CN110267485B - 一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构 - Google Patents

一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种蒸发‑沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构，包括补液通道下基板，补液通道下基板的中部设置有第一凹槽，第一凹槽的中部设置有第二凹槽，第二凹槽的中部设置有槽道，蒸发‑沸腾毛细芯的基底设置在第二凹槽中，蒸发‑沸腾毛细芯的底部溅射有ITO加热膜，绝热材料布置在ITO加热膜的底部，且绝热材料设置于槽道中，补液毛细芯设置在第一凹槽中，且补液毛细芯布置在蒸发‑沸腾毛细芯的四周，补液通道上基板设置在补液毛细芯上侧，补液通道上基板的中部设置有通槽，通槽中设置有纳米蒸发膜，且纳米蒸发膜覆盖在蒸发‑沸腾毛细芯的上侧，补液通道下基板和补液通道上基板之间形成补液通道，且补液通道与补液毛细芯的通道连通。

Description

一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构
技术领域
本发明涉及微纳米传热学中微小空间的薄膜相变传热领域，具体涉及一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构。
背景技术
随着微处理器、太阳能电池、激光二极管以及射频功率放大器等各种电子设备的快速发展，电子器件迅速呈现微型化、集成化两大趋势。沸腾换热是通过大量汽泡的生成、成长和脱离将工质由液态转换到汽态的一种剧烈汽化过程，与传统的风冷和对流换热相比，换热系数具有量级的差别，因此是一种非常有效的散热方式。相变机理的基础研究表明，核态沸腾换热的主要机制在于三相接触线区的动态薄液膜的蒸发。而另外一种相变传热——薄膜蒸发也主要依赖于靠近三相接触线的延伸弯月面汽-液界面上一层薄膜(几微米)的相变，其能加速蒸发的原理是在减压条件下，液体形成薄膜而具有极大的汽化表面积，液体直接蒸发为汽体，实现了汽体脱离通道和液体供应通道的绝对分离，能够迅速带走热量，有潜力解决热通量超过1000W/cm2的散热问题。同时，目前狭小空间热管理设备主要包括毛细泵环、环路热管、脉动热管、微小型热管等，而作为核心器件的毛细芯或结构中都涉及蒸发-沸腾耦合换热，由于液体层较薄，气泡产生、长大并最终在表面破裂，而非直接从加热表面脱离，此时的沸腾特性与大空间池沸腾换热特性有明显区别。然而，目前薄膜蒸发与核态沸腾的转变机制尚不清楚，如何将微小区域内(毫米级别)的超高热流密度散热能力扩展到更大的区域，同时延缓加热面中心或局部热点的干烧问题也面临挑战。因此，基于薄液膜蒸发高效换热原理，从强化液体补充机制的角度出发，开发蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯结构，对于设计适用于常重力/微重力条件下超高热流密度的毛细芯结构意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构，以克服现有技术存在的问题，本发明的薄膜蒸发实现了汽液通道的绝对分离，而薄膜下的沸腾换热也在一定程度上实现了汽液通道的分离，可大幅提高相变换热能力。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构，包括补液通道下基板，蒸发-沸腾毛细芯，ITO加热膜，绝热材料，补液毛细芯，补液通道上基板，纳米蒸发膜和补液通道；
补液通道下基板的中部设置有第一凹槽，第一凹槽的中部设置有第二凹槽，第二凹槽的中部设置有槽道，蒸发-沸腾毛细芯的基底设置在第二凹槽中，蒸发-沸腾毛细芯的底部溅射有ITO加热膜，绝热材料布置在ITO加热膜的底部，且绝热材料设置于槽道中，补液毛细芯设置在第一凹槽中，且补液毛细芯布置在蒸发-沸腾毛细芯的四周，补液通道上基板设置在补液毛细芯上侧，补液通道上基板的中部设置有通槽，通槽中设置有纳米蒸发膜，且纳米蒸发膜覆盖在蒸发-沸腾毛细芯的上侧，补液通道下基板和补液通道上基板之间形成补液通道，且补液通道与补液毛细芯的通道连通。
