专利名称：一种微通道散热器与微通道的加工方法
技术领域：
本发明属传热技术，涉及一种微通道散热器以及该散热器微通道加工方法。在金属基板上加工微通道构成散热单元，并通过散热单元的组合，制成具有散热能力均匀、体积微小、传热效率高的散热器。·
背景技术：
随着科技的进步，电子、机械器件朝小型化、微型化方向发展，电子器件和系统设备的集成度不断提高，设备单位体积的发热量也越来越大，对这类产品的散热要求也日益提高。例如在微波电路中，尤其是高频微波电路，单元间距、组件间距等结构尺寸很小，散热装置的体积受到严格限制，这给冷板、分流腔的设计带来很大困难。微通道传热装置以体积小、传热能力强等优点成为微小型机电产品的首选散热设备，其产品设计和性能研究也变成国内外学者关注的热点。微通道散热器是一种借助特殊微加工技术，在固体基质上制造的、可用于流体和固体热传递的三维结构单元。通常将水力当量直径小于I _散热器称为微通道散热器。现有微制造技术可以加工出小至0. I Ii m的三维结构,将微制造技术应用于散热器或冷板的加工，可以极大地增大微通道散热器单位体积的换热面积，目前微通道散热器的换热能力已能达到300 MW HT3 K'微尺度流动呈现了异于宏观流体流动的特性。由于微通道散热器特征尺度在微米到亚毫米尺度范围以内，对微尺度流体流动特性的研究不仅涉及空间尺度的微小化，还涉及更为复杂的尺度效应。随着系统尺寸的缩小，分子的“连续流”假设遭到破坏，从而使传统的动量、质量及能量传递方程不再适用，此时不得不从经典或量子统计力学、分子动力学等理论中寻找规律来重新建立流动的控制方程。关于微细通道流体动力学的研究可追溯到1908年Knudsen对平面槽道气体流动的实验。微通道对流换热亦不同于宏观对流换热机理。受通道形状、壁面粗糙度、流体性质、表面过热量、分子平均自由程与通道尺寸之比等诸多因素的影响，微通道换热特性具有独到之处。根据径向热阻和器壁轴向热传导的影响，换热器效率随热导率的变化可分为3个区域低热导率时，随热导率的增加，径向热阻的影响逐渐减弱，换热器效率增大，该区域可称为热阻控制区；热导率增加到一定程度时，换热器效率随热导率增加的趋势逐渐减弱，增至最大值后开始逐渐减小，称为高效换热区；热导率进一步增加时，器壁轴向导热对换热过程的影响逐渐增强，换热器效率随之减小，并逐渐趋近于器壁完全等温时的换热效率50%，称为热传导控制区。在低介质流量时，金属换热器的换热效率随介质流量的变化存在一个最大值，亦即对于确定结构的换热器而言，存在一个最佳的操作流量值。在相同的流量偏差下，系统效率在亚负荷操作时，效率降低幅度要比在超负荷操作时大得。因此金属微通道换热器可超负荷运行，不宜在亚负荷状态下操作，这点与常规尺度换热器系统有明显的区别。当介质流量较大时，器壁轴向导热对换热效率的影响逐渐减弱，随介质流量的增加，换热效率逐渐减小。国内外学者对微尺度传热传质过程进行了大量的研究。美国学者Tuckerman和Pease于上世纪80年代报道了一种微通道换热结构，该结构由高导热系数的材料构成，换热性能超过传统换热手段所能达到的水平，成功地解决了集成电路大规模和超大规模化所带来的“热障”问题。Swift研制了用于两种流体热交换的微通道换热器，其单位体积换热量可高达几十兆瓦。Bowers等对直径为2. 54及0. 51mm的传热管，用CFC113进行了实验，发现在很小流量下即可达到很高的热流密度。Wahib等用R134a作为工质分别对0. 8、I. 2和I. 7 _的微细通道进行了实验，发现微细通道尺寸的减小会引起传热系数的提高。Bao等以R12、HCFC123作为流动工质对I. 95 mm的微通道进行了实验，得到类似结论。Lie等通过实验研究了质量通量及热流密度对气泡的跃离直径与跃离频率的影响，并给出了传热系数计算的实验关联式。Hetsroni等分析了圆形、矩形、三角形和梯形截面微通道内压降和层流向紊流转变的临界雷诺数，发现层流向紊流过渡的临界雷诺数为180(T2200。Lee等人利用试验与数值方法研究了矩形截面通道内层流热进口段的换热特性，发现基于传统N-S方 程的数值预测值与试验结果吻合良好，传统数值计算方法可以用来预测该范围内的微通道换热。周继军等利用去离子水研究了矩形微通道内单相流动与换热特性，试验结果表明微通道内流动和传热特性与常规尺度通道相比存在明显差异，认为微通道壁面粗糙度对流动和换热产生了重要的影响。