專(zhuān)利名稱(chēng)：微槽式熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有一微槽結(jié)構(gòu)化表面的熱交換器，該表面限定許多小的分離槽道，供用作傳熱介質(zhì)的有源流體流動(dòng)。
熱量流動(dòng)是能量傳遞的一種形式，它發(fā)生在一個(gè)系統(tǒng)的處于不同溫度的部分之間。熱量在一個(gè)溫度的第一介質(zhì)與另一個(gè)溫度的第二介質(zhì)之間的流動(dòng)通過(guò)這樣三種熱量流動(dòng)機(jī)理中的一或多種來(lái)進(jìn)行對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射。通過(guò)氣體或液體的流動(dòng)，可發(fā)生對(duì)流熱傳遞，諸如一個(gè)部分通過(guò)其周?chē)睦鋮s劑的循環(huán)而冷卻。另一方面，傳導(dǎo)是系統(tǒng)的不動(dòng)部分之間的、諸如通過(guò)固體、液體和氣體的內(nèi)部的熱傳遞。熱量通過(guò)傳導(dǎo)在固體、液體或氣體中的傳遞速率取決于受熱作用的固體、液體或氣體的某些特性，包括其熱容量、導(dǎo)熱性和固體、液體或氣體的不同部分之間的溫度變化量。通常，金屬是熱的良導(dǎo)體，而軟木、紙、玻璃纖維和石棉是熱的不良導(dǎo)體。氣體由于它們的稀薄性質(zhì)，通常也是熱的不良導(dǎo)體。
熱交換器的普通的例子包括電爐上的燃燒器和浸沒(méi)式加熱器。在這兩種場(chǎng)合，通常采用一有電流通過(guò)的導(dǎo)電線(xiàn)圈。線(xiàn)圈中的電阻產(chǎn)生熱量，然后使一介質(zhì)靠近于或直接接觸該線(xiàn)圈而通過(guò)傳導(dǎo)或?qū)α鱽?lái)將熱量傳遞至該介質(zhì)。通過(guò)這種方式，可以使液體保持在一較高溫度，或使其冷卻，可以對(duì)食品進(jìn)行烹飪以便食用。
由于許多類(lèi)型流體介質(zhì)的有利的傳導(dǎo)和對(duì)流特性以及流體的可傳輸性(即，例如將一流體從一個(gè)位置泵送到另一個(gè)位置的能力)，許多熱交換器采用一運(yùn)動(dòng)的流體來(lái)促進(jìn)熱量傳遞到或傳遞離開(kāi)一物體或其它將受熱作用的流體。在這種熱交換器的一種普通的類(lèi)型中，傳熱流體容納于一封閉體內(nèi)，并通過(guò)其而流動(dòng)，諸如一管子。從傳熱流體到管壁或其它封閉表面，通過(guò)對(duì)流以及通過(guò)封閉表面的傳導(dǎo)而實(shí)現(xiàn)熱傳遞。然后，當(dāng)使封閉表面與一運(yùn)動(dòng)介質(zhì)接觸時(shí)，諸如待受該熱交換器熱作用的另一液體或一氣體，可通過(guò)對(duì)流向一需要受熱作用的介質(zhì)傳遞熱量，或當(dāng)使封閉表面與該介質(zhì)或其它需要受熱作用的物體直接接觸時(shí)，可通過(guò)傳導(dǎo)來(lái)傳遞熱量。為了有效地促進(jìn)熱傳遞，封閉表面應(yīng)由具有良好傳導(dǎo)特性的材料構(gòu)成，諸如金屬。
有利地采用熱交換器的具體場(chǎng)合包括微電子工業(yè)和醫(yī)療工業(yè)。例如，熱交換器可與微電子電路一起使用，以使由集成電路芯片、微電子組件和其它構(gòu)件或它們的混合物所產(chǎn)生的集中熱量被分散。在這種應(yīng)用場(chǎng)合，可使用冷卻的強(qiáng)制空氣或冷卻的強(qiáng)制液體來(lái)降低設(shè)置在待冷卻電路裝置附近的一散熱器的溫度。用于醫(yī)療領(lǐng)域的熱交換器的一個(gè)例子是用于使病人加熱或冷卻的熱力毯。
通過(guò)熱交換器中的管道或其它裝置的流體傳輸來(lái)進(jìn)行熱傳遞，其特征可以是引起管道或裝置內(nèi)有流體流動(dòng)的機(jī)理為基礎(chǔ)。當(dāng)流體傳輸屬于非自發(fā)流體流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其中流體流動(dòng)大部分是因施加于裝置的外力而造成，則這種流體傳輸認(rèn)為是有源的。在有源傳輸中，通過(guò)一裝置的流體流動(dòng)是利用一強(qiáng)加于流場(chǎng)的勢(shì)能來(lái)維持的。這種勢(shì)能源于壓力差或密度梯度，諸如可以用真空源或泵來(lái)產(chǎn)生。不管機(jī)理如何，在有源流體傳輸中，需要有使流體流過(guò)一裝置的勢(shì)能。連接于一真空源、用來(lái)使液體抽吸通過(guò)裝置的導(dǎo)管，是有源流體傳輸裝置的一個(gè)眾所周知的例子。
另一方面，當(dāng)流體傳輸屬于自發(fā)流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其中流體運(yùn)動(dòng)是源于傳輸裝置固有的特性，則該流體傳輸認(rèn)為是無(wú)源的。自發(fā)流體傳輸?shù)囊粋€(gè)例子是吸水海綿。在海綿的情況下，是海綿的毛細(xì)管幾何結(jié)構(gòu)和表面能量讓水得以吸起并通過(guò)海綿傳輸。在無(wú)源傳輸中，不需要外部勢(shì)能使流體流過(guò)一裝置。常用于醫(yī)療過(guò)程中的無(wú)源流體傳輸裝置是吸收襯墊。
本發(fā)明是針對(duì)采用有源流體傳輸?shù)臒峤粨Q器。有源流體傳輸裝置的設(shè)計(jì)通常主要取決于其所使用的具體場(chǎng)合。具體說(shuō)，流體傳輸裝置是根據(jù)具體應(yīng)用的體積、流率和尺寸而設(shè)計(jì)的。這對(duì)于有源流體傳輸熱交換器來(lái)說(shuō)尤其明顯，這種熱交換器經(jīng)常需要用于具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的特殊環(huán)境中。而且，流體導(dǎo)入流體傳輸裝置的方式影響其設(shè)計(jì)。例如，當(dāng)流體流動(dòng)是在第一與第二集流管之間的場(chǎng)合，熱交換器常常是這種情況，在集流管之間可限定一或多條分離的路線(xiàn)。
尤其是，在一有源流體傳輸熱交換器中，經(jīng)常需要控制流體流動(dòng)路線(xiàn)。從一個(gè)意義上說(shuō)，控制流體流動(dòng)路線(xiàn)可能是出于使一特定流體在一物體或另一流體附近流動(dòng)的目的，以在一特定的場(chǎng)合從該物體或其它流體帶走熱量或?qū)崃總鬟f給它們。從另一個(gè)意義上說(shuō)，對(duì)流體流動(dòng)路線(xiàn)的控制可能是需要流體按特定流動(dòng)特性流動(dòng)。也就是說(shuō)，可以簡(jiǎn)單地通過(guò)多層之間的一單條管道來(lái)促進(jìn)流體流動(dòng)，也可以通過(guò)多條通道。流體傳輸流動(dòng)路線(xiàn)可以由多條分離的通道限定，以控制流體流動(dòng)，例如使分離的流體通道之間的穿流或混合降低到最低限度。采用有源流體傳輸?shù)臒峤粨Q器也可根據(jù)所需的傳熱率來(lái)設(shè)計(jì)，該傳熱率影響通過(guò)熱交換器的流體流動(dòng)的體積和速率，也可根據(jù)熱交換器的尺寸來(lái)設(shè)計(jì)。
