CN106705713B - 一种具有多流路互联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多流路互联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，该基体沿冷却液流动方向上设置有若干个平行排布、阵列分布的开口圆环结构，其包括外部沿圆周向均匀间隔布置的四段第一弧形翅片和内部对称布置的两段第二弧形翅片，从而形成了嵌套设置的大开口圆环和小开口圆环。大开口圆环在沿平行、垂直于冷却液流动方向上分别形成前后、上下各两个狭缝，小开口圆环在沿平行于冷却液流动方向上形成前后两个狭缝，上述狭缝形成多流路互联通道。制造时，采用激光铣削技术来加工出该多流路互联微通道结构，将上盖板采用耐热玻璃封装，获得微通道换热器。本发明制造工艺简单、成本低廉，通过破坏边界层强化微通道换热。

Description

一种具有多流路互联结构的微通道换热器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微通道换热器及其制造方法，特别是涉及一种具有多流路互联微通道换热器及其制造方法。

背景技术

随着微电子工业的迅猛发展，各种相关产品向着速度高度集成化和微型化的方向发展，在高密度的集成电路工作过程中，产生的热量若没有及时带走，温度的升高势必会影响正常。为保证微电子产品稳定可靠工作，要求换热器具有体积小、重量轻、适合于紧凑型封装、散热性能高等特点，微通道换热器应运而生。传统的微通道换热器主要是采用金属或硅作为基底，与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；通过微通道内流动的冷却液带走电子元器件产生的热量，从而实现电子元器件散热的目的。目前的微通道换热器结构主要是平行排布的矩形、三角形、梯形等微通道结构。这些传统形式的平行微通道，在流体进入平行微通道后，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，传热系数都比较大，传热性能比较好，但是随着流动的展开，传热系数迅速下降，从而导致明显的传热性能降低，强化换热效果十分有限。此外，这些传统形式的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，产生返流现象，从而导致严重的沸腾非稳定性问题，严重危害了微通道换热器的稳定运行。

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，提供一种具有多流路互联结构的微通道换热器，显著强化传热。本发明还提供一种工艺简单、设备要求低、成本低廉的具有多流路互联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多流路互联结构的微通道换热器，包括一金属微通道基体，所述基体在沿着冷却液流动方向上设置若干个平行排布、阵列分布的开口圆环结构；

所述开口圆环结构在平行、垂直于冷却液流动方向上均对呈现称分布；每一个开口圆环结构包括均匀沿着圆周向间隔布置的四段第一弧形翅片，以及设置在四段第一弧形翅片内部沿着圆周向间隔对称布置的两段第二弧形翅片；从而形成了嵌套设置的大开口圆环和小开口圆环；

所述小开口圆环在沿平行于冷却液流动方向上形成前后两个狭缝；所述大开口圆环在沿平行、垂直于冷却液流动方向上分别形成前后、上下各两个狭缝；

所述的外部四段第一弧形翅片前后狭缝的宽度大于上下狭缝的宽度，使得冷却液优先汇聚于第一弧形翅片的前后狭缝，经过第二弧形翅片的前后狭缝形成纵向流路通道，；少部分冷却液沿第一弧形翅片的上下狭缝流出，与相邻开口圆环结构的上下狭缝相互连通，从而在所述基体上形成多流路互联通道；所述多流路互联通道在基体的表面上进行阵列排布，从而形成微通道结构。

在一较佳实施例中：所述大开口圆环和小开口圆环之间存在宽度为0.2-0.5mm的弧形狭缝。

在一较佳实施例中：所述第二弧形翅片的厚度为0.2-1mm；所述第一弧形翅片的厚度为0.2-1mm；

在一较佳实施例中：所述四段第一弧形翅片形成的前后狭缝宽度为0.5-0.8mm，上下狭缝宽度为0.2-0.4mm。

在一较佳实施例中：所述每一个开口圆环结构沿着冷却液流动方向分为对称设置的上半部和下半部，上一列开口圆环结构中的上半部与下一列开口圆环结构中的下半部位于平齐排布。

在一较佳实施例中：所述每一个开口圆环结构沿着冷却液流动方向分为对称设置的上半部和下半部，上一列开口圆环结构中的上半部与下一列开口圆环结构中的上半部位于平齐排布。

本发明还提供了一种具有多流路互联结构的微通道换热器制造方法，包含以下步骤：

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激光铣削工作台上，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在软件中绘制激光加工路径并设置激光加工的输出参数；

