DE3709278C2 - - Google Patents

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DE3709278C2 DE19873709278 DE3709278A DE3709278C2 DE 3709278 C2 DE3709278 C2 DE 3709278C2 DE 19873709278 DE19873709278 DE 19873709278 DE 3709278 A DE3709278 A DE 3709278A DE 3709278 C2 DE3709278 C2 DE 3709278C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Feinstrukturkörpern und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Zur Herstellung von Wärmetauschern oder anderen Körpern mit feinen, genau kalibrierten Poren ist es bekannt, mit Rillen versehene Metallplatten übereinanderzustapeln (siehe DE-PS 3 23 933). Größere Rillen können mittels profilierter Rollen eingearbeitet werden; feinere Rillen werden mittels Pho­ toätzen eingebracht. Dabei werden z. B. in Kupferplatten von 0,5 mm Dicke 0,3 mm tiefe Rillen eingeätzt bei einer mitt­ leren Rillenweite von etwa 0,68 mm (Chem. Eng. Res. Des., Vol. 64, July 1986, Seiten 295 und 296). Für manche Anwen­ dungszwecke, wie z. B. bei Wärmerohren (Heat-Pipes) oder zur Realisierung von sehr hohen spezifischen Wärmeübertragungs­ flächen von 15-20 000 m²/m³ pro Austauschseite werden je­ doch sehr viel feinere Strukturen gefordert. Auch haben die Rillenwände aufgrund des Ätzvorgangs eine relativ rauhe Oberfläche, was den Strömungswiderstand und die Gefahr von Ablagerungen erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Feinstrukturkörpern der gattungsgemäßen Art aufzuzeigen, das es gestattet, mit einfachen Mitteln eine Vielzahl eng benachbarter, kanalartiger Durchbrüche mit über die Länge konstantem Querschnitt, hoher Präzision und Oberflächengüte in diesen Körpern zu erzeugen, wobei die Querschnittsform und die Anordnung der Durchbrüche in wei­ ten Grenzen frei wählbar sind, die Formgenauigkeit der Querschnitte im Tausendstelmillimeter-Bereich und die kleinsten Wandstärken zwischen benachbarten Durchbrüchen im Hundertstelmillimeter-Bereich liegen.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Kennzeichen von An­ spruch 1 enthaltenen Maßnahmen vorgeschlagen. Die hierauf bezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausgestal­ tungen dieser Lösung sowie geeignete Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
Mit der Erfindung lassen sich in den Feinstrukturkörpern mit hoher Maßhaltigkeit je nach Schliff des Formdiamanten neben runden auch vieleckige oder kreuzschlitzförmige Durchbrüche bis herab zu 40 µm Kantenlänge erzeugen. Durch die glatte Oberfläche wird die Gefahr von Ablagerungen be­ trächtlich reduziert; die mittlere Rauhtiefe der Oberfläche ist normalerweise kleiner 0,05 µm.
Die so erhaltenen Feinstrukturkörper besitzen bei einer op­ tischen Transparenz größer 50% eine spezifische Oberfläche von ca. 20 000 bis 40 000 m²/m³, wobei die Tiefe der Körper praktisch frei bestimmbar ist. Somit ergibt sich eine Viel­ zahl von möglichen Anwendungsgebieten. Bereits genannt wur­ den Wärmetauscher für Flüssigkeiten und Gase. Darunter fal­ len auch sogenannte Heat-Pipes zum Kühlen oder Heizen von Mikro-Bauelelementen.
Weitere Anwendungsgebiete sind mechanische Feinfilter, aber auch optische Gitter, beispielsweise Röntgenlichtspeicherfolien.
