CN115540641B - 一种特斯拉型微通道流动沸腾换热器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微通道换热器技术领域，特别是涉及一种特斯拉型微通道流动沸腾换热器及其制备方法。其包括盖板、特斯拉微通道、储液腔、基板、分流岛以及微肋；盖板盖在基板上；盖板与基板组合形成密封结构；基板中间设有若干平行并等间距排列的特斯拉微通道，特斯拉微通道中间布置有凸起的分流岛；沿着特斯拉微通道的壁面布置有多组微肋；基板的底部与功耗器件接触换热；本发明具有显著的流体二极管效应，抑制了沸腾换热过程的蒸汽逆流，强化了换热过程尤其是沸腾换热的两相流动稳定性；有效的蒸汽逆流抑制作用有助于促进冷却工质进入微通道，维持通道内换热表面的湿润，强化沸腾换热效率。

Description

一种特斯拉型微通道流动沸腾换热器及其制备方法
技术领域
本发明涉及微通道换热器技术领域，特别是涉及一种特斯拉型微通道流动沸腾换热器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着半导体技术的高速发展，电子元器件的集成化程度越来越高，导致了单位面积发热量过高，因此对换热器的散热能力提出了更高的要求。微通道流动沸腾换热器由于比表面积高、体积小和单位面积散热能力高的优点，被认为是解决高热流密度元器件换热问题的有效途径。但是常规的光滑矩形微通道流动沸腾换热器存在高热流度时局部易干涸，蒸汽逆流和沸腾不稳定等问题，严重限制了微通道流动换热器的进一步应用。
为满足高热流密度电子元器件的散热需求，新型微通道换热器需要保持高效的换热效率。首先应该提高微通道流动沸腾的稳定性，国内外学者主要通过加入入口控制器来控制通道内的蒸汽逆流，提高通道内的流动稳定性。例如，论文Suppression ofBoilingFlow Oscillations in Parallel Microchannels by Inlet Restrictors,JournalofHeat Transfer,128(2006)251-260提出了一种进口节流微结构并进行了结构参数优化，结果表明沸腾传热不稳定性得到改善，沸腾传热性能显著增强。但是相应的入口节流结构往往会增加流动阻力，需要更多泵功驱动工质流动，因此降低了散热器的整体效率。另外随着热流密度的提高，常规微通道壁面的工质逐渐干涸，散热效率迅速下降。为此需要强化液体工质的补充。通过修改表面润湿性有利于气泡的脱离和液体的及时补充，公告号为CN113731771的中国专利公开了一种三维复合润湿性表面的微通道及其制备方法。其中，微通道的侧面和底面加工为超亲水性表面从而强化了微通道表面的再润湿和换热能力，有效延迟了干涸现象。而微通道的顶面加工为超疏水的表面可以提高气化核心密度来强化换热。但是在实际工程中表面润湿性处理的耐用性和强度有限，不具备微通道换热器高效运行和长期的工程应用前景。
发明内容
本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种能够有效改善流道结构，抑制两相流动不稳定性，促进液体的补充和铺展，强化传热能力从而保证微通道换热器的高效散热的特斯拉型微通道流动沸腾换热器及其制备方法。
本发明的技术方案，一种特斯拉型微通道流动沸腾换热器及其制备方法，包括盖板、特斯拉微通道、储液腔、基板、分流岛以及微肋；
盖板盖在基板上；盖板与基板组合形成密封结构；盖板的左右两侧分别预留冷却工质出口和冷却工质入口；
基板中间设有若干平行并等间距排列的特斯拉微通道，特斯拉微通道中间布置有凸起的分流岛；沿着特斯拉微通道的壁面布置有多组微肋；基板的左右两侧均设置有储液腔；储液腔与特斯拉微通道相连通；储液器位于冷却工质入口和冷却工质出口的下方；基板的底部与功耗器件接触换热。
微通道设计为特斯拉型，具有显著的单向流动特性，抑制了沸腾换热过程的蒸汽逆流，强化了换热过程尤其是沸腾换热的两相流动稳定性。微通道中间设有凸起的分流岛，分流蒸汽的逆向流动，一部分进入特斯拉弯道后流动方向发生变化，弱化了逆向流动的强度。周期性的特斯拉结构逐次减弱蒸汽的逆流，最终达到抑制蒸汽流向冷却工质入口端。显著的蒸汽抑制有助于促进冷却工质进入微通道，维持通道内换热表面的湿润，强化沸腾换热效率。微通道壁面布置有微肋结构。相比普通光壁微通道，微肋极大地增强了侧壁边界毛细压力，促进了冷却工质在换热表面的毛细流动与铺展，形成持续的薄液膜，从而显著地增强了薄膜蒸发。
