보네이트, 및 폴리스틸렌을 포함한다. 구조층은 아크릴레이트 또는 에폭시와 같은 경화성 수지 소재로부터 주조되고, 열, UV, 또는 전자 빔 방사에 대한 노출에 의해, 화학적으로 조성된 독립적인 기본 통로를 통해 경화될 수 있다.

상술한 바와 같이, 여러 방식으로 가요성 능동 유체 이송 열 교환기가 요구된다. 가요성은 스미스 등에게 허여된 미국 특허 제5,450,235호 및 벤슨 쥬니어 등에게 허여된 미국 특허 제5,691,846호에 기술된 중합체를 이용하는 구조형 중합층에 적용될 수 있다. 전체 중합층이 가요성 중합 소재로 만들어 질 필요는 없다. 층의 주요 부분은, 예를 들면, 가요성 중합체로 구성될 수 있는 반면, 그의 구조형 부분 또는 그 일부는 더욱 단단한 중합체로 구성될 수 있다. 여기에서 인용된 특허들은 미세 구조형 표면을 가지는 가요성 제품을 생산하기 위해 이러한 방식으로 중합체를 사용하는 것을 기술하고 있다.

폴리머 블랜드를 포함하는 중합 소재는 계면활성제 또는 항미생물 약제와 같은 가소화 활성 작용제의 용융 혼합물을 통해 변경될 수 있다. 구조형 표면의 표면 변경은 이온화 복사에너지를 이용한 기능적인 일부분들의 공유접합(covalent grafting) 또는 증기 증착을 통해 성취될 수 있다. 예를 들면, 이온화 복사에너지에 의해 모노머(monomer)를 폴리프로필렌상에 중합 접합시키기 위한 방법 및 기술은 미국 특허 제4,950,549호 및 제5,078,925호에 기술되어 있다. 폴리머는 또한 여러 특징들을 중합 구조층에 부가하는 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들면, 탄성율을 감소시켜 가요성을 향상시키기 위해 가소제가 첨가될 수 있다.

본 발명의 양호한 실시예는 미세 구조-지지 부재로서 평행한 직선모양의 지형을 가지는 얇은 가요성 폴리머를 사용할 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, "필름"은 중합 소재로 된 얇고(두께 5mm 이하) 전체적으로 가요성의 시트인 것으로 간주된다. 매우 한정된 미세 구조-지지 필름 표면을 갖는 값싼 필름을 이용하는데 대한 경제적인 가치는 높다. 가요성 필름은 광범위한 덮개층 소재와 결합하여 사용될 수 있고, 원하는 지지체와 공동으로 또는 지지체 없이 사용될 수 있다. 그러한 미세 구조형 표면과 덮개층으로부터 형성된 열 교환기 장치는 여러 적용에 대해 가요성을 갖지만, 적용예가 용납하는 경우 강성 구조체에도 결합될 수 있다.

본 발명의 능동 유체 이송 열 교환기가 양호하게는 미세 구조형 채널을 포함하기 때문에, 이 장치는 일반적으로 장치마다 많은 채널을 채용한다. 위에서 예시된 실시예중 일부에 도시된 바와 같이, 본 발명의 능동 유체 이송 열 교환기는 장치마다 10 또는 100개 이상의 채널을 쉽게 가질 수 있다. 몇몇 적용에서는, 능동 유체 이송 열 교환기는 장치마다 1,000 또는 10,000개 이상의 채널을 가질 수 있다. 개개의 포텐셜 공급원에 연결된 채널이 많을 수록 포텐셜의 효과가 그만큼 더 높게 분배될 수 있다.

본 발명의 능동 유체 이송 열 교환기는 제곱 센티미터 단면적당 10,000개의 채널 입구 수를 가질 수 있다. 본 발명의 능동 유체 이송 열 교환기는 제곱 센티미터당 적어도 50개의 채널 입구를 가질 수 있다. 전형적인 장치는 제곱 센티미터당 약 1,000개의 채널 입구를 가질 수 있다.

