CN109764737B - 制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面，包括基底和微翅片组单元；基底上至少设有一个微翅片组单元；微翅片组单元由四个几何参数完全一致的四面体形微翅片组成；微翅片表面镀有一层过渡层；过渡层外表面有一层多孔涂层；基底和微翅片采用同种金属或者非金属材料制成；过渡层和多孔涂层分别由金属材料和多孔泡沫金属材料制成。本发明专利通过在基底上设置多个由四个四面体形微翅片组成的微翅片组单元形成制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面，在大功率CPU芯片、LED、激光武器及雷达等技术领域，作为强化换热的结构表面使用，具有空间利用率高、节省相变冷却液、体积小、换热效率高等优点。

Description

制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面

技术领域

本发明属于换热技术领域，具体涉及一种制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面。

背景技术

随着互联网、人工智能与大数据等高新技术与集成电路技术的快速发展，电子芯片如CPU、GPU功率密度越来越大，据预测到2020年，处理器芯片功率密度可达300W/cm²。由于工作过程中热量积聚导致温度升高，芯片性能与寿命均会大幅度下降。同样，在大功率LED芯片应用领域，芯片密集化程度不断升高、功率密度不断增大。由于发光效率仅有20～30％，约70～80％的功耗被转换为低品质的热能。散热不佳会导致LED温度升高，造成光谱偏移、寿命降低等问题。其它大功率芯片与电子器件如激光器、雷达等不仅是军事上必不可少的电子设备，而且广泛应用于如气象预报、资源探测、天体研究等社会经济发展和科学研究领域中，其热管理也成为众多学者研究的热点与难点问题，以半导体激光器芯片为例，其工作峰值功率超过1000W/cm²，平均功率接近500W/cm²。传统散热方式(如空气或水的强制对流、热管散热、水冲击射流冷却、微通道散热)仅利用了工质的显热与部分潜热，冷却能力受限，越来越难以达到预期的热控制要求，难以实现大功率芯片/电子器件的低温高效散热。同时装置体积庞大、成本高，难以用于震动、高温等复杂环境中。目前，散热问题已成为制约大功率芯片/电子器件工作性能与使用寿命进一步提升的主要瓶颈。

基于低沸点高挥发性制冷剂介质闭式循环闪蒸喷雾冷却系统具有结构紧凑、传热系数高、冷却均匀、所需工质流量小、能耗低且无污染等优点，是一种经济且能够实现低温条件下高效散热的冷却方式。当制冷剂高压液体突然进入低压环境时，由于液体温度高于低压环境下对应的饱和温度，非平衡的过热状态会导致剧烈相变破碎雾化形成闪蒸喷雾，生成大量细小低温液滴冲击表面。闪蒸喷雾在换热表面发生强烈的对流与沸腾相变传热，能够在极短时间内完全相变气化，壁面不易形成阻碍换热的液膜。相比其它散热方式，制冷剂闪蒸喷雾冷却散热能力更强。

进一步地，辅以强化换热的表面翅片宏观与微纳多孔微观结构，可以强化制冷剂闪蒸喷雾冷却性能，保证在芯片、电子器件安全工作温度条件下实现高效散热，从而提高其工作性能，保证安全运行和延长工作寿命。

针对制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却相变传热，前人已开展了诸多研究。除了改变冷却介质(R600a、R22、R134a)、喷雾宏观参数(如喷嘴结构、喷雾距离、冲击角度等)以优化冷却性能外，改变冷却表面的结构或形貌等理化参数已经成为制冷剂喷雾冷却传热强化的重要方面。前人研究提出了方柱型、圆柱型、金字塔型等增强表面换热面积的翅片形式，或者通过改变冷却基底表面粗糙度以改变表面形核能力，从而增加相变换热。这些翅片以及基底基本通常采用导热系数较高的铜或铝等材质。这些增强换热方式，在中低等功率下能较好的满足芯片散热需要，据统计，现阶段针对制冷剂喷雾冷却散热热流密度还未达到300W/cm²，在高功率甚至是超大功率的情况下它们便无法满足芯片低温高效散热的需要。除此之外，由于方柱型、圆柱型、金字塔型等几何形状容易出现空间利用率不高、底部液体微对流较弱、基底散热不均匀的情况。总体来说，目前采用的强化换热手段通常只是简单的改变表面宏观翅片结构，或者改变表面的粗糙度来实现，或者只是在没有翅片的光滑表面制备涂层来实现，它们在单方面性能较为突出且一般适用于中低功率芯片散热，但是市面上并没有一种能同时兼具上述强化手段优点并适用于大功率芯片低温高效散热的复合结构表面。

