CN102798308A - 一种微通道散热器与微通道的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属传热技术领域。本发明公开一种微通道散热器与微通道的加工方法，该微通道散热器设有基板和盖板，所述盖板安装在基板上部，且两者之间设有十字筋板，基板上加工有若干条微通道；所述基板和盖板均为正方形板体，所述十字筋板将基板平均分为四个正方形区域；基板上沿着每个正方形区域的一条对角线位置各加工有一通气道，各条通气道均通向十字筋板中心，每条通气道又将一正方形区域分成两个三角形单元，基板上共有八个三角形单元；基板的每个三角形单元平行其相邻的十字筋板各设有多条直的微通道，各条微通道的进口端设于基板的四周；所述盖板对应基板中心位置设一个抽气孔。

Description

一种微通道散热器与微通道的加工方法
 
技术领域
本发明属传热技术，涉及一种微通道散热器以及该散热器微通道加工方法。在金属基板上加工微通道构成散热单元，并通过散热单元的组合，制成具有散热能力均匀、体积微小、传热效率高的散热器。
 
背景技术
随着科技的进步，电子、机械器件朝小型化、微型化方向发展，电子器件和系统设备的集成度不断提高，设备单位体积的发热量也越来越大，对这类产品的散热要求也日益提高。例如在微波电路中，尤其是高频微波电路，单元间距、组件间距等结构尺寸很小，散热装置的体积受到严格限制，这给冷板、分流腔的设计带来很大困难。微通道传热装置以体积小、传热能力强等优点成为微小型机电产品的首选散热设备，其产品设计和性能研究也变成国内外学者关注的热点。
微通道散热器是一种借助特殊微加工技术，在固体基质上制造的、可用于流体和固体热传递的三维结构单元。通常将水力当量直径小于1 mm散热器称为微通道散热器。现有微制造技术可以加工出小至0.1 μm的三维结构，将微制造技术应用于散热器或冷板的加工，可以极大地增大微通道散热器单位体积的换热面积，目前微通道散热器的换热能力已能达到300 MW·m-3·K-1。
微尺度流动呈现了异于宏观流体流动的特性。由于微通道散热器特征尺度在微米到亚毫米尺度范围以内，对微尺度流体流动特性的研究不仅涉及空间尺度的微小化，还涉及更为复杂的尺度效应。随着系统尺寸的缩小，分子的“连续流”假设遭到破坏，从而使传统的动量、质量及能量传递方程不再适用，此时不得不从经典或量子统计力学、分子动力学等理论中寻找规律来重新建立流动的控制方程。关于微细通道流体动力学的研究可追溯到1908年Knudsen对平面槽道气体流动的实验。
微通道对流换热亦不同于宏观对流换热机理。受通道形状、壁面粗糙度、流体性质、表面过热量、分子平均自由程与通道尺寸之比等诸多因素的影响，微通道换热特性具有独到之处。根据径向热阻和器壁轴向热传导的影响，换热器效率随热导率的变化可分为3个区域：低热导率时，随热导率的增加，径向热阻的影响逐渐减弱，换热器效率增大，该区域可称为热阻控制区；热导率增加到一定程度时，换热器效率随热导率增加的趋势逐渐减弱，增至最大值后开始逐渐减小，称为高效换热区；热导率进一步增加时，器壁轴向导热对换热过程的影响逐渐增强，换热器效率随之减小，并逐渐趋近于器壁完全等温时的换热效率50%，称为热传导控制区。在低介质流量时，金属换热器的换热效率随介质流量的变化存在一个最大值，亦即对于确定结构的换热器而言，存在一个最佳的操作流量值。在相同的流量偏差下，系统效率在亚负荷操作时，效率降低幅度要比在超负荷操作时大得。因此金属微通道换热器可超负荷运行，不宜在亚负荷状态下操作，这点与常规尺度换热器系统有明显的区别。当介质流量较大时，器壁轴向导热对换热效率的影响逐渐减弱，随介质流量的增加，换热效率逐渐减小。
国内外学者对微尺度传热传质过程进行了大量的研究。美国学者Tuckerman和Pease于上世纪80年代报道了一种微通道换热结构，该结构由高导热系数的材料构成，换热性能超过传统换热手段所能达到的水平，成功地解决了集成电路大规模和超大规模化所带来的“热障”问题。Swift研制了用于两种流体热交换的微通道换热器，其单位体积换热量可高达几十兆瓦。Bowers等对直径为2.54及0.51mm的传热管，用CFC113进行了实验，发现在很小流量下即可达到很高的热流密度。Wahib等用R134a作为工质分别对0.8、1.2和1.7 mm的微细通道进行了实验，发现微细通道尺寸的减小会引起传热系数的提高。Bao等以R12、HCFC123作为流动工质对1.95 mm的微通道进行了实验，得到类似结论。Lie等通过实验研究了质量通量及热流密度对气泡的跃离直径与跃离频率的影响，并给出了传热系数计算的实验关联式。Hetsroni等分析了圆形、矩形、三角形和梯形截面微通道内压降和层流向紊流转变的临界雷诺数，发现层流向紊流过渡的临界雷诺数为1800~2200。Lee等人利用试验与数值方法研究了矩形截面通道内层流热进口段的换热特性，发现基于传统N-S方程的数值预测值与试验结果吻合良好，传统数值计算方法可以用来预测该范围内的微通道换热。周继军等利用去离子水研究了矩形微通道内单相流动与换热特性，试验结果表明微通道内流动和传热特性与常规尺度通道相比存在明显差异，认为微通道壁面粗糙度对流动和换热产生了重要的影响。Stief等通过分析指出，存在理论最佳热导率使得微通道换热器的性能达到最优。Weisberg等基于流动和换热充分发展假设建立了微通道内流动换热的二维数值模型。Fedorov和Viskanta则对微通道内流动换热进行了三维数值模拟研究。Qu和Mudawar建立了一套矩形微通道内三维稳态流动与换热模型，研究了微通道内温度、Nu数、换热系数及Poiseuille数的变化，其数值模拟结果与Kawano等的实验结果吻合较好。