본 발명의 배경설명에서 언급한 바와 같이, 미세크기의 유동 통로를 가지는 열 교환기의 실예가 종래에 공지되어 있다. 희생 코어 또는 섬유가 적층된 소재의 본체로부터 제거되어 미세한 크기의 통로를 형성한다. 그러나, 이들 섬유로부터 형성된 장치의 적용 범위는 제한된다. 섬유의 부서지기 쉬운 성질과 작은 각 부재들의 다발을 취급하는데 있어서의 일반적인 어려움은 이들의 사용을 방해한다. 높은 단가와 기하학적인 (프로파일) 가요성의 결여로 인해 이들 섬유를 유체 이송 수단으로서 적용하는데 제한을 받는다. 실제로 긴 길이의 다수의 중공 섬유를 유용한 이송 배열로 정리할 수 없어서, 제한된 범위의 능동 유체 이송 열 교환기의 적용을 제외하고는 대부분 이들의 사용이 부적절하다.

예시된 실시예와 관련하여 상술한 덮개층 소재, 또는 열적으로 영향을 받을 대상물의 표면은 적어도 하나의 미세 구조형 표면의 적어도 일부분을 둘러싸는 폐쇄면을 제공하여 유체가 이동할 수 있는 복수의 개별 유동 통로를 형성한다. 덮개층은 원하는 대상물 또는 매체에 대한 열 전달을 향상시키기 위한 열전도성 소재를 제공한다. 덮개층 소재의 내부면은 미세 구조형 중합면과 대면하고 적어도 부분적으로 접촉하는 폐쇄면으로서 한정된다. 덮개층 소재는 양호하게는 특정의 열 교환에 적용하기 위해 선택되며, 미세 구조-지지 표면과 유사하거나 유사하지 않은 구성으로 이루어질 수 있다. 덮개층으로서 유용한 소재는 구리 및 알루미늄 박, 금속 피복된 폴리머, 금속 도프(dope)된 폴리머, 또는 소재가 소정의 적용에 대해 요구되는 훌륭한 열 도체라는 점에서 열 전달을 향상시키는 다른 소재를 포함하지만, 이들에 제한되지는 않는다. 특히, 미세 구조형 표면을 포함하는 층의 폴리머와 비교할 때 열 전도 특성을 향상시키고 필름 또는 포일상에 만들어 질 수 있는 소재가 바람직하다.

미세 구조형 표면 및 덮개층에 미세 채널을 가지는 층에 의해 한정된 복수의 개별 유동 통로를 가지는 능동 유체 이송 열 교환기의 유효성을 판단하기 위해, 금속박 층으로 덮인 미세 구조-지지 필름 부재로부터 형성된 모세관 모듈을 이용하여 가열 및 냉각 장치가 구성되었다. 미세 구조-지지 필름은 한 표면상에 채널을 갖는 연속 필름을 형성하기 위해 미세 구조형 니켈 도구(nickel tool)상에 용융된 폴리머를 주조함으로써 형성되었다. 채널은 주조된 필름의 연속한 길이로 형성되었다. 소정의 구조물을 제조하기 위해 다이아몬드 새김눈 도구(diamond scoring tools)로 매끄러운 구리 표면을 형성한 후에, 니켈 도구를 형성하도록 전기를 사용하지 않는 니켈 도금 단계를 거침으로써 니켈 주조 도구가 제조되었다. 필름을 형성하기 위해 사용된 도구는 459 ㎛의 공칭 깊이 및 420 ㎛의 개구 폭을 갖는 인접한 'V'채널을 갖는 미세 구조형 표면을 형성했다. 이것은, 덮개층으로 폐쇄될 때, 62.5 ㎛의 열악한 수압 반경을 갖는 채널을 초래했다. 필름을 형성하기 위해 사용된 폴리머는 밀도가 낮은 폴리에틸렌, 이스트먼 케미칼 캄파니로부터 입수할 수 있는 Tenite^TM 1550P 였다. 비이온화 계면활성제, 롬 앤드 하스 캄파니로부터 입수할 수 있는 Triton X-102 는 필름의 표면 에너지를 증대시키기 위해 베이스 폴리머에 혼합되어 용융되었다.

박층의 표면 크기는 80mm x 60mm 였다. 사용된 금속 포일은 레이놀즈 캄파니로부터 입수할 수 있는 0.016mm 의 두께를 갖는 알루미늄 시트였다. 포일과 필름은 필름의 선형 미세 구조물에 평행한 두개의 측면을 따라 가열 접합되었다. 이러한 방식으로, 실제로 개별 유동 통로가 형성되었다.

