TW201309993A - 微通道熱交換器及反應器 - Google Patents

Abstract

一種爐芯或微通道熱交換器之製造方法包含由線及片材製造構造體。此等構造體接著根據用於爐芯之通道之所欲位向堆疊在一起。經堆疊之構造體接著被接合在一起以形成爐芯。

Description

微通道熱交換器及反應器

本申請案請求2011年4月12日所提出之美國暫時申請案第61/474,698號(代理人案號100842.4號)之優先權。

本發明係有關微通道熱交換器；本發明特別係有關微通道熱交換器製造方法。

本發明利用政府支援，在能源部(DOE)所獎勵DE-FG02-07ER84875下完成。政府對本發明有某些權利。

微通道系熱交換器對減少熱交換器之重量及容積有很大的承諾。由於熱傳遞係數與通道直徑成反比增加，因此，傳遞既定量之熱所需表面積量直接隨著通道直徑減少。這打開重量減少、使用極小通道之極小型熱交換器的可能性。當通道尺寸及熱交換器整體容積增加時，壓降亦增加。然而，透過速度控制，可在小型微通道熱交換器配置中實現合理壓降。

在大的潛力下，戮力於製造及部署特別是用於高能量密度微電子裝置之微通道熱交換器。就這些須冷卻以避免組件損壞之高價值組件而言，高成本微通道熱交換器可能有正當的理由。然而，目前微通道製造成本無法輕易為低價熱交換器用途提供正當的理由。若可實現低成本微通道 熱交換器製造技術，需要有效熱傳遞之整個製程範圍即可能得到有利的影響。特別是空間及重量受限之搬送用途可能大大受益於低成本微通道熱交換器製造技術。

許多工業製程可從低廉的微通道熱交換器獲益。例如，以下工業製程可從低廉的微通道熱交換器獲益。

能量及電力：吸收冷卻循環、冷凝器、冷卻器、脫水、燃料處理器、燃料電池、熱回收

精煉：空氣分離、組合反應/熱交換

化學處理：藥劑、塑膠、石油化學、酸、鹼、肥料

烴氣及NGL：氣體處理、液體回收、低溫

例如像是用於冷卻電子，受制於流體熱交換要件之先進冷卻技術吸收循環由高度小型、高度有效及低成本熱交換器獲得極大益處。應獲益之其他領域係用於先進電力系統之燃料處理器及燃料電池。業已顯示有極大的潛力來縮小例如電力系統組件尺寸，使它們可更容易裝入車輛內。若成本低，連同容積及重量都低，相對於既有熱交換器製造便宜且大幅減少容積及重量的熱交換器即會在電力系統熱管理中被廣泛使用。

微通道及迷你通道熱交換器及反應器成功地被用在許多特殊用途，像是近海烴處理、石油精煉、化學處理、半導體及自動空調。此外，如以上所述，對它們在燃料電池系統中的用途進行研發。微通道熱交換器亦被考慮用在建構HVAC用途。

石油化學處理：美吉特(Meggitt)(英國)有限公司 之希崔克部門(Heatric Division)係設在英國之微通道熱交換器製造廠商，有他們稱為PCHE(印刷電路熱交換器)之化學蝕刻及擴散接合熱交換器生產線。這些微通道熱交換器自從早期1990年代業已用在上游烴處理、石油化學及精煉產業。這些微通道熱交換器的重量範圍可自1公斤至100噸，單一單元之最大表面積約為108,000 ft²。此等微通道熱交換器之設計溫度及壓力分別自-450℉至1650℉，且自1巴至650巴。單一PCHE模組單元容量業已低至數KW，高至約90 MW。除了氣體處理用途，PCHE亦用於化學處理、精煉、電力及能量。PCHE製程使用化學蝕刻於0.5 mm至>10 mm厚的板上形成0.2 mm至5.0 mm寬的微通道。

自動空調：微通道熱交換器亦用於自動空調系統之工作流體側。一例子係莫丁(Modine)製造公司製的Parallel Flow(PF^TM)微通道熱交換器。

半導體冷卻：對空間限制極大的用於高熱流電子之液體冷卻系統的需求漸增。某些特定用途包含電力電子，像是FPGA、刀鋒伺服器、醫療雷射及診斷設備、軍事及航天航空電子設備、工業雷射、分析儀器、遠程通信、高性能個人電腦及超電腦冷卻。對高性能電子設備之最重要要件之一係維持溫度低於限制，並寧靜地實現該冷卻。電子製造廠商業已發展出用於高價產品之工廠密封之液系冷卻單元。典型液體冷卻系統使用泵送單相熱導液體，以從電子組件移除熱。微通道冷板及熱交換器業已用在這幾種用 途中。雖然微通道冷板可單獨用於具有較低性能要件、額外液體對空氣熱交換器、具有較高熱流能力之用途，其卻亦可被用來將過剩的組件熱傳遞入周圍空氣。

建構HVAC：微通道熱交換器亦使用於HVAC用途。與冷凍劑流分佈不均及蒸發器線圈有效滴下冷凝劑之能力有關之微通道蒸發器一直是技術挑戰。

燃料電池系統：微通道熱交換器用於特定燃料電池系統，像是高性能堆疊冷卻器、烴燃料改造劑、蒸汽機及混合器。藉由使這些反應器及熱交換器更小型，改進熱管理，且諸單元可包裝得更好以用於相關車輛及行動電源型用途。微通道技術亦用於燃料電池之燃料改造用途。雖有微通道熱交換器之其他研發者及廠商，該技術以板之微切削為基礎，這些板接著被擴散接合以形成熱交換器或反應器爐芯。

各種傳統及現代微通道熱交換器製造技術可行。雖然此等技術可涵蓋許多通道規模，焦點卻放在0.5 mm至0.01 mm高度之通道。

傳統微型化製造技術包含適用來生產微通道之典型機械廠製程。此設備之某些例子包含微型銑床及鋸機，鋸切0.025 mm寬度及0.004 mm間隔現在可行。作為此等傳統技術之例子，熱交換器可具有用於較大通道之約0.071 mm至0.14 mm之通道。此裝置由堆疊及擴散接合在一起之微切削不鏽鋼構成。微切削雖能生產有效率及容積小的微通道熱交換器，刀具之精緻本質及所需高精確度及精密 度卻於此方式下使得微通道熱交換器所費不貲。亦示範使用極細線作為電極之微放電切削(微EDM)。然而，此方法較慢，墊高製造成本。雷射切削亦係有力的工具，其能處理大範圍的相關材料。聚焦離子束切削亦可用於切割作業，並可在次微米體系下操作。於此二方法中，光束需要老練的定位技術來生產熱交換器所需要的許多微通道。這墊高製造成本。

現代微通道熱交換器製造技術可分成逐件或逐批程序。於逐件程序中，零件於逐步方案中切削，這通常造成低材料移除速率及低通量。此出現專業高容量用途的正當理由，惟對許多相關熱交換器用途而言，太昂貴。

逐批微製造技術源自半導體領域。就此製造技術而言，有兩型：整批微切削及表面微切削。在整批微切削中，藉由從單一原料移除材料，構成標的物。這些標的物具有良好強度，因為它們源自單一材料塊。相對地，表面微切削藉由透過一系列沉積、圖案化及蝕刻步驟堆砌材料層於基板上，形成標的物，於諸層中或許使用不同材料。形成特定構造之主要步驟係蝕刻步驟。其可濕式化學、乾式或電漿方式。可使用各向異性濕蝕，於矽中形成V形槽。不幸地，此程序非常慢，需數小時。這並不是用於低成本熱交換器用途的可行技術。乾蝕技術亦可行，其包含使用交替蝕刻及聚合物鈍化化學之深反應離子蝕刻(DRIE)方案。若有本方案之複雜及緩慢處理速度，此技術對低價用途即亦不可行。

大的寬高比，亦即，通道高度對通道寬度比，標的物製造亦可藉由LIGA技術來完成。然而，LIGA已因製造掩模之難度及高成本而無法廣被接受。使用藉由層疊切削之多薄金屬片進行之微製造。每一片可藉由多種上述技術來配置。例如，使用化學蝕刻金屬片於商業HEATRIC微通道熱交換器。經切削之薄片在荷載下，於高溫爐中堆疊及擴散接合。為不鏽鋼層疊，在4000 psi下需要920℃的溫度4小時。雖然此技術能生產有用熱交換器及反應器爐芯，成本卻高於所欲。其已指出，每一次層疊每磅須費約500美元，這對低價熱交換器用途是高成本。

