一種具有交錯內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)的微通道換熱器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有交錯內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)的微通道換熱器及其制造方法，包括一金屬微通道基體，其包括多條沿冷卻液流動方向平行排布的縱向微通道，及與該縱向微通道垂直并互相間隔設(shè)置的多條橫向微通道；該微通道為內(nèi)凹槽形狀，包括一位于基體內(nèi)部的內(nèi)嵌槽體和一構(gòu)成基體開口位置的狹縫，內(nèi)嵌槽體與狹縫相連通。制造時(shí)，先沿液體流動方向線切割加工出縱向內(nèi)凹槽微通道，再將工件旋轉(zhuǎn)90度后，線切割加工出橫向內(nèi)凹槽，從而獲得縱橫交錯的微通道陣列，并用耐熱玻璃封裝微通道，形成交錯內(nèi)凹槽微通道換熱器。本發(fā)明制造工藝簡單、成本低廉，實(shí)現(xiàn)熱邊界層間歇性再發(fā)展、增大傳熱面積，同時(shí)內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)能顯著促進(jìn)沸騰成核、強(qiáng)化沸騰傳熱，從而整體強(qiáng)化傳熱。
【專利說明】一種具有交錯內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)的微通道換熱器及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明涉及傳熱用熱交換器，特別是涉及一種具有交錯內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)的微通道換熱器及其制造方法。

【背景技術(shù)】
:
[0002]近年來，隨著電子產(chǎn)品集成化的不斷提高，電子設(shè)備的功率急劇增加，而物理尺寸越來越小，單位面積熱流密度隨之大大提高，由高熱流密度引發(fā)的產(chǎn)品失效問題日益嚴(yán)重。采用微通道換熱器實(shí)現(xiàn)高效液體冷卻被認(rèn)為是高熱流密度問題有效的解決途徑。普通的微通道換熱器是在金屬或硅基底上加工出若干平行排布的矩形、三角形、梯形等開式微通道結(jié)構(gòu)，用蓋板耦合封裝成冷卻液微流道，與外界連接而形成冷卻液回路。電子元器件產(chǎn)生的熱量通道連接層傳遞到微通道結(jié)構(gòu)，被微通道內(nèi)流動的冷卻液帶走，從而實(shí)現(xiàn)電子元器件散熱的目的。目前的微通道換熱器主要采用平行的微通道陣列，當(dāng)流體進(jìn)入微通道后，同時(shí)進(jìn)行流動邊界層和熱邊界層的發(fā)展。當(dāng)熱邊界層還未達(dá)到充分發(fā)展區(qū)域，傳熱系數(shù)和努賽爾系數(shù)都比較大，傳熱性能比較好，但是隨著流動的展開，傳熱系數(shù)和努賽爾系數(shù)迅速下降，從而導(dǎo)致明顯的傳熱性能降低，已無法滿足大功率設(shè)備的散熱要求。為此，有專利CN200410015286.7提出具有縱橫交錯微通道的硅基微通道換熱器，通過刻蝕方法在硅片上加工縱向三角形微通道、橫向梯形微通道的縱橫交錯微通道陣列，通過沿流動方向間歇地布置橫向微通道來間歇中斷熱邊界層，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。但是其縱向和橫向微通道均為開式的結(jié)構(gòu)(三角形、梯形)，流體與微通道的換熱面積有限，且在硅基上采用刻蝕加工而成，工藝復(fù)雜，成本較高，不利于低成本大批量進(jìn)行微通道換熱器的生產(chǎn)。
[0003]此外，半封閉式內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的管式換熱器中被廣泛用于強(qiáng)化沸騰傳熱，如專利CN95246323.7公開的具有內(nèi)凹槽外翅片的強(qiáng)化換熱管。內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)所形成的空穴極易成為穩(wěn)定的汽化核心，從而為沸騰提供理想的氣泡成核場所，同時(shí)有效防止外部過冷流體對泡核的過早冷卻，從而大大降低沸騰發(fā)生所需要的壁面過熱度，提高沸騰傳熱性能。然而內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)用于微通道換熱器的強(qiáng)化換熱尚未有報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有微通道換熱器的上述不足，提供一種具有交錯內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)微通道換熱器，顯著強(qiáng)化傳熱。本發(fā)明還提供一種工藝簡單、設(shè)備要求低、成本低廉的具有交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)的微通道換熱器的制造方法。
