CN101554577B - 集成式不锈钢微流体反应器加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种集成式不锈钢微流体反应器加工方法，其特征是根据要求预先采用AUTOCAD设计图纸，输出DXF格式，由电火花设备接受后进行图线修正和放大缩小。根据要求选用不同板材的厚度作为微流道反应器的特征尺度。将所有微流道加工后，再切割出反应器的整体尺寸；而后加工所有的孔洞；将所有需要焊接的表面打磨成镜面，清洗后按顺序叠放经真空扩散焊封装，最后焊接入口与出口接管，完成所有装配。本发明气密性好，可耐高低温，选用材料普通，加工简单可批量化生产，减小生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种微流体反应器的制造方法，尤其是一种不锈钢微流体反应器的制造方法，具体地说是一种集成式不锈钢微流体反应器加工方法。
背景技术
自上世纪90年代以来，自然科学与工程技术发展的一个重要趋势就是提出了一个新的设计工程理念，即设备的微型化。由于在微尺度下反应的转化率、选择性明显提高，传热系数和传质性能得到极大的加强，因此微化工设备与过程被公认为化学工程学科发展的心的重要方向之一。微型化工设备简单、无放大效应、操作条件容易控制和内在安全等优点，引起了一些研究机构如MIT、杜邦、Merck、IMM和BASF相继投入了巨资进行开发和研究。
微反应器内流体的微通道尺寸在亚微米到亚毫米量级，与传统反应设备相比，其优点在于对质量和热量传递过程的强化以及流体流动方式的改进。在微反应器内，温度梯度随着线尺度的减小很快增加，传热推动力的显著增加，扩大了单位体积或单位面积的热扩散通量；此外，通过减小流体厚度，相应增加了面积体积比。因此通过精确的控制反应时间和反应温度，来控制反应的进程，提高原料的转化率，并且由于反应体积的减小，可最大限度的降低危险发生所产生的危害。
在微化工过程机械领域内由于加工对象不同，加工手段也有所差别。以往的微加工对象普遍为硅、硅化物、陶瓷、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或PDMS材料，一般采用化学刻蚀、等离子刻蚀、激光烧蚀、LIGA或准LIGA技术加工，不仅设备在使用时受到一定的限制(如高温或低温，高压或负压)，更是由于加工设备昂贵，操作人员要一定的专业技术，因此生产成本较高，加工周期长，只能作为实验研究，不利推广和扩大生产。
发明内容
本发明的目的是针对现有的微化工过程机械存在的加工困难、成本高的问题，发明一种利用不锈钢作为反应器基材的集成式不锈钢微流体反应器加工方法。
本发明的技术方案是：
一种集成式不锈钢微流体反应器加工方法，其特征是它包括以下步骤：
首先选取板厚与微流道或孔洞深度相匹配的不锈钢板作为基材，利用电火花加工或普通金属加工方法在基材上加工出所需的微流道和/或孔洞，完成不锈钢微流道和孔洞的电火花加工；
其次，将经电火花加工完成的不锈钢板利用打磨设备或砂纸进行打磨、清洗并进行校平处理，得到粗糙度为Ra0.6～0.8，平面度为1.2～2cm/m的不锈钢板；完成已加工不锈钢板的清洗、打磨及校平工作；
第三，将所有需集成的封板及不锈钢板按组装次序置于真空扩散焊接炉中分三个升温阶段进行真空扩散焊封装，第一阶段从常压下室温升温至180～220℃，保温8～12min，然后常压下升温至790～820℃，保温18～22min，最后升温至880～910℃，保温70～90min的同时施加14.8～15.4MPa载荷的压力，保压结构后在真空条件下，进行循环水冷至室温，即完成封装过程，得到微反应器主体；
最后，利用钎焊方法为上述微反应器主体上的进出口焊上反应所需的接口，控制钎焊温度在580-620℃之间。
本发明的有益效果：
本发明可选根据要求预先采用AUTOCAD设计图纸，输出DXF格式，由常规电火花设备接受后进行图线修正和放大缩小。根据要求选用不同板材的厚度作为微流道反应器的特征尺度。将所有微流道加工后，再切割出反应器的整体尺寸；而后加工所有的孔洞；将所有需要焊接的表面打磨成镜面，清洗后按顺序叠放经真空扩散焊封装，最后焊接入口与出口接管，完成所有装配，因此方法简单易行，具有很好的推广价值，无需大的设备投入即可完成制造过程。
本发明解决不锈钢作为微反应器基材存在的加工困难的问题，利用本发明的方法加工出的微反应器具有气密性好，可耐高低温。
本发明解决子普通不锈钢材料用于高新技术领域的难题，具有原材料成本低，加工简单可批量化生产的优点，有利于减小生产成本，为微反应器的工业化应用奠定了基础。
本发明所使用的设备均为常规设备，因此具有投入小，产出高的优点。
附图说明