在授予Camarda等人的美國(guó)專(zhuān)利No.5,527,588、授予Hoopman等人的No.5,317,805(’805專(zhuān)利)以及授予Tousignant等人的No.5,249,358中均描述了具有分離的微槽的剛性熱交換器。在每種情況中，微槽式熱交換器均通過(guò)在一以后丟棄的芯部周?chē)兏膊牧?諸如電鍍)而制成，該芯部在以后被去掉以形成微槽。在Camarda的專(zhuān)利中，在鍍覆后去除許多長(zhǎng)絲以形成管狀通道，在這些通道中密封一工作流體。在授予Hoopman等人的’805專(zhuān)利中描述了一種熱交換器，它包括由多條分離的微槽連接的連接的第一和第二集流管。同樣，授予Hoopman等人的美國(guó)專(zhuān)利No.5,070,606描述了一種具有微槽的剛性裝置，它可用作熱交換器。該剛性微槽式熱交換器通過(guò)在一纖維結(jié)構(gòu)周?chē)纬梢还腆w，然后去除這些纖維而在所形成的固體內(nèi)留下微通道而制成。在授予Hoopman等人的美國(guó)專(zhuān)利No.4,871,623中還描述了一種熱交換器。該熱交換器提供多條細(xì)長(zhǎng)的、封閉的電鑄通道，它們通過(guò)在一具有多條細(xì)長(zhǎng)突脊的心軸上電鍍材料而形成。材料鍍覆于突脊邊緣上的速度快于鍍覆于突脊內(nèi)表面上的速度，以包封住槽道，從而產(chǎn)生一具有微通道的固體。具有一系列疊置于一起的微圖案金屬小板的剛性熱交換器也是公知的。通過(guò)微加工在金屬小板的表面中銑出槽道而限定許多矩形槽道(從橫截面看)。
本發(fā)明通過(guò)提供一種熱交換器而克服了已知熱交換器的弊病和缺點(diǎn)，該熱交換器采用通過(guò)小分離通道的高度分布系統(tǒng)的有源流體傳輸。更具體地說(shuō)，本發(fā)明提供一種具有許多槽道、最好是微結(jié)構(gòu)槽道的熱交換器，這些槽道形成于一具有一微結(jié)構(gòu)化表面的聚合材料層中。該微結(jié)構(gòu)化表面限定出許多微槽，它們由一相鄰的層而完成形成分離的通道。這些通道用來(lái)允許流體的有源傳輸，以將熱量從熱交換器附近的一物體或流體帶走或?qū)崃總鬟f給它們。
根據(jù)本發(fā)明，產(chǎn)生一種可設(shè)計(jì)用于許多場(chǎng)合的熱交換器。該熱交換器可以是柔性的或剛性的，這取決于包括含有微結(jié)構(gòu)槽道的層在內(nèi)的許多層的構(gòu)成材料。該微槽道系統(tǒng)可用于有效控制流過(guò)裝置的流體，同時(shí)使槽道之間的混合和穿流降低到最低限度。較佳的是，將微結(jié)構(gòu)復(fù)制到便宜而通用的聚合薄膜上而限定流動(dòng)槽道，最好是一微槽表面。這種微結(jié)構(gòu)可確保有效和高效的有源流體傳輸，同時(shí)適合于制造一種用于熱作用附近的一流體或物體的熱交換器。而且，流動(dòng)槽道的較小尺寸以及它們的幾何結(jié)構(gòu)，允許在熱交換器上作用相對(duì)較大的力，而不會(huì)使流動(dòng)槽道塌陷。這允許流體傳輸熱交換器用于槽道本來(lái)會(huì)塌陷的場(chǎng)合，也就是處于較重的物體下面或在上面走動(dòng)。另外，這種微結(jié)構(gòu)薄膜層可長(zhǎng)時(shí)間地保持其結(jié)構(gòu)的完整性。
薄膜層的微結(jié)構(gòu)在熱交換器中限定出至少多條單獨(dú)的流動(dòng)槽道，它們最好是不中斷地和相當(dāng)整齊的。這些流動(dòng)槽道可以是直線(xiàn)、分支或枝狀型結(jié)構(gòu)的形式。施加一層導(dǎo)熱材料而覆蓋該微結(jié)構(gòu)化表面，從而限定出多條基本分離的流動(dòng)通道。還對(duì)該熱交換器施加一勢(shì)能源一這是指可提供使一流體從一個(gè)位置運(yùn)動(dòng)到另一位置的勢(shì)能的任何源一以使有源流體傳輸通過(guò)裝置。較佳的是，該源設(shè)置在微結(jié)構(gòu)化表面的外部，以在流動(dòng)通道上提供一個(gè)勢(shì)能，促使流體通過(guò)流動(dòng)通道而從一第一勢(shì)能運(yùn)動(dòng)到一第二勢(shì)能。在熱交換器中使用一具有一微結(jié)構(gòu)化表面的薄膜層便于在槽道組件上高度分布勢(shì)能。
通過(guò)使用本發(fā)明中的微結(jié)構(gòu)槽道，傳熱流體可通過(guò)在微結(jié)構(gòu)槽道中限定細(xì)流體流的多條分離的通道來(lái)傳輸，這使傳導(dǎo)流體內(nèi)的流動(dòng)停滯降低到最低限度，并有利于實(shí)現(xiàn)傳熱流體沿有源流體傳輸方向在裝置上的均勻的駐留時(shí)間。這些因素有利于裝置的總效率，允許在傳熱流體與待熱作用的介質(zhì)之間實(shí)現(xiàn)更小的溫度差。而且，具有微結(jié)構(gòu)槽道的薄膜表面對(duì)每單位體積的傳熱流體可提供較高的熱傳遞接觸表面積，從而提高系統(tǒng)的容積效率。
本發(fā)明的上述優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)一種有源流體傳輸熱交換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，該熱交換器包括一具有第一和第二主表面的聚合材料層，其中第一主表面由形成于該層內(nèi)的一結(jié)構(gòu)聚合表面限定，該結(jié)構(gòu)聚合表面具有多條流動(dòng)槽道，它們沿該層的表面從一第一位置延伸到一第二位置。這些流動(dòng)槽道的最小縱橫比最好約為10∶1，縱橫比定義為槽道長(zhǎng)度除以水力半徑，并且水力半徑不大于約300微米。在結(jié)構(gòu)化聚合表面的該至少多條流動(dòng)槽道上方設(shè)置一具有優(yōu)良導(dǎo)熱特性的覆層材料，以從至少多條流動(dòng)槽道限定分離的流動(dòng)通道。在結(jié)構(gòu)化聚合表面外部還提供一個(gè)源，以在分離的流動(dòng)通道上提供一個(gè)勢(shì)能，促使流體通過(guò)流動(dòng)通道從一第一勢(shì)能運(yùn)動(dòng)到一第二勢(shì)能。通過(guò)這種方式，可實(shí)現(xiàn)熱量在運(yùn)動(dòng)流體與導(dǎo)熱材料的覆層之間的傳遞，從而將熱量傳遞到一待受熱作用的介質(zhì)。
較佳的是，還提供至少一根集流管與該多條槽道相結(jié)合，用于輸送或接納通過(guò)熱交換器的結(jié)構(gòu)化表面的槽道的流體流。


圖1是本發(fā)明一有源流體傳輸熱交換器的立體圖，它具有一結(jié)構(gòu)層，該結(jié)構(gòu)層與一導(dǎo)熱材料的覆層相結(jié)合而提供多條分離的流動(dòng)通道，這些通道連接于一第一集流管與一第二集流管之間，第一集流管連接于一在該多條分離通道上提供一勢(shì)能的源；圖2是圖1的有源流體傳輸熱交換器沿2-2線(xiàn)的放大的局部剖視立體圖；圖3a到3c是結(jié)構(gòu)層的端視圖，表示可以用于本發(fā)明熱交換器中的可能的流動(dòng)槽道結(jié)構(gòu)；圖4是彼此疊置的一疊微結(jié)構(gòu)層的端視圖，多層導(dǎo)熱覆層分別插于該疊之中，使覆層的底部主表面封閉下層的微結(jié)構(gòu)化表面，從而限定多條分離的通道；圖5a和5b是結(jié)構(gòu)層的俯視圖，表示可以用于本發(fā)明熱交換器中的備選的非直線(xiàn)槽道結(jié)構(gòu)；圖6是一有源流體傳輸熱交換器的一部分的立體圖，它具有彼此疊置的一疊微結(jié)構(gòu)層，多層導(dǎo)熱材料的覆層分別設(shè)置在疊層的相鄰的與相對(duì)的結(jié)構(gòu)化表面之間而限定出分離的流動(dòng)通道，這些層的設(shè)置方式允許兩種分離的流體有源傳輸通過(guò)流動(dòng)通道，以促進(jìn)熱量從一種流體傳遞到另一種流體；圖7a和7b是一對(duì)微結(jié)構(gòu)層的局部端視圖，表示可能的槽道結(jié)構(gòu)，一導(dǎo)熱材料層設(shè)置在層的結(jié)構(gòu)化表面之間，以允許在兩種流體之間進(jìn)行熱傳遞；以及圖8表示有源流體傳輸裝置的多種用途，包括在醫(yī)療過(guò)程中用一柔性有源流體傳輸熱交換器設(shè)置在病人身下以對(duì)病人進(jìn)行熱作用。
