DE19924596A1 - Verfahren zur Herstellung eines Mikrostrukturapparates und Mikrostrukturapparat - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrostrukturapparates, der aus einzelnen, übereinander angeordneten und dicht miteinander verbundenen Lagen von Folien aufgebaut ist, die Mikrostrukturelemente aufweisen und ein entsprechender Mikrostrukturapparat. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein für die Massenfertigung geeignetes Verfahren und einen für die Massenfertigung geeigneten Mikrostrukturapparat dieser Art anzugeben. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Folien aus verformbaren, mit einer Vorstrukturierung versehenen Blechen in der Weise durch Recken hergestellt werden, daß die Mikrostrukturelemente beim Recken erzeugt werden. Der Mikrostrukturapparat besteht aus Folien, die eine knochenähnliche Form mit einem Mittelteil und zwei endständigen, verbreiterten Anschlußteilen aufweisen, wobei das Mittelteil die Mikrostrukturelemente enthält und die Anschlußteile mit Medienanschlüssen versehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mi­ krostrukturapparats gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentan­ spruchs und einen Mikrostrukturapparat gemäß dem Oberbegriff des sechsten Patentanspruchs.

Ein solches Verfahren und ein solcher Mikrostrukturapparat sind aus der DE 37 09 278 A1 bekannt. Bei dem hier beschriebenen Verfahren werden Feinstrukturkörper wie z. B. Wärmetauscher herstellt, indem metallische Folien mit feinen Nuten versehen werden und die genuteten Folien allein oder zusammen mit unge­ nuteten Folien zu dem Feinstrukturkörper gestapelt und dicht miteinander verbunden werden. Die beschriebenen Folien sind rechteckig.

Mit Mikrostrukturelementen in Form von Nuten oder Kanälen ver­ sehene Folien lassen sich außerdem etwa gemäß der EP 0 331 208 A1 nach dem sogenannten LIGA-Verfahren (Röntgentiefenlithogra­ phie und galvanische Abformung) herstellen, bei dem ein gegen Röntgenstrahlung empfindlicher Kunststoff (Röntgenresist) be­ strahlt wird und die bestrahlten Teile chemisch herausgelöst (entwickelt) werden, wonach die entstandenen Vertiefungen gal­ vanisch mit einem Metall aufgefüllt werden. Der galvanisch er­ zeugte plattenförmige Körper bildet die Negativform des ent­ wickelten Röntgenresists.

Andere Methoden der Mikrostrukturtechnik, mit deren Hilfe in Folien Mikrostrukturelemente wie Nuten oder Kanäle erzeugt wer­ den können, sind das chemische Ätzen, das Laserstrahlschneiden und das Erodieren.

Die beschriebenen Methoden sind verhältnismäßig aufwendig, da sehr feine Mikrostrukturen, etwa im Bereich von 200 µm bis 10 µm, erzeugt werden; sie müssen daher mit hoher Präzision durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung eines Mikrostrukturapparates vorzu­ schlagen, das für die Massenfertigung besser geeignet ist. Außerdem soll ein Mikrostrukturapparat vorgeschlagen werden, der sich mit dem Verfahren einfach herstellen läßt.

Die Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs beschriebenen Ver­ fahren und der eingangs beschriebenen Vorrichtung durch die ge­ kennzeichneten Merkmale des ersten und des sechsten Patentan­ spruchs gelöst. In den weiteren Patentansprüchen sind bevor­ zugte Ausgestaltungen des Verfahrens angegeben.

Unter dem Begriff "Mikrostrukturapparat" sollen im folgenden Mikrokühler, Mikrovermischer, Mikrowärmetauscher, Mikroreakto­ ren, Mikroextraktoren etc. verstanden werden, deren innere Strukturen Dimensionen deutlich unterhalb einem Millimeter, vorzugsweise im Bereich zwischen 500 µm und 30 µm, aufweisen. Derartige Strukturen werden als "Mikrostrukturen" bezeichnet. Mikrostrukturen können beispielsweise Kanäle, Nuten, Erhebun­ gen, Vertiefungen, Durchbrüche etc. mit einem Querschnitt oder Durchmesser im angegebenen Bereich sein.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die gewünschten Mikrostrukturen auf den einzelnen Folien der Mikrostrukturappa­ rate nicht unmittelbar in der gewünschten Größe herzustellen, sondern als entsprechende Vorstrukturierung auf verformbaren Blechen vorzusehen, und die gewünschten Mikrostrukturelemente anschließend durch Recken der Bleche in der gewünschten Dimen­ sion und Form zu erzeugen.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht demnach von Blechteilen oder Folienabschnitten aus, die mit den üblichen formgebenden Fertigungsverfahren mit Strukturelementen versehen werden. Als formgebende Fertigungsverfahren sind insbesondere das Umformen, z. B. Prägen, Tiefziehen, Biegen, Falzen, das Trennen, z. B. Scherschneiden, Stanzen, Nippeln, das Beschichten, z. B. strom­ loses oder galvanisches Aufbringen von Metallschichten oder eine Kombination der genannten Methoden geeignet.

