微通道換熱器

1、微通道換熱器微通道換熱器一、微通道的發(fā)展史二、微通道的結(jié)構(gòu)特點及優(yōu)化加工三、國內(nèi)外微結(jié)構(gòu)換熱器的研究現(xiàn)狀四、微通道換熱器的舉例應(yīng)用微通道的發(fā)展史 所謂微通道換熱器是一種借助特殊微加工技術(shù)以固體基質(zhì)制造的可用于進行熱傳遞的三維結(jié)構(gòu)單元。 通常含有將水力當量直徑小于1mm換熱器稱為微通道換熱器。微通道的發(fā)展史工程背景：高密度電子器件的冷卻和微電子機械系統(tǒng)的傳熱問題。工程背景：高密度電子器件的冷卻和微電子機械系統(tǒng)的傳熱問題。微通道的發(fā)展史該結(jié)構(gòu)有高導(dǎo)熱系數(shù)的材料構(gòu)成，其換熱過程為在底面加上的熱量經(jīng)過通道壁傳至通道內(nèi)。微通道的結(jié)構(gòu)特點一、微通道的流動特性 由于微通道換熱器特征尺度在微米到亞微米尺度范圍

2、內(nèi)，使它不僅涉及空間尺度的微小化，還涉及更為復(fù)雜的尺度效應(yīng)。 1、微尺度效應(yīng) 2、入口段效應(yīng)微通道的流動特性1、微尺度效應(yīng) 對于氣體單相流動，當通道直徑當量小于200m時，流動和傳熱將受到氣體的稀薄效應(yīng)影響。 對于液體單相流動，微通道直徑為381m時，宏觀理論公式已經(jīng)不適用于微通道摩阻及努塞爾爾數(shù)不能按傳統(tǒng)宏觀理論公式來計算。 對于兩相流，微尺度通道內(nèi)界面現(xiàn)象表面張力的影響顯著，導(dǎo)致流型分布及轉(zhuǎn)換準則發(fā)生變化。由于表面張力的影響，流動中不存在非球形泡沫。表面張力對微流動的影響一般表現(xiàn)在兩相微流動的初始階段，隨著混合程度的增加以及同壁面的接觸角增加，其影響程度在逐步減小。微通道的流動特性2、入口

3、段效應(yīng)微電子器件尺寸一般都很小，集成在這些元件上的微通道長度也就很小。這樣一來，在當量直徑不太大的情況下，流動趨于充分發(fā)展狀態(tài)，入口段效應(yīng)對工質(zhì)流動的影響十分顯著。微通道的流動特性二、微通道中流體的換熱特性 微通道對流換熱不同于宏觀通道的換熱機理。受通道形狀、壁面粗糙度、流體品質(zhì)、表面過熱量、分子平均自由程與通道尺寸之比等眾多因素的影響，微通道換熱呈現(xiàn)出一些特殊的特點。1、換熱效率隨熱導(dǎo)率的變化趨勢2、流量對于換熱效率的影響3、微通道加工材質(zhì)的選擇4、臨界熱流密度5、入口段效應(yīng)微通道的優(yōu)化加工 微通道結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從二維到三維的發(fā)展。常規(guī)微通道，包括圓形、矩形、V形、梯形、雙梯形等截面形狀以及目前

4、的一種基于熱邊界層中斷技術(shù)的交錯結(jié)構(gòu)，微通道內(nèi)流量分配不均、分布均勻性差、局部散熱不佳成為二維微通道面臨的難題。 三維結(jié)構(gòu)常見的有樹狀分形結(jié)構(gòu)、雙層樹狀網(wǎng)絡(luò)、T形樹狀分形流體網(wǎng)絡(luò)、仿哺乳動物呼吸系統(tǒng)樹狀分形微管道結(jié)構(gòu)和仿蜂巢結(jié)構(gòu)的分形網(wǎng)絡(luò)。微通道的優(yōu)化加工三維通道的加工制造技術(shù)：1. 光刻電鍍（LIGA）技術(shù)2. 準分子激光微細加工技術(shù)3. 雙光子聚合（TPP）加工技術(shù) 隨著加工制造技術(shù)的發(fā)展, 目前已實現(xiàn)了一些復(fù)雜的機械表面。但從當前國際微型機械產(chǎn)品的生產(chǎn)來看, 三維復(fù)雜微成形在技術(shù)上仍未得到很好的解決, 正在積極開發(fā)新型的、更有效的微加工和微成形技術(shù)。國外研究現(xiàn)狀 Robert J.Kee

