專利名稱：一種微通道散熱器與微通道的加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬傳熱技術(shù)，涉及一種微通道散熱器以及該散熱器微通道加工方法。在金屬基板上加工微通道構(gòu)成散熱單元，并通過散熱單元的組合，制成具有散熱能力均勻、體積微小、傳熱效率高的散熱器。·
背景技術(shù)：
隨著科技的進步，電子、機械器件朝小型化、微型化方向發(fā)展，電子器件和系統(tǒng)設(shè)備的集成度不斷提高，設(shè)備單位體積的發(fā)熱量也越來越大，對這類產(chǎn)品的散熱要求也日益提高。例如在微波電路中，尤其是高頻微波電路，單元間距、組件間距等結(jié)構(gòu)尺寸很小，散熱裝置的體積受到嚴格限制，這給冷板、分流腔的設(shè)計帶來很大困難。微通道傳熱裝置以體積小、傳熱能力強等優(yōu)點成為微小型機電產(chǎn)品的首選散熱設(shè)備，其產(chǎn)品設(shè)計和性能研究也變成國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點。微通道散熱器是一種借助特殊微加工技術(shù)，在固體基質(zhì)上制造的、可用于流體和固體熱傳遞的三維結(jié)構(gòu)單元。通常將水力當量直徑小于I _散熱器稱為微通道散熱器?，F(xiàn)有微制造技術(shù)可以加工出小至0. I Ii m的三維結(jié)構(gòu),將微制造技術(shù)應(yīng)用于散熱器或冷板的加工，可以極大地增大微通道散熱器單位體積的換熱面積，目前微通道散熱器的換熱能力已能達到300 MW HT3 K'微尺度流動呈現(xiàn)了異于宏觀流體流動的特性。由于微通道散熱器特征尺度在微米到亞毫米尺度范圍以內(nèi)，對微尺度流體流動特性的研究不僅涉及空間尺度的微小化，還涉及更為復(fù)雜的尺度效應(yīng)。隨著系統(tǒng)尺寸的縮小，分子的“連續(xù)流”假設(shè)遭到破壞，從而使傳統(tǒng)的動量、質(zhì)量及能量傳遞方程不再適用，此時不得不從經(jīng)典或量子統(tǒng)計力學(xué)、分子動力學(xué)等理論中尋找規(guī)律來重新建立流動的控制方程。關(guān)于微細通道流體動力學(xué)的研究可追溯到1908年Knudsen對平面槽道氣體流動的實驗。微通道對流換熱亦不同于宏觀對流換熱機理。受通道形狀、壁面粗糙度、流體性質(zhì)、表面過熱量、分子平均自由程與通道尺寸之比等諸多因素的影響，微通道換熱特性具有獨到之處。根據(jù)徑向熱阻和器壁軸向熱傳導(dǎo)的影響，換熱器效率隨熱導(dǎo)率的變化可分為3個區(qū)域低熱導(dǎo)率時，隨熱導(dǎo)率的增加，徑向熱阻的影響逐漸減弱，換熱器效率增大，該區(qū)域可稱為熱阻控制區(qū)；熱導(dǎo)率增加到一定程度時，換熱器效率隨熱導(dǎo)率增加的趨勢逐漸減弱，增至最大值后開始逐漸減小，稱為高效換熱區(qū)；熱導(dǎo)率進一步增加時，器壁軸向?qū)釋Q熱過程的影響逐漸增強，換熱器效率隨之減小，并逐漸趨近于器壁完全等溫時的換熱效率50%，稱為熱傳導(dǎo)控制區(qū)。在低介質(zhì)流量時，金屬換熱器的換熱效率隨介質(zhì)流量的變化存在一個最大值，亦即對于確定結(jié)構(gòu)的換熱器而言，存在一個最佳的操作流量值。在相同的流量偏差下，系統(tǒng)效率在亞負荷操作時，效率降低幅度要比在超負荷操作時大得。因此金屬微通道換熱器可超負荷運行，不宜在亞負荷狀態(tài)下操作，這點與常規(guī)尺度換熱器系統(tǒng)有明顯的區(qū)別。當介質(zhì)流量較大時，器壁軸向?qū)釋Q熱效率的影響逐漸減弱，隨介質(zhì)流量的增加，換熱效率逐漸減小。國內(nèi)外學(xué)者對微尺度傳熱傳質(zhì)過程進行了大量的研究。美國學(xué)者Tuckerman和Pease于上世紀80年代報道了一種微通道換熱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由高導(dǎo)熱系數(shù)的材料構(gòu)成，換熱性能超過傳統(tǒng)換熱手段所能達到的水平，成功地解決了集成電路大規(guī)模和超大規(guī)?；鶐淼摹盁嵴稀眴栴}。Swift研制了用于兩種流體熱交換的微通道換熱器，其單位體積換熱量可高達幾十兆瓦。Bowers等對直徑為2. 54及0. 51mm的傳熱管，用CFC113進行了實驗，發(fā)現(xiàn)在很小流量下即可達到很高的熱流密度。