[0005]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種具有交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)的微通道換熱器，包括一金屬微通道基體，其特征在于:該基體包括多條與冷卻液流動方向平行且互相間隔設(shè)置的縱向微通道，及與該縱向微通道垂直并互相間隔設(shè)置的多條橫向微通道，該縱向微通道和該橫向微通道形成縱橫交錯的微通道陣列；該縱向微通道和橫向微通道均為內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)，其包括一位于基體內(nèi)部的內(nèi)嵌槽體和一構(gòu)成基體開口的狹縫，內(nèi)嵌槽體與狹縫相連通；橫向微通道的間距與縱向微通道水力直徑的比值為4-10。
[0007]優(yōu)選的，所述的基體為銅或鋁或不銹鋼金屬基體。
[0008]優(yōu)選的，所述內(nèi)嵌槽體的橫截面形狀為圓形或燕尾形或菱形或矩形。
[0009]優(yōu)選的，所述內(nèi)嵌槽體橫截面的當(dāng)量直徑為0.6mm-1.0mm，所述狹縫的深度為0.3-0.5mm,寬度為 0.4-0.6mm。
[0010]優(yōu)選的，所述橫向微通道水力直徑為縱向微通道水力直徑的1.5-3倍。
[0011]一種具有交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)的微通道換熱器的制造方法，其特征在于:
[0012]I)通過線切割方法在金屬基底上沿冷卻液流動方向切割出互相平行且間隔設(shè)置的縱向內(nèi)凹槽微通道，該縱向內(nèi)凹槽微通道的形狀包括一位于基體內(nèi)部的內(nèi)嵌槽體和一構(gòu)成基體開口的狹縫，內(nèi)嵌槽體與狹縫相連通；
[0013]2)將工件水平旋轉(zhuǎn)90度，在與縱向內(nèi)凹槽微通道垂直的方向上通過線切割方法加工出互相平行且間隔設(shè)置的橫向內(nèi)凹槽微通道，該橫向內(nèi)凹槽微通道的形狀也包括一位于基體內(nèi)部的內(nèi)嵌槽體和一構(gòu)成基體開口的狹縫，內(nèi)嵌槽體與狹縫相連通；并限制橫向微通道的間距與縱向微通道水力直徑的比值為4-10 ；
[0014]3)取下工件，對加工后的基體進(jìn)行清洗，得到交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)；
[0015]4)將得到的交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)用耐熱玻璃封裝，并與外部的接管及水泵連接成一個(gè)整體，最終得到完整的微通道換熱器。
[0016]優(yōu)選的，所述線切割方法采用鑰絲作為加工電極并采用慢走絲加工方向，所述內(nèi)凹槽微通道的形狀通過鑰絲的軌跡進(jìn)行控制。
[0017]優(yōu)選的，所述內(nèi)嵌槽體的橫截面形狀為圓形或燕尾形或菱形或矩形。
[0018]優(yōu)選的，所述內(nèi)嵌槽體橫截面的當(dāng)量直徑為0.6 mm-1.0 mm，所述狹縫的深度為0.3-0.5mm,寬度為 0.4-0.6mm。
[0019]優(yōu)選的，所述橫向微通道水力直徑為縱向微通道水力直徑的1.5-3倍。
[0020]由上述對本發(fā)明的描述可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0021]1.本發(fā)明公開的具有交錯內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)的微通道換熱器，充分利用了熱邊界層在發(fā)展之中具有很高的努賽爾特系數(shù)的原理，有效彌補(bǔ)了常見平行微通道熱交換器的缺點(diǎn)，使得冷卻液在微通道中一直處于熱發(fā)展段，此外還改善了冷卻液在微通道中的分布，增大了傳熱面積，從而整體上大大提高傳熱性能，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的；
[0022]2.本發(fā)明的交錯內(nèi)凹槽微通道換熱器采用半封閉式的內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)，利于形成穩(wěn)定的沸騰汽化核心，具有促進(jìn)沸騰成核、顯著強(qiáng)化沸騰傳熱的優(yōu)點(diǎn)。
[0023]3.本發(fā)明的交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)采用線切割制造方法在金屬基底上加工而成，無需復(fù)雜的制造工藝與設(shè)備，生產(chǎn)成本低廉，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是具有交錯內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)的微通道換熱器示意圖；
