专利名称：一种微锥塔阵列换热板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及换热板技术，属于散热领域，具体涉及一种微锥塔阵列换热板及其制造方法。
背景技术：
随着超大模块集成(VLSI)电路等技术的发展，电子科技正朝着高速度、大功率、微型化方向快速发展。但是由于微电子器件单位面积的热流密度越来越高，同时高集成度又决定了其散热空间狭小，使得电子科技目前在热控领域面临着一大技术难题，这迫使微电子器件对散热技术提出了更高要求。1981年，美国的Tuckerman和Pease首先提出了“微槽散热器”的概念，将微通道应用于换热领域，从而开启了微通道用于无源强化传热技术的新纪元，极大的促进了散热技术的发展。现有技术中，通过在薄板上加工各种形状的微通道，例如矩形、“V”形、圆形等，可以扩展换热板表面，从而提高换热的比表面积；而且微通道的存在有利于强化沸腾，使换热板的传热性能得到提高。但因微通道间互不相通，且流道内部形貌单一，使流体的流动状况简单，限制了微通道换热板的传热性能。微锥塔阵列结构形貌多样、高度不一，可交错形成汇通的微通道，对提高换热板的传热性能具有重要意义。目前多高度微结构加工主要依赖于光化学等腐蚀加工技术，其加工效率低、成本较高、污染环境、又受到加工材料限制。例如，湿法腐蚀技术制作的表面多高度尺度微结构的尺寸通常在纳米级，但存在侧向腐蚀而产生钻蚀现象；电子束(EB)在石英玻璃界面上能够加工出纳米级的圆锥阵列，但当加工尺度到亚微米级时，其形状精度无法控制。虽然机械加工方式也可用于加工多高度的微结构，但却需要采用切削端结构复杂的成形刀具，从而使刀具的制作成本增加；或者采用传统`刀具进行多种深度加工，但是在调整切削深度过程中会产生误差，同时也使操作复杂，增加了劳动强度。
发明内容
本发明的目的之一在于针对当前微通道换热板中流道内部形貌单一、微通道换热板传热性能受到限制的不足，提出一种流道内部形貌复杂、具有优良换热性能的多高度尺度的微锥塔阵列换热板。本发明的目的之二在于针对当前多高度微结构需要采用光化学等腐蚀加工工艺或使用成形刀具加工或采用传统刀具进行多种深度加工的不足，提出一种用传统的具有“V”形切削尖端的刀具进行固定深度加工、从而制备出多高度的微锥塔阵列换热板的制造方法。为实现本发明的目的之一所采用的技术方案为一种微锥塔阵列换热板，换热板的两面均加工有“V”形槽阵列，换热板每面加工的“V”形槽阵列为Ii1个，其中Ii1 ^ 3 ;同一阵列的“V”形槽相互平行，不同阵列的“V”形槽相互交错，两相邻的“V”形槽阵列相互交错1 RO0
的夹角为θ ,^=—- ;“v”形槽的深度为换热板厚度的七分之三至五分之三，“V”形槽两
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边夹角为30° 120°，“V”形槽深度为O. 05mm Imm ;所述“V”形槽阵列相互交错形成多个微锥塔阵列，同一微锥塔阵列的微锥塔高度相同，不同微锥塔阵列的微锥塔高度不同。优选的，所述微锥塔阵列由棱锥和/或类锥体的阵列组成，所述阵列包括线性阵列和圆周阵列。优选的，所述微锥塔阵列由正三棱锥线性阵列和正六棱锥线性阵列组成。所述“V”形槽阵列交错形成具有多个高度的微锥塔阵列，该微锥塔阵列由具有两个高度的正三棱锥和正六棱锥的线性阵列混合而成，或者由具有多个高度的棱锥和类锥体的线性或圆周阵列混合而成。优选的，同一阵列中两“V”形槽间距为I倍槽宽。