一種針肋壁面微通道換熱器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了屬于微尺度相變傳熱技術(shù)領(lǐng)域中的一種針肋壁面微通道換熱器。所述熱交換器包括鍵合在一起的第一硅基片和第二硅基片，第二硅基片上加工有熱交換器入口和熱交換器出口，表面加工有針肋壁面微通道，且針肋壁面微通道位于熱交換器入口和熱交換器出口之間；針肋壁面微通道由11條梯級(jí)針肋壁隔開(kāi)成12個(gè)光通道，梯級(jí)針肋壁由大量單個(gè)針肋柱組成，包括針肋密集區(qū)和針肋疏松區(qū)，針肋疏松區(qū)位于針肋密集區(qū)的兩側(cè)。該熱交換器克服了傳統(tǒng)微通道相變傳熱時(shí)不穩(wěn)定流動(dòng)的問(wèn)題，兩相換熱時(shí)具有超穩(wěn)定運(yùn)行壁溫，且集蒸發(fā)器與冷凝器功能于一身，在產(chǎn)品商業(yè)化中具有天然優(yōu)勢(shì)。
【專利說(shuō)明】
一種針肋壁面微通道換熱器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于微尺度相變傳熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種針肋壁面微通道換熱器。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)微通道換熱器內(nèi)流體受熱發(fā)生相變時(shí)，由于通道水利直徑微小，氣泡產(chǎn)生后 只能在流動(dòng)方向上向上游或下游膨脹，這就是微通道內(nèi)發(fā)生兩相傳熱過(guò)程普遍遇到的"受 限氣泡"現(xiàn)象。即減小的通道尺寸削弱了通道的3D效應(yīng)，使產(chǎn)生的氣泡十分容易堵塞通道， 造成單通道內(nèi)嚴(yán)重的流動(dòng)不穩(wěn)定性。另外，具有應(yīng)用價(jià)值的微通道換熱器往往采用并聯(lián)通 道的形式，同一驅(qū)動(dòng)壓頭下并聯(lián)通道之間本身就存在多種流量解，加上"受限氣泡"的影響， 使得微通道內(nèi)兩相流動(dòng)變得極為不穩(wěn)定。
[0003] 同一熱流負(fù)載下，流動(dòng)的不穩(wěn)定直接導(dǎo)致了冷卻壁溫的不穩(wěn)定波動(dòng)。當(dāng)面對(duì)精密 實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要的精確控溫條件時(shí)，傳統(tǒng)微通道無(wú)法提供穩(wěn)定的壁溫。為了開(kāi)發(fā)高性能穩(wěn)定 的微冷卻系統(tǒng)，亟需研發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)精確穩(wěn)定控溫的微通道換熱器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種針肋壁面調(diào)控兩相流型達(dá)到精確控溫效果的微通道 熱交換器，采取的技術(shù)方案如下：
[0005] -種針肋壁面微通道熱交換器，所述熱交換器包括第一硅基片1和第二硅基片2， 第一硅基片1和第二硅基片2采用高壓靜電場(chǎng)鍵合技術(shù)鍵合在一起；
[0006] 所述第二硅基片2上通過(guò)干法刻蝕法加工有熱交換器入口4和熱交換器出口 6,表 面通過(guò)MEMS技術(shù)加工有針肋壁面微通道，且針肋壁面微通道位于熱交換器入口 4和熱交換 器出口 6之間;所述針肋壁面微通道由11條梯級(jí)針肋壁3隔開(kāi)成12個(gè)光通道9;所述梯級(jí)針肋 壁3由大量單個(gè)針肋柱5組成，包括針肋密集區(qū)7和針肋疏松區(qū)8,針肋疏松區(qū)8位于針肋密集 區(qū)7的兩側(cè);所述針肋柱5高75μπι，橫截面為正方形，截面邊長(zhǎng)為15μπι。
[0007] 所述梯級(jí)針肋壁3寬336μπι，高75μπι;針肋密集區(qū)7相鄰兩個(gè)針肋柱5之間的距離為5 ym，總寬度116μηι，針肋疏松區(qū)8相鄰兩個(gè)針肋柱5之間的距離為15μηι，總寬度為220μηι。
[0008] 所述光通道9寬164μL?，深75μπι。
[0009] 所述第二硅基片2的厚度為400μπι。
[0010] 所述熱交換器實(shí)現(xiàn)超穩(wěn)定運(yùn)行壁溫的原理為:針肋壁面具有大量的棱角，為通道 內(nèi)流體的核化沸騰提供大量核化穴，產(chǎn)生的氣泡由于毛細(xì)力的牽引從梯級(jí)針肋壁的針肋密 集區(qū)自動(dòng)游向某一光通道。該光通道內(nèi)由于氣泡擴(kuò)張致使其壓力輕微上升，使梯級(jí)針肋壁 的流體流向相鄰的光通道，改變了氣泡的排散方向，如此形成了相鄰光通道內(nèi)氣泡的交替 漲縮。