3)取下工件，对加工后的金属基体进行清洗，得到多流路微通道结构；

4)将得到的多流路微通道结构用耐热玻璃封装，并与外部的接管及水泵连接成一个整体，完成工质循环回路，得到完整的微通道换热器。

在一较佳实施例中：所述金属基体为铜基板或铝基板或不锈钢基板或碳化硅基板。

与现有的技术相比，本发明的技术方案相具有以下优点:

1.本发明公开的具有多流路互联结构的微通道换热器，开口圆环结构增加了与流体的接触面积，增大了传热面积，实现强化换热。此外，冷却液纵向流动至开口圆环结构时，由一个流路分为三个流路，且在横向相互连通相通，从而改变了冷却液的正常流动，打破流动边界层，使得冷却液在微通道中一直处于热发展阶段，进一步强化了换热效果；

2.本发明公开的具有多流路互联结构的微通道换热器，在两相沸腾时，多流路互联结构有效地增加了气泡的流动路径，减小了气泡产生的压力，从而抑制返流现象，有效解决沸腾非稳定性问题。

3.本发明公开的具有多流路互联结构的微通道换热器，采用激光铣削加工的制造方法在金属基底上加工而成，无需复杂的制造工艺与设备，生产成本低廉、工艺简单，容易实现工业化生产。

附图说明

图1为本发明优选实施例1中具有多流路互联结构的微通道的结构示意图；

图2是图1中开口圆环结构的示意图；

图3为图1中冷却液流动的工作原理示意图；

图4为本发明优选实施例1中激光铣削加工多流路互联微通道的示意图；

图5为本发明优选实施例1中激光加工后所得多流路互联微通道SEM图；

图6为本发明优选实施例1中封装后的微通道换热器示意图；

图7为本发明优选实施例2中具有多流路互联结构的微通道的结构示意图。

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。

实施例1：

一种具有多流路互联结构的微通道换热器，包括一金属微通道基体1，如图1所示，其特征在于:其在沿冷却液流动方向上包括若干平行排布、阵列分布的开口圆环结构2；

所述开口圆环结构如图2所示，其在平行、垂直于冷却液流动方向上均对称分布；每一个开口圆环结构2包括均匀沿着圆周向间隔布置的四段第一弧形翅片21，以及设置在四段第一弧形翅片21内部沿着圆周向间隔对称布置的两段第二弧形翅片22；从而形成了嵌套设置的大开口圆环和小开口圆环；

所述外部四段弧形翅片21在沿平行、垂直于冷却液流动方向上分别形成前后两个狭缝25、26和上下两个狭缝27、28。

所述的外部四段第一弧形翅片21所形成的前后狭缝25、26的宽度大于其上下狭缝27、28的宽度。本实施例中，前后狭缝25、26宽度为0.5-0.8mm，上下狭缝27、28宽度为0.2-0.4mm。使得冷却液优先汇聚于外部四段弧形翅片21的前后狭缝25和26，经过内部对称布置的两段第二弧形翅片22的前后狭缝23和24形成多流路通道；少部分冷却液沿第一弧形翅片的上下狭缝27和28流出，与相邻开口圆环结构的上下狭缝27和28相互连通，从而在所述基体1上形成多流路互联通道；所述多流路互联通道在基体1的表面上进行阵列排布，从而形成图1所示的微通道结构。

本实施例中，所述开口圆环结构2中大开口圆环和小开口圆环之间存在宽度为0.2-0.5mm的弧形狭缝29。

所述第二弧形翅片22的厚度为0.2-1mm；所述第一弧形翅片21的厚度为0.2-1mm；

本实施例中，开口圆环结构2的排列方式为：每一个开口圆环结构2沿着冷却液流动方向分为对称设置的上半部和下半部，上一列开口圆环结构2中的上半部与下一列开口圆环结构2中的下半部平齐排布。从而形成图1所示的交错型多流路互联微通道。

因此，上述的具有多流路互联结构的微通道换热器的冷却液流动的工作原理如图3所示，冷却液流动方向采用箭头来表示。当冷却液流过开口圆环结构2时，冷却液由前狭缝25流入，流动方向一分为三，一部分流入第二弧形翅片所形成的前狭缝23，经后狭缝24流出。另两部分对称流入第一弧形翅片21、第二弧形翅片22之间形成的弧形狭缝29，并在靠近第一弧形翅片的上下狭缝27、28时又一分为二，一部分继续沿弧形狭缝29、后狭缝26流出；另一部分分别沿着上下狭缝27、28流出，而这部分经上下狭缝27、28流出的冷却液又与相邻的开口圆环结构2的上下狭缝27、28流出的液体汇合，沿纵向继续流动。由于开口圆环结构2之间横向相互连通，改变了冷却液的正常流动，打破流动边界层，从使得冷却液在微通道中一直处于热发展阶段，而强化了换热效果；在两相沸腾时，多流路互联结构有效地增加了气泡的流动路径，减小了气泡产生的压力，从而抑制返流现象，有效解决沸腾非稳定性问题。