Stief等通过分析指出，存在理论最佳热导率使得微通道换热器的性能达到最优。Weisberg等基于流动和换热充分发展假设建立了微通道内流动换热的二维数值模型。Fedorov和Viskanta则对微通道内流动换热进行了三维数值模拟研究。Qu和Mudawar建立了一套矩形微通道内三维稳态流动与换热模型，研究了微通道内温度、Nu数、换热系数及Poiseuille数的变化,其数值模拟结果与Kawano等的实验结果吻合较好。微通道的材质对其传热性能的影响十分显著。在低介质流量时，热阻控制区为低热导率区，低热导率材料换热器(如玻璃)的换热效率要明显高于诸如金属等具高热导率的换热器。在高介质流量时，对于结构参数一定的换热器，随介质流量的增加，导热热阻对换热效率的影响逐渐增强，高效换热区也向高热导率方向移动，换热器材料可用热导率相对较低的金属材料(如不锈钢XBier等对错流式微通道换热器内气-气换热特性进行了数值分析和实验研究，结果表明，不锈钢微通道换热器的换热效率高于铜微换热器。微通道结构的优化及加工技术亦不断发展。微通道结构经历了从二维到三维的发展过程。常规微通道包括圆形、矩形、V形、梯形、双梯形等的截面形状，还有基于热边界层中断技术的交错结构，大多属于准二维的直线形微管道。微通道内流量分配不均、微通道分布均匀性差、局部散热不佳成为二维微通道面临的难题。在此背景下，出现了三维结构的微通道，常见的有树状分形结构、双层树状网络、T形树状分形流体网络、仿哺乳动物呼吸系统树状分形微管道结构和仿蜂巢结构的分形网络。微通道的加工制造技术包括(1)光刻电镀技术。该技术由德国W. Ehrfeld发明，是一种利用高能加速器产生的同步辐射X射线刻蚀，结合电铸成形和塑料铸模技术而形成的LIGA工艺。通过控制照射深度，亦即使用部分透光的掩膜，实现不同深度的曝光，从而获得不同高度的光刻模型，从而获得三维立体微结构。(2)准分子激光微细加工技术。准分子激光处于远紫外波段，波长短、光子能量大，可以击断高聚物材料的部分化学键而实现化学“冷加工”。利用准分子激光的掩膜投影直刻技术能获得大深宽比的微结构、加工面宽、成本低、可实现批量生产。利用聚焦激光束光栅扫描刻蚀技术能实现连续三维结构的加工。(3)双光子聚合加工技术。通过光敏剂中的非线性双光子吸收过程所引发的聚合反应，采用多重断面分层叠加的方法进行加工，各断面的扫描数据从三维CAD数据中得到。聚合反应后，用类似于酒精之类的溶剂可去除没有固化的液态树脂，从而显露出聚合的三维微结构。总的看来，现有的微加工技术已能满足简单二维和三维微结构加工的要求。然而，复杂三维微结构的成形技术仍需不断发展，以满足越来越复杂的微结构加工要求。微通道传热装置的应用前景十分广阔。随着微型机械电子系统和微型化学机械系统的发展，传统的换热装置已不能满足应用系统的基本要求，换热装置微型化的发展成为迫切要求和必然趋势。另外，随着能源问题的日渐突显，也要求在满足热量交换的前提下，尽可能缩小设备体积，提高设备的紧凑性，进而减轻设备重量，节约材料，相应地减少占地面积。微通道换热器的理论预测的散热能力可达I KW ^cnT2,高功率微通道散热器在高速1C、高温超导体的冷却、薄膜沉积中的热控制、强激光镜的冷却以及其它一些对换热设备的 尺寸和重量有特殊要求的场合中的应用必将日益普遍。微型换热装置虽然在设计、制造、装配、密封技术和参数测量等方面还存在很多技术难题，但随着对其结构、性能、优化设计方面研究的深入，微尺度传热技术将日趋成熟，微通道散热器将成为一种具有广阔应用前景的新型设备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对目前微通道散热器中微通道加工方法不完善、微通道分布均匀性差、散热不均匀等问题，提供一种面向给定单位面积散热功率的微通道散热器的加工方法。本发明的另一目的是提供一种微通道散热器，它由具有均匀散热能力的微通道散热单元组合而成，构成一种结构简单、体积微小、性能高效的换热装置，用于空间狭小、发热量大的发热面的散热。本发明的目的是通过以下措施实现的
一种微通道散热器，其特征是它设有基板和盖板，所述盖板安装在基板上部，且两者之间设有十字筋板，基板上加工有若干条微通道；
所述基板和盖板均为正方形板体，所述十字筋板将基板平均分为四个正方形区域；
基板上沿着每个正方形区域的一条对角线位置各加工有一通气道，各条通气道均通向十字筋板中心，每条通气道又将一正方形单分成两个三角形单元，基板上共有八个三角形单元；
