微通道

微通道换热器

微通道，也称为微通道换热器，就是通道当量直径在10-1000μm的换热器。这种换热器的扁平管内有数十条细微流道,在扁平管的两端与圆形集管相联。集管内设置隔板,将换热器流道分隔成数个流程。

发展历程

微通道（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。

国内市场最先将微通道技术产业化的是汽车空调行业。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),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。

类型材料加工方式

类型

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。

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。

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。

材料

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。

大尺度微通道换热器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

加工方式

随着微加工技术的提高,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。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。

应用前景及优势

微电子等领域应用

微电子领域遵循摩尔定律飞速发展,伴随晶体管集成度的不断提高,高速电子器件的热密度已达5~10MW/m2,散热已经成为其发展的主要“瓶颈”,微通道换热器取代传统换热装置已成必然趋势。因此在嵌入式技术及高性能运算依赖程度较高的航空航天、现代医疗、化学生物工程等诸多领域,微通道换热器将有具广阔的应用前景。

空调及热水器应用

随着微通道换热技术的逐渐成熟，汽车空调行业和家用空调行业（如美的）已经开始生产相关产品。而可喜的是，当下炙手可热的空气能热水器行业也已经开始进军微通道领域。

应用优势

①节能。节能是当今空调器的一项重要指标。常规换热器很难制造出高等级如Ⅰ级能效标准的产品,微通道换热器将是解决该问题的最佳选择。

②换热性能突出。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。

③推广潜力。微通道换热器技术在空调制造领域还有向空气能热水器推广的潜力,可以极大提升产品的竞争力和企业的可持续发展能力。

与常规换热器相比,微通道换热器不仅体积小换热系数大,换热效率高,可满足更高的能效标准,而且具有优良的耐压性能,可以CO2为工质制冷,符合环保要求,已引起国内外学术界和工业界的广泛关注。微通道换热器的关键技术—微通道平行流管的生产方法在国内已渐趋成熟,使得微通道换热器的规模化使用成为可能。

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