CN108362149A - 具有多尺度表面结构特征的微通道换热板的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有多尺度表面结构特征的微通道换热板的制造方法，首先由多齿锯片铣刀组合刀具在金属基板上加工出微米尺度特征的阵列式微通道结构，再通过激光加工方式在微通道底部加工出尺度更小的具有不同结构形状的微纳表面结构，然后与密封板和盖板封装得到微通道换热板。利用该种加工方法在微通道中生成微纳米复合结构可以有效增加气泡核化点、增大有效换热面积、改善流型结构，从而实现强化沸腾换热，提高微通道传热系数的目的，同时该种加工方法具有设备要求低、加工工艺简单、生产成本低等优点。本发明研制出的具有多尺度表面结构特征的微通道阵列结构在电子设备散热领域有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于微通道制造和换热技术领域，具体涉及一种具有多尺度表面结构特征的微通道换热板的制造方法。
背景技术
近年来，随着现代电子科技的发展，微机电系统、超大规模集成电路等技术使得电子设备正朝着高速度、多功能、大功率、微型化方向快速发展。电子设备的组装密度越来越高，高密度组装技术被广泛应用在功率器件(如IGBT)、智能穿戴设备、掌上电脑、军用机载计算机、航天飞行器等各类电子设备中。在这些电子设备中，快速增加的芯片系统发热已经成为先进电子芯片系统研发和应用中的一项重大挑战。传统的强制风冷散热难以满足热流量日益增加的集成电子芯片的需求，不良散热将容易导致电子设备的可靠性下降。因此高热流密度电子设备中的散热问题制约了电子行业的发展，使得热管理成为了高热流密度电子芯片系统开发和应用中关键技术，客观上对微电子器件的传热技术提出了非常迫切的要求。
微通道是一种借助特殊微加工技术以固体基质制造的二维或三维微细通道结构，当前关于微通道的确切定义，比较通行直观的分类是由Mehen-dale.s.s提出的按其水力当量直径的尺寸来划分，通常将水力当量直径小于1mm通道称为微通道。微通道因其结构具有体积小、结构紧凑、热阻低、换热效率高、运行安全可靠等特点，而且还具有常规尺寸的强制风冷散热设备所无可比拟的优越性，可满足高热流密度电子设备的散热需求，因而可以直接作用于毫米甚至微米级的热源位置进行强化传热。特别地，在对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合中，微通道换热器由于其特殊优越性能展现出重要应用前景。现今国内外学者不断开发多尺度微通道结构，使其增大传热面积，强化单相、多相传热，提高传热系数，获得高效换热性能。现有的微通道结构制造技术，多是基于光刻等复杂、高要求的工艺，成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有多尺度表面结构特征的微通道换热板的制造方法。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种具有多尺度表面结构特征的微通道换热板的制造方法包括以下步骤：
1)提供一高导热系数的金属基板；
2)通过多齿锯片铣刀组合刀具在金属基板上加工形成阵列式微通道结构，该些微通道平行间隔排列，间距为0.2-0.8mm，各微通道的宽度为0.4-1.0mm，高度为0.5-2mm；
3)通过激光加工的方式于所述微通道底部形成规则性凹凸的微纳表面结构，所述微纳表面结构的高度为200-500nm，激光波长为1000-1200nm，激光的平均输出功率大于20W，加工速度小于1500mm/s，单个微结构的激光扫描次数不高于40次；
4)将加工后的金属基板在无水乙醇中使用超声波清洗，干燥，然后将上密封板置于具有所述微通道结构的表面上并密封。
可选的，所述金属基板的导热系数大于380w/(m.k)。
可选的，所述激光加工的扫描间距大于0.1mm且加工路径为“之”字形扫描，得到所述微纳表面结构为矩阵式排布的柱形纳米柱阵列，相邻纳米柱的间距为0.5mm根据权利要求，截面面积为0.1-0.4mm2。
可选的，所述激光加工的扫描间距小于等于0.1mm且加工路径为“回”字形扫描，得到所述微纳表面结构为矩阵式排布的锥形纳米柱阵列，所述圆锥体的底部面积为0.1-0.4mm2。
可选的，所述激光加工的交叉扫描和回路往复多次扫描，得到所述微纳表面结构为网格结构，网格线凸起且厚度为200-500nm，单个网格的面积范围为0.1-0.5mm2。
可选的，所述激光加工的加工路径为“回”字形扫描，得到所述微纳表面结构为矩阵式排布的凹点阵列，相邻凹点的间距为0.5mm，单个凹点的面积范围为0.05-0.2mm2。
可选的，所述凹点为曲面结构。
