CN109416223A - 具有降低压降的微通道蒸发器 - Google Patents

Abstract

在一一般方面，公开了一种汇聚分流的微通道蒸发器。其包括与待冷却表面匹配的传导接触表面，其中芯部安装成与传导表面热连接，该芯部限定至少一层微通道。在芯部内，一入口限制件限制流动进入第一组微通道中的每一个微通道，而另一入口限制件则限制流动进入第二组微通道中的每一个微通道。位于中心的流体出口接收来自两组微通道中相对端部的流动。可以提供止回阀以协助确保在准备启动时没有反向流动。

Description

具有降低压降的微通道蒸发器

相关申请的交叉引用

本申请基于35U.S.C119(e)，要求享有2016年4月18日提交的美国临时申请62/324,320以及2017年1月10日提交的美国专利申请15/402,499的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种基于微通道的热交换器，包括基于微通道的蒸发器，该蒸发器用于冷却诸如电子装置的具有高热通量的热源。

背景技术

流体热交换器用于通过接收和散发来自高热通量热源的热能来去除高热通量热源的废热(通常超过每平方厘米5瓦特，且通常实质上更高)。这种高热通量热源的示例包括微电子，例如微处理器和存储装置，固态发光二极管(LEDs)和激光器，绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件，例如电源，光伏电池，放射性热发生器和燃料棒，以及内燃机。

流体热交换器通过将热量传导到交换器的内部通道来散热，冷却剂流体通过该内部通道流动，吸收穿过交换器壁部传导的热量，然后将流体输送到交换器外部，在那里热量被排到外部散热器。虽然流过交换器的冷却剂流体可以是气体，但通常优选使用液体，因为液体具有比气体更高的热容量和传热系数。液体可以保持为单相，或者液体可以在交换器的内部通道中部分或完全蒸发。

供给到流体热交换器的冷却剂流体的流动可以由泵驱动，或者由进入和离开的流体(例如热虹吸管)之间的密度差和/或高度的自然对流驱动，或者通过交换器内部通道中的毛细作用驱动，或是由这些机制的组合所驱动。

蒸发器形式的交换器依赖于沸腾模式，并具有冷却剂流体的每单位流体流速的较高传热系数(更好的传热)的优点。它们也需要更少的冷却剂流体，因为大部分热量通过沸腾流体的蒸发潜热而不是单相液体或气体的显热(热容量)吸收。

众所周知，如果内部通道由多个微通道(即具有最小尺寸小于1000微米，更通常在50-500微米之间的横截面的通道)组成，则流体热交换器的热性能和效率可以大大提高。然而，微通道尺寸的结果是这种通道的水力直径(D_h)非常小且受到限制，导致高压降(D_h＝4×横截面积除以横截面周长)。这些高压降倾向于需要泵送系统的更大泵送功率，并降低对于流动由自然对流和/或毛细作用所驱动的系统的冷却剂流速。对于泵送系统，这通常导致更高的能量消耗(额外的寄生能量损失)，而对于自然对流或毛细驱动系统，减少的流体可导致流体交换器的散热能力的降低或甚至使流体交换器变干。

一种降低微通道热交换器中压降的方法是将流动路径分成较短的分段，即分流，分导的分段从共同的中心入口供应。该方法已被用于流体热交换器中，该流体热交换器构造成在泵送系统中提供单相流体的分流。

发明内容

在一一般方面，本发明的特征在于一种汇聚分流的微通道蒸发器。它包括与待冷却表面配合的传导接触表面，其芯部与传导表面热连接，该芯部限定至少一层微通道。在芯部内，一入口限制件限制流动进入第一组微通道中的每个微通道，另一个则限制流动进入第二组微通道中的每个微通道。位于中心的流体出口接收来自两组微通道的相对端部的流动。

在另一一般方面，本发明的特征在于一种汇聚分流的微通道蒸发器，其包括与待冷却表面配合的导热接触表面以及芯部，芯部安装成与接触表面热连接，并且限定至少为一层微通道，每一个微通道均横跨第一端和第二端之间。第一流体入口与第一组微通道的第一端液压连接，且每一入口限制件限制流体进入第一组微通道之一中。第二流体入口与第二组微通道的第一端液压连接，且每一入口限制件限制流体进入到第二组微通道之一中。流体出口位于第一流体入口和第二流体入口之间，且与第一组微通道及第二组微通道的第二端液压连接。