Erfindungsgemäß können in einer ersten Variante der Erfindung die gewünschten Mikrostrukturelemente durch das Recken unmit­ telbar erzeugt werden. Beispielsweise können Bleche mit sehr feinen Einschnitten versehen werden. Die Bleche können an­ schließend mit vier Greifwerkzeugen an vier Stellen, die vor­ zugsweise an den Ecken eines Rechtecks oder Quadrats angeordnet sind, gefaßt und in der Weise gereckt werden, daß sich alle Greifwerkzeuge voneinander entfernen. In diesem Fall wird zwei­ dimensional gereckt; die vier Greifwerkzeuge nehmen nach dem Recken die Eckpositionen eines vergrößerten Rechtecks oder Qua­ drats ein. Dadurch werden die Einschnitte aufgeweitet und ver­ längert, wobei sich die Dicke des Blechs vermindert. Durch ein eindimensionales Recken senkrecht zur Richtung der Einschnitte kann die Schlitzbreite eingestellt werden.

In einer zweiten Variante der Erfindung können die Blechteile durch eine oder mehrere der oben genannten Methoden mit gröbe­ ren als den gewünschten Strukturelementen, etwa mit Kanälen, Durchbrüchen, Vertiefungen oder Erhebungen versehen werden, deren Querschnitt oder Durchmesser vorzugsweise größer ist als beispielsweise 200 µm und etwa 500 µm bis 1000 µm betragen kann.

Eine weitere Art der Strukturierung im Strömungsbereich der Mi­ krostrukturapparate können warzenartige Strukturen darstellen, die vorzugsweise durch Prägen und/oder Auflöten oder Auf­ schweißen von Ronden, Kugeln oder anderen kostengünstig her­ stellbaren Massenteilen auf den verformbaren Blechen erzeugt werden können. Eine andere Methode, warzenartige Strukturen zu erzeugen, besteht darin, im Strömungsbereich des herzustellen­ den Mikrostrukturapparates in die einzelnen Blech- oder Folien­ lagen kleine Löcher unter Verwendung der genannten formgebenden Fertigungsverfahren einzubringen und Ronden mit einer Dicke größer der Blech- oder Foliendicke symmetrisch in diese Löcher einzuschweißen oder einzulöten. Mit dem symmetrischen Einbrin­ gen, z. B. Einlöten, wird ein gleichmäßiger Überstand der Ron­ den auf beiden Seiten des Bleches oder der Folie erreicht. Durch das Ausmaß des Überstandes kann die Wirkung oder der Wirkungsgrad des Mikrostrukturapparates verbessert werden. Werden die überstehenden Ronden aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt, die Bleche oder Folien dagegen aus einem schlecht wärmeleitenden Material, kann der Wirkungsgrad eines Mikrowärmetauschers besonders bei gasförmigen Medien und klei­ nen Volumenströmen erheblich verbessert werden, da durch eine solche Werkstoffauswahl die Wärmeleitfähigkeit in der Ebene, in der die Strömung verläuft, klein, aber senkrecht zu dieser Ebene groß ist.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden die mit den Strukturelementen versehenen, verformbaren Blechteile in der Weise gereckt, daß aus den darauf angebrachten Vorstruktu­ rierungen die gewünschten Mikrostrukturelemente entstehen oder daß gröbere Strukturelemente in ihrer Dimension zu den ge­ wünschten Mikrostrukturelementen verkleinert werden. Die Di­ mension und die Form der Mikrostrukturelemente ergibt sich aus der Richtung und dem Ausmaß, in dem die Blechteile gereckt wer­ den. Die auf diese Weise bearbeiteten Teile werden anschlie­ ßend, gegebenenfalls zusammen mit nicht oder auf andere Weise bearbeiteten Folien, zu dem gewünschten Mikrostrukturapparat zusammengesetzt und mit Hilfe eines Fügeverfahrens miteinander verbunden. Das Recken kann beispielsweise mit einer Zugprüfma­ schine durchgeführt werden, wobei gegenüberliegende Endab­ schnitte gefaßt und die Blechteile zu Folien gereckt werden. Als Fügeverfahren eignen sich Kleben, Weichlöten, Hartlöten, Diffusionslöten, Diffusionsschweißen, Rollnahtschweißen, Wider­ standsschweißen oder eine Kombination dieser Methoden. Die Ble­ che können beispielsweise bereits lotbeschichtet sein; alter­ nativ können separate Lotfolien zwischengeschaltet werden.