總而言之，習知微通道熱交換器可因有助於熱傳遞之許多小通道而在小容積內傳遞大量的熱。然而，因使用習知微切削或蝕刻方法來形成許多微通道所費不貲，這些單元的成本很高。在已知製造技術中，原料塊移除原料來形成通道，或基板添加多數層來建立通道。此等製程須使用精密機器及多步驟製程。這對製程增加時間及成本，並使這些技術對低價值熱交換用途而言太昂貴。

本發明提供熱交換器或熱交換器爐芯製造方法，其特別適用，惟不限於低價用途。此技術根據所欲爐芯，例如正交流爐芯，形成構造體，堆疊此等構造體，接著，將此等構造體接合在一起以形成爐芯，或用於較大熱交換器爐芯之砌塊。接著，歧管被附裝於爐芯以完成組裝。

構造體係具有黏緊於片之線，例如，貼附於金屬片之金屬線的構造。片具有約相同於或略大於爐芯成品之長度及寬度之長度及寬度。線在反映所欲微通道尺寸之特定對齊中，貼附於片。線高度大致界定通道之高度。用於構造體中之線的水力直徑可介於0.01 mm與5 mm間。線之間的間距反映所欲通道寬度。

當構造體被堆疊在一起時，形成將形成爐芯或爐芯前驅物之構造體。藉一構造體之一片和一對貼附線以及放置在此等線上之另一構造體之片，形成用於爐芯之通道，或用於熱交換器之爐芯之砌塊。以此方式將構造體堆疊在一起，使得當接合堆疊之構造體時，片及線形成通道。所用接合技術依構造體材料而定，其可為金屬、或非金屬或此二者之組合。對全金屬構造體，接合係擴散接合或荷載協助焊接(LAB)或焊接，以誘發線與片間之機械及冶金接合。

根據本發明之另一態樣，正交流熱交換器由堆疊構造沿交錯方向構成。此交錯通道方向反覆以構成基礎「砌塊」正交流爐芯。一旦形成此等砌塊，它們即可堆疊任意數目，並重複，以提供所需容量，或適用於不同流體。例如，構造體可由兩種構成一第一種，係使用第一尺寸線，其適用來形成用於第一流體(液體)之第一通道尺寸，以及第二種，係使用第二尺寸線(大於第一尺寸線)，其適用來形成用於第二流體(氣體)之第二通道尺寸。加熱鰭片亦可添設於較大通道。因此，第一型構造體堆疊於第二型 之每一其他構造體上方，藉此，形成不同尺寸通道，以有助於液體與氣體間之熱傳遞。

根據本發明之另一態樣，根據本發明之方法使用低成本材料及用於組裝構造體之技術，藉此，大幅減低製造成本，並提升微通道熱交換器之普及使用。以下用途提到習知微通道熱交換器之使用，惟須知，本發明爐芯及製造方法能針對因當前微通道熱交換器之較高製造成本而使用習知微通道熱交換器，提供若干其他用途。

根據本發明之一態樣，根據本發明構成之熱交換器爐芯具有約39%，或頂多39%之實心區。用於蝕刻微通道之實心區通常較高，例如，對HEATRIC微通道熱交換器而言，為55%之實心區。因此，用於等效熱傳遞，本發明爐芯之重量約為29%，或至少約為29%，小於HEATRIC蝕刻微通道熱交換器之重量。

由於化學蝕刻，相較於根據本發明構成之爐芯，例如HEATRIC PCHE每熱交換器容積具有更多材料。這是因為蝕刻產生修圓之通道，其相對地較緊密相隔。形成此種構造所需片亦須約為用以形成構造體所需片之厚度的約兩倍(假定片厚約與線的高度相同)。隨著高單元製造，所用材料之更高容積造成較本發明爐芯更高的成本。當需要異國材料來應付溫度或腐蝕要件時，此情形特別嚴重。

根據本發明之另一態樣，可使用爐芯及熱交換器之爐芯之製造方法於自動空氣調節系統之工作流體側。

根據本發明之另一態樣，可使用爐芯及熱交換器之爐 芯之製造方法於用在空間限制極大之高熱流電子之液體冷卻系統。某些特定用途包含電力電子，像是FPGA、刀鋒伺服器、醫療雷射及診斷設備、軍事及航天航空電子設備、定向能量武器、工業雷射、分析儀器、遠程通信、高性能個人電腦及超電腦冷卻。對高性能電子設備之最重要要件之一係維持溫度低於限制，並寧靜地實現該冷卻。前導性能電子製造廠商業已發展出用於高價產品之工廠密封之液系冷卻單元。典型液體冷卻系統使用泵送單相熱導液體，以從電子組件移除熱。雖然微通道冷板可單獨用於具有較低性能要件、額外液體對空氣熱交換器、具有較高熱流能力之用途，其卻亦可被用來將過剩的組件熱傳遞入周圍空氣。

根據本發明之另一態樣，一種具有微通道之熱交換器之製造方法，包含：組裝複數個構造體，包含連續進給複數條線及片入壓機，以黏緊該等複數條線至該片片；組合複數個構造體；以及將經組合之複數個構造體相互接合以形成熱交換器。

根據本發明之另一態樣，一種用以與其他構造體組合以形成微通道熱交換器之構造體之製造方法，包含：提供線及片材之連續供應；經由對齊此等線與片材之導件進給線，其中，經對齊之線的每一者間的間隔約相當於微通道之寬度；貼附經對齊之線於片材；以及切割片材及線以形成構造體。

根據本發明之另一態樣，一種具有微通道之熱交換器 之製造方法，包含：提供複數個構造體；以及堆疊複數個構造體，其中，微通道由第一構造體及放在第一構造體上之第二構造體形成。

根據本發明之另一態樣，一種設備，包括：爐芯前驅物，包括複數個構造體；其中，多數線的高度約為微通道之高度；以及其中，該設備適用來藉由將複數個構造體相互接合，以形成熱交換器之複數個微通道。

根據本發明之另一態樣，一種配置來形成構造體之機器包含線及片材連續供應源，線及片材配置成被連續進給或捲放入壓機以貼附線至片材，其中，線通過根據微通道寬度分隔線之導件，且壓機包含滾輪。

在此以參考方式併提本說明書所提所有公告及專利申請案至宛如每一個別公告及專利申請案特別及個別指定以參考方式併提之程度。在併提之公告或專利與本說明書間有任何不一致之文字及/或片語使用範圍內，此等文字及/或片語具有與其用於本說明書中之方式一致之意義。

茲參考以下圖式說明非限制及非全面性實施例，其中，除非另有所指，否則，遍及各個視圖，相同元件符號標示相同元件。

「線」意指細長撓性繩或桿，其可由金屬、金屬合金、非金屬或金屬與非金屬之組合製成。線可具有圓形、三角形、橢圓形、方形、梯形或矩形截面。

「片」或「板」之用詞可交互運用於本揭示內容中。因此，使用「片」而非「板」或「板」對「片」並非意圖排除或需一種構造凌駕於另一種，除非另有所指。

「熱交換器」意指交換熱之本體，不管自與熱交換器接觸之物質(流體或固體)，或如在用於核子反應器爐芯之熱交換器情形中，供應熱至該本體。為作本揭示，微通道熱交換器意指具有介於0.01 mm至5 mm間之通道高度之熱交換器。除非另有所指，不管何時於本揭示內容提到「通道」一字，均意指具有介於0.01 mm至5 mm間之高度之通道，亦即，「微通道」。

用於本說明中所用「構造體」一詞係指例如藉黏著劑黏緊於片或板，其中，板或片之寬度及長度對應使用成堆疊關係組裝而成之若干構造體所組裝之爐芯之大約長度及寬度，且黏緊於板或片之線之每一者與相鄰線相隔大約是用於構造體所形成之熱交換器爐芯之所欲微通道寬度。由於線黏緊於板或片，因此，構造體可個別處理而無線在板上分隔或移動之虞。由於已知用於爐芯成品之正確微通道寬度可能在構造體被接合在一起之後或多或少改變，因此，線分隔「大約」所欲微通道寬度。

「爐芯前驅物」係指在將構造體相互接合以於熱交換器之爐芯中形成通道之前，由構造體組裝成的構造。根據用於例如第1圖之爐芯之通道之所欲配置堆疊之構造體係爐芯前驅物。此外，用來於爐芯中形成通道，惟在接合以形成爐芯之前，無須維持於堆疊配置之所有數目之構造體 ，例如保持於支架內之構造體，亦被視為爐芯前驅物。

