CN111707116A

CN111707116A - 一种具有多级微槽道的微通道换热器及其制造方法

Info

Publication number: CN111707116A
Application number: CN202010368077.XA
Authority: CN
Inventors: 邓大祥; 郑剑; 张鹏; 姚英学; 赵晨阳
Original assignee: Harbin Institute Of Technology shenzhen Shenzhen Institute Of Science And Technology Innovation Harbin Institute Of Technology
Current assignee: Harbin Institute Of Technology shenzhen Shenzhen Institute Of Science And Technology Innovation Harbin Institute Of Technology
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2040-04-30
Also published as: CN111707116B

Abstract

本发明公开了一种具有多级微槽道的微通道换热器及其制造方法，该微通道换热器由上盖板、下盖板、金属微通道基体组成。所述金属微通道基体包括若干平行间隔阵列排布的微槽道，且微槽道两侧壁面分别具有阵列凸起的二级微槽道结构，二级微槽道对称分布于微槽道内，可显著增大换热面积，增强扰流，实现强化换热。制备方法如下：先在工作辊上加工出具有阵列梯形沟槽，形成V形凸台；改变带沟槽工作辊的轴向平移量与下压深度，进行多道次辊压加工，得到具有多级微沟槽的金属微通道基体；最后将其进行密封封装得到新型微通道换热器。本发明解决了阵列微通道内多级微槽道结构加工成形的难题，具有过程简单，成本低，效率高等优点。

Description

一种具有多级微槽道的微通道换热器及其制造方法

技术领域

本发明属于微结构设计与制造技术领域，涉及到一种微通道换热器及其制造方法，特别是涉及到一种具有多级微槽道的微通道换热器及其制造方法。

背景技术

近年来，随着电子信息、集成通讯等产业的高速发展，电子元器件越发趋向于小型化、集成化发展。微型元器件使得电子设备更为便携、高效与普及，但也引发了单位面积发热量过高等问题，严重制约了微型电子器件的进一步发展。微通道换热器因其重量轻、体积小、散热性能好等特性，被认为是解决微型元器件高热流密度的有效途径。普通微通道换热器仅在金属或硅基底上加工出壁面光滑的矩形、三角形、梯形等微通道阵列结构，并与盖板耦合进行封装。但随着电子器件功率的增大，普通微通道换热器已逐渐不能满足散热需求，对新型微通道换热器的需求正与日俱增。

内壁面具有微凸起的微通道结构可增大流体与固体壁面接触面积,破坏流体正常流动，增强扰流，从而强化换热。然而，在微通道内制备强化传热微结构，存在加工难度大、效率低等难题，成为制约其应用和推广的关键难题。

目前，微通道结构主要有精密切削加工，表面压印，辊压加工等制备方式。精密切削加工得到的表面微细通道精度高，表面质量好，但具有仅能加工单道微通道，效率低，成本高等问题。传统的表面压印技术成本低，成形分辨率高，但在加工效率、表面微结构一致性等方面仍显不足。而辊压加工成形力小，断面质量好，效率高，投资较少，适合于大面积微通道阵列的加工。根据成形辊的形状不同，辊压加工分为：辊对平板的方法与辊对辊的方法。但在进行微细通道阵列成形时，辊对平板的方法需有较大面积的微通道模具，受模具制造工艺限制，辊压成形效率偏低。传统的辊对辊方法可高效成形阵列微通道结构，但用于内壁面具有微凸起的微通道结构成形时，仍面临以下困难：①难以实现阵列微槽道的单道次加工；②工作辊上沟槽较为复杂，加工困难，且强度不足；③难以加工内壁面具有微凸起强化传热结构的多级微槽道。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有多级微槽道的微通道换热器，能够改善流型结构，增大有效换热面积，实现强化换热；并提供一种具有多级微槽道的微通道换热器制造方法，可通过辊对辊的辊压加工过程，用来高效率、低成本加工具有多级微槽道的强化传热微通道换热器。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种具有多级微槽道的微通道换热器，包括微通道基体，所述微通道基体包括若干沿着宽度方向平行间隔阵列排布的微槽道，所述微槽道沿着长度方向延伸的两侧壁斜面相对于微槽道的长轴对称放置，每一个侧壁斜面分别具有阵列凸起的子微槽道；