Die nunmehr mögliche Herstellung von exakt definierbaren Querschnittsformen im µm-Bereich erschließt auch neue An­ wendungen bei der Fertigung von Fäden, Drähten etc. Kon­ krete Beispiele hierfür sind Spinndüsenplatten. Aufgrund der großen spezifischen Oberfläche eignen sich erfindungs­ gemäß hergestellte Strukturen auch als Katalysatorträger oder als Trägerflächen für Mikroorganismen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an­ hand der Zeichnungen erläutert:
Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung mit einer über den Dorn ei­ ner Drehmaschine gespannten Folie während der Bearbeitung;
die Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung mit einer auf einen X-Y- Tisch aufgespannten Folie während der Bearbeitung;
die Fig. 3 zeigt einen aus gestapelten Folien bestehenden Feinstrukturkörper mit rechteckigen Durchbrüchen;
die Fig. 4 zeigt einen aus gestapelten Folien bestehenden Feinstrukturkörper mit runden Durchbrüchen;
die Fig. 5 zeigt einen Feinstrukturkörper mit kreuzschlitz­ förmigen Durchbrüchen;
die Fig. 6a/6b zeigen einen Feinstrukturkörper als Kreuz­ stromwärmetauscher;
die Fig. 7 zeigt einen Feinstrukturkörper mit Durchbrüchen, die einen "birnenförmigen" Querschnitt haben.
Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist eine metal­ lische Folie 1 um den Dorn 2 einer Drehmaschine gespannt, so daß die Nuten 3 mit dem Formdiamanten 4 a mittels eines Fein­ stellvorschubs (Pfeile A, B) nacheinander eingebracht werden können. Die Stoßkanten 5 der Folie 1 sind überlappend mit­ einander verbunden, z. B. durch Schweißung, wobei der Bereich der Schweißung mittels einer Spannvorrichtung 7 in eine Aus­ nehmung 6 des Dornes 2 der Drehmaschine hineingedrückt ist, wobei auch die Spannvorrichtung 7 innerhalb dieser Ausnehmung 6 liegt.
Gemäß der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung ist die Folie 1 auf einem Bearbeitungstisch 8 mit Hilfe einer geschliffenen Sintermetallplatte 10 einer Vakuumspannvorrichtung 9 aufge­ spannt, die an eine Vakuumleitung 11 angeschlossen ist. Der Bearbeitungstisch 8 kann in zwei zueinander senkrechten Rich­ tungen (XY) gegenüber einem auf einer Frässpindel 12 fixierten Formdiamanten 4 b bewegt werden, der in Z-Richtung verstellbar ist. Anstelle der in Fig. 2 dargestellten Horizontal-Fräsan­ ordnung mit Frässpindel 12 können der oder die Formdiamanten 4 b auch an einem Räumwerkzeug angeordnet sein. Die kinemati­ sche Zuordnung von Werkzeug und Werkstück ist ebenfalls nur beispielhaft, das Fräs- oder Räumwerkzeug kann ebenfalls in X- und/oder Y-Richtung beweglich sein, auch der Bearbeitungstisch 8 könnte in Z-Richtung verfahrbar sein.
Nach dem Einarbeiten der Nuten 3 wird die Folie 1 in vorzugs­ weise rechteckige Abschnitte 13 gewünschter Länge und Breite zerschnitten. Diese Abschnitte 13 bilden gemäß Fig. 3 durch Stapelung den gewünschten Feinstrukturkörper 15 a, bei dem die Durchbrüche 14 a beispielhaft aus rechteckigen Kanälen mit ei­ ner Kantenlänge bis herab zu 20 µm bei einer Wandstärke von ca. 15 µm bestehen. Damit läßt sich eine Anzahl von mehr als 10 000 Kanälen pro cm² Querschnittsfläche erzielen.
Gemäß Fig. 4 ist es auch möglich, die Durchbrüche 14 b eines Feinstrukturkörpers 15 b rund zu gestalten, indem Folien mit halbkreisförmigen Nuten jeweils spiegelbildlich gestapelt wer­ den.
Gemäß Fig. 5 erhalten die Durchbrüche 14 c eines Feinstruktur­ körpers 15 c eine kreuzschlitzförmige Struktur, indem ein Teil der Folien mit zwei rechteckigen Formdiamanten (mit einem breiten und einem schmalen) nacheinander bearbeitet wird; da­ nach werden diese Folien jeweils spiegelbildlich mit einfach bearbeiteten Folien zusammengefaßt.
