一种具有微孔隙结构多孔底面的微通道换热器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有微孔隙结构多孔底面的微通道换热器，该微通道换热器包括上下贴合在一起的上顶板和下底板，所述下底板的上表面设有若干条平行间隔排布的微通道，所述微通道的水力直径为100～1000μm，所述微通道底面为具有大量微孔隙结构的多孔表面，所述微孔隙结构的孔径为1～200μm、深度为1～200μm，能够显著增大换热面积、增加汽化核心，从而显著增强微通道换热器的传热性能。制备时，先通过微细电火花线切割加工出平行微通道，再利用低功率脉冲激光器在微通道底面激光加工形成具有大量微孔隙结构的多孔表面。本实用新型制造方法能够实现大面积扫描加工，生产效率高，热影响区小，操作简单方便，成本低廉，无污染。
【专利说明】
一种具有微孔隙结构多孔底面的微通道换热器
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种微通道换热器，特别是涉及一种具有微孔隙结构多孔底面的微通道换热器。【背景技术】
[0002]伴随着微电子机械系统(MEMS)、纳米材料等各种先进制造技术的兴起和蓬勃发展，在航空航天、微电子、光电、军工武器等领域，器件都朝着多功能、大功率、小型化的趋势发展，由此带来的热流密度不断提高，高热流密度器件的散热问题已经成为影响电子器件设计的关键技术问题之一。
[0003]目前，很多的散热器件已远远不能满足某些电子器件的散热要求，传统的散热方式如风冷更是达到了技术的瓶颈。微通道换热器由于充分利用工质流动沸腾相变，故显著增大了传热传质效率，因此成为高效热控制的理想途径。沸腾传热利用相变传热的原理，能够实现快速散热。而提高散热表面的沸腾传热性能关键在于增加换热表面的汽化核心，强化核态沸腾。研究表明，在给定的加热表面的过热度条件下，只有当汽化核心的半径大于气泡生长所需的最小半径，气泡才能长大，核态沸腾才能进行。而多孔表面上的微细的凹穴或裂缝中吸附了微量的气体或蒸汽，是最好的汽化核心。在沸腾过程中，当气泡长大脱离空穴后，由于液体表明张力的作用，这些空穴所截留的部分蒸汽很难被流入液体彻底排出，就成为新的汽化核心，长出新的气泡，从而使沸腾过程不断持续。目前制备多孔表面的方法主要有机械加工、烧结、火焰喷涂、电离沉积等方法，存在加工表面孔隙太大，比表面积小，加工效率低、成本高等缺陷。此外，这些方法只适用于宏观表面，针对微通道底面的加工则无能为力。
[0004]另一方面，目前微通道换热器主要采用刻蚀、线切割、LIGA、铣削等方法制备微通道结构，均为光滑底面，存在传热面积小、沸腾过热度大、传热性能差等缺陷。【实用新型内容】
[0005]本实用新型提供了一种具有微孔隙结构多孔底面的微通道换热器，能显著增加微通道的换热面积、增加汽化核心、增加传热性能。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]—种具有微孔隙结构多孔底面的微通道换热器，包括上下贴合在一起的上顶板和下底板，所述下底板的上表面设有若干条平行间隔排布的微通道，所述微通道的一端连接冷却工质的入口，所述微通道的另一端连接冷却工质的出口，其特征在于:所述微通道的水力直径为100?1000M1，所述微通道的底面是设有大量微孔隙结构的多孔表面，所述微孔隙结构的孔径为1?200_、深度为1?200M1。
[0007]—较佳实施例之中:冷却工质在所述微通道内沿纵向流动，所述微通道的横向截面形状是矩形或梯形。
[0008]—较佳实施例之中:冷却工质在所述微通道内沿纵向流动，所述微通道的横向截面形状是矩形，该微通道的宽度是0.4mm-l.0mm、深度是0.8mm-l.5mm，相邻两条微通道之间的间距是0.4mm_0.6mm。
[0009]—较佳实施例之中:冷却工质在所述微通道内沿纵向流动，所述微通道的横向截面形状是梯形，其上底面宽是0.7mm_l.0_、下底面宽是0.4mm_0.6_、深度是0.8mm_l.5mm， 相邻两条微通道之间的间距是〇.4mm-0.6mm。