进一步地，补液通道下基板的高度h1为5mm-10mm，长度和宽度均为l1，且l1为40mm，第一凹槽的尺寸为(l1-2l2)×(l1-2l2)×h2，其中l2为2mm，h2＝0.5h1，第二凹槽的尺寸为l3×l3×h3，其中l3为16mm，h3为0.5mm，槽道的尺寸为l4×l4×(h1-h2-h3)，其中l4为10mm。
进一步地，蒸发-沸腾毛细芯包括尺寸为l3×l3×h3的正方形硅片，其中l3为16mm，h3为0.5mm，正方形硅片中心10mm×10mm的区域加工有微米级的圆柱微结构，圆柱微结构直径d1为30-300μm，高度h4为100-1000μm。
进一步地，补液毛细芯包括内部通道和外围通道，外围通道的中心设有方形孔，内部通道包括设置在方形孔的四个侧壁中心的直通道以及设置在四个直通道交汇处的圆环通道，且直通道与外围通道和圆环通道均连通。
进一步地，外围通道的尺寸为l3×l3×h5，其中l3为16mm，h5为500μm-1000μm，方形孔的尺寸为l4×l4，直通道的宽度w1为300μm-400μm，高度h6＝0.5h4，圆环通道的内径d2为1000μm，圆环通道的外径d3＝d2+2w1。
进一步地，所述圆柱微结构布置在圆环通道的中心圆以及直通道与外围通道形成的空间中，中心圆中或直通道与外围通道形成的空间中相邻的圆柱微结构之间的间距s1＝2d1。
进一步地，内部通道的上表面和圆柱微结构的上表面位于同一水平面。
进一步地，补液通道上基板的外围尺寸为l5×l5×h7，其中l5为30mm，h7＝h2-h5，补液通道上基板中部的通槽尺寸为l4×l4×h7。
进一步地，纳米蒸发膜包括尺寸为l4×l4×h8的方形薄板，其中l4为10mm，薄板上均匀加工有若干纳米级微孔，微孔直径d4为10nm-50nm，相邻微孔的中心间距s2为20nm-100nm，微孔高度h8为50nm-100nm，所述纳米蒸发膜与蒸发-沸腾毛细芯通过键合技术耦合在一起。
进一步地，所述薄板为多孔阳极氧化铝膜或石墨烯纳米薄膜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明蒸发-沸腾毛细芯底部与ITO加热膜热源直接接触，作为换热发生的主要区域；同时设计补液通道，在补液毛细芯上部加补液通道上基板，以保持蒸发-沸腾毛细芯的液面高度，防止液面高于蒸发-沸腾毛细芯，使蒸发-沸腾毛细芯上只能发生薄膜蒸发或蒸发-沸腾耦合换热；纳米蒸发膜形成更多的纳米级延伸弯月面区，可极大地提高液体毛细泵吸能力和纯薄膜蒸发换热能力，本发明实现了汽体脱离通道和液体供应通道的绝对分离，而薄膜下的沸腾换热也在一定程度上实现了汽液通道的分离，可大幅提高相变换热能力，进一步实现超高热流密度的散热。
进一步地，补液毛细芯的内部通道延伸到蒸发-沸腾毛细芯内部且并不与热源接触，缩短加热面中心的供液距离，可在热源面积较大或局部热点较多的情况下仍可及时供应液体，维持毛细芯组合结构的超高热流密度换热性能。
进一步地，通过设计蒸发-沸腾毛细芯微米级柱状微结构的高度可控制薄膜蒸发与核态沸腾的相互转变，从而针对不同热流密度而选择不同的相变模式。
进一步地，从补液机制出发，不仅可以利用补液毛细芯为蒸发-沸腾毛细芯提供液体，通过补液毛细芯的设计，还可有效抑制加热面中心或局部热点干斑的产生，更重要的是该设计可以使现有的超高热流密度散热技术推广到大尺度换热面。
进一步地，在蒸发-沸腾毛细芯上方通过键合技术覆盖一层纳米薄膜，由于纳米薄膜可形成更多的纳米级延伸弯月面区，具有极大的蒸发换热能力和液体毛细泵吸能力，可进一步强化纯蒸发换热性能。
进一步地，本发明通过尺寸设计，能够解决热流密度超高1kW/cm2的散热需求。
附图说明