5、等人研究了一種陶瓷制成的逆流微通道換熱器，由四層微通道組成，總體尺寸類似于手掌大小。包括2層熱流微通道以及2層冷流微通道。其中冷流層與熱流層之間流動方向是相反的。并且板面上具有增加流體擾動的微通道新型設(shè)計，充分實現(xiàn)了熱流與冷流的交錯流動以及增加換熱面積，實現(xiàn)盡可能大的換熱效率。國外研究現(xiàn)狀 J.JBrandner等人提到的微結(jié)構(gòu)換熱器是指包括微槽道(逆流和交錯流等)，微型柱(包括對稱以及不對稱)等微結(jié)構(gòu)的換熱器，并對不同的微結(jié)構(gòu)進行了比較研究，得出其中影響的關(guān)鍵因素包括微結(jié)構(gòu)的特征尺寸、幾何形狀、排列方式、流體的狀態(tài)(層流或者紊流)以及流量大小等。 Robert Nacke提到了一種交錯流換熱

6、器，帶有槽型或者平行的間斷翅片微結(jié)構(gòu)陣列，通過冷卻水來對熱空氣進行冷卻換熱,發(fā)現(xiàn)蛇形通道換熱器的換熱效率比相同長度下普通直通道換熱器的效率提高了20%左右。國外研究現(xiàn)狀 Thomas Fend提到了一種圓筒型微換熱器，在圓柱筒內(nèi)部開有多層微尺度的熱流道以及冷流道，相互分層間隔充分實現(xiàn)換熱，且熱流道與冷流道相互垂直形成交錯流，此微型換熱器具有995m2/m3的比表面積，工作溫度至少可以達到950。國內(nèi)研究現(xiàn)狀 北京化工大學(xué)提出了一種以金屬基底為導(dǎo)熱單元，以具有微結(jié)構(gòu)的聚合物材料為散熱單元的新型復(fù)合微結(jié)構(gòu)換熱器。微通道換熱器的應(yīng)用微通道在汽車空調(diào)中的應(yīng)用 主要集中在汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)中，其原因主要考

7、慮到CO2的蒸汽密度高，比熱和容積制冷量較大，充注量較小及較高的操作壓力適合開發(fā)小管徑的換熱器。微通道換熱器的應(yīng)用 微通道在熱泵空調(diào) 目前微通道換熱器僅用作單冷空調(diào)器冷凝器。微通道換熱器用作熱泵蒸發(fā)器,主要受到翅片表面凝結(jié)水排除問題的困擾。微通道換熱器的應(yīng)用 微通道在壓縮機中的應(yīng)用 在工業(yè)冷凍冷藏領(lǐng)域,壓縮冷凝機組的換熱器仍為管翅式換熱器,系統(tǒng)的能效比不高,整個行業(yè)的能源浪費嚴重。將微通道換熱器應(yīng)用于壓縮冷凝機組,不僅能提高機組的能效比,增強產(chǎn)品競爭力,也能節(jié)約工業(yè)冷凍能耗,促進制冷空調(diào)行業(yè)節(jié)能。結(jié)束語 微通道換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、質(zhì)量輕、運行安全可靠等特點。它在微電子、航空航天、醫(yī)療、化學(xué)生物工程、材料科學(xué)、高溫超導(dǎo)體的冷卻、薄膜沉積中的熱控制、強激光鏡