具有梳齿状折流凸起结构的微通道散热器及其制备方法

本发明涉及传热用热交换器，特别是涉及到一种具有梳齿状折流凸起结构的微通道散热器及其制造方法。

背景技术：

微型器件，例如微反应器、微混合器、微流控芯片、微机电系统等,因其体积小、集成度高等优点被广泛应用于生物医疗、电子信息、光学传导等领域。微型器件尺寸不断减小，发热功率却越来越大，从而导致单位面积热流密度大大提高，由高热流密度引发的产品失效问题日益严重。微通道散热器被认为是解决微型器件高热流密度的一种有效手段，其是通过冷却工质流经内部微通道，通过微通道壁面与流体对流换热将实现高效散热，从而有效降低微型器件温度。目前的微通道散热器主要在铝、铜等金属基底、或硅等半导体中加工而成，微通道通常为平行矩形、三角形、v形、梯形结构，当流动工质热边界层充分发展时换热效果会受到抑制。而具有折流结构的微通道，可破坏流体正常流动，中断冷却工质热边界层发展，增强扰流；同时增大有效换热面积，实现强化换热，从而提高微通道散热器传热效果。

强化传热微通道散热器，其关键在于强化微通道的加工。目前，微通道的加工方法主要有微细切削、刻蚀、激光加工、电火花加工、电化学加工等。但微细切削技术加工精度受限，刻蚀技术设备昂贵，激光加工对于三维复杂微流道存在较大难度，电火花加工和电化学加工速率较低，这些方法用于成形异形微通道时存在加工效率低、难以一次成形、过程相对复杂等缺点。压印技术是利用一块具有微尺度表面图形的原始模板，将其对准压入基底材料，通过改变环境条件使其固化形成高精度的微型结构的新兴技术。根据不同的固化方式，压印技术可以分为热固化压印和紫外光固化压印。其中，紫外光固化压印灵活性更高，但受到光照条件制约，一次成形面积有限且对设备要求相对较高；而热固化压印(简称热压印)具有阵列大面积单道次加工、效率高、成本低等优点，且过程简单，设备要求低，易于实现。因此，热压印技术更适合于加工异形微通道结构。然而，目前热压印方法主要针对聚合物、玻璃基底的加工，针对金属基底微通道的制备则鲜有报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有研究的不足，提出具有梳齿状折流凸起结构的微通道散热器，可破坏流体正常流动，中断冷却工质热边界层发展，增强扰流，同时增大有效换热面积，实现强化换热。

本发明的另一目的在于提供具有梳齿状折流凸起结构的微通道散热器制造方法，可实现异性微通道阵列的单道次热压印成形，实现强化传热微通道散热器的高效率、低成本加工成形。

本发明通过以下技术方案来实现：

具有梳齿状折流凸起结构的微通道散热器，包括微通道基体，所述微通道基体包括若干平行间隔阵列排布的微槽道，所述微槽道沿着高度方向的横截面为倒梯形，并且所述微槽道的两侧壁面周期性交错排布若干梳齿状折流凸起结构。

在一较佳实施例中：所述微槽道的横截面为等腰倒梯形，高度为1mm-2mm，深宽比为1:1-2:1，梯形两侧壁面起模夹角为10°-30°。

在一较佳实施例中：所述梳齿状折流凸起结构具有起模斜度，起模夹角为10°-30°，高度为1mm-2mm。

在一较佳实施例中：所述梳齿状折流凸起结构的顶面和底面为矩形、三角形或半圆形。

在一较佳实施例中：所述微通道材料为铝、铜的一种。

本发明还提供了上述具有梳齿状折流凸起结构的微通道散热器制造方法，包括如下步骤：

(1)制备与具有梳齿状折流凸起结构微通道相配合的热压印模芯；

(2)在模芯上制备一层超疏水涂层，进行热压印模芯防粘处理；

(3)选取一块清洗除污、烘干的金属基板；

(4)将金属基板通过对准、定位，安装在热压模具的模套内，并位于热压印模芯上方；

(5)向上移动热压机下加热平板，推动热压模具的下模具及模芯，对基板进行施压，同时加热保持一定时间，进行热压印；

(6)释压、冷却，将基板从模芯中脱模，得到具有梳齿状折流凸起结构的微通道基体；

(7)将具有梳齿状折流凸起结构的微通道基体与进出口流道腔、上盖板密封封装，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散热器。

在一较佳实施例中：所述步骤(5)中热压印温度为100℃～500℃，压印压力为5mpa-25mpa，压印时间为5min-30min。

在一较佳实施例中：所述步骤(1)中模芯材料为模具钢、耐热钢、合金钢中的一种。

在一较佳实施例中：所述热压模具包括下模具、上模具、模芯、模套和弹簧；模芯上表面加工出与具有梳齿状折流凸起结构微通道相配合的反向结构，下表面平整；模套内部中空，空腔尺寸与模芯、基板四周尺寸相同；下模具具有凸台结构，其凸台顶面尺寸形状与模芯底面相同；上模具同样具有凸台结构，其尺寸形状与基板底面相同。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)梳齿状折流凸起结构可破坏流体正常流动，中断冷却工质热边界层发展，增强扰流；同时增大有效换热面积，从而显著强化换热。