单个特斯拉微通道结构由2n个特斯拉单元组成，其中n l＝L,其中l单个特斯拉单元长度，L为特斯拉微通道长度，n＝1,2,3……。特斯拉单元由弯道和直通道两部分组成，弯道和直通道之间的夹角θ范围在0～180°之间。特斯拉单元结构会整流流体的逆向流动，当流体逆向流动经过特斯拉结构时会产生很大的摩擦阻力和动量损失，因此特斯拉单元结构对蒸汽逆流现象起到了有效地抑制作用，从而强化了微通道内的换热效率。
分流岛为菱形、矩形、梯形或扇形。分流结构的两边分别与微通道的上下两壁边平行，两边之间形成的角度α范围在0～90°之间。分流岛能够对逆流的蒸汽起到良好的导引作用，蒸汽经过分流岛时主通道分为两条通道，蒸汽进入特斯拉弯道后流动方向发生改变，造成了动量损失，从而显著地抑制了蒸汽的逆流现象。
微肋为圆柱形、尖锥形、矩形或扇形。微肋的等效直径为Dp，肋与肋之间的距离为Ds，肋与通道壁之间的距离为Dg。微肋等效直径Dp和微肋间的距离Ds之间满足nDp+(n-1)Ds＝a,n>3,其中a表示特斯拉微通道壁长。微肋与通道壁之间的距离Dg小于KH不稳定性的临界波长，即满足，Dg<2πσ/(ρvUc 2)，其中ρv，Uc和σ分别为气相密度，亥姆霍兹临界速度和表面张力。微肋结构能够增强侧壁边界的毛细压力，加强对流体的驱动力从而增强局部再润湿，有利于形成稳定且可持续的薄液膜，从而显著促进薄膜蒸发以强化沸腾传热。
制备所述具有特斯拉型的微通道换热器方法为：
(1)将清洗干净的盖板用机械打孔机加工出工质的进出口；
(2)将清洗干净的基板放在加工床上，采用微铣削/线切割加工方法加工出特斯拉型的微通道,以及多边形分流结构和进出口的工质槽；
(3)将加工好的微通道基板依次放在丙酮、5％稀硫酸超声波清洗机中清洗处理，再用去离子水浸泡和清洗，最后进行烘干干燥，获得初加工的特斯拉微通道。
(4)将所述初加工的特斯拉微通道基板放在激光加工器上，后台数字化编写需要加工的路径和尺寸，对特斯拉微通道壁进行激光加工，制备出具有微肋的特斯拉微通道；
(5)将加工好的特斯拉微通道依次放在装有5％稀硫酸溶液中和去离子水的超声波清洗机中进行清洗，最后用恒温干燥箱进行烘干。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
1、特斯拉型微通道具有良好的“流体二极管”效应，流体沿着正向可以顺利流过，而沿着逆流方向由于较大的摩擦阻力和动量损失存在很大的压力损失。另外特斯拉型微通道中的分流岛结构使得蒸汽分流并在流经特斯拉弯道中改变流动方向，造成动量损失。因此主通道中存在的周期性均匀分布的特斯拉单元和分流岛结构共同抑制了蒸汽逆流现象，从而显著强化了沸腾传热效率。
2、微通道壁面制备的微肋结构显著增强了毛细压力，强化了毛细流动，促进了液体的铺展从而使表面能够得到及时的液体补充并形成持续稳定的薄液膜，延迟了临界现象，强化了薄膜蒸发传热。同时微肋结构具有简单的加工工艺，良好的强度和耐用性，具备长期的工程应用前景。
3、采用方便高效的微铣削/线切割和激光加工方法，可实现特斯拉微通道结构的高质量和低成本的制备，为基于特斯拉微通道结构的高效换热器件提供技术支撑。
附图说明
图1为特斯拉微通道换热器的示意图；
图2为含分流岛的特斯拉型微通道流动路径示意图；
图3为含微肋分流岛的特斯拉型微通道流动路径示意图；
图4为具有菱形分流块的特斯拉微通道分流岛结构示意图；
图5为具有梯形分流块的特斯拉微通道分流岛结构示意图；
图6为具有矩形分流块的特斯拉微通道分流岛结构示意图；
图7为微肋结构示意图之一；
图8为微肋结构示意图之二；
图9为盖板机械打孔的加工示意图；
图10为微铣削加工特斯拉微通道的结构示意图；
图11为激光加工微肋结构的示意图；
图12为特斯拉型实体加工示意图；
图13为微肋实体加工示意图；
图14为特斯拉型微通道实验结果图之一；
图15为特斯拉型微通道实验结果图之二。