优选的，所述“V”形槽的深度为换热板厚度的二分之一至五分之三时，上、下两面的第一个方向(即第一个加工的)阵列之间的夹角为α，α古η2Χ θ，所述η2为零或正整数。优选的，所述“V”形槽的深度为换热板厚度的3/7 1/2时，上、下两面的第一个方向(即第一个加工的)阵列之间的夹角为β，β彡0°。优选的，所述换热板每面上“V”形槽阵列为Ii1 = 3个时，其中一个方向的阵列相对于另两个方向的阵列交点 的偏移量为a，a古n2XL，其中n2为零或正整数，L表示“V”形槽的宽度，形成一种有两个或三个高度的微锥塔阵列结构。优选的，所述换热板每面上“V”形槽阵列为Ii1 = 3个时，其中一方向的阵列相对
于另两个方向的阵列交点的偏移量为b，h(2xn$nx￡，其中1!2为零或正整数，L表示“V”
形槽的宽度，形成一种有两个高度的正三棱锥和正六棱锥线性阵列相混合的微锥塔阵列结构。优选的，所述换热板每面上“V”形槽阵列为ηι=3个时，其中一方向的阵列相对于
另两个方向的阵列交点的偏移量为c, c古a&c Φ b,其中a Φ n2XL,fe = I2xn +1 )xX，％为
零或正整数，L表示“V”形槽的宽度，形成一种有两个或三个高度的正三棱锥和类锥体线性阵列相混合的微锥塔阵列结构。优选的，所述换热板每面上“V”形槽阵列为ηι>3时，各方向阵列相对于薄板中心的偏移量均为d，d ^ 0_，形成一种有多个高度的棱锥与类锥体圆周阵列相混合的微锥塔阵列结构。优选的，所述薄板可为矩形、圆形或者三角形。为实现本发明的目的之二所采用的技术方案为一种微锥塔阵列换热板的制造方法，该方法具有如下步骤(I)将所要加工的薄板进行去除毛刺处理，然后用夹具将其固定在铣床的分度头上，并通过调节分度头使薄板边线与主轴成任意角度，接着进行校平和开动铣床对刀；(2)在薄板一面用切口铣刀逆铣出第一个方向的“V”形槽阵列，然后将薄板旋转一定角度Θ，铣出第二个方向的“V”形槽阵列，之后依此方式分别逆铣出剩下的“V”形槽阵列；加工过程中，通过调节切口铣刀的铣削深度来控制“V”形槽的深度，采用手动或自动的方式通过工作台来控制同阵列中两“V”形槽间距。(3)加工完薄板的一面后，调整薄板并采用与步骤(2)相同的方法加工薄板的另
一面；(4)去毛刺，清理，得到具有多个高度的微锥塔阵列换热板。优选的，采用具有“V”形切削尖端的切口铣刀进行铣削加工，为HSS切口铣刀。优选的，所述铣削加工的薄板为钢板、铝板或者铜板。为实现本发明的目的之二所采用的技术方案为一种微锥塔阵列换热板的制造方法，该方法具有如下步骤(I)将所要加工的薄板进行去除毛刺处理，然后用夹具将其固定在磨床工作台上，利用杠杆百分表对待加工表面进行校平，开动磨床利用对刀显微镜进行砂轮与被加工表面的对刀；(2)在薄板一面用金刚石砂轮磨削出第一个方向的“V”形槽阵列；然后将薄板旋转一定角度Θ，磨削出第二个方向的“V”形槽阵列，之后依此方式分别磨削出剩下的“V”形槽阵列；加工过程中，通过磨床三轴的移动来控制“V”形槽的深度和同阵列中两“V”形槽间距，加工过程中需开冷却液。(3)加工完薄板的一面后，调整薄板并采用与步骤(2)相同的方法加工薄板的另
一面；