第1圖係使用根據本揭示內容之製造方法製造之微通道熱交換器10之一個例子之透視圖。此例子中之熱交換器爐芯10包含沿方向A延伸穿過爐芯10之第一複數個通道12以及沿方向B延伸穿過爐芯10之第二複數個通道14。當裝配歧管時，爐芯用來作為正交流型熱交換器，其適用來當二流體通過個別通道12及14時，將熱從第一流體傳遞至第二流體，此等通道12及14以交錯方式互成90度定位向(每一列通道相對於其上方及下方之通道列互成90度定位向)。當流體流經此等通道時，熱經由熱導越過相對較薄壁分隔之相鄰通道。因此，當例如冷凍劑之冷流體通過通道12，且熱流體通過通道14時，熱藉由傳導，從熱越過通道壁傳遞至冷流體。通道12及14之每一者完全延伸經過爐芯，並分終結別在相對側之開口12a及14a。當被集成為熱或冷卻系統時，面10a、10b被耦接至歧管(未圖示)，以引導流體流經個別通道，歧管可附接於流體流出面以收集及導引流出之流體。

第2圖顯示用來形成第1圖中之熱交換器爐芯之爐芯前驅物99。在此顯示複數個堆疊構造體22，其被接合在一起以形成第1圖中之爐芯10的正交流通道。各構造體22包含箔、片或板，其具有貼附在箔、片或板之一側之分隔線。線寬及間隔可相等或可變化。片或板之邊緣上之線寬可相當寬以在片或板與邊緣的線間形成良好的密封表面。

第3A及3B圖分別顯示來自第2圖之兩個此種構造體22a、22b(第3A圖係於第3B圖中的橫剖部IIIA-IIIA所取視圖)。於此例子中，構造體22a、22b彼此相同，並藉根據本揭示內容之程序，由相同線及片原料形成。構造體22b之位向相對於構造體22a成90度。線26a、26b均勻地分隔置於各片24a、24b上方，並黏緊於個別片(可使用圓、扁或其他截面的線)。此二堆疊構造體22a、22b形成通道28。具有沿構造體22a之線26a之方向之線的第三構造體(未圖示)會在其與垂直於第3A圖中之通道28延伸之構造體22b之間形成通道。線與緊鄰構造體之線成90度配置而相互重疊之該構造體堆疊程序生產具有第2圖中所示堆疊構造體之爐芯前驅物99。當例如經由擴散接合接合在一起時，堆疊構造體形成熱交換器之通道。在接合及精加工邊緣後，構造體22a、22b各分別具有長度及寬度LC及WC，其為用於爐芯10之長度及寬度。然而，當開始切割時，它們的長度更長，亦即，如第3B圖所示，LC+δL。如以下解釋，當使用較佳切割步驟於製程中時，增加此多餘長度(δL)。

參考第3A圖，用於各構造體之線具有高度H(於本例子中，高度H之方線)，且所用片具有厚度t。線被均勻隔開距離W，以致於堆疊構造體22a、22b所形成之通道28具有W：H寬高比(AR)。因此，就隔開0.42英吋之0.07英吋線而言，通道28之寬高比為6：1(如以下解釋，在此等構造體接合在一起之後，AR可能略高)。

如參照本揭示內容可更瞭解，在替代實施例中，構造體22a可使用尺寸異於用在構造體22b之線的線，以及/或者用於線26a之材料可由異於線26b之材料製成。此等實施例宜用在空氣通過一個通道，液體通過第二通道之用途。

第2圖中之構造體20可在高溫下氛圍受到控制之爐中接合成實心構造。因此，根據本揭示內容之一態樣之熱交換器製程包含類似於目前用於習知熱交換器製造之處理步驟。此外，用來製造構造體之線、片或板材包含普通用於大範圍的用途並高容積低成本之現有材料。且與互疊構造體而堆疊形成通道相關之製程以及使用撓性線的能力為極多的交換器提供模組砌塊。經接合之構造體之爐芯可藉由適當倍增，結合在一起，以生產一系列熱交換器能力及類型(例如正交流、逆流及共流)。

再度參考第3A圖，於一個實施例中，構造體22a、22b包含兩片0.5mm厚度級薄金屬板，其由平行之類似組成之1.0mm直徑級細線(於此情況下為扁線)隔開。個別線由大約6個直徑隔開，藉此，產生具有用於熱流之6：1 AR之矩形通道。因此，此等通道具有H=1.0mm以及W=6×1.0=6.0mm。如以下所述，可藉堆疊構造形成數百個此等通道，以形成基本微通道砌塊爐芯。

熱交換器熱效率或熱傳遞對壓降之係數比例係對實現具有合理壓降之非常小型熱交換器很重要的考量。對既定熱傳遞而言，熱效率越高，壓降越低。對微通道熱交換器 而言，通道雷諾數非常低，且通道流係層流。根據層流理論，並經過實驗證明，熱效率因通道寬高比(AR)而異。其載於表2中。

Nu(H)係用於熱傳遞常數之努塞爾特數，Nu(T)係用於溫度常數之努塞爾特數，Re係用於通道之雷諾數，f係摩擦函數。如圖所示，熱傳遞係數隨著通道寬度增加，大幅增加，8至1通道具有高於1至1通道情形(AR=1)88%之熱傳遞係數。然而，如圖所示，摩擦函數亦增加，惟不那麼劇烈，隨著通道寬度增加，造成更高的熱效率。如圖所示，隨著通道寬高比增加，以StPr^2/3/f表示之熱效率增加，最適配置係無限寬的通道。然而，此通道會因合理分隔板厚度而無所需結構強度。可用於構造體製造之材料例子顯示於表3中。

對液體/氣體熱交換器而言，液體側可具有非常小之通道，氣體側具有大很多之通道，這足以說明用於類似液體及氣體質量流之密度低很多的氣體。於此情況下，構造體形成之大氣體通道可充填皺褶鰭片，其增加表面積，並增進氣體熱傳遞。因此，於此實施例中，根據本發明構成之熱交換器可作成「散熱器」型熱交換器。

根據本發明構成之熱交換器可由異於金屬之材料製成，或可使用金屬與非金屬之組合。於此等情況下，可使用異於金屬接合方法之方法(例如，擴散接合、焊接、軟焊)，包含黏著劑及熱激活，由堆疊構造體製成熱交換器。實際上，經查，根據本揭示內容使用低成本材料之堆疊構造體之概念在面對許多溫度、壓力、流體類型及腐蝕/氧化條件上有極大的彈性。例如，通道壁可塗佈薄漆膜及觸媒，以提昇同時反應及熱傳遞。在以下討論中說明與根據本揭示內容之製造程序有關之由線網及片、圓及扁線及片製成之構造體。

根據本揭示內容製成之構造體可提供非常高的熱傳遞率。因此，較小塊的接合構造體可生產大致與更大的習知板及鰭片熱交換器相同的熱傳遞。此等砌塊亦因非常高的熱傳遞率而有高效率(亦即，達到理論最大熱值)。例如，其設計53公升容積之習知板及鰭片熱交換器在容積上減少98%。因此，相對於習知板及鰭片熱交換器每邊數百毫米，構造體砌塊每邊數十毫米。若此種容積減少，更多的爐芯前驅物即可熱接合於爐內，這可減少製造及爐成本。

根據本揭示內容之一態樣，第3A及3B圖所示構造體22藉由使用暫時黏著劑黏緊拉緊之線於片材來形成。以下討論此方法的兩個例子，其提及(僅為方便，惟不限制本揭示內容之範疇)使用扁或圓線來形成構造體，且爐芯係用於熱交換器之正交流設計。

一旦以如所欲分隔及大致相當於熱交換器用微通道大小之線組裝妥，即堆疊構造體來形成一個或更多個爐芯前驅物。其次，將構造體相互接合以形成爐芯通道。於圖示例子中，線及片材料係金屬。接合方法係擴散接合或荷載協助焊接(LAB)方法，其在堆疊構造體間誘發機械及冶金接合。接合後，藉由清潔側邊以從邊緣移除過剩材料，精加工爐芯。在此步驟之後，一個或更多個爐芯構造形成熱交換器。爐芯可個別用來作為熱交換器(HEX)，或者堆疊在一起，由組合之砌塊爐芯形成更大爐芯。接著，可依所欲，將用於流體源之歧管及額外耦接構造附裝於爐芯 。以下討論若干例子。於第4圖之流程圖中概述上述HEX製造方法。此方法之任選步驟將加強件或板黏緊於爐芯，這將在以下討論。依HEX之環境而定，可無需加強件及/或支撐板。