图1为本发明蒸发-沸腾耦合补液毛细芯结构示意图；
图2-1为本发明补液通道下基板三维图；
图2-2为本发明补液通道下基板俯视图；
图3-1为本发明蒸发-沸腾毛细芯三维图；
图3-2为本发明蒸发-沸腾毛细芯俯视图；
图4-1为本发明补液毛细芯三维图；
图4-2为本发明补液毛细芯俯视图；
图5-1为本发明补液通道上基板三维图；
图5-2为本发明补液通道上基板俯视图；
图6-1为本发明纳米蒸发膜三维图；
图6-2为本发明纳米蒸发膜俯视图。
其中，1、补液通道下基板；2、蒸发-沸腾毛细芯；3、ITO加热膜；4、绝热材料；5、补液毛细芯；6、补液通道上基板；7、纳米蒸发膜；8、补液通道；9、内部通道；10、外围通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构，如图1所示，包括补液通道下基板1，蒸发-沸腾毛细芯2，ITO加热膜3，绝热材料4，补液毛细芯5，补液通道上基板6，纳米蒸发膜7，补液通道8，在补液通道下基板1上布置蒸发-沸腾毛细芯2，在蒸发-沸腾毛细芯2底部溅射ITO加热膜3，通过ITO加热膜3给蒸发-沸腾毛细芯2加热，在ITO加热膜3底部布置绝热材料4，防止热量的散失；同时，在蒸发-沸腾毛细芯2四周布置补液毛细芯5，通过将补液毛细芯5的内部通道9延伸到蒸发-沸腾毛细芯2内部且并不与热源接触，缩短加热面中心的供液距离，可在热源面积较大或局部热点较多的情况下仍可及时供应液体，维持毛细芯的超高热流密度换热性能，补液毛细芯5与补液通道上基板6粘合在一起；此外，在蒸发-沸腾毛细芯2上方通过键合技术覆盖一层纳米薄膜7，由于纳米薄膜可形成更多的纳米级延伸弯月面区，具有极大的蒸发换热能力和液体毛细泵吸能力，可进一步强化纯蒸发换热性能；液体通过补液通道8向补液毛细芯外围通道10供液。
如图2-1和2-2所示，补液通道下基板1高度为h1(5mm-10mm)，补液通道下基板1长度和宽度均为l1(40mm)，在补液通道下基板1正上方加工(l1-2l2)(36mm)×(l1-2l2)(36mm)×h2(2.5mm-5mm)的第二凹槽，用于放置补液毛细芯5，补液通道上基板6和补液通道下基板1共同形成补液通道8。在基板高度中心位置(h2＝0.5h1)加工l3(16mm)×l3(16mm)×h3(0.5mm)的第一凹槽，用于固定蒸发-沸腾毛细芯(2)。同时在此微槽下方正中心处加工l4(10mm)×l4(10mm)×(h1-h2-h3)的槽道，用于放置绝热材料4。
如图3-1和3-2所示，蒸发-沸腾毛细芯2包括尺寸为l3(16mm)×l3(16mm)×h3(0.5mm)的正方形硅片，在此正方形硅片中心10mm×10mm的区域加工微米级的圆柱微结构，圆柱微结构直径d1为30-300μm，高度h4为100-1000μm。
补液毛细芯5包括内部通道9和外围通道10，如图4-1和4-2所示，外围通道10的特征尺寸为l3(16mm)×l3(16mm)×h5(500μm-1000μm)，同时加工伸入到蒸发-沸腾毛细芯的内部通道9，外围通道10的中心形成尺寸为l4×l4的方形孔，内部通道9包括设置在方形孔的四个侧壁中心的直通道以及设置在四个直通道交汇处的圆环通道，且直通道与外围通道10和圆环通道均连通，直通道的宽度w1为300μm-400μm，高度h6＝0.5h4，圆环通道的内径d2为1000μm，圆环通道的外径d3＝d2+2w1。内部通道9和外围通道10的相对高度根据蒸发-沸腾毛细芯2的微柱的高度可进行调整，保证补液毛细芯内部通道9上表面与蒸发-沸腾毛细芯2的圆柱微结构上表面在同一水平面。圆柱微结构布置在圆环通道的中心圆以及直通道与外围通道10形成的空间中，中心圆中或直通道与外围通道10形成的空间中相邻的圆柱微结构之间的间距s1＝2d1。
补液通道上基板6与补液通道下基板1形成补液通道8，如图5-1，5-2所示，补液通道上基板6尺寸为l5(30mm)×l5(30mm)×(h7＝h2-h5)，在正中心加工l4(10mm)×l4(10mm)×(h7＝h2-h5)的槽道，用于蒸汽脱离。