在优选的实施例中，第一组微通道平行定向于第一流体入口和流体出口之间，第二组微通道平行定向于第二流体入口和流体出口之间。本装置还可以包括第三流体入口，与限定在芯部中的第三组微通道的第一端液压连接，位于第三流体入口处的第三组入口限制件，每一入口限制件限制流体进入限定在芯部中的第三组微通道其中之一中，第四组入口限制件中的每一入口限制件限制流体进入限定在芯部中的第四组微通道其中之一中，以及第二流体出口位于第三流体入口和第二流体入口之间，其中，流体出口与限定在芯部中的第三组微通道的第二端液压连接，并且与限定在芯部中的第四组微通道的第二端液压连接。第二流体入口与限定在芯部中的第三组微通道的第一端和限定在芯部中的第四组微通道的第一端液压连接。可以将微通道组织成围绕流体出口径向汇聚。芯部可以在距导热接触表面的不同距离处限定多层微通道。至少一些微通道具有不同的横截面。每一个由芯部限定的微通道都具有小于1000微米的水力直径。第一组和第二组入口限制件可以由限制件的横截面积限定，限制件的横截面积不超过微通道长度剩余部分最大截面的横截面积的大约四分之三，并且流动限制件的长度小于微通道长度剩余部分的20％。微通道的水力直径小于500微米。芯部可包括限定微通道的层压结构。本装置还包括位于第一入口和第二入口上游的止回阀，以协助确保在准备启动时没有反向流动。止回阀可包括特斯拉(Tesla)二极管。第一入口限制件和第二入口限制件可包括止回阀。导热接触表面可以是基板的一部分，芯部安装在基板上与导热接触表面相对。

在一进一步的一般方面，本发明的特征在于一种蒸发冷却表面的方法，该方法包括使表面与热交换器接触，并使液体冷却剂分别流入热交换器的至少两个不同的流路中。将第一个不同流路中的液体冷却剂输送到热交换器的第一组分离的微通道中，将第二个不同流路中的液体冷却剂输送到热交换器的第二组分离的微通道中，这些流入微通道的流体都受到限制。在第一和第二组微通道中使至少一些液体冷却剂蒸发，并且在蒸发步骤之后使流体重新汇聚。

在优选的实施例中，使冷却剂流动的步骤可以是完全被动的。使冷却剂流动的步骤可以包括毛细作用步骤。使冷却剂流动的步骤可以是热虹吸过程的一部分。使冷却剂流动的步骤可以包括泵送步骤。使冷却剂流动的步骤可促使制冷剂流动。使冷却剂流动的步骤可以促使介电流体流动。

在另一一般方面，本发明的特征在于一种汇聚分流微通道蒸发器，其包括用于使液体冷却剂分别流入至少两个不同的流路的构件。蒸发器还包括用于将第一个不同流路中的液体冷却剂输送到蒸发器第一组分离的微通道中的构件，以及用于限制第一流路中的液体冷却剂进入蒸发器第一组分离的微通道中的构件，蒸发器也包括用于将第二个不同流路中的液体冷却剂输送到蒸发器第二组分离的微通道中的构件，以及用于限制第二流路中的液体冷却剂进入蒸发器第二组分离的微通道中的构件。蒸发器还包括用于使响应于第一组和第二组微通道的流体重新汇聚的构件。

在另一进一步的一般方面，本发明的特征在于一种微通道热交换器，其包括盖子，基座和位于盖子和基座之间的多个导热薄片，每个导热薄片都限定与流动方向对齐的一系列的并排通道。每个通道包括对齐的槽缝，槽缝限定微通道片段并由交叉的肋部分开。薄片堆叠在基座和盖子之间，以使至少一些肋部彼此偏移，并使得相邻薄片中相同通道中的微通道片段可以沿流动方向彼此连通，以在热交换器中限定多个微通道。