層疊機

第5圖係站之示意圖，該站用來黏緊金屬線30至金屬片材40以形成構造體22。於此例子中，金屬線30自卷筒31施配，亦即捲放，並藉線導件及矯直總成60，在其朝壓機50前進時對齊。線導件及矯直總成60可如圖示具有三個部分62、64及66，總成60分隔及矯直金屬線30(根據微通道所欲間隔)，用於配置在金屬線30下方之片40上的所欲間隔。第5圖中之線導件及矯直總成60更詳細地顯示於第6B圖中。針對圓線，可使用第6A圖所示線導件及矯直總成70以替代第5圖中的總成60。

參考第5圖，片40係連續片，其具有寬度(WC，如於第3B圖中所示)，並密封帶，此等帶在片40自滾輪41施配時沿片40之長度(第5圖中自左至右)延伸。黏著劑位在線導件及拉緊總成60上游，其配置在線30與片40之間。於一較佳實施例中，黏著劑係自滾輪43施配之熱激活黏著劑。

如由第5圖可知，線30、片40及黏著劑43自左向右朝壓機50連續進給，藉此，有助於在連續基礎上大量生產構造體22。於放在一起俾線30對齊及留有間隔放在片 40上方之後，線30及片40通過滾輪52a與54c之間。壓機50(如圖示，具有上及下皮帶55、53，其使用滾輪皮帶54a、54b、52a及52b)在其於第5圖中自左至右移動時，施加壓力至組合構造(亦即線30及片40)。當組合構造在壓機50內向右平移時，黏著劑於43a被熱激活，於43b被冷卻，且被容許在51b離開之前凝固。在壓機50之出口51b，線30被黏緊於片40，使得組合構造可稍後處理而無線在片上分開或移動之虞。在59，雷射割刀可接著將線-片構造切成第3B圖中顯示之所欲構造體22大小。由於線30黏緊於片40，因此，可對切割之構造體22進行處理、包裝、堆疊等，供稍後使用或如所欲組裝爐芯前驅物。

第6A及6B圖顯示分別用於圓線及扁線實施例之線導件及矯直總成70及60。參考第6B圖，片40及黏著劑移動至從上游卷筒(於本圖中未顯示)進給之扁線30下方。扁線30藉導件62隔開。在此使用額外導件64來協助矯直線及維持扁線30之適當位向(例如在扁線自卷筒31施配時將其矯直)。扁線30可自導件64向下導至板66達角度θ₁以放置線於片40之表面上。板面66a可藉螺絲66b調整。

參考第6A圖，顯示用於圓線30之導引及矯直總成70。於此例中，有二導件72、74及配置在此等導件間之矯直栓76。由於線30係圓形，因此，矯直可藉由繞矯直夾76導引線30，例如於第6A圖中，繞二栓76a、76b導 引圖示之單一線30，進行矯直。替代地，圓線30可使用用於扁線30之導引及矯直總成60隔開及矯直(圓線30可使用總成之任一者)。

如由第5圖及以上可知，導引及矯直總成60/70在組合之構造通過滾輪52a、54c間時，維持上游對準及線分隔。當線30及片40通過此等滾輪間時，線30被拉緊，並緊貼片40。線30及片40共同保持適當對齊，同時，塗佈黏著劑43，並容許其在離開壓機50之前凝固。

接合程序

在使用站50形成構造體22之後，根據通道數目及所欲爐芯類型，堆疊複數個構造體22，例如20個構造體沿交錯方向堆疊，相疊以形成具有20個通道之正交流爐芯(於頂部或底部添加額外的片以關閉第20個通道空間。額外地或替代地添加頂部及底部強化板於堆疊之構造體22)。在接合之前，牢牢保持構造體22定位。準備好以此方式配置，亦即相疊堆疊之構造體22供接合。為保持此等構造體22在一起，較佳地使用與壓機或爐分開之支架80(第7圖)，使得於構造體間可有機械及冶金接合，同時，於支架內，保持構造體對齊。

於第7圖中顯示用於爐芯前驅物99之支架80(移除上述額外片及/或強化板以顯示支架80中構造體之位向)。支架80根據基本構造體22a、22b之長度及寬度(第3B圖)及所欲通道數(亦即，爐芯高度)定大小。支架 80包含可黏緊於爐或夾頭中之底板82。於底板82之孔中收容銷86a、86b、86c、86d、86e、86f、86g及86h。銷86a、86c、86e及86g定位於由爐芯前驅物99之堆疊構造體22a、22b所形成之角隅。銷86b、86d、86f及86h位於爐芯前驅物99之端部。此等銷保持爐芯前驅物99(未顯示頂部及底部片)對齊。位於爐芯前驅物99之各構造體22a、22b之二緣者係有助於邊緣密封之黏緊帶81(而非線30)。此等黏緊帶81可在形成微通道寬度之線30，例如自卷筒31施配之厚、扁線81貼附時，貼附於構造體之片之邊緣，並使用配合第5圖說明之程序，繼續貼附於片之邊緣。

於一個實施例中，上壓縮板(未圖示)被放在支架80上方，且安置於上片上，該片置於上構造體22a上方。板82之四個長槽亦出現在上板上。各有螺紋端之螺栓(未圖示)被放在上板及底板82長槽之每一者中，使一螺帽(未圖示)來將上板與底板82夾持在一起。上板及底板82施加壓縮荷載於爐芯前驅物99上。例如具有圓撞鎚之壓機施加壓縮荷載於爐芯前驅物99上，且在施加此荷載時，螺帽被旋緊以維持壓縮荷載通過上板及底板82；接著具有爐芯前驅物99之支架80可自壓機移除，同時，維持壓縮荷載通過上板、底板82及向下旋緊螺帽。接著，該總成被置於爐中供接合。接觸爐芯前驅物90上板及底板82之面具有陶瓷或不黏表面，以防在接合期間於爐中上及下片與爐芯前驅物99之個別面之間的附著、黏住或接合。 在接合之前，殘留黏著劑可自構造體移除，使黏著劑不會污染爐。例如，經查，85-120F溫度下的甲醇浴對移除幾乎所有黏著劑有效。在爐處理期間，來自清潔程序的任何殘留物會在爐中，於真空條件下，低於800F，蒸發。

於一個例子中，使用VPEI荷載協助焊接(LAB)方法將上述總成(亦即具有上板及向下旋緊螺帽之第7圖)接合入砌塊爐芯。LAB係涉及固態及液態接合兩者之混合接合方法。LAB方法通常用在需要低成本擴散接合之完整性情況下。相較於純擴散接合設計，此方法亦容許施加較小荷載，這造成變形減少，零件體積較不龐大。替代地，LAB方法被用來保持複雜焊接總成對齊且零空隙大小，俾需要最少的焊接充填金屬。減少接頭中的焊接合金量可因減少鹼金屬腐蝕、不必要的合金流及充填、整體總成重量及成本而有益。荷載協助焊接之實務包含施加於總成之力量(或荷載)(亦即具有上板及向下旋緊螺帽之第7圖)在高溫下使基材緊密接觸。當在正確條件下，於基材介面達到緊密接觸時，進行機械及冶金接合。接合介面之性質可藉由保持在適於材料之升高溫度及壓力及零件之外形，接近基材位準。時間及溫度保持容許擴散控制之方法再結晶及均一介面顆粒構造，同時亦最小化或消除被陷捕的空洞。LAB處理可在受控大氣或真空中進行。真空氣氛可提供非常乾淨的處理環境，且不會增加成本。真空的選擇在不鏽鋼之接合/焊接中很標準。大及小VPEI爐具有冷避真空室，其設有耐火金屬加熱元件及全金屬熱區，提供低放 氣率及相對快速循環時間。LAB方法需要施加之力量，且這可使用動態液壓荷載或靜態質量荷載。為實現需要之高真空位準，使用低溫泵，藉由將其冷凍至極低溫陣列，捕獲室氣體。此泵送程序有效地將室壓降至百萬分之一大氣壓或10E-6 torr級。由於在加熱時，氣體自爐內放出，因此，實際服務真空壓力預期在10E-5至10E-4 torr範圍內。對不鏽鋼基材及鎳焊接材料而言，此壓力範圍在≧950℃之處理溫度下，提供滿意結果。測試接合爐及其他VPEI真空爐具有經由以PID為基礎之數位控制程式自動化之控制。此等程式容許程式化時間及溫度，以設定竄升及持續。爐使用熱耦於溫度反饋。

