CN108878388A - 一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置及其制造方法，包括基台，基台的中部设有强化沸腾换热结构，基台的外沿通过若干调距螺柱连接有冷凝器，且冷凝器位于强化沸腾换热结构的正上方，冷凝器的上表面设置有若干贯通的气路通道，冷凝器的下表面设置有气泡辅助脱离结构，冷凝器的侧面设置有若干贯通的冷却工质通道，所述冷凝器和气泡辅助脱离结构的外表面为疏水表面，气路通道的内壁为亲水表面。本发明能够降低气泡脱离尺寸，驱动气泡快速脱离以避免气泡的聚集，同时增强补液能力，可以显著提高沸腾传热系数与临界热流密度。

Description

一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及超高热流密度沸腾强化换热技术，特别涉及一种适用于超高热流密度电子芯片高效冷却技术，具体涉及一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置及其制造方法。

背景技术

随着MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems)技术的发展，电子器件集成化和高频化程度日益增加，尺寸不断减小的同时，热功率越来越高，所以电子元件的热流密度越来越高，散热问题成为影响电子器件效能与寿命的主要制约因素。电子元件的制造、使用与发展与其散热能力密不可分。因此，采用有效的散热方法成为当前高新电子器件应用的关键技术。

对电子芯片冷却技术的研究开发已经引起了国内外众多学者的广泛关注，传统的风冷与液体单相对流换热很难带走如此高密度的热量，相对于风冷与液体单相对流换热，沸腾换热充分利用了液体在相变过程中的潜热，使换热效率大大提高。但是单纯的变相换热仍无法满足冷却需求，为了进一步提高该技术的换热效率，需要对沸腾换热进行改进与强化。

通过强化表面技术提高临界热流密度，减小壁面过热度，可以有效提高沸腾换热的效率，通过对换热表面形成微结构，增强表面力与粘性力，减小惯性力，同时增加更多的汽化核心，以实现换热效率的提高。但在高热流密度区，大量的气泡聚合易形成膜态沸腾，导致换热过程恶化。表面微结构之间的连通性较弱时，易导致换热过程补液困难，同样易形成膜态沸腾。因而，如何降低气泡脱离尺寸，驱动气泡快速脱离以避免气泡的聚集，同时增强补液能力，是显著提高沸腾传热系数与临界热流密度的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置及其制造方法，以克服现有技术存在的问题，本发明在原有多尺度强化沸腾换热结构的垂直上方增加疏水亲气的气泡辅助脱离结构，通过该气泡辅助脱离结构，加速气泡垂直脱离换热结构，同时气泡辅助脱离结构上配合有冷凝器，其外表面为疏水结构，可加速沸腾表面附近气泡的冷凝、溃灭，为蒸发液体的供应提供更多的通道，同时冷凝器内置的气路通道仍为亲水表面，有利于未冷凝气体的快速脱离，增强换热时的补液效果。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置，包括基台，基台的中部设有强化沸腾换热结构，基台的外沿通过若干调距螺柱连接有冷凝器，且冷凝器位于强化沸腾换热结构的正上方，冷凝器的上表面设置有若干贯通的气路通道(指的是竖直贯通，各个气路通道独立)，冷凝器的下表面设置有气泡辅助脱离结构，冷凝器的侧面设置有若干贯通的冷却工质通道(指的是水平贯通，各个冷却工质通道独立)，且气路通道与冷却工质通道相互独立，所述冷凝器和气泡辅助脱离结构的外表面为疏水表面，气路通道的内壁为亲水表面。

进一步地，强化沸腾换热结构包括强化沸腾换热表面以及呈阵列式分布在强化沸腾换热表面上的若干强化沸腾换热微柱。

进一步地，强化沸腾换热表面的长×宽为20mm×20mm，厚度为2mm，强化沸腾换热微柱为横截面为正方形的长方体结构，且强化沸腾换热微柱的高度为60-120μm，边长为30-50μm，相邻两个强化沸腾换热微柱之间的距离为30-50μm。

