微通道换热器-why

微通道换热器综述

1 前言

换热器工质通过的水力学直径从管片式的φ10-50mm，板式的φ3-10mm，不

μ，这既是现代微电子机械快断发展到小通道的φ0.6-2mm，微通道的φ10-600m

速发展对传热的现实需求，也是微通道具有的优良传热特性使然。微通道技术同时触发了传统工业制冷、汽车空调、家用空调等领域提高效率、降低排放的技术革新。

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μ通道所构成的微尺寸换热器。1986年，Cross和Ramshaw研直径φ10-1000m

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。在汽车空调方面，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1300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。目前欧盟已做好准备，将于2011年全面使用CO2工质的汽车空调系统。

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φ0.5-1mm 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。与最高效的常规换热器相比，空调器的微通道换热效率可望提高20%-30%。在这方面，全球几大散热器生产厂家如Delphi、Aluventa 和Danfoss等已经开始将微通道散热器推广应用于家用空调如多联机、户式中央空调，这将使产品拥有巨大的竞争力。我国阳江宝马利、江苏康泰也在紧跟全球换热器发展步伐，已开发出多种微通道家用空调散热器[1]。

20世纪50年代末，著名的物理学家Richard Feynman曾预言微型化是未来科学技术的发展方向。换热器作为化工过程机械的典型产品，是工艺过程中必不可少的单元设备，广泛地应用于石油、化工、动力、核能、冶金、船舶、交通、制冷、食品及制药等工业部门及国防工程中。其材料及动力消耗占整个工艺设备的30%左右，在化工机械生产中占有重要的地位。如何提高换热器的紧凑度，以达到在单位体积上传递更多的热量，一直是换热器研究和发展应用的目标。器件装置微型化(Miniaturization)的强大发展趋势推动了微电子技术的迅猛发展和MEMS(micro—electro—mechanical system)技术的不断进步，也推动了更加高效、更加小型化的微通道换热器(micro- channel heat exchanger)的诞生。

所谓微通道换热器是一种借助特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行热传递的三维结构单元。当前关于微通道换热器的确切定义，比较通行、直观的分类是由Mehendale.s.s提出的按其水力当量直径的尺寸来划分。通常含有将水力当量直径小于1mm换热器称为微通道换热器。早在二十世纪八十年代，美国学者Tuckerman和Pease报道了一种微通道(Micro- channel)换热结构。该结构有高导热系数的材料(如硅)构成，其换热过程为在底面加上的热量经过通道壁传至通道内，其换热性能得到超过传统换热手段所能达到的水平，成功地解决了集成电路大规模和超大规模化所带来的“热障”问题。随后Wu和Little、Pfahler等、Choi 等都对通道中的单相流进行了分析和研究。用于两种流体热交换的微通道换热器于1985年由Swift研制出来，研究表明，其微通道换热器的单位体积换热量可高达几十MW/(m2·K)。美国太平洋西北国家研究所(Pacific North—west National Lab)于90年代后期研制成功燃烧/气化一体化的微型装置以及微型热泵等。卡尔斯鲁研究中心(Forschungszentrum Karlsruhe GrabH)也在利用经过成型工具超精细车削加工的器件，将其彼此连接形成错流和逆流的微换热器[2]。

2 微通道换热器的类型、材料及加工方式

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。

2.1 微型微通道换热器

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。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。随着微加工技术的提高，目前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。

2.2 大尺度微通道换热器

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1.2 mx4 mx25.4 mm)，微通道水力学直径在 0. 6- 1 mm以下，故称为大尺度微通道换热器。微通道结构经历了从二维到三维的发展。常规微管道( 阵列式)，包括圆形、矩形、V形、梯形、双梯形等的截面形状以及目前的一种基于热边界层中断技术的交错结构，大多属于准二维的直线形微管道。微通道内流量分配不均、微通道分布均匀性差、局部散热不佳成为二维微通道面临的难题。三维结构(分形网络)的微通道正是在这种背景下发展起来的。常见的有树状分形结构、双层树状网络、T形树状分形流体网络、仿哺乳动物呼吸系统树状分形微管道结构和仿蜂巢结构的分形网络。