(2)梳齿状折流凸起结构的热压成形加工方法，具有阵列大面积单道次加工、效率高、成本低等优点，且过程简单，设备要求低，易于实现，从而克服异形微通道加工成形的难题。

附图说明

图1：具有梳齿状折流凸起结构的微通道散热器示意图；

图2：具有梳齿状折流凸起结构的微通道基体轴测图；

图3：具有梳齿状折流凸起结构的微通道基体俯视图；

图4：具有梳齿状折流凸起结构的微通道基体横截面a-a剖面图；

图5：具有梳齿状折流凸起结构的微通道基体横截面b-b剖面图；

图6：具有梳齿状折流凸起结构的微通道基体纵截面c-c剖面图；

图7：具有梳齿状折流凸起结构的微通道基体模芯轴测图。

图中：1.热压机上加热平板；2.上模具；3.弹簧；4.模套；5.微通道基板；6.模芯；7.下模具；8.热压机下加热平板；9.上盖板；10.进出口流道腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

结合图1～图6，本发明的一种具有梳齿状折流凸起结构的微通道散热器，所述微通道散热器包括上盖板9、微通道基体5、进出口流道腔10。所述微通道基体5中阵列排列若干平行间隔的微槽道结构，微槽道沿着高度方向的横截面为倒梯形。所述微槽道两侧壁面周期性交错排布若干梳齿状折流凸起结构。所述微通道散热器的一端连接冷却工质的入口，所述微通道散热器的另一端连接冷却工质的出口。

所述微通道散热器微通道基体各截面参数为：h＝2mm，h＝1.5mm，l＝1mm，l＝0.6mm，d＝1.4mm，d＝1mm，s＝0.5mm，θ＝β＝α＝14°。其中，微通道基体横截面为等腰倒梯形，所述梳齿状折流凸起结构顶面、底面为矩形，h为微通道基体厚度，h为微槽道深度，l为a-a剖面微槽道梯形横截面宽度，l为b-b剖面微槽道梯形横截面宽度，d为a-a剖面相邻两微通道中心距，d为b-b剖面相邻两微通道中心距，s为凸起微结构底面宽度，θ、β、α分别为微通道与梳齿状折流凸起结构的表面起模斜度，且二者的起模斜度相同。

所述微通道基体材料为铝、铜的一种。

结合图7，本发明提供具有梳齿状折流凸起结构的微通道散热器制造方法，包括以下步骤：

(1)设计与制造热压模具：选用一块镍合金板材6，清洗去除表面污渍、擦拭晾干后通过慢走丝电火花成形方法，精密加工出平行阵列排布的反向梳齿状凸台结构，制得压印模芯6；选用模具钢材料，通过精密切削加工得到上模具2、模套4、下模具7；弹簧3选用与模套4和上模具2尺寸相适应的非标准支撑弹簧件。热压模芯6上等距、平行、重复排列有50个反向梳齿状凸台结构，可一次性成形50个异形微通道。模套4内部空腔、下模具7和上模具2凸台与模芯6底面尺寸形状相同。

(2)热压印模具防粘处理：对上模具2下表面、模套4内表面、下模具7上表面抛光并镀钛以减小摩擦，增加耐用度；抛光热压印模芯6后利用无水乙醇超声清洗、晾干，并采用喷涂法、浸润法、蒸发法、溅射法中的一种方法制备一层超疏水涂层。

(3)安装待加工微通道基板：选用铝金属基板，清洗去除表面污渍、擦拭晾干；将下模具7平稳放置于热压机下加热平板8上；将模芯6通过对准定位，平稳贴合于下模具7的凸台上并将模套4套入上模具7凸台；将金属基板平放入模套4内；在模套4上表面安装弹簧后垂直压入上模具2。放置各部分材料时，需保证各零件中心对齐；模套4下表面与下模具7凸台下表面紧密贴合，模芯6下表面与下模具7凸台上表面紧密贴合，基材5下表面与模芯6上表面接触，上模具2凸台下表面与金属基板上表面接触。

(4)热压印加工：调整热压机上下加热平板1、8初始间隙大小，调节下加热平板8上升速度为0.1-0.3mm/min，设置上下加热平板1、8工作温度为400-500℃，工作压力为10-20mpa，待上平板1接触热压上模具2上表面时，加热上下平板1、8至预设温度，并以恒定压力开始压印，保持10-20min压印时间后，冷却释压，完成压印，从而得到微通道基体5。待热压模具与微通道基体5冷却至一定温度后，进行脱模，完成加工。脱模时，依次拆除上模具2，弹簧3，模套4，取出模芯6与微通道基体5，利用手动或其他辅助装置在竖直方向上进行脱模，得到微通道基体。通过一次热压印成形便可得到50个互相平行、中心距为1.4mm、最大宽度1mm，深宽比为1.5:1的具有梳齿状折流凸起结构的微通道基体。

(5)微通道散热器封装：将微通道基体5与进出口流道腔10相嵌合，并使其紧密接触。并在其顶部放置一块上盖板9，通过扩散焊实现进出口流道腔10、微通道基体5与上盖板9的密封封装、紧密贴合。在上盖板9上接上外部接管与水泵使其成为一个整体，形成强制循环回路，得到完整的微通道散热器。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。