參見(jiàn)附圖，在這幾個(gè)附圖中，相同的部分用相同的標(biāo)號(hào)表示。在圖1和2中，示出了一有源流體傳輸熱交換器10。該有源流體熱交換器10基本上包括一在其兩個(gè)主表面中的一個(gè)表面上具有一結(jié)構(gòu)化表面13的材料層12、一導(dǎo)熱材料的覆層20和一對(duì)有源流體傳輸熱交換器10提供勢(shì)能的源14。層12的結(jié)構(gòu)化表面13在其一主表面上可限定出大量的和高密度的流體流動(dòng)槽道16。槽道16(圖2中表示得最清楚)最好設(shè)置成使諸入口與一入口集流管18流體相通，同時(shí)在裝置10的另一邊，一出口集流管19可流體連接于槽道16的諸出口。這種有源流體傳輸裝置10便于使一特定的流體借助入口集流管18和出口集流管19循環(huán)通過(guò)裝置10，因而通過(guò)裝置10的流體可用來(lái)促進(jìn)通過(guò)裝置10的層12和覆層20中的一個(gè)或兩個(gè)傳遞熱量。
層12可包括柔性的、半剛性的、或剛性材料，這可根據(jù)有源流體傳輸熱交換器10的具體應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)選擇。較佳的是，層12包括一聚合材料，這是因?yàn)檫@種材料通常較為便宜，并且這種聚合材料可以精確地形成一結(jié)構(gòu)化表面13。結(jié)構(gòu)化表面13最好是一微結(jié)構(gòu)化表面。由于適合于制造微結(jié)構(gòu)化表面的聚合材料有許多不同的特性，因而可獲得很大的通用性。聚合材料例如可以根據(jù)柔性、剛性、滲透性等來(lái)選擇。與其它的材料相比，聚合材料可提供許多優(yōu)點(diǎn)，包括熱膨脹和收縮特性較小，以及可壓縮順應(yīng)于一接觸面的輪廓、不會(huì)腐蝕、熱變色性、電氣絕緣和有較大范圍的導(dǎo)熱系數(shù)。而且，通過(guò)使用例如包括一薄膜層的一聚合層12，可以提供一結(jié)構(gòu)化表面，它在其一主表面上限定出大量的和高密度的流體流動(dòng)槽道16。因此，可提供一種高度分布的流體傳輸系統(tǒng)，它可以以較高程度的精度和經(jīng)濟(jì)性來(lái)進(jìn)行制造。
第一和第二集流管18和19最好分別與每條流體流動(dòng)槽道16通過(guò)它們的入口和出口(未示出)流體相通，并各在其中限定有一內(nèi)腔(未示出)，該內(nèi)腔與槽道16流體相通。集流管18和19最好通過(guò)任何已知的或開(kāi)拓的技術(shù)流體密封于層12和20，諸如用傳統(tǒng)的密封劑。入口和出口集流管18和19的內(nèi)腔因此也密封連接于至少多條槽道16。象層12一樣，集流管18和19可以是柔性的、半剛性的或剛性的。
為了封閉至少多條槽道16并從而限定分離的流體流動(dòng)通道，最好提供一覆層20。至少多條槽道16可以由覆層20的一封閉表面21構(gòu)成為流動(dòng)通道。覆層20也與集流管18和19密封連接，使得形成多條分離的流動(dòng)通道，在槽道16上產(chǎn)生有勢(shì)能差的基礎(chǔ)上，它們將有源流體傳輸通過(guò)熱交換器10從一第一勢(shì)能到達(dá)一第二勢(shì)能。覆層20最好由導(dǎo)熱材料形成，以促進(jìn)流過(guò)流動(dòng)通道的流體與一例如需要受熱作用的元件17之間的熱傳遞。可以想到，需要受熱作用的元件17可包括任何數(shù)量的物體、流體、氣體或它們的組合，這取決于具體的應(yīng)用場(chǎng)合。
覆層20的導(dǎo)熱性可大于層12。導(dǎo)熱性是一種具體材料的可以計(jì)量的特性，表征其傳遞熱量的能力以及部分確定通過(guò)材料的傳熱率。具體說(shuō)，傳熱率與包括材料的橫截面形狀和厚度在內(nèi)的物理尺寸以及材料中的溫度差成比例。比例常數(shù)被定義為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，并以每單位距離乘度數(shù)的功率形式表示。也就是說(shuō)，在用公制單位測(cè)量熱傳遞時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)是以每米一攝氏度的瓦特(W/(m×℃))的形式表示。良好導(dǎo)熱體的物質(zhì)具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)，而絕熱物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)較低。
而且，可以想到，封閉表面21可以由除覆層20以外的部分來(lái)提供，諸如需要受熱作用的物體的表面。也就是說(shuō)，封閉表面21可以是任何需要受熱作用并且層12可與其相接觸的物體的一部分。這種結(jié)構(gòu)因此可用來(lái)促進(jìn)流動(dòng)于層12與封閉表面21之間所限定的通道中流體和需要受熱作用的物體之間熱傳遞。與上面的一樣，一物體的封閉表面21可以?xún)H封閉至少多條槽道16，以限定多條分離的流體流動(dòng)通道。物體和具有結(jié)構(gòu)化表面13的層12可以通過(guò)將它們以永久性的方式裝配于一起而構(gòu)成一個(gè)單元，或者，層12的結(jié)構(gòu)化表面可以臨時(shí)性地或以其它方式保持抵靠于物體的封閉表面。在前一種情況下，一或多條集流管可以密封地提供成為組件的一部分。對(duì)于后一種情況，一或多條集流管可以?xún)H密封地連接于層12。
按照本發(fā)明，勢(shì)能源可包括任何在多條流動(dòng)通道上提供從一第一勢(shì)能到一第二勢(shì)能的一勢(shì)能差的裝置。該勢(shì)能差應(yīng)足以引起或有助于引起流體流過(guò)由多條流動(dòng)槽道16和覆層20限定的分離通道，這部分是以任何具體應(yīng)用場(chǎng)合的流體特性為基礎(chǔ)的。如圖1中所示，按通過(guò)入口集流管18、由層12和20構(gòu)成的熱交換器10的本體以及出口集流管19限定的流體流動(dòng)方向，如箭頭所示，勢(shì)能源14可包括一真空發(fā)生器，該發(fā)生器傳統(tǒng)上與一收集容器26相連。收集容器26通過(guò)一傳統(tǒng)的軟管24與出口集流管19流體連通地連接。這樣，通過(guò)在勢(shì)能源14處提供一個(gè)真空，流體便可從有源流體傳輸熱交換器10外部的一流體源25通過(guò)入口集流管18吸入入口(未示出)，并通過(guò)流動(dòng)通道、出口集流管19、軟管24而吸入收集容器26。容器26可有利地與流體源25相連，以提供一循環(huán)系統(tǒng)，在這種情況下，可能需要在再次使用之前重新加熱或重新冷卻其中的流體。也就是說(shuō)，容器26可以連接于一個(gè)系統(tǒng)，因而將熱量傳遞給或傳遞離開(kāi)容納于容器26內(nèi)的流體，以使流體在被吸過(guò)熱交換器10之前恢復(fù)其初始的溫度。然后，可將該復(fù)原的流體輸送至流體源25，供在熱交換器10中再次使用。
