CN109058952A - 用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道、散热器及led灯 - Google Patents
用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道、散热器及led灯 Download PDFInfo
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Abstract
本公开提供一种用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道、散热器及LED灯，该用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道包括：开放式通道以及多孔纳米织构涂层；多孔纳米织构涂层形成于开放式通道的表面上，用于增强开放式通道表面的固液界面相互作用并增加汽泡的成核密度。本公开提供的用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道通过在开放式通道表面设置多孔纳米织构涂层，开放式通道的尺寸限制效应和纳米织构的表面效应会发生耦合作用，协同改变沸腾时槽内汽泡的生长特性，促进汽泡沿开放式通道法向生长，加快汽泡脱离频率，此外纳米织构涂层表面存在大量微纳尺度的孔隙，可以提高汽泡的成核密度。
Description
技术领域
本公开涉及相变传热技术领域，尤其涉及一种用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道、散热器及LED灯。
背景技术
高功率密度电子器件、高性能计算机、激光加工、航空航天及微系统等高新技术领域的迅速发展导致电子元件的发热热流密度呈迅猛增大趋势，如此高强度的发热量如果不能有效散去，将使得器件温度迅速升高，严重降低器件和系统的性能、稳定性和安全性，器件的散热问题已成为影响当今电子工业发展的关键瓶颈问题。沸腾传热是一种极其高效的相变传热技术，在给定的壁面过热度下，其传热量比液体对流大两个量级，因此在发电、海水淡化、冶金、电子器件冷却、大功率激光器热管理等工业、军事、航空航天、化工领域起着至关重要的作用。
近些年，诸多研究者发现通过在普通换热平面加工微米结构或纳米结构可以提高换热表面的沸腾传热性能。例如，在普通换热平面上加工尺寸为几十到几百微米的开放式微通道结构后，其表面发生沸腾传热时汽泡的生长情况与普通平面有明显差别，主要是因为这些尺寸微小的通道结构可以促进汽泡的生长，使得汽泡脱离频率变快，从而能在单位时间内带走换热表面更多的热量，另一方面，微细通道结构形成的毛细力会促进液体工质补充到通道内部，使得沸腾过程中局部干涸的区域快速被液体再次润湿，保证沸腾的持续发生。因此，开放式微通道表面能显著提高沸腾传热性能。
为了进一步提高开放式通道表面的沸腾传热性能，使其更具应用优势，常规的方法有优化开放式通道的结构尺寸和对开放式通道表面进行化学处理，相关内容已经被较多研究。比较新颖的方法包括在开放式通道表面增加一些微柱及微翅片等。
然而，在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，这些方法有的涉及较复杂的制备流程，有的加工成本较高，更重要的是，他们不能显著改变开放式通道内汽泡的生长特性，因此限制了开放式通道表面沸腾传热性能的大幅度提高。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道、散热器及LED灯，以缓解现有技术中提高开放式通道表面的沸腾传热性能的手段加工成本高，无法显著改变开放式通道内汽泡的生长特性，从而无法大幅度提高开放式通道表面沸腾传热性能的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供一种用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道，包括：开放式通道，设置在换热表面上；以及多孔纳米织构涂层，形成于所述开放式通道的表面上，用于增强所述开放式通道表面的固液界面相互作用并增加汽泡的成核密度；其中，所述开放式通道包括N条，N条所述开放式通道并列设置，其中N≥1。
在本公开的一些实施例中，其中：所述多孔纳米织构涂层的材料包含：金属、合金、金属化合物、半导体、氧化物、陶瓷中的至少一种；所述换热表面的材料为金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物、玻璃、有机高分子材料中的至少一种。
在本公开的一些实施例中，所述开放式通道通过线切割、激光加工、划片加工或化学刻蚀的方法在所述换热表面上生成，所述开放式通道的横截面为矩形、梯形、三角形或圆弧形。
在本公开的一些实施例中，所述多孔纳米织构涂层通过物理气相沉积、化学气相沉积、氧化还原、喷涂、滴涂或电镀的方法在所述开放式通道的表面生成。
在本公开的一些实施例中，其中：所述开放式通道的宽度介于10μm至950μm之间；所述开放式通道的深度介于10μm至2000μm之间；两相邻所述开放式通道的间距介于20μm至2000μm之间；所述多孔纳米织构涂层的厚度介于10nm至9μm之间；所述多孔纳米织构涂层的孔隙直径介于100nm-200μm之间。
根据本公开的另一个方面，还提供一种散热器，包括：中空散热腔体，用于盛放散热工质；以及本公开提供的用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道，设置在所述中空散热腔体的内表面上，其利用所述散热工质在所述用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道的换热表面上发生相变传热，取走设置在所述散热器上的发热器件的热量，并耗散至环境中。
在本公开的一些实施例中，所述散热器还包括：M个散热翅片，M个所述散热翅片沿所述中空散热腔体外壁的周向排列，其中M≥1；其中所述散热翅片的表面设置有波纹，其用于扩大所述散热翅片的对流散热面积。
在本公开的一些实施例中，所述散热工质包含：蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。
