CN110158127B

CN110158127B - 一种强化传热表面液膜烧干的临界热流密度的方法

Info

Publication number: CN110158127B
Application number: CN201910403905.6A
Authority: CN
Inventors: 潘良明; 钟涛; 宛传聪; 孔繁臣; 王翰宇
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: CN110158127A

Abstract

本发明提供了一种强化传热表面液膜烧干的临界热流密度的方法，将微纳结构材料加入到传热流道底部，使其与流道的底部加热表面紧密接触。基于微纳多孔结构的表面特性，增加了两相沸腾传热时的换热面积，有效的强化传热；基于微纳多孔材料的复杂内部结构，增加汽化核心，增强扰动，强化传热；基于微纳多孔材料相对光滑普通材料强大的毛细力，能及时吸附液体补充到微液层中，延缓液膜烧干时间，增大临界热流密度。

Description

一种强化传热表面液膜烧干的临界热流密度的方法

技术领域

本发明涉及沸腾汽液两相流传热领域，具体是基于微纳结构的毛细力、大量的汽化核心以及远超光滑平面的换热面积达到强化传热表面液膜烧干的临界热流密度的目的。

背景技术

微电子领域遵循摩尔定律飞速发展,伴随晶体管集成度的不断提高,高速电子器件的热密度已达5～10MW/m2,散热已经成为其发展的主要“瓶颈”。

具有更高面积体积比的微通道换热器取代传统换热装置已成必然趋势，微纳加工工艺被提出并不断发展使得目前微纳结构的制造成本大大降低。

现有的技术并不能保证无论是微尺度还是正常尺寸的换热器有很高的临界热流密度，在异常运行时都伴随着很大的设备烧毁的危险。

微纳结构与微通道相结合以进一步提高换热设备的换热面积，提高换热能力，但同时又进一步缩小了换热设备的体积。

在对嵌入式技术及高性能运算依赖程度较高的航空航天、现代医疗、化学生物工程等诸多领域将会有非常广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种强化传热表面液膜烧干的临界热流密度的方法，其特征在于，包括以下步骤:

1)电镀液的制备

根据待强化的电子器件表面材料，配置与之对应的电镀液；所述电镀液的沉积金属能够形成强化的电子器件表面上的电镀层；

2)电镀

2.1)除油

将电子器件的表面除油，即形成清洗、干燥的待电镀基底；

2.2)打磨处理

将所述待电镀基底打磨光滑；

2.3)绝缘处理

采用绝缘材料对电子器件表面除了待电镀基底的其余部分进行保护；

2.4)在待电镀基底上先滴加电镀液以湿润表面。

2.5)将多孔阳极氧化铝模板置于湿润的待电镀基底，利用液体张力，使得多孔模板模板与待电镀基底紧贴在一起；

2.6)将电子器件置于步骤1)所配置的电镀液中进行电镀；

3)电镀完成后，采用氢氧化钠去除所述多孔阳极氧化铝模板，即完成对电子器件的表面强化。

进一步，所述待强化的电子器件表面材料为无氧铜基底，所述电镀液的制备包括以下步骤：

1.1)将去离子水加热到50～55℃；

1.2)将焦磷酸钾溶解加入到加热后的去离子水中搅拌溶解；所述焦磷酸钾与离子水的重量(g)体积(mL)比为1～1.5：4；

1.3)将焦磷酸铜粉末加入步骤1.2)所得的混合液中；所述焦磷酸钾与焦磷酸铜与重量比为25～26：6；

1.4)将柠檬酸三铵加入步骤1.2)所得的混合液中；搅拌均匀；所述焦磷酸钾与柠檬酸三铵的重量比为25～26：2；

进一步，电镀过程中，pH值控制在8.3～9.0之间；温度调节到 20～22℃；工作电极与对电极的距离是3～4cm；

工作电极、辅助电极和参比电极通过导线引出后放入到电镀液溶液中与电化学分析仪相连，电化学分析仪的电位调至-1.45～-1.5V，接通电源，电镀时间为50～60min；

进一步，所述待强化的电子器件表面材料为不锈钢基底，所述电镀液成分和浓度为：

进一步，电镀过程中，pH值控制在3～4之间；温度调节到49～51℃；工作电极与对电极的距离是3～3.5cm；

工作电极、辅助电极和参比电极通过导线引出后放入到电镀液溶液中与电化学分析仪相连，电化学分析仪的电流密度调至9～10A/dm²，接通电源，电镀时间为50～60min；

进一步，所述多孔模板是多孔阳极氧化铝模板；多孔阳极氧化铝模板的孔径为200～250nm、厚度为50～55μm、长×宽＝10～10.5×10～10.5mm；

进一步，所述多孔模板是聚碳酸酯膜模板；

聚碳酸酯膜模板的孔径为200～250nm、厚度为50～55μm、长×宽＝10～10.5×10～10.5mm；

进一步，氢氧化钠溶液的浓度为1～3mol/L。

本发明解决了在传热表面伴随着液膜烧干从而导致加热面烧毁的问题，强化传热表面液膜烧干的临界热流密度，其技术效果是毋庸置疑的，通过在两相流道基底制备出微纳结构，很好的强化传热表面液膜烧干的临界热流密度。具体地：