Stapelt man die Folien 1 hinsichtlich ihrer Nutenausrichtung 14 d abwechselnd um 90° gegeneinander versetzt, so entsteht ge­ mäß Fig. 6a ein Feinstrukturkörper 15 d, der als Kreuzstromwärmetauscher einsetzbar ist. Fig. 6b zeigt einen Ausschnitt dieses Feinstrukturkörpers in vergrößertem Maßstab.
Bearbeitet man die Folien mit auf einem Räumwerkzeug ange­ brachten Formdiamanten, indem man zunächst eine rechteckige Nut einarbeitet und sodann den unteren Teil der Nutwände mit z. B. halbkreisförmigen Formdiamanten bearbeitet, so erhält man gem. Fig. 7 einen Feinstrukturkörper 15 e mit "birnenförmigen" Nutquerschnitten 14 e. Dieser Körper zeigt anschaulich, daß die Querschnittsform der Kanäle bzw. der Kanalwände praktisch frei vorgebbar ist, wobei auch Hinterschnitte erzeugbar sind bzw. Nutquerschnittsformen, bei denen eine oder beide Nutwände oder ein Teil der Wände konkav oder konvex ausgebildet sind.
Die gestapelten Folien 1 können zwischen Deckplatten in be­ kannter Weise zusammengefaßt gehalten sein. Außerdem ist es auch möglich, die übereinandergeschichteten Folien 1 durch Kleben, Löten oder Schweißen, vorzugsweise Diffusionslöten oder -schweißen miteinander zu verbinden. Neben den darge­ stellten Querschnittsformen sind selbstverständlich auch an­ dere, z. B. trapez- oder sechseckförmige Querschnitte reali­ sierbar. An Stelle von metallischen Folien können auch solche aus anderen zerspanbaren Materialien verwendet werden wie z. B. Kunststoffe oder Halbleiter.
Bezugszeichenliste
1 - Folie
2 - Dorn
3 - Nuten
4 a,b - Formdiamant
5 - Stoßkanten
6 - Ausnehmung
7 - Spannvorrichtung
8 - Bearbeitungstisch
9 - Vakuumspannvorrichtung
10 - Sintermetallplatte
11 - Vakuumleitung
12 - Frässpindel
13 - Abschnitte
14 a,b,c,d,e - Durchbrüche
15 a,b,c,d,e - Feinstrukturkörper

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von Feinstrukturkörpern wie Wär­ metauscher, mechanische Feinfilter oder optische Gitter mit mehreren nahe beieinanderliegenden, kanalartigen Durchbrü­ chen von hoher Formgenauigkeit, Maßhaltigkeit und Oberflä­ chengüte, bei welchem in die Oberfläche zerspanbarer, vor­ zugsweise metallischer Folien mehrere Nuten mit über die Länge konstantem Querschnitt eingebracht werden, und bei welchem die genuteten oder die genuteten und ungenuteten Folien übereinandergeschichtet und miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (3) spanabhe­ bend mit Formdiamanten (4 a, b) eingearbeitet werden, und daß bei Nutlängen von mehr als 1000 µm die Formgenauigkeit der Nuten hinsichtlich der Nutbreite ca. ± 1 µm bei klein­ sten Stegbreiten von ca. 15 µm beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinandergeschichteten Folien (1) durch Diffusionslöten oder -schweißen miteinander verbunden werden.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Drehmaschine mit einem zylin­ drischen Dorn (2), der eine axiale Ausnehmung (6) aufweist, sowie eine Spannvorrichtung (7), die innerhalb dieser Aus­ nehmung (6) liegt und die quer zur Nutrichtung verlaufenden Stoßkanten (5) der zu nutenden, um den Dorn (2) gespannten Folie (1) festhält.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine geschliffene Sintermetall­ platte (10) einer Vakuumspannvorrichtung (9) zum Aufspannen der zu nutenden Folie (1).
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