[0026]圖3是圖2 (整體)的A-A剖視圖；
[0027]圖4是圖4 (整體)的B-B剖視圖；
[0028]圖5中的a_d是不同內(nèi)凹槽截面形狀示意圖；
[0029]圖6是縱向內(nèi)凹槽微通道的加工示意圖；
[0030]圖7是橫向內(nèi)凹槽微通道的加工示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031]以下通過【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0032]一種具有交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)的微通道換熱器，如圖1至圖4所示，包括一金屬微通道基體1、進(jìn)出口流道腔2和耐熱玻璃3。該基體I包括多條與冷卻液流動方向平行且互相間隔設(shè)置的縱向微通道11，及與縱向微通道11垂直且互相平行間隔設(shè)置的多條橫向微通道12。該縱向微通道11和橫向微通道12形成縱橫交錯微通道陣列?？v向微通道11和橫向微通道12均為內(nèi)凹槽形狀,其包括一位于基體I內(nèi)部的內(nèi)嵌槽體Ia和一構(gòu)成基體I開口的狹縫lb，內(nèi)嵌槽體Ia與開口狹縫Ib相連通。該內(nèi)嵌槽體Ia的形狀為圓形、菱形、矩形或燕尾形(如圖5中a-d所示).優(yōu)選為圓形，從而形成倒“Ω”形內(nèi)凹槽形狀。內(nèi)嵌槽體Ia的橫截面當(dāng)量直徑為0.6mm-1.0mm，內(nèi)凹槽形狀的狹縫Ib的深度為0.3-0.5mm,寬度為0.4-0.6mm。優(yōu)選的，內(nèi)嵌槽體Ia的橫截面當(dāng)量直徑為0.7mm_0.9mm，該狹縫Ib的深度為0.3-0.4mm,寬度為0.4-0.5mm。橫向微通道12的間距與縱向微通道11水力直徑的比值為4-10。橫向微通道12內(nèi)凹槽的水力直徑為縱向微通道11的水力直徑的1.5-3倍。
[0033]該具有交錯內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)的微通道換熱器，充分利用了熱邊界層在發(fā)展之中具有很高的努賽爾特系數(shù)的原理，使得冷卻液在微通道中一直處于熱發(fā)展段，還改善了冷卻液在微通道中的分布，增大了傳熱面積。此外，交錯內(nèi)凹槽微通道換熱器采用半封閉式的內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)，利于形成穩(wěn)定的沸騰汽化核心，具有促進(jìn)沸騰成核、顯著強(qiáng)化沸騰傳熱的優(yōu)點(diǎn)，從而大大提高了微通道換熱器的傳熱性能，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。
[0034]上述具有交錯內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)的微通道換熱器的制造方法，包括如下步驟:
[0035]I)將一厚度為2mm的薄銅板豎直裝夾到線切割機(jī)夾具上，采用線切割工藝先加工出沿冷卻液流動方向平行排布的縱向微通道11，如圖6所示。具體為:選用鑰絲4作為加工電極，鑰絲4直徑為0.1mm，采用慢走絲加工方式，線切割加工短路電流為3A，脈沖寬度為6 μ s,脈沖間隔為60 μ s,開路電壓為105V,走絲速度為6mm2/min。由鑰絲4的軌跡控制凹槽的截面形狀，優(yōu)選內(nèi)嵌槽體截面形狀為圓形，根據(jù)需要也可以為燕尾形、菱形或矩形。內(nèi)嵌槽體Ia的橫截面當(dāng)量直徑為0.8mm，該狹縫Ib的深度為0.3mm,寬度為0.4mm，得到的內(nèi)凹槽水力直徑為0.79mm。
[0036]2)將薄銅板水平旋轉(zhuǎn)90度后再次豎直裝夾至線切割機(jī)夾具上，采用水平尺測量方式保證其豎直度，按照步驟I)所述的加工參數(shù)，在垂直于冷卻液流動的方向上切割加工出橫向微通道12，得到具有交錯微通道結(jié)構(gòu)的基體1，參照圖7。橫向微通道12的間距與縱向微通道11水力直徑的比值約為:4-10。優(yōu)選的橫向微通道12之間的間距為4mm。橫向微通道內(nèi)凹槽12的水力直徑為1.2mm，為縱向微通道11水力直徑的1.5倍。
[0037]3)取下具有交錯微通道結(jié)構(gòu)的基體1，采用煤油對加工后微通道樣品進(jìn)行超聲波清洗約I小時(shí)，然后采用去離子水超聲波清洗約0.5小時(shí)，充分去除交錯微通道結(jié)構(gòu)中的油污和氧化皮，得到最終的具有交錯微通道結(jié)構(gòu)的基體I。