在优选实施例中，导热薄片还可以在通道的每个端部处限定进入通道开口，其在堆叠时形成用于微通道的进入通道。薄片可在热交换器的至少一个入口端限定更密集的交叉肋部配置，以减小通道入口端处的开放横截面。微通道的长宽比可以高于4：1。微通道的长宽比可以高于8：1。本装置还可以包括位于导热薄片组之间的导热隔离薄片，以形成多层热交换器。薄片可以由至少一种传导金属制成。薄片可由可烧结的导热陶瓷制成。薄片可以粘结或熔合。微通道可具有低于500微米的水力直径。微通道可具有低于200微米的水力直径。基座可以是比每个薄片都厚的基板，以及盖子可以包括与微通道连通的进入通道。基座可以是导热的但是电绝缘的。热交换器可以构造成用于沸腾或蒸发流体服务，热交换器还包括在微通道的入口端处的流动限制件。流动限制件可以由穿过微通道入口端放置的穿孔薄片限定。流动限制件可以由穿过微通道入口端放置的多孔薄片限定。流动限制件可以通过交替地封闭槽缝通道中的第一槽的端部而形成，槽缝通道是具有比槽之间的交叉肋部的体积更宽的交叉肋部，在槽缝薄片的交替层中，交替封闭端的槽缝通道相对于槽缝通道的上方或下方交错，因此，当薄片堆叠并粘结在一起时，所形成的平行通道的横截面具有跨越多个通道入口的棋盘图案，其用作整体流动限制件，基本上覆盖主通道横截面积的50％。流动限制件可以由跨及微通道入口的梳状条状物提供，梳状条状物的齿部是窄条状物，并且在齿部之间限定的间隙与微通道的开口横截面面积对齐，并窄于微通道的开口横截面面积。

根据本发明的系统可以帮助抑制莱迪内格(Ledinegg)效应，从而使分流交换器以两相系统工作。通过围绕位于中心的流体出口提供入口限制件的方式，根据本发明的微通道蒸发器可以避免由于莱迪内格(Ledinegg)效应导致的流动不稳定性，因为流动不稳定性可能使得多个(平行)微通道内的沸腾是不均匀的，且由于各通道中因沸腾的发展造成变化压降的相互作用，导致周期性回流至入口头部或歧管之中。这有助于实现稳定且基本均匀的沸腾流动，从而在冷却高通量热源时形成改善及更稳定的热性能。

附图说明

图1是根据本发明的汇聚分流微通道蒸发器的俯视横截面，虚线示出其入口和出口；

图2是图1的汇聚分流微通道蒸发器的横截面图，其以面向图1中线2-2所指定的方向示出；

图3是图1的汇聚分流微通道蒸发器的横截面图，其以面向图1中线3-3所指定的方向示出；

图4是沟槽化层压结构中所包含的第一形式的沟槽薄片的平面图，沟槽化层压结构可用于实现图1的汇聚分流微通道蒸发器；

图5是图4中的第一形式沟槽薄片的一部分的平面图，沟槽薄片在图4中以矩形5示出；

图6是沟槽化层压结构中所包含的第二形式的沟槽薄片的一部分的平面图；

图7是沟槽化层压结构中所包含的隔离器薄片的平面图；

图8是为图5和图6中箭头8所示的方向中层压结构的立体剖面图，该层压结构以图4至图7中的第一和第二薄片形式的方式交替形成；

图9是图8的沟槽化层压结构的更具体剖视图；

图10是图8层压结构的第二立体剖视图，示出了沿着图5和图6中箭头10所示的方向通过图8的结构的流动路径；

图11是层压薄片的分解图，利用如图4至图10中所示的沟槽化层压结构将层压薄片组装到沟槽层压芯部之中；

图12是使用图11的压层芯部实现图1的汇聚分流微通道蒸发器的立体分解图芯部；

图13是图8沟槽化层压结构的横截面图，该横截面取自沟槽化层压结构中限定流动限制件的平面；

图14是根据本发明的多部分汇聚分流微通道蒸发器的三视图；

图15是图13的多部分汇聚分流微通道蒸发器的三维图，示出了流入和流出微通道的流体路径；及

图16是示出根据本发明的径向汇聚分流微通道蒸发器的示意图。

具体实施方式

参考图1-3，本发明的汇聚分流微通道蒸发器10包括主体12，主体12由接触板14，芯部16和盖子18组成。在所示的方向上，接触板位于底部，盖子位于顶部，使得蒸发器以冷却水平表面，但蒸发器也可用于定位在其他平面中的表面上，或在对应于非平面发热装置的表面时，蒸发器可以具有非平面或弯曲接触表面。虽然接触板，芯部和盖子图示为分开的部件，但它们可以组合或进一步分成多个子部件。