[0010]—较佳实施例之中:所述下底板的材料为铜或铝或不锈钢。[0〇11 ]—较佳实施例之中:微通道的宽度是〇 ? 8mm、深度是1 ? 2mm;相邻两条微通道之间的间距是0.5mm，微通道的水力直径为0.96mm;微孔隙结构的孔径为20?105M1、深度为1?114 ym〇
[0012]—较佳实施例之中:微通道的上底面宽宽度是0.8mm、下底面宽度是0.5mm、深度是1.2_;相邻两条微通道之间的间距是0.5_，微通道的水力直径为0.84_;微孔隙结构的孔径为34?115m1、深度为1?90ym。[0〇13]—较佳实施例之中:微通道的宽度是〇.5mm、深度是1.0mm;相邻两条微通道之间的间距是0.5mm，微通道的水力直径为0.67mm;微孔隙结构的孔径为29?150m1、深度为1? 104.6]im〇
[0014]—较佳实施例之中:微通道的宽度是0.6_、深度是1.0mm;相邻两条微通道之间的间距是0? 5mm，微通道的水力直径为0.75mm;微孔隙结构的孔径为43?187_、深度为1? 92?6um〇[〇〇15]一较佳实施例之中:微通道的数量是8道或12道或18道。
[0016]本技术方案与【背景技术】相比，它具有如下优点:[〇〇17]1.微通道换热器的微通道的底面是形成有大量微孔隙结构的多孔底面，可显著增大微通道的换热面积，形成大量沸腾汽化核心，从而显著增强微通道换热器的传热性能。
[0018]2.使用低功率脉冲激光器进行对微通道底面进行加工后得到的多孔底面，孔隙结构尺寸小，数量多，且微孔隙结构能够通过控制激光输出参数获得不同的孔隙尺寸、比表面积。
[0019]3.使用低功率脉冲激光器对微通道底面进行加工，无需复杂的制造工艺及设备， 生产效率高，热影响区小，操作简单方便，成本低廉，无污染。【附图说明】
[0020]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0021]图1绘示了微通道换热器的立体示意图。
[0022]图2绘示了图1所示微通道换热器的立体分解示意图。
[0023]图3绘示了微通道换热器的结构变形示意图。
[0024]图4绘示了采用激光加工的方法加工微孔隙结构的示意图。
[0025]图5绘示了第一实施例的微孔隙结构的SEM图。
[0026]图6绘示了第二实施例的微孔隙结构的SEM图。[〇〇27]图7绘示了第三实施例的微孔隙结构的SEM图。[〇〇28]图8绘示了第四实施例的微孔隙结构的SEM图。【具体实施方式】
[0029]请参照图1和图2,本实用新型的一种具有微孔隙结构多孔底面的微通道换热器， 包括上下贴合在一起的上顶板2和下底板1，所述下底板1的上表面设有若干条平行间隔排布的微通道11，所述微通道的一端连接冷却工质的入口，所述微通道的另一端连接冷却工质的出口。所述微通道11的水力直径为1〇〇?1000M1。所述微通道11的底面是设有大量微孔隙结构111的多孔表面，所述微孔隙结构111的孔径为1?200M1、深度为1?200mi。
[0030]优选地，冷却工质在所述微通道11内沿纵向流动，所述微通道的横向截面形状是矩形。当然，微通道11的截面形状也可以是梯形(如图3所示)。
[0031]优选地，冷却工质在所述微通道11内沿纵向流动，所述微通道11的横向截面形状是矩形，该微通道的宽度是0 ? 4mm-l ? 0mm、深度是0 ? 8mm-l ? 5mm，相邻两条微通道之间的间距是0?4mm-0.6mm〇
[0032]优选地，冷却工质在所述微通道11内沿纵向流动，所述微通道11的横向截面形状是矩形，该微通道的宽度是0 ? 4mm-l ? 0mm、深度是0 ? 8mm-l ? 5mm，相邻两条微通道之间的间距是0?4mm-0.6mm〇
[0033]优选地，所述下底板1的材料为铜或铝或不锈钢;所述上顶板2的材料为铜或铝或不锈钢。
