CN105698563A - 一种具有分流-汇流结构的微通道换热器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有分流-汇流结构的微通道换热器及其制造方法，包括一金属微通道基体，所述基体上成形有多个翅片单元，其沿垂直于流体流动的方向上镜像对称排列成第一、第二翅片单元对；位于上游的第二翅片单元对的后端嵌入位于其下游的第一翅片单元对的前端并形成汇流通道；位于下游的第二翅片单元对的前端嵌入位于其上游的第一单元翅片对的后端并形成分流通道；经过阵列后形成微通道结构。制造时，采用微细电火花加工出该分流-汇流微通道结构，再与上盖板钎焊封装，获得微通道换热器。本发明制造工艺简单、成本低廉，使得冷却液在微通道中始终处于热发展段，形成旁流并造成紊流，并抑制沸腾不稳定性，从而显著强化微通道换热。

Description

一种具有分流-汇流结构的微通道换热器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种换热器，尤其涉及一种微通道换热器。

背景技术

随着微电子工业的迅猛发展，各种相关产品正以前所未有的速度高度集成化和微型化，由此引起的温度迅速升高也成为制约其高速发展的一个瓶颈。对此，作为能够保证微电子产品稳定可靠工作的热控技术也越来越多地受到各方面的关注。微通道换热器由于体积小、重量轻、适合于紧凑型封装、散热性能高，被认为是高热流密度问题有效的解决途径。普通的微通道换热器是在金属或硅基底上加工出若干平行排布的矩形、三角形、梯形等开式微通道结构，用盖板耦合封装成冷却液微流道，与外界连接而形成冷却液回路。电子元器件产生的热量通道连接层传递到微通道结构，被微通道内流动的冷却液带走，从而实现电子元器件散热的目的。目前的微通道换热器主要采用平行的微通道阵列，当流体进入微通道后，同时进行流动边界层和热边界层的发展。当热边界层还未达到充分发展区域，传热系数和努赛尔系数都比较大，传热性能比较好，但是随着流动的展开，传热系数和努赛尔系数迅速下降，从而导致明显的传热性能降低，已无法满足大功率设备的散热要求。此外，平行微通道结构由于流道横截面积沿流向一致，在两相沸腾形成气泡时，会导致通道中间的压力大，驱动气泡往流向上游流动，从而导致严重的沸腾非稳定性问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有微通道换热器的上述不足，提供一种微通道换热器，显著强化传热。本发明还提供一种工艺简单、设备要求低、成本低廉的微通道换热器的制造方法。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种具有分流-汇流结构的微通道换热器，包括一金属微通道基体；所述基体上成形有多个翅片单元，所述翅片单元沿垂直于流体流动的方向上镜像对称排列成第一翅片单元对和第二翅片单元对；所述第一翅片单元对和第二翅片单元对呈反向设置；

所述第一翅片单元对和第二翅片单元对沿着流体流动的方向依次间隔排列，并且所述第一翅片单元对的翅片单元的间距大于第二翅片单元的中翅片单元的间距，使得位于上游的第二翅片单元对的后端嵌入位于其下游的第一翅片单元对的前端并形成汇流通道；位于下游的第二翅片单元对的前端嵌入位于其上游的第一单元翅片对的后端并形成分流通道；从而在所述基体上形成沿着流体流动方向的分流-汇流通道；

所述分流-汇流通道在所述基体的表面沿着与流体流动垂直的方向进行阵列排布，形成微通道结构。

在一较佳实施例中：所述翅片单元由至少两段翅片构成；所述两段翅片由转折部分连接，使得所述翅片单元的外轮廓为Y字形。

在一较佳实施例中：所述第二翅片单元对前端的翅片单元的间距为0.6-1.0mm，后端的翅片单元的间距为1.2-2.4mm；所述汇流通道和分流通道的宽度为0.1-0.4mm。

在一较佳实施例中：所述翅片的厚度为0.5ˉ2mm，所述翅片中第一段长度为3ˉ10mm,第二段与第一段相互平行且长度相等，第一段与第二段之间由转折部分连接后，在垂直于流体流向上间隔距离为1ˉ2mm。

在一较佳实施例中：所述转折部分形状为竖直线、斜线、圆弧、椭圆弧、抛物线中的一种。

本发明还提供了一种如上所述的具有分流-汇流结构的微通道换热器的制造方法，包括如下步骤：

1)筛选出一块金属基体，对其表面进行去毛刺处理；

2)将金属基体用夹具固定到微细电火花加工机工作台上，利用杠杆百分表对基体待加工的表面进行校平；根据微通道结构的形状及尺寸设置电极加工路径，采用微细电火花成形工艺加工出所述微通道结构；