附图标记：1、上盖板；2、特斯拉微通道；3、基板；4、微肋；5、分流岛；6、工质进入孔；7、工质流出孔；8、储液腔；9、功耗器件；10、薄液膜；11、钻头；12、钻柄；13、铣刀；14、激光束；15、聚光斑。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明提出的一种特斯拉型微通道流动沸腾换热器及其制备方法，微通道换热器包括盖板1、特斯拉微通道2和基板3、特斯拉微通道2包括分流岛5，微肋4和储液腔8。冷却工质从盖板1上的工质进入孔6进入到特斯拉微通道2的储液腔8中，工质流经特斯拉微通道2并从功耗器件9中吸收热量，工质的温度达到对应压力下的饱和温度开始发生沸腾。沸腾产生的蒸汽逆流经过分流岛5，蒸汽动量由于特斯拉型通道的梯级调控不断损失，逆流强度不断降低。工质继续流向储液腔8的另一端并从工质流出孔7的另一端流出。随着功耗器件9热流密度的增加，特斯拉微通道2的通道表面工质快速沸腾，微肋4通过毛细作用力不断补充液体，液体在壁间铺展强化薄膜蒸发，从而强化微通道的沸腾传热效率。
图2-3给出了特斯拉微通道2流动路径示意图，其中图2为含分流岛的特斯拉型微通道2，图3为含微肋分流岛的特斯拉型微通道。工质在微通道中存在正向和逆向两个流动方向。由于特斯拉微通道2存在的单向流动特性，当工质流体沿着正向路径流动时，流动阻力小，流体可以顺利流过。当工质流体沿着逆向路径流动时，由于会产生很大的摩擦阻力和动量损失，流体在该方向存在较大的流动阻力。
图4-6给出了一些特斯拉微通道2的分流岛结构示意图，微通道的分流岛分别为菱形块、梯形块和矩形块结构。分流岛5的两边分别与微通道的上下两壁边平行，两边之间形成的角度α范围在0～90°之间，具体的结构尺寸和形状根据实际应用场合决定。
图7-8给出了微肋4的结构示意图，随着功耗器件9发热量的不断增加，特斯拉微通道2的传热表面上出现干涸。微肋4增强了微通道壁边界的毛细压力，促进了液体的毛细流动，液体的及时铺展形成了稳定持续的薄液膜10，从而强化了薄膜蒸发。图8给出了微肋4局部结构放大示意图，微肋4的有效直径为Dp，微肋4与微肋4之间的距离为Ds,肋与通道壁之间的距离为Dg。微肋4有效直径Dp和微肋4间距离Ds之间满足n Dp+(n-1)Ds＝a，n>3，其中L表示特斯拉微通道2壁长，微肋4与通道壁之间的距离Dg小于KH不稳定性的临界波长。
图9-11给出了特斯拉微通道2加工示意图，本发明提供一种具有特斯拉微通道2换热器的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)盖板1制备：切除一块15mm(长)×8mm(宽)×1mm(厚)的石英玻璃，采用去离子水洗去表面的污渍并进行干燥处理，将玻璃板装夹在钻孔机上，通过钻柄12将钻头11与钻机连接；采用2mm的钻头11在石英玻璃的两端加工出呈对称的工质进口孔6和工质出口孔7；
(2)特斯拉微通道2制备：切除一块15mm(长)×8mm(宽)×2mm(厚)的紫铜块，采用去离子水清除表面的污渍并放在恒温干燥箱里进行烘干处理，将紫铜块微通道基板3放在微铣削加工机床上，采用0.1-0.2mm的微铣刀13加工出10mm(长)×0.4mm(宽)×1.2mm(厚)特斯拉单元结构的微通道2和菱形分流块结构5,以及两端2.5mm(长)×6mm(宽)×1.2mm(厚)的储液腔8；
(3)清洗干燥：将加工好的特斯拉微通道2基板3依次放在丙酮溶液、5％稀硫酸超声波清洗机中清洗15分钟来除去表面有机物和氧化物，再用去离子水清洗表面10分钟并用恒温干燥箱中进行烘干处理20分钟；
(4)微肋4制备：将特斯拉微通道2基板3固定在激光器上的夹具上，在激光后台软件数字化编写需要加工的尺寸和路径，使用激光束14经聚光斑15投射到需加工的区域进行扫描加工，设置激光功率为30W,扫描频率为50次,从而得到沿壁面均匀分布的微肋4；将加工好的特斯拉微通道2放入盛有5％稀硫酸的超声波清洗机中进行15分钟清洗从而去除表面的氧化物，再放入装有去离子水的超声波清洗机中进行清洗表面10分钟，最后用恒温干燥箱中进行烘干处理20分钟。
(5)封装处理：将盖板1与基板3的上表面贴合一起，采用键合机将微通道换热器贴合封装。
图12-13为已加工的特斯拉型微通道的SEM图，特斯拉型实体的加工过程如图9-11所示。由图所示，特斯拉微通道2中加工了周期性的梯形分流岛5结构并沿微通道壁表面上制备了大量的微肋4结构。