利用用于層12和20的柔性材料，這種熱交換器10的機(jī)械柔性允許它可有利地用于起伏的結(jié)構(gòu)上。柔性裝置可以相對(duì)較大，以提供一高度分布的流體流，從而使該裝置可作用一較大的面積。柔性流體傳輸熱交換器例如可采用毯子的形式，用于對(duì)病人進(jìn)行冷卻或加熱。這種柔性裝置可以順應(yīng)于一物體、包繞一物體，也可以與一物體一起形成順應(yīng)狀(例如設(shè)置在一襯墊上)，以促進(jìn)通過(guò)它的熱傳遞。更具體地說(shuō)，這種熱交換器裝置的柔性可增大它與需要受熱作用的物體之間的表面接觸，進(jìn)而促進(jìn)熱傳遞。雖然流體傳輸裝置可以是柔性的，但它也具有抵抗因載荷和扭折造成塌陷的能力。可包括一聚合薄膜的層12的微結(jié)構(gòu)所提供的結(jié)構(gòu)足以能用于本發(fā)明的有源流體傳輸熱交換器內(nèi)，具有足夠的支承負(fù)載的完整性來(lái)例如支承站立的人或俯臥的人。
如圖3a中所示，按照所示的實(shí)施例，流動(dòng)槽道16由一系列突峰28限定。在某些情況下，需要使突峰28從層12的一邊一直延伸到另一邊；但對(duì)于其它的應(yīng)用場(chǎng)合，可能需要使突峰28僅沿結(jié)構(gòu)化表面13的一部分延伸。也就是說(shuō)，限定于突峰28之間的槽道16可以從層12的一邊一直延伸到另一邊，或者這種槽道16可以?xún)H限定成延伸于層12的一部分上。該槽道部分可以從層12的一邊開(kāi)始，也可以整個(gè)設(shè)置在層12的結(jié)構(gòu)化表面13的中間。
覆層20或需要受熱作用的表面的封閉表面21可以接合于局部或所有結(jié)構(gòu)化表面13的突峰28，以便于在熱交換器10內(nèi)形成分離的流動(dòng)通道。這可以通過(guò)使用與封閉表面21和層12的材料相配的傳統(tǒng)粘結(jié)劑來(lái)完成，也可以包括其它的熱接合、超聲波接合或其它機(jī)械裝置等等?？梢匝卣麄€(gè)凸峰28對(duì)封閉表面21提供接合，也可以按照規(guī)則圖案或任意地提供點(diǎn)接合。
在勢(shì)能源14包括一真空發(fā)生器的情況下，通過(guò)出口集流管19提供給槽道16的真空能足以將封閉表面21充分地密封于突峰28。也就是說(shuō)，真空本身會(huì)保持封閉表面21抵靠于突峰28而形成熱交換器10的分離的流動(dòng)通道。較佳的是，由結(jié)構(gòu)化表面13限定的每條槽道16由封閉表面21完全封閉，從而限定出最多數(shù)量的基本分離的流動(dòng)通道。因此，可有效使槽道16之間的流體穿流減少到最低限度，并且從一外部源提供的勢(shì)能可更有效、更高效地分布到層12的結(jié)構(gòu)化表面13上。然而，可以想到，結(jié)構(gòu)化表面13在槽道16內(nèi)可具有在某些位置處允許流體于流動(dòng)通道之間穿流的結(jié)構(gòu)。這可以通過(guò)使中間突峰28的部分不連接于封閉表面21來(lái)實(shí)現(xiàn)，或通過(guò)在選定位置提供穿過(guò)突峰28的開(kāi)口來(lái)實(shí)現(xiàn)。
按照本發(fā)明，可以使用其它的勢(shì)能源14來(lái)代替或與真空發(fā)生裝置相結(jié)合。通常，可采用任何方式使流體流過(guò)流動(dòng)通道。也就是說(shuō)，可采用任何促使或有助于使流體通過(guò)通道傳輸?shù)耐獠垦b置或勢(shì)能源。其它勢(shì)能源的例子包括真空泵、壓力泵和壓力系統(tǒng)、磁性系統(tǒng)、磁流體動(dòng)力裝置、音流系統(tǒng)、離心旋轉(zhuǎn)、重力以及其它任何利用產(chǎn)生勢(shì)能差來(lái)使流體至少有一定程度流動(dòng)的己知或開(kāi)拓的流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但并不局限于這些。
雖然圖1的實(shí)施例表示為具有一結(jié)構(gòu)化表面，該表面包括多條從一個(gè)側(cè)邊到另一側(cè)邊連續(xù)設(shè)置的突峰28(如圖3a中所示)，但也可采用其它的結(jié)構(gòu)。例如，如圖3b中所示，槽道16’在稍被整平的突峰28’之間具有一較寬的平槽谷。象圖3a實(shí)施例一樣，導(dǎo)熱覆層20可沿一或多個(gè)突峰28’固定而限定分離的槽道16’。在這種情況下，底部表面30延伸于槽道側(cè)壁31之間，而在圖3a實(shí)施例中，側(cè)壁17沿直線(xiàn)連接于一起。
在圖3c中還示出了另一種結(jié)構(gòu)。在突峰28″之間限定出寬槽道32，但沒(méi)有在槽道側(cè)壁之間提供一平表面，而是在突峰28″的側(cè)壁之間提供多個(gè)較小的突峰33。這些較小突峰33因而在中間限定出副槽道34。較小突峰33可以升到或可以不升到與突峰28″相同的高度，并可如圖所示形成一第一寬槽道32，該槽道包括諸分布于其中的較小槽道34。突峰28″和33不需要相對(duì)于它們本身彼此均勻分布。
雖然圖1、2和3a-3c示出了位于層12中的細(xì)長(zhǎng)的、直線(xiàn)結(jié)構(gòu)的槽道，但也可以提供許多其它結(jié)構(gòu)的槽道。例如，諸槽道沿槽道長(zhǎng)度可以有變化的橫截面寬度；也就是說(shuō)，槽道可以沿其長(zhǎng)度發(fā)散和/或匯聚。槽道側(cè)壁也可有構(gòu)形成不是沿槽道延伸方向或在槽道高度上呈直線(xiàn)狀。通常，可以采用任何能提供至少多條在流體傳輸裝置內(nèi)從一第一位置延伸到一第二位置的分離槽道部分的槽道結(jié)構(gòu)。
在圖5a中，以平面圖的形式示出了一種槽道結(jié)構(gòu)，它可以應(yīng)用于層12而限定結(jié)構(gòu)化表面13。如圖所示，可以提供多條匯聚槽道36，它們具有能連接于一用于接納傳熱流體的集流管的入口(未示出)。每條匯聚槽道36與一單個(gè)的共用槽道38流體連通地連接。這使出口(未示出)的數(shù)量降低到最低限度即一個(gè)。如圖5b中所示，一中央槽道39可連接于多條槽道分支37，為了類(lèi)似的目的，這些分支可設(shè)計(jì)成覆蓋一特定的區(qū)域。同樣，按照本發(fā)明，基本上可采用任何圖案，只要在結(jié)構(gòu)化表面13的一部分上從一第一位置到一第二位置設(shè)置多條單獨(dú)的槽道。與上述實(shí)施例一樣，圖5a和5b中所示的成圖案的槽道最好由一封閉表面完成為流動(dòng)通道，從而限定出分離的流動(dòng)通道并促使熱量傳遞到一需要受熱作用的物體，該封閉表面諸如由一需要受熱作用的物體的表面提供或由一導(dǎo)熱材料的覆層提供。
本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)化表面的各流動(dòng)槽道可以是基本上分離的。如果這樣，流體將能夠獨(dú)立于相鄰槽道中的流體而流過(guò)槽道。因此，槽道可彼此獨(dú)立地吸收勢(shì)能，從而獨(dú)立于相鄰槽道而沿著或通過(guò)一具體槽道引導(dǎo)流體。較佳的是，進(jìn)入一條流動(dòng)槽道的流體不會(huì)顯著地進(jìn)入一相鄰槽道，但在相鄰槽道之間可能有一些擴(kuò)散。通過(guò)保持諸微槽道相分離以有效傳輸熱交換器流體，可更好地促進(jìn)熱量傳遞到或傳遞離開(kāi)一物體。這些優(yōu)點(diǎn)在下面詳細(xì)說(shuō)明。