[0034]该具有微孔隙结构多孔底面的微通道换热器，形成具有大量微孔隙结构的多孔底面，显著增大微通道的换热面积，形成大量沸腾汽化核心，从而显著增强微通道换热器的传热性能。使用低功率脉冲激光器进行对微通道底面进行加工后得到的多孔底面，孔隙结构尺寸小，数量多，且微孔隙结构能够通过控制激光输出参数获得不同的孔隙尺寸、比表面积。使用低功率脉冲激光器对微通道底面进行加工，无需复杂的制造工艺及设备，生产效率高，热影响区小，操作简单方便，成本低廉，无污染。
[0035]下面分四个实施例来对微通道换热器的制造方法进行介绍:
[0036]实施例1，请参照图4和图5,包括以下步骤:
[0037](1)选取两块尺寸为25mmX 11mmX 2mm和25mmX 11 mm X 1mm的紫铜板，并将其清洗除污、烘干，其中尺寸为25mm X 11mm X 1mm的紫铜板作为微通道换热器的上顶板2,尺寸为 25_X ll_X2mm的紫铜板作为微通道换热器的下底板1;
[0038](2)将下底板1装夹到线切割机夹具上，采用线切割工艺在下底板1的上表面加工出沿冷却液流动方向平行排布的矩形微通道11。具体为:选用直径为0.1mm的钼丝作为加工电极，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6ys，脉冲间隔为60ys， 开路电压为105V，走丝速度为6mm2/min。由钼丝的轨迹控制微通道截面形状，在下底板1的上表面切割出8道深度为1 ? 2mm，宽度为0 ? 8mm，间距为0 ? 5mm的矩形微通道11，微通道11的水力直径为0 ? 96mm;[〇〇39](3)依次用煤油、无水乙醇对下底板1进行超声波清洗15分钟，去除微通道11底面的油污和氧化皮；
[0040](4)将下底板1放置在低功率脉冲激光器的工作台上定位，使用夹具将其夹紧；
[0041](5)打开激光器，调整激光光束3和下底板1的位置，使激光光束3经过聚焦透镜4后聚焦在下底板1中微通道11底面上，形成聚焦后的激光光斑5,调整激光器的保护气嘴6并开启激光保护气，防止激光对下底板1表面进行加工时发生氧化;在软件中绘制好激光加工路径并设置激光器的输出参数设置为:激光功率为21W，扫描速度为250mm/s，扫描次数为10 次，搭接率为82%;激光输出参数设定完毕后开始对微通道11底面进行加工，在微通道11底面加工出多孔底面的微孔隙结构111，微孔隙结构111的孔径约为20?105mi，深度为1?114 ym；[〇〇42](6)将下底板1置于无水乙醇中超声波清洗15分钟，去除熔渣后；
[0043](7)上顶板2的下表面和下底板1的上表面贴合在一起，通过焊接进行密封封装，使二者紧密贴合，之后与外部的接管及水栗连接成一个整体。
[0044]实施例2，请参照图3、图4、图6，包括以下步骤:
[0045](1)选取两块尺寸为25mm X 11mm X 2mm和25mm X 11 mm X 1mm的紫铜板，并将其清洗除污、烘干，其中尺寸为25mm X 11mm X 1mm的紫铜板作为微通道换热器的上顶板2,尺寸为 25_X ll_X2mm的紫铜板作为微通道换热器的下底板1;
[0046](2)将下底板1装夹到线切割机夹具上，采用线切割工艺加工出沿冷却液流动方向平行排布的梯形微通道11。具体为:选用直径为0.1mm的钼丝作为加工电极，采用慢走丝加工方式，线切割加工短路电流为2A，脉冲宽度为8ys，脉冲间隔为50ys，开路电压为100V，走丝速度为5mm2/min。由钼丝的轨迹控制微通道截面形状，在紫铜板上切割出8道上底面宽为 0 ? 8mm，下底面宽为0 ? 5mm，高为1 ? 2mm，间距为0 ? 5mm的等腰梯形微通道，微通道的水力直径为0?84mm;[〇〇47](3)依次用煤油、无水乙醇对下底板1进行超声波清洗15分钟，去除微通道底面的油污和氧化皮；[〇〇48](4)将下底板1放置在低功率脉冲激光器的工作台上定位，使用夹具将其夹紧；