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die ver­ formbaren Blechteile unmittelbar nach der Formgebung in analo­ ger Weise zu einem Verbund zusammengesetzt. Der Verbund der Blechteile wird nun insgesamt in analoger Weise gereckt. Dieser Vorgang kann dadurch erleichtert werden, daß der dicht gefügte Verbund mit einem unter Überdruck von etwa 1000 bis 1000 N/cm², insbesondere 3000 bis 5000 N/cm² stehenden, vorzugsweise nicht kompressiblen Medium wie z. B. Wasser oder Öl, befüllt wird. Der Verbund kann sämtliche oder aber nur einen Teil der Lagen des herzustellenden Mikrostrukturapparates umfassen. Aus dem Verbund wird der Mikrostrukturapparat hergestellt. Die dichte Verbindung der einzelnen Lagen des Mikrostrukturapparates durch die genannten Fügeverfahren kann vor oder nach dem Recken oder Stauchen hergestellt werden. Gegebenenfalls kann das Recken auch bei Anwendung sowohl eines Innen- als auch eines Außendrucks vorgenommen werden, wobei der Außendruck ebenfalls durch eines der genannten Medien erzeugt wird. Damit wird beim Recken eine allseitige Einwirkung von Druckspannungen erzeugt, wodurch ein gleichmäßigeres Verkleinern der Strukturelemente möglich ist, unabhängig davon, an welcher Stelle sich die Strukturelemente befinden.

Gegebenenfalls können die beiden Ausführungsformen miteinander in der Weise kombiniert werden, daß sowohl die Blechteile als auch der daraus hergestellte Verbund gereckt oder gestaucht werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen sich insbesondere solche Bleche oder Folien, die eine knochenähnli­ che Form mit einem Mittelteil und zwei endständigen, verbrei­ terten Anschlußteilen aufweisen, wobei im fertigen Mikrostruk­ turapparat im Mittelteil die Mikrostrukturelemente und in den Anschlußteilen die Medienanschlüsse vorgesehen werden. Wird der Verbund aus derartigen Blechteilen zusammengesetzt, können be­ reits vor dem Recken an den Anschlußteilen die Medienanschlüsse vorgesehen und die Blechteile dicht miteinander verbunden wer­ den. Die Medienanschlüsse können dazu verwendet werden, das vorzugsweise nicht kompressible Medium zur Unterstützung des Reckens in den Verbund einzufüllen. Der Verbund läßt sich leicht in einer Einspannvorrichtung an den verbreiterten An­ schlußteilen fassen, so daß sich im Mittelteil die gewünschten Mikrostrukturelemente bilden. Ein auf diese Weise hergestellter Mikrostrukturapparat hat den Vorteil, daß die Medienanschlüsse selbst nur einen sehr geringen Druckverlust bewirken.

Die Figuren zeigen verschiedene Ausführungsformen von Mi­ krostrukturapparaten.

