CN110267489A - 一种脱合金反应制备多孔微通道的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脱合金反应制备多孔微通道的装置及方法。该装置包括储液箱、磁力泵、流量计、恒温水槽、反应段、冷凝管、废液回收箱。该多孔微通道的制备方法如下：通过热压烧结成形得到Cu‑Al合金微通道；清洗后装配放置于反应段中，将储液箱中稀盐酸泵入反应段的微通道中，通过加热器对反应段内稀盐酸溶液加热，对微通道进行脱合金反应，去除掉Cu‑Al合金微通道中的Al成分，清洗干燥后得到多孔微通道。本发明生成的多孔微通道显著增大了换热面积和汽化核心，从而强化换热。采用该方法制备多孔结构生产效率高，操作简单方便，成本低廉，热影响区小。

Description

一种脱合金反应制备多孔微通道的装置及方法
技术领域
本发明属于散热器制备技术领域，具体涉及一种脱合金反应制备多孔微通道的装置及制备方法。
背景技术
在微电子、光电、航空、核电化工等多个领域，器件都朝着大功率、集成化、微型化的趋势发展。高热流密度的元器件日趋增长，由此带来的散热问题亟待解决。传统的风冷已无法满足散热需求，研制和开发高效散热器成为业界的共识。微通道散热器具有高比表面积、高传热系数，紧凑度高等优点，已成为解决高热流密度器件散热难题的理想选择。
微通道散热器由于充分利用沸腾时相变传热的原理，显著增大了传热效率。而提高沸腾传热的关键在于增加换热表面的汽化核心，强化核态沸腾。而提高散热表面的沸腾传热性能关键在于增加换热表面的汽化核心，强化核态沸腾。在过热度一定时，只有当汽化核心的半径大于气泡生长所需的最小半径，生成的气泡才会继续长大，核态沸腾才会产生。多孔微通道散热器中，由于槽道壁面的多孔结构吸附了大量微小的气体或蒸汽，能够为核态沸腾提供理想的汽化核心。目前在微通道表面多孔结构的制备方法主要有：机械加工、烧结、喷涂和扩散钎焊等，但加工出的表面具有比表面积小、效率低、高成本、可控性差等缺陷，且微通道内微尺度结构尺寸限制了上述加工方法的实施。
脱合金法是一种利用化学反应腐蚀其中的某一成分，而达到局部空心的方法，是制备多孔结构的一种理想方法。其具有热影响区小、对加工材料无形状限制等优点，且不受微通道内微尺度结构尺寸的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有多孔微通道制备的不足，提供了一种脱合金反应制备多孔微通道的装置及制备方法，实现多孔微通道的高效、低成本制备。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：
本发明首先提供了一种脱合金反应制备多孔微通道的装置，该装置包括储液箱(1)、磁力泵(2)、流量计(3)、恒温水槽(4)、反应段(5)、冷凝器(6)、废液回收箱(7)；其中，储液箱(1)通过管道与反应段(5)的入口(14a)连接，在储液箱(1)与反应段(5)的入口(14a)连接的管道上依次设有磁力泵(2)、流量计(3)、恒温水槽(4)；反应段(5)的出口(14b)通过导管与废液回收箱(7)连接，在反应段(5)的出口(14b)与废液回收箱(7)的管道上设有冷凝器(6)；所述储液箱中储存有脱合金反应溶液，所述反应段(5)放置有合金材料组成的微通道基体。
作为本发明的一种优选技术方案，所述反应段由上盖板、密封圈、中间腔板、微通道基体、加热器、底板组成，由上至下依次连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述上盖板、中间腔板、底板为保温性能良好的聚醚醚酮(PEEK)板；所述脱合金反应溶液为稀盐酸溶液；所述合金材料为Cu-Al合金。
作为本发明的一种优选技术方案，所述多孔微通道截面形状为梯形、矩形、V形、半圆形。
本发明的另一目的在于提供一种脱合金反应制备多孔微通道的制备方法，采用前述装置，包括如下步骤：
(i)微通道基体制备：将纯铜粉和纯铝粉按一定比例进行混合均匀后，置于热压烧结炉中，通过热压烧结成形得到Cu-Al合金微通道；
(ii)脱合金处理：将所述Cu-Al合金微通道用100g/L～140g/L的氢氧化钠溶液清洗，再用去离子水清洗，装配放置于反应段中；配置2～5M的稀盐酸溶液，将稀盐酸通过磁力泵泵入反应段，通过加热器对反应段内稀盐酸溶液加热，对微通道进行脱合金反应，去除掉Cu-Al合金微通道中的Al成分，得到铜基多孔微通道；