用以將爐芯前驅物之構造接合成爐芯通道型式之熱分佈概述如下：

1.施加夾持力量至芯件堆

2.以10℃/分(50℉/分)竄升

3.若壓力高到大於3E-4，即保持高於350℃(662℉)，以容許毒氣流出

4.保持於850℃(1562℉)15分以協助均一堆溫

5.於980±10℃(1796±50℉)浸透2小時。當所有芯件TC成列時，浸透時間開始

6.於浸透開始時，施加荷載

7.以10℃/分(50℉/分)竄升，

8.在≦100℃(212℉)，室可對大氣通風以進一步冷卻

例子

一旦完成接合，即卸下芯件，形成爐芯通道。在一個具體實施例中，如以下製造砌塊爐芯。市售層疊機器用於第5圖中的滾輪壓機50。設立站50，使用Spunfab VI6010黏著劑，生產由0.025”直徑304 SS圓線黏緊於0.008”厚304 SS片製成之4.0”×4.0”大小的構造體。沿自滾輪34進給之片40，圓線30以邊緣對邊緣0.150”之距離等距相隔，除了於層疊之二邊緣，在此，使用0.025”×0.200”截面之扁平矩形帶來替代線。在構造體邊緣之更寬帶確保於接合期間正交流爐芯之完全密封。 4.0”×4.0”構造體具有由20根線及2條扁平邊緣帶形成之通道。此等構造體正如於第7圖中所示，被放入支架，並使用LAB，根據以上步驟1-8接合。使用LAB接合之爐芯構造重2.46 lb(1120 gm)，具有4.0”×4.0”覆蓋區，且包含各0.057”厚之頂部及底部強化板，高1.11”。爐芯約有48%實心，52%中空。此總成充份鍍以清楚可見之合金流及嵌密。未顯示有來自殘留黏膠或含碳材料之相關污染作用。

在爐芯形成之後，藉由EDM精加工爐芯之側緣。這在爐芯上形成平齊、平坦面，使岐管可耦接至通道，特別是對在高操作壓力下操作之爐芯而言，歧管導管與通道入口間之液流或效率損失最少。

以下所給4×4爐芯例子使用圓線30，以及0.2英吋之 扁緣帶，以用於額外邊緣密封能力。圓線較扁線更容易處理及在片上對齊。然而，相較於圓線，扁線可提供與片的更直接接觸，且藉此，當接合時，可產生更高強度。接觸面積可高出5倍，且爐芯破裂強度同樣增加。當爐芯在爐中負載下接合時，扁線會增加更多支撐面積。雖然圓線中的小小不對齊可能造成堆疊扭曲，扁線卻於負載下提供充份支撐以最小化扭曲。雖然扁線會增加材料使用，並要求更多的表面積來實現等效流面積，成本及容積增加卻最溫和。為證明扁線之使用，亦使用0.07英吋寬的扁線，藉類似邊緣帶及扁片，製造構造體22。如於使用與圓線之例子中，使用相同黏著劑型及量。且在層疊中適用類似加熱及負載程序。

因此，本發明思及扁或圓線，因為任一方案均提供優點，並可成功地用於多種用途。圓線總成可作成較使用扁線更小型，因為會有較小的每一表面積之通道阻塞。另一方面，使用扁線形成之通道可較強，因為，板間有更大的接觸面積。根據此等結果，亦思及其他類型的線(例如矩形、梯形及卵形)。

雖然使用不鏽鋼及線於所提供之例子中，惟亦可使用鋁、銅、抗氧化合金等。以下提供銅系例子。而且，可使用混合材料，塑膠片與金屬線以黏著劑或藉由熱處理接合。除了基本通道及線尺寸變化外，通道高度及線間隔可自氣體至液體側，或隨著氣體/氣體或液體/液體變化。線間隔亦可遍及片變化。通道遍及爐芯之尺寸分佈可變化。如 以下說明，這在單一流體散熱器中特別有用。

線網例

在形成構造體22之替代實施例中，使用預縫線網而非個別線紗。以類似於配合第5圖所說明之方式，黏緊線網於片以形成構造體。

線網供至滾壓機。正交流編織線垂直於形成通道(正交流編織線係具有通過長槽之長段之槽縫線)之長段。正交流編織線維持與片材形成通道之線之長段間的所欲間隔(槽縫正交流編織線之替代例在本揭示內容之範圍內。槽縫線之替代例僅須在構造體組裝程序期間，線之長段施配及對齊片帶時，能維持間隔關係)。

第8A及8C圖顯示網130、130’之例子。圖示網130之長線部130a及130b及網130’之長線部130a’及130b’，其各具有相同線數，並經由正交流編織線134及134’相互連接(實際上於網中有若干條這些線部，且在組裝期間，使用第8B圖所示站140，載送網130於卷筒上供施配網130、130’)。上及下長線部130a、130b及130a^’、130b^’相隔所欲構造體寬度W，例如圓線之6直徑，並藉正交流編織線134維持隔開關係。正交流編織線134間之間隔大於構造體之長度(用於對準用途，以下)，且正交流編織線134間長線部130a及130b之每一者之寬度約為構造體之寬度。第8A及8C圖之網130、130’自卷筒自右至左施配。在正交流編織線134’之情形中，長線部130a ^’及130b^’中的緊張可藉將線30’拉緊之捲線及楔形滾輪143維持。第8A圖中所示網130之部分顯示用來組裝四個構造體131a、131b、131c及131d之線。

一般而言，第8A及8C圖所示線編織材料通常用來作為濾器或篩選裝置。此等篩網在類似於用在織物之低成本製造者之設備上編織。若為細線網編織之高容積及低成本生產，如第8A及8C圖中所示之線網之成本即低。這會協助控制構造體製造成本。

以下說明配合第5圖所說明者之替代組裝程序。參考第8B圖，其顯示用以黏緊捲繞之線網130至捲繞之片帶135之組裝站140的側視圖。站140較佳地用來黏緊金屬線至金屬片帶。當使用非金屬材料時，可使用類似組裝程序及材料。使用該站組裝片帶及線之四層堆疊。將後文稱為四層「線片帶」之四層堆疊切成適於放入爐中之尺寸。此爐被用來由配置於片帶間之線形成通道。在形成通道之後，如以下更詳細說明，形成許多塊構造體。

有第8B圖所示之8個卷筒。此等卷筒中有4個施配線網130，130’及4個卷筒施配片帶135。卷筒146a、146b、145a及145b施配片帶135。此等卷筒之每一者施配個別片帶，其每一者具有構造體22之寬度，並對齊網130中長線部之對應部，或與其成直角。具有正交流編織134之線網130之短部及片帶延伸於構造體之長度外，此等構造體將在稍後從線-片帶切下。正交流編織134可被用來對齊片帶與網。

卷筒144b及147a施配片帶130。且卷筒147b及144a施配片帶130'，其與網130相同，惟位向定成與線網130成90度。卷筒144b及145b形成第一層線片帶。卷筒144a及145a形成第二層線片帶，其置於第一層下方，且線位向定成與第一層中之線成90度。卷筒147a及146a形成第三層線片帶，其置於第二層下方，且線位向定成與第二層中之線(且平行於第一層中之線方向)成90度。卷筒147b及146b形成第四層線片帶，其置於第三層下方，且線位向定成與第三層中之線(且平行於第二層中之線方向)成90度。如將瞭解，可使用類似構造之使用16替代8個卷筒之站，形成8層線片帶。根據以上程序，4、8或更多層構造體係形成爐芯前驅物之額外例子。

線網130、130’使用黏著劑149暫時黏緊於片帶，此黏著劑149在對應正交流編織134接觸片帶135之位置噴灑在壓輥143上游之片。如於第8B圖中所示，各層線片帶同時進給於移動壓機之壓輥之間，經由塗佈於正交流編織134之多數位置之黏著劑，黏著線於片帶。線片帶160於正交流編織134之此等多數位置切割以移除黏著劑及個別構造體。在以此方式形成構造體之後，可使用稍早說明之組裝程序於爐芯。

HEX例子

如於第9A圖中所示，根據上述程序構成之「砌塊」爐芯可堆疊而形成堆疊爐芯171，以實現用於熱交換器所 需容量。為增加塊體強度，接合板175可被添加至爐芯170或堆疊爐芯171之頂部及底部，且直角通道176被添加至角隅，以強化整體構造，並為岐管上的焊接提供基底。這顯示於第10圖中。如於第9B圖中所示，接著，可附接歧管172以均一進給爐芯171(顯示四根歧管172，箭頭指出經過熱轉換器之流向)。此種爐芯171之倍增可以習知型熱交換器之可接受實務為基礎。