芯部16包括沿着芯部的一个边缘设置的第一入口歧管20，沿着芯部的相对边缘设置的第二入口歧管22，以及沿着芯部的中心线设置的出口歧管26，出口歧管26位于两个入口歧管之间并平行于两个入口歧管。第一组微通道28从第一入口歧管跨至出口歧管，第二组微通道30从第二入口歧管跨至出口歧管。每组微通道包括一或多层，每一层都包括从其中一个输入歧管跨至输出歧管的多个并排的微通道。优选的，微通道制造成具有均匀水力直径的平行导管的多个层，设置在堆叠的平行的平面层中，尽管在一些应用中这种几何形状的偏差也可能是合适的。入口歧管可以具有任何适合的形状，使得它们与成对的微通道的入口连通。具有2，3或4层且每层具有64，79或125个微通道的芯部被认为适用于冷却微电子装置的可行实施例，但许多其他配置也是可行的。

第一组入口限制件32设置在第一入口歧管20和第一组微通道28之间，使得每个微通道与对应的流动限制件耦接。同样地，第二组入口限制件34设置在第二入口歧管22和第二组微通道30之间，使得每个微通道与对应的流动限制件耦接。这些流动限制件优选地制造成层压芯部结构的一部分，如下更详细的叙述。

入口导管网络36将在蒸发器主体12上的输入端口40处接收的流体输送到入口歧管20，22。出口导管网络38将从输出歧管26接收的流体输送到蒸发器主体上的输出端口42。输入和输出导管网络中的导管每一个都可以设置成任何适合的方向。

蒸发器的整体结构可以以各种方式配置。例如，出口歧管不需要精确的位于入口歧管之间。入口歧管和/或出口歧管也不需要构造成直线。

在操作中，微通道蒸发器10的基板与发热组件的发热部分导热接触。将可蒸发的冷却剂流体引入至热交换器，使得流体经由入口歧管流入多个成对的子流路中，其每一对子流路都朝向彼此流动，而所有的子流路从多组微通道的相对流体出口汇聚至标称中心的出口歧管或腔体。冷却剂吸收穿过微通道壁部所传导的热量并进行部分蒸发。将所形成的两相流体混合物输送到蒸发器的外部，在此处热量被排放到外部散热器。蒸汽部分冷凝并与未蒸发的流体重新结合，而结合的液体便返回到交换器的入口。

在另一实施例中，可蒸发液体冷却剂是经由一或多个进料口引入至汇聚分流微通道蒸发器中，该一或多个进料口连接至蒸发器内的一或多个内部歧管。流体流过限制开口进入多个成对的微通道，并且通过来自基板和微通道壁部的热传导，从与蒸发器的基板热接触的发热部件上吸收热量。经吸收的热量使流体达到其饱和温度，然后在穿过微通道时沸腾。流体的供给压力足够高以确保充足的流动，使得至少一些流体在到达多个微通道的出口端时保持液态(即不完全蒸发)。离开多个微通道的两相(液体和气体)的流体汇聚在蒸发器内的中心出口歧管或空腔中，其连接到从蒸发器出来的一个或多个出口。离开蒸发器的两相流体流到外部冷凝器，于此处冷却剂蒸汽产生一种全液体的冷却剂，然后全液体的冷却剂返回到蒸发器的入口。

在另一实施例中，液体循环由热虹吸作用驱动，其中液位(从冷凝器出来)处于蒸发器上方的合适高度处，而入口液体上端(考虑液体密度和高度)与低密度的两相流体出口之间的差异提供足够的压力来克服跨及蒸发器，冷凝器和连接管道的压降。

液体循环也可由低水头泵驱动。它也可以通过毛细作用驱动，在从冷凝器的液体返回路线中使用一种毛细结构。

在另一实施例中，入口限制件的横截面面积是微通道长度的剩余部分最大截面的横截面积的10％至50％，并且入口限制件的长度是微通道长度的1％和10％之间。在另一实施例中，利用在薄片中制造沟槽的方式形成一或多层的微通道，这些薄片包括一层或多层，并且入口限制件由对应于通道入口的沟槽较窄部分提供。

在另一实施例中，利用具有多个槽缝的薄片形成一或多层微通道。入口限制件以对应于通道入口的每一槽缝的较窄部分提供。微通道层由在堆叠的槽缝化薄片之间放置薄片或垫片来限定，其中薄片仅具有单一长槽缝，横向并位于其下方薄片的槽缝化部分的整体长度上的中心处，所述的横向槽缝在一层中每一对通道的汇聚流动的共同出口点提供。