可选的，所述多齿锯片铣刀组合刀具装夹在普通铣床上，包括刀柄轴、锯片铣刀、刀具垫片和压紧螺母，所述锯片铣刀和刀具垫片叠合后通过压紧螺母固定于刀柄轴上，通过旋转组合刀具并沿水平方向对所述金属基板进行铣削加工形成所述阵列式微通道结构。
可选的，还包括将多个加工后的金属基板依次层叠，并于最下金属基板底部层叠下密封板，再于上、下密封板两侧分别设置上、下盖板并封装的步骤，其中所述多个金属基板的阵列式微通道结构并联设置。
本发明的有益效果为：通过本发明的加工方法在微通道中生成微纳米复合结构可以有效增加气泡核化点、增大有效换热面积、改善流型结构，使通道内流体温度场和速度场分布均匀，从而实现强化换热，提高微通道传热系数的目的，同时该种加工方法具有设备要求低、加工工艺简单、生产成本低等优点。制备得到的具有多尺度表面结构特征的微通道换热板在电子设备散热领域有着广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明微通道换热板的组装结构示意图；
图2为本发明微通道换热板的分解结构示意图；
图3为实施例1的具有多尺度表面结构特征的金属基板的结构示意图；
图4是实施例1得到的金属基板的多尺度表面结构示意图；
图5是实施例2得到的金属基板的多尺度表面结构示意图；
图6是实施例3得到的金属基板的多尺度表面结构示意图；
图7是实施例4得到的金属基板的多尺度表面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。
参考图1及图2，一种具有多尺度表面结构特征的微通道换热板包括由上至下依次层叠设置的上盖板3、上密封板2、两金属基板1、下密封板5及下盖板6，金属基板1上设有微米尺度特征的阵列式微通道11与其底部尺度更小的微纳表面结构12。其中，该些微通道11等距离间隔平行排布，间隔为0.4-1.0mm，各微通道11宽度范围为0.2-0.8mm，高度范围为0.5-2mm；微纳表面结构12具有规则性凹凸，高度为200-500nm。其制备方法包括如下步骤：
(1)使用多齿锯片铣刀组合刀具通过普通铣床在金属基板1上加工出微米尺度特征的阵列式微通道11；金属基板1的导热系数大于380w/(m.k)，所述多齿锯片铣刀组合刀具装夹在普通铣床上，包括刀柄轴、锯片铣刀、刀具垫片和压紧螺母，所述锯片铣刀和刀具垫片叠合后通过压紧螺母固定于刀柄轴上，通过旋转组合刀具并沿水平方向对所述金属基板1进行铣削加工形成所述阵列式微通道11。
(2)将上述平行阵列式微通道11通过激光复合加工方式在其底部表面加工出规则性凹凸的微纳表面结构12，激光加工的参数：激光波长为1000-1200nm，激光的平均输出功率大于20W，加工速度小于1500mm/s，单个微结构的激光扫描次数不高于40次，通过改变加工功率、扫描次数和速度等激光加工参数可加工出不同形式的微纳表面结构12。
(3)上述制造的两具有多尺度表面结构特征的微通道阵列结构的金属基板1在无水乙醇中使用超声波清洗，干燥后层叠并与合适的上密封板2、下密封板5通过焊接或密封圈密封，再与上盖板3和下盖板6封装后制得微通道换热板，用于微通道换热器换热工况中，密封板可以与金属基板相同材质。两金属基板1的微通道结构并联设置，也可根据需求设置多个金属基板，各金属基板的微通道结构可以相同或不同。以下实施例具体说明金属基板的微通道结构的形成方法。
实施例1
提供一紫铜板作为金属基板1，通过上述多齿锯片铣刀组合刀具在紫铜板上形成阵列式微通道11，该些微通道相互平行，宽度范围为0.8mm，高度范围为1mm，间隔为0.6mm。
采用激光加工的方式，激光波长为1064nm，激光的平均输出功率30W，加工速度为1000mm/s,单个微结构的激光扫描次数为30次，扫描间距大于0.1mm且加工路径为“之”字形扫描，于各微通道底部形成矩阵式排布的纳米柱阵列12a，相邻纳米柱间隔为0.5mm；各纳米柱为圆柱体，横截面面积为0.2mm2。得到的多尺度表面结构特征的紫铜板结构如图3和图4所示。
本实施例的具有多尺度表面结构特征的微通道阵列结构，增大有效换热面积、改善流型结构，使通道内流体温度场和速度场分布均匀，因而达到强化传热目的，同时该种加工方法具有设备要求低、加工工艺简单、生产成本低等优点。
实施例2
提供一紫铜板，通过实施例1的方式形成阵列式微通道11，采用激光加工的方式，激光波长为1064nm，激光的平均输出功率30W，加工速度为1000mm/s，单个微结构的激光扫描次数为30次，扫描间距小于等于0.1mm且加工路径为“回”字形扫描，于各微通道底部形成矩阵式排布的纳米柱阵列12b，相邻纳米柱间隔为0.5mm，各纳米柱为圆锥体结构，所述圆锥体的底部面积为0.2mm2。得到的多尺度表面结构特征的紫铜板结构如图5所示。本实施例的具有多尺度表面结构特征的微通道阵列结构，可以有效增加气泡核化点，加强扰动，强化传热。