(4)去毛刺，清理，得到具有多个高度的微锥塔阵列换热板。优选的，采用具有“V”形切削尖端的金刚石砂轮进行磨削加工，“V”形尖端的半径小于O. 02mm，金刚石砂轮粒度为30# 120#。优选的，所述磨削加工的薄板为钢板或者铝板。相较于现有技术，本发明具有如下的优点和突出效果(I)本发明提供的多高度微锥塔阵列换热板，其“V”形槽深度为O. 05mm 1mm，同阵列中两“V”形槽间距为I倍槽宽，且阵列方向为II1Oi1彡3)个，极大的增大了换热板的比表面积；所提供槽的形状为“V”形，其凹缝有利于成核；具有的多高度微锥塔阵列结构中微通道之间相通，流道内部形貌十分丰富，使流体的流动状况复杂化。该多高度微锥塔阵列换热板应用领域广泛，可直接用于毛细泵环、环路热管蒸发器等装置，不仅在微电子的高热流密度散热领域具有较大的应用前景和使用价值，更在大型的冶金、石油以及化工等领域具有极大的应用前景和价值。(2)本发明所提供的机械制造方法，加工效率高且环保安全。现有加工多高度微结构所用的光化学等腐蚀加工技术，加工效率低、成本较高、污染环境、又受到加工材料限制。而本发明提供的加工方法为传统的机械加工方式，仅需要普通的铣床或磨床就能够加工出所需的多高度微结构，具有设备成本投入低、加工效率高、操作简单可靠、绿色环保等优点。(3)本发明制造方法中所需的刀具，为传统的具有“V”形切削尖端的刀具，相对于当前加工多高度微结构所采用切削端结构复杂的的成形刀具而言，降低了刀具的生产成本，提高了刀具形貌的可靠性，使多高度微结构的成形更有保证；本发明制造方法中整个加工过程的切削深度固定，相对于当前加工多高度微结构的过程中使用传统刀具进行多种深度加工而言，减少了因多次调整切削深度所产生的误差，降低了对操作人员的技术要求，使劳动强度降低。
图1是现有技术中具有“V”形切削尖端的切口铣刀主视2是现有技术中具有“V”形切削尖端的金刚石砂轮主视3是本发明实施例一换热板的立体视4是本发明实施例一换热板表面的俯视5是图4 “V”形槽阵列方向分布示意6是本发明实施例二换热板的立体视7是本发明实施例二换热板表面的俯视8是图7 “V”形槽阵列方向分布示意9是本发明实施例三换热板的立体视图
图10是本发明实施例二换热板表面的俯视11是图10 “V”形槽阵列方向分布示意图
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例1 :如图3至图5所示，以铣削加工厚度为O. 17mm的薄板为例，薄板每面上“V”形槽阵列的方向数均为1^=3个，同阵列的“V”形槽相互平行，不同阵列的“V”形槽相互间具有夹角，两相邻“V”形槽阵列的夹角为θ=60°，“V”形槽两边夹角为60° (即指“V”形槽的坡度为60° )，“V”形槽深度为O. 087mm,同阵列中两“V”形槽间距为O. 1mm，上下两面上两第一个方向阵列的夹角为ct =90° ,—方向阵列相对于另两方向阵列交点的偏移量为b=0. 05mm,基板为铜板，最终形成一种有两个高度的正三棱锥和正六棱锥线性阵列相混合的微锥塔阵列结构的换热板。选用如图1所示的“V”形尖端两边夹角γ=60°的HSS (HSS是高速钢英文的简写)切口铣刀。本实施例换热板的制作方法为(I)将所要加工的厚度为O. 17mm的薄板进行去除毛刺处理，然后将其用专用夹具固定在卧式升降台铣床的分度头上并通过调节分度头使薄板边线与主轴成90°，进行校平和开动铣床对刀；(2)在薄板一面用“V”形尖端两边夹角γ=60°的HSS切口铣刀逆铣出第一个方向的“V”形槽，两边夹角为60°的“V”形槽阵列。加工过程中，通过调节升降台高度来控制切口铣刀的铣削深度使“V”形槽的深度为O. 087mm，采用手动或自动的方式通过工作台来控制同阵列中两“V”形槽间距为O.1mm ;然后将薄板旋转60°，用与铣削第一方向“V”形槽阵列相同的方法逆铣出第二个方向的“V”形槽阵列；接着再将薄板旋转60°，将刀尖相对于前两方向阵列交点偏移b=0. 