CN101589287A - 热交换器单元 - Google Patents

Abstract

根据本发明，提供一种热交换器单元，在基体上具有由金属构成的表面处理部，表面处理部与为液体致冷剂而提供的流动路径相接触，其中，液体致冷剂是具有比水的表面张力更小的表面张力的液体，并且表面处理部具有多孔结构，其中，多个凹进部被提供在其流动路径侧上，每个凹进部具有引入路径和腔部，所述引入路径具有从凹进部的入口逐渐减小的横截面区，所述腔部与所述引入路径相连通，同时将弯曲部放置在其间，并且在弯曲部和流动路径之间的最短距离大于腔部和流动路径之间的最短距离。

Description

热交换器单元

技术领域

[0001]本发明涉及一种半导体热交换器单元，并且更具体而言，涉及利用沸腾现象的半导体热交换器单元。

背景技术

[0002]为了传导由半导体器件生成的大量热，提出了一种方法，即，基于在不高于半导体器件的操作的上限温度的温度处能够沸腾的致冷剂的汽化的潜热而获得高水平的冷却效果。近年来，研究已经集中在沸腾表面的表面状态和致冷剂的热物理性能的影响，其决定所生成的蒸汽泡的尺寸和密度，旨在稳定和优化通过致冷剂的沸腾而获得的热传导效果。

[0003]已经公知的是，通过在平板的表面上形成几微米或更小的不规则物，在平板上的池式沸腾中，热传导特性可以被改善。第一可能的原因是微小的突起，以及凹口有助于增加热辐射表面和致冷剂之间的接触面积。

[0004]第二可能的原因是平板的微结构有助于汽化的核的形成，其是沸腾泡的初始阶段。

[0005]专利文献1描述纳米级的表面不规则物的形成。该文献描述了相对于具有小表面张力的致冷剂，“大于”几微米的任何表面结构会“更不易于确保有效的起泡核”。然而，如通过文献等所教导的，从对简单的微小凹口的理论验证已经知道的是，相对于起泡点的最小直径，致冷剂的物理性能是重要的参数，但是相对于起泡点的最大直径，在传导表面附近的超过沸腾点而被过度加热的液体层的厚度是主要的。这是因为，在沸腾泡的生长的过程中，一旦构成泡的蒸汽与还没有过度加热的蒸汽相接触，生长泡所必需的蒸汽的供应会被抑制。

[0006]微结构的更理想的几何形状可以是，即使在长大的泡从表面脱离之后，也允许核停留在热辐射表面上，以便促进接下来的泡的生长，并且即使当它们与液体相接触时，被冷却到略微低于沸腾点的温度，作为泡的脱离的结果而流进那里，也可以是诸如通过凝缩来避免核的消失。

[0007]如在非专利文献1中所说明的是，用于吸收这种理想几何形状的任何传统努力导致在整个表面几何形状上加厚(100μm到1mm或更厚)，并且在获得凹进部的理想几何形状方面的任何努力都失败了。

[0008]与更小的结构相比，几百微米到大约1mm的厚度和凹进部可以导致更高的热阻抗，并且当使用具有比水的表面张力更小的表面张力的致冷剂时，蒸汽核的保持性能会发生问题。

[0009]此外，尽管在非专利文献1中所示出的几何形状没有被给定尺度，但是在实际结构中的开口的尺寸等可以变化，使得非常容易推断出，根据致冷剂的物理性能，这会引起负面效果。

[0010]虽然已经试验了各种微结构，但是还没有发明成功地提供通过相对于实际的致冷剂来最优化理想的双入口结构而获得的表面几何形状。也还没有做出如下所述的发明，即，具有结合在非专利文献1中描述的理想结构的表面处理的热交换器单元，被设置成与液体致冷剂的流动路径相接触，以便相对于致冷剂的物理性能来最优化。