這里所使用的縱橫比是指槽道的長(zhǎng)度與其水力半徑之比，水力半徑是槽道的可濕橫截面積除以其可濕的槽道周長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)化表面是一微結(jié)構(gòu)化表面，它最好限定出最小縱橫比(長(zhǎng)度/水力半徑)為10∶1的分離流動(dòng)槽道，在某些實(shí)施例中超過(guò)約100∶1，在其它實(shí)施例中至少約為1,000∶1。在頂端，縱橫比可以是無(wú)限地高，但通常小于約1,000,000∶1。槽道的水力半徑不大于約300米。在許多實(shí)施例中，水力半徑可以小于100米，也可以小于10米。雖然對(duì)于許多應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)水力半徑通常越小越好(水力半徑的尺寸可以是亞微級(jí)的)，但對(duì)大多數(shù)實(shí)施例來(lái)說(shuō)水力半徑通常不小于1米。如下面更詳細(xì)描述的，限定于這些參數(shù)范圍內(nèi)的槽道可提供通過(guò)有源流體傳輸裝置的高效的大量流體傳輸。
結(jié)構(gòu)化表面還可具有非常低的外型。因此，可以采用結(jié)構(gòu)聚合層厚度小于5,000微米、甚至可能小于1,500微米的有源流體傳輸裝置。為此，槽道可以由高度約為5到1,200微米、突峰距離約為10到2,000微米的突峰限定。
本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)化表面所提供的流動(dòng)系統(tǒng)，其體積是高度分布的。也就是說(shuō)，通過(guò)這種流動(dòng)系統(tǒng)的流體體積分布于一較大面積上。約為每直線(xiàn)厘米10條(25/英寸)到每直線(xiàn)厘米1,000條(2,500/英寸)的微結(jié)構(gòu)槽道的密度(橫穿槽道而測(cè)量)可提供較高的流體傳輸率。通常，當(dāng)采用一共用集流管時(shí)，每條槽道的縱橫比至少比設(shè)置在槽道入口和出口處的集流管大400％、更好是至少大900％。縱橫比的這種顯著的增大可分布勢(shì)能的效果，從而有助于上面所提到的本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
通過(guò)這種熱交換器在一較大面積上分布流體體積，對(duì)于許多熱交換器應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)尤為有利。具體說(shuō)，由微結(jié)構(gòu)化表面形成的槽道可確保使大量的熱量傳遞給或傳遞離開(kāi)通過(guò)裝置10的流體體積。流體的這種體積流動(dòng)通過(guò)由結(jié)構(gòu)化表面的微槽道和覆層限定的分離通道保持于多個(gè)薄而均勻的層中，使所進(jìn)行的流動(dòng)中的流動(dòng)停滯減小到最低限度。
在另一個(gè)方面中，可以構(gòu)制出多個(gè)層12而形成一疊層40，如圖4中所示，每個(gè)層具有一微結(jié)構(gòu)化表面13。這種結(jié)構(gòu)無(wú)疑可成倍增加結(jié)構(gòu)傳輸流體的能力。也就是說(shuō)，每個(gè)層可增加一倍量的槽道和流動(dòng)能力?？梢岳斫?，諸層可包括不同的槽道結(jié)構(gòu)和/或不同的槽道數(shù)量，這取決于具體的應(yīng)用場(chǎng)合。而且，可以指出，這種類(lèi)型的疊置結(jié)構(gòu)尤其適用于寬度受限制、因而需要相對(duì)較窄的流體傳輸熱交換器，同時(shí)又要求有一定傳熱速率、因而有一定流體傳輸能力的場(chǎng)合。因此，可以制成流動(dòng)能力提高、以便提高熱交換能力的窄裝置。
在圖4所示的疊層40中，在疊層40內(nèi)分別插設(shè)多層覆層20，以促進(jìn)相鄰結(jié)構(gòu)之間的熱交換。覆層20最好包括導(dǎo)熱性比層12更好的材料，以有利于流過(guò)一個(gè)層12與一相鄰層12的結(jié)構(gòu)化表面的流體之間的熱交換。
疊層40可包括數(shù)量少于層12數(shù)量的覆層20，或者沒(méi)有覆層20只有多個(gè)層12?？梢岳萌魏我粋€(gè)或所有的層12的一第二主表面(也就是與結(jié)構(gòu)化表面13相對(duì)的表面)來(lái)直接接觸一相鄰的結(jié)構(gòu)化表面，以至少封閉一相鄰層12的至少多條槽道16，從而限定多條分離的流動(dòng)通道。也就是說(shuō)，一個(gè)層12可以構(gòu)成用于一相鄰層12的覆層。具體而言，一個(gè)層12的第二主表面可以起到以與非結(jié)構(gòu)覆層20相同的方式封閉一相鄰層12的多條槽道16的作用。在需要促進(jìn)對(duì)一位于疊40外部的物體的熱傳遞的情況下，中間的非結(jié)構(gòu)覆層20可以不需要，但可以設(shè)置一個(gè)覆層20作為頂表面(如圖4中所示)，用于對(duì)位于頂部覆層20旁的物體進(jìn)行熱作用。疊層40的諸層(具有或不具有非結(jié)構(gòu)覆層20的多個(gè)層12)可以通過(guò)許多傳統(tǒng)方式彼此接合，或者它們可簡(jiǎn)單地彼此疊置于一起，因而疊層的結(jié)構(gòu)整體性可充分地限定分離的流動(dòng)通道。如上所述，在使用真空作為勢(shì)能源的情況下可提高這種能力，真空會(huì)使疊層40的諸層彼此固定緊靠，或緊靠于插設(shè)在各層之間的覆層。任何一個(gè)層12的槽道16可以連接于一不同于其它的流體源，或者所有層的槽道連接于同一個(gè)流體源。這樣，可以在循環(huán)于疊層40內(nèi)的兩種或更多種流體之間實(shí)現(xiàn)熱交換。
有一種層結(jié)構(gòu)可有利地用于制造快速冷卻或加熱一第二流體源的熱交換器10，諸如在圖6中所表示的，這種結(jié)構(gòu)包括一疊聚合層，每個(gè)層具有一微結(jié)構(gòu)化表面。圖6的熱交換器10采用一疊單獨(dú)聚合層112，每個(gè)層在其一個(gè)主表面上具有一結(jié)構(gòu)化表面113，它在層112中限定流動(dòng)槽道116。每個(gè)單獨(dú)層112的流動(dòng)槽道116的方向可以不同于或如圖所示基本垂直于相鄰層112的流動(dòng)槽道的方向。通過(guò)這種方式，熱交換器110的層112a的槽道116可以在縱向方向上促進(jìn)流體流動(dòng)，同時(shí)層112b的槽道116可在通過(guò)熱交換器10的橫向方向上促進(jìn)流體流動(dòng)。
與上面一樣，層112的第二主表面可用作一覆層，封閉由一相鄰層112的微結(jié)構(gòu)化表面113所限定的槽道116。或者，如圖6中所示，覆層120可以插設(shè)于相鄰的層112a與112b的、其中形成有結(jié)構(gòu)化表面113的相對(duì)的第一主表面之間。也就是說(shuō)，槽道116沿縱向方向排列的層112a是與圖4的疊層40的結(jié)構(gòu)相顛倒的，因而這些縱向?qū)?12a的結(jié)構(gòu)化表面113面對(duì)直接位于層112a下面的橫向?qū)?12b的結(jié)構(gòu)化表面113。通過(guò)這種方式，覆層120直接插設(shè)于相對(duì)的層112的流動(dòng)槽道116之間，從而封閉各相鄰層112的槽道116，從而限定縱向和橫向的分離流動(dòng)通道。
可以在縱向?qū)?12a上施加一第一勢(shì)能，以使流體從一第一流體源流過(guò)縱向?qū)?12a的流動(dòng)通道。可以在橫向?qū)?12b上施加一第二勢(shì)能，以促使來(lái)自一第二流體源的流體流動(dòng)。通過(guò)這種方式，覆層120插設(shè)于一對(duì)相對(duì)的流體流之間。因此，可以橫穿覆層120進(jìn)行來(lái)自第一流體流的熱傳遞，以快速加熱或冷卻第二流體源。與上面一樣，層112的微結(jié)構(gòu)化表面113促進(jìn)多股均勻的細(xì)流體流過(guò)熱交換器10的流動(dòng)通道，從而有助于相對(duì)的流動(dòng)之間的快速熱傳遞?？梢允褂萌魏螖?shù)量的源來(lái)在一個(gè)層的任何數(shù)量的槽道內(nèi)或在任何層之間選擇性地產(chǎn)生流體流動(dòng)。