微通道的材质对其传热性能的影响十分显著。在低介质流量时，热阻控制区为低热导率区，低热导率材料换热器（如玻璃）的换热效率要明显高于诸如金属等具高热导率的换热器。在高介质流量时，对于结构参数一定的换热器，随介质流量的增加，导热热阻对换热效率的影响逐渐增强，高效换热区也向高热导率方向移动，换热器材料可用热导率相对较低的金属材料（如不锈钢）。Bier等对错流式微通道换热器内气-气换热特性进行了数值分析和实验研究，结果表明，不锈钢微通道换热器的换热效率高于铜微换热器。
微通道结构的优化及加工技术亦不断发展。微通道结构经历了从二维到三维的发展过程。常规微通道包括圆形、矩形、V形、梯形、双梯形等的截面形状，还有基于热边界层中断技术的交错结构，大多属于准二维的直线形微管道。微通道内流量分配不均、微通道分布均匀性差、局部散热不佳成为二维微通道面临的难题。在此背景下，出现了三维结构的微通道，常见的有树状分形结构、双层树状网络、T形树状分形流体网络、仿哺乳动物呼吸系统树状分形微管道结构和仿蜂巢结构的分形网络。微通道的加工制造技术包括：（1）光刻电镀技术。该技术由德国W. Ehrfeld发明，是一种利用高能加速器产生的同步辐射x射线刻蚀，结合电铸成形和塑料铸模技术而形成的LIGA工艺。通过控制照射深度，亦即使用部分透光的掩膜，实现不同深度的曝光，从而获得不同高度的光刻模型，从而获得三维立体微结构。（2）准分子激光微细加工技术。准分子激光处于远紫外波段，波长短、光子能量大，可以击断高聚物材料的部分化学键而实现化学“冷加工”。利用准分子激光的掩膜投影直刻技术能获得大深宽比的微结构、加工面宽、成本低、可实现批量生产。利用聚焦激光束光栅扫描刻蚀技术能实现连续三维结构的加工。（3）双光子聚合加工技术。通过光敏剂中的非线性双光子吸收过程所引发的聚合反应，采用多重断面分层叠加的方法进行加工，各断面的扫描数据从三维CAD数据中得到。聚合反应后，用类似于酒精之类的溶剂可去除没有固化的液态树脂，从而显露出聚合的三维微结构。总的看来，现有的微加工技术已能满足简单二维和三维微结构加工的要求。然而，复杂三维微结构的成形技术仍需不断发展，以满足越来越复杂的微结构加工要求。
微通道传热装置的应用前景十分广阔。随着微型机械电子系统和微型化学机械系统的发展，传统的换热装置已不能满足应用系统的基本要求，换热装置微型化的发展成为迫切要求和必然趋势。另外，随着能源问题的日渐突显，也要求在满足热量交换的前提下，尽可能缩小设备体积，提高设备的紧凑性，进而减轻设备重量，节约材料，相应地减少占地面积。微通道换热器的理论预测的散热能力可达1 KW·cm-2，高功率微通道散热器在高速IC、高温超导体的冷却、薄膜沉积中的热控制、强激光镜的冷却以及其它一些对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合中的应用必将日益普遍。微型换热装置虽然在设计、制造、装配、密封技术和参数测量等方面还存在很多技术难题，但随着对其结构、性能、优化设计方面研究的深入，微尺度传热技术将日趋成熟，微通道散热器将成为一种具有广阔应用前景的新型设备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对目前微通道散热器中微通道加工方法不完善、微通道分布均匀性差、散热不均匀等问题，提供一种面向给定单位面积散热功率的微通道散热器的加工方法。
本发明的另一目的是提供一种微通道散热器，它由具有均匀散热能力的微通道散热单元组合而成，构成一种结构简单、体积微小、性能高效的换热装置，用于空间狭小、发热量大的发热面的散热。
本发明的目的是通过以下措施实现的：
一种微通道散热器，其特征是：它设有基板和盖板，所述盖板安装在基板上部，且两者之间设有十字筋板，基板上加工有若干条微通道；
所述基板和盖板均为正方形板体，所述十字筋板将基板平均分为四个正方形区域；
基板上沿着每个正方形区域的一条对角线位置各加工有一通气道，各条通气道均通向十字筋板中心，每条通气道又将一正方形单分成两个三角形单元，基板上共有八个三角形单元；
基板的每个三角形单元平行其相邻的十字筋板各设有多条直的微通道，各条微通道的进口端设于基板的四周；
所述盖板对应基板中心位置设一个抽气孔。
所述基板上的通气道槽深为微通道槽深的2倍。
基板上的每条微通道槽深相等，每条微通道的单位面积散热功率Q相同。
所述基板上的微通道和通气道均采用激光雕刻法加工而成。
所述基板为金属基板，四周设有台阶，各微通道的顶面平齐，基板和盖板焊接为一体，各条微通道在基板与盖板之间形成密闭的通道。
基板上的抽气孔连接微型真空泵。
上述微通道散热器的加工方法，该方法包括以下步骤：
（1）根据发热面确定微通道散热器基板和盖板的尺寸，及十字筋板尺寸；
（2）金属基板与所要散热的发热物的表面（以下简称发热面）紧密贴合。根据发热面传递到金属基板底面的热流密度Q（物理单位为W·m-2）为散热器的设计条件，各条微通道具有恒定的单位面积散热功率，可保证散热器具有均匀的散热能力，进而可保证金属基板和发热面具有均匀的温度。所述的单位面积散热功率是指单位时间里任一微通道i内空气带走的热量q i 与微通道的底面积h i ×w i 之比均为Q，即q i /(l i ×w i )=Q；
根据各个微通道具有恒定的单位面积散热功率的特征，任一微通道i的几何尺寸，长度l i 、深度h i 和宽度w i 满足h-w方程：
                                                                            