05mm后,用与统削第一方向“V”形槽阵列相同的方法逆统出第三个方向的“V”形槽阵列。如图5所示，图中实线箭头表示薄板正面加工的阵列方向，虚线箭头表示薄板反面加工的阵列方向。(3)加工完薄板的一面后，调整薄板，通过调节分度头使薄板边线与主轴成0°，此时上下两面上两第一个方向阵列的夹角为α=90° ;采用与步骤(2)相同的方法加工薄板的另一面，如图4和图5所不。(4)去毛刺，清理，得到一种有两个高度的正三棱锥和正六棱锥线性阵列相混合的微锥塔阵列结构的换热板，如图3所示。实施例2 如图6至图8所示，以磨削加工厚度为O. 22mm的薄板为例，薄板每面上“V”形槽阵列的方向数均为1^=3个，同阵列的“V”形槽相互平行，不同阵列的“V”形槽相互间具有夹角，两相邻“V”形槽阵列的夹角为θ=60°，“V”形槽两边夹角为90° (即“V”形槽的坡度为45° )，“V”形槽深度为O.1mm,同阵列中两“V”形槽间距为O. 2mm，上下两面上两第一个方向阵列的夹角为β=0°，一方向阵列相对于另两方向阵列交点的偏移量为c=0. 05mm,基板为铝板，最终形成一种有三个高度的正三棱锥和类锥体线性阵列相混合的微锥塔阵列结构的换热板。选用如图2所示的“V”形尖端两边夹角Y =90°，“V”形尖端半径小于O. 02mm，粒度为30# 120#的金刚石砂轮。“#”是金刚石砂轮粒度(粒度磨料颗粒大小尺寸)的粒度号，为本领域公知定义。本实施例中，优选粒度为90#。(I)将所要加工的厚度为O. 22mm的薄板进行去除毛刺处理，然后将其用专用夹具固定在普通卧式磨床工作台上，c利用杠杆百分表对待加工表面进行校平，开动磨床利用对刀显微镜进行“V”形尖端两边夹角γ=90°、“V”形尖端半径小于O. 02mm、粒度为30# 120#的金刚石砂轮与被加工表面的对刀；(2)在薄板一面用金刚石砂轮沿与薄板一边线垂直的方向磨削出第一个方向的“V”形槽，两边夹 角为90°的“V”形槽阵列。加工过程中，通过磨床三轴的移动来控制“V”形槽的深度为O.1mm和同阵列中两“V”形槽间距为O. 2mm，加工过程中需开冷却液；然后将薄板依次旋转60°，重复步骤(I)的校平工作，用与磨削第一方向“V”形槽阵列相同的方法磨削出第二个方向的阵列；接着再将薄板依次旋转60°，重复步骤(I)的校平工作，将刀尖相对于前两方向阵列交点偏移c=0. 05_后，用与磨削第一方向“V”形槽阵列相同的方法磨削出第三个方向的阵列。如图8所示，图中实线箭头表示薄板正面加工的阵列方向，虚线箭头表示薄板反面加工的阵列方向。(3)加工完薄板的一面后，调整薄板，并使金刚石砂轮的初始加工方向所垂直的薄板边线与步骤(2)中金刚石砂轮初始加工方向所垂直的薄板边线相同，即上下两面上两第一个方向阵列的夹角为β=0° ;采用与步骤(2)相同的方法加工薄板的另一面，如图7和图8所示。(4)去毛刺，清理，得到一种有三个高度的正三棱锥和类锥体线性阵列相混合的微锥塔阵列结构的换热板，如图6所示。实施例3 如图9至图11所示，以铣削加工厚度为O. 38mm的薄板为例，薄板每面上“V”形槽阵列的方向数均为ηρδ个，同阵列的“V”形槽相互平行，不同阵列的“V”形槽相互间具有夹角，两相邻“V”形槽阵列的夹角为θ=36°，“V”形槽两边夹角为90° (即“V”形槽的坡度为45° )，“V”形槽深度为O.1mm,同阵列中两“V”形槽间距为O. 