在另一实施例中，微通道蒸发器使用一或多层微通道，并且入口限制件是由跨及多个微通道入口的穿孔横向条状物所提供，其中穿孔与每个微通道的开口横截面面积对齐。

在另一实施例中，微通道蒸发器使用一或多层微通道，并且入口限制件是由跨及多个微通道的入口的多孔横向条状物所提供，其中穿孔与每个微通道的开口横截面面积对齐。

在另一实施例中，微通道蒸发器使用一或多层微通道，并且入口限制件是由跨及多个微通道入口的多个梳状条状物所提供，其中梳状条状物的“齿”为窄的垂直或水平条状物，齿之间的间隙与每一微通道的开口横截面面积对齐，并窄于每个微通道的开口横截面面积。

在以下更详细讨论的另一实施例中，一或多层微通道是由堆叠的槽缝化薄片粘结制成，在薄片之间具有短的交叉肋部，并且交替的薄片具有交错排列的交叉肋部。微通道层是由在堆叠的槽缝化薄片之间放置的薄片或垫片来限定，其中薄片仅具有单一长槽缝，横向并位于其下方薄片的槽缝化部分的整体长度上的中心处，所述的横向槽缝在一层中每一对通道的汇聚流动的共同出口点提供。

在薄片堆叠并粘结在一起时，每个薄片上的槽缝之间的(共同)壁部形成微通道的壁部。通道的长宽比由堆叠在一起以形成一层微通道的薄片数量所控制。由于穿过通道的交错的交叉肋部的形成，流体将在穿过通道的交叉肋部的上方和下方均流动，因此穿过该通道的流动是蛇纹状或类似海豚状的。因此，交叉肋部通过由其所引起的微湍流与流动分裂/重组造成热传导系数的增加及由提供额外的热传导与沸腾表面积来增强热传递。

通过在交替的槽缝中封闭第一槽和最后槽的端部来形成微通道入口限制件，其交叉肋部是宽于多个槽缝之间交叉肋部的体积。在槽缝化薄片的交替层中，槽缝的交替封闭端线段相对于上方和下方的槽缝线段交错。当将薄片堆叠并粘结在一起时，所形成的平行通道的横截面在端部形成一种棋盘图案，其作为具有整体流动限制件的通道入口，基本上覆盖50％主要通道的横截面积。

通道的长宽比由堆叠在一起以形成微通道层的薄片的数量控制。这克服了各种技术对高长宽比所施加的限制，例如光化学加工或激光微加工对于制造沟槽或贯通切割/槽缝结构时的限制。这些技术可用于制造多个槽缝之间具有窄壁部的薄片(从而增加每单位宽度的微通道的数量)但具有低的长宽比；通过堆叠和粘结薄片，可以达到所需(较高)的通道长宽比。交叉肋部提供机械强度，防止在薄片粘结在一起时通道横截面的变形。

在另一实施例中，微通道蒸发器使用一层或多层微通道，并且入口限制由横跨每一微通道层的入口的横向条状物或翅片提供，其中条状物或翅片是通道高度的一部分，从而部分阻挡入口。

在以下更详细论述的另一实施例中，基板上方的热“活动”区域中的微通道彼此平行布置，以及在连续的成对的汇聚微通道之间使用多个狭窄入口及出口歧管，将跨越基板的标称整体微通道长度分成两个或更多个汇聚分流的子集合。(这进一步降低了平均微通道长度和蒸发器入口和出口之间的压降，参考图14-15)。

在以下更详细论述的另一实施例中，基板上方的热“活动”区域中的微通道以基本上径向围绕中心出口歧管或腔的周围的方式成对布置。入口歧管是同心的，位于微通道的周围(参考图16)。

在另一实施例中，入口歧管和出口歧管的横截面大于多个微通道的横截面的总和。可蒸发的冷却剂可以是介电流体。可蒸发的冷却剂也可以是制冷剂。

在另一实施例中，微通道蒸发器的各种组件被粘结或熔合，使得蒸发器被密封(除了与歧管连通的流体入口和出口外)，因此蒸发器可以控制提升的内部压力。粘结或熔合方法可包括但不限于扩散粘结，钎焊，焊料焊接，熔焊锻接，烧结等。

在另一实施例中，微通道蒸发器的各种组件以力学形式保持在一起，在组件之间具有合适的密封，使得蒸发器可以控制提升的内部压力。该力学组件可由结构体提供，所述结构体可包括但不限于螺栓，螺柱，夹具，粘合剂等。密封件可包括但不限于垫圈，O形环，填缝料等。