Figure 302345DEST_PATH_IMAGE002
    （1）
方程中，
Figure 82082DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 477291DEST_PATH_IMAGE006
，，
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE010
，λ、μ、c p 、ρ、Pr分别为空气导热系数、动力粘度、比热、密度和普朗特数；t s 为基板温度，Δp i 为微通道i两端的压差，p 0和t 0分别为微通道i入口处空气的压力和温度；对于所有微通道，t s 、p 0和t 0均为已知的常数；
（3）基板上一个三角形单元的各个微通道设计：紧靠基板顶角的微通道标记为第1微通道，其它微通道顺次标记为2、3、….i、….n；各微通道内空气的平均流速与微通道长度、深度、宽度、压差分别标记为v i 、l i 、h i 、w i 、Δp i ，通气道的深度和宽度分别标记为h 0和w 0；按照从1至n的顺序确定该三角形单元上各个微通道的尺寸，然后将该三角形单元上所有微通道的尺寸镜像到另外七个三角形单元即可；
（4）按1~n的顺序确定一个三角形区域上各个微通道的尺寸，具体步骤包括：
（a）根据发热面的几何形状，确定正方形基板的边长为L，将所有微通道的深度h i （i=1…n，n为单个三角形单元上微通道总数）设置为一定值h g （根据加工手段的要求，h g 在0.2~0.8 mm之间取值）；相邻微通道之间的间壁厚度b 0均取0.5 mm；通气道深度h 0和宽度w 0分别取为h 0=2h g 和w 0=h 0；即通气道截面为正方形，具有最佳的通流效果；
（b）设定第1个微通道的位置l 1及通气道第一个节点处的压力p 1；l 1取三角形直角边长度的1/10，即l 1=L/20；第一条微通道较短，仅需微小的压差即可驱动气体流动，故p 1取-5~-10 Pa；Δp 1=p 0- p 1；
（c）依据h-w方程以及h 1（h 1=h g ）、l 1及Δp 1确定第1条微通道的宽度w 1；
（d）依据式（1）、式（2），由l 1、(p 0-p 1)、h 1、w 1求v 1，
即
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE012
，其中
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE014
；同理，对通气道入口处一段通道（如图4所示），由该段长度1.414l 1、压差(p 0-p 1)、h 0、w 0，求该段内的平均流速v 0，此时
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE016
；
其中，
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE018
                        