圖6還示出了一覆層120，它連接熱交換器10的項(xiàng)層112a的第二主表面。該頂部覆層120可從流動(dòng)槽道116中的第一流體通過(guò)層112a的第二主表面接受熱傳遞而有利地用于對(duì)一所需介質(zhì)或其它流體熱作用。根據(jù)選擇用于層112a的材料，頂部覆層120所提供的熱傳遞比直接插設(shè)在熱交換器的相對(duì)流體流之間的覆層120的小，以有利于對(duì)需要受熱作用的敏感介質(zhì)、例如活組織提供較低的傳熱速率，同時(shí)允許熱交換器110用作快速流體對(duì)流體熱傳遞裝置。
雖然圖6的熱交換器110表示交替設(shè)置的層112的基本彼此垂直對(duì)齊的流動(dòng)槽道116，但與分離的流體流相關(guān)的交替層的微結(jié)構(gòu)槽道可以按具體應(yīng)用場(chǎng)合的要求而設(shè)置成許多方式。例如，圖7a示出了一可從一第一源接納流體的層212a和一可從一不同于第一源的第二源接納流體的第二層212b。每個(gè)層212a和212b在其第一主表面上形成有槽道216。在層212a與212b的槽道216之間插設(shè)導(dǎo)熱材料的覆層220，從而限定分離的流動(dòng)通道，并促進(jìn)穿過(guò)層212a的第一流體流與穿過(guò)層212b的第二流體流之間的熱傳遞。層212a和212b的槽道216基本彼此平行對(duì)齊地排列。在圖7a的實(shí)施例中，層212a和212b的槽道216的突峰228彼此相對(duì)對(duì)齊排列。圖7b表示了層212a和212b，其層212a的突峰228對(duì)準(zhǔn)于相對(duì)的層212b的突峰228之間。
也可以想到許多其它結(jié)構(gòu)的具有微結(jié)構(gòu)化表面的層疊。例如，槽道可以彼此平行對(duì)齊地排列，如圖7a和7b所示，或彼此垂直，如圖6所示，或按具體應(yīng)用場(chǎng)合的要求以其它任何角度的彼此關(guān)系設(shè)置。具有多個(gè)疊置層的熱交換器的各個(gè)層所含的微結(jié)構(gòu)槽道可多于或少于疊層中的其它層，在一疊置結(jié)構(gòu)的一或多個(gè)層中流動(dòng)槽道可以是直線(xiàn)的或非直線(xiàn)的。
還可想到，按照本文所描述的，一層疊結(jié)構(gòu)可包括多個(gè)彼此緊接的疊層。也就是說(shuō)，可以將諸如圖4或圖6所示的疊相鄰于一類(lèi)似或不同的疊層而設(shè)置。然后，可以用一適配器將它們連接于一起，也可單獨(dú)地連接于流體傳輸管道，等等，從而以所需的方式提供熱傳遞。
圖8中示出了本發(fā)明的有源流體傳輸熱交換器的一個(gè)實(shí)例。在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，一病人表示為安置在一有源流體傳輸熱交換器70(它可以是一柔性毯的形式)上，如上所述用于對(duì)病人進(jìn)行熱作用(例如加熱或冷卻)。
這些結(jié)構(gòu)的傳熱裝置具有某些優(yōu)點(diǎn)。由于傳熱流體可保持在很小的槽道內(nèi)，在各槽道內(nèi)只有很小的流體停滯。各槽道內(nèi)的層狀流顯示了這樣一種流動(dòng)速度分布圖，即，在槽道中心的流體的速度最大。在此流動(dòng)狀態(tài)下，槽道周邊的流體基本上是停滯的。按照一槽道的尺寸、流體的導(dǎo)熱系數(shù)、以及流體流過(guò)槽道所需的時(shí)間，這流動(dòng)分布圖在橫過(guò)槽道的方向產(chǎn)生一個(gè)很大的溫度梯度。相反，根據(jù)本發(fā)明的具有最小長(zhǎng)寬比和水力半徑的槽道將在橫過(guò)槽道的方向產(chǎn)生一個(gè)較小的溫度梯度，這是因?yàn)檩^小的傳熱距離。當(dāng)流體通過(guò)槽道時(shí)受到一個(gè)均勻的熱載荷時(shí)，有一個(gè)較小的溫度梯度是較為有利的。
傳熱流體在小槽道系統(tǒng)中的駐留時(shí)間，從入口集流管至出口集流管基本上是均勻的。由于能使流體受到的熱載荷的不均勻性減至最低，所以均勻的駐留時(shí)間是比較有利的。
溫度梯度的減小以及均勻的駐留時(shí)間還有助于提高總的效率，對(duì)于一給定的傳熱速率而言，可以允許在傳熱流體和被加熱或冷卻的元件之間有較小的溫差。當(dāng)把熱交換器用于諸如皮膚或組織接觸的熱敏感場(chǎng)合，較小的溫差可減少不希望有的局部熱或冷的區(qū)域的可能性。傳熱模塊中的單位體積的傳熱流體的大接觸表面積會(huì)增加系統(tǒng)的容積效率。
該傳熱裝置還特別適用于有限的區(qū)域。例如，本發(fā)明的熱交換器可用來(lái)為一數(shù)據(jù)儲(chǔ)存或處理單元的較小空間內(nèi)的計(jì)算機(jī)微芯片提供冷卻。這種以帶有微結(jié)構(gòu)的薄膜為基礎(chǔ)的裝置在材料方面的節(jié)省使得它們非常適合于需要丟棄的有限或單次使用的場(chǎng)合，如醫(yī)用裝置，以解決污染問(wèn)題。
本發(fā)明的傳熱裝置的優(yōu)點(diǎn)在于，它可以是柔性的，使其能用于各種場(chǎng)合。該裝置可以圍繞張緊的彎曲或曲線(xiàn)來(lái)構(gòu)形。其柔性還使裝置可以用于需要和不規(guī)則表面緊密接觸的場(chǎng)合。本發(fā)明的流體傳輸熱交換器可以改造成為柔性的，使該裝置可以圍繞一個(gè)直徑約為1英寸(2.54cm)或更大的心軸，而不會(huì)對(duì)流動(dòng)槽道或結(jié)構(gòu)化的聚合材料層造成很大的壓縮。本發(fā)明的裝置還可以用這樣的聚合材料來(lái)改造，這種材料可允許熱交換器無(wú)損害地圍繞一個(gè)直徑約為1cm的心軸。
都是授予Marentic等人的美國(guó)專(zhuān)利5,069,403和5,133,516揭示了在一聚合材料層(如一聚合薄膜)上制作結(jié)構(gòu)化表面特別是微結(jié)構(gòu)化表面的方法。結(jié)構(gòu)化表面還可以利用授予小Benson等人的美國(guó)專(zhuān)利5,691,846中所描述的原理和步驟來(lái)連續(xù)地微觀(guān)復(fù)制。描述微結(jié)構(gòu)化表面的其它專(zhuān)利包括授予Johnston等人的美國(guó)專(zhuān)利5,514,120、授予Noreen等人的5,158,557、授予Lu等人的5,175,030和授予Barber的4,668,558。
按照這些技術(shù)制作的結(jié)構(gòu)化聚合材料層可以被微觀(guān)地復(fù)制。設(shè)置微觀(guān)復(fù)制的結(jié)構(gòu)層是有利的，這是因?yàn)檫@些表面可以大批量地制作，而不會(huì)有從產(chǎn)品-產(chǎn)品的很大變化，也無(wú)需用相對(duì)較為復(fù)雜的加工技術(shù)。“微觀(guān)復(fù)制”或“微觀(guān)復(fù)制的”是指通過(guò)這樣一種工藝來(lái)生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)化表面，其中結(jié)構(gòu)化表面的特征在制造過(guò)程中保持單個(gè)特征的保真度，從產(chǎn)品-產(chǎn)品的變化不超過(guò)25微米。這些微觀(guān)復(fù)制的表面最好是這樣制作的，即，在制造過(guò)程中，結(jié)構(gòu)化表面的特征可以保持一單個(gè)特征的保真度，從產(chǎn)品-產(chǎn)品的變化不超過(guò)25微米。