在另一实施例中，微通道蒸发器的底部基座由导热但电绝缘的陶瓷或介电固体(例如氮化铝，碳化硅，氧化铍，金刚石膜等)制成或涂覆。微通道蒸发器接着用作(发热)电子元件的基板，其安装在蒸发器的陶瓷下侧表面上并与之热接触。

层压芯部结构

如上所述，如图1所示的汇聚分流微通道蒸发器可以利用由多个导热薄片构成的沟槽化层压结构来组装。这种薄片的第一形式40如图4所示。它包括公共切口区域42，其是限定微通道的多个槽缝46的分隔线段44。

更具体地，第一形式薄片40包括多个槽缝46的多个线段44，给定线段中的槽缝由作为交叉肋部48的薄壁隔开。这些线段在公共切口区域之间延伸，该公共切口区域在每一槽缝线段的任一端处连接至槽缝。公共切口区域彼此对齐以形成输入导管，并在堆叠多个薄片时形成输入歧管。

参考图5和图6，交替两种或更多种类型的薄片使微通道能在三维中限定。特别地，层压芯部结构通过交替的槽缝化及肋部化薄片组成，在薄片堆叠时，其具有相互错开的交叉肋部，使得每一槽缝线段形成一种连续但蛇形的流动路径(也参见图8-10)。

参考图7，具有切口区域62的导热未槽缝化分隔薄片60也可以在芯部的顶部和底部使用和/或用于分隔微通道层，切口区域62与槽缝化及肋部化薄片的公共切口区域对齐。这些薄片还包括中央切口区域66，其用作微通道的出口歧管并与蒸发器的输出导管对齐；来自中央切口区域下方的微通道的流动被有效地分成两部分，通过中央切口汇聚并上升。

参考图11，交替的槽缝化及肋部化薄片，以非槽缝化分隔薄片置于两侧的堆叠集合，使得形成的芯部结构包括一层或多层，每一层都有多个具有散布交叉肋部的微通道，这些交叉肋部间歇地部分中断流动路径，并提供通道壁部的侧向强化。每层中交替的槽缝化及肋部化薄片的数量，以及薄片厚度和槽宽度，决定了通道深度：通道层的宽度长宽比。分层堆叠的薄片优选地粘结以确保所有薄片彼此导热连通。

参考图12，所形成的子组件接着被粘结到基板74上，以确保基板与微通道层导热连通，而盖子78可被放置并密封于已粘结至底板的所形成的微通道组件76的顶部上，从而形成一种完整的微通道交换器组件70。

参考图13，微通道的输入侧部优选包括流动限制件。这些可以通过在微通道的输入处提供额外的交叉肋部82的方式构建到层压结构中。

上述层压结构使得微通道热交换器具有一层或多层微通道，其水力直径小于500微米，同时微通道具有任意高的深度：宽度长宽比并具有薄壁部。通道具有连接通道壁部的内部交叉肋，并为通道壁部提供机械强度以及中断流体线路的方式以改善热传递。导热薄片和基板材料优选的但不限于金属及其合金；非金属元素，导热碳同素异形体，或导热陶瓷。薄片的粘结可以通过任何确保薄片和基板之间的高导热性的适当的方式进行。

多层微通道是由在槽缝化及肋部化薄片堆叠之间插入额外的导热非槽缝化分隔薄片所形成，导热非槽缝化分隔薄片具有与槽缝化及肋部化薄片的共同切口区域对齐的切口区域。与其他层中的微通道相比，任一层的微通道可具有相同或不同的深度：宽度长宽比和水力直径。

所形成的微通道的深度：宽度长宽比可以至少是2：1，并且优选地在4：1和15：1之间。所形成的微通道之间的壁部可小于200微米，优选厚度为40-100微米之间。基板和微通道壁部可由具有热导率超过100W/m-K的材料制成。所形成的微通道的水力直径可小于500微米，优选在50-200微米之间。

液体入口通道可设有流动限制件，以防止回流或两相流动的不稳定。这些入口限制件是通过在以封闭槽缝化及肋部化薄片堆叠中交替薄片的槽缝(例如通过添加额外的交叉肋部)的入口侧端部的方式提供，从而将入口的开口横截面积降低为通道相对于主通道超过封闭部分的横截面。优选地，微通道封闭(限制件)部分的长度至少为1毫米。