相邻两个子微槽道中，靠近微槽道的长轴的那一个子微槽道的槽底低于另一个子微槽道的槽底、槽顶高于另一个子微槽道的槽底。

在一较佳实施例中：所述微槽道的宽度是0.4mm-1.0mm、深度是0.4mm-1.0mm。

在一较佳实施例中：所述微槽道沿着长度方向延伸的两侧壁斜面的夹角为30-150°，所述子微槽道顶角为30-60°。

在一较佳实施例中：所述微通道材料为纯铜、铝、铜合金、铝合金、镁合金中的一种。

本发明还提供了如上所述的具有多级微槽道的微通道换热器制造方法，包括如下步骤：

(1)清洗并烘干金属基板；

(2)在辊压机的工作辊上加工出具有阵列排布的梯形深沟槽，相邻两梯形深沟槽之间形成V形凸台；

(3)将所述金属基板通过定位、夹紧，安装在辊压机垂直对称的上下导向辊、两个工作辊之间；

(4)调整辊缝间隙，进行第一次辊压，辊压深度为h1，辊压完成后抬起辊轮，得到一V形微槽道；将辊压模具沿微通道横截面方向移动设定距离，进行第二次辊压，辊压深度为h2，辊压完成后抬起辊轮，得到间隔一定距离的V形微槽道结构；将辊压模具沿微通道横截面方向移动相同设定距离，辊压深度为h3，辊压完成后抬起辊轮；依次类似进行，从而在微槽道一侧壁斜面形成阵列排布的子微槽道；

(5)利用步骤4的方法对微槽道的另一侧壁斜面进行辊压；

(6)将具有多级微槽道的微通道基体与上盖板焊接封装，并与外部的接管及水泵连接成一个整体，得到完整的微通道换热器。

在一较佳实施例中：所述辊压机两个导向辊为光滑辊轮。

在一较佳实施例中：所述步骤(2)中带梯形深沟槽的工作辊为辊压模具，辊压机另一垂直对称的工作辊为光滑辊轮。

在一较佳实施例中：所述辊压深度h1，h2，h3为0.2mm-1mm。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)多级微槽道结构的微通道结构，增大了流体与固体壁面接触面积,破坏流体正常流动，增强扰流，从而显著强化换热。

(2)多级微槽道微通道的辊压成形加工方法，仅需在工作辊上加工出简单、重复的梯形沟槽，通过连续进行辊压加工，即可实现多级微槽道结构的加工成形，从而避免在工作辊上直接加工出与多级微槽道形状互补的复杂结构，解决了微通道内多级微槽道结构成形难的问题。

(3)多级微槽道微通道的辊压成形加工方法，具有过程简单、易于实现、设备要求低、成形质量好的优点，能够高效率、低成本地制造出内壁面具有微凸起强化传热结构的微通道阵列，从而为强化传热微通道换热器的制备提供了良好的途径。

附图说明

图1：具有多级微槽道的微通道换热器示意图

图2：具有多级微槽道的微通道基体截面形状示意图

图3：具有多级微槽道的微通道换热器基体辊压加工过程图

图4：具有多级微槽道的微通道换热器基体辊压加工装置示意图

图5：辊压模具截面形状示意图

图中：1.金属微通道基体；2.上导向辊；3.带沟槽工作辊；4.光滑工作辊；5.下导向辊；6.上盖板

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明不局限于此。

结合图1、图2，本发明的一种具有多级微槽道的微通道换热器，所述微通道换热器包括上盖板7、下盖板6、金属微通道基体1。所述金属微通道基体1基体中若干平行间隔阵列排布的微槽道，且微槽道两侧壁面分别具有阵列凸起的子微槽道，子微槽道对称分布于微槽道内。相邻两个子微槽道中，靠近微槽道的长轴的那一个子微槽道的槽底低于另一个子微槽道的槽底、槽顶高于另一个子微槽道的槽底。

所述微通道换热器的一端连接冷却工质的入口，所述微通道换热器的另一端连接冷却工质的出口。

优选的，所述金属微通道基体1的截面参数为：W＝0.5mm，S＝0.1mm，h1＝0.311mm，h2＝0.406mm，h3＝0.500mm，H＝1.2mm，θ＝30°。其中，W为微槽道宽度，S为相邻微槽道之间间隔的距离，h1、h2、h3分别为子微槽道两侧深度，H为金属基体厚度，θ为相邻子微槽道的沟槽顶角值。

本实施例中，所述金属微通道基体1的板材材料优选为Mg-Al合金。作为简单替换，上述材料还可以为纯铜、纯铝、铜合金、铝合金、镁合金中的一种。

结合图3、图4、图5，本发明提供一种具有多级微槽道的微通道换热器制造方法，包括以下步骤：

(1)设计与制造辊压模具：根据该微通道换热器金属基体结构与截面参数，在一个工作辊上精密切削出重复排列的梯形深沟槽，制得辊压模具3。辊压模具3截面参数为：h＝0.5mm，a＝0.6mm，θ＝30°，模具辊3上凸起带有半径r＝0.005mm的圆角，工作辊3、4直径均为40mm，导向辊2、5直径均为30mm。模具辊3上等距、重复排列有100个等腰三角形凸起微结构，可同时加工100个微通道。

