CN101447467B - 一种种子气泡微换热器及种子气泡微换热器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种种子气泡微换热器系统，包括待冷却的IC芯片及用于冷却该IC芯片的换热器主体，控制电路，用于为微换热器提供液体的供液回路，该供液回路连通于所述换热器主体的两端，与换热器主体电连接的脉冲电压发生器，其用于为换热器主体提供激励电压信号，连接在供液回路上的最终冷阱散热器，该最终冷阱散热器用于将供液回路吸收的热量释放到大气环境中，控制电路与所述脉冲电压发生器电连接。本发明能够最快速的触发微通道中的相变传热，彻底解决了沸腾起始点温度偏高的难题，保证了微传热系统在启动时不会过温，避免烧毁及大大延长待冷却芯片的使用寿命。

Description

一种种子气泡微换热器及种子气泡微换热器系统
技术领域
本发明涉及到换热器技术领域，尤其是一种种子气泡微换热器及种子气泡微换热器系统。
背景技术
科学技术发展到今天，在半导体、信息、生物芯片、空间技术等高科技领域取得长足进展。其发展的共同趋势是设备的微型化及多功能化。硅是半导体及信息技术的主要基底材料，已经获得广泛应用。近年来，由于微系统技术的发展，人们开始采用蚀刻方法以硅为基底材料制造微机械。微尺度换热器、微热管等就是这类技术的一类。
硅微换热器具有以下特点：(1)与其它半导体器件相兼容；(2)硅是良的热导体；(3)制造工艺成熟，可以批量生产。根据流体在微结构中是否发生相变，又分为单相微换热器及沸腾微换热器。沸腾微换热器能够去除高热流密度，因而是未来技术的发展方向。然而由于硅微换热器有别于普通金属材料的表面粗糙度及微结构(其表面粗糙度在纳米或亚微米尺度)，因而缺少有效核化穴，其沸腾起始点温度很高，使得传热芯片在启动时就可能被烧毁，或减少芯片的使用寿命。另外，芯片在运行时还可能出现流动沸腾不稳定等问题。更重要的是，到目前为之，人们还没有找到好的方法来控制沸腾传热，不同研究者的流型数据无法重复。即便是同一个研究者，也不能重复自己的流型数据。也就是说，沸腾传热具有随即性、不可重复性、非线性的特点，给沸腾传热的应用和研究带来诸多不便。对于微尺度沸腾传热如此，对于宏观尺度也如此。按常规方法，人们大多采用提高通道表面粗糙度、制备人造核化穴等方法来强化换热，但不能从根本上解决以上问题和克服沸腾传热的不足。
发明内容
本发明的目的在于现有技术硅微换热器的传热具有随即性、不可重复性、非线性的缺陷，提供一种在受热微通道中产生种子微汽泡，以便通道中的相变传热能够顺利持续进行，同时通过改变脉冲激励信号参数实现微传热控制的种子气泡微换热器及种子气泡微换热器系统。
为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种种子气泡微换热器，包括换热器主体，该换热器主体由下层硅基底和上层玻璃或硅板键合而成，在下层硅基底上蚀刻有单根或多根并联的受热微通道及与其连通的入口工质腔、出口工质腔，在所述上层玻璃或硅板上开设有流体进口和流体出口，在所述上层玻璃或硅板朝内的一面上溅射有金属或多晶硅薄膜作为微加热器，该微加热器的位置靠近入口工质腔的一侧，并与受热微通道一一对应，所述微加热器之间采用耐高温抗氧化金薄膜作为连接导线。
在上层玻璃或硅板上溅射有金属薄膜作为金属或多晶硅薄膜作为微加热器，可根据实际需要形成单个或阵列式微加热器，这样相当于形成单个种子汽泡发生器或种子汽泡发生器阵列；采用低电阻金属作为联结导线，每个微加热器的面积为平方微米量级，厚度在纳米级。
所述受热微通道的截面形状为三角形或梯形或矩形，所述入口工质腔、出口工质腔的截面形状为矩形或圆形。目前微加工所得的常用三种截面形状为三角形或梯形或矩形，本系统能适用于这些截面形状的通道且均有很好的效果。
在所述微加热器与下层硅基底之间还制备有一层二氧化钛膜。二氧化钛膜有助于提高微加热器与下层硅基底间的粘合力。
所述上层玻璃或硅板的宽度宽于所述下层硅基底。有助于上层玻璃或硅板上微加热器之间导电引线的连接。