发明内容

本发明目的在于提供一种适应于制冷剂闭式循环闪蒸喷雾的四面体形冷却强化换热的复合结构表面，以解决上述在半导体、LED及雷达等技术领域芯片集成度及功率不断增加但散热能力不足，空间利用率不高，底部液体微对流较弱，基底散热不均匀等问题。本发明能对大功率芯片进行高效散热，同时还能高效利用空间并增加底部液体微对流程度以维持芯片表面均匀低温，故具有散热效率高、散热均匀性好、空间利用率高、体积小等优点。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面，包括基底和微翅片组单元；所述基底上设有至少一个微翅片组单元；

所述微翅片组单元包括多个微翅片；所述微翅片的表面为由基底材料和多孔散热层构成的复合结构；每个微翅片为四面体形；多个微翅片高度相同；

所述微翅片与所述基底均由同一材料制成。

所述微翅片组单元底部为正方形，边长为500μm-1000μm。

所述微翅片是由所述微翅片组单元底部正方形的两条对角线交叉形成的四个直角等腰三角形中的一个为底面，形成高度相同的四个四面体。

微翅片的顶点在基底面的投影位于底面重心，所述微翅片的高为500μm-1000μm。

所述微翅片组单元与所述基底为一体成型；所述基底厚度为0.5-1cm。

所述基底材料由碳化硅或者CVD金刚石、铜、铝、银中的一种材料制成；所述多孔散热层为多孔泡沫金属涂层，多孔泡沫金属涂层由铜或者铝中的一种材料制成。

所述多孔散热层为多孔结构，其孔径直径为5μm-25μm；所述多孔散热层的厚度为5μm-25μm。

所述基底材料和多孔散热层之间设置有一过渡层；所述过渡层由Ti/Au复合镀层材料、铬、铜、铝、镍或者锌中的一种材料制成，具体根据基体材料与多孔散热层材料属性进行选择。

所述过渡层采用电镀沉积法与所述基底材料结合；所述多孔散热层采用电镀沉积法与所述过渡层结合。

多个微翅片组单元在基底上周期排列。

相对于现有的散热结构表面，本发明具有以下有益效果：

本发明的四面体形微翅片组单元，在有限的正方形组单元基底底面上，通过划分成四个全等的等腰三角形并以此扩展出四个完全一致的四面体形结构，能有效增加相变冷却液滴与微翅片的撞击面积进而提高撞击换热强度。同时，相对其他几何结构，此四面体组单元结构能有效增加微翅片之间底部的微流道数目，进一步增加了底部液体微对流速度，提高了换热时流体的扰动剧烈程度以及对基底表面散热温度的均匀化程度，从而有效地解决了空间利用率不足、散热效率不高、基底表面散热不均匀的问题，符合高效节省的原则。

本发明设计的多孔泡沫金属涂层，通过使高热导率的金属泡沫化，增加其孔隙度以及孔的数目，一方面增加了四面体形微翅片表面对微翅片底部之间的微流道内冷却液的毛细力，使冷却液体沿着四面体形微翅片的三个三角形侧面上升时不断沸腾，从而进一步增强冷却效果。另一方面，多孔泡沫金属镀层的多孔性能间接增加四面体形微翅片表面的粗糙度，增加了汽化核心数，从而进一步增强了相变冷却效果，有效地解决了目前市场上大功率芯片散热不足以及对微流道中的相变冷却液利用不足的问题，符合节能减排中高效节省的理念。

本发明利用的基底材料均具有高的导热率，可在单位时间有限面积上传递更多的热量，从而有效地解决了市面上在大功率下芯片散热性能不足的问题。

本发明设计的四面体形微翅片组单元的表面粗糙度较大，从而有利于相变换热时气泡的形成，从而进一步增强了相变换热的效果。

本发明兼具目前常用的多种强化换热方式的优点，冷却效果显著、冷却速度快、体积小、单位面积上空间利用率高、相变冷却液利用率高、便携性好，节能高效，适用于大功率下芯片散热的场合。

附图说明

图1为本发明一种制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面的俯视图；

图2为复合结构表面的结构示意图；

图3为复合结构表面的侧视图；

图4为复合结构表面复合材料的结构截面图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一种制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面的结构示意图，如图1所示：制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面，包括基底1和微翅片组单元3；所述基底1上设有至少一个所述微翅片组单元3，所述微翅片组单元3包括多个微翅片2；多个所述微翅片2高度相同；微翅片组单元由四个几何参数完全一致的四面体形微翅片组成；且每个所述微翅片2为四面体形；所述微翅片2与所述基底1均由同一材料制成。