在本公开的一些实施例中，所述中空散热腔体的材料为金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物、玻璃、有机高分子材料中的至少一种。
根据本公开的再一个方面，还提供一种LED灯，包括：LED光源；以及本公开提供的散热器，用于为所述LED光源散热；其中，所述LED光源通过热界面材料与所述散热器的外表面连接，且所述LED光源与所述用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道对应设置。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道、散热器及LED灯具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)通过在开放式通道表面设置多孔纳米织构涂层，开放式通道的尺寸限制效应和纳米织构的表面效应会发生耦合作用，协同改变沸腾时槽内汽泡的生长特性，具体来说，开放式通道的半封闭结构能使汽泡在生长时接收更多的热，使其快速生长和脱离，同时纳米织构改变了原始槽道表面的表面能，增强了汽液界面相互作用，限制汽泡在开放式通道轴向上的拉伸生长，从而促进汽泡沿开放式通道法向生长，使得汽泡更早地破裂，加快汽泡脱离频率，此外纳米织构涂层表面存在大量微纳尺度的孔隙，可以提高汽泡的成核密度；
(2)多孔纳米织构涂层表面的多孔性和涂层厚度有关，通过选择优化的厚度尺寸，可以使得纳米织构开放式通道表面的换热系数相比普通开放式通道表面的换热系数有大幅度提高；
(3)通过纳米织构开放式通道表面能形成较大的毛细压力，能驱动散热液体工质迅速补充到换热表面，持续发生沸腾传热，提高了该换热表面换热性能及取热能力；
(4)换热表面换热性能的提高不仅可以使含有该纳米织构开放式通道换热表面的散热器能实现大功率高功率密度电子器件的高效高可靠散热，还可以使得散热器使用更少的型材，体积更加紧凑，具有结构简单、小体积、轻量化、可靠性高、寿命长等优势；
(5)由于LED光源的光效和寿命严重依赖于其温度，特别是对于大功率高功率密度的LED灯具，其热管理一直是个难题，而采用本公开提供的散热器的LED灯可以有效降低LED光源的温度，确保灯具的高光效和高可靠性。
附图说明
图1为本公开实施例提供的用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道的结构示意图，其中局部放大图为多孔纳米织构涂层的微观结构的扫描电子显微镜照片。
图2为本公开实施例中开放式通道表面和纳米织构开放式通道表面在不同输入热流密度下换热系数的对比曲线。
图3为本公开实施例提供的散热器的结构示意图。
图4为本公开实施例提供的LED灯的结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
10-开放式通道；
20-多孔纳米织构涂层；
30-中空散热腔体；
31-散热工质；
40-散热翅片；
41-波纹；
50-LED光源；
60-热界面材料。
具体实施方式
本公开实施例提供的用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道、散热器及LED灯通过在开放式通道表面设置多孔纳米织构涂层，协同改变沸腾时槽内汽泡的生长特性，并提高了汽泡的成核密度，有效增强了开放式通道表面的传热性能。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开提供一种用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道，如图1所示，包括：开放式通道10，设置在换热表面上；以及多孔纳米织构涂层20，形成于开放式通道10的表面上，用于增强开放式通道10表面的固液界面相互作用并增加汽泡的成核密度；其中，开放式通道10包括N条，N条开放式通道并列设置，其中N≥1，通过在开放式通道10表面设置多孔纳米织构涂层20，开放式通道10的尺寸限制效应和纳米织构的表面效应会发生耦合作用，协同改变沸腾时槽内汽泡的生长特性，具体来说，开放式通道10的半封闭结构能使汽泡在生长时接收更多的热，使其快速生长和脱离，同时纳米织构改变了原始槽道表面的表面能，增强了汽液界面相互作用，限制汽泡在开放式通道轴向上的拉伸生长，从而促进汽泡沿开放式通道法向生长，使得汽泡更早地破裂，加快汽泡脱离频率，此外纳米织构涂层表面存在大量微纳尺度的孔隙，可以提高汽泡的成核密度。
在本公开的一些实施例中，多孔纳米织构涂层20的材料包含：金属、合金、金属化合物、半导体、氧化物、陶瓷中的至少一种。
在本公开的一些实施例中，换热表面的材料为金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物、玻璃、有机高分子材料中的至少一种。
在本公开的一些实施例中，开放式通道10通过线切割、激光加工、划片加工或化学刻蚀的方法在换热表面上生成，开放式通道10的横截面为矩形、梯形、三角形或圆弧形(即其横截面形状外轮廓为封闭的圆弧线)。
在本公开的一些实施例中，多孔纳米织构涂层20通过物理气相沉积、化学气相沉积、氧化还原、喷涂、滴涂或电镀的方法在开放式通道10的表面生成。
在本公开的一些实施例中，开放式通道10的宽度介于10μm至950μm之间；开放式通道10的深度介于10μm至2000μm之间；两相邻开放式通道10的间距介于20μm至2000μm之间。
在本公开的一些实施例中，多孔纳米织构涂层20的厚度介于10nm至9μm之间，如图2所示，通过在横截面为矩形的开放式通道10表面生成300nm厚的钛多孔纳米织构涂层形成本公开实施例提供的用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道后，其换热系数相比于无纳米织构的开放式通道表面有了明显提高。
在本公开的一些实施例中，多孔纳米织构涂层的孔隙直径介于100nm-200μm之间。
