CN108225079A - 一种顶部联通的非均匀润湿性硅基微通道相变换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于电子冷却技术领域的一种顶部联通的非均匀润湿性硅基微通道相变换热器。该微通道相变换热器由上层玻璃和底层硅通过阳极键合而成，在上层玻璃上设置有进液口和出液口；在底层硅正面设置有进液池、出液池、并联微通道及核化穴阵列，开式微通道在顶部彼此联通，微通道侧面、底面以及微通道之间的肋壁顶面均为亲水性二氧化硅薄膜，核化穴阵列位于微通道底部且其内表面均为疏水性硅；底层硅背面加工有电加热膜用于模拟外部热源。该相变换热器的突出优势在于同时兼具较低的启动过温，较大的换热系数和临界热流密度，较强的传热稳定性，具有较为广阔的应用前景。

Description

一种顶部联通的非均匀润湿性硅基微通道相变换热器
技术领域
本发明属于电子冷却技术领域，特别是涉及一种顶部联通的非均匀润湿性硅基微通道相变换热器。
背景技术
随着微电子集成技术的不断发展，单位面积上集成的晶体管数量越来越多，导致单位面积上的热流密度急剧增大，其散热和冷却问题已成为制约微电子芯片发展的主要瓶颈之一。目前，主流的芯片冷却技术包括风冷和液冷技术，如台式电脑CPU通常采用风冷技术冷却，笔记本电脑通常采用基于热管的冷却技术等。微通道冷却器由于具有较大的比表面积，具有相对较高的散热能力，在电子冷却技术领域表现出较大的应用前景。
目前，技术相对成熟的微通道换热器主要是单相换热器，利用流体的显热进行换热，对于高热流密度芯片冷却，往往需要较大的流量，由于通道尺寸较小，流动阻力相对较大，因此需要消耗较多的泵功，单相流体的温升也相对较大，芯片温度不均匀可能会导致热应力损坏，这成为制约单相微通道换热器应用的瓶颈之一；比较而言，微通道相变换热器是基于潜热交换的换热器，较小的流体流量即可获得较大的换热系数，具有广阔的应用前景。
硅基微通道换热器与硅基半导体芯片易于实现系统集成，因此，硅基微通道换热器的研发对于芯片冷却技术具有重要的现实意义。硅基微通道换热器通常采用基于MEMS的微电子工艺加工而成，表面通常光滑，粗糙度可达纳米量级，表面缺乏有效核化穴，导致其沸腾起始过热度较高，理想绝对光滑表面条件下，其沸腾起始过热度甚至可达临界温度附近，如水的临界温度374.2℃，因此，降低相变换热器的沸腾起始温度对其高效安全运行至关重要；在相变换热系统中，气泡核化过程中气液相变产生潜热传输，提高单位时间内产生核化气泡的数量即气泡产生频率可有效提高换热系数；在较高的热流密度下，如芯片工作在较高的热负荷时，相变换热器可能面临发生蒸干烧毁问题，提高相变换热器的临界热流密度也是相变换热器研发的主要目的之一。此外，在相变系统中，特别是并联微通道换热器中，由于并联微通道之间的气泡核化并不同步，气泡核化和生长导致通道内压力发生脉动，不同通道之间产生压差，产生相变系统的并联通道不稳定性，使得不同通道的流量和传热特性发生脉动，导致局部产生脉动热应力，容易导致电子芯片的热疲劳损坏。本发明针对硅基微通道相变换热器提高传热系数和临界热流密度以及抑制沸腾不稳定性等关键问题，创造性提出了一种具有非均匀润湿性的硅基微通道相变换热器。
发明内容
本发明的目的是提供一种顶部联通的非均匀润湿性硅基微通道相变换热器，其特征在于，该微通道相变换热器由上层玻璃1和底层硅2通过阳极键合而成，在上层玻璃1上设置有进液口11和出液口12；在底层硅2正面设置有进液池21、出液池22、开式并联微通道23及核化穴阵列24,并联微通道侧面231、底面232以及微通道之间的肋壁顶面233均为光滑的亲水性二氧化硅薄膜；核化穴阵列24位于并联微通道底面232上，核化穴内表面均为疏水性硅；在底层硅2背面加工有加热膜25。
所述开式并联微通道23顶部彼此联通，其水力直径D满足式公式：
其中ρL、ρg分别为工质的液相及蒸汽相密度，σ为气液界面的表面张力，g为重力加速度；并联微通道侧面231、底面232以及微通道之间的肋壁顶面233亲水性二氧化硅薄膜的表面粗糙度为小于100纳米；核化穴阵列24水力直径与二氧化硅薄膜表面粗糙度及微通道水力直径的匹配原则为:10<d/δ<0.5D,其中，d为核化穴水力直径,δ为二氧化硅薄膜的表面粗糙度,D为微通道的水力直径。
所述玻璃上的进液孔11和出液孔12正对硅上的进液池21和出液池22所述疏水性核化穴阵列24在光滑的亲水性并联微通道底面232提供有效气泡活化点；气泡成核活化时，沸腾起始过热度与核化穴半径成反比，满足公式：