[0011]已经被广泛知道的是，通过沸腾来加强热传导的效果，但是实际可获得的效果程度会受到在沸腾过程中生成的泡的密度、脱离的频率以及在脱离过程中的泡的尺寸的影响，并且也会主要受到沸腾表面的表面状态的影响，这被认为是控制这些参数的重要因素。在表面状态上做出了各种试验，因为热阻抗会随着表面的厚度的增加而增加，所以仅没有得到理想的几何形状。

[0012]用于沸腾的理想表面状态可以是诸如促进蒸汽泡的生成和允许其生长，其中，提供泡的生长源的“核”的保持是必不可少的。核是微小的蒸汽泡，并且即使在长大的泡从那里脱离之后，也保持在表面上，以便有利于接下来的泡的生长。因此，表面几何形状可以有利于具有能够保持微小的泡的结构。为了稳定保持核，首先必需的是，即使致冷剂的表面张力小于水的表面张力，用于保持核的结构也使致冷剂只在其中难以流动。其次，必需的是，即使蒸汽泡与流到核附近的液体相接触，同时被冷却到沸腾点以下，在脱离的过程中该结构也不会引起蒸汽泡的凝缩。目前大部分表面是在结构方面没有被理想化，并且因此在一些例外借助于微结构而表现出热传导的效果的情况下，核也远没有被最优化。

[0013]图9示出其中具有小表面张力的致冷剂被用于具有V形凹口的热传导表面的示例性情形，如在专利文献1中所述。理论上，可以假设具有向液体22侧凹入的外形的气体-液体界面可以具有大曲率半径，由此促进了核的脱离，并且会使蒸汽泡的保持不稳定。另一方面，图10示出其中诸如水的具有大表面张力的致冷剂被用于相同的热传导表面上的示例性情形。在这种情况下，向液体侧凹入的气体-液体界面的曲率半径变得更小。因此，从上面可以理解的是，气体-液体界面的曲率半径通过三相即气相、液相和固相的接触点的角度(在图9和图10中的表示液体侧的角度的附图标记20和21)来确定，并且用于具有小表面张力的致冷剂的V形结构的使用会导致蒸汽核的保持的不良效果。

[0014][专利文献1]日本特开专利公布No.2002-228389(p.3-4，图2)。

[非专利文献1]液-汽相改变现象(p.330，图8.14)。

发明内容

[0015]根据本发明，提供了一种热交换器单元，在基体上具有由金属构成的表面处理部，表面处理部与为液体致冷剂提供的流动路径相接触，其中，液体致冷剂是具有比水的表面张力更小的表面张力的液体，并且表面处理部具有多孔结构，其中多个凹进部被提供在其流动路径侧，每个凹进部具有引入路径和腔部，所述引入路径具有从凹进部的入口逐渐减小的横截面区，以及与引入路径连通同时将弯曲部放置在其间的腔部，以及在弯曲部和流动路径之间的最短距离大于腔部和流动路径之间的最短距离。

[0016]考虑到产生关于其中采用具有比水的表面张力更小的表面张力的致冷剂的情形所期望的效果，凹进部可优选地具有1μm到10μm的孔尺寸。

[0017]另外，液体致冷剂可以可优选地是有机致冷剂，并且有机致冷剂可以可优选地是氢氟醚或含氟惰性液体。

[0018]热交换器单元可以可优选地被构造为具有表面处理部，沿着作为强制对流沸腾致冷剂型冷却单元的微沟道型的流动路径。

[0019]根据本发明，对于具有比水的表面张力更小的表面张力的液体致冷剂而言，通过对于该液体制冷剂的流动路径提供具有多入口结构的表面处理部，可以促进沸腾泡的生成。

[0020]根据本发明，通过将本发明的表面处理部应用到其他类型的沸腾致冷剂型冷却单元，可以以统一的方式来解决可归因于泡的生成的各种问题。

[0021]下面将讨论具有带有腔部的结构的表面状态。图1示出下述的状态，即，具有比水的表面张力更小的表面张力的液体流过具有简单入口结构的引入路径2进入到腔部3中。通过腔部3的上壁表面的方向，与在V形凹口中可获得的曲率半径相比，在此获得的气体-液体界面4的曲率半径明显更接近于在更大表面张力下可获得的曲率半径。对于具有比水的表面张力更小的表面张力的致冷剂不易流入的凹进部结构而言，其可以是具有双入口结构的凹进部结构。