Bleche mit verbreiterten Anschlußteilen sind in der Fig. 1 dargestellt. Die Figur zeigt Bleche mit einem Mittelteil 1, das Strukturelemente in Form von kanalartigen Durchbrüchen 4 auf­ weist. Die Enden der Bleche sind als Anschlußteile 2 ausge­ formt, die jeweils zwei Medienanschlüsse 3 enthalten. Beide Bleche sind spiegelbildlich. Mit solchen Blechen kann ein Ge­ genstromwärmetauscher hergestellt werden. Der Verbund wird her­ gestellt, indem diese Bleche abwechselnd aufeinander gestapelt und über die gesamte Fläche miteinander fixiert werden, wobei jeweils zwischen diese Bleche ein Blech (nicht dargestellt) eingefügt wird, dessen äußere Form identisch ist, das jedoch keine Durchbrüche enthält. Ist der Verbund fertiggestellt, können die Medienanschlüsse aufgebohrt und an eine Medienlei­ tung angeschlossen werden. Über die Medienleitungen kann ein für das Recken des Verbundes ein Medium wie Öl oder Wasser ein­ gepreßt werden.

Die Fig. 2 zeigt einen Verbund von Blechen, die mit den in Fig. 1 dargestellten Strukturelementen versehen sind, wobei der Verbund mit einem Medienanschluß 14 versehen ist, der zugleich für den Reckvorgang zur Einleitung eines unter Druck stehenden Mediums dient. Der Verbund ist an seiner Außenseite mit einem (schematisch dargestellten) Metallbalg 11 versehen, der mit Hilfe einer lösbaren, druckdichte Verbindung 13 angebracht ist. Der Metallbalg enthält eine Zuleitung 12 für ein Medium, mit dessen Hilfe der Verbund während des Reckvorgangs mit einem Außendruck beaufschlagt werden kann. Die dabei wirkenden Drücke sind durch Pfeile und durch p_a für Außen- bzw. p_i für Innen­ druck dargestellt.

In Fig. 3 sind Medienanschlüsse eines Mikrostrukturapparats im Detail gezeigt. Mit 21 ist ein Boden- oder Deckabschlußblech bezeichnet. Die einzelnen Folienlagen sind über Distanzbleche 22a an der Einlaßseite und 22b an der Auslaßseite auf Abstand gehalten. Ein Strömungsblech 23 ist mit geprägten oder gelöte­ ten Warzen versehen. Die Medienanschlüsse enthalten einen Formschluß 26 mit umlaufender Lotnaht 25. In jeden Medienan­ schluß ist ein Anschlußstück 24 eingelötet.

Als Werkstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere Kupfer und Kupferbasislegierungen, Silber und Sil­ berbasislegierungen, Nickel und Nickelbasislegierungen sowie Edelstähle. Bei der Verwendung des Mikrostrukturapparates als Wärmetauscher ist die hohe Wärmeleitfähigkeit dieser Werkstoffe von besonderer Bedeutung.

Da erfindungsgemäß die einzelnen Lagen des Mikrostrukturappara­ tes makroskopisch bearbeitet werden und die Mikrostrukturele­ mente durch Recken erzeugt werden, eignet sich das erfindungs­ gemäße Verfahren in besonderer Weise zur Massenfertigung von Mikrostrukturapparaten. Ein besonderer Vorteil liegt darin, daß durch die Fügeverfahren zugleich die Anschlüsse für die durch­ zuströmenden Medien druckdicht mit dem Mikrostrukturapparat verbunden werden können.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines Mikrostrukturapparates, der aus einzelnen, übereinander angeordneten und dicht mitein­ ander verbundenen Lagen von Folien aufgebaut ist, die Mi­ krostrukturelemente aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien aus verformbaren, mit einer Vorstrukturierung versehenen Blechen in der Weise durch Recken hergestellt werden, daß die Mikrostrukturelemente beim Recken erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Vorstrukturierung Strukturelemente vorgeformt werden, die durch das Recken verkleinert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrostrukturapparat aus den zu Folien gereckten Ble­ chen zusammengesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verformbaren Bleche zu einem Verbund zusammengesetzt werden und der Verbund anschließend gereckt wird, wobei aus dem Verbund der Mikrostrukturapparat erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrukturelemente gerade oder gebogen verlaufende Kanäle, Durchbrüche, Vertiefungen oder Erhebungen darstel­ len.

6. Mikrostrukturapparat, der aus einzelnen, übereinander ange­ ordneten und dicht miteinander verbundenen Lagen von Folien aufgebaut ist, die Mikrostrukturelemente aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien eine knochenähnliche Form mit einem Mittelteil und zwei endständigen, verbreiterten Anschlußteilen auf­ weisen, wobei das Mittelteil die Mikrostrukturelemente enthält und die Anschlußteile mit Medienanschlüssen verse­ hen sind.