CN110425914B - 一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构，包括下部的嵌入式微通道层和上部的歧管通道层，嵌入式微通道和歧管通道垂直布置，下部的嵌入式微通道层由若干个嵌入式微通道单元组成，每个单元的嵌入式微通道的横截面沿着冷却工质流动方向为矩形渐扩截面，每个单元的嵌入式微通道的外形呈等腰梯形，上部的歧管通道层由呈蛇型的歧管通道组成，相邻两个蛇形通道构成歧管通道的入口和出口。本发明利用层次化的流动结构构建微通道散热器，通过将微通道散热器与纳米超润湿界面、渐扩微通道截面相结合，可同时改善传热特性和阻力特性，在具有较高散热效率情况下，实现微小通道散热器的低阻强化换热。

Description

一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构
技术领域
本发明属于微电子器械系统领域，特别涉及一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构。
背景技术
随着微电子技术的发展和芯片集成度的提高，电子器件的要求越来越苛刻，特征尺寸越来越小，性能也逐渐提升。微电子器械系统和航天科技的迅猛发展带动了微尺度技术的快速发展，出现了超大规模集成电路，同时器件尺度进一步减小，导致集成电路上芯片的发热量迅速增加。集成电路中芯片的热流密度增加至107W/m2，并且热流密度还在保持着继续增大的发展趋势。手机、个人PC等设备，以及各类航天飞行器上的通信和控制中枢系统、高功率激光器和雷达武器系统等核心装备都需使用这些高功率电子芯片。过高的热流密度对电子元器件的热管理带来了严峻的挑战。众所周知热流密度越大，要在微米量级尺度器件上将这些热量带走就越困难，否则，器件就将因为温度过高而失效。特别强调的是，随着温度的增加，电子元器件的失效率呈指数增长，会直接降低设备的可靠性，因此微电子器件的可靠性对温度十分敏感。通常情况下，器件温度在70℃～80℃水平上每增加1℃，电子元器件的可靠性将下降5％，根据10℃法则：电子器件温度每升高10℃，失效率往往会增加一个数量级，据统计超过55％的电子设备失效都是因为温度过高造成的。因此这些电子芯片往往需要性能十分优越的散热冷却装置来维持其正常的工作温度范围。
长期以来，人们已经发展了多种类型的散热冷却装置。根据其不同的工作原理，已有的散热冷却装置可以分为两大类：一类是被称为被动式的散热冷却装置，例如自然对流散热器、热管和热辐射器等。这些被动式散热装置在工作过程中不需要其他的辅助运动部件和额外能耗，在许多领域具有一定的应用优势。但是，传统被动式散热装置的散热效率十分有限，一般只能用于低热流密度器件的散热。另一类是被称为主动式的散热冷却装置，例如强迫对流散热设备、热电制冷设备等。这些主动式散热冷却设备一般都具有比较高的散热效率，已经在军工武器装备和民用电子领域获得了广泛应用。但是在具有较高散热效率的同时，却带来比较高的流动阻力，需要较大的功耗。
传统的散热器为了实现高散热量，其尺寸往往大于元器件本身，此外不均匀的热通量也是一个严重的问题，元器件上经常能观测到热点。随着电子元器件的集成化、小型化和轻便化，人们希望散热冷却装置在具有优越散热性能的同时，不增加相关电子器件的体积、重量和能耗。因此，迫切地需要使用能够在有限体积内有较大换热面积和换热系数的具有微型化、紧凑化和高性能特征的微通道换热器进行冷却。
发明内容
