微通道换热器-why

微通道换热器综述

1 前言

换热器工质通过的水力学直径从管片式的φ10-50mm，板式的φ3-10mm，不

μ，这既是现代微电子机械快断发展到小通道的φ0.6-2mm，微通道的φ10-600m

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。

微通道换热器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μ通道所构成的微尺寸换热器。1986年，Cross和Ramshaw研直径φ10-1000m

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。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1300倍)，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。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。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φ0.5-1mm 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%。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[1]。

20世纪50年代末，著名的物理学家Richard Feynman曾预言微型化是未来科学技术的发展方向。换热器作为化工过程机械的典型产品，是工艺过程中必不可少的单元设备，广泛地应用于石油、化工、动力、核能、冶金、船舶、交通、制冷、食品及制药等工业部门及国防工程中。其材料及动力消耗占整个工艺设备的30%左右，在化工机械生产中占有重要的地位。如何提高换热器的紧凑度，以达到在单位体积上传递更多的热量，一直是换热器研究和发展应用的目标。器件装置微型化(Miniaturization)的强大发展趋势推动了微电子技术的迅猛发展和MEMS(micro—electro—mechanical system)技术的不断进步，也推动了更加高效、更加小型化的微通道换热器(micro- channel heat exchanger)的诞生。

所谓微通道换热器是一种借助特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行热传递的三维结构单元。当前关于微通道换热器的确切定义，比较通行、直观的分类是由Mehendale.s.s提出的按其水力当量直径的尺寸来划分。通常含有将水力当量直径小于1mm换热器称为微通道换热器。早在二十世纪八十年代，美国学者Tuckerman和Pease报道了一种微通道(Micro- channel)换热结构。该结构有高导热系数的材料(如硅)构成，其换热过程为在底面加上的热量经过通道壁传至通道内，其换热性能得到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。随后Wu和Little、Pfahler等、Choi 等都对通道中的单相流进行了分析和研究。用于两种流体热交换的微通道换热器于1985年由Swift研制出来，研究表明，其微通道换热器的单位体积换热量可高达几十MW/(m2·K)。美国太平洋西北国家研究所(Pacific North—west National Lab)于90年代后期研制成功燃烧/气化一体化的微型装置以及微型热泵等。卡尔斯鲁研究中心(Forschungszentrum Karlsruhe GrabH)也在利用经过成型工具超精细车削加工的器件，将其彼此连接形成错流和逆流的微换热器[2]。

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。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%。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。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。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。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1.2 mx4 mx25.4 mm)，微通道水力学直径在 0. 6- 1 mm以下，故称为大尺度微通道换热器。微通道结构经历了从二维到三维的发展。常规微管道( 阵列式)，包括圆形、矩形、V形、梯形、双梯形等的截面形状以及目前的一种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。三维结构(分形网络)的微通道正是在这种背景下发展起来的。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。

三维微通道的加工制造技术：

(1) 光刻电镀( LIGA) 技术：1986年由德国W.Ehrfeld发明，等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发展出的LIGA工艺。控制光刻时的照射深度，亦即使用部分透光的掩模，在曝光同一时刻光刻胶