根据本公开的另一个方面，如图3所示，还提供一种散热器，包括：中空散热腔体30，用于盛放散热工质；以及本公开实施例提供的用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道，设置在中空散热腔体30的内表面上，其利用散热工质31在用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道的换热表面上发生相变传热，取走设置在散热器上的发热器件的热量，并耗散至环境中，通过纳米织构开放式通道表面能形成较大的毛细压力，能驱动散热液体工质迅速补充到换热表面，持续发生沸腾传热，提高了该换热表面换热性能及取热能力，换热表面换热性能的提高不仅可以使含有该纳米织构开放式通道换热表面的散热器能实现大功率高功率密度电子器件的高效高可靠散热，还可以使得散热器使用更少的型材，体积更加紧凑，具有结构简单、小体积、轻量化、可靠性高、寿命长等优势。
在本公开的一些实施例中，如图3所示，散热器还包括：M个散热翅片40，M个散热翅片40沿中空散热腔体30外壁的周向排列，其中M≥1；其中散热翅片40的表面设置有波纹41，其用于扩大散热翅片40的对流散热面积。
在本公开的一些实施例中，散热工质31包含：蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。
在本公开的一些实施例中，中空散热腔体30的材料为金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物、玻璃、有机高分子材料中的至少一种。
根据本公开的再一个方面，如图4所示，还提供一种LED灯，包括：LED光源50；以及本公开实施例提供的散热器，用于为LED光源50散热；其中，LED光源50通过热界面材料60与散热器的的外表面连接，且LED光源50与用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道对应设置在中空散热腔体30的内外表面上，由于LED光源50的光效和寿命严重依赖于其温度，特别是对于大功率高功率密度的LED灯具，其热管理一直是个难题，而采用本公开提供的散热器的LED灯可以有效降低LED光源50的温度，确保灯具的高光效和高可靠性。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道、散热器及LED灯有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道、散热器及LED灯通过在开放式通道的表面设置特定的多孔纳米织构涂层，开放式通道的尺寸限制效应和纳米织构的表面效应会发生耦合作用，协同改变沸腾时槽内汽泡的生长特性，使汽泡快速生长和脱离，同时提高汽泡的成核密度，因此纳米织构开放式通道表面能大幅强化开放式通道表面的沸腾传热性能。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道，包括：
开放式通道，设置在换热表面上；以及
多孔纳米织构涂层，形成于所述开放式通道的表面上，用于增强所述开放式通道表面的固液界面相互作用并增加汽泡的成核密度；
其中，所述开放式通道包括N条，N条所述开放式通道并列设置，其中N≥1。
2.根据权利要求1所述的用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道，其中：
所述多孔纳米织构涂层的材料包含：金属、合金、金属化合物、半导体、氧化物、陶瓷中的至少一种；
所述换热表面的材料为金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物、玻璃、有机高分子材料中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道，所述开放式通道通过线切割、激光加工、划片加工或化学刻蚀的方法在所述换热表面上生成，所述开放式通道的横截面为矩形、梯形、三角形或圆弧形。
4.根据权利要求1所述的用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道，所述多孔纳米织构涂层通过物理气相沉积、化学气相沉积、氧化还原、喷涂、滴涂或电镀的方法在所述开放式通道的表面生成。
5.根据权利要求1所述的用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道，其中：
所述开放式通道的宽度介于10μm至950μm之间；
所述开放式通道的深度介于10μm至2000μm之间；
两相邻所述开放式通道的间距介于20μm至2000μm之间；
所述多孔纳米织构涂层的厚度介于10nm至9μm之间；
所述多孔纳米织构涂层的孔隙直径介于100nm-200μm之间。
6.一种散热器，包括：
中空散热腔体，用于盛放散热工质；以及
如上述权利要求1至5中任一项所述的用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道，设置在所述中空散热腔体的内表面上，其利用所述散热工质在所述用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道的换热表面上发生相变传热，取走设置在所述散热器上的发热器件的热量，并耗散至环境中。
7.根据权利要求6所述的散热器，所述散热器还包括：M个散热翅片，M个所述散热翅片沿所述中空散热腔体外壁的周向排列，其中M≥1；
其中所述散热翅片的表面设置有波纹，其用于扩大所述散热翅片的对流散热面积。
8.根据权利要求6所述的散热器，所述散热工质包含：蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的散热器，所述中空散热腔体的材料为金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物、玻璃、有机高分子材料中的至少一种。
10.一种LED灯，包括：
LED光源；以及
如上述权利要求6至9中任一项所述的散热器，用于为所述LED光源散热；
其中，所述LED光源通过热界面材料与所述散热器的外表面连接，且所述LED光源与所述用于强化沸腾传热的纳米织构开放式通道对应设置在所述中空散热腔体的内外表面上。
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