CN102519292B - 具有v字形分形结构的微通道换热板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明专利公开了具有V字形分形结构的微通道换热板及其制备方法。换热板的单面加工有微通道，微通道具有3阶V字形分形结构，在第1阶V字形微通道两侧壁分别均匀分布2个第2阶V字形微通道。在第2阶V字形微通道两侧壁分别均匀分布2个第3阶V字形微通道。利用平面刨刀对待加工板料进行平整处理，然后利用多级复合分形犁切刀具进行一次犁切加工，通过刨床工作台及刀架的移动，控制分形微通道的间距以及深度，形成具有V字形分形结构的微通道。本发明的换热板具有较大的比表面积，可大大增加汽化核心，有利于蒸发沸腾的过程中的汽化过程，使其具有优良的沸腾强化换热能力，其加工效率大大增高，加工工艺简单，成本低廉。

Description

具有V字形分形结构的微通道换热板及其制备方法
技术领域
本发明涉及换热板，主要应用于强化传热领域，具体是指具有V字形分形结构的微通道换热板及其制备方法。
背景技术
换热装置是工业过程中必不可少的设备，广泛应用于化工，机械，微电子等领域。尤其是在微电子领域飞速发展的今天，散热问题已经成为了影响产品性能和寿命的主要问题。随着产品的集成度的提高，系统复杂化，加工制造的精密化和小型化，导致散热问题越来越严重。以大功率LED为例，LED性能与其工作温度密切相关，随着温度的上升，发光效率逐步降低，使用寿命呈指数下降，其芯片表面热流密度远超过采用铝/铜等材料空气强制对流散热的极限，可见，传统的散热技术已经难以满足要求。目前电子领域最高热流密度已经超过了100W/cm2。电子元器件所产生的高温使产品的性能降低，可靠性，稳定性，精度下降，严重影响产品质量。而散热技术的更新，对节约能源，提高产品的品质，可靠性和寿命有着重要意义。同时，随着发展的加快，换热装置的发展也将向着小型化，微型化，高效化发展。
1981年，美国的Tuckerman和Pease率先提出了“微槽散热器”的概念，将微通道应用于换热领域。经过几十年的发展，微通道的加工和制造取得了诸多成就，目前微通道的加工方法主要包括IC技术、光刻电镀(LIGA)、化学腐蚀、电火花、线切割、微铣削等。IC技术仅限于硅材料的薄板上的微通道加工；光刻电镀法成本高，实现难度大；化学腐蚀、电火花、线切割等耗时长，效率低；微铣削加工刀具磨损严重，不易于产业化。以上这些技术方法制约了微通道换热结构的更新和发展，同时对开发出新型高效的微通道换热装置也显得越来越迫切。
发明内容
本发明的首要目的在于针对现有换热板的结构单一，比表面积小的不足，提出了具有优良强化传热性能的具有V字形分形结构的微通道换热板。
本发明的另一目的在于提供具有V字形分形结构的微通道换热板的制备方法。
本发明通过下述技术方案实现：
具有V字形分形结构的微通道换热板，微通道具有3阶V字形分形结构，第2阶V字形微通道深度为1.5～2.0mm，在第1阶V字形微通道两侧壁分别均匀分布2个第2阶V字形微通道，第2阶微通道深度为0.5～0.6mm，在第2阶V字形微通道两侧壁分别均匀分布2个第3阶V字形微通道，第3阶微通道深度为0.1～0.2mm。换热板厚度为2mm～3mm。
上述具有V字形分形结构的微通道换热板的制造方法，包括如下步骤：
(1)将所要加工的板料进行去除毛刺处理，然后将其用夹具安装在刨床的虎钳上；
(2)用平面刨刀对板料表面进行平整处理，去除表面粗糙的材料，保证所加工平面的平面度以及与底面的平行度；
(3)将多级复合分形犁切刀具安装在刨床刀架上，利用垂直度校正器校正刀具角度，保证刀具与待加工板料的垂直度；
(4)对已进行平整处理的板料进行V字形分形微通道的一次复合犁切加工，通过工作台采用自动或手动进给来调整微通道的间距；
(5)去除毛刺，清理，得到具有V字形分形结构的微通道换热板。
上述步骤(3)多级复合分形犁切刀具是指利用线切割和万能磨床加工出的具有两级或三级的复合刀具，利用线切割钼丝轨迹控制切削刃形状，使其具有多阶V字形分形结构。
上述板料的材料为铜板、铝板或者钢板中的任意一种。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明具有V字形分形结构微通道大大增加了比表面积，其中2阶分形微通道比1阶分形微通道比表面积增加了67％，3阶分形微通道比2阶分形微通道比表面积增加了46％。多级V字形结构可大大增加汽化核心数量，极有利于气泡的形成和成核，增强蒸发沸腾的过程中的汽化过程，使其具有优良的沸腾强化换热能力。同等条件下，比普通光板的换热能力提高2倍以上，综合换热系数达到482.9W·m-3·K-1·Pa-1。此结构具有广泛的应用领域，诸如热虹吸器，环路热管蒸发器，大功率换热器等，不仅在微电子领域的高密度散热领域，更在大型的石油，化工等领域具有较大的应用前景和使用价值。
(2)提出具有V字形分形结构微通道的制造方法生产成本低，对设备的要求不高，工艺过程简单，相比目前常见的微通道加工技术，诸如IC技术、光刻电镀(LIGA)、化学腐蚀、电火花、线切割、微铣削等，其生产效率极高，省去了大量的设备投入，而且工艺技巧也极为容易掌握，对人员的加工技术要求不高。