进一步地，所述气泡辅助脱离结构为呈阵列式分布在冷凝器下表面上的若干气泡辅助脱离微柱，气泡辅助脱离微柱为横截面为正方形的长方体结构，且气泡辅助脱离微柱的高度为3-5mm，边长为1mm，且相邻的气泡辅助脱离微柱之间的距离为4mm。

进一步地，所述气路通道为方孔，且方孔边长2mm，气路通道的深度为10mm；所述冷却工质通道的截面规格为2mm×8mm，相邻的两个冷却工质通道之间间隔为2mm。

进一步地，气泡辅助脱离微柱和气路通道在同一平面上的投影形成阵列结构，所述阵列结构包括若干组合单元，每个组合单元包括四个气路通道的投影以及五个气泡辅助脱离微柱的投影，四个气路通道的投影对称设置，且相邻的两个气路通道的投影中间设置一个气泡辅助脱离微柱的投影，每个组个单元的中心设置一个气泡辅助脱离微柱的投影，相邻的两个组合单元共用两个气路通道的投影以及一个气泡辅助脱离微柱的投影。

进一步地，所述强化沸腾换热结构与气泡辅助脱离结构之间垂直距离为1-5mm。

进一步地，冷凝器的外沿均布若干耳座，耳座上设置有定位螺孔，调距螺柱通过定位螺孔与冷凝器相连。

一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：利用刻蚀加工强化沸腾换热结构；

步骤二：利用飞秒激光加工技术在铜表面制备气泡辅助脱离结构，然后利用高精度线切割加工冷凝器；

步骤三：对冷凝器和气泡辅助脱离结构的外表面为进行疏水性处理，对气路通道的内壁进行亲水性处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

利用本发明的强化沸腾表面气泡快速脱离装置，由于其疏水亲气的特性，在强化沸腾换热结构与气泡辅助脱离结构间形成表面能梯度，可以大大增加气泡垂直方向脱离强化沸腾换热结构的速度，明显提高沸腾换热的效率与临界热流密度，另外在气泡辅助脱离结构的基础上的冷凝器可以维持沸腾换热结构附近的过冷温度，冷凝器表面的疏水结构，可加速沸腾结构附近气泡的冷凝与溃灭，为蒸发液体的供应提供更多的通道，冷凝器内置的气路通道为亲水表面，有利于未冷凝气体的快速脱离，提高临界热流密度。

进一步地，本发明的结构组合可以显著提高换热效率，其特点在于各结构作用明显，分工明确：强化沸腾表面换热结构增加换热面与冷凝工质的换热速度，利用汽化潜热迅速将热量传递到冷凝工质中使冷凝工质汽化；气泡辅助脱离结构利用表面亲疏水特性，形成表面能梯度，将强化沸腾表面形成的气泡迅速脱离换热表面，阻止换热恶化；冷凝器结构利用亲疏水特性以及气液两相的对流，加速气泡的冷凝与溃灭。这样的结构设置可以显著提高换热效率。

进一步地，本发明所要求的尺寸设置，可以方便有效地模拟实际情况中换热表面的真实情况。其中，强化表面上具有其特征尺寸的微柱可以显著提高换热表面的换热速度，辅助表面上具有其特征尺寸的微柱可以充分利用表面能梯度加速气泡脱离。