[0011] 在流動(dòng)沸騰傳熱中，傳熱系數(shù)與兩相傳熱面積相關(guān)，氣泡的交替漲縮意味著等效 兩相傳熱面積交替變化，使得相鄰光通道的局部傳熱效果圍繞平衡點(diǎn)做微小的浮動(dòng)，壁溫 隨著光通道局部傳熱系數(shù)的浮動(dòng)而微小波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)壁溫的超穩(wěn)定運(yùn)行。
[0012] 本發(fā)明的有益效果為：
[0013] 1、所述熱交換器克服了傳統(tǒng)微通道相變傳熱時(shí)"受限氣泡"堵塞通道造成強(qiáng)烈不 穩(wěn)定流動(dòng)的問(wèn)題，進(jìn)而減少了常規(guī)實(shí)心壁面并聯(lián)通道之間由于存在多流量解，而在出入口 產(chǎn)生流量的交混造成并聯(lián)通道的不穩(wěn)定性;光通道中氣液兩相界面呈現(xiàn)"高頻波動(dòng)"特征， 使兩相換熱時(shí)通道壁面溫度波動(dòng)幅度小于〇 . 1°C，具有超穩(wěn)定運(yùn)行壁溫，為抑制不穩(wěn)定流動(dòng) 提供了新方向；
[0014] 2、針肋壁面微通道中流體的交混促使了強(qiáng)化傳熱，為高效換熱器的設(shè)計(jì)提供了新 思路；
[0015] 3、所述熱交換器集蒸發(fā)器與冷凝器功能于一身，在工業(yè)生產(chǎn)中非常利于批量生產(chǎn) 與產(chǎn)品調(diào)換，在產(chǎn)品商業(yè)化中具有天然優(yōu)勢(shì)。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為所述熱交換器的外觀示意圖。
[0017]圖2為所述熱交換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖3為梯級(jí)針肋壁的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖4為沸騰換熱過(guò)程中氣泡從針肋密集區(qū)生長(zhǎng)并向外側(cè)排散的示意圖。
[0020] 圖5為光通道中氣液兩相流型圖；其中，Pg,i，Pf,i分別是第i個(gè)光通道中氣泡內(nèi)飽和 氣體壓力與氣泡外液體壓力，？^ +1，？￡,1+1分別是第1 + 1個(gè)光通道中氣泡內(nèi)飽和氣體壓力與 氣泡外液體壓力。
[0021 ]圖中標(biāo)號(hào)分別為：1-第一硅基片、2-第二硅基片、3-梯級(jí)針肋壁、4-換熱器入口、5-針肋柱、6-換熱器出口、7-針肋密集區(qū)、8-針肋疏松區(qū)、9-光通道。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。 [0023] 實(shí)施例
[0024] -種針肋壁面微通道熱交換器，所述熱交換器包括第一硅基片1和第二硅基片2， 第一硅基片1和第二硅基片2采用高壓靜電場(chǎng)鍵合技術(shù)鍵合在一起；
[0025]所述第二硅基片2上通過(guò)干法刻蝕法加工有熱交換器入口 4和熱交換器出口 6，表 面通過(guò)MEMS技術(shù)加工有針肋壁面微通道，且針肋壁面微通道位于熱交換器入口 4和熱交換 器出口 6之間;所述針肋壁面微通道由11條梯級(jí)針肋壁3隔開(kāi)成12個(gè)光通道9;所述梯級(jí)針肋 壁3由大量單個(gè)針肋柱5組成，包括針肋密集區(qū)7和針肋疏松區(qū)8,針肋疏松區(qū)8位于針肋密集 區(qū)7的兩側(cè);所述針肋柱5高75μπι，橫截面為正方形，截面邊長(zhǎng)為15μπι。
[0026] 所述梯級(jí)針肋壁3寬336μπι，高75μπι;針肋密集區(qū)7相鄰兩個(gè)針肋柱5之間的距離為5 ym，總寬度116μηι，針肋疏松區(qū)8相鄰兩個(gè)針肋柱5之間的距離為15μηι，總寬度為220μηι。
[0027] 所述光通道9寬164μπι，深75μπι。
[0028] 所述第二硅基片2的厚度為400μπι。
[0029] 所述熱交換器對(duì)氣液兩相流動(dòng)與傳熱耦合調(diào)節(jié)及穩(wěn)定性調(diào)節(jié)的步驟包括：
[0030] (1)熱交換器入口處的制冷劑在接受足夠熱源散發(fā)的熱量后進(jìn)行相變傳熱，梯形 針肋壁針肋密集區(qū)大量的棱角為制冷劑提供了大量的沸騰核化穴，氣泡從沸騰核化穴產(chǎn)生 和長(zhǎng)大，在毛細(xì)牽引力和蒸發(fā)動(dòng)量力的作用下，針肋密集區(qū)的氣泡在長(zhǎng)大的過(guò)程中不斷向 兩側(cè)的光通道排散。氣泡排散過(guò)程如圖4所示，首先氣泡在針肋密集區(qū)某處的沸騰核化穴產(chǎn) 生，吸收來(lái)自梯級(jí)針肋壁面的熱量后氣泡開(kāi)始逐漸長(zhǎng)大;氣泡在長(zhǎng)大過(guò)程中一方面受到沿 流動(dòng)方向上游流體的沖擊力，一方面受到針肋壁小空間向大空間的毛細(xì)牽引力，使氣泡從 梯級(jí)針肋壁的針肋密集區(qū)排散至光通道，完成熱交換器內(nèi)兩相流型的非能動(dòng)調(diào)控。
