CN116972674A - 一种双导流凸台翅片的微通道换热器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换热器技术领域，尤其涉及一种双导流凸台翅片的微通道换热器及其制备方法。微通道换热器，包括：换热器基板和换热翅片，所述换热翅片设置在换热器基板上，并沿着冷却液流动方向设置多列，相邻两列的所述换热翅片沿垂直于流动方向反向布置；所述换热翅片包括翅片本体、第一导流凸台和第二导流凸台，所述翅片本体垂直于冷却液流动方向具有第一侧和第二侧，所述第一导流凸台设置在所述第一侧的沿流动方向的中部，所述第二导流凸台设置在所述第二侧的沿流动方向的尾部。通过本发明增加了换热面积提高散热效果。

Description

一种双导流凸台翅片的微通道换热器及其制备方法

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，尤其涉及一种双导流凸台翅片的微通道换热器及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着微型化的发展，许多复杂的工程设备，如电子芯片、微型机电系统等，都面临着热通量增加的问题。由此，而引发的高结温工况也成为制约其高速发展的一个瓶颈。在长时间的使用中，过高的温度梯度会引起严重的热失配应力，最终导致热-机械可靠性问题。使用传统的冷却技术无法去除这么多的热量，需要一个更高效的冷却系统，如微通道换热器。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。

当前大部分微通道换热器是在金属或硅基板上加工出若干平行排布的矩形、圆柱、三角等换热器结构，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。但冷却液与换热器流道壁面的接触面积较小，换热能力无法满足当前需求，迫切需要结构方面的改进以达到更佳的散热效果。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供一种双导流凸台翅片的微通道换热器，以增加换热面积提高散热效果。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种双导流凸台翅片的微通道换热器，包括：换热器基板和换热翅片，所述换热翅片设置在换热器基板上，并沿着冷却液流动方向设置多列，相邻两列的所述换热翅片沿垂直于流动方向反向布置；所述换热翅片包括翅片本体、第一导流凸台和第二导流凸台，所述翅片本体垂直于冷却液流动方向具有第一侧和第二侧，所述第一导流凸台设置在所述第一侧的沿流动方向的中部，所述第二导流凸台设置在所述第二侧的沿流动方向的尾部。

可选的，沿着冷却液流动方向相邻的两个换热翅片为第一翅片和第二翅片，所述第一翅片第一导流凸台的上侧面与所述第二翅片的翅片本体上侧面对齐，所述第一翅片的翅片本体的下侧面与所述第二翅片第一导流凸台的下侧面对齐。

可选的，垂直于所述冷却液流动方向布置有多排换热翅片，相邻两排换热翅片之间具有第一间隙，所述第一间隙形成冷却液的主流道，所述主流道平行于所述冷却液的流动方向；所述第一翅片的第二导流凸台和第二翅片的翅片本体之间具有第二间隙，所述第二间隙形成冷却液的二次流道，所述二次流道与所述主流道呈预定角度。

可选的，沿着所述冷却液流动方向，每列换热翅片的长度递减，其中，所述第一导流凸台和翅片本体的长度递减，所述第二导流凸台的长度不变。

可选的，所述长度递减为按照等差递减。

可选的，沿着所述冷却液流动方向，后一列换热翅片的长度比前一列换热翅片的长度短40微米。

可选的，所述第一导流凸台前侧设置有第一迎流角，后侧设置有第一导流角，所述第一迎流角前侧的翅片本体为第一过渡段，所述第一导流角后侧的翅片本体为第二过渡段，所述第二导流凸台前侧设置有第二迎流角，后侧设置有第二导流角。