附图说明

图1为本发明的3D结构示意图；

图2-1为本发明强化沸腾换热表面结构俯视图；

图2-2为本发明强化沸腾换热表面结构侧视图；

图3-1为本发明冷凝器结构俯视图；

图3-2为本发明冷凝器结构俯视剖面图；

图3-3为本发明冷凝器结构侧视图；

图3-4为本发明冷凝器结构侧视剖面图。

其中，1、基台；2、强化沸腾换热结构；3、气泡辅助脱离结构；4、冷凝器；5、气路通道；6、冷却工质通道；7、调距螺柱；8、定位螺孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参照附图，一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置，在基台1上布置多尺度的强化沸腾换热结构2，在强化沸腾换热结构2的垂直上方增加疏水亲气的气泡辅助脱离结构3，通过该气泡辅助脱离结构3，加速气泡垂直脱离换热表面，同时气泡辅助脱离结构3上配合有冷凝器4，冷凝器4内置的气路通道5仍为亲水表面，有利于未冷凝气体的快速脱离，增强换热时的补液效果；同时冷凝器4的外表面为疏水结构，内部水平方向布置冷却工质通道6可加速沸腾表面附近气泡的冷凝、溃灭，为蒸发液体的供应提供更多的通道。气泡辅助脱离结构3和冷凝器4的组合与基台1通过调距螺柱7连接。

强化沸腾换热结构2包括强化沸腾换热表面以及呈阵列式分布在强化沸腾换热表面上的若干强化沸腾换热微柱，强化沸腾换热表面的长×宽为20mm×20mm，厚度为2mm，强化沸腾换热微柱为横截面为正方形的长方体结构，且强化沸腾换热微柱的高度为60-120μm，边长为30-50μm，相邻两个强化沸腾换热微柱之间的距离为30-50μm。

气泡辅助脱离结构3为呈阵列式分布在冷凝器4下表面上的若干气泡辅助脱离微柱，气泡辅助脱离微柱为横截面为正方形的长方体结构，且气泡辅助脱离微柱的高度为3-5mm，边长为1mm，且相邻的气泡辅助脱离微柱之间的距离为4mm；所述气路通道5为方孔，且方孔边长2mm，气路通道5的深度为10mm；所述冷却工质通道6的截面规格为2mm×8mm，相邻的两个冷却工质通道6之间间隔为2mm，气泡辅助脱离微柱和气路通道5在同一平面上的投影形成阵列结构，所述阵列结构包括若干组合单元，每个组合单元包括四个气路通道5的投影以及五个气泡辅助脱离微柱的投影，四个气路通道5的投影对称设置，且相邻的两个气路通道5的投影中间设置一个气泡辅助脱离微柱的投影，每个组个单元的中心设置一个气泡辅助脱离微柱的投影，相邻的两个组合单元共用两个气路通道5的投影以及一个气泡辅助脱离微柱的投影。

强化沸腾换热结构2与气泡辅助脱离结构3之间垂直距离为1-5mm，通过调距螺柱7进行调节；冷凝器4的外沿均布若干耳座，耳座上设置有定位螺孔8，调距螺柱7通过定位螺孔8与冷凝器4相连。

一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：利用刻蚀加工强化沸腾换热结构2；

步骤二：利用飞秒激光加工技术在铜表面制备气泡辅助脱离结构3，然后利用高精度线切割加工冷凝器4；

步骤三：对冷凝器4和气泡辅助脱离结构3的外表面为进行疏水性处理，对气路通道5的内壁进行亲水性处理。

本发明特点在于：第一、强化沸腾换热结构为三维柱状微结构呈阵列式分布；第二、气泡辅助脱离结构3上的疏水亲气微结构呈阵列式分布；第三、冷凝器4的外表面为疏水亲气结构；第四、冷凝器4内置水平方向的冷却工质通路6与垂直方向的亲水疏气的气路通道5；第五、利用低表面能物质对气泡辅助脱离结构3进行疏水化修饰，同时对气路通道5进行亲水处理；第六、对于带冷凝器4的气泡辅助脱离结构3而言，利用高精度线切开加工冷凝器，然后利用激光加工技术制备气泡辅助脱离结构3，最后进行亲/疏水处理；第七、带冷凝器4的气泡辅助脱离结构3与强化沸腾换热结构2之间的间距可调。