(2)安装待加工金属基体板材：选用长200mm×宽100mm×厚1.2mm的Mg-Al合金基体板材1，清洗去除表面污渍、擦拭晾干后将其通过定位、夹紧，安装在上下导向辊2、5和工作辊3、4之间。定位时，要求带沟槽工作辊3恰好接触待加工基体板材1表面，且位于待成形微通道阵列的轴向起始加工位置，从而确定两对辊轮起始位置；

(3)多次辊压加工：调整辊缝间隙大小，设置工作辊3温度为250℃，工作辊4压力为700N，调节导向辊2、5与工作辊3、4转速使得辊压速度为8mm/s，进行第一次辊压，辊压深度为h1＝0.311mm，辊压完成后抬起辊轮；将工作辊3向微通道横截面方向移动0.083mm，设置工作辊3温度为250℃，工作辊4压力为700N，调节导向辊2、5与工作辊3、4转速使得辊压速度为8mm/s，改变各辊轮转动方向，进行第二次辊压，辊压深度为h2＝0.406mm，辊压完成后抬起辊轮；将工作辊轮3向微通道横截面方向移动0.083mm，设置工作辊3温度为250℃，工作辊4压力为700N，调节导向辊2、5与工作辊3、4转速使得辊压速度为8mm/s，改变各辊轮转动方向，进行第三次辊压，辊压深度为h3＝0.500mm，辊压完成后抬起辊轮。

(4)对称壁面多次辊压加工：将工作辊轮3沿微通道横截面方向移动0.083mm至微槽道对称侧壁面，设置工作辊3温度为250℃，工作辊4压力为700N，调节导向辊2、5与工作辊3、4转速使得辊压速度为8mm/s，改变各辊轮转动方向，进行第一次辊压，辊压深度为h2＝0.406mm，辊压完成后抬起辊轮。将工作辊轮3沿微通道横截面方向移动0.083mm，设置工作辊3温度为250℃，工作辊4压力为700N，调节导向辊2、5与工作辊3、4转速使得辊压速度为8mm/s，改变各辊轮转动方向，进行第五次辊压，辊压深度为h1＝0.311mm，辊压完成后抬起辊轮，即得到金属微通道基体1。

(5)微通道换热器封装：将微通道金属基体1与上盖板6相配贴合，通过钎焊进行密封封装。在上盖板6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，得到完整的微通道换热器。

通过工作辊轮3上重复排列的梯形沟槽，每一次辊压都在金属基体板材1上同时加工出100个完全相同的微通道结构；通过改变工作辊3的径向与轴向进给量，同时在不同微槽道内一次辊压得到完全相同的二级微沟槽柱，最终在Mg-Al合金板材表面形成了100个相互平行、间距为0.1mm、槽宽0.5mm的具有多级微沟槽结构的微通道换热器金属基体，并将其进行封装，得到一种新型的微通道换热器。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims

1.一种具有多级微槽道的微通道换热器，包括微通道基体，其特征在于：所述微通道基体包括若干沿着宽度方向平行间隔阵列排布的微槽道，所述微槽道沿着长度方向延伸的两侧壁斜面相对于微槽道的长轴对称放置，每一个侧壁斜面分别具有阵列凸起的子微槽道；

2.根据权利要求1所述的具有多级微槽道的微通道换热器，其特征在于：所述微槽道的宽度是0.4mm-1.0mm、深度是0.4mm-1.0mm。

3.根据权利要求1所述的具有多级微槽道的微通道换热器，其特征在于：所述微槽道沿着长度方向延伸的两侧壁斜面的夹角为30-150°，所述子微槽道顶角为30-60°。

4.根据权利要求1所述的具有多级微槽道的微通道换热器，其特征在于：所述微通道材料为纯铜、铝、铜合金、铝合金、镁合金中的一种。

5.一种权利要求1-4中任一项所述的具有多级微槽道的微通道换热器的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)清洗并烘干金属基板；

(5)利用步骤4的方法对微槽道的另一侧壁斜面进行辊压；

6.根据权利要求5所述的具有多级微槽道的微通道换热器的制造方法，其特征在于：所述辊压机两个导向辊为光滑辊轮。

7.根据权利要求5所述的具有多级微槽道的微通道换热器的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中带梯形深沟槽的工作辊为辊压模具，辊压机另一垂直对称的工作辊为光滑辊轮。

8.根据权利要求5的具有多级微槽道的微通道换热器制造方法，其特征在于：所述辊压深度h1，h2，h3为0.2mm-1mm。