CN109416224A - 层压微通道热交换器 - Google Patents

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Abstract

在一个一般的方面,公开了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导热薄片,每个导热薄片限定与流动方向对齐的一系列并排通道。每个通道包括对齐的狭槽,狭槽限定微通道区段并由横肋分开。薄片堆叠在所述基座和盖子之间,以使肋条的至少一些彼此偏移,并允许相邻薄片的相同通道中的微通道区段沿流动方向彼此连通以在热交换器中限定多个微通道。

Description

层压微通道热交换器
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年4月18日提交的美国临时申请序列号62/324,327和2017年1月10日提交的美国申请序列号15/402,511的优先权,这两篇文献均通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及基于微通道的热交换器,包括用于冷却具有高热通量的热源(例如电子设备)的基于微通道的蒸发器。
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(一般超过5瓦/厘米2,并且通常大致上会更高)来去除废热。这种高热通量热源的实例包括微电子,例如微处理器和存储器件、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,放射性热发电机和燃料棒,以及内燃机。
流体热交换器通过将热量热传导到交换器的冷却剂流体流动经过的内部通道,吸收穿过交换器壁传导的热量,然后将流体输送到交换器外部来散热,其中热量被排放到外部散热器。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和导热系数。液体可以保持为单相,或者液体可以在交换器的内部通道内部分或完全蒸发。
供给到流体热交换器的冷却剂液体流可以由泵驱动,或者利用由于进入和离开的流体(例如热虹吸管)之间的密度差和/或高程的自然对流驱动,或者通过内部通道中的毛细作用驱动,或通过交换器的这些机制的组合驱动。
蒸发器型交换器依赖于沸腾模式,并且具有冷却剂的单位流体流速的传热系数更高(更好的传热)的优点。它们还需要更少的冷却剂流量,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,如果内部通道由微通道(即具有横截面的最小尺寸小于1000微米,并更通常地在50-500微米范围内的通道)构成,则流体热交换器的热性能和效率可以大大增强。
发明内容
在一个一般的方面,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导热薄片,每个导热薄片限定一系列与流动方向对齐的并排通道。每个通道包括对齐的狭槽,狭槽限定微通道区段并由横肋分开。薄片堆叠在所述基座和盖子之间以使所述横肋的至少一些彼此偏移,并允许在相邻薄片中,相同通道中的微通道区段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,所述导热薄片还可以在通道的每个端部处限定进入通道开口,当堆叠时,所述进入通道开口为所述微通道形成进入通道。这些薄片可在热交换器的至少一个入口端限定更密集的横肋堆积,以在通道入口端处减小开口横截面。微通道的长宽比可以大于4:1。微通道的长宽比可以大于8:1。该设备还可包括位于导热薄片组之间的导热分隔件薄片,以形成多层热交换器。所述薄片可以由至少一种导电金属制成。所述薄片可由可烧结的导热陶瓷制成。所述薄片可以粘合或熔合。所述微通道可具有小于500微米的水力直径。所述微通道可具有小于200微米的水力直径。所述基座可以是比每个薄片厚的基板,并且所述盖子可以包括与微通道连通的进入通道。所述基座可以是导热但电绝缘的。所述热交换器可以构造成用于沸腾或蒸发流体服务,所述热交换器进一步包括在微通道的入口端处的流动限制件。流动限制件可以通过在交替的带狭槽的薄片层中交替地封闭狭槽通道中的第一狭槽的端部而形成,所述第一狭槽具有比狭槽之间的横肋主体宽的横肋,交替的封闭端部的狭槽通道相对于上方或下方的狭槽通道交错,使得当薄片堆叠并粘合在一起时,所形成的平行通道的横截面具有跨越多个通道的入口的棋盘状图案,其用作整体的流动限制件,其覆盖主通道的横截面积的大致50%。
根据本发明的***可以帮助抑制Ledinegg效应,从而允许热交换器与两相***一起工作。通过设置入口限制,根据本发明的微通道蒸发器可以避免由于Ledinegg效应引起的流动不稳定性,由此在多个(平行)微通道内的沸腾可能是不均匀的并且由于在各种通道中随着沸腾的发展而变化的压降的相互作用,导致周期性回流进入集管或歧管。这有助于实现稳定且基本均匀的沸腾流,从而在冷却高通量热源时产生改善的和更稳定的热性能。
附图说明
图1是包含在带凹槽的层压结构中的第一类型带凹槽薄片的平面图,该带凹槽的层压结构可用于实现微通道热交换器;
图2是图1中矩形2所示的图1的第一类型带凹槽薄片的部分的平面图;
图3是包含在带凹槽的层压结构中的第二类型带凹槽薄片的部分的平面图;
图4是包含在带凹槽的层压结构中的分隔件薄片的平面图;
图5是通过如图1-4所示的第一薄片类型和第二薄片类型以图2和图3中箭头5所示的方向交替形成的层压结构的立体剖视图;
图6是图5的带凹槽的层压结构的更详细的剖视图;
图7是图5的层压结构的第二立体剖视图,示出了通过图5的结构的流动路径,其方向如图2和图3中箭头7所示;
图8是用于使用图1-7所示的带凹槽的层压结构装配到带凹槽的层压芯的层压薄片的分解图;