[0049](5)打开激光器，调整激光光束3和下底板1的位置，使激光光束3经过聚焦透镜4后聚焦在下底板1中微通道底面上，形成聚焦后的激光光斑5，调整激光器的保护气嘴6并开启激光保护气，防止激光对下底板1表面进行加工时发生氧化;在软件中绘制好激光加工路径并设置激光器的输出参数设置为:激光功率为18W，扫描速度为300mm/s，扫描次数为10次， 搭接率为82%;激光输出参数设定完毕后开始对微通道换热器的梯形微通道底面进行加工，得到具有微孔隙结构111多孔底面的梯形微通道11，微孔隙结构的孔径约为34?115mi， 深度为1?90wn;
[0050](6)将下底板1置于无水乙醇中超声波清洗15分钟，去除熔渣；
[0051](7)上顶板2的下表面和下底板1的上表面贴合在一起，通过焊接进行密封封装，使二者紧密贴合，之后与外部的接管及水栗连接成一个整体。[〇〇52] 实施例3，请参照图2、图4、图7，包括以下步骤:[〇〇53](1)选取两块尺寸均为15mmX10mmX2mm的紫铜板，并将其清洗除污、烘干，分别作为微通道换热器的上顶板2和下底板1;[〇〇54](2)将下底板装夹到线切割机夹具上，采用线切割工艺加工出沿冷却液流动方向平行排布的矩形微通道11。具体为:选用直径为0.1mm的钼丝作为加工电极，采用慢走丝加工方式，线切割加工短路电流为4A，脉冲宽度为8ys，脉冲间隔为80ys，开路电压为110V，走丝速度为8mm2/min。由钼丝的轨迹控制微通道截面形状，在下底板1上切割出12道深度为 1.0mm，宽度为0.5mm，间距为0.5mm的矩形微通道11，微通道11的水力直径为0.67mm;
[0055](3)依次用煤油、无水乙醇对下底板1进行超声波清洗15分钟，去除微通道底面的油污和氧化皮；
[0056](4)将下底板1放置在低功率脉冲激光器的工作台上定位，使用夹具将其夹紧；[〇〇57](5)打开激光器，调整激光光束3和下底板1的位置，使激光光束3经过聚焦透镜4后聚焦在下底板1中微通道底面上，形成聚焦后的激光光斑5，调整激光器的保护气嘴6并开启激光保护气，防止激光对下底板1表面进行加工时发生氧化;在软件中绘制好激光加工路径并设置激光器的输出参数设置为:激光功率为18W，扫描速度为250mm/s，扫描次数为8次，搭接率为82%;激光输出参数设定完毕后开始对微通道11的底面进行加工，得到大量的微孔隙结构111，微孔隙结构111的孔径约为29?1 50mi，深度为1?104.6mi ;[〇〇58](6)将下底板1置于无水乙醇中超声波清洗15分钟，去除熔渣；
[0059](7)上顶板2的下表面和下底板1的上表面贴合在一起，通过焊接进行密封封装，使二者紧密贴合，之后与外部的接管及水栗连接成一个整体。
[0060]实施例4，请参照图3、图4、图7，包括以下步骤:[〇〇61](1)选取两块尺寸均为45mmX20mmX2mm的紫铜板，并将其清洗除污、烘干，分别作为微通道换热器的上顶板2和下底板1;
[0062](2)将下底板1装夹到线切割机夹具上，采用线切割工艺在下底板1上表面加工出沿冷却液流动方向平行排布的矩形微通道11。具体为:选用直径为〇.1_的钼丝作为加工电极，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6ys，脉冲间隔为60ys，开路电压为105V，走丝速度为6mm2/min。由钼丝的轨迹控制微通道截面形状，在下底板1上切割出18道深度为1 ? 0mm，宽度为0 ? 6mm，间距为0 ? 5mm的矩形微通道11，微通道11的水力直径为0?75mm;[〇〇63](3)依次用煤油、无水乙醇对下底板1进行超声波清洗15分钟，去除微通道11底面的油污和氧化皮；
[0064](4)将下底板1放置在低功率脉冲激光器的工作台上定位，使用夹具将其夹紧；
[0065](5)打开激光器，调整激光光束3和下底板1的位置，使激光光束3经过聚焦透镜4后聚焦在下底板1微通道11底面上，形成聚焦后的激光光斑5,调整激光器的保护气嘴6并开启激光保护气，防止激光对下底板1表面进行加工时发生氧化;在软件中绘制好激光加工路径并设置激光器的输出参数设置为:激光功率为18W，扫描速度为300mm/s，扫描次数为10次， 搭接率为73 % ;激光输出参数设定完毕后开始对微通道11底面进行加工，得到大量微孔隙结构111，微孔隙结构111的孔径约为43?1 87mi，深度为1?92.6mi ;[〇〇66](6)将底板1置于无水乙醇中超声波清洗15分钟，去除熔渣；