[0022]图2示出简单的双入口结构。准备经过进入路径2的具有比水的表面张力更小的表面张力的液体1在腔部3的上部的壁面上缓慢移动并且进入凹进部，其中腔部3表现出对液体的进一步侵入的抵抗性，同时，根据凹进部的壁表面的结构，使气体-液体界面5的曲率半径向蒸汽侧凹进部。以前制造的表面几何形状没有一个具有如此的双入口结构。

[0023]可以不总是必需，实际的微结构完全与在图2中所示的相同，其中，依靠双入口结构允许泡的稳定的存在的状态，以及基于作为宏观结果的沸腾，在整个热传导表面上均匀提供结构可以有助于提高和最优化热传导效果。具有小表面张力的致冷剂的蒸汽泡可以进一步地在脱离的过程中使它们自己的尺寸减小，使得由于提高尺寸减小，所以将凹进部结构微小化成大约几微米可以是有效的。结果，可以期望沸腾在更接近沸点的温度处开始。

附图说明

[0024]图1是示出其中具有比水的表面张力更小的表面张力的致冷剂进入腔部的示例性情形的示意图。

图2示出具有双入口的凹进部，并且甚至相对于具有具有小表面张力的致冷剂也表现出对侵入的大抵抗性。

图3示出具有多入口结构的多孔铜镀敷。

图4示出在沸腾过程中的泡半径与周围液体温度之间的关系。

图5示出作为本发明的一个示例的沸腾致冷剂型冷却单元。

图6示出作为本发明的一个示例的用于池式沸腾的热传导表面，对其中心处的表面选择性地处理。

图7是示出作为本发明的一个示例的平行直管微流动路径的立体图。

图8示出作为本发明的一个示例的利用在垂直平板上的沸腾的热虹吸管型沸腾致冷剂热交换器。

图9示出通过在V形凹口中具有小表面张力的液体可获得的气体-液体界面的三相接触角和曲率半径。

图10示出通过在V形凹口中具有大表面张力的液体可获得的气体-液体界面的三相接触角和曲率半径。

具体实施方式

[0025]接下来，将参考附图详细来描述本发明的示例性实施例。

[0026]图3示出当观察多孔铜镀敷的表面时获得的电子显微照片。镀的材料其特征在于，可以可优选地是大热导率的铜，或可以是镍。

[0027]根据对在平坦表面上形成的镀敷表面的顶部观察的结果发现，形成了最大大约10μm的微凹进部。均匀布置的这些凹进部在内部彼此连通，并且有助于使沸腾现象均匀。在肋片(rib)上，形成无数的不同尺寸的微凹进部。已经证实的是，通过将这些微凹进部布置成包围较大的凹进部，凹进部越小，就更早地帮助核的生长，并且使沸腾在更接近沸点的温度处开始。

[0028]通过制造能够保持大量引起沸腾泡生长的蒸汽核的热传导表面，本发明改善了沸腾致冷剂型冷却单元的可靠性，并且由此使泡的生成在空间和时间上都是均匀的。本发明的热交换器的特征在于将具有1μm或更大并且10μm或更小的孔尺寸的多入口结构的多孔处理表面提供给用作致冷剂的沸腾表面的壁表面。

[0029]在此，1μm的最小孔尺寸通过将起泡可能变得活跃的点的并且通过基于简单的凹口模型的理论计算获得的孔尺寸与基于蒸汽泡的生长模型而获得的孔尺寸进行比较来确定。能够活跃地生成蒸汽泡的最小孔尺寸(r^*)可以通过下面的在液-汽相改变现象p.183中描述的等式(1)而获得。

[0030]

$r^{*}=\frac{2\mathrm{\σ}{T}_{\mathrm{sat}}{V}_{1V}}{h_{1V}[T_l-T_{\mathrm{sat}}]}---\left(1\right)$