三维微通道的加工制造技术：

(1) 光刻电镀( LIGA) 技术：1986年由德国W.Ehrfeld发明，等利用高能加速器产生的同步辐射x射线刻蚀、结合电铸成形和塑料铸模技术发展出的LIGA工艺。控制光刻时的照射深度，亦即使用部分透光的掩模，在曝光同一时刻光刻胶

在不同处的曝光深度不同，从而获得的光刻模型可以有不同的高度，从而获得真正的三维为立体微型器件。

(2) 准分子激光微细加工技术：准分子激光处于远紫外波段，波长短、光子能量大，可以击断高聚物材料的部分化学键而实现化学“冷加工”。利用准分子激光的掩膜投影直刻技术能获得大深宽比的微结构、加工面宽、成本低、可实现批量生产；利用聚焦激光束光栅扫描刻蚀技术能实现连续三维结构的加工。

(3) 双光子聚合(TPP)加工技术：是通过光敏剂中的非线性双光子吸收过程所引发的聚合反应，采用多重断面分层叠加的方法进行加工，各断面的扫描数据从三维CAD数据中得到。在聚合反应后，没有固化的液态树脂，其采用在树脂上浇注类似于酒精之类溶剂的方法去除，从而显露出聚合的三维微结构。

随着加工制造技术的发展，目前已实现了一些复杂的机械表面。但从当前国际微型机械产品的生产来看，三维复杂微成形在技术上仍未得到很好的解决，正在积极开发新型的、更有效的微加工和微成形技术。

3 微通道中流体的传热特征

微通道对流换热不同于宏观( 指尺寸>1mm) 通道换热的机理。受通道形状、壁面粗糙度、流体品质、表面过热量、分子平均自由程与通道尺寸之比等众多因素的影响，微通道换热呈现出一些特殊的特点。

3.1 换热效率随热导率的变化趋势

根据径向热阻和器壁轴向热传导的影响，换热器效率随热导率的变化可分为3个区域：低热导率时，随热导率的增加，径向热阻的影响逐渐减弱，换热器效率增大，该区域可称为热阻控制区；热导率增加到一定程度时，换热器效率随热导率增加的趋势逐渐减弱，增至最大值后开始逐渐减小，称为高效换热区；热导率进一步增加时，器壁轴向导热对换热过程的影响逐渐增强，换热器效率随之减小，并逐渐趋近于器壁完全等温时的换热效率50%，称为热传导控制区。

3.2 流量对于换热效率的影响

在低介质流量时，金属换热器的换热效率随介质流量的变化存在一个最大值，亦即对于确定结构的换热器而言，存在一个最佳的操作流量值。并且，在相同的流量偏差下，系统效率在亚负荷操作时，效率降低幅度要比在超负荷操作时大得，因此，在一定范围内，金属微通道换热器可超负荷运行，不宜在亚负荷状

态下操作，这点与常规尺度换热器系统有明显的区别。在高介质流量时，器壁轴向导热对换热效率的影响逐渐减弱。随介质流量的增加，换热效率逐渐减小。

3.3 微通道加工材质的选择

在低介质流量时，热阻控制区为低热导率区。因此低热导率材料换热器(如玻璃) 的换热效率要明显高于诸如金属等具高热导率的换热器。在高介质流量时，对于结构参数一定的换热器，随操作流量的增加，导热热阻对换热效率的影响逐渐增强，高效换热区也向高热导率方向移动，换热器材料可用热导率相对较低的金属材料(如不锈钢)。Bier等对错流式微通道换热器内气-气换热特性进行了数值分析和实验研究，结果表明，不锈钢微通道换热器的换热效率高于铜微换器。

3.4 临界热流密度

对于有相变的换热，微通道中的临界热流密度现象不同于常规通道。微通道中临界热流密度的产生是由于微通道的蒸汽阻塞。在达到临界热流密度之前，微通道的流动和传热主要是周期性的过冷流动沸腾，从微通道逸出的汽泡和进入微通道的液体反复交替冲刷微通道。一旦达到临界热流密度，微通道中的流动和传热主要是一个蒸汽周期性逸出的过程。一直持续到过热蒸汽的出现，直到最后整个微通道被过热蒸汽阻塞。