优选地，所述微翅片组单元3底部为正方形，边长w或d为500μm-1000μm；所述微翅片2是由所述微翅片组单元3底部正方形的两条对角线交叉形成的四个直角等腰三角形中的一个为底面，形成高度相同的四个四面体；所述微翅片2的高h为500μm-1000μm，顶部为倾斜面，顶点在基底面的投影位于底面重心。

具体实施时，所述复合结构表面由所述基底1和所述微翅片组单元3周期排列构成，并且为一体成型，采用在一块材料板上激光切割制成的方法加工。

为了增加换热效率，本发明制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面通过在翅片上电镀一层具有多孔结构的多孔泡沫金属涂层，具有增加毛细力以及增加相变换热过程中的汽化核心数从而提高相变换热能力的优点。

优选地，所述基底材料4由碳化硅或者CVD金刚石、铜、铝、银中的一种材料制成；所述多孔泡沫金属涂层5由铜或者铝中的一种材料制成。

优选地，所述多孔泡沫金属涂层5为多孔结构，其孔径直径为5μm-25μm；所述多孔泡沫金属涂层5的厚度为5μm-25μm。

优选地，所述基底材料4和所述多孔泡沫金属涂层5之间有一过渡层6；所述过渡层6由Ti/Au复合镀层材料、铬、铜、铝、镍或者锌中的一种材料制成。具体基体材料与多孔散热层材料属性进行选择。例如，Ti/Au复合镀层材料用于与铜、碳化硅或者CVD金刚石多孔散热层连接；铬用于与铝与碳化硅或者CVD金刚石多孔散热层连接；镍用于与铜、铝或者银孔散热层连接；锌用于与铝与银多孔散热层连接。

优选地，所述过渡层6采用电镀沉积法与所述基底材料4结合；所述多孔泡沫金属涂层5采用电镀沉积法与所述过渡层6结合。

具体实施时，先在所述基底材料4电镀很薄的一层所述过渡层6材料，再电镀所述多孔泡沫金属涂层5，以使多孔泡沫金属涂层与基底材料紧密结合。

尽管本文中较多的使用了诸如基底，微翅片组单元，翅片，镀层，过渡层等术语，似并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都足与本发明精神相违背的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面，其特征在于：包括基底(1)和微翅片组单元(3)；所述基底(1)上设有至少一个微翅片组单元(3)；

所述微翅片组单元(3)包括多个微翅片(2)；所述微翅片(2)的表面为由基底材料(4)和多孔散热层构成的复合结构；每个微翅片(2)为四面体形；多个微翅片(2)高度相同；

所述微翅片(2)与所述基底(1)均由同一材料制成；

所述微翅片(2)是由所述微翅片组单元(3)底部正方形的两条对角线交叉形成的四个直角等腰三角形中的一个为底面，微翅片(2)的顶点在基底面的投影位于底面重心，形成高度相同的四个四面体；

所述多孔散热层为多孔结构，其孔径直径为5μm-25μm；所述多孔散热层的厚度为5μm-25μm；

所述基底材料(4)和多孔散热层之间设置有一过渡层(6)；所述过渡层(6)由Ti/Au复合镀层材料、铬、铜、铝、镍或者锌中的一种材料制成；

所述微翅片组单元的表面粗糙。

2.根据权利要求1所述的制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面，其特征在于：所述微翅片组单元(3)底部为正方形，边长为500μm-1000μm。

3.根据权利要求1所述的制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面，其特征在于：所述微翅片(2)的高为500μm-1000μm。

4.根据权利要求1所述的制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面，其特征在于：所述微翅片组单元(3)与所述基底(1)为一体成型；所述基底(1)厚度为0.5-1cm。

5.根据权利要求1所述的制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面，其特征在于：所述基底材料(4)由碳化硅或者CVD金刚石、铜、铝、银中的一种材料制成；所述多孔散热层为多孔泡沫金属涂层(5)，多孔泡沫金属涂层(5)由铜或者铝中的一种材料制成。

6.根据权利要求1所述的制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面，其特征在于：所述过渡层(6)采用电镀沉积法与所述基底材料(4)结合；所述多孔散热层采用电镀沉积法与所述过渡层(6)结合。

7.根据权利要求1所述的制冷剂闭式循环闪蒸喷雾冷却强化换热的复合结构表面，其特征在于：多个微翅片组单元(3)在基底(1)上周期排列。

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