CN104154777A - 一种具有交错内凹槽结构的微通道换热器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有交错内凹槽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，其包括多条沿冷却液流动方向平行排布的纵向微通道，及与该纵向微通道垂直并互相间隔设置的多条横向微通道；该微通道为内凹槽形状，包括一位于基体内部的内嵌槽体和一构成基体开口位置的狭缝，内嵌槽体与狭缝相连通。制造时，先沿液体流动方向线切割加工出纵向内凹槽微通道，再将工件旋转90度后，线切割加工出横向内凹槽，从而获得纵横交错的微通道阵列，并用耐热玻璃封装微通道，形成交错内凹槽微通道换热器。本发明制造工艺简单、成本低廉，实现热边界层间歇性再发展、增大传热面积，同时内凹槽结构能显著促进沸腾成核、强化沸腾传热，从而整体强化传热。

Description

一种具有交错内凹槽结构的微通道换热器及其制造方法

技术领域：

本发明涉及传热用热交换器，特别是涉及一种具有交错内凹槽结构的微通道换热器及其制造方法。

背景技术：

近年来,随着电子产品集成化的不断提高，电子设备的功率急剧增加，而物理尺寸越来越小，单位面积热流密度随之大大提高，由高热流密度引发的产品失效问题日益严重。采用微通道换热器实现高效液体冷却被认为是高热流密度问题有效的解决途径。普通的微通道换热器是在金属或硅基底上加工出若干平行排布的矩形、三角形、梯形等开式微通道结构，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。电子元器件产生的热量通道连接层传递到微通道结构，被微通道内流动的冷却液带走，从而实现电子元器件散热的目的。目前的微通道换热器主要采用平行的微通道阵列，当流体进入微通道后，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，传热系数和努赛尔系数都比较大，传热性能比较好，但是随着流动的展开，传热系数和努赛尔系数迅速下降，从而导致明显的传热性能降低，已无法满足大功率设备的散热要求。为此，有专利CN200410015286.7提出具有纵横交错微通道的硅基微通道换热器，通过刻蚀方法在硅片上加工纵向三角形微通道、横向梯形微通道的纵横交错微通道阵列，通过沿流动方向间歇地布置横向微通道来间歇中断热边界层，达到强化传热的目的。但是其纵向和横向微通道均为开式的结构(三角形、梯形)，流体与微通道的换热面积有限，且在硅基上采用刻蚀加工而成，工艺复杂，成本较高，不利于低成本大批量进行微通道换热器的生产。

此外，半封闭式内凹槽结构在传统的管式换热器中被广泛用于强化沸腾传热，如专利CN95246323.7公开的具有内凹槽外翅片的强化换热管。内凹槽结构所形成的空穴极易成为稳定的汽化核心，从而为沸腾提供理想的气泡成核场所，同时有效防止外部过冷流体对泡核的过早冷却，从而大大降低沸腾发生所需要的壁面过热度，提高沸腾传热性能。然而内凹槽结构用于微通道换热器的强化换热尚未有报道。

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，提供一种具有交错内凹槽结构微通道换热器，显著强化传热。本发明还提供一种工艺简单、设备要求低、成本低廉的具有交错内凹槽微通道结构的微通道换热器的制造方法。

本发明采用如下技术方案：

一种具有交错内凹槽微通道结构的微通道换热器，包括一金属微通道基体，其特征在于：该基体包括多条与冷却液流动方向平行且互相间隔设置的纵向微通道，及与该纵向微通道垂直并互相间隔设置的多条横向微通道，该纵向微通道和该横向微通道形成纵横交错的微通道阵列；该纵向微通道和横向微通道均为内凹槽结构，其包括一位于基体内部的内嵌槽体和一构成基体开口的狭缝，内嵌槽体与狭缝相连通；横向微通道的间距与纵向微通道水力直径的比值为4-10。

优选的，所述的基体为铜或铝或不锈钢金属基体。

优选的，所述内嵌槽体的横截面形状为圆形或燕尾形或菱形或矩形。

优选的，所述内嵌槽体横截面的当量直径为0.6mm-1.0mm，所述狭缝的深度为0.3-0.5mm，宽度为0.4-0.6mm。

优选的，所述横向微通道水力直径为纵向微通道水力直径的1.5-3倍。

一种具有交错内凹槽微通道结构的微通道换热器的制造方法，其特征在于：

1)通过线切割方法在金属基底上沿冷却液流动方向切割出互相平行且间隔设置的纵向内凹槽微通道，该纵向内凹槽微通道的形状包括一位于基体内部的内嵌槽体和一构成基体开口的狭缝，内嵌槽体与狭缝相连通；