本发明解决的问题是：为克服现有测试技术的不足，本发明设计了一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构，利用层次化的流动结构构建微通道散热器，通过将微通道散热器与纳米超润湿界面、渐扩微通道截面相结合，可同时改善传热特性和阻力特性，在具有较高散热效率情况下，实现微小通道散热器的低阻强化换热。
本发明的技术解决方案：
一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构，包括下部的嵌入式微通道层和上部的歧管通道层，嵌入式微通道和歧管通道垂直布置，
下部的嵌入式微通道层由若干个嵌入式微通道单元组成，每个单元的嵌入式微通道的横截面沿着冷却工质流动方向为矩形渐扩截面，每个单元的嵌入式微通道的外形呈等腰梯形，嵌入式微通道的内壁上涂覆有超亲水涂层，
上部的歧管通道层由呈蛇型的歧管通道组成，相邻两个蛇形通道构成歧管通道的入口和出口，歧管入口通道宽度不大于歧管出口通道宽度，在歧管入口通道的内壁上涂覆有亲水涂层，在歧管出口通道的内壁上涂覆有疏水涂层，
传热结构的入口通道可将冷却工质导流至各个歧管入口，歧管入口通道可将冷却工质导流至嵌入式微通道的各个入口，每个歧管入口的冷却工质经过嵌入式微通道流道分成两股，从相邻的歧管出口流出，如果传热结构内部热量致使冷却工质在嵌入式微通道中沸腾产生气泡，气泡进入歧管出口通道并从歧管出口流出，最终冷却工质与气泡汇集并由传热结构的出口通道流出。
等腰梯形的锐角角度范围为75°～85°。
在可以降低泵耗的扩张的微通中，气泡倾向于向面积较大处移动，对于具有上游曲率半径cu和下游曲率半径cd的细长气泡，单位面积的净表面张力
Figure BDA0002112187670000031
其中σ为气泡的表面张力系数。
超亲水涂层通过在亲水性金属和SiO2表面进行微纳处理而形成，处理后的结构包括纳米线形式。
液滴接触超亲水涂层的接触角范围为0°～5°。
亲水涂层的材料包括铜或铝或Si或SiO2。
液滴接触亲水涂层的接触角范围0°～90°。
疏水涂层的材料包括聚四氟乙烯或氟化聚乙烯或氟碳蜡，液滴接触疏水涂层的接触角范围90°～180°。
歧管入口通道的中心紧贴嵌入式微通道最窄处，歧管出口通道的中心紧贴嵌入式微通道最宽处。
歧管入口通道宽度与嵌入式微通道的最宽处宽度比为5：1-10：1。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出的一种双层分级歧管截面结构由嵌入式微通道和上部的歧管层组成，此结构的散热器具有多个入口和出口，减少了每个散热单元的流道长度，从而降低整体压降，通过冲击射流冷却和减少整体热边界层厚度改善换热性能，嵌入式微通道通过降低整体热阻和热扩散来有效提高散热能力；
(2)本发明提出的一种在上层歧管和下层微通道设置不同的润湿表面，将上层歧管通道的入口部分处理为亲水表面，上层歧管通道的出口部分处理为疏水表面，将下层微通道表面处理为超亲水表面，界面润湿性对沸腾换热有着不同效果：一方面，上层歧管入口通道的亲水性表面及下层微通道的超亲水性表面可显著提高临界热流密度。根据实验结果及经验公式，与光滑普通表面相比，亲水表面的临界热流密度可提高约100％，超亲水表面的临界热流密度可提高约150％；另一方面，上层歧管歧管出口通道的疏水性在低热流密度时能显著提高表面换热系数并促进气体向上运动；差异化的润湿性表面结合了二者优点：在低热流密度时提高表面换热系数，在高热流密度时提高临界热流密度，增加有效热通量；
(3)本发明提出的一种微通道矩形渐扩截面，以气泡生长特征为突破口，由于沸腾产生的气泡在渐扩截面结构的微通道内会受到空间尺度的限制，气泡两端的液膜曲率半径不同，从而在流动方向上产生压力差，理想情况下气泡能借助这种压差在微通道内自行运动，不仅可以降低流动阻力，而且随着干度的增大，换热表面积随之增加，从而达到强化传热的目的；