图9是使用图8的层压芯的微通道热交换器的部分的立体分解图;以及
图10是图5的带凹槽的层压结构的横截面图,其通过限定带凹槽的层压结构中的流动限制件的平面截取。
具体实施方式
微通道热交换器可以使用由多个导热片构成的带凹槽的层压结构来组装。图1示出了一种这样的第一类型薄片40。它包括公共切口区域42,它们是限定微通道的槽46的分隔线44。
更具体地,第一类型薄片40包括多个狭槽46的多条线44,给定线中的狭槽由用作横肋48的薄壁隔开。这些线在公共切口区域之间延展,这些公共切口区域在狭槽的每条线的任一端处于狭槽连接。当薄片堆叠时,公共切口区域彼此对齐以形成输入和输出歧管。
也参照图2和图3,交替使用两种或更多种类型的薄片使得可以在三维空间中定义微通道。特别地,层压芯结构通过交替的带槽且带肋的薄片组装,当薄片堆叠时,横肋彼此相互交错,使得狭槽的每条线形成连续的蛇形的流动路径(也参见图5-7)。
参照图4,具有薄片切口区域62的导热无槽分隔件薄片60也可以用在芯的顶部和底部和/或用于分离微通道层,切口区域62与带槽且带肋的薄片的公共切口区域对齐。
参照图8,交替带槽和带肋的薄片,以未开槽的分隔薄片置于两侧的堆叠集合,允许形成包括一个或多个层的芯结构,每个层具有多个具有散布的横肋的微通道,所述横肋间歇地部分地中断流动路径,同时提供通道壁的横向强化。每层中交替的带槽且带肋的薄片的数量,以及薄片厚度和狭槽宽度,决定了通道层的通道深度:宽度长宽比。分层堆叠的薄片优选地粘合以确保所有薄片彼此导热连通。
参照图9,然后可以将得到的子组件粘合到基板74上,以确保基板与微通道层导热连通,并且可以将盖子78放置并密封在所得到的粘合到基板上的微通道层76的组件的顶部上,从而形成完整的微通道热交换器组件70。
参见图10,在交换器用于沸腾或蒸发服务的情况下,微通道的输入侧优选地包括流动限制件。通过在微通道的输入侧设置额外的横肋82,可以将这些限制件构建至层压结构中。
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,微通道具有任意高的深度:宽度长宽比和薄壁。通道具有连接通道壁的内部横肋,并为通道壁提供机械强度以及中断流体流线的方式以改善热传递。导热片和基板材料优选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。薄片的粘合可以通过确保薄片和基板之间的高导热性的任何方便的方式进行。
多层微通道是通过在带槽且带肋的薄片的堆叠件之间***额外的导热无槽分隔件薄片形成,所述分隔件薄片具有与带槽且带肋的薄片的公共切口区域对齐的切口区域。与其他层中的微通道相比,任何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为2:1,并且优选地在4:1和15:1之间。所得微通道之间的壁可小于200微米,并优选厚度为40-100微米。基板和微通道壁可由导热率超过100W/m-K的材料制成。所得微通道的水力直径可小于500微米,优选50-200微米。
流体入口通道可设有流动限制件,以防止回流或两相流动不稳定。这些入口限制是通过封闭带槽且带肋的薄片的堆叠件中的交替薄片的狭槽的入口侧端部(例如通过添加额外的横肋)来实现的,从而相对于超出封闭部分的主通道横截面减小了入口通向通道的开口横截面积。优选地,微通道的封闭(限制)部分的长度为至少1毫米。
微通道热交换器的各个部件(例如微通道堆叠件,基板和上板)可以粘合或熔合,使得交换器是气密密封的(除了与歧管连通的流体入口和出口),使交换器可以保持提升的内部压力。粘合或熔合可以通过任何方便的手段来完成。
微通道热交换器的各个部件(例如微通道堆叠件,基板和上板)也可以通过机械方式连接在一起,在部件之间具有适当的密封,使得交换器可以保持提升的内部压力。
在另一实施例中,微通道交换器层的底部基底由导热但电绝缘的陶瓷或介电固体制成或涂有导电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。然后将微通道交换器用作(发热)电子元件的基底,安装在交换器的电绝缘但导热的底面上并与之热接触。
制造方法
微通道热交换器的各个部件(例如导热基座,微通道层,歧管,盖子,流体入口和出口,带槽和带肋的薄片等)可以通过与热交换器的最终组装一致的任何方便的手段制造。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,冲孔,光化学加工,激光烧蚀或微机械加工,放电加工(EDM),超声波加工,水射流切割等。
·材料的机械变形,例如通过刮削,“犁耕”,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,以便在粘合之后,可以将粘合的组件切割或切块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。
·粘合或熔合技术,如扩散连接,硬钎焊,软钎焊,焊接,烧结等。
·机械装配技术,如螺栓,螺柱,夹具,粘合剂等,根据情况使用密封件,如垫圈,O形圈,填缝剂等。
根据本发明的实施例可发展各种不同的冷却构造并应用于各种不同的冷却任务。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和2008年11月10日提交已公开的美国申请No.US-2009-0229794的教导相结合而实施,其均通过引用并入本文。
现在已经结合本发明的多个具体实施方案描述了本发明。但是,预期落入本发明范围内的许多修改对于本领域技术人员来说应该是显而易见的。因此,预期本发明的范围仅受所附权利要求的范围限制。另外,权利要求的呈现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 (15)