实施例3
提供一紫铜板，通过实施例1的方式形成阵列式微通道11，采用激光加工的方式，激光波长为1064nm，激光的平均输出功率27W，加工速度为500mm/s,单个微结构的激光扫描次数为20次，交叉扫描和回路往复多次扫描得到所述微纳表面结构为网格结构12c，网格线凸起且厚度为300nm，单个网格的面积范围为0.2mm2。得到的多尺度表面结构特征的紫铜板结构如图6所示。本实施例的具有多尺度表面结构特征的微通道阵列结构，可以有效增加气泡核化点，增加换热面积，加强扰动，强化传热。
实施例4
提供一紫铜板，通过实施例1的方式形成阵列式微通道11，采用激光加工的方式，激光波长为1064nm，激光的平均输出功率27W，加工速度为250mm/s,单个微结构的激光扫描次数为20次，加工路径为“回”字形扫描，得到所述微纳表面结构为矩阵式排布的凹点阵列12d，相邻凹点的间距为0.5mm，单个凹点的面积范围为0.1mm2。得到的多尺度表面结构特征的紫铜板结构如图7所示。本实施例的具有多尺度表面结构特征的微通道阵列结构，可以有效增加气泡核化点，增加换热面积，加强扰动，强化传热。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种具有多尺度表面结构特征的微通道换热板的制造方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种具有多尺度表面结构特征的微通道换热板的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
1)提供一高导热系数的金属基板；
2)通过多齿锯片铣刀组合刀具在金属基板上加工形成阵列式微通道结构，该些微通道平行间隔排列，间距为0.2-0.8mm，各微通道的宽度为0.4-1.0mm，高度为0.5-2mm；
3)通过激光加工的方式于所述微通道底部形成规则性凹凸的微纳表面结构，所述微纳表面结构的高度为200-500nm，激光波长为1000-1200nm，激光的平均输出功率大于20W，加工速度小于1500mm/s，单个微结构的激光扫描次数不高于40次；
4)将加工后的金属基板在无水乙醇中使用超声波清洗，干燥，然后将上密封板置于具有所述微通道结构的表面上并密封。
2.根据权利要求1所述的一种具有多尺度表面结构特征的微通道换热板的制造方法，其特征在于：所述金属基板的导热系数大于380w/(m.k)。
3.根据权利要求1所述的一种具有多尺度表面结构特征的微通道换热板的制造方法，其特征在于：所述激光加工的扫描间距大于0.1mm且加工路径为“之”字形扫描，得到所述微纳表面结构为矩阵式排布的柱形纳米柱阵列，相邻纳米柱的间距为0.5mm，截面面积为0.1-0.4mm2。
4.根据权利要求1所述的一种具有多尺度表面结构特征的微通道换热板的制造方法，其特征在于：所述激光加工的扫描间距小于等于0.1mm且加工路径为“回”字形扫描，得到所述微纳表面结构为矩阵式排布的锥形纳米柱阵列，所述圆锥体的底部面积为0.1-0.4mm2。
5.根据权利要求1所述的一种具有多尺度表面结构特征的微通道换热板的制造方法，其特征在于：所述激光加工的交叉扫描和回路往复多次扫描，得到所述微纳表面结构为网格结构，网格线凸起且厚度为200-500nm，单个网格的面积范围为0.1-0.5mm2。
6.根据权利要求1所述的一种具有多尺度表面结构特征的微通道换热板的制造方法，其特征在于：所述激光加工的加工路径为“回”字形扫描，得到所述微纳表面结构为矩阵式排布的凹点阵列，相邻凹点的间距为0.5mm，单个凹点的面积范围为0.05-0.2mm2。
7.根据权利要求6所述的一种具有多尺度表面结构特征的微通道换热板的制造方法，其特征在于：所述凹点为曲面结构。
8.根据权利要求1所述的一种具有多尺度表面结构特征的微通道换热板的制造方法，其特征在于：所述多齿锯片铣刀组合刀具装夹在普通铣床上，包括刀柄轴、锯片铣刀、刀具垫片和压紧螺母，所述锯片铣刀和刀具垫片叠合后通过压紧螺母固定于刀柄轴上，通过旋转组合刀具并沿水平方向对所述金属基板进行铣削加工形成所述阵列式微通道结构。
9.根据权利要求1所述的一种具有多尺度表面结构特征的微通道换热板的制造方法，其特征在于：还包括将多个加工后的金属基板依次层叠，并于最下金属基板底部层叠下密封板，再于上、下密封板两侧分别设置上、下盖板并封装的步骤，其中所述多个金属基板的阵列式微通道结构并联设置。
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