式中，
Figure 104713DEST_PATH_IMAGE004
，d i 为矩形微通道的水力直径；
（e）由v 1和h 1、w 1求第1条微通道内的气流体积流量V 1，即
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE020
；由v 0和h 0、w 0求通气道入口处的气流体积流量V 0，即
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE022
；求通气道第1节点处（第1条微通道的中心线与通气道中心线的交点）的气体平均速度v p1，即
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE024
；
（f）预设第2条微通道的宽度w 2’，假设w 2’=w 1；
（g）计算第2条微通道的长度l 2，l 2=l 1+b 0+w 2’/2；计算通气道第1、2节点间的距离l p1-2，l p1-2=1.414×(w 1/2+b 0+w 2’/2)；
（h）依据式（1），由v p1、l p1-2及h 0、w 0求通气道第1、2节点间的压力降Δp 1-2，即
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE026
；
（i）计算通气道第2节点处的压力p 2，p 2=p 1-Δp 1-2，Δp 2=p 0- p 2；
（j）根据h-w方程，由l 2、Δp 2和h 2（h 2=h g ）求w 2；
（k）计算w 2’和w 2的误差e，e=|w 2’-w 2|/w 2’；
（l）若e小于给定误差δ（δ=0.1），即e≤δ，，则执行（m）步；若e>δ，分2种情况改变w 2’：若w 2’>w 2，则减小w 2’；若w 2’<w 2，则增大w 2’，然后回到（g）重新计算；
（m）获得参数h 2、w 2、l 2 、p 2，并仿照（d）~（l）步骤获得h 3、w 3、l 3 、p 3；
（n）继续设计其它微通道，将h i、w i、l i 、p i（Δp i = p 0- p i）作为已知条件重复（d）~（l）步骤求h i+1、w i+1、l i+1 、p i+1。
（o）判断第i+1条微通道位置是否超过三角形区域的边界，即(l i+1+w i+1/2)是否大于三角区域的直角边长度L/2 ；如果(l i+1+w i+1/2)≥L/2，则微通道的尺寸设计完毕；如果(l i+1+w i+1/2)<L/2，则回到（n）继续设计；
（p）确定十字筋板的壁厚b；单个三角形区域上共设计有n个微通道，如果(l n+w n/2)>L/2，则十字筋板壁厚b为L-2l n-w n；如果(l n+w n/2)=L/2，则十字筋板壁厚取b为0.1 mm，并且将w n减小0.05 mm，l n减小0.025 mm，根据h-w方程，由l n和p n确定h n，该种情况下，第n条微通道的深度小于其它各条微通道。
其中，根据通气道和各个微通道的几何参数（在基板上雕刻出各个微通道后，十字筋板的尺寸就确定了），绘制加工平面图，采用数控激光雕刻机将通气道和各个微通道加工到相应深度。
其中，微型真空泵依据通气道第n个节点处的压力p n和体积流量V n的进行选型；（微型真空泵的真空度为p 0-p n，体积流量为V n；）
其中，所述的通气管的内半径r i 按下式确定：
                                                       
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE028
                                                 
将r i 圆整为标准尺寸，选用标准小直径铜管作为通气管；所述盖板上的抽气孔的直径等于通气管外径。
本发明的有益效果：
本发明根据微通道散热板高散热面积/体积比的特性，采用导热性能良好的金属薄板作为基板，在基板上雕刻微通道构成散热单元，并通过散热单元的组合，制成体积微小、散热功率均匀的微通道散热器。
本发明是一种微小散热单元及其组合，可根据实际需要，制成不同形状的平面散热装置，满足不同形状发热面的散热要求。本发明的微通道散热单元中，各微通道具有恒定的单位面积散热功率，可保证发热面的温度均匀。
本发明采用真空抽吸的方式驱动空气流经微通道并带走热量，真空泵可将热空气排出发热设备体外，不但有利于加强冷却效果，而且便于回收利用排出的热量。
附图说明：
图1为本发明的设有微通道的金属基板示意图。
图2为本发明的盖板示意图。
图1、图2中：1-金属基板；2-十字筋板；3-微通道；4-通气道；5-微通道间壁；6-盖板；7-通气管；8-抽气孔；
图3-1为本发明的四单元组合的微通道散热器示意图。
图3-2四单元组合中金属基板连接示意图。
图3包括图3-1和3-2，其中：1—设有微通道的金属基板；2—盖板；3—通气管；4—五通接头；5—微型真空泵排气口；6—微型真空泵吸气口；7—微型真空泵；8—相邻基板的焊点；9—基板与盖板的焊点；10—加强板。
图4-1为本发明的微通道平面示意图。
图4-2为图4-1中一个正方形区域A的示意图。
图4包括图4-1和4-2，其中：1—散热单元；2—十字筋板；3—通气道；
4—微通道；5—基板；6—通气道入口。
图5为本发明的散热单元上微通道的计算机设计流程。
具体实施方式：
实施例1：
本发明的微通道散热器的具体组装过程如下：
（1）设计加工设有微通道的金属基板，如图1所示。选用导热性能良好的薄金属板（厚度为2~3 mm）作为基板1，基板为边长20~50 mm的正方形。基板四周加工出一个台阶后再加工微通道，台阶的高度和宽度均为基板厚度的1/2。采用激光雕刻法按照设计尺寸加工出基板上的矩形微通道3，各个微通道的具体尺寸采用本发明的微通道设计方法确定。相邻微通道由间壁5隔开。整个槽区由十字筋板2和通气道4分为8个三角形单元区域，分别为区域一至区域八，根据设计结果，各微通道的深度和宽度可能不同。
（2）选用导热性能良好的金属材料加工盖板，如图2。盖板1的大小与槽区面积大小一致，厚度为2~3 mm。在盖板中心部位开抽气孔，要求盖板覆盖于槽区后，抽气孔的中心位于十字筋板的中心位置。将金属管道2承插至抽气孔内，采用钎焊对管道与盖板的连接部位进行焊接。管道的伸出长度和弯曲形状可根据实际情况进行变化。
（3）将盖板2覆盖于开微槽的金属基板1上，采用钎焊对基板与盖板的连接部分11进行点焊。形成一个正方形散热单元。
实施例2：
若发热面为形状不规则的平面，则根据发热面的几何特征，采用不同尺寸的多个实施例1方式设计的正方形散热单元组合成发热面的形状。如果是规则发热平面（如正方形或长方形），可以根据平面的形状规划出合适的正方形单元，通过单元的组合，与发热平面的形状吻合。如果发热平面不规则，可能通过一种尺寸的散热单元不能组成与发热面完全吻合的散热组，此时需要用另外一种尺寸的散热单元进行补充。
各散热单元的基板和盖板组装完毕后，按组合方案组装各散热单元，采用钎焊对各散热单元的台阶部位10（设计台阶的主要目的是：当若干个散热单元组合后，空气可以顺利地从单元的四周进入到微通道内。如果没有台阶，微通道的进气口将被堵死。）进行焊接。可在相邻散热单元的盖板上焊接加强板9以提高连接强度。
图3-1和3-2所示为四个相同的正方形散热单元的组合。正方形散热单元组合完毕后，用软管将通气管3与五通8的接管4进行连接。五通出气管与微型真空泵5的抽气口6进行连接。因该四个散热单元的尺寸一样，各个散热单元所需的抽气流量和压力一样，则可以共用一个真空泵；如果不同，则不能共用抽气泵。
启动微型真空泵，微型真空泵接口6处形成一定真空度，盖板抽气口处形成一定负压，散热单元四周的空气将通过微通道流向盖板抽气孔，并经由抽气孔排出。调节微型真空泵的真空度以满足盖板抽气口处的负压和流量要求。
 