在该等式中，σ表示表面张力，T_sat表示饱和温度，V_1V表示在蒸汽和液体之间的比体积的差，并且h_1V表示汽化的潜热，它们都是致冷剂的物理性能值。T_l表示在泡附近的液体温度，并且指示更大程度的过度加热(T_l-T_sat)激活较小的孔尺寸的凹口。然而，已经预测的是，由于表面张力的分子相关性质，诸如有机致冷剂的具有较小值的表面张力σ的致冷剂可以在较小的表面结构上变得更活跃，与在专利文献1中给的讨论相反。根据等式(1)，当给定致冷剂时，基于环境温度(T_l)和致冷剂的饱和温度(T_sat)之间的差(ΔT)来自动地确定孔尺寸。图4参考利用具有小表面张力的有机致冷剂的示例性情形，通过实线示出r^*和ΔT之间的关系。预测的是，如果在曲线图中孔尺寸R(μm)落在实线以上的区域中，使用给定的差，起泡可以变得活跃。

[0031]另一方面，沸腾泡的活跃的生长需要用于引起生长的核，使得被假设为对核的生成是有效的孔尺寸还可以从泡的生长过程的观点来确定。蒸汽泡的生长过程一般可以被划分成：第一阶段，允许被称为晶胚的非成熟泡的形成，并且然后，基于内部压力和外部压力的差使泡立即生长；以及随后的第二阶段，使非成熟泡在气体-液体界面处生长，同时通过热传导而被促进。在第二阶段，泡刚好对应于供应的能量而生长，并且长大的泡通过它们扩大的表面区域，通过吸收能量来进一步生长。另一方面，在第一阶段中，足以使生长能够将周围的液体推开所需的压力的积累必需在泡的生长之前，使得能量的积累不会直接导致核尺寸的增加。因为这个原因，能由表面结构包围的蒸汽核的理想尺寸可以等于在第一阶段和第二阶段之间瞬间可获得的直径(r_trans)。如在图4中的虚线所指示的，瞬间可获得的直径可以通过考虑能量平来确定。在孔尺寸R(μm)位于虚线上方时，泡能够根据向由表面结构包围的蒸汽泡进行的热能量传导来生长。

[0032]换句话，可以说，从在图4中的实线和虚线之间的比较，在虚线上方的区域可以对应于协助泡的生长的第一阶段的结构，而在实线上方的区域可以对应于协助第二阶段和脱离的结构。因为两个区域对于通过沸腾获得热传导效果的目的都是必要的，所以属于两条线上方的区域的表面结构可以是理想的。因为周围液体的温度可以根据操作的状态而变化，并且因为考虑在两条线交叉的点处的孔尺寸、具有小表面张力的有机致冷剂的物理性能以及引起热阻抗的并且必须被抑制的处理表面的厚度可能是必要的，所以可能最佳的是在从1μm到10μm的范围内调整孔尺寸。在此可采用的有机致冷剂可以以氢氟醚或含氟惰性液体为示例。

[0033]从本发明的表面处理部，大量的泡可以在沸腾的过程中产生。因此以高水平保持对热传导表面供应液体的状态是必要的，使得可已通过强制对流而有效率地将泡从热传导表面排除的沸腾致冷剂型冷却的模式可以被认为是最佳的。

[示例]

[0034]下面将说明本发明的提供有表面处理部的热交换器单元。

(示例1)

如在图5中所示，制造提供有用于致冷剂的流动路径12的热交换器单元，所述热交换器单元被形成为使致冷剂通过提供有表面处理部的平板7。热交换器单元具有加热元件6和在加热元件6上提供的热交换器块10。热交换器块10具有热交换器上部支架11和处理表面7。热交换器上部支架11提供有入口8和出口9，使液体致冷剂分别从那里进入和排出。在热交换器块10中内部，提供流动路径12，使液体致冷剂的循环通过其中。因为流动路径12被提供成使致冷剂在处理表面7上经过，所以致冷剂的流速可以被改变，使得可以避免可归因于大量泡的生成的诸如变干的不利效果。