基板的每个三角形单元平行其相邻的十字筋板各设有多条直的微通道，各条微通道的进口端设于基板的四周；
所述盖板对应基板中心位置设一个抽气孔。所述基板上的通气道槽深为微通道槽深的2倍。基板上的每条微通道槽深相等，每条微通道的单位面积散热功率Q相同。所述基板上的微通道和通气道均采用激光雕刻法加工而成。
所述基板为金属基板，四周设有台阶，各微通道的顶面平齐，基板和盖板焊接为一体，各条微通道在基板与盖板之间形成密闭的通道。基板上的抽气孔连接微型真空泵。上述微通道散热器的加工方法，该方法包括以下步骤
(1)根据发热面确定微通道散热器基板和盖板的尺寸，及十字筋板尺寸；
(2)金属基板与所要散热的发热物的表面(以下简称发热面)紧密贴合。根据发热面传递到金属基板底面的热流密度Q (物理单位为W m_2)为散热器的设计条件，各条微通道具有恒定的单位面积散热功率，可保证散热器具有均匀的散热能力，进而可保证金属基板和发热面具有均匀的温度。所述的单位面积散热功率是指单位时间里任一微通道i内空气带走的热量<7,.与微通道的底面积Ai Xffi之比均为Q,即qj (I1Xw1)=Q ；
根据各个微通道具有恒定的单位面积散热功率的特征，任一微通道i的几何尺寸，长度人.、深度Ai和宽度&满足方程
权利要求
1.一种微通道散热器，其特征是它设有基板和盖板，所述盖板安装在基板上部，且两者之间设有十字筋板，基板上加工有若干条微通道； 所述基板和盖板均为正方形板体，所述十字筋板将基板平均分为四个正方形区域； 基板上沿着每个正方形区域的一条对角线位置各加工有一通气道，各条通气道均通向十字筋板中心，每条通气道又将一正方形区域分成两个三角形单元，基板上共有八个三角形单元； 基板的每个三角形单元平行其相邻的十字筋板各设有多条直的微通道，各条微通道的进口端设于基板的四周； 所述盖板对应基板中心位置设一个抽气孔。
2.根据权利要求I所述微通道散热器，其特征是所述基板上的通气道槽深为微通道槽深的2倍。
3.根据权利要求I所述微通道散热器，其特征是基板上的每条微通道槽深相等，每条微通道的单位面积散热功率^相同。
4.根据权利要求I所述微通道散热器，其特征是所述基板上的微通道(4)和通气道(3)均采用激光雕刻法加工而成。
5.根据权利要求I所述微通道散热器，其特征是所述基板为金属基板，四周设有台阶，各微通道的顶面平齐，基板和盖板焊接为一体，各条微通道在基板与盖板之间形成密闭的通道。
6.根据权利要求I所述微通道散热器，其特征是基板上的抽气孔连接微型真空泵。
7.权利要求1、2、3、4、5或6所述微通道散热器的加工方法，该方法包括以下步骤 (1)根据发热面确定微通道散热器基板和盖板的尺寸，及十字筋板尺寸； (2)基板与所要散热的发热物的表面贴合； 根据发热面传递到基板底面的热流密度^ (物理单位为W m_2)为散热器的设计条件，根据各个微通道具有恒定的单位面积散热功率的特征，任一微通道i的几何尺寸，长度人.、深度和宽度%满足A-ff方程
8.根据权利要求7所述微通道散热器的加工方法，其中，根据通气道和各个微通道的几何参数，绘制加工平面图，采用数控激光雕刻机将通气道和各个微通道加工到相应深度。
9.根据权利要求7所述微通道散热器的加工方法，其中，微型真空泵依据通气道第个节点处的压力A1和体积流量K1的进行选型。
10.根据权利要求7所述微通道散热器的加工方法，其中，所述的通气管的内半径^按下式确定
全文摘要
本发明属传热技术领域。本发明公开一种微通道散热器与微通道的加工方法，该微通道散热器设有基板和盖板，所述盖板安装在基板上部，且两者之间设有十字筋板，基板上加工有若干条微通道；所述基板和盖板均为正方形板体，所述十字筋板将基板平均分为四个正方形区域；基板上沿着每个正方形区域的一条对角线位置各加工有一通气道，各条通气道均通向十字筋板中心，每条通气道又将一正方形区域分成两个三角形单元，基板上共有八个三角形单元；基板的每个三角形单元平行其相邻的十字筋板各设有多条直的微通道，各条微通道的进口端设于基板的四周；所述盖板对应基板中心位置设一个抽气孔。
文档编号F28D17/02GK102798308SQ20121030096
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月23日 优先权日2012年8月23日
发明者周剑锋, 顾伯勤, 邵春雷, 陈瑶, 吴士伟 申请人:南京工业大学