下面结合实施过程对本发明做详细描述：

本发明提到的强化沸腾表面气泡快速脱离的装置主要应用于芯片等微小结构的换热。强化沸腾表面因热量的迅速传递，冷却工质吸热汽化形成气泡，气泡迅速聚合变大，在达到脱离大小前接触辅助脱离结构，利用表面能梯度，提前让气泡脱离强化沸腾表面，气泡在辅助脱离结构中因浮力上升进入冷凝结构，冷凝结构有交叉的气液两相通道，两相对流加速气泡的冷凝与溃灭，同时冷凝工质流动进入强化沸腾表面进行冷却工质的补充。

Claims (9)

1.一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置，其特征在于，包括基台(1)，基台(1)的中部设有强化沸腾换热结构(2)，基台(1)的外沿通过若干调距螺柱(7)连接有冷凝器(4)，且冷凝器(4)位于强化沸腾换热结构(2)的正上方，冷凝器(4)的上表面设置有若干贯通的气路通道(5)，冷凝器(4)的下表面设置有气泡辅助脱离结构(3)，冷凝器(4)的侧面设置有若干贯通的冷却工质通道(6)，且气路通道(5)与冷却工质通道(6)相互独立，所述冷凝器(4)和气泡辅助脱离结构(3)的外表面为疏水表面，气路通道(5)的内壁为亲水表面。

2.根据权利要求1所述的一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置，其特征在于，强化沸腾换热结构(2)包括强化沸腾换热表面以及呈阵列式分布在强化沸腾换热表面上的若干强化沸腾换热微柱。

3.根据权利要求2所述的一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置，其特征在于，强化沸腾换热表面的长×宽为20mm×20mm，厚度为2mm，强化沸腾换热微柱为横截面为正方形的长方体结构，且强化沸腾换热微柱的高度为60-120μm，边长为30-50μm，相邻两个强化沸腾换热微柱之间的距离为30-50μm。

4.根据权利要求1所述的一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置，其特征在于，所述气泡辅助脱离结构(3)为呈阵列式分布在冷凝器(4)下表面上的若干气泡辅助脱离微柱，气泡辅助脱离微柱为横截面为正方形的长方体结构，且气泡辅助脱离微柱的高度为3-5mm，边长为1mm，且相邻的气泡辅助脱离微柱之间的距离为4mm。

5.根据权利要求4所述的一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置，其特征在于，所述气路通道(5)为方孔，且方孔边长2mm，气路通道(5)的深度为10mm；所述冷却工质通道(6)的截面规格为2mm×8mm，相邻的两个冷却工质通道(6)之间间隔为2mm。

6.根据权利要求5所述的一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置，其特征在于，气泡辅助脱离微柱和气路通道(5)在同一平面上的投影形成阵列结构，所述阵列结构包括若干组合单元，每个组合单元包括四个气路通道(5)的投影以及五个气泡辅助脱离微柱的投影，四个气路通道(5)的投影对称设置，且相邻的两个气路通道(5)的投影中间设置一个气泡辅助脱离微柱的投影，每个组个单元的中心设置一个气泡辅助脱离微柱的投影，相邻的两个组合单元共用两个气路通道(5)的投影以及一个气泡辅助脱离微柱的投影。

7.根据权利要求1所述的一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置，其特征在于，所述强化沸腾换热结构(2)与气泡辅助脱离结构(3)之间垂直距离为1-5mm。

8.根据权利要求1所述的一种强化沸腾表面气泡快速脱离的装置，其特征在于，冷凝器(4)的外沿均布若干耳座，耳座上设置有定位螺孔(8)，调距螺柱(7)通过定位螺孔(8)与冷凝器(4)相连。

9.一种权利要求1-8任一项所述的强化沸腾表面气泡快速脱离的装置的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用刻蚀加工强化沸腾换热结构(2)；

步骤二：利用飞秒激光加工技术在铜表面制备气泡辅助脱离结构(3)，然后利用高精度线切割加工冷凝器(4)；

步骤三：对冷凝器(4)和气泡辅助脱离结构(3)的外表面为进行疏水性处理，对气路通道(5)的内壁进行亲水性处理。