如上所述，使用低精密度塊緣切割來控制製造成本。於此情況下，某些通道可不與表面對齊，造成某些通道連接至塊體之側邊。為避免此種不對齊通道之影響，歧管172構成小於塊體之面，且如於第10圖中所示，且使用焊接化合物及/或強化角隅通道176於歧管172外面，以封閉任何不對齊通道。總塊體流動區域之約10%因焊接於此等邊緣通道上方而消失。然而，這是容許使用低精密度及低成本切割技術之小小妥協。亦藉此焊接方案，增加歧管及爐芯構造之整體強度，這對高精密度用途特別重要。

如以上說明，可使用低精密度設備來進行根據本揭示內容之製造步驟。藉由首先由便宜線及片材料製構造體22構成砌塊爐芯，此方案有應付若干不同熱交換器之能量及流體之彈性。第9B圖中的配置用於正交流型熱交換器。為實施逆流或共流型熱交換器，四個或更多個爐芯171可如於第9C圖中所示對齊「半管」型歧管173連接之爐芯171。雖非嚴格的逆流熱交換器，藉由包含若干通道，可接近逆流型條件。因此，除了提供容量及流體彈性之砌塊 方案外，爐芯亦可被用來形成不同類(例如，正交流、逆流、共流)的熱交換器。

性能

根據以上方法構成之微通道熱交換器具有低雷諾數，並藉此以層流而非擾流操作。在層流條件下，充份確立熱傳遞及壓降理論。為對此加以確認，使用熱及冷氣流測試根據本揭示內容構成之爐芯。測試上述4英吋爐芯，並比較層流理論。經查，在既定的通道大小、尺寸、流體性質等下，測試之爐芯有10%的理論結果。

根據本揭示內容構成之爐芯具有非常高的熱傳遞係數，其對用途於具有微通道之熱交換器之預期層流。於此等情況下，熱傳遞係數及摩擦函數可使用理論關係馬上計算。

如於式1中所表示，熱傳遞係數與通道水力直徑成反比變化，且其隨著水力直徑減少而快速增加，其中，h係熱傳遞係數，K係流體傳導性，N係紐塞爾特數，且d係通道水力直徑。

同樣地，如於第10圖中所示，於式2中所表示，摩擦係數亦隨著通道水力直徑減少而快速增加，其中，C係用於通道配置之常數，且根據通道水力直徑，Re係雷諾數，V係速度，u係動黏性。

因此，當通道直徑減少時，熱傳遞係數增加，且壓降對應地增加。然而，使用式1及2，可顯示性能係數(COP)或每一通量功率(亦即，流速乘以壓降)對不同通道水力直徑保持恆定。因此，從COP觀點看來，於具有不同通道尺寸之根據本揭示內容構成之爐芯間沒有差別。然而，藉由減少通道尺寸，熱交換器(HEX)之容積可大幅減少。

為評估根據本揭示內容構成之爐芯之優點，使用充份證明之凱斯及侖敦[1]之傳遞單元(NTU)方案之數值。於此方案中，HEX效益界定於式3中：

其中，q係所傳遞之實際熱，q _max 係理論最大值，c _h 係熱流之理論容量(cp mdot)，C _min 係最小熱容量(熱流或冷流)，分別地，Th及Tc係熱及冷溫度，i及o標示入口及出口。

效益ε比較實際熱傳遞(q)與如僅在無線熱傳遞表面積之逆流熱交換器中實現之熱動態限制最大可能熱傳遞率(qmax)。因此，1減效益等於熱傳遞對理論上可能之損失。有資料提供正交流HEX作為熱傳遞單元(NTU)數及通道數。如圖所示，對所有情形，效益隨著NTU增加而增加。

此情形亦說明一種根據本揭示內容製造之爐芯，其中 ，爐芯倍增成冷流體取徑於通過對齊爐芯之蛇形路徑，通道數等於依序配置之爐芯數。就一通道而言，HEX係具有最低效益之正交流情形。然而，藉多數通道，HEX接近逆流情形(通道數等於無限)。對此最後情形來說，效益最大化。就任何數目之通道而言，配置效益隨著NTU增加，其界定於式4中。

U係組合之熱傳遞係數，A係熱傳遞表面積，Cmin係特定熱乘質量流。具有最小熱容量之HEX側用於此NTU參數之形成中。由於如式3所表示，效益接近理想熱傳遞，因此，HEX容積分析應使用黏緊效益及用於前後一致之比較之熱傳遞。這接著要求黏緊NTU提供通道尺寸對HEX容積之影響之直接比較。

忽視遍及分隔板之熱阻，U參數等於熱傳遞係數除以2，以大致負責冷及熱側熱傳遞係數。當然，這假定冷及熱側兩者具有相同通道尺寸、速度及性質。這是簡化，惟說明影響。對相同表面速度，HEX表面積相同，且假定面寬W及高度H在具有不同通道尺寸之HEXs間相等。藉由減少通道高度，每一黏緊HEX高度之通道數n增加。隨著通道數增加，熱傳遞面積接著增加，除非熱交換器之長度L減少。考慮通道水力直徑從習知情形之0.1英吋減至根據本揭示內容構成之爐芯之0.025英吋，或4之因數，可容易算出容積減少。具體而言，對相等之NTU，式5表示h、A與Cmin間之關係，其中，1表示習知情形，2表 示根據本揭示內容構成之爐芯。

其中，n1及n2分別係用於0.1英吋及0.025英吋通道尺寸情形之通道數。如以上所述，W1=W2，Cmin1=Cmin2，且接著，相較於習知HEX，根據本揭示內容製造之爐芯比例以式4表示。

接著，對固定HEX高度H，板數以式7表示。

且(6)接著變成(8)

針對水力直徑中4之因數之變化，根據本揭示內容構成之爐芯之水力直徑比對習知HEX長度比之L2/L1接著表示於表9中：

此結果顯示，藉由減少通道尺寸4之因數，相對於習知HEX，長度可減少16之因數。因此，對黏緊效益，根據本揭示內容之小通道爐芯會減少容積非常大的比例84%。這忽視板厚影響，並假定黏緊速度及表面積，惟通道直徑對相同熱交換器之HEX容積的強烈影響很清楚。此等情形之壓降以式10表示，其中

f係摩擦係數，V係速度，且ρ係密度，如先前界定，L及d係熱交換器長度及通道水力直徑。如在以上情形中所述，速度V及密度ρ在諸情形間相同，且對f採用式2，壓降接著以式11表示。

如式9表示，L2/L1為1/16且d1/d2等於4，壓降比例接著以式12表示。

因此，雖然根據本揭示內容製造之爐芯為84%，容積低以實現與習知HEX相同之熱傳遞，惟其具有相同壓降。這是非常誘人的結果。

在透過使用較小通道來縮小爐芯尺寸中，每一熱傳遞之熱傳遞表面損失因低暴露相對表面積而減少。對既定溫度差，根據本揭示內容製造之爐芯所產生之熱傳遞等於NTU參數乘以熱容量及溫度差。若熱容量及溫度差兩者在此爐芯與習知熱交換器間相等，上述相等NTU情形之熱傳遞即相同。然而，HEX外表面積會不同。如上所述，小與大通道尺寸情形之表面積相同以實現相等流速。然而，就小徑通道情形而言，長度減少16之因數。就小徑通道情形而言，相同內熱傳遞可能損耗熱之表面積較低，為84%。因此，除了大幅減少HEX容積外，根據本揭示內容 之爐芯之小通道尺寸亦大幅減少潛在熱耗對熱傳遞。

藉由減少熱與冷流間的差，或增加HEX效益，可減少製程耗損。就習知熱交換器而言，當h低於所欲時，式4顯示，若熱容量黏緊，表面積A須增加，以增加NTU，並藉此增加效益。雖然這確定可行，增加A卻要求更多容積。然而，藉由變成更小通道尺寸，h快速增加且效益改進。而且，如以上所述，分隔板及A對黏緊熱交換器高度H增加。這如式4所表示，透過增加NTU，進一步增加效益。

為說明通道尺寸對效益的影響，考慮習知爐芯及根據本揭示內容製造之爐芯兩者之黏緊容積熱交換器。當通道尺寸增加時，h增加，且分隔板數亦對應增加。對構成熱交換器之相同寬度W及長度L板，A對應增加。對如以上所述，於通道尺寸之相同4之因數減少，NTU增加。對黏緊熱容量，NTU比例接著以式13表示。