(4)本发明通过采用直接液体冷却方式，能够将传导热阻减至最小；同时，结构中的接触热阻也将被消除；流体歧管能够将流体从单一入口导流至微流通道的各个入口；从歧管中出来的流体经过位于中心的矩形通道入口垂直射入每个微流散热通道；在每一个微流散热通道中，流体在碰到通道壁时分开向两个不同方向流动，在微流散热通道两端的出口流出并汇入出口工质歧管；
(5)本发明通过表面制备的微纳结构，可以显现出疏水、亲水和超亲水结构，可以极大的减小阻力和强化换热进而达到节约能源的目的。
附图说明
图1为本发明的散热器示意图；
图2为本发明的散热器下层微通道示意图；
图3为本发明的散热器单元示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
微小通道带来比表面积的显著增加，可大大增强单相和两相对流换热能力，但同时也会产生较大的流动阻力，传热强化和阻力增加这对矛盾尚未得到有效解决。此外，界面润湿性是指液体对固体的润湿，是固体表面的一个重要特征。界面润湿性作为一项影响沸腾换热的重要因素，多年来一直是强化沸腾传热技术的热点。界面润湿性对沸腾换热有着不同效果：一方面，亲水性表面可显著提高临界热流密度；另一方面，疏水性在低热流密度时能显著提高表面换热系数。通过将微通道散热器与纳米超润湿界面相结合，可有望同时改善传热特性和阻力特性，实现微小通道的低阻强化换热。
本发明正是通过构建双层分级歧管截面结构，在散热基底上引入多个入口和出口用以输送冷却工质，使得通过任何一组微通道的流动长度明显减少。并在上层和下层管道设置不同的润湿表面，将上层通道的入口部分处理为亲水表面，上层通道的出口部分处理为疏水表面，将下层微通道表面处理为超亲水表面。每个单元的微通道沿着流动方向为矩形渐扩截面，以气泡生长特征为突破口，由于沸腾产生的气泡在渐扩截面结构的微通道内会受到空间尺度的限制，气泡两端的液膜曲率半径不同，从而在流动方向上产生压力差，理想情况下气泡能借助这种压差在微通道内自行运动，不仅可以降低流动阻力，而且随着干度的增大，换热表面积随之增加，从而达到强化传热的目的。本发明利用层次化的流动结构构建微通道散热器，结合纳米超润湿界面和渐扩微通道截面，能够明显提高器件的换热性能，同时减小流动阻力。
包括下部的嵌入式微通道层和上部的歧管通道层，嵌入式微通道和歧管通道垂直布置，
下部的嵌入式微通道层由若干个嵌入式微通道单元组成，每个单元的嵌入式微通道的横截面沿着冷却工质流动方向为矩形渐扩截面，每个单元的嵌入式微通道的外形呈等腰梯形，等腰梯形的锐角角度范围为75°～85°，扩张的微通道可以降低泵耗。在扩张的微通道中，气泡倾向于向面积较大处移动。对于具有上游曲率半径cu和下游曲率半径cd的细长气泡，单位面积的净表面张力为
Figure BDA0002112187670000061
其中σ为气泡的表面张力系数。嵌入式微通道的内壁上涂覆有超亲水涂层，超亲水涂层通过在亲水性金属和SiO2表面进行微纳处理而形成，处理后的结构包括纳米线形式，液滴接触超亲水涂层的接触角范围为0°～5°。
上部的歧管通道层由呈蛇型的歧管通道组成，相邻两个蛇形通道构成歧管通道的入口和出口，歧管入口通道宽度不大于歧管出口通道宽度，在歧管入口通道的内壁上涂覆有亲水涂层，亲水涂层的材料包括铜或铝或Si或SiO2，液滴接触亲水涂层的接触角范围0°～90°；在歧管出口通道的内壁上涂覆有疏水涂层，疏水涂层的材料包括聚四氟乙烯或氟化聚乙烯或氟碳蜡，液滴接触疏水涂层的接触角范围90°～180°。
