微通道換熱器研究進(jìn)展
                                       鐘毅　尹建成　潘晟旻
                                             (昆明理工大學(xué))
    摘　要：從微通道換熱器的發(fā)展歷史出發(fā),介紹其制造方式、結(jié)構(gòu)和材料,重點(diǎn)介紹對(duì)微通道換熱器發(fā)展和降低成本有重要影響的全鋁微通道管材成形加工技術(shù)。對(duì)微通道傳熱的特征進(jìn)行述評(píng),從微電子微機(jī)械高效傳熱、CO2制冷減少溫室氣體排放和提高家用空調(diào)能效比幾個(gè)方面展現(xiàn)微通道換熱器的應(yīng)用前景。
    關(guān)鍵詞：微通道;換熱器;傳熱特性;壓力降;空調(diào);制冷
    換熱器工質(zhì)通過(guò)的水力學(xué)直徑從管片式的10~50mm,板式的3~10mm,不斷發(fā)展到小通道的0.6~2mm,微通道的10~600μm,這既是現(xiàn)代微電子機(jī)械快速發(fā)展對(duì)傳熱的現(xiàn)實(shí)需求,也是微通道具有的優(yōu)良傳熱特性使然。微通道技術(shù)同時(shí)觸發(fā)了傳統(tǒng)工業(yè)制冷、汽車空調(diào)、家用空調(diào)等領(lǐng)域提高效率、降低排放的技術(shù)革新。
    1　微通道換熱器的發(fā)展歷程
    微通道換熱器(見圖1[1-2])的工程背景來(lái)源于上個(gè)世紀(jì)80年代高密度電子器件的冷卻和90年代出現(xiàn)的微電子機(jī)械系統(tǒng)的傳熱問(wèn)題。1981年,Tuckerman和Pease提出了微通道散熱器的概念;1985年,Swife,Migliori和Wheatley研制出了用于兩流體熱交換的微通道換熱器。隨著微制造技術(shù)的發(fā)展,人們已經(jīng)能夠制造水力學(xué)直徑10~1 000μm通道所構(gòu)成的微尺寸換熱器。1986年Cross和Ramshaw研制了印刷電路微尺寸換熱器,體積換熱系數(shù)達(dá)到7MW/(m3·K);1994年Friedrich和Kang研制的微尺度換熱器體積換熱系數(shù)達(dá)45MW/(m3·K);2001年,Jiang等提出了微熱管冷卻系統(tǒng)的概念,該微冷卻系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)微散熱系統(tǒng),由電子動(dòng)力泵、微冷凝器、微熱管組成。如果用微壓縮冷凝系統(tǒng)替代微冷凝器,可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)冷卻,支持高密度熱量電子器件的高速運(yùn)行[3]。
    在汽車空調(diào)方面,由于傳統(tǒng)的氟利昂系列制冷劑對(duì)臭氧層具有較強(qiáng)的破壞作用,已被《蒙特利爾議定書》禁止。R134a作為一種過(guò)渡型替代品,由于其溫室效應(yīng)指數(shù)很高(約為CO2的1 300倍[4]),也被《京都議定書》所否定。CO2在蒸發(fā)潛熱、比熱容、動(dòng)力黏度等物理性質(zhì)上具有優(yōu)勢(shì)[5],若采用合適的制冷循環(huán),CO2在熱力特性上可與傳統(tǒng)制冷劑相當(dāng),甚至在某些方面更具優(yōu)勢(shì)。但是CO2制冷循環(huán)為超臨界循環(huán),壓力很高[6],在空調(diào)系統(tǒng)中高壓工作壓力要到13MPa以上,設(shè)計(jì)壓力要達(dá)到42.5MPa,這對(duì)壓縮機(jī)和換熱器的耐壓性均提出了很高的要求。在結(jié)構(gòu)輕量化和小型化的前提下,微通道氣體冷卻器是同時(shí)滿足耐壓性、耐久性和系統(tǒng)安全性的必然選擇。目前歐盟已做好準(zhǔn)備,將于2011年全面使用CO2工質(zhì)的汽車空調(diào)系統(tǒng)。