2)将工件水平旋转90度，在与纵向内凹槽微通道垂直的方向上通过线切割方法加工出互相平行且间隔设置的横向内凹槽微通道，该横向内凹槽微通道的形状也包括一位于基体内部的内嵌槽体和一构成基体开口的狭缝，内嵌槽体与狭缝相连通；并限制横向微通道的间距与纵向微通道水力直径的比值为4-10；

3)取下工件，对加工后的基体进行清洗，得到交错内凹槽微通道结构；

4)将得到的交错内凹槽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，最终得到完整的微通道换热器。

优选的，所述线切割方法采用钼丝作为加工电极并采用慢走丝加工方向，所述内凹槽微通道的形状通过钼丝的轨迹进行控制。

优选的，所述内嵌槽体的横截面形状为圆形或燕尾形或菱形或矩形。

优选的，所述内嵌槽体横截面的当量直径为0.6mm-1.0mm，所述狭缝的深度为0.3-0.5mm，宽度为0.4-0.6mm。

优选的，所述横向微通道水力直径为纵向微通道水力直径的1.5-3倍。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明公开的具有交错内凹槽结构的微通道换热器，充分利用了热边界层在发展之中具有很高的努赛尔特系数的原理，有效弥补了常见平行微通道热交换器的缺点，使得冷却液在微通道中一直处于热发展段，此外还改善了冷却液在微通道中的分布，增大了传热面积，从而整体上大大提高传热性能，达到强化传热的目的；

2.本发明的交错内凹槽微通道换热器采用半封闭式的内凹槽微通道结构，利于形成稳定的沸腾汽化核心，具有促进沸腾成核、显著强化沸腾传热的优点。

3.本发明的交错内凹槽微通道结构采用线切割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，容易实现工业化生产。

附图说明

图1是交错内凹槽微通道结构示意图；

图2是具有交错内凹槽结构的微通道换热器示意图；

图3是图2(整体)的A-A剖视图；

图4是图4(整体)的B-B剖视图；

图5中的a-d是不同内凹槽截面形状示意图；

图6是纵向内凹槽微通道的加工示意图；

图7是横向内凹槽微通道的加工示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

一种具有交错内凹槽微通道结构的微通道换热器，如图1至图4所示，包括一金属微通道基体1、进出口流道腔2和耐热玻璃3。该基体1包括多条与冷却液流动方向平行且互相间隔设置的纵向微通道11，及与纵向微通道11垂直且互相平行间隔设置的多条横向微通道12。该纵向微通道11和横向微通道12形成纵横交错微通道阵列。纵向微通道11和横向微通道12均为内凹槽形状，其包括一位于基体1内部的内嵌槽体1a和一构成基体1开口的狭缝1b，内嵌槽体1a与开口狭缝1b相连通。该内嵌槽体1a的形状为圆形、菱形、矩形或燕尾形(如图5中a-d所示).优选为圆形，从而形成倒“Ω”形内凹槽形状。内嵌槽体1a的横截面当量直径为0.6mm-1.0mm，内凹槽形状的狭缝1b的深度为0.3-0.5mm，宽度为0.4-0.6mm。优选的，内嵌槽体1a的横截面当量直径为0.7mm-0.9mm，该狭缝1b的深度为0.3-0.4mm，宽度为0.4-0.5mm。横向微通道12的间距与纵向微通道11水力直径的比值为4-10。横向微通道12内凹槽的水力直径为纵向微通道11的水力直径的1.5-3倍。

该具有交错内凹槽结构的微通道换热器，充分利用了热边界层在发展之中具有很高的努赛尔特系数的原理，使得冷却液在微通道中一直处于热发展段，还改善了冷却液在微通道中的分布，增大了传热面积。此外，交错内凹槽微通道换热器采用半封闭式的内凹槽微通道结构，利于形成稳定的沸腾汽化核心，具有促进沸腾成核、显著强化沸腾传热的优点，从而大大提高了微通道换热器的传热性能，达到强化传热的目的。