[0031] (2)氣泡向某一側(cè)光通道排散后，基于薄膜對(duì)流傳熱機(jī)理，氣泡在蒸發(fā)動(dòng)量力的 作用下迅速增大，增大的氣泡一方面使該光通道內(nèi)的流體溫度升高、飽和壓力升高，另一方 面使該光通道內(nèi)液體所占的截面面積減小，液體流動(dòng)的有效水利直徑減小，導(dǎo)致液相阻力 增加;這兩個(gè)方面的合力作用使該光通道內(nèi)流體跨過(guò)梯形針肋壁流向相鄰的光通道，增加 了針肋區(qū)流體的交混作用，強(qiáng)化了換熱，同時(shí)平衡了相鄰光通道之間的壓差，使相鄰光通道 截面含氣量隨時(shí)間呈現(xiàn)反向性。圖5為光通道中氣液兩相流型圖，氣相集聚于光通道中，根 據(jù)壓力平衡有P g,1+Pf,1 = Pg,1+1+Pf,1+1d$照理想氣體狀態(tài)方程，假設(shè)氣體密度不變，飽和氣 體壓力是飽和溫度的單值函數(shù)，同一截面處的飽和溫度相當(dāng)，故相鄰光通道內(nèi)氣泡內(nèi)的飽 128//, Lm 和氣體壓力pg, 4PPg,i+1相等；同時(shí)，第i個(gè)光通道中氣泡外液體壓力i% = ，式中yf- 液體動(dòng)力粘度，L-氣泡長(zhǎng)度，mf-流體質(zhì)量流速，Drff-有效流動(dòng)直徑；當(dāng)i光通道中氣泡寬度 增加時(shí)，該光通道內(nèi)液體的有效流通直徑Drff減小，阻力增大，導(dǎo)致Pf, i>Pf, i+1，使液體從第i 個(gè)光通道流向第i+1個(gè)光通道，相鄰光通道中實(shí)現(xiàn)壓力與液體的交混，液體徑向的交混增大 兩相傳熱系數(shù)的同時(shí)大大加強(qiáng)了熱交換器運(yùn)行的穩(wěn)定性。
[0032] (3)當(dāng)某光通道截面含氣量增多時(shí)，局部換熱系數(shù)增加，壁溫下降，當(dāng)截面含氣量 減少時(shí)，局部傳熱系數(shù)減小，壁溫上升；即同一光通道內(nèi)含氣量與壁溫隨時(shí)間呈反向變化， 使同一光通道的壁溫和界面含氣量隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)反向性;相鄰光通道截面含氣量隨時(shí) 間呈現(xiàn)反向性、同一光通道的壁溫和截面含氣量隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)反向性以及光通道內(nèi)兩 相界面的高頻波動(dòng)共同完成了流動(dòng)與傳熱耦合調(diào)節(jié)和運(yùn)行壁溫的極高穩(wěn)定性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種針肋壁面微通道熱交換器，其特征在于，所述微通道熱交換器包括第一硅基片 (1) 和第二硅基片(2)，第一硅基片（1)和第二硅基片(2)采用高壓靜電場(chǎng)鍵合技術(shù)鍵合在一 起； 所述第二硅基片（2)上設(shè)置有熱交換器入口（4)、熱交換器出口（6)和針肋壁面微通道， 針肋壁面微通道位于熱交換器入口（4)和熱交換器出口（6)之間；所述針肋壁面微通道由11 條梯級(jí)針肋壁(3)隔開(kāi)成12個(gè)光通道(9);所述梯級(jí)針肋壁(3)由大量單個(gè)針肋柱(5)組成， 包括針肋密集區(qū)（7)和針肋疏松區(qū)（8)，針肋疏松區(qū)（8)位于針肋密集區(qū)（7)的兩側(cè);所述針 肋柱(5)高75μηι，橫截面為正方形，截面邊長(zhǎng)為15μηι。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針肋壁面微通道熱交換器，其特征在于，所述梯級(jí)針肋壁 (3)寬336μπι，高75μπι;針肋密集區(qū)（7)相鄰兩個(gè)針肋柱（5)之間的距離為5μπι，總寬度116μπι， 針肋疏松區(qū)(8)相鄰兩個(gè)針肋柱(5)之間的距離為15μπι，總寬度為220μπι。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針肋壁面微通道熱交換器，其特征在于，所述光通道(9) 寬 164μηι，深 75ym。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針肋壁面微通道熱交換器，其特征在于，所述第二硅基片 (2) 的厚度為400μπι。
【文檔編號(hào)】F25B39/00GK105865089SQ201610245384
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月19日
【發(fā)明人】徐進(jìn)良, 余雄江, 金武
【申請(qǐng)人】華北電力大學(xué)