(3)由于微通道的V字形分型结构的表面精度要求较高，如果采用普通犁切刀具，易产生大量切屑阻塞微通道，因此本发明采用特制的多级复合分形犁切刀具加工微通道表面。刀具的3级结构对应微通道的3阶分型结构，先犁切出第1阶微通道，然后在保证同一轴线的基础上连续犁切出第2阶、第3阶微通道。通过工作台的移动加工出间隔符合尺寸要求的微通道。该方法能够最大程度上克服刨削时产生的纵向阻力，避免一次性加工对表面的破坏及加工产生的切屑阻塞微通道，增加表面精度，提高加工效率。
附图说明
图1为多级复合分形犁切刀具结构示意图。
图2为图1局部A放大结构示意图。
图3为1阶分形结构微通道的主视图。
图4为2阶分形结构微通道的主视图。
图5为3阶分形结构微通道的主视图。
图6为2阶分形结构微通道的加工示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
图1图2为多级复合分形犁切刀具结构示意图，从图中可以看出，该刀具端部呈由多个V形结构构成，该V形结构构成多个尖端呈V形的刀刃。
如图3至图6所示。本发明具有V字形分形结构的微通道换热板，该换热板具有微通道，所述微通道具有3阶V字形分形结构，第2阶V字形微通道深度为1.5～2.0mm，在第1阶V字形微通道两侧壁分别均匀分布2个第2阶V字形微通道，第2阶微通道深度为0.5～0.6mm，在第2阶V字形微通道两侧壁分别均匀分布2个第3阶V字形微通道，第3阶微通道深度为0.1～0.2mm，所述换热板厚度为2mm～3mm。
换热板的微通道采用紫铜板，用图1图2所示的多级复合分形犁切刀具在紫铜板单面加工。
本发明具有V字形分形结构的微通道换热板的制备过程，通过如下实施例说明：
实施例1：
以紫铜作为加工换热板的板料，2阶V字形分形微通道为例，过程如下：
(1)原材料初步加工。首先对50×100×3mm板料进行去除毛边，然后将其固定在夹具上，安装在BC6063B型刨床虎钳上，利用百分表进行板料表面校平。
(2)刀具装夹。选用的多级复合分形犁切刀具，其安装在刀架上，安装时利用垂直度校正器保证刀具与待加工板料表面角度为90°。刀具材料为高速钢，刀具是利用线切割钼丝轨迹控制切削刃形状，使其具有3阶V字形分形结构，如图1、图2所示。以2级复合分犁切形刀具为例，1阶V字形微通道深度为1.5mm，微通道夹角为60°；2阶V字形微通道深度为0.3mm，微通道夹角为60°。
(3)微通道的犁削加工。在BC6063B型刨床上加工具有V字形分形结构微通道，切削深度为1.5mm，平均切削速度为3m/s，采用自动进给方式，进给量为2.5mm，干切削，一次加工完成后清除刀具夹杂的切削。
(4)去毛刺，清洗，得到具有V字形分形结构的微通道换热板。
实施例2：
以紫铜作为加工换热板的板料，2阶V字形分形微通道为例，过程如下：
(1)原材料初步加工。首先对50×100×15mm板料进行去除毛边，然后将其安装在BC6063B型刨床上，利用平面刨刀对待加工表面进行平面刨削，完成后将板料翻转180°，继续用平面刨刀加工另一面，以保证两平面的平行度以及平面度。
(2)刀具装夹。选用的多级复合分形犁切刀具，其安装在刀架上，安装时利用垂直度校正器保证刀具与待加工板料表面角度为90°。刀具材料为高速钢，刀具是利用线切割钼丝轨迹控制切削刃形状1，使其具有V字形分形结构，如图1、图2所示，。以2级复合分犁切形刀具为例，1阶V字形微通道深度为1.5mm，微通道夹角为60°；2阶V字形微通道深度为0.3mm，微通道夹角为60°。
(3)微通道的犁削加工。在BC6063B型刨床上加工具有V字形分形结构微通道，切削深度为1.5mm，平均切削速度为3m/s，采用自动进给方式，进给量为3.2mm，干切削，一次加工完成后清除刀具夹杂的切削。
(4)去毛刺，清洗，得到具有V字形分形结构的微通道换热板。
如上所述，便可较好地实现本发明。上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (3)

1.一种具有V字形分形结构的微通道换热板的制造方法，其特征在于包括如下步骤： 
（1）将所要加工的板料进行去除毛刺处理，然后将其用夹具安装在刨床的虎钳上；
（2）用平面刨刀对板料表面进行平整处理，去除表面粗糙的材料，保证所加工平面的平面度以及与底面的平行度；
（3）将多级复合分形犁切刀具安装在刨床刀架上，利用垂直度校正器校正刀具角度，保证刀具与待加工板料的垂直度；
（4）对已进行平整处理的板料进行V字形分形微通道的一次复合犁切加工，通过工作台采用自动或手动进给来调整微通道的间距；
（5）去除毛刺，清理，得到具有V字形分形结构的微通道换热板。
2.根据权利要求1所述的具有V字形分形结构的微通道换热板的制造方法，其特征在于所述步骤（3）多级复合分形犁切刀具是指利用线切割和万能磨床加工出的具有两级或三级的复合刀具，利用线切割钼丝轨迹控制切削刃形状，使其具有多阶V字形分形结构。
3.根据权利要求2所述的具有V字形分形结构的微通道换热板的制造方法，其特征在于所述板料的材料为铜板、铝板或者钢板中的任意一种。
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