上述具有交错内凹槽结构的微通道换热器的制造方法，包括如下步骤：

1)将一厚度为2mm的薄铜板竖直装夹到线切割机夹具上，采用线切割工艺先加工出沿冷却液流动方向平行排布的纵向微通道11，如图6所示。具体为：选用钼丝4作为加工电极，钼丝4直径为0.1mm，采用慢走丝加工方式，线切割加工短路电流为3A，脉冲宽度为6μs，脉冲间隔为60μs，开路电压为105V，走丝速度为6mm2/min。由钼丝4的轨迹控制凹槽的截面形状，优选内嵌槽体截面形状为圆形，根据需要也可以为燕尾形、菱形或矩形。内嵌槽体1a的横截面当量直径为0.8mm，该狭缝1b的深度为0.3mm，宽度为0.4mm，得到的内凹槽水力直径为0.79mm。

2)将薄铜板水平旋转90度后再次竖直装夹至线切割机夹具上，采用水平尺测量方式保证其竖直度，按照步骤1)所述的加工参数，在垂直于冷却液流动的方向上切割加工出横向微通道12，得到具有交错微通道结构的基体1，参照图7。横向微通道12的间距与纵向微通道11水力直径的比值约为：4-10。优选的横向微通道12之间的间距为4mm。横向微通道内凹槽12的水力直径为1.2mm，为纵向微通道11水力直径的1.5倍。

3)取下具有交错微通道结构的基体1，采用煤油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，充分去除交错微通道结构中的油污和氧化皮，得到最终的具有交错微通道结构的基体1。

4)将得到的交错微通道阵列1与进出口流道腔2相嵌合，并在其顶部放置一块耐热玻璃3，通过机械固定方法实现耐热玻璃3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，并与接管、水泵等连接在一起，形成一个强制循环回路，得到完整的微通道换热器***。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种具有交错内凹槽微通道结构的微通道换热器，包括一金属微通道基体，其特征在于：该基体包括多条与冷却液流动方向平行且互相间隔设置的纵向微通道，及与该纵向微通道垂直并互相间隔设置的多条横向微通道，该纵向微通道和该横向微通道形成纵横交错的微通道阵列；该纵向微通道和横向微通道均为内凹槽结构，其包括一位于基体内部的内嵌槽体和一构成基体开口的狭缝，内嵌槽体与狭缝相连通；横向微通道的间距与纵向微通道水力直径的比值为4-10。

2.如权利要求1所述的一种具有交错内凹槽微通道结构的微通道换热器，其特征在于：所述的基体为铜或铝或不锈钢金属基体。

3.如权利要求1所述的一种具有交错内凹槽微通道结构的微通道换热器，其特征在于：所述内嵌槽体的横截面形状为圆形或燕尾形或菱形或矩形。

4.如权利要求1所述的一种具有交错内凹槽微通道结构的微通道换热器，其特征在于：所述内嵌槽体横截面的当量直径为0.6mm-1.0mm，所述狭缝的深度为0.3-0.5mm，宽度为0.4-0.6mm。

5.如权利要求1所述的一种具有交错内凹槽微通道结构的微通道换热器，其特征在于：所述横向微通道水力直径为纵向微通道水力直径的1.5-3倍。

6.一种具有交错内凹槽微通道结构的微通道换热器的制造方法，其特征在于：

1)通过线切割方法在金属基底上沿冷却液流动方向切割出互相平行且间隔设置的纵向内凹槽微通道，该纵向内凹槽微通道的形状包括一位于基体内部的内嵌槽体和一构成基体开口的狭缝，内嵌槽体与狭缝相连通；

2)将工件水平旋转90度，在与纵向内凹槽微通道垂直的方向上通过线切割方法加工出互相平行且间隔设置的横向内凹槽微通道，该横向内凹槽微通道的形状也包括一位于基体内部的内嵌槽体和一构成基体开口的狭缝，内嵌槽体与狭缝相连通；并限制该横向微通道的间距与纵向微通道水力直径的比值为4-10；

3)取下工件，对加工后的基体进行清洗，得到交错内凹槽微通道结构；

4)将得到的交错内凹槽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，最终得到完整的微通道换热器。

7.如权利要求6所述的一种具有交错内凹槽微通道结构的微通道换热器的制造方法，其特征在于：所述内嵌槽体的横截面形状为圆形或燕尾形或菱形或矩形。

8.如权利要求6所述的一种具有交错内凹槽微通道结构的微通道换热器的制造方法，其特征在于：所述内嵌槽体横截面的当量直径为0.6mm-1.0mm，所述狭缝的深度为0.3-0.5mm，宽度为0.4-0.6mm。

9.如权利要求6所述的一种具有交错内凹槽微通道结构的微通道换热器的制造方法，其特征在于：所述横向微通道水力直径为纵向微通道水力直径的1.5-3倍。