图1是利用本发明的方法加工出的集成式微反应的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示。
一种集成式不锈钢微流体反应器加工方法，它主要包括以下工艺步骤：电火花加工微流道和孔洞、清洗与打磨、真空扩散焊封装、进出口接口连接。
详述如下：
1、首先选取板厚与微流道或孔洞深度相匹配的不锈钢板3作为基材，利用电火花加工方法和普通机床加工方法在基材上加工出所需的反应用微流道和/或孔洞，完成不锈钢微流道和孔洞的电火花加工；其具体步骤为：首先根据设计要求绘制DWG的AUTOCAD文件图纸，转化为电火花机床(普通电火花加工机床即可)能识别的文件DXF后，在其所控微机上进行图线修改(输入时会有一定的误差)和尺寸大小设定。再定位加工微流道的起始位置后便可自动加工完成。采用普通机床加工所有孔洞。(不必如普遍微加工工艺那样繁琐的加工：曝光、显影、电铸、注模制造、注塑制造、脱铸)最后再切割出微型反应器的外形尺寸。对于板材厚度的选用，可根据设定的深宽比在限定通道宽度的条件下，采用不同的板材厚度就可表示通道的厚度(无需如通常的微加工工艺限定刻蚀时间来控制通道深度，不易掌握)。
2、第二，将经电火花加工完成的不锈钢板利用打磨设备或砂纸进行打磨、清洗并进行校平处理，具体步骤为：将所有加工后的基板统一放入超声波清洗去除机加工产生的油污(也可加工完一张清洗、打磨、校平一张)，再将需要封装的焊接表面进行打磨，按砂纸由粗到细打磨200号开始，400号，600号，800号，1000号，最后直至1200号砂纸打磨成镜面。打磨的目的在于去除表面的氧化层，其次平整的表面利于焊机接触面的增加，但也保持一定的粗糙度0.6～0.8，平面度为1.2～2，有利于下一步的封装。最后进行超声波清洗，去除所有微小打磨颗粒的残余物，再进行无水乙醇和丙酮的清洗。
3、将所有需集成的不锈钢板按组装次序置于真空扩散焊接炉中分三个升温阶段进行真空扩散焊封装，具体步骤是：将所有基板与封板4(即最上面和最下面的两块仅有进出口的面板)按封装顺序叠加后，放入真空扩散焊炉内焊接，按一定的步骤加温与降温以及加压与泄压。升温过程分三个阶段：常压下由室温升温至180～220℃历时18～22min，保温8～12min；然后仍然在常压下升温至790～820℃经过80～100min，保温18～22min；最后升温至880～910℃，历时35～40min，并在880～910℃℃左右环境下，施加14.8～15.4MPa的压力，保温70～90min。完成上述过程后继续在真空条件下，经过循环水冷至室温，完成封装过程。即得到外部可靠密封连接，内部微通道或孔洞按设计要求相互贯通的微反应器主体1。
4、进出口接口2的连接：使连接管的管口与封板上的孔洞实现过赢配合，再使用银铜钎焊封装，进行管道的连接，由于扩散焊接温度在900℃左右附近，因此管路与反应器焊接温度必须低于扩散焊接温度，否则将造成多层板之间的剥落，因此宜将钎焊温度控制在580-620℃之间，太高则容易堵塞进出口通道，太低则无法完成钎焊，熔融后随室温逐渐冷却。管口连接N2其经气密性试验满足要求，在2MPa压力下渗漏无泄漏后便可投入使用。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (1)
1.一种集成式不锈钢微流体反应器加工方法，其特征是它包括以下步骤：
首先选取板厚与微流道或孔洞深度相匹配的不锈钢板作为基材，在基材上加工出所需的微流道和/或孔洞，完成不锈钢微流道和孔洞的电火花加工；
其次，将加工完成的不锈钢板利用打磨设备或砂纸进行打磨、清洗并进行校平处理，得到粗糙度为Ra0.6～0.8，平面度为1.2～2cm/m的不锈钢板；完成已加工不锈钢板的清洗、打磨及校平工作；
第三，将所有需集成的封板及不锈钢板按组装次序置于真空扩散焊接炉中分三个升温阶段进行真空扩散焊封装，第一阶段从常压下室温升温至180～220℃，保温8～12min，然后常压下升温至790～820℃，保温18～22min，最后升温至880～910℃，保温70～90min的同时施加14.8～15.4MPa载荷的压力，保压结构后在真空条件下，进行循环水冷至室温，即完成封装过程，得到微反应器主体；
最后，利用钎焊方法为上述微反应器主体上的进出口焊上反应所需的接口，控制钎焊温度在580-620℃之间。
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Granted publication date: 20110511 Termination date: 20160410 |
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