纳米蒸发膜7如图6-1，6-2所示，在l4(10mm)×l4(10mm)的薄板上加工纳米级的微孔，微孔直径d4为10nm-50nm，相邻微孔中心间距s2为20nm-100nm，微孔高度h8为50nm-100nm，通过键合技术将纳米蒸发膜7与蒸发-沸腾毛细芯2耦合在一起。
下面结合实施例对本发明做详细描述：
本发明基于薄液膜蒸发高效换热原理，从强化液体补充机制的角度出发，开发蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构，蒸发-沸腾毛细芯2采用微米级柱状微结构，该蒸发-沸腾毛细芯2底部与ITO加热膜3热源直接接触，作为换热发生的主要区域；补液毛细芯5底部无热源，只为蒸发-沸腾毛细芯供应所需液体。同时设计补液通道8，在补液毛细芯5上部设置补液通道上基板6，以保持蒸发-沸腾毛细芯2的液面高度，防止液面高于蒸发-沸腾毛细芯2，使蒸发-沸腾毛细芯2上只可能发生薄膜蒸发或蒸发-沸腾耦合换热。此外，在蒸发-沸腾毛细芯2上方覆盖一层纳米蒸发膜7，由于纳米蒸发膜7可形成更多的纳米级延伸弯月面区，具有极大的蒸发换热能力和液体毛细泵吸能力，可进一步强化纯蒸发换热性能。本发明实现了汽体脱离通道和液体供应通道的绝对分离，进一步实现超高热流密度的散热。
通过反应离子刻蚀技术在加热芯片表面制备微米级柱状阵列结构形成蒸发-沸腾毛细芯2；利用3D打印技术、反应离子技术和等离子感应耦合沉积技术制备补液毛细芯5并对其做亲水处理；然后耦合纳米蒸发膜7(多孔阳极氧化铝膜(AAO)或石墨烯纳米薄膜)，即可完成组合结构的制备。
具体地，蒸发-沸腾耦合补液毛细芯结构组合的设计如下：
1、通过反应离子刻蚀技术在加热芯片表面制备微米级柱状阵列结构形成蒸发-沸腾毛细芯2，采用反应离子技术加工微米级柱状阵列结构，以六氟化硫(SF6)作为刻蚀气体，八氟环丁烷(C4F8)作为保护气，通过调节射频功率、工艺气体的流量、刻蚀周期及时间等工艺参数获得不同结构尺寸、间距及非均匀排布的微柱阵列结构，具体尺寸特征依据实验结果进行调整。同时根据工质热物性的不同，采用等离子感应耦合沉积技术，可对特定区域内的微柱表面进行亲/疏水化修饰，使毛细芯表面可形成更大的延伸弯月面区。
2、在蒸发-沸腾毛细芯2底部溅射氧化铟锡形成ITO加热膜3。
3、利用3D打印技术、反应离子技术制备补液毛细芯5，形成微纳米级的毛细孔或微米级的输液通道，补液毛细芯5包括内部通道9和外围通道10。
4、将蒸发-沸腾毛细芯2与补液毛细芯5装配后，通过键合技术将纳米蒸发膜7(多孔阳极氧化铝膜(AAO)或石墨烯纳米薄膜)与蒸发-沸腾毛细芯2耦合在一起。
5、利用有机玻璃加工补液通道下基板1和补液通道上基板6，将蒸发-沸腾毛细芯2，补液毛细芯5和纳米蒸发膜7封装在补液通道上基板1和补液通道上基板6内部，其中利用绝热胶将蒸发-沸腾毛细芯2与补液通道下基板1粘合在一起，通过粘合剂将补液毛细芯5和补液通道上基板6粘合在一起，补液通道下基板1和补液通道上基板6形成补液通道8，同时在ITO加热膜3下部填充绝热材料4，完成整个毛细芯组合的制备。

Claims (10)

1.一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构，其特征在于，包括补液通道下基板(1)，蒸发-沸腾毛细芯(2)，ITO加热膜(3)，绝热材料(4)，补液毛细芯(5)，补液通道上基板(6)，纳米蒸发膜(7)和补液通道(8)；
补液通道下基板(1)的中部设置有第一凹槽，第一凹槽的中部设置有第二凹槽，第二凹槽的中部设置有槽道，蒸发-沸腾毛细芯(2)的基底设置在第二凹槽中，蒸发-沸腾毛细芯(2)的底部溅射有ITO加热膜(3)，绝热材料(4)布置在ITO加热膜(3)的底部，且绝热材料(4)设置于槽道中，补液毛细芯(5)设置在第一凹槽中，且补液毛细芯(5)布置在蒸发-沸腾毛细芯(2)的四周，补液通道上基板(6)设置在补液毛细芯(5)上侧，补液通道上基板(6)的中部设置有通槽，通槽中设置有纳米蒸发膜(7)，且纳米蒸发膜(7)覆盖在蒸发-沸腾毛细芯(2)的上侧，补液通道下基板(1)和补液通道上基板(6)之间形成补液通道(8)，且补液通道(8)与补液毛细芯(5)的通道连通。