(iii)清洗：将脱合金处理的微通道置于超声波清洗机中，取一定量的无水乙醇、煤油或者去离子水作为清洗剂在超声波清洗机中清洗5～20min；
(iv)干燥：取出工件放入烘干箱中干燥10～30min,完成多孔微通道的制备。
进一步地，所述的稀盐酸溶液经储液箱、磁力泵、流量计到恒温水槽，经恒温水槽升温至30～90℃后流入反应段与Cu-Al合金微通道进行脱合金反应，反应之后的废液经冷凝管流入到废液收集器。
进一步地，所述热压烧结温度为950～1300℃，烧结时长为1～3h。
进一步地，所述的氢氧化钠溶液清洗时长为2-5min，去离子水清洗时长为10min。
进一步地，所述脱合金反应的时长为2～4h。
进一步地，所述多孔微通道截面形状为梯形、矩形、V形、半圆形。
本技术方案与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明中的微通道既是传热元件也是反应部件，利用微通道显著增大比表面积的特点，增大溶液与微通道壁面的接触面积，从而促进脱合金反应，缩短工艺时长。
(2)本发明利用溶液将合金微通道中的Al元素腐蚀反应，反应较为温和，生成的多孔结构孔隙尺寸易于控制，热影响区小。
(3)本发明装置具有设备简单、操作简便，可控性强、工艺时间短、工艺重复性好、稳定性好等特点，易于工业化推广。
附图说明：
图1为利用脱合金反应制备多孔微通道的装置示意图。
图2为本发明装置中反应段的结构示意图。
图3为本发明反应段工作时的工质流动方向示意图。
图4为本发明热压烧结示意图。
图5a、5b、5c、5d分别为本发明反应段中微通道槽截面形状为梯形、矩形、V形、半圆形的结构示意图。
图6为本发明制备微通道多孔结构的流程示意图。
其中，1-储液箱、2-磁力泵、3-流量计、4-恒温水槽、5-反应段、6-冷凝管、7-废液回收箱、14-上盖板、15-密封圈、16-微通道、17-基板、18-加热器、19-底板、20-炉体、21-发热体、22-凸模、23-微通道、24-凹模。
具体实施方式
以下是通过结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明，但本发明不局限于此。
一种脱合金反应制备多孔微通道的装置，如图1所示。其包括储液箱(1)、磁力泵(2)、流量计(3)、恒温水槽(4)、反应段(5)、冷凝器(6)、废液回收箱(7)。其中，储液箱(1)通过管道与反应段(5)的入口(14a)连接，在储液箱(1)与反应段(5)的入口(14a)连接的管道上依次设有磁力泵(2)、流量计(3)、恒温水槽(4)；反应段(5)的出口(14b)通过导管与废液回收箱(7)连接，在反应段(5)的出口(14b)与废液回收箱(7)的管道上设有冷凝器(6)。
所述反应段5结构如图2所示，包括上盖板14、密封圈15、微通道16、中间腔板17、加热器18、底板19，由上至下依次连接。上盖板14与微通道16之间的槽道为反应区域。所述上盖板、中间腔板、底板为保温性能良好的聚醚醚酮(PEEK)板。加热器为片状薄膜加热器。
所述微通道16截面形状可为梯形、矩形、V形、半圆形等，如图5所示。以矩形槽为例，槽间距可为0.4～0.8mm、槽深可为0.5～1mm、槽宽可为0.3～0.8mm。
一种制备出微通道制备多孔结构的方法包括以下步骤：
(1)微通道基体制备：将纯铜粉和纯铝粉按照原子分配比40：60的比例混合均匀后，置于热压烧结炉中的热压机模具中，通入氩气，设置压力机的压力值并保压，其中热压烧结炉中的温度以10℃/min逐渐升高至950～1300℃，并保温60～90min，随后炉冷降至300～350℃，再缓慢冷却至室温，得到Cu-Al合金微通道基体。
热压烧结所使用的模具如图4所示，得到微通道基体16。
微通道16截面形状可为梯形、矩形、V形、半圆形等，如图5所示。以矩形槽为例，槽间距可为0.4～0.8mm、槽深可为0.5～1mm、槽宽可为0.3～0.8mm。
(2)脱合金处理：首先把Cu-Al合金微通道用配置好的氢氧化钠溶液清洗5min，再用去离子水清洗10min。将微通道装配放置于反应段中。