3)取下工件，对加工后的金属基体进行清洗，得到微通道结构；

4)将得到的交叉Y形结构微通道结构与上盖板通过钎焊进行连接，并与外部的接管及水泵连接成一个整体，形成一个强制循环回路，得到完整的微通道换热器。

在一较佳实施例中:所述金属微通道基体为铜基板或铝基板或不锈钢基板。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:

1.本发明公开的具有分流-汇流结构的微通道换热器，多段翅片的结构形式增加了与流体的接触面积，可以形成了更多的汽化核心，这样更加有利于制冷工质的相变传热；并且断续的翅片结构可以增加流体的扰动，对于低雷诺数的流动条件，这种扰动可以在流体阻力增加较少的前提下增强换热效果；

2.本发明公开的具有分流-汇流结构的微通道换热器，其分流—汇流结构使得冷却液在微通道中一直处于热发展段，工质在换热段进行多次的分流及汇流来完成热量传输；设置的旁路流道可以造成紊流，可以保持较低流动阻力的情况下提高强制对流传热系数，获得比传统平行微通道换热器更高的传热效率。

3.本发明公开的具有分流-汇流结构的微通道换热器，所述翅片单元对的流道形成喇叭口形状，前端流道狭小，后端流道大，利用前后端流道的横截面差可以有效地抑制沸腾不稳定性及蒸汽泡的返流现象。

附图说明

图1为本发明优选实施例1中微通道结构的示意图；

图2为本发明优选实施例1中微通道结构的放大图；

图3为本发明优选实施例1中第二翅片单元的示意图；

图4为本发明优选实施例1中翅片单元的外轮廓曲线为斜线的示意图；

图5为本发明优选实施例1中翅片单元的外轮廓曲线为圆弧的示意图；

图6为本发明优选实施例1中翅片单元的外轮廓曲线为椭圆弧的示意图；

图7为本发明优选实施例1中翅片单元的外轮廓曲线为抛物线的示意图；

图8为本发明优选实施例1中封装后的微通道换热器示意图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种具有分流-汇流结构的微通道换热器，如图1-4所示，包括一金属微通道基体1，所述基体1上成形有多个翅片单元21、31，所述翅片单元21沿垂直于流体流动的方向上镜像对称排列成第一翅片单元对2和第二翅片单元对3；所述第一翅片单元对2和第二翅片单元对3呈反向设置；

所述第一翅片单元对2和第二翅片单元对3沿着流体流动的方向依次间隔排列，并且所述第一翅片单元对2中翅片单元21的间距大于第二翅片单元对3中翅片单元31的间距，使得位于上游的第二翅片单元对3的后端嵌入位于其下游的第一翅片单元对2的前端并形成汇流通道41；位于下游的第二翅片单元对3的前端嵌入位于其上游的第一单元翅片对2的后端并形成分流通道42；从而在所述基体1上形成沿着流体流动方向的分流-汇流通道4；

所述分流-汇流通道4在所述基体1的表面沿着与流体流动垂直的方向进行阵列排布，形成微通道结构。

所述翅片单元21、31的翅片厚度为0.5-2mm，所述翅片单元21、31的第一段311长度为3-10mm,第二段312与第一段311相互平行且长度相等，并由转折部分313连接，使得第二段312与第一段311在垂直于流体流向上间隔距离为1ˉ2mm；该转折部分313的形状为竖直线、斜线、圆弧、椭圆狐、抛物线中的一种，如图3-7所示，优选为圆弧。

所述第二翅片单元对3前端中翅片单元31的间距为0.6-1.0mm，后端中翅片单元31的间距为1.2-2.4mm；所述汇流通道41和分流通道42的宽度为0.1-0.4mm。

上述的微通道换热器，其多段翅片的结构形式增加了与流体的接触面积，可以形成了更多的汽化核心，这样更加有利于制冷工质的相变传热；并且断续的翅片结构可以增加流体的扰动，对于低雷诺数的流动条件，这种扰动可以在流体阻力增加较少的前提下增强换热效果；同时，其形成的分流—汇流结构使得冷却液在微通道中一直处于热发展段，旁路流道可以造成紊流，可以保持较低流动阻力的情况下提高强制对流传热系数；此外，利用前后端流道的横截面差，还可以有效地抑制沸腾不稳定性及蒸汽泡的返流现象。