用于本發(fā)明任何一個(gè)實(shí)施例的流體傳輸層可以用各種不同的聚合物或共聚物制成，包括熱塑性、熱固性和可硬化共聚物。在此，與熱固性材料不同，熱塑性材料指的是在受熱時(shí)軟化和熔化、在冷卻時(shí)重新固化、并且可以熔融和固化多次的聚合物。另一方面，熱固性共聚物則在受熱和冷卻之后不可逆地固化。聚合物鏈互連或交聯(lián)的硬化聚合物系統(tǒng)可以通過(guò)利用化學(xué)制劑或離子輻射而在室溫下成形。
可用于形成本發(fā)明制品中的結(jié)構(gòu)層的聚合物包括但不限于聚烯烴，如聚乙烯和聚乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)。其它的聚合材料包括醋酸鹽、纖維素醚、聚乙烯醇、多糖、聚烯烴、聚酯、聚酰胺、聚(氯乙烯)、聚氨酯、聚脲、聚碳酸酯以及聚苯乙烯。結(jié)構(gòu)層可以用諸如丙烯酸樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂之類(lèi)的可硬化樹(shù)脂材料模制，并且通過(guò)游離基方法來(lái)硬化，并通過(guò)暴露于熱、紫外線(xiàn)或電子束輻射而加以化學(xué)地促成。
如上所述，有需要采用柔性有源流體傳輸裝置的場(chǎng)合。可以利用授予Smith等人的美國(guó)專(zhuān)利5,450,235和授予小Benson等人的5,691,846中所描述的聚合物對(duì)一結(jié)構(gòu)聚合層賦予柔性。不必將整個(gè)聚合層都用柔性聚合材料制作。例如，層的一個(gè)主要部分可以由柔性聚合物構(gòu)成，而結(jié)構(gòu)化部分或其一部分可以由較剛性的聚合物制成。在該段落中所引用的專(zhuān)利描述了以此方式利用共聚物制作具有微結(jié)構(gòu)化表面的柔性制品。
包括聚合物混合體的聚合材料可以通過(guò)熱熔混合一些增塑的活性制劑(如表面活性劑或抗菌制劑)來(lái)進(jìn)行改型?？梢酝ㄟ^(guò)蒸鍍或利用離子輻射的功能部分(functional moeities)的共價(jià)接枝，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化表面的表面改型。美國(guó)專(zhuān)利4,950,549和5,078,925揭示了，例如借助離子輻射來(lái)將單體接枝聚合于聚丙烯的方法和技術(shù)。這些共聚物還可以包含添加劑，以對(duì)結(jié)構(gòu)化聚合材料層賦予各種性質(zhì)。例如，可以添加增塑劑來(lái)降低彈性模量而提高柔性。
本發(fā)明的較佳實(shí)施例可以采用薄的聚合物薄膜，它具有作為帶微結(jié)構(gòu)部分的平行的直線(xiàn)構(gòu)形。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，可以將“薄膜”看成是一個(gè)薄的(厚度小于5mm)、大致為柔性的聚合材料片。利用這種具有精確限定的微結(jié)構(gòu)化薄膜表面的低成本的薄膜，在經(jīng)濟(jì)上有很大好處。柔性的薄膜可以與很廣范圍的覆層材料結(jié)合使用，可以不受支承的或在需要時(shí)與一支承體相結(jié)合的使用。由這樣的微結(jié)構(gòu)化表面和覆層形成的熱交換器裝置在很多應(yīng)用場(chǎng)合可以都是柔性的，但也可以在適當(dāng)?shù)膱?chǎng)合與一剛性的結(jié)構(gòu)體相聯(lián)系。
由于本發(fā)明的有源流體傳輸熱交換器最好包括微結(jié)構(gòu)化槽道，每個(gè)裝置都共同采用多個(gè)槽道。如上述的一些實(shí)施例所述，本發(fā)明的有源流體傳輸熱交換器可以很容易地具有每個(gè)裝置10或100個(gè)槽道。對(duì)某些應(yīng)用場(chǎng)合，有源流體傳輸熱交換器可以具有每個(gè)裝置多于1,000或10,000個(gè)槽道。連接于一單個(gè)勢(shì)能源的多個(gè)槽道可允許勢(shì)能作用高度地分布。
本發(fā)明的有源流體傳輸熱交換器可以具有每平方厘米(橫截面)多達(dá)10,000個(gè)槽道入口。本發(fā)明的有源流體傳輸熱交換器可以具有每平方厘米至少50個(gè)槽道入口。典型的裝置可以具有每平方厘米大約1,000個(gè)槽道入口。
如以上在背景部分中所提到的，具有微尺寸流動(dòng)通道的熱交換器的實(shí)例在現(xiàn)有技術(shù)中是知道的。從一鍍覆材料的本體除去將被丟棄的芯部或纖維而形成微尺寸通道。然而，由這些纖維形成的這種裝置的應(yīng)用范圍是有限的。纖維的脆弱性以及對(duì)小單個(gè)元件束的處理的總體難度妨礙了它們的應(yīng)用。較高的單位成本、污染和缺乏幾何(輪廓)柔性進(jìn)一步限制這些纖維應(yīng)用于流體傳輸裝置。實(shí)際上無(wú)法使較長(zhǎng)長(zhǎng)度和大量的中空纖維進(jìn)入有用的傳輸陣列，這使得它們幾乎不適合用于有限范圍的有源流體傳輸熱交換器場(chǎng)合。
以上參照所示實(shí)施例所描述的覆層材料，或者需要受熱作用的一物體的表面，可提供封閉至少一個(gè)微結(jié)構(gòu)化表面的至少一部分的封閉表面，以形成多條可供流體運(yùn)動(dòng)通過(guò)的分離流動(dòng)通道。覆層提供導(dǎo)熱材料，用于促進(jìn)熱量傳遞至所需的物體或介質(zhì)。覆層材料的內(nèi)表面限定為面對(duì)并至少部分與微結(jié)構(gòu)化聚合表面相接觸的封閉表面。覆層材料最好是根據(jù)具體的熱交換器應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)進(jìn)行選擇，并可以具有與帶微結(jié)構(gòu)的表面相同或不同的成分?？捎米鞲矊拥牟牧习ㄣ~和鋁箔、金屬化涂層聚合物、金屬涂覆聚合物，或其它任何可促進(jìn)熱傳遞的材料，也就是該材料是一所需應(yīng)用場(chǎng)合所要求的良好的導(dǎo)熱體，但并不局限于這些。具體說(shuō)，與含微結(jié)構(gòu)化表面的層的聚合物相比導(dǎo)熱特性提高的材料并且能夠制于薄膜或箔上的材料是合適的。
為了確定具有多條分離流動(dòng)通道的有源流體傳輸熱交換器的功效，這些流動(dòng)通道由在微結(jié)構(gòu)化表面中具有微槽道的一層和一覆層所限定，用由帶微結(jié)構(gòu)的薄膜元件形成并覆以一層金屬箔層的一毛細(xì)管模塊構(gòu)制成一加熱和冷卻裝置。該帶微結(jié)構(gòu)的薄膜是通過(guò)將熔融聚合物模鑄于微結(jié)構(gòu)鎳工具上形成在一個(gè)表面上有槽道的連續(xù)薄膜而形成的。槽道形成于鑄造薄膜的連續(xù)長(zhǎng)度中。鎳鑄造工具是通過(guò)用鉆石劃線(xiàn)工具使一光滑銅表面成形以產(chǎn)生所需的結(jié)構(gòu)、然后進(jìn)行無(wú)電的鍍鎳步驟而形成一鎳工具來(lái)制造的。用于形成薄膜的工具產(chǎn)生一具有毗鄰的‘V’槽道的微結(jié)構(gòu)化表面，該槽道的公稱(chēng)深度為459微米，開(kāi)口寬度為420微米。當(dāng)由一覆層封閉時(shí)，這就產(chǎn)生一個(gè)槽道，其平均水力半徑為62.5微米。用于形成薄膜的聚合物是由Eastman化學(xué)制品公司生產(chǎn)的TeniteTM1550P低密度聚乙烯。將由Rohm & Haas公司生產(chǎn)的Triton X-102非離子型表面活化劑熔化混合入基礎(chǔ)聚合物中，以提高薄膜的表面能量。
層壓物的表面尺寸為80毫米×60毫米。所使用的金屬箔是由Reynold公司生產(chǎn)的厚度為0.016毫米的鋁片。金屬箔和薄膜沿平行于薄膜的直線(xiàn)微結(jié)構(gòu)的兩側(cè)熱焊接。通過(guò)這種方式，形成基本分離的流動(dòng)通道。