    在家用空調(diào)方面,當(dāng)流道尺寸小于3mm時(shí),氣液兩相流動(dòng)與相變傳熱規(guī)律將不同于常規(guī)較大尺寸,通道越小,這種尺寸效應(yīng)越明顯。當(dāng)管內(nèi)徑小到0.5~1mm時(shí),對(duì)流換熱系數(shù)可增大50%~100%。將這種強(qiáng)化傳熱技術(shù)用于空調(diào)換熱器,適當(dāng)改變換熱器結(jié)構(gòu)、工藝及空氣側(cè)的強(qiáng)化傳熱措施,預(yù)計(jì)可有效增強(qiáng)空調(diào)換熱器的傳熱、提高其節(jié)能水平。
    與最高效的常規(guī)換熱器相比,空調(diào)器的微通道換熱效率可望提高20%~30%[3]。在這方面,全球幾大散熱器生產(chǎn)廠家如Delphi,Aluventa和Danfoss等已經(jīng)開始將微通道散熱器推廣應(yīng)用于家用空調(diào)如多聯(lián)機(jī)、戶式中央空調(diào),這將使產(chǎn)品擁有巨大的競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)陽(yáng)江寶馬利、江蘇康泰也在緊跟全球換熱器發(fā)展步伐,已開發(fā)出多種微通道家用空調(diào)散熱器。
    2　微通道換熱器的類型、材料及加工方式
    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。
    2·1　微型微通道換熱器
    微型微通道換熱器是為了滿足電子工業(yè)發(fā)展的需要而設(shè)計(jì)的一類結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、高效的換熱器,其結(jié)構(gòu)形式有平板錯(cuò)流式微型換熱器、燒結(jié)網(wǎng)式多孔微型換熱器。
    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、不銹鋼、陶瓷、硅、Si3N4和鋁等[7]。采用鎳材料的微通道換熱器,單位體積的傳熱性能比相應(yīng)聚合體材料的換熱器高5倍多,單位質(zhì)量的傳熱性能也提高了50%[8-9]。
    采用銅材料,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(dá)到幾十微米級(jí),經(jīng)釬焊形成平板錯(cuò)流式結(jié)構(gòu),傳熱系數(shù)可達(dá)45MW/(m3·K),是傳統(tǒng)緊湊式換熱器的20倍[10]。
    采用硅、Si3N4等材料可制造結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu),通過(guò)各向異性的蝕刻過(guò)程可完成加工新型換熱器,使用夾層和堆砌技術(shù)可制造出各種結(jié)構(gòu)和尺寸,如通道為角錐結(jié)構(gòu)的換熱器[11-12]。
    隨著微加工技術(shù)的提高,目前可以加工出流道深度范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(shù)包括:平板印刷術(shù)、化學(xué)刻蝕技術(shù)、光刻電鑄注塑技術(shù)(LIGA)、鉆石切削技術(shù)、線切割及離子束加工技術(shù)等[7]。燒結(jié)網(wǎng)式多孔微型換熱器采用粉末冶金方式制作。
    2·2　大尺度微通道換熱器
    大尺度微通道換熱器主要應(yīng)用于傳統(tǒng)的工業(yè)制冷、余熱利用、汽車空調(diào)、家用空調(diào)、熱泵熱水器等。其結(jié)構(gòu)形式有平行流管式散熱器和三維錯(cuò)流式散熱器。由于外型尺寸較大(達(dá)1.2m×4m×25.4mm[13]),微通道水力學(xué)直徑在0.6~1mm以下,故稱為大尺度微通道換熱器。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制造技術(shù)。目前,形成微通道規(guī)模化的生產(chǎn)技術(shù)主要是受擠壓技術(shù),受壓力加工技術(shù)所限,可選用的材料也極為有限,主要為鋁及鋁合金,它們是1100,1197(D97),3003和3102,其成分列于表1。鋁及鋁合金微通道平行流管的主要生產(chǎn)方法列于表2。

              
    3　微通道換熱器的傳熱特征
    3.1　熱傳導(dǎo)效率
             
    式中:h為熱傳導(dǎo)效率;Nu為努賽爾數(shù);k為熱導(dǎo)率;d為通道的水力學(xué)直徑[15]。由上式可知,微通道由于其微小的水力學(xué)直徑可獲得較大的換熱效率。
    3.2　工質(zhì)流動(dòng)方式
    常規(guī)換熱器的工質(zhì)流動(dòng)方式為湍流
      