其中，Tw为壁面温度，Ts为工质饱和温度，σ为气液界面的表面张力，λ为工质导热系数，ρv为蒸气密度，R为活化点的当量半径，由于所述疏水性核化穴阵列24的水力直径与二氧化硅薄膜粗糙度尺度满足d/δ>10，该核化穴阵列24使得沸腾起始过热度与二氧化硅薄膜相比降低90％以上，避免相变换热系统的启动过温烧毁；
所述疏水性核化穴阵列24产生的核化气泡溢出核化穴时，在并联微通道底面232形成三相接触线，气泡脱离直径Dd与接触角θ满足公式(3)：
由于并联微通道底面232为亲水性，接触角θ越小，脱离直径越小；气泡脱离直径Dd与气泡脱离频率f满足公式：
气泡脱离直径Dd越小，脱离频率f越大，单位时间内加热面上气液相变潜热换热量越大，从而导致高的相变换热系数；同时，由于并联微通道侧面231、底面232以及微通道之间的肋壁顶面233均为亲水性二氧化硅薄膜，与液相工质具有较好的亲和力，表面难以蒸干，从而提高该相变换热器的临界热流密度。
所述并联微通道23顶部与上层玻璃1之间存在空隙，使得并联微通道23顶部彼此联通，与常规顶部封闭式并联微通道相比，顶部联通使得并联微通道23各通道之间的压力更为均衡，从而有效抑制常规封闭式并联通道间由于各通道内相变不同步导致通道之间存在脉动压差并引起并联通道沸腾换热不稳定性问题，获得稳定的传热。本发明的综合效果为本所创造的顶部联通的非均匀润湿性相变换热器具有疏水性核化穴阵列、亲水性换热面以及顶部联通并联微通道等三个典型结构特征，实现了较低启动过温，较高传热系数和临界热流密度以及较为稳定的相变传热。
附图说明
图1为顶部联通的非均匀润湿性微通道相变换热器总装示意图。
图2为上层玻璃的轴测图；
图3为底层硅的轴测图；
图4为垂直流动方向的截面图
图5为非均匀润湿性微通道底部气泡核化原理图
附图标记说明：1、上层玻璃，2、底层硅，11、流体进口，12、流体出口，21、进液池，22、出液池，23、并联微通道，24、核化穴阵列，25、加热膜，231、微通道侧面，232、微通道底面，233、微通道肋壁顶面。
具体实施方式
本发明提出一种顶部联通的非均匀润湿性微通道相变换热器，通过采用开式并联微通道、核化穴阵列以及非均匀润湿性表面，同时实现低启动过温、高换热系数和临界热流密度以及稳定的相变传热。下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容作进一步详细说明。
图1所示为顶部联通的非均匀润湿性微通道相变换热器的三维总装图，该微通道相变换热器由上层玻璃1和底层硅2通过阳极键合而成，在上层玻璃1上设置有进液口11和出液口22；在底层硅2正面设置有进液池21、出液池22、开式并联微通道23及核化穴阵列24，在底层硅2背面加工有加热膜25。
图2所示上层玻璃1的轴测图，玻璃上两个通孔11和12与底层硅上的进液池21和出液池22联通；
图3所示为底层硅的轴测图。工质从玻璃上的进液孔11进入底层硅上的进液池21汇集后进入开式并联微通道23，在微通道23中吸热发生气液相变带走来自底部加热膜25的热量，流入出液池22汇集并经玻璃上的出液孔12排出。
图4为顶部联通非均匀润湿性微通道相变换热器在垂直流动方向的截面图；所述开式并联微通道23在顶部彼此联通，其侧面231、底面232以及微通道之间的肋壁顶面233均为光滑的亲水性二氧化硅薄膜，核化穴阵列24位于并联微通道23的底面232上，且核化穴24内表面均为疏水性硅；在底层硅(2)背面加工有加热膜(25)。开式并联微通道(23)顶部彼此联通，通道水力直径满足公式：
其中ρL、ρg分别为工质的液相及蒸汽相密度，σ为气液界面的表面张力，g为重力加速度、并联微通道侧面231、底面232以及微通道之间的肋壁顶面233亲水性二氧化硅薄膜的表面粗糙度为小于100纳米；核化穴阵列24水力直径与二氧化硅薄膜表面粗糙度的匹配原则为；10<d/δ<0.5D,其中，d为核化穴水力直径,δ为二氧化硅薄膜的表面粗糙度,D为微通道的水力直径。
疏水性核化穴阵列24在光滑的亲水性并联微通道底面232提供有效气泡活化点；气泡成核活化时，沸腾起始过热度与核化穴半径成反比，满足公式：
其中，Tw为壁面温度，Ts为工质饱和温度，σ为气液界面的表面张力，λ为工质导热系数，ρv为蒸气密度，R为活化点的当量半径，由于疏水性核化穴阵列24的水力直径与二氧化硅薄膜粗糙度尺度满足d/δ>10，使得沸腾起始过热度与二氧化硅薄膜相比降低90％以上，避免相变换热系统的启动过温烧毁；