2mm，上、下两面的第一个方向阵列之间的夹角为β=0°，五个方向阵列相对于薄板中心的偏移量均为d=0. 1mm，基板为铜板，最终形成一种有不同高度的棱锥与类锥体圆周阵列相混合的微锥塔阵列结构的换热板。选用如图1所示的“V”形尖端两边夹角Y =90°、的HSS切口铣刀。(I)将所要加工的厚度为O. 38mm的薄板进行去除毛刺处理，然后将其用专用夹具固定在卧式升降台铣床的分度头上并通过调节分度头使薄板一边线与主轴成90°，进行校平和开动铣床对刀；(2)刀尖相对于薄板中心偏移d=0.1mm后，在薄板一面用“V”形尖端两边夹角Y =90°的HSS切口铣刀逆铣出第一个方向的“V”形槽，两边夹角为90°的“V”形槽阵列。加工过程中，通过调节升降台高度来控制切口铣刀的铣削深度使“V”形槽的深度为O.1mm,采用手动或自动的方式通过工作台来控制同阵列中两“V”形槽间距为O. 2mm ;然后将薄板旋转36°，用与铣削第一方向“V”形槽阵列相同的方法逆铣出第二个方向的“V”形槽阵列；接着再依次将薄板旋转36°，用与铣削第一方向“V”形槽阵列相同的方法逆铣出第三、四、五个方向的“V”形槽阵列。如图11所示，图中实线箭头表示薄板正面加工的阵列方向，虚线箭头表示薄板反面加工的阵列方向。(3)加工完薄板的一面后，调整薄板，调节分度头使步骤(I)中同一薄板边线与主轴成90°，此时上下两面上两第一个方向阵列的夹角为β=0° ;采用与步骤(2)相同的方法加工薄板的另一面，如图10和图11所示。(4)去毛刺，清理，得到一种有不同高度的棱锥与类锥体圆周阵列相混合的微锥塔阵列结构的换热板，如图9。本发明的单个结构的微维塔体积为O. 006mm3 1. 968mm3。本发明所提供的换热板可使薄板比表面积增大，“V”形槽中的凹缝有利于成核，多高度微锥塔阵列结构所形成的流道有利于流体流动情况复杂化，使换热板的传热效果增强；其制造方法仅采用传统的具有“V”形切削尖端的切口铣刀或金刚石砂轮进行固定深度的加工，加工过程简单高效，控制精准且成本低廉，具有大批量生产的应用价值。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种微锥塔阵列换热板，其特征在于换热板的两面均加工有“V”形槽阵列，换热板每面加工的“V”形槽阵列为II1个，其中II1 ^ 3 ;同一阵列的“V”形槽相互平行，不同阵列的I OQO“V”形槽相互交错，两相邻的“V”形槽阵列相互交错的夹角为θ，0=7 ;“V”形槽的深 H1度为换热板厚度的七分之三至五分之三，“V”形槽两边夹角为30° 120°，“ V”形槽深度为O. 05mm Imm ;所述“V”形槽阵列相互交错形成多个微锥塔阵列，同一微锥塔阵列的微锥塔高度相同，不同微锥塔阵列的微锥塔高度不同。
2.根据权利要求1所述的微锥塔阵列换热板，其特征在于所述微锥塔阵列由棱锥和/或类锥体的阵列组成，所述阵列包括线性阵列和圆周阵列。
3.根据权利要求1所述的微锥塔阵列换热板，其特征在于所述“V”形槽的深度为换热板厚度的二分之一至五分之三时，上、下两面的第一个加工的阵列之间的夹角为α，α古η2Χ θ，所述η2为零或正整数。
4.根据权利要求1所述的微锥塔阵列换热板，其特征在于所述“V”形槽的深度为换热板厚度的七分之三至二分之一时，上、下两面的第一个加工的阵列之间的夹角为β，β 彡 0°。