可选的，所述第一迎流角为135°，所述第一导流角为45°；所述第二迎流角为135°，所述第二导流角为45°。

可选的，所述第一导流凸台厚度为0.1mm，所述翅片本体厚度为0.1mm，所述第二导流凸台厚度为0.05mm，所述第一过渡段和第二过渡段长度为0.2mm。

本发明实施例还提供了一种如上所述的双导流凸台翅片的微通道换热器的制备方法，包括：

筛选出一块金属基板，对金属基板进行预处理；

将金属集体固定到微细电火花加工机工作台上，对金属基板的待加工表面进行校平；

根据微通道结构的形状及尺寸设置电极加工路径，确定电极的移动轨迹和加工深度；

启动微细电火花加工机，按照预定的路径进行加工，通过电火花放电的方式逐渐将工件表面材料腐蚀，形成微通道结构；

取下工件，对加工后的金属基板进行清洗。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.本发明在基板之上布置的双导流凸台翅片结构，可以增加散热器的有效表面积，从而提高热量传递和换热效率，通过增加表面积，可以更好地利用冷却介质与翅片之间的传热接触，加快热量传递过程。

2.本发明所布置双导流凸台翅片结构可以改善流体流动的导向性和均匀性，减少流体阻力和压降，有助于提高散热器的流体流通效率，并减少对流体泵送所需的能量消耗，促进冷却介质在散热器内部的均匀流动，避免热点区域的温度集中现象，提高整体温度均匀性。

3.本发明错列排布双导流凸台翅片结构增强了微流道内冷却剂受到的扰动，其交错导流排布结构使得冷却液在微通道中一直处于热发展段，冷却工质在换热段进行多次的分流及汇流来完成热量传输，获得比传统翅片换热器更高的传热效率，显著提高了散流道冷却效率，提高了整体的热性能。

4.本发明沿流动方向翅片横截面积以等差数列排布形式变小，通过引入加速变化的二次流，打破流体在微通道中的较大流动惯性，使热量更均匀地分布在整个微通道表面，提高传热效率以及温度均匀性。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例的换热翅片在换热器基板上的分布示意图；

图2是本发明实施例的换热翅片局部放大示意图；

图3是本发明实施例的单个换热翅片示意图；

图4是本发明实施例的微通道换热器爆炸图；

图中：1、换热器基板；2、换热翅片；2a、第一翅片；2b、第二翅片；21、第一导流凸台；211、第一迎流角；212、第一导流角；22、翅片本体；23、第二导流凸台；231、第二迎流角；232、第二导流角；24、第一过渡段；25、第二过渡段；3、主流道；4、二次流道；5、上盖板；51、进水口；52、出水口；

为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1-图4所示，本发明一实施例中提出了一种双导流凸台翅片的微通道换热器，包括：换热器基板1和换热翅片2，所述换热翅片2设置在换热器基板1上，并沿着冷却液流动方向设置多列，相邻两列的所述换热翅片2沿垂直于流动方向反向布置，如图1、图2所示，所述换热翅片2隔列形状一致，所述换热翅片2相邻列采用交错阵列排布，并呈反向布置形成微通道结构。

单个所述换热翅片2如图3所示，包括翅片本体22、第一导流凸台21和第二导流凸台23，所述翅片本体22垂直于冷却液流动方向具有第一侧(即图3中上侧)和第二侧(即图3中下侧)，所述第一导流凸台21设置在所述第一侧的沿流动方向的中部，所述第二导流凸台23设置在所述第二侧的沿流动方向的尾部。

其中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中出现的“上”、“下”、“前”、“后”字样，仅表示与附图本身的上、下、前、后方向一致，其中，“前”、“后”是指沿着冷却液的流动方向，具体的，“前”指图1中左侧，“后”指图1中右侧。并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

通过本发明的双导流凸台翅片结构形成的微通道，能够增加换热面积，协同翅片的交错排布，提高了换热器中微流道的散热性能，改善流体流动的导向性，减少流体阻力和压降，有助于减少泵送流体所需的功耗，并降低系统能耗。

相比于蛇形、翼型以及锯齿形的微通道结构，在导流降低压降的同时，可以提高翅片与冷却工质的接触面积。

相比于圆环翅片错位交错布置，本发明具有更大的冷却工质接触面积，即有效散热面积更大，通过第一、第二导流凸台23对于压降损失降低的同时获得了大的换热性能。而且，本发明的前后双导流凸台翅片反向交错反向布置，进一步优化流体流动路径，使得冷却工质在经过后端第二导流凸台23后，沿冷却工质流动方向，导向第一导流凸台21，提高整体换热面积的同时，降低了通道的压降损失，降低泵送功耗。

