微通道

微通道，也稱為微通道換熱器，就是通道當量直徑在10-1000μm的換熱器。這種換熱器的扁平管內有數十條細微流道,在扁平管的兩端與圓形集管相聯。集管內設定隔板,將換熱器流道分隔成數個流程。

基本介紹

• 中文名：微通道
• 外文名：minichannel
• 別名：微通道換熱器
• 直徑：10-1000μm

發展歷程

微通道（微通道換熱器）的工程背景來源於上個世紀80年代高密度電子器件的冷卻和90年代出現的微電子機械系統的傳熱問題。1981年,Tuckerman和Pease提出了微通道散熱器的概念；1985年,Swife,Migliori和Wheatley研製出了用於兩流體熱交換的微通道換熱器。隨著微製造技術的發展,人們已經能夠製造水力學直徑?10~1 000μm通道所構成的微尺寸換熱器。1986年Cross和Ramshaw研製了印刷電路微尺寸換熱器,體積換熱係數達到7MW/(m3·K)；1994年Friedrich和Kang研製的微尺度換熱器體積換熱係數達45MW/(m3·K)；2001年,Jiang等提出了微熱管冷卻系統的概念,該微冷卻系統實際上是一個微散熱系統,由電子動力泵、微冷凝器、微熱管組成。如果用微壓縮冷凝系統替代微冷凝器,可實現主動冷卻,支持高密度熱量電子器件的高速運行。

國內市場最先將微通道技術產業化的是汽車空調行業。由於傳統的氟利昂系列製冷劑對臭氧層具有較強的破壞作用,已被《蒙特婁議定書》禁止。R134a作為一種過渡型替代品,由於其溫室效應指數很高(約為CO2的1 300倍),也被《京都議定書》所否定。CO2在蒸發潛熱、比熱容、動力黏度等物理性質上具有優勢,若採用合適的製冷循環,CO2在熱力特性上可與傳統製冷劑相當,甚至在某些方面更具優勢。但是CO2製冷循環為超臨界循環,壓力很高,在空調系統中高壓工作壓力要到13MPa以上,設計壓力要達到42.5MPa,這對壓縮機和換熱器的耐壓性均提出了很高的要求。在結構輕量化和小型化的前提下,微通道氣體冷卻器是同時滿足耐壓性、耐久性和系統安全性的必然選擇。

類型材料加工方式

類型

微通道換熱器按外形尺寸可分為微型微通道換熱器和大尺度微通道換熱器。

微型微通道換熱器是為了滿足電子工業發展的需要而設計的一類結構緊湊、輕巧、高效的換熱器,其結構形式有平板錯流式微型換熱器、燒結網式多孔微型換熱器。

大尺度微通道換熱器主要套用於傳統的工業製冷、餘熱利用、汽車空調、家用空調、熱泵熱水器等。其結構形式有平行流管式散熱器和三維錯流式散熱器。由於外型尺寸較大(達1.2m×4m×25.4mm[13]),微通道水力學直徑在0.6~1mm以下,故稱為大尺度微通道換熱器。

材料

微型微通道換熱器可選用的材料有:聚甲基丙烯酸甲酯、鎳、銅、不鏽鋼、陶瓷、矽、Si3N4和鋁等。採用鎳材料的微通道換熱器,單位體積的傳熱性能比相應聚合體材料的換熱器高5倍多,單位質量的傳熱性能也提高了50%。

採用銅材料,可將金屬板材加工成小而光滑的流體通道,且可精確控制翅片尺寸和平板厚度,達到幾十微米級,經釺焊形成平板錯流式結構,傳熱係數可達45MW/(m3·K),是傳統緊湊式換熱器的20倍。

採用矽、Si3N4等材料可製造結構更為複雜的多層結構,通過各向異性的蝕刻過程可完成加工新型換熱器,使用夾層和堆砌技術可製造出各種結構和尺寸,如通道為角錐結構的換熱器。

大尺度微通道換熱器形成微通道規模化的生產技術主要是受擠壓技術,受壓力加工技術所限,可選用的材料也極為有限,主要為鋁及鋁合金

加工方式

隨著微加工技術的提高,目前可以加工出流道深度範圍為幾微米至幾百微米的高效微型換熱器。此類微加工技術包括:平板印刷術、化學刻蝕技術、光刻電鑄注塑技術(LIGA)、鑽石切削技術、線切割及離子束加工技術等。燒結網式多孔微型換熱器採用粉末冶金方式製作。大尺度下微通道的加工與微尺度下微通道的加工方式顯著不同,前者需要更高效的加工製造技術。

套用前景及優勢

微電子等領域套用

微電子領域遵循摩爾定律飛速發展,伴隨電晶體集成度的不斷提高,高速電子器件的熱密度已達5~10MW/m2,散熱已經成為其發展的主要“瓶頸”,微通道換熱器取代傳統換熱裝置已成必然趨勢。因此在嵌入式技術及高性能運算依賴程度較高的航空航天、現代醫療、化學生物工程等諸多領域,微通道換熱器將有具廣闊的套用前景。

空調及熱水器套用

隨著微通道換熱技術的逐漸成熟，汽車空調行業和家用空調行業（如美的）已經開始生產相關產品。而可喜的是，當下炙手可熱的空氣能熱水器行業也已經開始進軍微通道領域。2012年，被譽為“空氣能創造者”的廣東同益電器有限公司研發出微循環熱泵機組。宣告了“微通道”技術成功套用到空氣能行業，標誌著空氣能熱水器行業進入“微通道”時代。

套用優勢

①節能。節能是當今空調器的一項重要指標。常規換熱器很難製造出高等級如Ⅰ級能效標準的產品,微通道換熱器將是解決該問題的最佳選擇。

②換熱性能突出。在家用空調方面,當流道尺寸小於3mm時,氣液兩相流動與相變傳熱規律將不同於常規較大尺寸,通道越小,這種尺寸效應越明顯。當管內徑小到0.5~1mm時,對流換熱係數可增大50%~100%。將這種強化傳熱技術用於空調換熱器,適當改變換熱器結構、工藝及空氣側的強化傳熱措施,預計可有效增強空調換熱器的傳熱、提高其節能水平。

③推廣潛力。微通道換熱器技術在空調製造領域還有向空氣能熱水器推廣的潛力,可以極大提升產品的競爭力和企業的可持續發展能力。

與常規換熱器相比,微通道換熱器不僅體積小換熱係數大,換熱效率高,可滿足更高的能效標準,而且具有優良的耐壓性能,可以CO2為工質製冷,符合環保要求,已引起國內外學術界和工業界的廣泛關注。目前,微通道換熱器的關鍵技術—微通道平行流管的生產方法在國內已漸趨成熟,使得微通道換熱器的規模化使用成為可能。