    微通道換熱器的工質(zhì)流動(dòng)方式為層流
      
    3.3　壓力降
      
    式中:Δp為壓力降;f為摩擦因子;L為流動(dòng)長(zhǎng)度;G為流量;ρ為密度[15]。微通道換熱器采用分布流動(dòng)可以提供較短的流動(dòng)長(zhǎng)度L,因此,盡管d有所減小,微通道換熱器工質(zhì)流動(dòng)的壓力損失仍可達(dá)到中等水平。
    微通道換熱器與常規(guī)換熱器熱力特征間的比較如表3所示。
           
    4　微通道換熱器的應(yīng)用前景   
    4.1　微通道換熱器在CO2制冷方面的應(yīng)用
    隨著我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展,汽車空調(diào)逐漸普及并成為國(guó)產(chǎn)汽車的標(biāo)準(zhǔn)配件,市場(chǎng)空間巨大。2001—2008年我國(guó)汽車空調(diào)壓縮機(jī)產(chǎn)量與汽車產(chǎn)量增長(zhǎng)趨勢(shì)如圖2所示(數(shù)據(jù)來(lái)源:國(guó)家統(tǒng)計(jì)局)。
    基于環(huán)保要求,環(huán)境友好型工質(zhì)CO2的應(yīng)用引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。與R134a和R1234yf相比,CO2的低溫室效應(yīng)指數(shù)(GWP=1)、破壞臭氧潛能值低(ODP=0)、不可燃性、無(wú)毒以及穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)都具明顯優(yōu)勢(shì)。CO2的蒸發(fā)潛熱較大,單位容積制冷量相當(dāng)高,故壓縮機(jī)及部件尺寸較小,但CO2排熱與吸熱過(guò)程在跨臨界狀態(tài)下進(jìn)行,要求以其為工質(zhì)的換熱器有較高的耐壓能力。歐洲制冷界經(jīng)過(guò)8年的摸索后發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)有的換熱器中,微通道換熱器具有最好的綜合效率[16]。美國(guó)伊利諾斯大學(xué)制冷空調(diào)中心制造的使用微通道換熱器的汽車空調(diào)樣機(jī)的性能已達(dá)到甚至超過(guò)了參照的R134a系統(tǒng)[17]。
    微通道換熱器在空調(diào)器中的應(yīng)用具有如下優(yōu)勢(shì):
    ①節(jié)能。節(jié)能是當(dāng)今空調(diào)器的一項(xiàng)重要指標(biāo)。常規(guī)換熱器很難制造出高等級(jí)如Ⅰ級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品,微通道換熱器將是解決該問(wèn)題的最佳選擇。
    ②成本。與常規(guī)換熱器不同,微通道換熱器不依靠增加材料消耗提高換熱效率,在達(dá)到一定生產(chǎn)規(guī)模時(shí)將具有成本優(yōu)勢(shì)。
    ③推廣潛力。微通道換熱器技術(shù)在空調(diào)制造領(lǐng)域還有向大型商用空調(diào)系統(tǒng)推廣的潛力,可以極大提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力[3]。
    4.2　微通道換熱器在微電子等領(lǐng)域的應(yīng)用
    微電子領(lǐng)域遵循摩爾定律飛速發(fā)展,伴隨晶體管集成度的不斷提高,高速電子器件的熱密度已達(dá)5~10MW/m2,散熱已經(jīng)成為其發(fā)展的主要“瓶頸”,微通道換熱器取代傳統(tǒng)換熱裝置已成必然趨勢(shì)。因此在嵌入式技術(shù)及高性能運(yùn)算依賴程度較高的航空航天、現(xiàn)代醫(yī)療、化學(xué)生物工程等諸多領(lǐng)域,微通道換熱器將有具廣闊的應(yīng)用前景。
    5·結(jié)束語(yǔ)
    與常規(guī)換熱器相比,微通道換熱器不僅體積換熱系數(shù)大,換熱效率高,可滿足更高的能效標(biāo)準(zhǔn),而且具有優(yōu)良的耐壓性能,可以CO2為工質(zhì)制冷,符合環(huán)保要求,已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前,大尺度微通道換熱器的關(guān)鍵技術(shù)———微通道平行流管的生產(chǎn)方法在國(guó)內(nèi)已漸趨成熟,使得微通道換熱器的規(guī)模化使用成為可能。
    參考文獻(xiàn)：略