本发明还提供了一种种子气泡微换热器系统，包括待冷却的IC芯片及用于冷却该IC芯片的换热器主体，控制电路，用于为微换热器提供液体的供液回路，该供液回路上连接有供液泵，该供液回路连通于所述换热器主体的两端，与换热器主体电连接的脉冲电压发生器，其用于为换热器主体提供激励电压信号，连接在供液回路上的最终冷阱散热器，该最终冷阱散热器用于将供液回路吸收的热量释放到大气环境中，控制电路与所述脉冲电压发生器电连接。
换热器主体的微加热器薄膜阵列采用脉冲方波信号激励，在每个方波脉冲信号的高电平期，微加热器薄膜产生一个微汽泡，其直径可在微米级；由于微加热器温度比周围固体高，Marangoni效应使得汽泡受到与主流液体运动相反的力，从而使微汽泡保持在微加热器上。当激励电压处于零电平期，微加热器温度迅速降到低温，由温度差引起的Marangoni效应消失，微汽泡在来流液体切应力的作用下，脱离微加热器并向下游运动；当它接触到微通道中的过热液体时，微汽泡在传热控制生长机制作用下长大。一系列脉冲信号施加到微加热器上，产生一系列微汽泡；改变脉冲电压信号频率，可以控制受热微通道中的流型及转换，也就控制了受热微通道中汽液两相间的非平衡性(相间温度差)。在加热壁面定热流边界条件下，改变脉冲电压频率，可以获得待冷却的IC芯片不同的温度。在待冷却的IC芯片等温边界条件下，改变脉冲电压频率，可以获得不同的传热量。在微传热系统启动阶段，只要脉冲电压能够先触发或及时触发，就可以完全消除沸腾起始点过高，彻底解决传热装置的启动问题。
在所述换热器主体上集成有温度传感器，所述控制电路与该温度传感器电连接。温度传感器的温度信号传输到控制电路，由控制电路将其与预置值比较，控制脉冲电压发生器，使其根据运行温度需求调整脉冲电压频率，达到控制传热的目的。
所述换热器主体粘贴于待冷却的IC芯片表面上，或与所述待冷却的IC芯片一体化制造。换热器主体粘贴于待冷却的IC芯片表面上可以灵活使用，对换热器拆卸安装方便；换热器主体与待冷却的IC芯片一体化制造能使IC芯片设计紧凑简洁，性能更为优越。
本发明的工作原理为：充分利用硅光滑表面这一特性，使汽泡核化在受热微通道表面被完全抑制。在受热微通道的上游设置微汽泡发生器，采用脉冲电压激励产生可控微汽泡。微汽泡在脉冲信号的高电平期核化并生长，在零电平期脱离并随主流液体向下游运动。当它与主流过热液体相接触时，就可以顺利长大。成长中的汽泡与受热微通道壁面之间存在薄液膜，因而在受热微通道中维持薄液膜蒸发的传热模式，薄液膜蒸发可以强化传热。也就是说，微汽泡发生器产生的微汽泡是微通道主流液体发生相变传热的种子汽泡。通过改变施加在微汽泡发生器(微加热器)上脉冲电压的频率，控制微通道中的流动结构(流型)、汽液两相间的非平衡性(两相间的温度差)，从而控制其传热规律。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：在常规的沸腾传热系统中，由于壁面的汽泡成核在空间和时间上完全随机，导致沸腾传热表现出随机性、不可重复性、非线性，本发明的微换热器由于汽泡核化不是发生在大面积受热微通道的壁面上，而在微加热器的表面上在可控的条件下产生，因而完全消除了相变传热的随机性、不可重复性；本发明还对复杂流动和传热进行了简化，为微传热的研究提供了一个好的手段和方法；本发明能够最快速的触发微通道中的相变传热，彻底解决了沸腾起始点温度偏高的难题，保证了微传热系统在启动时不会过温，避免烧毁及大大延长待冷却芯片的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的汽泡微换热器实施系统示意图；
图2为汽泡微换热器结构示意图；
图3为三种代表型微通道截面示意图；
附图标记说明：1、脉冲电压发生器，2、控制电路，3、温度传感器，4、换热器主体，41、耐高温抗氧化金薄膜，42、流体进口，43、上层玻璃或硅板，44、下层硅基底，45、流体出口，46、微加热器，47、入口工质腔，48、受热微通道，49、出口工质腔，5、最终冷阱散热器，6、为供液泵，7、供液回路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