5.根据权利要求1所述的微锥塔阵列换热板，其特征在于所述换热板每面上“V”形槽阵列为Ii1 = 3个时，其中一个方向的阵列相对于另两个方向的阵列交点的偏移量为a，a Φ n2XL，其中n2为零或正整数，L表示“V”形槽的宽度。
6.根据权利要求1所述的微锥塔阵列换热板，其特征在于所述换热板每面上“V”形槽阵列为& = 3个时，其中一方向的阵列相对于另两个方向的阵列交点的偏移量为b，b=(2xn2+l)xL，其中％为零或正整数，L表示“V”形槽的宽度。
7.根据权利要求1所述的微锥塔阵列换热板，其特征在于所述换热板每面上“V”形槽阵列为Ii1 = 3个时，其中一方向的阵列相对于另两个方向的阵列交点的偏移量为C，c ·φ a&c ·φ b,其中a幸n2XL,6 =办”2:1)“ , η2为零或正整数，L表示“V”形槽的宽度。
8.根据权利要求1所述的微锥塔阵列换热板，其特征在于所述换热板每面上“V”形槽阵列为Ii1M时，各方向阵列相对于薄板中心的偏移量均为d，d > Omm。
9.一种根据权利要求1所述的微锥塔阵列换热板的制造方法，其特征在于，该方法具有如下步骤 步骤1、将所要加工的薄板进行去除毛刺处理，然后用夹具将其固定在铣床的分度头上，并通过调节分度头使薄板边线与主轴成任意角度，接着进行校平和开动铣床对刀； 步骤2、在薄板一面用切口铣刀逆铣出第一个方向的“V”形槽阵列，然后将薄板旋转一定角度Θ，铣出第二个方向的“V”形槽阵列，之后依此方式分别逆铣出剩下的“V”形槽阵列；加工过程中，通过调节切口铣刀的铣削深度来控制“V”形槽的深度，采用手动或自动的方式通过工作台来控制同阵列中两“V”形槽间距； 步骤3、加工完薄板的一面后，调整薄板并采用与步骤2相同的方法加工薄板的另一面； 步骤4、去毛刺，清理，得到具有多个高度的微锥塔阵列换热板。
10.一种根据权利要求1所述的微锥塔阵列换热板的制造方法，其特征在于，该方法具有如下步骤(1)将所要加工的薄板进行去除毛刺处理，然后用夹具将其固定在磨床工作台上，利用杠杆百分表对待加工表面进行校平，开动磨床利用对刀显微镜进行砂轮与被加工表面的对刀； (2)在薄板一面用金刚石砂轮磨削出第一个方向的“V”形槽阵列；然后将薄板旋转一定角度Θ，磨削出第二个方向的“V”形槽阵列，之后依此方式分别磨削出剩下的“V”形槽阵列；加工过程中，通过磨床三轴的移动来控制“V”形槽的深度和同阵列中两“V”形槽间距，加工过程中开冷却液；(3)加工完薄板的一面后，调整薄板并采用与步骤(2)相同的方法加工薄板的另一面；(4)去毛刺，清理，得到具有多个高度的微锥塔阵列换热板。
全文摘要
本发明公开了一种微锥塔阵列换热板及其制造方法，属于散热领域。该换热板两面均具有多高度的微锥塔阵列结构，该结构由两个高度的正三棱锥和正六棱锥线性阵列混合而成；或者由多个高度的棱锥和类锥体线性或圆周阵列混合而成。本发明采用具有“V”形切削尖端的切口铣刀或金刚石砂轮对薄板进行铣削或磨削加工，加工时先将在薄板一面加工出第一个方向的“V”形槽阵列，然后将薄板依次旋转θ，分别加工出剩下的“V”形槽阵列，接着用同样的方法加工薄板的另一面。本发明所提供的换热板可使薄板比表面积增大，“V”形槽中的凹缝有利于成核，多高度微锥塔阵列结构所形成的流道有利于流体流动情况复杂化，使换热板的传热效果增强。
文档编号H01L23/367GK103047893SQ20121052780
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者汤勇, 彭洁旻, 丁鑫锐, 陆龙生, 简漳智 申请人:华南理工大学