面積比例等於分離板數比例，其以式14表示。

且h比例以式15表示。

針對具有WASHEX之四個小通道尺寸之比例，接著以式16表示NTU比例。

因此，根據本揭示內容製造之爐芯具有更高NTU。使用第40圖中之簡單逆流HEX情形，可就習知HEX及根據本揭示內容製造之爐芯，針對四個更小通道尺寸之函數，計算對理論熱傳遞限制的方案。結果指出，習知方案產生熱傳遞結果距習知NTU1之合理範圍之理論最大值甚遠，惟根據本揭示內容製造之爐芯即接近理論值。這是因為本揭示內容之相等容積爐芯具有遠高於習知HEX之NTU2(根據式16，16×NTU1)。

針對第一估算，若兩者使用相同板厚及構成材料，習知與本揭示內容之爐芯的重量比即等於板面積比。如式14所表示，面積比或重量比等於通道水力直徑比。因此，對四個較低通道直徑函數，面積及重量比僅25%。這接著造成根據本揭示內容製造之爐芯之75%減重。而且，針對第一估算，若根據本揭示內容製造之爐芯與習知HEXs由相同材料構成，75%重量減少會造成75%材料成本減少。

HEX型

由以上可知，根據本揭示內容製造之爐芯對各種用途有可觀的潛力。以下提供進一步凸顯特定益處之用途例子。

透過適當倍增，可實現用於液體及氣體兩者或混合液體/氣體用途的各種熱傳遞能力。單一爐芯可倍增來生產正交流HEX。針對不同容量，更多的爐芯被簡單堆疊及倍 增。藉此方案，當需要增加容量時，連同壓降，保持HEX面速度恆定。例如，對齊成行之正交流HEXs的四個爐芯倍增成，蛇形多通流產生逆流整體配置。僅需要三個通道來清楚顯示逆流。

多通逆流熱交換器四個個別爐芯，或者可生產單一矩形爐芯來取代四個。具體而言，站50可被改成生產達50英吋寬的構造體。亦可使用不同寬度之扁線。為形成4英吋寬的多通熱交換器，4英吋寬構造體可切割約16英吋長來形成長爐芯通道。這些可接著與切割呈約4英吋長的16英吋寬構造體組合。這些一起組合4英吋寬16英吋長的單一爐芯，以替代四個個別爐芯。而且，為有助於歧管附接及密封，寬帶可沿熱交換器長度，在對應岐管附接點的三個位置，插入片內部。藉由遵循該一般方案，可製造各種尺寸爐芯來應付不同相關用途。這是本揭示內容之額外態樣。

電子冷卻係本揭示內容之爐芯的一個用途。除了說明本用途之良號性能外，例子說明此等類型裝置可由銅構成。

HEXs之越發日益重要的用途係高功率密度電子之冷卻，其使用與迷你通道或微通道「冷板」HEXs組合之熱接地平面(TGP)來移除電子所產生的熱。由於電子變得更強，且空間被減少來增加處理速率，或者更多的組件被緊緊地包封在空間有限的用途(亦即航空電子學)，因此，僅單或二相液流可符合熱消散需要。對迷你通道及微通 道HEXs中沸騰(蒸汽)冷卻的許多研究業已被討論過。這些研究顯示達到>100W/cm2的潛力，相較於習知HEXs，這非常高。冷卻劑包含水及冷凍劑(例如R134a)。此工作清楚顯示迷你及微通道HEXs之潛力，以及冷凍劑於此等裝置中的有益使用。若冷卻劑使用水冷卻劑及冷凍劑，此工作即支持WASHEX用於冷卻劑用途。根據本揭示內容製造之爐芯可被用來應付此等具挑戰性的用途，作為亦可在電子中產生更均勻溫度，改進組件生命之有效及低成本解決方案。

就此用途而言，於如以上所述程序中，冷板爐芯由薄銅片(0.01")及扁線(0.04"×0.01")製成。構造體使用網絡黏著劑，由塗佈焊接合金之薄銅片與裸銅扁線製成。在形成長構造體之後，藉水射流切割機切成所欲長度。切割構造體為1.24"×0.94"。冷板爐芯具有由多層正交流通道構成之1.24"×0.94"覆蓋區。因此，需要二型構造體來製造爐芯，W0.94"×L1.24"及W1.24"×L0.94"。首先，爐芯設計成沿縱向(長)僅有4層構造體，2層通道，及沿橫向(短)有2層通道。此爐芯於夾具中組裝並藉LAB接合。

為形成冷板，在歧管塊體內部接合製成之爐芯。爐芯塊體被放入岐管中以容許冷卻劑流體同時進入爐芯之二表面，並離開而進入爐芯另一側之收集室。在相同焊接進行期間，流體入口及出口配件(Swagelok直管陽焊接)亦焊接。

測試用來作為基礎冷板之爐芯成品，於相同冷卻流速率下比較既有微通道電子冷卻系統。由此等測試顯示根據本揭示內容之爐芯有0.055 C/w的熱阻，而習知(SOA)裝置在相同條件下具有0.09 C/w。爐芯重量及容積亦小於SOA裝置62%及60%。

雖然局部「冷板」方案對電子冷卻可行，雷射模組卻例如包含多數大孔，且須安置許多雷射二極體於板上雷射耦接所指定之位置。於此情況下，矩形「冷板」並非最佳。若是此狀況，即考慮更彈性及集成方案。

製造小尺寸微通道爐芯，這些爐芯接著於雷射模組中對齊簡單切削之通道，其接著作為用於冷卻流之岐管。於此稱為分佈爐芯模組熱交換器(DCMHEX)之方案中，小爐芯之大小作成與熱消散必要組件(例如雷射二極體)，與容許爐芯依任何最後電子組件配置所需對齊之模組通道緊密耦接。此方案相對於簡單矩形冷板方案具有很大彈性，其中，必須添加質量以擴散集中之熱負載至板內之更大熱傳遞模組。藉由更集中以及爐芯與熱負載間之最佳對準，系統重量及體積可減至最低。

根據本揭示內容製造之爐芯透過微通道所產生之非常高的熱傳遞係數，提供熱交換器之高性能。藉由經證明之熱與質量傳遞間之類比，質量傳遞亦非常高。若爐芯中之替代通道塗佈薄漆膜及/或塗以觸媒，這些爐芯中的反應物即可被快速地轉換成所欲產品，同時，被釋放(亦即放熱)或吸收(亦即吸熱)的熱即從替代通道中的氣體或液 體傳遞。此方案應付微通道熱交換器之燃料改造用途，其中，改造反應要求從熱氣體熱輸出以維持適當反應溫度。為最佳化觸媒性能及可靠性，可選擇更能與薄漆膜或觸媒相容之片材。在一範圍內，線及片材可不同，以在適當塗佈時，最佳化強度及觸媒反應性。可考慮氣體/氣體、液體/液體及氣體/液體方案。

用途亦包含單相流體情形。這亦擴及多相流。例如，沸騰熱傳遞對諸如水或冷凍劑型液體之液體非常高。於此等情況下，小蒸汽泡沫形成於HEX表面，這增進剩餘液體之攪拌，並提昇表面更快速的熱傳遞。該提昇之熱傳遞對諸如特別高電力電子用途之極高熱流情形非常有用。然而，一旦通道中的所有液體業已轉換成蒸汽，熱傳遞即在此「乾掉」區急遽減少。表面溫度接著於此區急升，這對電子組件壽命有害。冷卻設計須非常保守。然而，如剛說明之冷板例所述，藉本文所說明之爐芯方案，有多通道，其有能產生更均勻熱傳遞之冷卻劑正交流。具體而言，多分隔板協助從流體導熱，並將此熱擴散至整個構造。亦藉正交流，冷流進入爐芯之兩面，而非如典型熱交換器中的單面。這亦協助均一熱傳遞及溫度。因此，多機構可被實施以控制溫度均勻度，並改進電子組件壽命。藉由通道尺寸、覆蓋區、通道數之適當設計，可發現最佳解決方案於相關問題的管理。用於單一流體冷板型用途之相同方案對有多相流之二流體型情形有益。冷凍蒸發器及冷凝器二者可由使用根據本揭示內容製造之爐芯獲益。

如稍早所提，用途包含流入各組通道之液體及氣體流體，以及氣體/氣體和液體/液體。若是更低密度之典型氣體，氣體側通道即須遠大於液體側通道，以類似質量流速率維持合理壓降。氣體/液體熱交換器涵蓋重要用途，像散熱器、冷凝器及蒸發器，其通常使用管中氣體及鰭片中氣體型熱交換器。為最小化容積及重量，如於第3圖中所說明，此等熱交換器使用高性能放熱孔型鰭片及擠出微通道型扁管。此等單元藉由使用標準爐，將鰭片、擠出管及歧管接合在一起製成。根據本揭示內容製造之爐芯或堆疊爐芯可以類似方式用來生產用於此等熱交換器之微通道管。