上述的微通道换热器制造方法，包括如下步骤：

1)取一块长80mm，宽80mm，厚2mm的紫铜基板作为微通道基体，对其表面进行去毛刺处理；

2)将该紫铜基板用夹具固定到微细电火花加工机工作台上，利用杠杆百分表对基板待加工的表面进行校平；选择用钨电极作为微细电火花加工的电极，其电极半径为60μm，长为1.2mm。根据分流-汇流微通道结构的形状及尺寸在微细电火花机床上设置电极加工路径，采用微细电火花成形工艺进行微通道结构的加工。加工时，开路电压为100V，放电电容100pF，正极性加工，主轴转速为4000r/min，峰值电流为50A，脉宽为100μs，选择煤油为绝缘介质；电极在预设的加工路径上往复扫描并分层铣削以控制电极损耗补偿，每扫描加工一层的轴向进给量为10ˉ20μm，加工至1mm深度时停止加工。此时在基板的表面电蚀出的导流段及多个流道形成的分流—汇流结构高度为1mm，分流结构两个旁流通道宽为0.3mm，中间通道宽为0.6mm；

3)取下具有交错微通道结构的基体1，采用煤油对加工后微通道样品进行超声波清洗约1小时，然后采用去离子水超声波清洗约0.5小时，充分去除交错微通道结构中的油污和氧化皮，得到最终的具有交错微通道结构的基体1。

4)将得到的微通道基体1与上盖板5相配，通过钎焊方法进行连接，实现微通道阵列的封装，并与接管、水泵等连接在一起，形成一个强制循环回路，得到完整的微通道换热器系统，如图8所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种具有分流-汇流结构的微通道换热器，包括一金属微通道基体，其特征在于:所述基体上成形有多个翅片单元，所述翅片单元沿垂直于流体流动的方向上镜像对称排列成第一翅片单元对和第二翅片单元对；所述第一翅片单元对和第二翅片单元对呈反向设置；

所述第一翅片单元对和第二翅片单元对沿着流体流动的方向依次间隔排列，并且所述第一翅片单元对的翅片单元间距大于第二翅片单元对的翅片单元间距，使得位于上游的第二翅片单元对的后端嵌入位于其下游的第一翅片单元对的前端并形成汇流通道；位于下游的第二翅片单元对的前端嵌入位于其上游的第一单元翅片对的后端并形成分流通道；从而在所述基体上形成沿着流体流动方向的分流-汇流通道；

所述分流-汇流通道在所述基体的表面沿着与流体流动垂直的方向进行阵列排布，形成微通道结构。

2.根据权利要求1所述的一种具有分流-汇流结构的微通道换热器，其特征在于：所述翅片单元由至少两段翅片构成；所述两段翅片由转折部分连接，使得所述翅片单元的外轮廓为Y字形。

3.根据权利要求1所述的一种具有分流-汇流结构的微通道换热器，其特征在于：所述第二翅片单元对前端的翅片单元间距为0.6-1.0mm，后端的翅片单元间距为1.2-2.4mm；所述汇流通道和分流通道的宽度为0.1-0.4mm。

4.根据权利要求2所述的一种具有分流-汇流结构的微通道换热器，其特征在于：所述翅片的厚度为0.5-2mm，所述翅片中第一段长度为3-10mm,第二段与第一段相互平行且长度相等，第一段与第二段之间由转折部分连接后，在垂直于流体流向上间隔距离为1-2mm。

5.根据权利要求4所述的一种具有分流-汇流结构的微通道换热器，其特征在于：所述转折部分形状为竖直线、斜线、圆弧、椭圆弧、抛物线中的一种。

6.一种权利要求1-5中任一项所述的具有分流-汇流结构的微通道换热器的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

1)筛选出一块金属基体，对其表面进行去毛刺处理；

2)将金属基体用夹具固定到微细电火花加工机工作台上，利用杠杆百分表对基体待加工的表面进行校平；根据所述微通道结构的形状及尺寸设置电极加工路径，采用微细电火花成形工艺加工出所述微通道结构；

3)取下工件，对加工后的金属基体进行清洗，得到微通道结构；

4)将得到的分流-汇流微通道结构与上盖板通过钎焊进行连接，并与外部的接管及水泵连接成一个整体，形成一个强制循环回路，得到完整的微通道换热器。

7.根据权利要求6所述的具有分流-汇流结构的微通道换热器的制造方法，其特征在于:所述金属微通道基体为铜基板或铝基板或不锈钢基板。