Wahib等用R134a作為工質(zhì)分別對0. 8、I. 2和I. 7 _的微細通道進行了實驗，發(fā)現(xiàn)微細通道尺寸的減小會引起傳熱系數(shù)的提高。Bao等以R12、HCFC123作為流動工質(zhì)對I. 95 mm的微通道進行了實驗，得到類似結(jié)論。Lie等通過實驗研究了質(zhì)量通量及熱流密度對氣泡的躍離直徑與躍離頻率的影響，并給出了傳熱系數(shù)計算的實驗關(guān)聯(lián)式。Hetsroni等分析了圓形、矩形、三角形和梯形截面微通道內(nèi)壓降和層流向紊流轉(zhuǎn)變的臨界雷諾數(shù)，發(fā)現(xiàn)層流向紊流過渡的臨界雷諾數(shù)為180(T2200。Lee等人利用試驗與數(shù)值方法研究了矩形截面通道內(nèi)層流熱進口段的換熱特性，發(fā)現(xiàn)基于傳統(tǒng)N-S方 程的數(shù)值預(yù)測值與試驗結(jié)果吻合良好，傳統(tǒng)數(shù)值計算方法可以用來預(yù)測該范圍內(nèi)的微通道換熱。周繼軍等利用去離子水研究了矩形微通道內(nèi)單相流動與換熱特性，試驗結(jié)果表明微通道內(nèi)流動和傳熱特性與常規(guī)尺度通道相比存在明顯差異，認為微通道壁面粗糙度對流動和換熱產(chǎn)生了重要的影響。Stief等通過分析指出，存在理論最佳熱導(dǎo)率使得微通道換熱器的性能達到最優(yōu)。Weisberg等基于流動和換熱充分發(fā)展假設(shè)建立了微通道內(nèi)流動換熱的二維數(shù)值模型。Fedorov和Viskanta則對微通道內(nèi)流動換熱進行了三維數(shù)值模擬研究。Qu和Mudawar建立了一套矩形微通道內(nèi)三維穩(wěn)態(tài)流動與換熱模型，研究了微通道內(nèi)溫度、Nu數(shù)、換熱系數(shù)及Poiseuille數(shù)的變化,其數(shù)值模擬結(jié)果與Kawano等的實驗結(jié)果吻合較好。微通道的材質(zhì)對其傳熱性能的影響十分顯著。在低介質(zhì)流量時，熱阻控制區(qū)為低熱導(dǎo)率區(qū)，低熱導(dǎo)率材料換熱器(如玻璃)的換熱效率要明顯高于諸如金屬等具高熱導(dǎo)率的換熱器。在高介質(zhì)流量時，對于結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的換熱器，隨介質(zhì)流量的增加，導(dǎo)熱熱阻對換熱效率的影響逐漸增強，高效換熱區(qū)也向高熱導(dǎo)率方向移動，換熱器材料可用熱導(dǎo)率相對較低的金屬材料(如不銹鋼XBier等對錯流式微通道換熱器內(nèi)氣-氣換熱特性進行了數(shù)值分析和實驗研究，結(jié)果表明，不銹鋼微通道換熱器的換熱效率高于銅微換熱器。微通道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及加工技術(shù)亦不斷發(fā)展。微通道結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從二維到三維的發(fā)展過程。常規(guī)微通道包括圓形、矩形、V形、梯形、雙梯形等的截面形狀，還有基于熱邊界層中斷技術(shù)的交錯結(jié)構(gòu)，大多屬于準二維的直線形微管道。微通道內(nèi)流量分配不均、微通道分布均勻性差、局部散熱不佳成為二維微通道面臨的難題。在此背景下，出現(xiàn)了三維結(jié)構(gòu)的微通道，常見的有樹狀分形結(jié)構(gòu)、雙層樹狀網(wǎng)絡(luò)、T形樹狀分形流體網(wǎng)絡(luò)、仿哺乳動物呼吸系統(tǒng)樹狀分形微管道結(jié)構(gòu)和仿蜂巢結(jié)構(gòu)的分形網(wǎng)絡(luò)。微通道的加工制造技術(shù)包括(1)光刻電鍍技術(shù)。該技術(shù)由德國W. Ehrfeld發(fā)明，是一種利用高能加速器產(chǎn)生的同步輻射X射線刻蝕，結(jié)合電鑄成形和塑料鑄模技術(shù)而形成的LIGA工藝。通過控制照射深度，亦即使用部分透光的掩膜，實現(xiàn)不同深度的曝光，從而獲得不同高度的光刻模型，從而獲得三維立體微結(jié)構(gòu)。(2)準分子激光微細加工技術(shù)。準分子激光處于遠紫外波段，波長短、光子能量大，可以擊斷高聚物材料的部分化學(xué)鍵而實現(xiàn)化學(xué)“冷加工”。