1.一种微通道热交换器,包括:
盖子,
基座,
所述盖子和所述基座之间的多个导热的薄片,每个导热薄片限定与流动方向对齐的一系列并排通道,其中每个所述通道包括限定微通道区段并由横肋分开的多个对齐的狭槽,
其中,所述薄片堆叠在所述基座和盖子之间,以使肋条中的至少一些彼此偏移并允许相邻薄片的相同通道中的微通道区段沿着流动方向彼此连通,以在热交换器中限定多个微通道。
2.根据权利要求1所述的装置,其中,所述导热薄片还限定位于通道的每个端部处的进入通道开口,在堆叠时,所述进入通道开口为所述微通道形成进入通道。
3.根据权利要求1所述的装置,其中,所述薄片在所述热交换器的至少一个入口端中形成更密集的横肋堆积,以减小通道的入口端部处的开口横截面。
4.根据权利要求1所述的装置,其中,所述微通道的长宽比高于4:1。
5.根据权利要求1所述的装置,其中,所述微通道的长宽比高于8:1。
6.根据权利要求1所述的装置,还包括位于导热的薄片组之间的导热分隔件薄片,以形成多层热交换器。
7.根据权利要求1所述的装置,其中,所述薄片由至少一种导电金属制成。
8.根据权利要求1所述的装置,其中,所述薄片由能够烧结的导热陶瓷制成。
9.根据权利要求1所述的装置,其中,所述薄片是粘合或熔合的。
10.根据权利要求1所述的装置,其中,所述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,其中,所述微通道的水力直径小于200微米。
12.根据权利要求1所述的装置,其中,所述基座是比每个薄片厚的基板,并且所述盖子包括与所述微通道相连通的进入通道。
13.根据权利要求1所述的装置,其中,所述基座是导热但电绝缘的。
14.根据权利要求1所述的装置,其中,所述热交换器构造成用于沸腾或蒸发流体服务,并且其中所述热交换器还包括在所述微通道的入口端部处的流动限制件。
15.根据权利要求14所述的装置,其中,所述流动限制件是通过在交替的带狭槽的薄片层中交替地封闭狭槽通道中的第一狭槽的端部而形成的,所述第一狭槽具有比狭槽之间的横肋主体宽的横肋,其中,交替的封闭端部的狭槽通道相对于上面或下面的狭缝通道形成交错,使得当薄片层叠并粘合在一起时,形成的平行通道的横截面具有跨越多个通道的入口的棋盘状图案,其用作覆盖主通道的横截面积的大致50%的整体流动限制件。
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