微通道换热器前景

微通道换热器研究进展

微通道换热器研究进展

钟毅尹建成潘晟旻

(昆明理工大学)

摘要：从微通道换热器的发展历史出发,介绍其制造方式、结构和材料,重点介绍对微通道换热器发展和降低成本有重要影响的全铝微通道管材成形加工技术。对微通道传热的特征进行述评,从微电子微机械高效传热、CO2制冷减少温室气体排放和提高家用空调能效比几个方面展现微通道换热器的应用前景。

关键词：微通道;换热器;传热特性;压力降;空调;制冷

换热器工质通过的水力学直径从管片式的 10~50mm,板式的 3~10mm,不断发展到小通道的 0.6~2mm,微通道的 10~600μm,这既是现代微电子机械快速发展对传热的现实需求,也是微通道具有的优良传热特性使然。微通道技术同时触发了传统工业制冷、汽车空调、家用空调等领域提高效率、降低排放的技术革新。

1 微通道换热器的发展历程

微通道换热器(见图1[1-2])的工程背景来源于上个世纪80年代高密度电子器件的冷却和90年代出现的微电子机械系统的传热问题。1981年,Tuckerman和Pease提出了微通道散热器的概念;1985年,Swife,Migliori和Wheatley研制出了用于两流体热交换的微通道换热器。随着微制造技术的发展,人们已经能够制造水力学直径 10~1 000μm通道所构成的微尺寸换热器。1986年Cross和Ramshaw研制了印刷电路微尺寸换热器,体积换热系数达到7MW/(m3·K);1994年Friedrich和Kang研制的微尺度换热器体积换热系数达45MW/(m3·K);2001年,Jiang等提出了微热管冷却系统的概念,该微冷却系统实际上是一个微散热系统,由电子动力泵、微冷凝器、微热管组成。如果用微压缩冷凝系统替代微冷凝器,可实现主动冷却,支持高密度热量电子器件的高速运行[3]。

在汽车空调方面,由于传统的氟利昂系列制冷剂对臭氧层具有较强的破坏作用,已被《蒙特利尔议定书》禁止。R134a 作为一种过渡型替代品,由于其温室效应指数很高(约为CO2的1 300倍[4]),也被《京都议定书》所否定。CO2在蒸发潜热、比热容、动力黏度等物理性质上具有优势[5],若采用合适的制冷循环,CO2在热力特性上可与传统制冷剂相当,甚至在某些方面更具优势。但是CO2制冷循环为超临界循环,压力很高[6],在空调系统中高压工作压力要到13MPa以上,设计压力要达到42.5MPa,这对压缩机和换热器的耐压性均提出了很高的要求。在结构轻量化和小型化的前提下,微通道气体冷却器是同时满足耐压性、耐久性和系统安全性的必然选择。目前欧盟已做好准备,将于2011年全面使用CO2工质的汽车空调系统。

在家用空调方面,当流道尺寸小于3mm时,气液两相流动与相变传热规律将不同于常规较大尺寸,通道越小,这种尺寸效应越明显。当管内径小到 0.5~1mm时,对流换热系数可增大50%~100%。将这种强化传热技术用于空调换热器,适当改变换热器结构、工艺及空气侧的强化传热措施,预计可有效增强空调换热器的传热、提高其节能水平。

与最高效的常规换热器相比,空调器的微通道换热效率可望提高20%~30%[3]。在这方面,全球几大散热器生产厂家如Delphi,Aluventa和Danfoss等已经开始将微通道散热器推广应用于家用空调如多联机、户式中央空调,这将使产品拥有巨大的竞争力。我国阳江宝马利、江苏康泰也在紧跟全球换热器发展步伐,已开发出多种微通道家用空调散热器。

2 微通道换热器的类型、材料及加工方式

微通道换热器按外形尺寸可分为微型微通道换热器和大尺度微通道换热器。

2·1 微型微通道换热器

微型微通道换热器是为了满足电子工业发展的需要而设计的一类结构紧凑、轻巧、高效的换热器,其结构形式有平板错流式微型换热器、烧结网式多孔微型换热器。

微型微通道换热器可选用的材料有:聚甲基丙烯酸甲酯、镍、铜、不锈钢、陶瓷、硅、Si3N4和铝等[7]。采用镍材料的微通道换热器,单位体积的传热性能比相应聚合体材料的换热器高5倍多,单位质量的传热性能也提高了50%[8-9]。

采用铜材料,可将金属板材加工成小而光滑的流体通道,且可精确控制翅片尺寸和平板厚度,达到几十微米级,经钎焊形成平板错流式结构,传热系数可达45MW/(m3·K),是传统紧凑式换热器的20倍[10]。

采用硅、Si3N4等材料可制造结构更为复杂的多层结构,通过各向异性的蚀刻过程可完成加工新型换热器,使用夹层和堆砌技术可制造出各种结构和尺寸,如通道为角锥结构的换热器[11-12]。

随着微加工技术的提高,目前可以加工出流道深度范围为几微米至几百微米的高效微型换热器。此类微加工技术包括:平板印刷术、化学刻蚀技术、光刻电铸注塑技术(LIGA)、钻石切削技术、线切割及离子束加工技术等[7]。烧结网式多孔微型换热器采用粉末冶金方式制作。

2·2 大尺度微通道换热器

大尺度微通道换热器主要应用于传统的工业制冷、余热利用、汽车空调、家用空调、热泵热水器等。其结构形式有平行流管式散热器和三维错流式散热器。由于外型尺寸较大(达1.2m×4m×25.4mm[13]),微通道水力学直径在 0.6~1mm 以下,故称为大尺度微通道换热器。大尺度下微通道的加工与微尺度下微通道的加工方式显著不同,前者需要更高效的加工制造技术。目前,形成微通道规模化的生产技术主要是受挤压技术,受压力加工技术所限,可选用的材料也极为有限,主要为铝及铝合金,它们是1100,1197(D97),3003和3102,其成分列于表1。铝及铝合金微通道平行流管的主要生产方法列

于表2。

3 微通道换热器的传热特征

3.1 热传导效率

式中:h为热传导效率;Nu为努赛尔数;k为热导率;d为通道的水力学直径[15]。由上式可知,微通道由于其微小的水力学直径可获得较大的换热效率。

3.2 工质流动方式

常规换热器的工质流动方式为湍流

微通道换热器的工质流动方式为层流