另外，无狭缝产生，直线过渡段，进一步降低压降损失。

沿着冷却液流动方向相邻的两个换热翅片2为第一翅片2a和第二翅片2b，所述第一翅片2a第一导流凸台21的上侧面与所述第二翅片2b的翅片本体22上侧面对齐，所述第一翅片2a的翅片本体22的下侧面与所述第二翅片2b第一导流凸台21的下侧面对齐。

垂直于所述冷却液流动方向布置有多排换热翅片2，相邻两排换热翅片2之间具有第一间隙，所述第一间隙形成冷却液的主流道3，所述主流道3平行于所述冷却液的流动方向；所述第一翅片2a的第二导流凸台23和第二翅片2b的翅片本体22之间具有第二间隙，所述第二间隙形成冷却液的二次流道4，所述二次流道4与所述主流道3呈预定角度。

相比于蛇形、翼型以及锯齿形的微通道结构，本发明翅片考虑了流体的流动路径和分布，翅片布置均匀，形成主流道3和二次流道4，降低了冷却工质通过翅片时的阻力和压降，有助于减少系统能耗，并提高散热器的传热性能。

沿着所述冷却液流动方向，每列换热翅片2的长度递减，具体的，所述第一导流凸台21和翅片本体22的长度递减，所述第二导流凸台23的长度不变。具体的，所述长度递减为按照等差递减，仅进行变密度翅片排布。

本发明采用由疏到密的交错布置排列，加速二次流的形成过程，降低温度变化梯度，提高温度均匀性。采用翅片长度的等差密度变化，提高整体流动均匀性的同时，也降低加工难度以及加工成本。

如图3所示，所述第一导流凸台21前侧设置有第一迎流角211，后侧设置有第一导流角212，所述第一迎流角211前侧的翅片本体22为第一过渡段24，所述第一导流角212后侧的翅片本体22为第二过渡段25，所述第二导流凸台23前侧设置有第二迎流角231，后侧设置有第二导流角232。

上述微通道换热器的制备方法，包括：

S1、筛选出一块金属导热性能良好的基板，如铜或者铝，检查加工件的质量，确保其符合要求，若存在其他缺陷或不良特征，应先进行修正或修复。

S2、对上述金属基板进行去毛刺处理，进行工件的检验，以确保毛刺已经完全去除并符合质量标准。

S3、对上述去除毛刺的金属基板，使用夹具固定到微细电火花加工机工作台上，确保工件稳定且正确定位，利用杠杆百分表对基板待加工的表面进行校平。

S4、根据工件材料和设计要求，设置微细电火花加工机的放电电流、脉冲间隔、放电时间。

S5、根据微通道结构的形状及尺寸设置电极加工路径，确定电极的移动轨迹和加工深度。

S6、启动微细电火花加工机，按照预定的路径进行加工，电极会通过电火花放电的方式逐渐将工件表面材料腐蚀，形成微通道结构。

S7、取下工件，对加工后的金属基板进行清洗，得到微通道结构。

S8、对上述微通道结构，通过钎焊将交错变密度双导流凸台翅片的微通道结构与上盖板5连接，上盖板5上设置有进水口51和出水口52，与外部接管和水泵进行连接，实现整体的组装，以形成一个可以实现换热器完整换热的强制循环回路。

为了使本发明实施例提供的技术方案更加清楚，以一个实例对本申请实施例提供的微通道换热器进行说明。

如图1-4所示，包括一换热器基板1，换热器基板1上布置有换热翅片2，换热翅片2包括第一导流凸台21、翅片本体22和第二导流凸台23，所述第一导流凸台21在其前端设置有第一迎流角211，后端设置有第一导流角212，所述第一迎流角a为135°，所述第一导流角c为45°，沿冷却工质流动方向，改善流体流动的导向性和均匀性，减少流体阻力，对降低沿冷却工质流动方向的压降损失，具有很好的效果。