1)本发明能够在流道基底产生均匀且与基底连接紧密的微纳结构

2)本发明在基底产生的微纳结构可以很好地强化传热表面液膜烧干的临界热流密度。

附图说明

图1为强化传热表面液膜烧干的临界热流密度试验段结构图；

图2为强化传热表面液膜烧干的临界热流密度的系统回路图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

一种强化传热表面液膜烧干的临界热流密度的方法，其特征在于，包括以下步骤:

1)电镀液的制备

所述待强化的电子器件表面材料为无氧铜基底，所述电镀液的制备包括以下步骤：

1.1)将1000mL去离子水加热到50℃；

1.2)将250g焦磷酸钾溶解加入到加热后的去离子水中搅拌溶解；

1.3)将60g焦磷酸铜粉末加入步骤1.2)所得的混合液中；

1.4)将20g柠檬酸三铵加入步骤1.2)所得的混合液中；搅拌均匀；

2)电镀

2.1)除油

除油主要是为了防止铜件残留的油渍等影响电镀效果。首先将基底放入丙酮1h中去除表面的油渍，然后用去离子水清洗数次，再放入质量分数为10％的硫酸溶液中经超声波清洗半小时以去除表面的氧化层。最后再用去离子水清洗干净后，烘干；

2.2)打磨处理

将步骤2.1)所得到的经过除油的无氧铜基底依次用300#、600#、 1000#、1400#、2000#的晶向砂纸打磨，使其表面光滑。非常有利于接下来电镀实验的进行；

2.3)绝缘处理

采用绝缘材料对电子器件表面除了待电镀基底的其余部分进行保护；在本实施例中，用玻璃胶作为绝缘材料涂抹在电子器件的其余部分；

2.4)在待电镀基底上先滴加电镀液以湿润表面。

2.5)将多孔阳极氧化铝模板置于湿润的待电镀基底，利用液体张力，使得多孔模板模板与待电镀基底紧贴在一起；多孔阳极氧化铝模板的孔径为200nm、厚度为50μm、长×宽＝10×10mm；

2.6)将电子器件置于步骤1)所配置的电镀液中进行电镀；

电镀过程中，pH值控制在8.3～9.0之间；温度调节到20℃左右；工作电极与对电极的距离是3cm；

工作电极、辅助电极和参比电极通过导线引出后放入到电镀液溶液中与电化学分析仪相连，电化学分析仪的电位调至-1.5V，接通电源，电镀时间为60min；

3)电镀完成后，采用氢氧化钠去除所述多孔阳极氧化铝模板，即完成对电子器件的表面强化，即在基底表面形成了厚度在5-100 μm之间的微纳结构层2。本实施例的氢氧化钠溶液的浓度为3mol/L，去除所述多孔阳极氧化铝模板时间约30min。

测试：

参见图1，图中模拟了经过实施例1处理的电子器件的工作环境。图中包括冷却液体1、微纳结构层2、金属通道3、保温结构6 、加热块5、硅脂4 。

所述微纳结构层2即是电子器件表面的微纳结构层，即制备在光滑的平面(曲面)上的一层多孔介质。模拟的冷却液体1是去离子水或者其他冷却剂，所述冷却液体1在微纳结构层上流动；

所述金属通道3为一光滑的平面(曲面)，即是电子器件表面基底。所述微纳结构层2制备在所述金属通道3上，所述微纳结构层2与所述金属通道3 紧密连接；所述保温结构 6为聚四氟乙烯保温桶，所述加热块5 嵌套在所述保温装置中；

所述金属通道3平行紧密的与所述加热块 5连接，在金属平行通道与加热块中间均匀的涂上硅脂4。

参见图2，采用了包括齿轮泵、质量流量计、冷凝换热器、储液罐、微纳结构材料、恒温水浴锅数据采集系统、汽液两相流道，、热电偶、加热棒和电源的测试系统，测试时包括以下步骤：

1)将所述微纳结构材料(经过实施例1处理的电子器件)制备在所述汽液两相流道中；

所述汽液两相流道为铜基，所述微纳结构为铜纳米线；

2)将所述齿轮泵、质量流量计、冷凝换热器、储液罐、恒温水浴锅、汽液两相流道、电源按照规定的位置与顺序安装为一个完整的回路，从所述汽液两相流道中引出热电偶线连接到数据采集系统，加热装置放置在汽液两相流道下方提供热量；