实施例3：
本发明的微通道加工方法的技术方案如下：
（1）正方形散热单元由厚度2~3 mm的正方形金属基板制成，由十字筋板2将金属基板划分为4个相互对称的小区域（图4-1和4-2），每个小区域均为正方形。加工完所有微通道后可确定十字筋板的壁厚。沿小区域对角线开设通气道3，通气道将正方形小区域分成两个对称的三角形区域。
（2）取其中一个小区域A为例，说明微通道的加工方法。示例区域被所开设的通气道3分成2个对称的三角形区域。所开设的微通道4与通气道3中心线的夹角为45°。紧靠基板顶角的微通道标记为第1微通道，其它微通道顺次标记为2、3、….i、….n，各微通道内的空气平均流速与微通道长度、深度、宽度、压差分别标记为v i 、l i 、h i 、w i 、Δp i 。
（3）盖板与基板组装好以后，基板上的各微通道均形成封闭的矩形微通道。图4上虚线圆圈标记位置（即十字筋板中心）处于真空状态，各微通道内的气体将沿箭头方向从基板外侧流向十字筋板中心位置。除第n微通道外，其余微通道内的气体均经由通气道3流向十字筋板中心。
（4）微通道散热器的金属基板与所要散热的发热物的表面（以下简称发热面）紧密贴合。发热面传递到金属基板底面的热流密度Q（物理单位为W·m-2）为散热器的设计条件。为保证散热器具有均匀的散热能力，各微通道应具有恒定的单位面积散热功率。所述的单位面积散热功率是指单位时间里任一微通道i内气体带走的热量q i 与微通道的底面积h i ×w i 之比均为Q，即q i /(l i ×w i )=Q。微通道的尺寸根据第（5）到（7）步确定。
（5）由于微通道内气体的流动与微通道的几何尺寸（长度、深度、宽度）、微通道两端的压差以及气体的物理性质有关，故微通道的尺寸需要根据单位面积散热功率的要求对微通道内的气体进行流动和传热分析才能确定。下述过程确定在满足热流密度Q的条件下，任一微通道i的几何尺寸（长度l i 、深度h i 、宽度w i ）应满足的关系。
根据发热物体的实际情况确定热流密度Q（发热物体的发热功率与发热面的面积之比）和基板温度t s （基板温度与发热面温度一致，根据发热物体允许的最高温度可确定）。若已知微通道i两端的压差Δp i 、微通道长度l i 、入口处空气的压力p 0（标准大气压）和温度t 0（空气的常温），并令槽深为h i ，槽宽为w i 。微通道内的平均流速v i 为
                                                   
Figure 802542DEST_PATH_IMAGE018
                                             （1）
式（1）表明了任一矩形截面通道内气体的平均流速与压差、水力直径和长度的关系，其中，
Figure 69575DEST_PATH_IMAGE004
，d i 为矩形微通道的水力直径，
                                                        
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE030
                                                  （2）
微通道内气体的质量流量m i 为
                                                                                  （3）
微通道底面对应的热流作为该微通道所要达到的散热功率P i ，即
                                                          
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE034
                                                    （4）
空气流经微通道后温度增量为Δt i ，
                                                 
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE036
                                           （5）
式中，
Figure 330792DEST_PATH_IMAGE006
。将式（2）代入式（5）得
                                                                                                （6）
基板与微通道内空气的传热过程为强制对流传热，发热功率P i 所要求的传热面积A i 应为
                                          
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE040
                                   （7）
式中，t g, i 为微通道内气流的温度，取微通道入口与出口处空气的平均温度，即
                                                        