微通道热交换器的各种部件(例如微通道堆叠，基板和上板)可以粘结或熔合，使得交换器是密封的(除了与歧管连通的流体入口和出口之外)，因此交换器可以控制提升的内部压力。粘结或熔合可以通过任何适当的方式完成。

微通道热交换器的各种部件(例如微通道叠层，基板和上板)也可以通过力学方式保持在一起，在部件之间具有适当的密封，使得交换器可以控制提升的内部压力。

在另一实施例中，微通道交换器层的底部基座由导热但电绝缘的陶瓷或介电固体(例如氮化铝，碳化硅，氧化铍，金刚石膜等)制成或涂覆。微通道交换器接着用作(发热)电子元件的基板，其安装在电绝缘但导热的交换器下侧表面上并与之热接触。

制造方法

微通道蒸发器的各种部件，例如，导热基座，微通道层，歧管，盖子，流体入口和出口，槽缝化且肋部化薄片等，可以通过与蒸发器最后组装一致的任意适当的手段制造。这些手段可包括但不限于以下方法及其组合：

·减法制造技术，如机械加工，铣削，蚀刻，冲压，光化学加工，激光烧蚀或微加工，放电加工(EDM)，超声波加工，水射流切割等。

·材料的力学变形，例如通过刮削，“犁切”，冲压，压印，挤压等。

·图案化薄片的层压和粘合，形成具有内部特征和通道的三维结构。薄片可以具有图案的重复区域，因此在粘结之后，这些经粘结的组件可以被切割或切成单独的微通道交换器或交换器子组件。

·增材制造技术(3D打印)，如选择性激光烧结，直接金属激光烧结，选择性激光熔化，立体光刻，熔融沉积建模等。

·粘结或熔合技术，如扩散粘结，钎焊，焊料焊接，熔焊锻接，烧结等。

·机械装配技术，如螺栓，螺柱，夹具，粘合剂等，适当的时候使用密封件，如垫圈，O形圈，填缝剂等。

多部件及非平行实施例

参考图14和15所示，还可以构建多部件汇聚分流微通道蒸发器，例如三部件蒸发器50。这种类型的结构包括三个并联供给的蒸发器，然而它们也可以串联操作。入口导管54从入口开口52接收流体，并将其输送到四个歧管56，58，60，62，供给每一个蒸发器中三排微通道中每一个的两侧70，72，74，76，78，80。有利的是，在相邻的蒸发器之间仅需要提供单个共用歧管。输出导管网络86将流体从三排微通道中的每一排的中心引导到出口88。流动限制件90也设置在歧管和微通道之间。分隔的单部件和多部件流动限制件也可以通过中间导管并联或串联连接。

参考图16所示，非平行交换器也是可能的。例如，可以构造径向交换器92以冷却圆形组件。这种类型的交换器包括微通道94，微通道94从半圆形公共切口区域向内朝着位于中心的输出通道96径向延伸。其他几何形状也是可能的。

也可在入口的上游提供止回阀98，以协助确保在准备启动时没有反向流动。这些可以是任何合适的形式，并且可以部署在本文中描述的任何实施例中。在一具体实施例中，止回阀可包括特斯拉(Tesla)二极管。

根据本发明的实施例可以发展各种不同的冷却配置并应用于各种不同的冷却工作。例如，它们可以与2008年12月26日提交的已公开的PCT申请WO2009/085307，以及2008年11月10日提交的已公开的美国申请US-2009-0229794的教导结合而实现，这两者均通过引用并入本文。

本发明现已结合许多特定的具体实施例加以描述。但是，对于本领域技术人员来说，预期落入本发明范围内的许多修改应该是显而易见的。因此，可预期的，本发明的范围仅受所附权利要求的范围限制。另外，权利要求的陈述顺序不应被解释为限制权利要求中的任何特定术语的范围。

Claims (22)