다음에 한 쌍의 매니폴드는 모세관 모듈의 단부에 장착되었다. 매니폴드는 미국, 뉴욕, 로체스터의 날지 캄파니로부터 입수할 수 있는 VI 등급 3.18 mm 의 내경, 1.6 mm 의 벽두께의 배관의 단면의 측벽에 절결부를 설치함으로써 형성되었다. 각 튜브의 축을 따라 면도날에 의해 일직선으로 절단되어 슬릿이 형성되었다. 슬릿의 길이는 대략 모세관 모듈의 폭이었다. 각 튜브는 다음에 모세관 모듈의 단부위에 설치되어 소정 장소에 고온 용융 접합되었다. 튜브의 한 개방 단부는 모세관 모듈에서 고온 용융 접합제로 폐쇄되어 밀봉되었다.

테스트 모듈의 열 전달 용량을 평가하기 위해, 물이 모듈을 통해 흡인되어 포일 표면과 직접 접촉하도록 배치된 얼음 용기에 의해 냉각되었다. 열 교환 모듈에 대한 입구의 물의 온도는 34℃였고, 대응한 용기의 온도는 0℃였다. 얼음 용기의 가벼운 교반이 유지되면서 물은 150 ml/min 의 비율로 장치를 통해 흡인되었다. 테스트 모듈을 통해 흡인된 물의 체적은 500 ml 였다. 조절된 물의 온도는 20℃였다. 이송된 유체의 온도 강하는 열을 이송 및 제거하기 위한 테스트 모듈의 효과를 증명한다.

Claims (12)

1. 능동 유체 이송에 사용하기 위한 열 교환기에 있어서,

   (a) 제1 및 제2 주 표면을 가지며, 제1 주 표면은 제1 층의 표면을 따라 채널 입구로부터 채널 출구까지 연장하고 약 10:1 의 최소 종횡비와 약 300 마이크로미터 이하의 수압 반경을 가지는 복수의 유동 채널을 가지는 미세 반복 구조형 표면을 포함하는 중합 필름 소재의 제1 층과,

   (b) 복수의 개별 유동 통로를 만들기 위해 구조화된 중합면의 적어도 일부분 위에 놓이고 복수의 유동 채널의 적어도 일부분을 덮기 위한 폐쇄면을 포함하는 제1 덮개층과,

   (c) 포텐셜 공급원으로부터의 포텐셜이 채널 입구 포텐셜로부터 채널 출구 포텐셜까지 통로를 통한 유체 이동을 촉진시킬 수 있도록 개별 유동 통로와 유체 연통하는 매니폴드를 구비하며,

   상기 유체 이동은 이동 유체와 제1 덮개층과의 사이에 열 전달을 촉진시키기 위한 소재의 제1 덮개층에 열 영향을 주는 마이크로채널 열 교환기.
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3. 삭제
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5. 삭제
6. 삭제
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8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 열 전달 유체와 열 교환기 부근에서 열 영향을 받는 다른 매체와의 사이에서 열을 전달하기 위한 방법에 있어서,

    (a) 제1 및 제2 주 표면을 가지는 중합 필름 소재의 층을 구비하고, 제1 주 표면은 층의 표면을 따라 채널 입구로부터 채널 출구까지 연장하는 복수의 유동 채널을 가지는 미세 반복 구조형 표면을 포함하는 열 교환기를 제공하는 단계와,

    (b) 소정의 초기 온도를 가지는 열 교환 유체의 공급원을 유체 통로에 연결하는 단계와,

    (c) 열 교환기 내의 유체와 다른 매체와의 사이에서 열을 전도하기 위해 열 교환기를 소정 위치에 배치하는 단계와,

    (d) 열 교환기의 유동 통로에 걸쳐 포텐셜의 공급원을 제공하고, 이것에 의해 채널 입구 포텐셜로부터 채널 출구 포텐셜까지 유동 통로를 통해 유체를 이동시키는 단계를 포함하며,

    상기 유체의 이동은 열 교환기의 부근의 매체에 열 영향을 주도록 이동 유체와 다른 매체와의 사이에서 열 전달을 일으키는 열 전달 방법.

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