2.根据权利要求1所述的一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构，其特征在于，补液通道下基板(1)的高度h1为5mm-10mm，长度和宽度均为l1，且l1为40mm，第一凹槽的尺寸为(l1-2l2)×(l1-2l2)×h2，其中l2为2mm，h2＝0.5h1，第二凹槽的尺寸为l3×l3×h3，其中l3为16mm，h3为0.5mm，槽道的尺寸为l4×l4×(h1-h2-h3)，其中l4为10mm。
3.根据权利要求2所述的一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构，其特征在于，蒸发-沸腾毛细芯(2)包括尺寸为l3×l3×h3的正方形硅片，其中l3为16mm，h3为0.5mm，正方形硅片中心10mm×10mm的区域加工有微米级的圆柱微结构，圆柱微结构直径d1为30-300μm，高度h4为100-1000μm。
4.根据权利要求3所述的一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构，其特征在于，补液毛细芯(5)包括内部通道(9)和外围通道(10)，外围通道(10)的中心设有方形孔，内部通道(9)包括设置在方形孔的四个侧壁中心的直通道以及设置在四个直通道交汇处的圆环通道，且直通道与外围通道(10)和圆环通道均连通。
5.根据权利要求4所述的一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构，其特征在于，外围通道(10)的尺寸为l3×l3×h5，其中l3为16mm，h5为500μm-1000μm，方形孔的尺寸为l4×l4，直通道的宽度w1为300μm-400μm，高度h6＝0.5h4，圆环通道的内径d2为1000μm，圆环通道的外径d3＝d2+2w1。
6.根据权利要求5所述的一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构，其特征在于，所述圆柱微结构布置在圆环通道的中心圆以及直通道与外围通道(10)形成的空间中，中心圆中或直通道与外围通道(10)形成的空间中相邻的圆柱微结构之间的间距s1＝2d1。
7.根据权利要求5所述的一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构，其特征在于，内部通道(9)的上表面和圆柱微结构的上表面位于同一水平面。
8.根据权利要求5所述的一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构，其特征在于，补液通道上基板(6)的外围尺寸为l5×l5×h7，其中l5为30mm，h7＝h2-h5，补液通道上基板(6)中部的通槽尺寸为l4×l4×h7。
9.根据权利要求5所述的一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构，其特征在于，纳米蒸发膜(7)包括尺寸为l4×l4×h8的方形薄板，其中l4为10mm，薄板上均匀加工有若干纳米级微孔，微孔直径d4为10nm-50nm，相邻微孔的中心间距s2为20nm-100nm，微孔高度h8为50nm-100nm，所述纳米蒸发膜(7)与蒸发-沸腾毛细芯(2)通过键合技术耦合在一起。
10.根据权利要求9所述的一种蒸发-沸腾毛细芯耦合补液毛细芯组合结构，其特征在于，所述薄板为多孔阳极氧化铝膜或石墨烯纳米薄膜。
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