[0038]4)將得到的交錯微通道陣列I與進(jìn)出口流道腔2相嵌合，并在其頂部放置一塊耐熱玻璃3，通過機(jī)械固定方法實(shí)現(xiàn)耐熱玻璃3的下表面與具有微通道陣列的基體I的上表面緊密貼合，實(shí)現(xiàn)微通道陣列的封裝，并與接管、水泵等連接在一起，形成一個(gè)強(qiáng)制循環(huán)回路，得到完整的微通道換熱器系統(tǒng)。
[0039]上述僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明保護(hù)范圍的行為。
【權(quán)利要求】
1.一種具有交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)的微通道換熱器，包括一金屬微通道基體，其特征在于:該基體包括多條與冷卻液流動方向平行且互相間隔設(shè)置的縱向微通道，及與該縱向微通道垂直并互相間隔設(shè)置的多條橫向微通道，該縱向微通道和該橫向微通道形成縱橫交錯的微通道陣列；該縱向微通道和橫向微通道均為內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)，其包括一位于基體內(nèi)部的內(nèi)嵌槽體和一構(gòu)成基體開口的狹縫，內(nèi)嵌槽體與狹縫相連通；橫向微通道的間距與縱向微通道水力直徑的比值為4-10。
2.如權(quán)利要求1所述的一種具有交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)的微通道換熱器，其特征在于:所述的基體為銅或鋁或不銹鋼金屬基體。
3.如權(quán)利要求1所述的一種具有交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)的微通道換熱器，其特征在于:所述內(nèi)嵌槽體的橫截面形狀為圓形或燕尾形或菱形或矩形。
4.如權(quán)利要求1所述的一種具有交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)的微通道換熱器，其特征在于:所述內(nèi)嵌槽體橫截面的當(dāng)量直徑為0.6mm-l.0mm，所述狹縫的深度為0.3-0.5mm,寬度為 0.4-0.6mm。
5.如權(quán)利要求1所述的一種具有交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)的微通道換熱器，其特征在于:所述橫向微通道水力直徑為縱向微通道水力直徑的1.5-3倍。
6.一種具有交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)的微通道換熱器的制造方法，其特征在于: 1)通過線切割方法在金屬基底上沿冷卻液流動方向切割出互相平行且間隔設(shè)置的縱向內(nèi)凹槽微通道，該縱向內(nèi)凹槽微通道的形狀包括一位于基體內(nèi)部的內(nèi)嵌槽體和一構(gòu)成基體開口的狹縫，內(nèi)嵌槽體與狹縫相連通； 2)將工件水平旋轉(zhuǎn)90度，在與縱向內(nèi)凹槽微通道垂直的方向上通過線切割方法加工出互相平行且間隔設(shè)置的橫向內(nèi)凹槽微通道，該橫向內(nèi)凹槽微通道的形狀也包括一位于基體內(nèi)部的內(nèi)嵌槽體和一構(gòu)成基體開口的狹縫，內(nèi)嵌槽體與狹縫相連通；并限制該橫向微通道的間距與縱向微通道水力直徑的比值為4-10 ； 3)取下工件，對加工后的基體進(jìn)行清洗，得到交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)； 4)將得到的交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)用耐熱玻璃封裝，并與外部的接管及水泵連接成一個(gè)整體，最終得到完整的微通道換熱器。
7.如權(quán)利要求6所述的一種具有交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)的微通道換熱器的制造方法，其特征在于:所述內(nèi)嵌槽體的橫截面形狀為圓形或燕尾形或菱形或矩形。
8.如權(quán)利要求6所述的一種具有交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)的微通道換熱器的制造方法，其特征在于:所述內(nèi)嵌槽體橫截面的當(dāng)量直徑為0.6mm-1.0mm，所述狹縫的深度為0.3-0.5mm,寬度為 0.4-0.6mm。
9.如權(quán)利要求6所述的一種具有交錯內(nèi)凹槽微通道結(jié)構(gòu)的微通道換熱器的制造方法，其特征在于:所述橫向微通道水力直徑為縱向微通道水力直徑的1.5-3倍。
【文檔編號】B23P15/26GK104154777SQ201410376661
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月1日
【發(fā)明者】鄧大祥, 秦嘉逸, 萬偉, 凌偉淞, 張軍鵬, 周偉, 秦利鋒 申請人:廈門大學(xué)