4 微通道换热实验研究

2004西安电子科技大学的王卫东[3]等人提出了一种用来测试微通道换热性能的实验装置，该实验装置由微通道换热器、模拟热源、微型水泵、连接管、测试三通及其它测试原件构成。通过检测温度、压力及流量等参数能够得到微通道的传热和摩阻系数。并针对该实验装置对微通道中流体的压降和传热分别进行分析和研究。实验表明，当做通道水力直径为381um时，宏观理论公式已不适用于微通道摩阻及其换热的计算。此时，微通道的摩阻比宏观理论计算值小31.6% -41.9%；微通道结构具有良好的换热性能，其Nu可达9.2。

2008年周子成[4]研究了微通道换热器的压力损失和传热系数的确定，以及在中央空调单元式机组中替代铜管铝箔风冷冷凝器所做的试验，结果表明，在换热量相接近的情况下，冷凝器迎风面积由1.22㎡减小到0.352㎡，材料质量由铜材10kg和铝材3.5kg减小到铜材0kg铝材2.7kg。由于微通道换热器的热系数小、体积

小、重量轻和不使用铜材等优点，使它的应用范围渐渐扩展到家用空调和中央空调领域。是一种很有发展前途的换热器。

5 微通道换热器的应用前景

5.1 微通道换热器在CO2 制冷方面的应用

随着我国汽车工业的发展，汽车空调逐渐普及并成为国产汽车的标准配件，市场空间巨大。基于环保要求，环境友好型工质CO2的应用引起学术界和工业界的高度重视。与R134a和R1234yf 相比，CO2的低温室效应指数( GWP =1)、破坏臭氧潜能值低(ODP= 0)、不可燃性、无毒以及稳定的化学性质都具明显优势。CO2的蒸发潜热较大，单位容积制冷量相当高，故压缩机及部件尺寸较小，但CO2排热与吸热过程在跨临界状态下进行，要求以其为工质的换热器有较高的耐压能力。欧洲制冷界经过8年的摸索后发现，在现有的换热器中，微通道换热器具有最好的综合效率。美国伊利诺斯大学制冷空调中心制造的使用微通道换热器的汽车空调样机的性能已达到甚至超过了参照的R134a系统。微通道换热器在空调器中的应用具有如下优势[5]：

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、成本。与常规换热器不同，微通道换热器不依靠增加材料消耗提高换热效率，在达到一定生产规模时将具有成本优势。

3、推广潜力。微通道换热器技术在空调制造领域还有向大型商用空调系统推广的潜力，可以极大提升产品的竞争力和企业的可持续发展能力。

5.2微通道换热器在微电子等领域的应用

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[6]。

6 结束语

微通道换热器以其高效的传热性能、较强的抗腐蚀性、紧凑的结构及价格上

的优势正逐步应用于商业、家用制冷空调领域。随着我国在钎焊领域的投入, 统一的行业标准形成及蒸发器、热泵关键技术问题的解决, 微通道换热器必将得到广泛的使用。

参考文献

[1] 钟毅，尹建成，潘晟旻.微通道换热器研究进展[J]. 制冷与空调，2009(05)

[2] 苏尚美，张亚男，成方园，侯雪梅. 微通道换热器的特性分析及其应用前景[J]. 区域供热，2007(05).

[3] 王卫东，贾建援，王洪喜. 微通道换热实验装置的设计与实验研究[A].2004全国测控、计量与仪器仪表学术年会论文集[C].，2004.

[4] 周子成.微通道换热器[A].第九届全国空调器、电冰箱（柜）及压缩机学术交流会论文集[C].2009.

[5] 丁汉新，王利，任能.微通道换热器及其在制冷空调领域的应用前景[J]. 制冷与空调，2011(04)

[6] 任能.微通道换热器在制冷空调行业应用进展综述[A].中国制冷学会2009年学术年会论文集[C].2009.