请参阅图1所示，换热器主体4周围设置外部供液回路7、换热器主体4、最终冷阱散热器5、脉冲电压发生器1、控制电路2，脉冲电压发生器1与换热器主体4电连接，可为换热器主体4提供激励电压信号，在换热器主体4上集成有温度传感器3，控制电路2分别与脉冲电压发生器1和温度传感器3和电连接，温度传感器3检测换热器主体4上的温度，并将温度信号传输到控制电路2，由控制电路2将其与预置值比较，控制脉冲电压发生器，使其根据运行温度需求调整脉冲电压频率，达到控制传热的目的；换热器主体4粘贴于待冷却的芯片表面上，也可与待冷却的IC芯片一体化制造，用于冷却该待冷却的IC芯片，在换热器主体4连接有供液回路7，其用于为换热器主体4提供液体，该供液回路7上连接有最终冷阱散热器5和供液泵6，能把供液回路中吸收的热量释放到大气环境中，
请参阅图2所示，一种种子气泡微换热器，包括采用微系统加工工艺制造的换热器主体4，该换热器主体4由下层硅基底44和上层玻璃或硅板43键合而成，在下层硅基底44上蚀刻有单根或多根并联的受热微通道48及与其连通的入口工质腔47、出口工质腔49，在上层玻璃或硅板43上开设有流体进口42和流体出口45，供液回路7两端分别与该流体进口42和流体出口45连通，在上层玻璃或硅板43朝内的一面上溅射有金属(如铂)或多晶硅薄膜作为微加热器46，该微加热器46可以是单个微加热器，也可以是微加热器阵列，微加热器46的位置靠近入口工质腔47的一侧，正对着受热微通道48，并与受热微通道48一一对应，微加热器46之间采用耐高温抗氧化金薄膜41作为连接导线，上层玻璃或硅板43的宽度宽于下层硅基底44。
请参阅图3所示，受热微通道48的直径为0.01~2mm，其截面形状为三角形或梯形或矩形，入口工质腔47、出口工质腔49的截面形状为矩形或圆形。
在微加热器46与下层硅基底44之间还制备有一层二氧化钛膜。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.一种种子气泡微换热器，包括换热器主体(4)，该换热器主体(4)由下层硅基底(44)和上层玻璃或硅板(43)键合而成，在下层硅基底(44)上蚀刻有单根或多根并联的受热微通道(48)及与其连通的入口工质腔(47)、出口工质腔(49)，在所述上层玻璃或硅板(43)上开设有流体进口(42)和流体出口(45)，其特征在于：在所述上层玻璃或硅板(43)朝内的一面上溅射有金属或多晶硅薄膜作为微加热器(46)，该微加热器(46)的位置靠近入口工质腔(47)的一侧，并与受热微通道(48)一一对应，所述微加热器(46)之间采用耐高温抗氧化金薄膜(41)作为连接导线；所述受热微通道(48)的截面形状为三角形或梯形或矩形，所述入口工质腔(47)、出口工质腔(49)的截面形状为矩形或圆形；在所述微加热器(46)与下层硅基底(44)之间还制备有一层二氧化钛膜；所述上层玻璃或硅板(43)的宽度宽于所述下层硅基底(44)。
2.一种采用如权利要求1所述的种子气泡微换热器的种子气泡微换热器系统，其特征在于：包括待冷却的IC芯片及用于冷却该IC芯片的换热器主体(4)，控制电路(2)，用于为微换热器提供液体的供液回路(7)，该供液回路(7)上连接有供液泵(6)，与所述换热器主体(4)电连接的脉冲电压发生器(1)，其用于为换热器主体(4)提供激励电压信号，用于将供液回路(7)吸收的热量释放到大气环境中的最终冷阱散热器(5)，所述控制电路(2)与所述脉冲电压发生器(1)电连接。
3.如权利要求2所述的种子气泡微换热器系统，其特征在于：在所述换热器主体(4)上集成有温度传感器(3)，所述控制电路(2)与该温度传感器(3)电连接。
4.如权利要求2所述的种子气泡微换热器系统，其特征在于：所述换热器主体(4)粘贴于待冷却的IC芯片表面上，或与所述待冷却的IC芯片一体化制造。
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