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE042
                                                 （8）
α i 为气流和微通道内壁面边界上的给热系数，按式（9）计算。
                            
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE044
                         （9）
式中
Figure 809790DEST_PATH_IMAGE008
，λ、μ、c p 和ρ分别为空气导热系数、动力粘度、比热和密度。
微通道的内表面积均为传热面，故A i 为
                           
Figure 2012103009649100002DEST_PATH_IMAGE046
                        （10）
联立式（6）~（10）可获得槽深h i 和槽宽w i 的关系，即h-w方程：
                                                                     （11）
式中，
Figure 619800DEST_PATH_IMAGE010
。
根据h-w方程（式11），可在微通道长度l i 和两端压差Δp i 已知的情况下，设计出具有恒定散热功率Q的微通道的槽深h i 和槽宽w i 。h-w方程中有h i 和w i 两个变量，若无其他约束条件，理论上存在无数组解。本发明中，为便于加工以及均匀散热的要求，优先确定槽深h i ，然后采用数值逼近法确定槽宽w i 。
（6）根据发热面的几何特征，将发热面划分为若干正方形区域的组合，确定各个散热单元的尺寸，即散热单元的边长。
（7）设计散热单元上各个微通道的尺寸。
为获得均匀的散热能力，基板底面至所有微通道的距离应一致，故所有微通道的深度一致，该深度用h g 表示。根据激光加工的精度级别以及微通道内气体流动的要求，微通道深度h g 的范围为0.2~0.8 mm，如果基板厚度较大，则h g 可取相对较大的值。相临微通道之间的间壁厚度b 0取0.5 mm。
 
实施例4：根据本发明的微通道加工方法确定能够满足给定单位面积散热功率要求的单个微通道的尺寸。
已知：发热面热流密度Q=1.0×104 W·m-2、发热面温度t s =120℃。20℃时空气的密度ρ=1.29 kg·m-3、动力粘度μ=17.9×10-6 Pa·s、比热c p =1004.9 J kg-1·K-1、导热系数0.023 W m-1·K-1。
根据h-w方程获得不同微通道长度l、微通道两端压差Δp条件下微通道的尺寸： 
（1）已知l=0.02 m、Δp=10 Pa，当槽深h=2 mm时，槽宽w=0.45 mm；
（2）已知l=0.02 m、Δp=10 Pa，当槽深h=3 mm时，槽宽w=0.33 mm；
（3）已知l=0.02 m、Δp=5 Pa，当槽深h=2 mm时，槽宽w=1.58 mm；
（4）已知l=0.02 m、Δp=5 Pa，当槽深h=3 mm时，槽宽w=0.64 mm；
（5）已知l=0.03 m、Δp=10 Pa，当槽深h=2 mm时，槽宽w=1.14 mm；
（6）已知l=0.03 m、Δp=10 Pa，当槽深h=3 mm时，槽宽w=0.58 mm；
对于等长度的微通道平行阵列，由于各微通道进口和出口与介质进出口总管道的距离不同，导致各个微通道两端的差压不同。如果各微通道采用相同的尺寸，则各微通道的散热功率将不一致。若要保证各微通道在不同压差的条件下仍具有同样的散热功率，则微通道的尺寸应有区别，如实施例4中的第（1）和（3）个计算结果，当压差不同时，微通道的宽度也不同。
运用本发明的微通道加工方法，可在已知发热面热流密度Q、发热面温度t s 、空气的物性参数以及微通道的长度l和微通道两端的压差Δp的条件下，加工具有均匀散热功率的微通道平行阵列散热器。对于给定的已知条件，只要所取的槽深h和槽宽w满足h-w方程，则所加工的微通道就具有恒定的单位面积散热功率，不要求所有微通道的槽深一致或槽宽一致，如实施例4中为槽深h取了不同的值，并得到了相应的槽宽w。但考虑到基板材料具有一定热阻，故一般情况下，应尽优先保证各个微通道的槽深一致，以保证各微通道底面具基板底面的距离相等，进而获得均匀的散热能力。
 