利用準分子激光的掩膜投影直刻技術(shù)能獲得大深寬比的微結(jié)構(gòu)、加工面寬、成本低、可實現(xiàn)批量生產(chǎn)。利用聚焦激光束光柵掃描刻蝕技術(shù)能實現(xiàn)連續(xù)三維結(jié)構(gòu)的加工。(3)雙光子聚合加工技術(shù)。通過光敏劑中的非線性雙光子吸收過程所引發(fā)的聚合反應(yīng)，采用多重斷面分層疊加的方法進行加工，各斷面的掃描數(shù)據(jù)從三維CAD數(shù)據(jù)中得到。聚合反應(yīng)后，用類似于酒精之類的溶劑可去除沒有固化的液態(tài)樹脂，從而顯露出聚合的三維微結(jié)構(gòu)。總的看來，現(xiàn)有的微加工技術(shù)已能滿足簡單二維和三維微結(jié)構(gòu)加工的要求。然而，復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的成形技術(shù)仍需不斷發(fā)展，以滿足越來越復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)加工要求。微通道傳熱裝置的應(yīng)用前景十分廣闊。隨著微型機械電子系統(tǒng)和微型化學(xué)機械系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的換熱裝置已不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的基本要求，換熱裝置微型化的發(fā)展成為迫切要求和必然趨勢。另外，隨著能源問題的日漸突顯，也要求在滿足熱量交換的前提下，盡可能縮小設(shè)備體積，提高設(shè)備的緊湊性，進而減輕設(shè)備重量，節(jié)約材料，相應(yīng)地減少占地面積。微通道換熱器的理論預(yù)測的散熱能力可達I KW ^cnT2,高功率微通道散熱器在高速1C、高溫超導(dǎo)體的冷卻、薄膜沉積中的熱控制、強激光鏡的冷卻以及其它一些對換熱設(shè)備的 尺寸和重量有特殊要求的場合中的應(yīng)用必將日益普遍。微型換熱裝置雖然在設(shè)計、制造、裝配、密封技術(shù)和參數(shù)測量等方面還存在很多技術(shù)難題，但隨著對其結(jié)構(gòu)、性能、優(yōu)化設(shè)計方面研究的深入，微尺度傳熱技術(shù)將日趨成熟，微通道散熱器將成為一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對目前微通道散熱器中微通道加工方法不完善、微通道分布均勻性差、散熱不均勻等問題，提供一種面向給定單位面積散熱功率的微通道散熱器的加工方法。本發(fā)明的另一目的是提供一種微通道散熱器，它由具有均勻散熱能力的微通道散熱單元組合而成，構(gòu)成一種結(jié)構(gòu)簡單、體積微小、性能高效的換熱裝置，用于空間狹小、發(fā)熱量大的發(fā)熱面的散熱。本發(fā)明的目的是通過以下措施實現(xiàn)的
一種微通道散熱器，其特征是它設(shè)有基板和蓋板，所述蓋板安裝在基板上部，且兩者之間設(shè)有十字筋板，基板上加工有若干條微通道；
所述基板和蓋板均為正方形板體，所述十字筋板將基板平均分為四個正方形區(qū)域；
基板上沿著每個正方形區(qū)域的一條對角線位置各加工有一通氣道，各條通氣道均通向十字筋板中心，每條通氣道又將一正方形單分成兩個三角形單元，基板上共有八個三角形單元；
基板的每個三角形單元平行其相鄰的十字筋板各設(shè)有多條直的微通道，各條微通道的進口端設(shè)于基板的四周；
所述蓋板對應(yīng)基板中心位置設(shè)一個抽氣孔。所述基板上的通氣道槽深為微通道槽深的2倍?；迳系拿織l微通道槽深相等，每條微通道的單位面積散熱功率Q相同。所述基板上的微通道和通氣道均采用激光雕刻法加工而成。
所述基板為金屬基板，四周設(shè)有臺階，各微通道的頂面平齊，基板和蓋板焊接為一體，各條微通道在基板與蓋板之間形成密閉的通道?；迳系某闅饪走B接微型真空泵。上述微通道散熱器的加工方法，該方法包括以下步驟
(1)根據(jù)發(fā)熱面確定微通道散熱器基板和蓋板的尺寸，及十字筋板尺寸；
(2)金屬基板與所要散熱的發(fā)熱物的表面(以下簡稱發(fā)熱面)緊密貼合。根據(jù)發(fā)熱面?zhèn)鬟f到金屬基板底面的熱流密度Q (物理單位為W m_2)為散熱器的設(shè)計條件，各條微通道具有恒定的單位面積散熱功率，可保證散熱器具有均勻的散熱能力，進而可保證金屬基板和發(fā)熱面具有均勻的溫度。所述的單位面積散熱功率是指單位時間里任一微通道i內(nèi)空氣帶走的熱量<7,.與微通道的底面積Ai Xffi之比均為Q,即qj (I1Xw1)=Q ；