图14-15给出了已加工的特斯拉型微通道实验结果图。分别对比了具有新型的微肋4特斯拉型微通道，特斯拉微通道2和普通光滑微通道的沸腾传热性能。实验结果表明，由于全域梯级调控蒸汽逆流，协同强化工质的全域分布和局部再润湿作用从而显著强化薄膜蒸发作用，新型的微肋4特斯拉型微通道的传热效率比普通光壁微通道提高了约5倍，临界热流密度提高了6倍。因此本特斯拉型微通道换热器能够有效维持沸腾稳定性，延迟临界干涸从而显著强化沸腾传热。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。

Claims (8)

1.一种特斯拉型微通道流动沸腾换热器，其特征在于，包括盖板、特斯拉微通道、储液腔、基板、分流岛以及微肋；
盖板盖在基板上；盖板与基板组合形成密封结构；盖板的左右两侧分别预留冷却工质出口和冷却工质入口；
基板中间设有若干平行并等间距排列的特斯拉微通道，特斯拉微通道中间布置有凸起的分流岛；沿着特斯拉微通道的壁面布置有多组微肋；分流岛为菱形、矩形、梯形或扇形；分流岛的上边与上端特斯拉单元的直通道平行，分流岛的下边与下端特斯拉单元的直通道平行；沸腾产生的蒸汽逆流经过分流岛，蒸汽动量由于特斯拉型通道的梯级调控不断损失，逆流强度不断降低；
微肋为圆柱形、尖锥形、矩形或扇形；微肋的等效直径为Dp，肋与肋之间的距离为Ds，肋与通道壁之间的距离为Dg；
微肋等效直径Dp和微肋间的距离Ds之间满足nDp+(n-1)Ds＝a,n>3,其中a表示特斯拉微通道壁长；微肋与通道壁之间的距离Dg小于KH不稳定性的临界波长，即满足，Dg<2πσ/(ρvUc 2)，其中ρv，Uc和σ分别为气相密度，亥姆霍兹临界速度和表面张力；
基板的左右两侧均设置有储液腔；储液腔与特斯拉微通道相连通；储液器位于冷却工质入口和冷却工质出口的下方；
基板的底部与功耗器件接触换热。
2.根据权利要求1所述的特斯拉型微通道流动沸腾换热器，其特征在于：单个特斯拉微通道由2n个特斯拉单元组成；
其中nl＝L,其中l为单个特斯拉单元长度，L为特斯拉微通道长度，n＝1,2,3……；特斯拉单元由弯道和直通道两部分组成，弯道和直通道之间的夹角θ范围在0～180°之间。
3.一种特斯拉型微通道流动沸腾换热器的制备方法，制备如权利要求1-2任一项所述的换热器，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1、将清洗干净的盖板用机械打孔机加工出工质的进出口；
S2、将清洗干净的基板放在加工床上，制备具有特斯拉型的微通道；
S3、将加工好的微通道基板清洗干燥，获得初加工的特斯拉微通道；
S4、在特斯拉微通道壁面间加工微肋，并对特斯拉微通道清洗烘干；
S5、进行封装处理。
4.根据权利要求3所述的特斯拉型微通道流动沸腾换热器的制备方法，其特征在于，
S2中将清洗干净的基板放在加工床上，采用微铣削/线切割加工方法加工出特斯拉型的微通道,以及多边形分流岛结构和进出口工质的储液腔。
5.根据权利要求3所述的特斯拉型微通道流动沸腾换热器的制备方法，其特征在于，S3中将加工好的微通道基板依次放在丙酮、5％稀硫酸超声波清洗机中清洗，再用去离子水清洗，最后进行烘干。
6.根据权利要求3所述的特斯拉型微通道流动沸腾换热器的制备方法，其特征在于，具有微肋的特斯拉微通道壁的制备过程，具体包括以下步骤：
S41、将初加工的特斯拉微通道基板放在激光加工器上，后台数字化编写需要加工的尺寸和路径，对特斯拉微通道壁进行区域激光加工，制备出具有微肋的特斯拉微通道结构；
S42、将加工好的特斯拉微通道依次放在装有5％稀硫酸溶液和去离子水的超声波清洗机中进行清洗，并用恒温干燥箱进行烘干。
7.根据权利要求3所述的特斯拉型微通道流动沸腾换热器的制备方法，其特征在于：微通道基板的材料为铜、铝、不锈钢的金属合金或硅及同族元素的非金属合金。
8.根据权利要求3所述的特斯拉型微通道流动沸腾换热器的制备方法，其特征在于：换热流体包含为水、R134a、甲醇、乙醇或丙醇。
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