实施例5：根据本发明的微通道加工方法，确定正方形散热单元上微通道系列的尺寸。
已知：发热面热流密度Q=1.0×104 W·m-2、发热面温度t s =120℃。20℃时空气的密度ρ=1.29 kg·m-3、动力粘度μ=17.9×10-6 Pa·s、比热c p =1004.9 J kg-1·K-1、导热系数0.023 W m-1·K-1。
散热单元的金属基板的边长为0.04 m，进行米字形分割后，单个三角区域的直角边长为0.02 m，间壁厚度取b 0=0.5 mm。h g=0.5 mm，通气道宽度为w 0=1 mm、深度为h 0=1 mm，第1条微通道的长度取为2 mm，Δp i=5Pa。设计结果列于表1中。表1中的数据为一个三角形区域上的微通道尺寸以及微通道内的气体流速和通气道节点处的压力，其他7个三角形区域上的微通道尺寸与表中的尺寸一致。
表1  微通道散热单元的设计结果
微通道号 w i /mm h i/mm l i /mm v i /m s-1 Δp i /Pa
1 0.42 0.5 2.00 2.57 5.00
2 0.36 0.5 2.93 2.83 6.12
3 0.28 0.5 3.57 3.04 12.06
4 0.23 0.5 4.19 2.79 16.85
5 0.21 0.5 4.79 2.78 21.83
6 0.20 0.5 5.39 2.86 27.08
7 0.19 0.5 5.99 2.88 32.62
8 0.18 0.5 6.58 2.85 38.42
9 0.18 0.5 7.17 3.04 44.51
10 0.18 0.5 7.76 3.21 50.92
11 0.17 0.5 8.34 3.11 57.65
12 0.17 0.5 8.93 3.26 64.65
13 0.17 0.5 9.51 3.40 71.99
14 0.17 0.5 10.10 3.55 79.68
15 0.17 0.5 10.68 3.69 87.74
16 0.17 0.5 11.27 3.84 96.19
17 0.17 0.5 11.85 3.98 105.04
18 0.17 0.5 12.44 4.12 114.29
19 0.17 0.5 13.02 4.28 123.97
20 0.17 0.5 13.61 4.43 134.10
21 0.16 0.5 14.19 4.18 144.61
22 0.16 0.5 14.77 4.32 155.44
23 0.16 0.5 15.35 4.45 166.69
24 0.16 0.5 15.93 4.60 178.37
25 0.16 0.5 16.51 4.74 190.49
26 0.16 0.5 17.10 4.88 203.07
27 0.16 0.5 17.67 5.02 216.11
28 0.16 0.5 18.25 5.16 229.64
29 0.16 0.5 18.83 5.31 243.67
30 0.16 0.5 19.40 5.46 258.20
31 0.16 0.5 19.98 5.61 273.27
32 0.16 0.5 20.57 5.76 288.87
从表1所列数据可知，当设置的槽深h g 为0.5 mm时，随着微通道长度的增加，微通道的宽度逐渐减小，对应的微通道两端的压差逐渐增大（Δp i为微通道i两端的压差）。由于三角区域的直角边长为0.02 m，又考虑到加工十字筋板的要求，故每个三角区域可以加工的微通道共有30条。十字筋板的宽度约为1 mm。盖板对基板长宽对应，盖板厚度为2~3 mm，在盖板中心部位开抽气孔。根据第30条微通道对应的通气道节点处的压力可确定所要采用的微型真空泵的真空度约为260 Pa，体积流量为1.27×10-4 m3·s-1，通气管的内半径r i =1.4 mm。

Claims (10)