3)准备就绪后，打开微通道实验系统回路中的所有阀门；

4)通过电脑上的流量计操作面板开启齿轮泵和流量计，使去离子水工质在实验系统回路中循环流动

5)待流动稳定后，打开恒温浴锅，将流经浴锅的工质预热到预先设定的实验段入口温度，涉及道德实验过程主要包括如下：

5.1)维持入口温度始终恒定，定流量，变功率

5.2)首先维持泵入能量恒定，再定入口温度，变功率

6)打开数据采集程序，对实验过程中的温度、电压、电流、流量等数据进行监测

7)通过对得到的数据进行处理，得到临界热流密度和换热系数在不同质量流量的情况下提升结果如下表：

实施例2：

1)电镀液的制备

本实施例中，所述待强化的电子器件表面材料为不锈钢基底，所述电镀液成分和浓度为：

2)电镀

2.1)除油

将电子器件的表面除油，即形成清洗、干燥的待电镀基底；除油主要是为了防止基底残留的油渍等影响电镀效果。首先将基底放入丙酮1h中去除表面的油渍，然后用去离子水清洗数次，再放入质量分数为10％的硫酸溶液中经超声波清洗半小时以去除表面的氧化层。最后再用去离子水清洗干净后，烘干；所述的基底是304不锈钢基底；

2.2)打磨处理

将步骤2.1)所得到的经过除油的304不锈钢基底依次用300#、600#、 1000#、1400#、2000#的晶向砂纸打磨，使其表面光滑。非常有利于接下来电镀实验的进行；

2.3)绝缘处理

2.4)在待电镀基底上先滴加电镀液以湿润表面。

2.5)将多孔阳极氧化铝模板置于湿润的待电镀基底，利用液体张力，使得多孔模板模板与待电镀基底紧贴在一起；多孔模板是聚碳酸酯膜模板，孔径为200nm、厚度为50μm、长×宽＝10×10mm；

2.6)将电子器件置于步骤1)所配置的电镀液中进行电镀；

电镀过程中，pH值控制在3～4之间；温度调节到50℃；工作电极与对电极的距离是3cm；

工作电极、辅助电极和参比电极通过导线引出后放入到电镀液溶液中与电化学分析仪相连，电化学分析仪的电流密度调至10A/dm²，接通电源，电镀时间为60min；

3)电镀完成后，采用氢氧化钠去除模板，即完成对电子器件的表面强化，即在基底表面形成了厚度在5-100μm之间的微纳结构层 2。本实施例的氢氧化钠溶液的浓度为3mol/L，去除模板时间约30min。

Claims

1.一种强化传热表面液膜烧干的临界热流密度的方法，其特征在于，包括以下步骤:

1）电镀液的制备

2）电镀

2.1)除油

将电子器件的表面除油，即形成清洗、干燥的待电镀基底；

2.2）打磨处理

将所述待电镀基底打磨光滑；所述待强化的电子器件表面材料为无氧铜基底或不锈钢基底；

2.3）绝缘处理

2.4）在待电镀基底上先滴加电镀液以湿润表面；

2.5）将多孔模板置于湿润的待电镀基底，利用液体张力，使得多孔模板与待电镀基底紧贴在一起；

2.6）将电子器件置于步骤1）所配置的电镀液中进行电镀；

采用无氧铜基底时，电镀过程中，pH值控制在8.3~9.0之间；温度调节到20~22℃；工作电极、辅助电极和参比电极通过导线引出后放入到电镀液中与电化学分析仪相连，电化学分析仪的电位调至-1.45~-1.5V，接通电源，电镀时间为50~60min；所述待强化的电子器件表面材料为无氧铜基底时，所述电镀液的原料为：去离子水、焦磷酸钾、焦磷酸铜和柠檬酸三铵；

采用不锈钢基底时，电镀过程中，pH值控制在3~4之间；温度调节到49~51℃；工作电极、辅助电极和参比电极通过导线引出后放入到电镀液溶液中与电化学分析仪相连，电化学分析仪的电流密度调至9~10A/dm²，接通电源，电镀时间为50~60min；所述待强化的电子器件表面材料为不锈钢基底时，所述电镀液原料为：Cr₂(SO4)₃·6H₂O、K₂SO₄+Na₂SO₄、H₃BO₃、CH₄N₂S和羟基二丁酸；

3）电镀完成后，采用氢氧化钠去除所述多孔模板，即完成对电子器件的表面强化。

2.根据权利要求1所述的一种强化传热表面液膜烧干的临界热流密度的方法，其特征在于：

电镀过程中，采用无氧铜基底时，工作电极与对电极的距离是3~4cm。

3.根据权利要求1所述的一种强化传热表面液膜烧干的临界热流密度的方法，其特征在于：采用不锈钢基底时，工作电极与对电极的距离是3~3.5cm。

4.根据权利要求3所述的一种强化传热表面液膜烧干的临界热流密度的方法，其特征在于：

所述多孔模板是多孔阳极氧化铝模板；多孔阳极氧化铝模板的孔径为200~250nm、厚度为50~55μm。

5.根据权利要求4所述的一种强化传热表面液膜烧干的临界热流密度的方法，其特征在于：

所述多孔模板是聚碳酸酯膜模板；

聚碳酸酯膜模板的孔径为200~250nm、厚度为50~55μm。

6.根据权利要求5所述的一种强化传热表面液膜烧干的临界热流密度的方法，其特征在于：氢氧化钠溶液的浓度为1~3mol/L。