上述的微通道换热器制造方法，包括如下步骤：

1)取一块长45mm，宽20mm，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)将金属基体1用夹具固定到激光铣削工作台上，利用杠杆百分表对基体待加工的表面进行校平；打开激光器，如图4所示，调整激光光束6和基体1的位置，使激光光束6经过聚焦透镜5后聚焦在金属基体1中微通道底面上，形成聚焦后的激光光斑4，调整激光器的保护气嘴7，防止激光对基体1表面进行加工时发生氧化；在软件中绘制好激光加工路径并设置激光器的输出参数设置为：激光功率为20W，扫描速度为180mm/s，扫描次数为10次，搭接率为80％。设定完毕后开始对金属基体1底面进行加工，激光光斑4在预设的加工路径上往复扫描并分层铣削，每扫描加工一层的深度为10-20μm，加工至1mm深度时停止加工。

3)取下具有多流路互联微通道结构的基体1，采用酒精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，充分去除微通道1结构中的油污和氧化皮，得到最终的具有多流路互联微通道结构的基体1，其显微观察SEM图如图5所示。

4)将得到多流路互联微通道结构的基体1与耐热玻璃8相配，通过机械固定方法实现耐热玻璃4的下表面与具有微通道阵列的基体1的上表面紧密贴合，实现微通道阵列的封装封，并与外部的接管及水泵连接成一个整体，完成工质循环回路，得到完整的微通道换热器系统(图6)。

实施例2：

一种具有多流路互联结构的微通道换热器，包括一金属微通道基体3，如图7所示。与实施例1唯一的区别在于，所述每一个开口圆环结构2沿着冷却液流动方向分为对称设置的上半部和下半部，上一列开口圆环结构2中的上半部与下一列开口圆环结构2中的上半部平齐排布，从而形成图7所示的非交错型多流路互联微通道。其余特征均与实施1相同。

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 (6)

1.一种具有多流路互联结构的微通道换热器，包括一金属微通道基体，其特征在于:所述基体在沿着冷却液流动方向上设置若干个平行排布、阵列分布的开口圆环结构；

所述开口圆环结构在平行、垂直于冷却液流动方向上均呈现对称分布；每一个开口圆环结构包括沿着圆周向均匀间隔布置的四段第一弧形翅片，以及设置在四段第一弧形翅片内部沿着圆周向间隔对称布置的两段第二弧形翅片；从而形成了嵌套设置的大开口圆环和小开口圆环；

所述小开口圆环在沿平行于冷却液流动方向上形成前后两个狭缝；所述大开口圆环在沿平行、垂直于冷却液流动方向上分别形成前后、上下各两个狭缝；

所述四段第一弧形翅片前后狭缝的宽度大于上下狭缝的宽度，使得冷却液优先汇聚于第一弧形翅片的前后狭缝，经过第二弧形翅片的前后狭缝形成纵向流路通道；少部分冷却液沿第一弧形翅片的上下狭缝流出，与相邻开口圆环结构的上下狭缝相互连通，从而在所述基体上形成多流路互联通道；所述多流路互联通道在基体的表面上进行阵列排布，从而形成微通道结构。

2.根据权利要求1所述的一种具有多流路互联结构的微通道换热器，其特征在于：所述大开口圆环和小开口圆环之间存在宽度为0.2-0.5mm的弧形狭缝。

3.根据权利要求1所述的一种具有多流路互联结构的微通道换热器，其特征在于：所述第二弧形翅片的厚度为0.2-1mm；所述第一弧形翅片的厚度为0.2-1mm。

4.根据权利要求1所述的一种具有多流路互联结构的微通道换热器，其特征在于：所述四段第一弧形翅片形成的前后狭缝宽度为0.5-0.8mm，上下狭缝宽度为0.2-0.4mm。

5.一种权利要求1-4中任一项所述具有多流路互联结构的微通道换热器的制造方法，其特征在于包含以下步骤：

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激光铣削工作台上，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在软件中绘制激光加工路径并设置激光加工的输出参数；

3)取下工件，对加工后的金属基体进行清洗，得到多流路微通道结构；

4)将得到的多流路微通道结构用耐热玻璃封装，并与外部的接管及水泵连接成一个整体，完成工质循环回路，得到完整的微通道换热器。

6.根据权利要求5所述的一种具有多流路互联结构的微通道换热器制造方法，其特征在于：所述金属基体为铜基板或铝基板或不锈钢基板或碳化硅基板。