1.一种微通道散热器，其特征是：它设有基板和盖板，所述盖板安装在基板上部，且两者之间设有十字筋板，基板上加工有若干条微通道；
所述基板和盖板均为正方形板体，所述十字筋板将基板平均分为四个正方形区域；
基板上沿着每个正方形区域的一条对角线位置各加工有一通气道，各条通气道均通向十字筋板中心，每条通气道又将一正方形区域分成两个三角形单元，基板上共有八个三角形单元；
基板的每个三角形单元平行其相邻的十字筋板各设有多条直的微通道，各条微通道的进口端设于基板的四周；
所述盖板对应基板中心位置设一个抽气孔。
2.根据权利要求1所述微通道散热器，其特征是：所述基板上的通气道槽深为微通道槽深的2倍。
3.根据权利要求1所述微通道散热器，其特征是：基板上的每条微通道槽深相等，每条微通道的单位面积散热功率Q相同。
4.根据权利要求1所述微通道散热器，其特征是：所述基板上的微通道（4）和通气道（3）均采用激光雕刻法加工而成。
5.根据权利要求1所述微通道散热器，其特征是：所述基板为金属基板，四周设有台阶，各微通道的顶面平齐，基板和盖板焊接为一体，各条微通道在基板与盖板之间形成密闭的通道。
6.根据权利要求1所述微通道散热器，其特征是：基板上的抽气孔连接微型真空泵。
7.权利要求1、2、3、4、5或6所述微通道散热器的加工方法，该方法包括以下步骤：
（1）根据发热面确定微通道散热器基板和盖板的尺寸，及十字筋板尺寸；
（2）基板与所要散热的发热物的表面贴合；
根据发热面传递到基板底面的热流密度Q（物理单位为W·m-2）为散热器的设计条件，根据各个微通道具有恒定的单位面积散热功率的特征，任一微通道i的几何尺寸，长度l i 、深度h i 和宽度w i 满足h-w方程：
                                                          （1）
方程中，
Figure 2012103009649100001DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 2012103009649100001DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 2012103009649100001DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 2012103009649100001DEST_PATH_IMAGE010
，λ、μ、c p 、ρ、Pr分别为空气导热系数、动力粘度、比热、密度和普朗特数；t s 为基板温度，Δp i 为微通道i两端的压差，p 0和t 0分别为微通道i入口处空气的压力和温度；对于所有微通道，t s 、p 0和t 0均为已知的常数；
（3）基板上一个三角形单元的各个微通道设计：紧靠基板顶角的微通道标记为第1微通道，其它微通道顺次标记为2、3、….i、….n；各微通道内空气的平均流速与微通道长度、深度、宽度、压差分别标记为v i 、l i 、h i 、w i 、Δp i ，通气道的深度和宽度分别标记为h 0和w 0；按照从1至n的顺序确定该三角形单元上各个微通道的尺寸，然后将该三角形单元上所有微通道的尺寸镜像到另外七个三角形单元即可；
（4）按1~n的顺序确定一个三角形区域上各个微通道的尺寸，具体步骤包括：
（a）根据发热面的几何形状，确定正方形基板的边长为L，将所有微通道的深度h i （i=1…n，n为单个三角形单元上微通道总数）设置为一定值h g ，h g 在0.2~0.8 mm之间取值；相邻微通道之间的间壁厚度b 0均取0.5 mm；通气道深度h 0和宽度w 0分别取为h 0=2h g 和w 0=h 0；即通气道截面为正方形，具有最佳的通流效果；
（b）设定第1个微通道的位置l 1及通气道第一个节点处的压力p 1；l 1取三角形直角边长度的1/10，即l 1=L/20；第一条微通道较短，仅需微小的压差即可驱动气体流动，故p 1取-5~-10 Pa；Δp 1=p 0- p 1；
（c）依据h-w方程以及h 1（h 1=h g ）、l 1及Δp 1确定第1条微通道的宽度w 1；
（d）依据式（1）、式（2），由l 1、(p 0-p 1)、h 1、w 1求v 1，
即
Figure 2012103009649100001DEST_PATH_IMAGE012
，其中
Figure 2012103009649100001DEST_PATH_IMAGE014
；同理，对通气道入口处一段通道，由该段长度1.414l 1、压差(p 0-p 1)、h 0、w 0，求该段内的平均流速v 0，此时
Figure 2012103009649100001DEST_PATH_IMAGE016
；
其中，       
式中，
Figure 749279DEST_PATH_IMAGE004
，d i 为矩形微通道的水力直径；
（e）由v 1和h 1、w 1求第1条微通道内的气流体积流量V 1，即
Figure 2012103009649100001DEST_PATH_IMAGE020
；由v 0和h 0、w 0求通气道入口处的气流体积流量V 0，即
Figure 2012103009649100001DEST_PATH_IMAGE022
；求通气道第1节点处的气体平均速度v p1，即
Figure 2012103009649100001DEST_PATH_IMAGE024
；
（f）预设第2条微通道的宽度w 2’，假设w 2’=w 1；
（g）计算第2条微通道的长度l 2，l 2=l 1+b 0+w 2’/2；计算通气道第1、2节点间的距离l p1-2，l p1-2=1.414×(w 1/2+b 0+w 2’/2)；
（h）依据式（1），由v p1、l p1-2及h 0、w 0求通气道第1、2节点间的压力降Δp 1-2，即；
（i）计算通气道第2节点处的压力p 2，p 2=p 1-Δp 1-2，Δp 2=p 0- p 2；
（j）根据h-w方程，由l 2、Δp 2和h 2（h 2=h g ）求w 2；
（k）计算w 2’和w 2的误差e，e=|w 2’-w 2|/w 2’；
（l）若e小于给定误差δ（δ=0.1），即e≤δ，，则执行（m）步；若e>δ，分2种情况改变w 2’：若w 2’>w 2，则减小w 2’；若w 2’<w 2，则增大w 2’，然后回到（g）重新计算；
（m）获得参数h 2、w 2、l 2 、p 2，并仿照（d）~（l）步骤获得h 3、w 3、l 3 、p 3；
（n）继续设计其它微通道，将h i、w i、l i 、p i（Δp i = p 0- p i）作为已知条件重复（d）~（l）步骤求h i+1、w i+1、l i+1 、p i+1；
（o）判断第i+1条微通道位置是否超过三角形区域的边界，即(l i+1+w i+1/2)是否大于三角区域的直角边长度L/2 ；如果(l i+1+w i+1/2)≥L/2，则微通道的尺寸设计完毕；如果(l i+1+w i+1/2)<L/2，则回到（n）继续设计；
（p）确定十字筋板的壁厚b；单个三角形区域上共设计有n个微通道，如果(l n+w n/2)>L/2，则十字筋板壁厚b为L-2l n-w n；如果(l n+w n/2)=L/2，则十字筋板壁厚取b为0.1 mm，并且将w n减小0.05 mm，l n减小0.025 mm，根据h-w方程，由l n和p n确定h n，该种情况下，第n条微通道的深度小于其它各条微通道。
8.根据权利要求7所述微通道散热器的加工方法，其中，根据通气道和各个微通道的几何参数，绘制加工平面图，采用数控激光雕刻机将通气道和各个微通道加工到相应深度。
9.根据权利要求7所述微通道散热器的加工方法，其中，微型真空泵依据通气道第n个节点处的压力p n和体积流量V n的进行选型。
10.根据权利要求7所述微通道散热器的加工方法，其中，所述的通气管的内半径r i 按下式确定：
             
将r i 圆整为标准尺寸，选用标准小直径铜管作为通气管；所述盖板上的抽气孔的直径等于通气管外径。
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