1.一种汇聚分流微通道蒸发器，包括：

导热接触表面，其与待冷却表面配合，

芯部，其安装成与所述接触表面热连接，并限定至少一层微通道，每一所述微通道均横跨第一端和第二端之间，

第一流体入口，其与限定在所述芯部内的第一组微通道的第一端液压连接，

第一组入口限制件，其位于所述第一流体入口处，每一入口限制件限制流动至限定在所述芯部中的所述第一组微通道其中之一中，

第二流体入口，其与限定在所述芯部的第二组微通道的第一端液压连接，

第二组入口限制件，其位于所述第二流体入口处，每一入口限制件限制流动至限定在所述芯部中的第二组微通道其中之一中，以及

流体出口，其位于所述第一流体入口和所述第二流体入口之间，与所述第一组微通道的第二端液压连接，并且与所述第二组微通道的第二端液压连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一组微通道平行定向于所述第一流体入口和所述流体出口之间，并且其中所述第二组微通道平行定向于所述第二流体入口和所述流体出口之间。

3.根据权利要求2所述的装置，还包括：

第三流体入口，其与限定在所述芯部中的第三组微通道的第一端液压连接，

第三组入口限制件，其位于所述第三流体入口处，每一入口限制件限制流动至限定在所述芯部中的所述第三组微通道其中之一中，

第四组入口限制件，每一入口限制件限制流动至限定在所述芯部中的第四组微通道其中之一中，以及

第二流体出口，其位于所述第三流体入口和所述第二流体入口之间，其中，所述流体出口与限定在所述芯部中的所述第三组微通道中的微通道的第二端液压连接，并且与限定在所述芯部中的第四组微通道中的微通道的第二端液压连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第二流体入口与限定在所述芯部中的所述第三组微通道的第一端和所述第四组微通道的第一端液压连接。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述微通道围绕所述流体出口以径向汇聚的形式组织。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述芯部在与所述导热接触表面的不同距离处限定多层微通道。

7.根据权利要求1所述的装置，其中微通道中的至少一些具有不同的横截面。

8.根据权利要求1所述的装置，其中每一个由所述芯部限定的微通道都具有小于1000微米的水力直径。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一组入口限制件和所述第二组入口限制件由限制件的横截面积限定，所述限制件的横截面积不超过微通道长度剩余部分最大截面的横截面积的约四分之三，并且流动限制件的长度小于所述微通道长度剩余部分的20％。

10.根据权利要求1所述的装置，其中微通道的水力直径小于500微米。

11.根据权利要求1所述的装置，还包括位于所述第一入口和所述第二入口上游的止回阀，以协助确保在准备启动时没有反向流动。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述止回阀包括特斯拉二极管。

13.根据权利要求1所述的装置，其中第一入口限制件和第二入口限制件包括止回阀。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述导热接触表面是基板的一部分，并且其中所述芯部安装在基板上与所述导热接触表面相对。

15.一种蒸发式冷却表面的方法，包括：

使所述表面与蒸发器接触，

使液体冷却剂分别流入蒸发器的至少两个不同的流路中，

将所述液体冷却剂的不同流路中的第一流路输送到所述蒸发器第一组分离的微通道中，

限制液体冷却剂的第一流路进入所述蒸发器中的第一组分离的微通道中，

将液体冷却剂的不同流路中的第二流路输送到所述蒸发器第二组分离的微通道中，

限制所述液体冷却剂的第二流路进入所述蒸发器第二组分离的微通道中，

蒸发所述第一组微通道和所述第二组微通道中的至少一些液体冷却剂，以及

在蒸发步骤之后使流体重新汇聚。

16.根据权利要求15所述的方法，其中使冷却剂流动的步骤是完全被动的。

17.根据权利要求15所述的方法，其中使冷却剂流动的步骤包括毛细作用步骤。

18.根据权利要求15所述的方法，其中使冷却剂流动的步骤是热虹吸过程的一部分。

19.根据权利要求15所述的方法，其中使冷却剂流动的步骤包括泵送步骤。

20.根据权利要求15所述的方法，其中使冷却剂流动的步骤促使制冷剂流动。

21.根据权利要求15所述的方法，其中使冷却剂流动的步骤促使介电流体流动。

22.一种汇聚分流微通道蒸发器，包括：

用于使液体冷却剂分别流入至少两个不同的流路的构件，

用于将所述液体冷却剂的不同流路中的第一流路输送到蒸发器第一组分离的微通道中的构件，

用于限制所述液体冷却剂的第一流路进入蒸发器第一组分离的微通道中的构件，

用于将所述液体冷却剂的不同流路中的第二流路输送到蒸发器第二组分离的微通道中的构件，

用于限制所述液体冷却剂的第二流路进入蒸发器第二组分离的微通道中的构件，以及

用于使响应于所述第一组微通道和所述第二组微通道的流路重新汇聚的构件。