CN107241887A - 一种具有交错锯齿型肋壁的微通道蒸发器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于微电子芯片散热技术领域的一种具有交错锯齿型肋壁的微通道蒸发器，该蒸发器由上层盖板、加工有交错锯齿型微通道的硅基板以及加热膜组成，硅基板上的交错锯齿型微通道之间布置有汇聚联箱。加热膜作为模拟热源加热微通道，当液相工质由进液口流入，流经交错锯齿型微通道时，在微通道内吸热发生气液相变，从而冷却硅基板；微通道肋壁上的锯齿根部形成了许多核化凹穴，锯齿结构对工质存在毛细吸液作用，使得通道内易于形成气液分相流动的环状流高效稳定传热模式，本发明具有较低的沸腾起始过热度，高效稳定的传热能力及较高的临界热流密度，在微电子芯片散热技术领域具有广阔的应用前景。

Description

一种具有交错锯齿型肋壁的微通道蒸发器
技术领域
本发明属于微电子芯片散热技术领域，特别涉及到一种具有交错锯齿型肋壁的微通道蒸发器。
背景技术
随着微电子器件小型化和高集成度的发展，单位面积集成的电子元件个数不断增加，造成电子设备单位面积的热流密度大幅提升，而设备的性能和寿命与散热能力密切相关，传统的散热系统诸如肋片和风扇已经无法满足设备的散热需求。微通道具有换热系数高、结构紧凑以及温度均匀性好的优点，相变过程中由于流体从液态转变为气态时吸收大量的汽化潜热，可以实现有效散热，因而，基于微通道流动沸腾的相变冷却技术在电子设备散热领域有着巨大的应用前景，但相变传热系统中存在沸腾起始点温度过高导致器件过温烧毁，流动不稳定性导致器件热疲劳损坏等问题，本发明有效解决降低相变传热系统中沸腾起始点温度，提高传热系数以及抑制传热不稳定性等问题，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有交错锯齿型肋壁的微通道蒸发器，其特征在于，由上层盖板1、硅微通道板2及加热膜3组成；其中上层盖板1和硅微通道板2贴合，加热膜3位于硅微通道板2的背面；所述硅微通道板2由进液口21、微通道22，锯齿型肋壁23、汇聚联箱24及出液口25组成；其中进液口21和出液口25开在硅基板2的两端，微通道22两侧的锯齿型肋壁23锯齿的齿尖231与齿根232相对应，汇聚联箱24位于彼此相邻的两段微通道区域之间，并且汇聚联箱24两侧的微通道交错布置。
所述上层盖板1和硅微通道板2采用微电子机械工艺MEMS键合，加热膜3采用溅射工艺加工于硅微通道板2的背面。
所述加热膜3为模拟热源，其位置正对于所述硅微通道板2正面的微通道22，加热膜3所用的材质通常为铂或铝，当通电时利用电阻发热来模拟热源。
所述锯齿结构形成的凹穴尺寸与汽泡核化过热度关系应满足：
其中ΔT为工质的过热度，Ts为工质的饱和温度，σ为表面张力，rm为锯齿的齿尖间距，ρv为气态工质的密度，hfg为汽化潜热。与光滑的直通道相比，锯齿形结构增大了凹穴尺寸，显著降低了沸腾起始所需的过热度。
所述锯齿型肋壁23的锯齿型微结构对工质产生毛细吸液作用，使得微通道22内液相倾向于吸附在锯齿型微结构表面，气相分布于微通道中心，从而形成气液分相流动的环状流，在通道内形成了薄液膜蒸发高效传热模式，与泡状流等其他形式的传热流型相比，薄液膜蒸发模式减少了气液可压缩界面的数量，抑制了沸腾换热不稳定性，从而获得较为稳定的相变传热。所述汇聚联箱24将上游微通道形成的气液两相流重新混合后分配到下游微通道，气液重新分布延缓了下游微通道局部蒸干的发生，改善了温度均匀性，提高了临界热流密度。
本发明的有益效果是所述具有交错锯齿型肋壁的微通道蒸发器，一方面，微通道肋壁上的锯齿根部形成了许多核化凹穴，在换热过程中有利于气泡的生成，降低了沸腾起始点的壁面过热度，另一方面，微通道肋壁上的锯齿结构对工质存在毛细吸液作用，使得通道内易于形成气液分相流动的环状流薄液膜蒸发高效稳定传热模式，与泡状流等其他形式的传热流型相比，薄液膜蒸发模式减少了气液可压缩界面的数量，抑制了沸腾换热不稳定性，从而获得较为稳定的相变传热。在汇聚联箱内气液混合后进入下游微通道，气液重新分布延缓了通道中心的蒸干，使得该蒸发器具有更加均匀的温度分布，改善了沿程温度均匀性，提高的临界热流密度。本发明在降低沸腾起始点温度，提高传热能力，改善温度均匀性及提高临界热流密度方面有益效果显著，在微电子芯片散热技术领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为具有交错锯齿型肋壁的微通道蒸发器的整体示意图。
图2为所述硅微通道板的结构示意图，其中a为二维俯视图，b为局部放大图。
图3为微通道上游锯齿结构中发生气泡核化的示意图。
附图标记说明：1、上层盖板，2、硅微通道板，3、加热膜，21、进液口，22、微通道，23、锯齿型肋壁，24、汇聚联箱，25、出液口，231、齿尖，232、齿根。
具体实施方式：
本发明提供一种具有交错锯齿型肋壁的微通道蒸发器，该蒸发器在硅基板的两侧壁面以及微通道两侧的肋壁上加工出锯齿形结构，并且，锯齿型肋壁交错排列。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。
图1所示为具有交错锯齿型肋壁的微通道蒸发器的总装图，由上层盖板1、硅微通道板2及加热膜3组成。其中上层盖板1和硅微通道板2采用微电子机械工艺MEMS键合，加热膜3采用溅射工艺加工于硅微通道板2的背面。
图2所示为所述硅微通道板的结构示意图，其中a为二维俯视图，b为局部放大图。在硅微通道板2上加工有进液口21、微通道22、锯齿型肋壁23、汇聚联箱24、出液口25、齿尖231和齿根232。其中进液口21和出液口25开在硅基板2的两端，微通道22两侧的锯齿型肋壁23上的锯齿的齿尖231与齿根232相对应，汇聚联箱24位于彼此相邻的两端微通道区域之间，并且汇聚联箱24两侧的微通道交错布置。
所述加热膜3为模拟热源，其位置正对于所述硅微通道板2正面的微通道22，加热膜3所用的材质通常为铂或铝，当通电时利用电阻发热来模拟热源。
图3所示为微通道上游锯齿结构中发生气泡核化的示意图。锯齿结构形成的凹穴尺寸与汽泡核化过热度关系应满足：
其中ΔT为工质的过热度，Ts为工质的饱和温度，σ为表面张力，rm为锯齿的齿尖间距，ρv为气态工质的密度，hfg为汽化潜热。微通道肋壁上的锯齿根部形成了许多核化凹穴，增大了凹穴尺寸,在换热过程中有利于气泡的生成，与光滑的直通道相比,显著降低了沸腾起始点的壁面过热度，另一方面，微通道肋壁上的锯齿结形成的凹穴对工质具有毛细吸液作用,使得通道内易于形成气液分相流动的环状流高效稳定传热模式，在强化传热的同时，液膜厚度逐渐减小，延缓了微通道壁面上发生局部蒸干，达到临界热流密度；最终发生局部蒸干,从而增大了临界热流密度；在汇聚联箱内气液混合后进入下游微通道，气液重新分布延缓了通道中心的蒸干，使得该蒸发器温度分布更加均匀，从而具有较低的沸腾起始过热度，高效稳定的传热能力及较高的临界热流密度。

