DE19924596C2 - Verfahren zur Herstellung eines Mikrostrukturapparates - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mi­ krostrukturapparats gemäß dem Oberbegriff des ersten und zwei­ ten Patentanspruchs.

Ein solches Verfahren ist 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 ungenuteten Folien zu dem Feinstrukturkörper gestapelt und dicht miteinander verbunden werden. Die beschrie­ benen Folien sind rechteckig.

Mit Mikrostrukturelementen in Form von Nuten oder Kanälen ver­ sehene Folien lassen sich außerdem etwa gemäß der EP 0 331 208 B1 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 Atzen, 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.

Die DE 196 08 824 A1 beschreibt ein dreistufiges Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern, bei dem (i) ein Substrat mit einer Strukturierung versehen wird, (ii) das strukturierte Sub­ strat mit einer galvanisch abgeschiedenen Metallschicht überzo­ gen wird, so daß ein Formeinsatz entsteht, und (iii) mit dem Formeinsatz die einzelnen Folien erzeugt werden. Gemäß Fig. 11 und der zugehörigen Beschreibung können die Folien entsprechend Schritt (iii) auch durch Tiefziehen hergestellt werden, indem eine ebene metallische Folie zwischen zwei komplementär zuein­ ander strukturierte Formeinsätze gelegt wird, wobei die Folie durch Verformen senkrecht zu ihrer Ebene mit einer Strukturie­ rung versehen wird. Diese strukturierten Folien werden jedoch ohne weitere Verarbeitung gestapelt, so daß der Wärmetauscher entsteht.

Aus der DE 196 36 367 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der gewellte und zusätzlich mikrostrukturierte Folien erzeugt wer­ den können. Die Folien werden zu einem Verbund zusammengesetzt, so daß ein Mikrostrukturapparat, beispielsweise ein Wärmetau­ scher oder ein Katalysatorträger, erzeugt wird.

In der DE 43 03 248 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Blechprodukts aus einer Aluminiumlegierung beschrieben, bei dem ein Blech nacheinander geformt, lösungsgeglüht, abgeschreckt, ausgehärtet, kaltgewalzt und gereckt wird. Ein Bezug auf eine Mikrostrukturierung ist nicht vorhanden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung eines Mikrostrukturapparates vorzu­ schlagen, das für die Massenfertigung besser geeignet ist.

Die Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs beschriebenen Ver­ fahren durch die gekennzeichneten Merkmale des ersten und des zweiten Patentanspruchs gelöst. In den weiteren Patentansprü­ chen sind bevorzugte 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 (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines Mikrostrukturapparates, der aus einzelnen, übereinander angeordneten und dicht miteinan­ der verbundenen Lagen von Folien aufgebaut ist, die Mikro­ strukturelemente aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) verformbare, mit einer Vorstrukturierung versehene Bleche eingesetzt werden,
• b) die Bleche in der Weise gereckt werden, daß die Folien mit den Mikrostrukturelementen entstehen und
• c) die Folien zu dem Mikrostrukturapparat zusammengesetzt werden.

2. Verfahren zur Herstellung eines Mikrostrukturapparates, der aus einzelnen, übereinander angeordneten und dicht miteinan­ der verbundenen Lagen von Folien aufgebaut ist, die Mikro­ strukturelemente aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) verformbare, mit einer Vorstrukturierung versehene Bleche eingesetzt werden,
• b) die Bleche zu einem Verbund zusammengesetzt werden und
• c) aus dem Verbund der Bleche durch Recken die übereinander angeordneten Folien hergestellt werden, aus denen der Mikrostrukturapparat besteht.

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

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

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrostrukturapparat hergestellt wird, der aus Folien aufgebaut ist, die eine knochenähnliche Form mit einem Mit­ telteil und zwei endständigen, verbreiterten Anschlußteilen aufweisen, wobei das Mittelteil die Mikrostrukturelemente enthält und die Anschlußteile mit Medienanschlüssen versehen sind.