取浓度为2mol/m L的氢氧化钠2ml溶解稀释至1L，得到160g/L的氢氧化钠溶液。取浓盐酸42L倒入烧杯中稀释到100L，得到5M的稀盐酸溶液，然后倒入储液箱中。打开磁力泵，调节恒温水槽温度和加热器功率，使反应段内稀盐酸的温度为85～95℃，将稀盐酸向反应段以10ml/mim的速率泵入反应段，通过溶液与微通道中的Al元素的腐蚀反应，去除掉Cu-Al合金中的Al元素。微通道中，原来Al元素占据的位置变成孔隙、只留下Cu基体，从而得到多孔微通道结构。由流量计3控制工质流速保持稳定。反应2～4h之后得到多孔微通道基体。
制备微通道多孔结构时，微通道壁面上的结构变化过程图如图6所示；反应段工作时的工质流动方向如图3所示。
(3)清洗：将反应后的基体置于超声波清洗机中，取200-600mL的无水乙醇或煤油作为清洗剂进行超声波清洗5～20min，然后换成清水超声波洗净。
(4)干燥：取出工件放入干燥炉中干燥10～30min，完成多孔微通道的制备。
本发明不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理的、对本发明进行任何简化、修饰的均为置换方式的都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脱合金反应制备多孔微通道的装置，其特征在于：该装置包括储液箱(1)、磁力泵(2)、流量计(3)、恒温水槽(4)、反应段(5)、冷凝器(6)、废液回收箱(7)；其中，储液箱(1)通过管道与反应段(5)的入口(14a)连接，在储液箱(1)与反应段(5)的入口(14a)连接的管道上依次设有磁力泵(2)、流量计(3)、恒温水槽(4)；反应段(5)的出口(14b)通过导管与废液回收箱(7)连接，在反应段(5)的出口(14b)与废液回收箱(7)的管道上设有冷凝器(6)；所述储液箱中储存有脱合金反应溶液，所述反应段(5)放置有合金材料组成的微通道基体。
2.根据权利要求1所述的脱合金反应制备多孔微通道的装置，其特征在于：所述反应段由上盖板、密封圈、中间腔板、微通道基体、加热器、底板组成，由上至下依次连接。
3.根据权利要求1所述的脱合金反应制备多孔微通道的装置，其特征在于：所述上盖板、中间腔板、底板为保温性能良好的聚醚醚酮(PEEK)板；所述脱合金反应溶液为稀盐酸溶液；所述合金材料为Cu-Al合金。
4.根据权利要求1所述的脱合金反应制备多孔微通道的装置，其特征在于：所述多孔微通道截面形状为梯形、矩形、V形、半圆形。
5.一种脱合金反应制备多孔微通道的制备方法，其特征在于：
采用权利要求1-4任一项所述的一种脱合金反应制备多孔微通道的装置，包括如下步骤：
(i)微通道基体制备：将纯铜粉和纯铝粉按一定比例进行混合均匀后，置于热压烧结炉中，通过热压烧结成形得到Cu-Al合金微通道；
(ii)脱合金处理：将所述Cu-Al合金微通道用100g/L～140g/L的氢氧化钠溶液清洗，再用去离子水清洗，装配放置于反应段中；配置2～5M的稀盐酸溶液，将稀盐酸通过磁力泵泵入反应段，通过加热器对反应段内稀盐酸溶液加热，对微通道进行脱合金反应，去除掉Cu-Al合金微通道中的Al成分，得到铜基多孔微通道；
(iii)清洗：将脱合金处理的微通道置于超声波清洗机中，取一定量的无水乙醇、煤油或者去离子水作为清洗剂在超声波清洗机中清洗5～20min。
(iv)干燥：取出微通道放入烘干箱中干燥10～30min,完成多孔微通道的制备。
6.根据权利要求5所述的脱合金反应制备多孔微通道的制备方法，其特征在于：所述的稀盐酸溶液经储液箱、磁力泵、流量计到恒温水槽，经恒温水槽升温至30～90℃后流入反应段与Cu-Al合金微通道进行脱合金反应，反应之后的废液经冷凝管流入到废液收集器。
7.根据权利要求5所述的脱合金反应制备多孔微通道的制备方法，其特征在于：所述热压烧结温度为950～1300℃，烧结时长为1～3h。
8.根据权利要求5所述的脱合金反应制备多孔微通道的制备方法，其特征在于：所述氢氧化钠溶液清洗时长为2-5min，去离子水清洗时长为10min。
9.根据权利要求5所述的脱合金反应制备多孔微通道的制备方法，其特征在于：所述脱合金反应的时长为2～4h。
10.根据权利要求5所述的脱合金反应制备多孔微通道的制备方法，其特征在于：所述多孔微通道截面形状为梯形、矩形、V形、半圆形。
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