然后，將一對(duì)集流管裝配于毛細(xì)管模塊的端部上。這對(duì)集流管是通過(guò)在一部分管子的側(cè)壁中形成一個(gè)切口而形成，該管子是由紐約州Rochester的Nalge公司生產(chǎn)的Ⅵ級(jí)3.18毫米內(nèi)徑、1.6毫米壁厚的管子。切口是用一剃刀沿每根管子的軸線(xiàn)在一直線(xiàn)上切出。切口的長(zhǎng)度約為毛細(xì)管模塊的寬度。而后，將每根管子裝配于毛細(xì)管模塊的一端上并熱熔粘合于適當(dāng)位置。管子在毛細(xì)管模塊處的一開(kāi)口端用熱熔粘結(jié)劑密封封閉。
為了評(píng)價(jià)試驗(yàn)?zāi)K的傳熱能力，將水抽吸通過(guò)該模塊，并由一設(shè)置成直接與金屬箔表面接觸的冰槽冷卻。熱交換模塊的入口水溫為34℃，相應(yīng)的冰槽溫度為0℃。將水以150毫升/分鐘的流率吸過(guò)該單元，同時(shí)保持冰槽有略微的攪動(dòng)。吸過(guò)試驗(yàn)?zāi)K的水的體積為500毫升。調(diào)節(jié)后的水的溫度為20℃。所傳輸?shù)牧黧w的溫度下降表明該試驗(yàn)?zāi)K傳遞和移去熱量的有效性。
權(quán)利要求
1．一種與有源流體傳輸一起使用的熱交換器，包括(a)一第一聚合材料層，它具有第一和第二主表面，第一主表面包括一結(jié)構(gòu)化表面，該表面具有多條沿第一層的表面從一第一位置延伸到一第二位置的流動(dòng)槽道，這些槽道的最小縱橫比約為10∶1，水力半徑不大于約300微米；(b)一第一覆層，它覆蓋在結(jié)構(gòu)化聚合表面的至少一部分上面，并包括覆蓋多條流動(dòng)槽道的至少一部分的一封閉表面，從而形成多條基本分離的流動(dòng)通道；以及(c)一與基本分離的流動(dòng)通道流體相通的集流管，允許來(lái)自一勢(shì)能源的一勢(shì)能促進(jìn)流體通過(guò)這些通道從一第一勢(shì)能運(yùn)動(dòng)到達(dá)一第二勢(shì)能，這種流體運(yùn)動(dòng)對(duì)第一覆層材料進(jìn)行熱作用，用于促進(jìn)運(yùn)動(dòng)流體與第一覆層之間的熱傳遞。
2．如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，第一覆層包括一第二聚合材料層，該層具有第一和第二主表面，第二層的第一主表面包括一結(jié)構(gòu)化表面，該表面具有多條流動(dòng)槽道，第二層的第二主表面提供封閉表面而形成第一層的多條基本分離的流動(dòng)通道。
3．如權(quán)利要求1-2所述的熱交換器，其特征在于，它還包括至少一個(gè)附加的聚合材料層，該層具有第一和第二主表面，每個(gè)附加層的第一主表面包括一結(jié)構(gòu)化表面，該表面具有多條流動(dòng)槽道，第一、第二和附加聚合材料層彼此疊置而形成一疊置陣列，該陣列具有多個(gè)有序的基本分離的流動(dòng)通道的行。
4．如權(quán)利要求3所述的熱交換器，其特征在于，它還包括一第二材料覆層，第二聚合材料層的第二主表面的至少一部分固定于第一覆層，第二覆層固定于第二聚合材料層的結(jié)構(gòu)化表面的至少一部分，從而形成基本分離的流動(dòng)通道。
5．如權(quán)利要求1-4所述的熱交換器，其特征在于，第二聚合材料層的第一主表面的結(jié)構(gòu)化表面的至少一部分固定于第二覆層而覆蓋第二聚合材料層的流動(dòng)槽道，從而形成基本分離的流動(dòng)通道。
6．如權(quán)利要求1-5所述的熱交換器，其特征在于，第一聚合材料層的流動(dòng)槽道和第二聚合材料層的流動(dòng)槽道基本呈直線(xiàn)狀，并彼此設(shè)置成一角度關(guān)系。
7．如權(quán)利要求1-6所述的熱交換器，其特征在于，它還包括多個(gè)聚合材料層，該多個(gè)聚合材料層各有一由形成于層內(nèi)的一結(jié)構(gòu)化表面限定的第一主表面，該結(jié)構(gòu)化表面具有多條沿該層的表面從一第一位置延伸到一第二位置的流動(dòng)槽道，該多條流動(dòng)槽道的最小縱橫比約為10∶1，水力半徑不大于約300微米，該多個(gè)聚合材料層和第一覆層設(shè)置成一疊置陣列，第一覆層插設(shè)于相鄰的一對(duì)聚合材料層之間，使第一覆層覆蓋相鄰的一對(duì)聚合材料層中的一個(gè)層的結(jié)構(gòu)化表面的至少一部分，從而形成基本分離的流動(dòng)通道。
8．如權(quán)利要求7所述的熱交換器，其特征在于，它還包括多個(gè)插設(shè)于聚合材料層之間并覆蓋這些聚合材料層的結(jié)構(gòu)化表面的至少一部分的覆層，從而形成多個(gè)有序的基本分離的流動(dòng)通道的行。
9．如權(quán)利要求1-8所述的熱交換器，其特征在于，第一覆層的導(dǎo)熱性比第一聚合材料層的更強(qiáng)。
10．如權(quán)利要求1-9所述的熱交換器，其特征在于，第一覆層在其成分中包括金屬。
11．如權(quán)利要求1-10所述的熱交換器，其特征在于，第一覆層包括一金屬箔。
12．一種在一傳熱流體與另一位于一熱交換器附近的需要受熱作用的介質(zhì)之間傳遞熱量的方法，包括以下步驟(a)提供一熱交換器，它包括一聚合材料層，該層具有第一和第二主表面，第一主表面包括一結(jié)構(gòu)化表面，該結(jié)構(gòu)化表面具有多條沿該層的表面從一第一位置延伸到一第二位置的流動(dòng)槽道；(b)將具有一預(yù)定初始溫度的一熱交換流體源連接于這些流動(dòng)通道；(c)將該熱交換器設(shè)置在一個(gè)位置以在另外的介質(zhì)與熱交換器內(nèi)的流體之間傳導(dǎo)熱量；以及(d)在該熱交換器的流動(dòng)通道上提供一勢(shì)能源，從而使流體通過(guò)流動(dòng)通道從一第一勢(shì)能運(yùn)動(dòng)到一第二勢(shì)能，流體的這種運(yùn)動(dòng)造成運(yùn)動(dòng)流體與該另外的介質(zhì)之間的熱傳遞，從而對(duì)熱交換器附近的介質(zhì)進(jìn)行熱作用。
全文摘要
一種采用一傳熱流體的有源流體傳輸?shù)臒峤粨Q器(10),它具有多條分離的流動(dòng)通道(16),這些通道由一單個(gè)但通用的結(jié)構(gòu)提供。這些微槽道(16)復(fù)制于一在流體傳輸熱交換器(10)中使用的薄膜層(12)上。該表面結(jié)構(gòu)(13)限定出基本不中斷的和高度有序的流動(dòng)槽道(16)。這些流動(dòng)槽道(16)可以是直線(xiàn)、分支或樹(shù)枝型結(jié)構(gòu)的形式。在帶結(jié)構(gòu)化的薄膜表面上提供一具有良好導(dǎo)熱特性的覆層(20)。這種帶結(jié)構(gòu)化的薄膜表面和覆層(20)因而可用于限定微結(jié)構(gòu)流動(dòng)通道(16)。使用具有一微結(jié)構(gòu)化表面的一薄膜層(12)可提高在通道組件上高度分布勢(shì)能的能力,從而促進(jìn)傳熱流體的有源傳輸。這樣,導(dǎo)熱覆層(20)可對(duì)熱交換器(10)附近的物體、氣體或液體進(jìn)行熱傳遞。
文檔編號(hào)F28F21/06GK1305580SQ99807395
公開(kāi)日2001年7月25日 申請(qǐng)日期1999年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月18日
發(fā)明者T·I·英斯利, R·P·約翰斯頓 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司