所述第二导流凸台23，通过添加凸台结构，增加了其换热面积，提高了传热性能，所述第二导流凸台23在其前端设置有第二迎流角231，后端设置有第二导流角232，所述第二迎流角b为135°，所述第二导流角d为45°，可使得流体有效的经过第一翅片2a，并流向其沿冷却工质流动方向相邻的第二翅片2b，采用双凸台结构设计，也有利于降低其摩擦系数。

所述第一翅片2a与第二翅片2b，沿冷却工质流动方向，采用交错布置，所述第二翅片2b的结构形状为第一翅片2a结构形状沿冷却工质流动方向为轴线翻转180°所得，具体布置结构如图2所示，通过交错布置，增大了对冷却液的扰动，促进了流体的充分混合，流体的充分混合显著提高了换热系数，提供了比传统微流道结构更大的散热接触面积，提高了对流换热效率。

沿垂直于流动方向上，相邻两排换热翅片2之间的间距为0.2mm，即主流道3宽度。沿流动方向上，相邻两列换热翅片2之间的间距为0.15mm，即二次流道4宽度。

所述换热翅片2的高度为0.3mm，厚度为0.25mm，左侧第一列换热翅片2的长度为1.375mm。所述第一导流凸台厚度为0.1mm，所述翅片本体22厚度为0.1mm，所述第二导流凸台23厚度为0.05mm。所述第一过渡段24和第二过渡段25长度为0.2mm，所述第二导流凸台23长度为0.2mm。在沿流体流动方向，换热翅片2长度以公差为40μm进行等差数列递减变化。其中，高度为图4中上下方向的尺寸，厚度为图3中上下方向的尺寸，长度为图3中左右长度的尺寸。

上述的微通道换热器，在基板之上布置的双导流凸台翅片，在减小冷却工质流动压降的同时增大了冷却工质的散热接触面积，并且两段导流的凸台翅片结构可以增加流体的扰动，对于层流雷诺数的流动条件，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。

通过错列排布双导流凸台翅片结构，增加换热器的有效表面积，从而提高热量传递和换热效率，更好地利用冷却介质与翅片之间的传热接触，加快热量传递过程，增强了微流道内冷却剂受到的扰动，其交错导流排布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，获得比传统翅片换热器更高的传热效率，显著提高了换热器的流道冷却效率，提高了整体的热性能。

双导流凸台翅片改善流体流动的导向性和均匀性，减少流体阻力和压降，有助于提高散热器的流体流通效率，并减少对流体泵送所需的能量消耗。

双导流凸台翅片沿流动方向横截面积以等差数列排布形式变小，通过引入加速变化的二次流，打破流体在微通道中的较大流动惯性，使热量更均匀地分布在整个微通道表面，提高传热效率以及整体温度均匀性。

上述的微通道换热器制造方法，包括如下步骤：

S1、取一块长12.5mm，宽10mm，厚3.5mm的紫铜基板作为微通道基板，本实施例中选择12.5×10mm，实际应用中可根据目标芯片或微系统尺寸决定。

S2、对上述基板表面进行去毛刺处理，采用表面粗糙度仪，测量基板的表面粗糙度，确保毛刺处理后的表面光滑度符合要求。

S3、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。

S4、基板具有较高的导电性能，设置其放电电流为2A-4A之间，脉冲间隔为1-10μs之间，放电时间为1-20μs之间。

S5、选择用铜电极作为微细电火花加工的电极，其电极半径为40μm，长为1.2mm；根据交错变密度双导流凸台翅片的微通道换热器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120V，放电电容120pF，正极性加工，主轴转速为3500r/min，峰值电流为40A，脉宽为120μs，选择矿物油作为加工时的绝缘介质。

S6、电极在预设的加工路径上往复扫描，以确保整个加工区域都可被覆盖，之后进行分层铣削逐渐加工材料，以控制电极损耗补偿，每扫描加工一层的轴向进给量为10-25μm，加工至0.3mm深度时停止加工。经过上述处理之后，在基板的表面电蚀出的交错变密度双导流凸台翅片的高度为0.3mm，相邻翅片间形成主流道3宽为0.2mm，二次流道4为0.15mm的微通道结构，沿冷却工质流动方向相邻两列交错等差递减排布，公差为40微米，相邻两列翅片交错区域长也为40微米；以两排的形状为一个单元，等差递减交错排列在基板之上。