Claims (5)

1.一种具有交错锯齿型肋壁的微通道蒸发器，其特征在于，所述微通道蒸发器由上层盖板(1)、硅微通道板(2)及加热膜(3)组成；上层盖板(1)和硅微通道板(2)贴合，加热膜(3)位于硅微通道板(2)的背面；所述硅微通道板(2)由进液口(21)、微通道(22)，锯齿型肋壁(23)、汇聚联箱(24)及出液口(25)组成；其中进液口(21)和出液口(25)开在硅基板(2)的两端，微通道(22)两侧的锯齿型肋壁(23)锯齿的齿尖(231)与齿根(232)相对应，汇聚联箱(24)位于彼此相邻的两段微通道区域之间，并且汇聚联箱(24)两侧的微通道交错布置。
2.根据权利要求1所述一种具有交错锯齿型肋壁的微通道蒸发器，其特征在于，上层盖板(1)和硅微通道板(2)采用微电子机械工艺MEMS键合，加热膜(3)采用溅射工艺加工于硅微通道板(2)的背面。
3.根据权利要求1所述一种具有交错锯齿型肋壁的微通道蒸发器，其特征在于，所述加热膜(3)为模拟热源，其位置正对于所述硅微通道板(2)正面的微通道(22)，加热膜(3)所用的材质为铂或铝，当通电时利用电阻发热来模拟热源。
4.根据权利要求1所述一种具有交错锯齿型肋壁的微通道蒸发器，其特征在于，所述交错锯齿型肋壁的锯齿型微结构形成的凹穴尺寸与汽泡核化过热度关系应满足：
<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>T</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;sigma;T</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>r</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>v</mi> </msub> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mi>g</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中ΔT为工质的过热度，Ts为工质的饱和温度，σ为表面张力，rm为锯齿的齿尖间距，ρv为气态工质的密度，hfg为汽化潜热，与光滑的直通道相比，锯齿形结构增大了凹穴尺寸，显著降低了沸腾起始所需的过热度。
5.根据权利要求1所述一种具有交错锯齿型肋壁的微通道蒸发器，其特征在于，所述锯齿型肋壁的锯齿型微结构对工质产生毛细吸液作用，使得微通道(22)内液相倾向于吸附在锯齿型微结构表面，气相分布于微通道中心，从而形成气液分相流动的环状流，在通道内形成了薄液膜蒸发高效传热模式，与泡状流等其他形式的传热流型相比，薄液膜蒸发模式减少了气液可压缩界面的数量，抑制了沸腾换热不稳定性，从而获得较为稳定的相变传热，所述汇聚联箱(24)将上游微通道形成的气液两相流重新混合后分配到下游微通道，气液重新分布延缓了下游微通道局部蒸干的发生，改善温度均匀性的同时，提高了临界热流密度。
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