根據(jù)各個微通道具有恒定的單位面積散熱功率的特征，任一微通道i的幾何尺寸，長度人.、深度Ai和寬度&滿足方程
權(quán)利要求
1.一種微通道散熱器，其特征是它設(shè)有基板和蓋板，所述蓋板安裝在基板上部，且兩者之間設(shè)有十字筋板，基板上加工有若干條微通道； 所述基板和蓋板均為正方形板體，所述十字筋板將基板平均分為四個正方形區(qū)域； 基板上沿著每個正方形區(qū)域的一條對角線位置各加工有一通氣道，各條通氣道均通向十字筋板中心，每條通氣道又將一正方形區(qū)域分成兩個三角形單元，基板上共有八個三角形單元； 基板的每個三角形單元平行其相鄰的十字筋板各設(shè)有多條直的微通道，各條微通道的進口端設(shè)于基板的四周； 所述蓋板對應(yīng)基板中心位置設(shè)一個抽氣孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述微通道散熱器，其特征是所述基板上的通氣道槽深為微通道槽深的2倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述微通道散熱器，其特征是基板上的每條微通道槽深相等，每條微通道的單位面積散熱功率^相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述微通道散熱器，其特征是所述基板上的微通道(4)和通氣道(3)均采用激光雕刻法加工而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述微通道散熱器，其特征是所述基板為金屬基板，四周設(shè)有臺階，各微通道的頂面平齊，基板和蓋板焊接為一體，各條微通道在基板與蓋板之間形成密閉的通道。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述微通道散熱器，其特征是基板上的抽氣孔連接微型真空泵。
7.權(quán)利要求1、2、3、4、5或6所述微通道散熱器的加工方法，該方法包括以下步驟 (1)根據(jù)發(fā)熱面確定微通道散熱器基板和蓋板的尺寸，及十字筋板尺寸； (2)基板與所要散熱的發(fā)熱物的表面貼合； 根據(jù)發(fā)熱面?zhèn)鬟f到基板底面的熱流密度^ (物理單位為W m_2)為散熱器的設(shè)計條件，根據(jù)各個微通道具有恒定的單位面積散熱功率的特征，任一微通道i的幾何尺寸，長度人.、深度和寬度%滿足A-ff方程
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述微通道散熱器的加工方法，其中，根據(jù)通氣道和各個微通道的幾何參數(shù)，繪制加工平面圖，采用數(shù)控激光雕刻機將通氣道和各個微通道加工到相應(yīng)深度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述微通道散熱器的加工方法，其中，微型真空泵依據(jù)通氣道第個節(jié)點處的壓力A1和體積流量K1的進行選型。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述微通道散熱器的加工方法，其中，所述的通氣管的內(nèi)半徑^按下式確定
全文摘要
本發(fā)明屬傳熱技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明公開一種微通道散熱器與微通道的加工方法，該微通道散熱器設(shè)有基板和蓋板，所述蓋板安裝在基板上部，且兩者之間設(shè)有十字筋板，基板上加工有若干條微通道；所述基板和蓋板均為正方形板體，所述十字筋板將基板平均分為四個正方形區(qū)域；基板上沿著每個正方形區(qū)域的一條對角線位置各加工有一通氣道，各條通氣道均通向十字筋板中心，每條通氣道又將一正方形區(qū)域分成兩個三角形單元，基板上共有八個三角形單元；基板的每個三角形單元平行其相鄰的十字筋板各設(shè)有多條直的微通道，各條微通道的進口端設(shè)于基板的四周；所述蓋板對應(yīng)基板中心位置設(shè)一個抽氣孔。
文檔編號F28D17/02GK102798308SQ20121030096
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月23日
發(fā)明者周劍鋒, 顧伯勤, 邵春雷, 陳瑤, 吳士偉 申請人:南京工業(yè)大學(xué)