[0035](示例2)

提供有表面处理部的热传导表面可以在池式沸腾下被使用，同时需要能够避免变干的模式。一个可能的方法可以是诸如选择性地提供表面处理部14，而不是在热传导表面13的整个表面上提供它。例如，如在图6中所示，表面处理部14可以仅提供在热传导表面13的中心周围，以便引起自然对流。

[0036]在平板上的对流单体的数目是瑞利-贝纳德(Rayleigh-Benard)对流的问题，并且由致冷剂的深度与下表面的面积的函数关系来确定。在该示例中，通过在利用对流单体的同时选择性地提供表面处理部14，在脱离之后，沸腾泡可以立即有效率地从热传导表面分离，并且因此液体可以被供应到热传导表面13。

[0037](示例3)

在强制对流沸腾致冷剂型冷却单元中，本发明的表面处理部还可以被用于具有通常被称为微沟道的热传导部，旨在通过形成微小流动路径而实现热传导效果(图7)。微沟道将流动路径的宽度限制为与沸腾泡的尺寸一样小或以下，以便极大地扩展热传导表面和致冷剂之间的接触面积。结果，根据致冷剂和流动的条件，泡可以停滞，并且因此，流动会在流动路径间不平衡。

[0038]通过提供本发明的表面处理，沸腾泡可以在流动路径中被均匀地生成，并且因此当它们从热传导表面脱离时，可以减小尺寸。因为小的泡不易停滞，所以如果可以避免泡的停滞，则流动可以更加容易地在流动路径间平衡。

[0039]通过进一步地提供用于接收热和允许沸腾以垂直方向在其上进行的表面，为了使在具有微厚度的空间中产生的蒸汽泡17以利用浮力上升，在提供表面处理部14处，可以成功地产生上升流(图8)。通过对热交换器的顶部的外部提供诸如鳍状物15的热辐射结构，以便将热辐射向周围的空气，可以凝结在热交换器内产生的蒸汽。凝结的液体致冷剂通过在那里没有提供表面处理部的主加热器单元旁边提供的部分，并且凝结的液体致冷剂被提供给热交换器的下部。在图8中，附图标记16表示气体-液体界面，附图标记18表示蒸汽泡17的流动，并且附图标记19表示液体的流动。

[0040]这是基于热虹吸管的原理的当前可用的结构，但是通过根据表面处理部14的存在或不存在而导致生成的蒸汽泡的显著差异，能够引起更快的并且几乎强制的自然对流，由此可以更加容易地获得热传导效果。

[0041]本发明的应用可以以需要热传导效果大于通过自然空气冷却可获得的热传导效果、用于诸如CPU的半导体的冷却单元为示例。

Claims (4)

1.一种热交换器单元，其在基体之上具有由金属构成的表面处理部，所述表面处理部被使得与为液体致冷剂而提供的流动路径相接触，

其中，所述液体致冷剂是具有比水的表面张力更小的表面张力的液体，以及

所述表面处理部具有多孔结构，其中，多个凹进部被提供在所述表面处理部的流动路径侧上，

每个凹进部具有引入路径和腔部，所述引入路径具有从所述凹进部的入口逐渐减小的横截面区，所述腔部在与所述引入路径之间设置有弯曲部的同时而与所述引入路径连通，以及

在所述弯曲部和所述流动路径之间的最短距离大于所述腔部和所述流动路径之间的最短距离。

2.根据权利要求1所述的热交换器单元，

其中所述液体致冷剂是有机致冷剂，并且所述有机致冷剂是氢氟醚或含氟惰性液体。

3.根据权利要求1或2所述的热交换器单元，

其中所述凹进部具有1μm到10μm的孔尺寸。

4.根据权利要求1到3的任一项所述的热交换器单元，

进一步包括作为强制对流沸腾致冷剂型冷却单元的微沟道型的流动路径，并且沿着所述流动路径来设置所述表面处理部。

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