图5给出了微通道中气泡核化原理图，当疏水性核化穴阵列24产生的核化气泡溢出核化穴时，在并联微通道底面232形成三相接触线，气泡脱离直径Dd与接触角θ满足公式：
上式表明接触角θ越小会导致脱离直径Dd越小。
气泡脱离直径Dd与气泡脱离频率f满足公式：
表明气泡脱离直径Dd越小，会导致脱离频率f越大，单位时间内加热面上气液相变潜热换热量越大，从而导致相对较高的相变换热系数；同时，由于并联微通道侧面231、底面232以及微通道之间的肋壁顶面233均为亲水性二氧化硅薄膜，与液相工质具有较好的亲和力，表面难以蒸干，从而提高该相变换热器的临界热流密度。
并联微通道23顶部与上层玻璃1之间存在联通空隙，使得并联微通道23顶部彼此联通，与常规顶部封闭式并联微通道相比，顶部联通区域使得并联微通道23各通道之间的压力更为均衡，从而有效抑制常规封闭式并联通道间由于各通道内相变不同步导致通道之间存在脉动压差并引起并联通道沸腾换热不稳定性问题。

Claims (5)

1.一种顶部联通的非均匀润湿性硅基微通道相变换热器，其特征在于，该微通道相变换热器由上层玻璃(1)和底层硅(2)通过阳极键合而成，在上层玻璃(1)上设置有进液口(11)和出液口(12)；在底层硅(2)正面设置有进液池(21)、出液池(22)、开式并联微通道(23)及核化穴阵列(24)；开式并联微通道(23)在顶部彼此联通，其侧面(231)、底面(232)以及微通道之间的肋壁顶面(233)均为光滑的亲水性二氧化硅薄膜；核化穴阵列(24)位于并联微通道底面(232)上，核化穴内表面均为疏水性硅。
2.根据权利要求1所述一种顶部联通的非均匀润湿性硅基微通道相变换热器，其特征在于，所述开式并联微通道(23)在顶部彼此联通，其水力直径D满足公式：
其中ρL、ρg分别为工质的液相及蒸汽相密度，σ为气液界面的表面张力，g为重力加速度；并联微通道侧面(231)、底面(232)以及微通道之间的肋壁顶面(233)亲水性二氧化硅薄膜的表面粗糙度为小于100纳米；核化穴阵列(24)水力直径与二氧化硅薄膜表面粗糙度的匹配原则为:10<d/δ<0.5D,其中，d为核化穴水力直径,δ为二氧化硅薄膜的表面粗糙度,D为微通道的水力直径。
3.根据权利要求1所述一种顶部联通的非均匀润湿性硅基微通道相变换热器，其特征在于，所述玻璃(1)上的进液孔(11)和出液孔(12)正对硅上的进液池(21)和出液池(22)；疏水性核化穴阵列(24)在光滑的亲水性并联微通道底面(232)提供有效气泡活化点；气泡成核活化时，沸腾起始过热度与核化穴半径成反比，满足公式：
其中，Tw为壁面温度，Ts为工质饱和温度，σ为气液界面的表面张力，λ为工质导热系数，ρv为蒸气密度，R为活化点的当量半径，由于所述疏水性核化穴阵列(24)的水力直径与二氧化硅薄膜粗糙度尺度满足d/δ>10，该核化穴阵列(24)使得沸腾起始过热度与二氧化硅薄膜相比降低90％以上，避免相变换热系统的启动过温烧毁。
4.根据权利要求1所述一种顶部联通的非均匀润湿性硅基微通道相变换热器，其特征在于，所述疏水性核化穴阵列(24)产生的核化气泡溢出核化穴时，在并联微通道底面(232)形成三相接触线，气泡脱离直径Dd与接触角θ满足公式：
由于并联微通道底面(232)为亲水性，接触角θ越小，脱离直径越小；气泡脱离直径Dd与气泡脱离频率f满足公式：
气泡脱离直径Dd越小，脱离频率f越大，单位时间内加热面上气液相变潜热换热量越大，从而导致高的相变换热系数；同时，由于并联微通道侧面(231)、底面(232)以及微通道之间的肋壁顶面(233)均为亲水性二氧化硅薄膜，与液相工质具有较好的亲和力，表面难以蒸干，从而提高该相变换热器的临界热流密度。
5.根据权利要求1所述一种顶部联通的非均匀润湿性硅基微通道相变换热器，其特征在于，所述并联微通道(23)顶部与上层玻璃(1)之间存在空隙，使得并联微通道(23)顶部彼此联通，与常规顶部封闭式并联微通道相比，顶部联通使得并联微通道(23)各通道之间的压力更为均衡，从而有效抑制常规封闭式并联通道间由于各通道内相变不同步导致通道之间存在脉动压差并引起并联通道沸腾换热不稳定性问题，获得稳定的传热。
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