[0067](7)上顶板2的下表面和下底板1的上表面贴合在一起，通过焊接进行密封封装，使二者紧密贴合，之后与外部的接管及水栗连接成一个整体。
[0068]以上所述，仅为本实用新型较佳实施例而已，故不能依此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖的范围内。
【主权项】
1.一种具有微孔隙结构多孔底面的微通道换热器，包括上下贴合在一起的上顶板和下底板，所述下底板的上表面设有若干条平行间隔排布的微通道，所述微通道的一端连接冷却工质的入口，所述微通道的另一端连接冷却工质的出口，其特征在于:所述微通道的水力直径为100?ΙΟΟΟμπι，所述微通道的底面为具有大量微孔隙结构的多孔表面，所述微孔隙结构的孔径为I?200μηι、深度为I?200μηι。2.根据权利要求1所述的具有微孔隙结构多孔底面的微通道换热器，其特征在于:冷却工质在所述微通道内沿纵向流动，所述微通道的横向截面形状是矩形或梯形。3.根据权利要求2所述的具有微孔隙结构多孔底面的微通道换热器，其特征在于:所述微通道的微通道的横向截面形状为矩形，其宽度是0.4mm-l.0mm、深度是0.8mm-l.5mm，相邻两条微通道之间的间距是0.4mm-0.6mm。4.根据权利要求2所述的具有微孔隙结构多孔底面的微通道换热器，其特征在于:所述微通道的横向截面形状是梯形，其上底面宽是0.7mm-l.0mm、下底面宽是0.4mm-0.6mm、深度是0.8mm_l.5mm，相邻两条微通道之间的间距是0.4mm-0.6mm。5.根据权利要求1所述的具有微孔隙结构多孔底面的微通道换热器，其特征在于:所述下底板的材料为铜或铝或不锈钢。6.根据权利要求3所述的微通道换热器，其特征在于:微通道的宽度是0.8mm、深度是1.2_;相邻两条微通道之间的间距是0.5_，微通道的水力直径为0.96_;微孔隙结构的孔径为20?105μηι、深度为I?114μηι。7.根据权利要求4所述的微通道换热器，其特征在于:微通道的上底面宽宽度是0.8mm、下底面宽度是0.5mm、深度是1.2mm;相邻两条微通道之间的间距是0.5mm，微通道的水力直径为0.84臟;微孔隙结构的孔径为34?1154111、深度为1?9(^1]1。8.根据权利要求3所述的微通道换热器，其特征在于:微通道的宽度是0.5mm、深度是1.0mm;相邻两条微通道之间的间距是0.5_，微通道的水力直径为0.67_;微孔隙结构的孔径为29?150μηι、深度为I?104.6μηι。9.根据权利要求3所述的微通道换热器，其特征在于:微通道的宽度是0.6mm、深度是1.0mm;相邻两条微通道之间的间距是0.5_，微通道的水力直径为0.75_;微孔隙结构的孔径为43?187μηι、深度为I?92.6μηι。10.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于:微通道的数量是8道或12道或18道。
【文档编号】B23P15/26GK205684974SQ201620591924
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年6月16日 公开号201620591924.8, CN 201620591924, CN 205684974 U, CN 205684974U, CN-U-205684974, CN201620591924, CN201620591924.8, CN205684974 U, CN205684974U
【发明人】邓大祥, 万伟, 黄青松, 谢炎林, 连云淞, 褚旭阳, 覃宇, 汪晓煜
【申请人】厦门大学