S7、取下并清洗具有交错变密度双导流凸台翅片结构的紫铜基板1，使用矿物油进行超声波清洗约1.5小时，然后使用去离子水进行超声波清洗约1小时，以彻底去除油污和氧化皮，得到最终的清洁的紫铜基板。

S1、通过钎焊的方式将上述清洁的带有交错变密度双导流凸台翅片的紫铜微通道基板与上盖板5相配，并与外部接管和水泵进行连接，实现整体的组装，以形成一个可以实现换热器完整换热的强制循环回路，如图4所示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

最后需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，虽然所述步骤按照1、2、3…顺序列出，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

Claims (10)

1.一种双导流凸台翅片的微通道换热器，其特征在于，包括：换热器基板和换热翅片，所述换热翅片设置在换热器基板上，并沿着冷却液流动方向设置多列，相邻两列的所述换热翅片沿垂直于流动方向反向布置；

所述换热翅片包括翅片本体、第一导流凸台和第二导流凸台，所述翅片本体垂直于冷却液流动方向具有第一侧和第二侧，所述第一导流凸台设置在所述第一侧的沿流动方向的中部，所述第二导流凸台设置在所述第二侧的沿流动方向的尾部。

2.如权利要求1所述的双导流凸台翅片的微通道换热器，其特征在于，沿着冷却液流动方向相邻的两个换热翅片为第一翅片和第二翅片，所述第一翅片第一导流凸台的上侧面与所述第二翅片的翅片本体上侧面对齐，所述第一翅片的翅片本体的下侧面与所述第二翅片第一导流凸台的下侧面对齐。

3.如权利要求2所述的双导流凸台翅片的微通道换热器，其特征在于，垂直于所述冷却液流动方向布置有多排换热翅片，相邻两排换热翅片之间具有第一间隙，所述第一间隙形成冷却液的主流道，所述主流道平行于所述冷却液的流动方向；所述第一翅片的第二导流凸台和第二翅片的翅片本体之间具有第二间隙，所述第二间隙形成冷却液的二次流道，所述二次流道与所述主流道呈预定角度。

4.如权利要求1所述的双导流凸台翅片的微通道换热器，其特征在于，沿着所述冷却液流动方向，每列换热翅片的长度递减，其中，所述第一导流凸台和翅片本体的长度递减，所述第二导流凸台的长度不变。

5.如权利要求4所述的双导流凸台翅片的微通道换热器，其特征在于，所述长度递减为按照等差递减。

6.如权利要求5所述的双导流凸台翅片的微通道换热器，其特征在于，沿着所述冷却液流动方向，后一列换热翅片的长度比前一列换热翅片的长度短40微米。

7.如权利要求1所述的双导流凸台翅片的微通道换热器，其特征在于，所述第一导流凸台前侧设置有第一迎流角，后侧设置有第一导流角，所述第一迎流角前侧的翅片本体为第一过渡段，所述第一导流角后侧的翅片本体为第二过渡段，所述第二导流凸台前侧设置有第二迎流角，后侧设置有第二导流角。

8.如权利要求7所述的双导流凸台翅片的微通道换热器，其特征在于，所述第一迎流角为135°，所述第一导流角为45°；所述第二迎流角为135°，所述第二导流角为45°。

9.如权利要求7所述的双导流凸台翅片的微通道换热器，其特征在于，所述第一导流凸台厚度为0.1mm，所述翅片本体厚度为0.1mm，所述第二导流凸台厚度为0.05mm，所述第一过渡段和第二过渡段长度为0.2mm。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的双导流凸台翅片的微通道换热器的制备方法，其特征在于，包括：

筛选出一块金属基板，对金属基板进行预处理；

将金属集体固定到微细电火花加工机工作台上，对金属基板的待加工表面进行校平；

根据微通道结构的形状及尺寸设置电极加工路径，确定电极的移动轨迹和加工深度；

启动微细电火花加工机，按照预定的路径进行加工，通过电火花放电的方式逐渐将工件表面材料腐蚀，形成微通道结构；

取下工件，对加工后的金属基板进行清洗。