於此例子中，片、扁線及邊緣帶被一起接合成長帶以形成基本上擠出冷卻劑管。相較於習知擠出管，此等管在重量及容積上較小，在性能上較擠出通道高。此等製成之管可被插入皺褶形鰭片間以形成散熱器型熱交換器。

諸如石蠟之相變材料(PCM)具有高熔融熱，其可用來管理脈波電子用途所產生之過渡熱負載。當單元脈動時，非常高的熱尖峰會透過冷卻系統傳導，這會導至電子組件之過高溫度，除非熱管理系統為熱尖峰定大小。然而，系統之重量、容積及成本會因為高峰定系統大小，而相對於為平均熱負載定大小之系統過高。藉由包含PCM材料於回路中，PCM能在其以接近黏緊溫度從固態轉換成液態時，吸收大量能量。這會削平高峰並容許實現整體較低容積、重量及成本之熱管理系統。

雖然PCM非常有益，在相關溫度範圍內有效者卻是相對較差導體。於此情況下，熱尖峰可能會因經由低傳導PCM熱傳遞之瓶頸，而無法在防止組件溫度過高所需時間規模中被吸收。為消除此瓶頸，可使用根據本揭示內容製造之爐芯，其中，一組通道充填PCM，另一組含有冷卻流。為此情形，PCM中之熱導路徑縮短至通道高度級。這大大影響PCM質量之熱反應。此外，此爐芯構造協助透過於金屬構造中的傳導，分配熱。根據熱管理系統，熱導及熱容量兩者平衡。最後，雖然考慮到固態PCM之有益情形，卻亦可使用根據本揭示內容製造之爐芯來最佳化漿型PCMs之影響，其中，流體熱容量藉由添加微囊裝PCMs來增進。

本發明之圖示實施例之包含摘要所載的以上說明並不意圖周延，或限制本發明於精密的揭示形式。雖然本文為解說目的而說明本發明之特定實施例及例子，惟如熟於相關技藝者當知，在本發明之範疇內，可作各種修改。

此等修改可根據以上詳細說明，對本發明進行。申請專利範圍內的用詞不應被解釋為限制本發明於本說明書中所揭示之特定實施例。反而，本發明之範疇應完全由申請專利範圍決定，其應根據確立之申請專利範圍解釋法理來解釋。

10‧‧‧爐芯

10a、10b‧‧‧面

12、14、28‧‧‧通道

12a、14a‧‧‧開口

20、22、22a、22b‧‧‧構造體

24a、24b、40‧‧‧片

26a、26b、30‧‧‧線

31‧‧‧卷筒

34、41‧‧‧滾輪

43‧‧‧黏著劑

50‧‧‧壓機(站)

51b‧‧‧出口

52a、52b、54a、54b‧‧‧滾輪皮帶

53‧‧‧下皮帶

55‧‧‧上皮帶

60、70‧‧‧線導件及矯直總成

62、64、72、74‧‧‧導件

66、82‧‧‧板

66a‧‧‧板面

76、76a、76b‧‧‧栓

80‧‧‧支架

81‧‧‧扁線

86a、86b、86c、86d、86d、86e、86f、86g、86h‧‧‧銷

90、99‧‧‧爐芯前驅物

130、130’‧‧‧網

130a、130b、130a’、130b’‧‧‧長線部

131a、131b、131c、131d‧‧‧構造體

134、134’‧‧‧正交流編織線

135‧‧‧片帶

140‧‧‧站

143‧‧‧滾輪

144a、144b、145a、145b、146a、146b、147a、147b‧‧‧卷筒

149‧‧‧黏著劑

160‧‧‧線片帶

171‧‧‧爐芯

172、173‧‧‧歧管

176‧‧‧角隅通道

第1圖顯示根據本揭示內容製造之正交流熱交換器之 透視圖。

第2圖顯示用來形成第1圖之正交流熱交換器之一系列交錯構造體之部分透視圖。

第3B及3A圖分別顯示第2圖之二構造體之俯視及側視圖，第3A圖係自第3B圖之剖線IIIA-IIIA所取視圖。

第4圖係用以根據本揭示內容製造熱交換器之程序之流程圖。

第5圖係製造構造體之站之示意圖。

第6A及6B圖係配合第5圖之站所用之線導件及矯直總成之二實施例。

第7圖顯示在支架內對齊之複數個構造體，該支架適用來放入壓機以維持堆疊構造體間之對齊，在此，堆疊構造體係對熱交換器之爐芯之爐芯前驅物。

第8A及8C圖顯示用以根據替代之構造體製造方法製造構造體之線網之例子。

第8B圖製造構造體之第二站之示意圖。

第9A、9B及9C圖係使用根據本揭示內容中所述方法組裝之爐芯製造之熱交換器例子。

第10圖顯示加強爐芯構造。

10‧‧‧爐芯

10a、10b‧‧‧面

12、14‧‧‧通道

12a、14a‧‧‧開口

Claims (23)

1. 一種具有微通道之熱交換器之製造方法，包括：組裝複數個構造體，包含連續進給複數條線及片入壓機，以黏緊該等複數條線至該片；組合該等複數個構造體；以及將經組合之複數個構造體相互接合以形成熱交換器。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該線及/或片材係金屬、非金屬或金屬與非金屬的組合。
3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中，該片及線材係金屬，且該接合包含該等構造體之機械及冶金接合。
4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中，該接合係擴散接合、荷載協助焊接(LAB)、焊接或熔接。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該連續進給步驟包含將複數條線導入該壓機，以在該等複數條線進入該壓機時，根據所欲微通道寬度分隔該等線。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該壓機包含多數軋輥，且該等複數條線及片在被連續進給入該壓機時通過諸軋輥間。
7. 如申請專利範圍第1之方法，其中，該等複數條線被從一個或更多個卷筒進給，且該片被從經滾軋的片進給。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該組合複數個構造體包含在該線及片離開該壓機之後，切割黏緊於片之線的連續供應。
9. 一種用以與其他構造體組合以形成微通道熱交換器 爐芯之構造體之製造方法，包括：提供線及片材之連續供應；經由對齊該等線與片材之導件進給該等線，其中，經對齊之線的每一者間的間隔約相當於微通道之寬度；貼附經對齊之線於該片材；以及切割該片材及線以形成構造體。
10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中，該線及片材包括金屬，片厚小於0.1英吋，且該等線具有小於0.1英吋之直徑。
11. 如申請專利範圍第9項之方法，其中，該貼附步驟包含貼附線網於該片材。
12. 如申請專利範圍第9項之方法，其中，該貼附步驟包含貼附複數條個別線於該片，其中各線自卷筒供應。
13. 如申請專利範圍第12項之方法，又包含藉由使該線及片材通過壓機貼附該等線至該片材。
14. 如申請專利範圍第13項之方法，又包含在該貼附步驟之前，配置黏著劑於該片材之面上。
15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中，該貼附步驟包含當該線及片材在該壓機內時，激活該線與片材間之黏著劑。
16. 如申請專利範圍第9項之方法，其中，該線係圓或扁線。
17. 一種具有微通道之熱交換器之製造方法，包括：提供複數個構造體；以及 堆疊該等複數個構造體，其中，微通道由第一構造體之線及片及放在該第一構造體上之第二構造體之片形成。
18. 如申請專利範圍第17項之方法，又包含將複數個經堆疊之構造體相互接合以形成爐芯，且接著貼附岐管至該爐心之步驟。
19. 如申請專利範圍第17項之方法，又包含將第一複數個經堆疊之構造體相互接合以形成第一爐芯、形成第二爐芯、堆疊該第一及第二爐芯以形成第三爐芯以及接著貼附岐管至該第三爐心之步驟。
20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中，用於該爐芯之通道尺寸包含第一及第二通道尺寸。
21. 一種設備，包括：爐芯前驅物，包括複數個構造體；其中，該些線的高度約為微通道之高度；以及其中，該設備適用來藉由將該等複數個構造體相互接合，以形成熱交換器爐芯之複數個微通道。
22. 如申請專利範圍第21項之設備，其中，該片及線係金屬，且該設備被適用來藉由擴散接合、焊接或荷載協助焊接，以在複數個構造體間誘發冶金接合，形成該熱交換器爐芯之該通道。
23. 如申請專利範圍第21項之設備，其中，該爐芯前驅物包括複數個經堆疊之構造體，其中該等構造體被彼此相對定向，以致該等構造體之該等線沿該熱交換器爐芯之該通道之方向延伸。