歧管入口通道宽度与嵌入式微通道的最宽处宽度比为5：1-10：1；
歧管入口通道的中心紧贴嵌入式微通道最窄处，歧管出口通道的中心紧贴嵌入式微通道最宽处；
传热结构的入口通道可将冷却工质导流至各个歧管入口，歧管入口通道可将冷却工质导流至嵌入式微通道的各个入口，每个歧管入口的冷却工质经过嵌入式微通道流道分成两股，从相邻的歧管出口流出，如果传热结构内部热量致使冷却工质在嵌入式微通道中沸腾产生气泡，气泡进入歧管出口通道并从歧管出口流出，最终冷却工质与气泡汇集并由传热结构的出口通道流出。
如图1所示为一种基于纳米超润湿界面的低阻强化散热器示意图，包括上部歧管层和下部嵌入式微通道层，此结构的散热器具有多个入口和出口，减少了每个散热单元的流道长度，从而降低整体压降，通过冲击射流冷却和减少整体热边界层厚度改善换热性能。嵌入式微通道通过降低整体热阻和热扩散来有效提高散热能力。
通过采用直接液体冷却方式，能够将传导热阻减至最小；同时，结构中的接触热阻也将被消除。流体歧管能够将流体从单一入口导流至微流通道的各个入口。从歧管中出来的流体经过位于中心的矩形通道入口垂直射入每个微流散热通道。在每一个微流散热通道中，流体在碰到通道壁时分开向两个不同方向流动，在微流散热通道两端的出口流出并汇入出口工质歧管。
润湿性是指一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性。固体的润湿性用接触角来表示，接触角最小为0°，最大为180°，接触角越小，则表明固体的润湿性越好。影响沸腾换热的两个因素，即润湿性与表面微结构往往相互耦合。表面润湿性主要由表面微观形貌与表面能两方面共同控制。根据公式：cosθ*＝rcosθe，其中r为粗糙因子(固-液接触的实际面积与垂直投影面积的比值)，θ*为表面的表观接触角，θe为材料表面的本征接触角。由于粗糙因子的存在，会使原本亲水性(θe<90°)的表面变得更加亲水，而使原本疏水性(θe>90°)的表面更加疏水。即表面微结构的改变会不可避免地引起表面润湿性的变化。非均匀润湿性微通道表面能够改善加热壁面的液体补充，并有利于气泡脱离，从而显著提高临界热流密度与换热系数。换热平面若有较好的润湿性会增大气泡脱离的直径和脱离频率，但若表面是疏水性的，则在较小的过热度下便会产生气泡，气泡会不断长大形成气膜但并不会脱离自由液面。
在上层歧管和下层微通道设置不同的润湿表面，将上层歧管通道的入口部分处理为亲水表面，上层歧管通道的出口部分处理为疏水表面，将下层微通道表面处理为超亲水表面。界面润湿性对沸腾换热有着不同效果：一方面，上层歧管歧管入口通道的亲水性表面及下层微通道的超亲水性表面可显著提高临界热流密度，超亲水性表面由于较强的毛细吸液能力使得沸腾初期表面上连续汽膜难以形成，推迟了传热恶化。另一方面，上层歧管歧管出口通道的疏水性在低热流密度时能显著提高表面换热系数并促进气体向上运动。换热表面结构与润湿性相互作用，相辅相成。差异化的润湿性表面结合了二者优点：在低热流密度时提高表面换热系数，在高热流密度时提高临界热流密度，增加有效热通量。通过将基于纳米结构的超润湿界面与微小通道本身参数相结合，可提高其整体传热效率并降低流动阻力。
如图2所示，该图为散热器下层微通道示意图。下层微通道单元采用矩形渐扩截面，在每个散热器单元内流动面积随流动方向逐渐扩大。流动沸腾不稳定性是微通道低临界热流密度的主要原因之一。下游方向的流动阻力比上游方向更高导致气泡爆炸性生长，采用扩张的微通道几何结构可以减少这种不利影响，提高流动稳定性。以气泡生长特征为突破口，由于沸腾产生的气泡在渐扩截面结构的微通道内会受到空间尺度的限制，气泡两端的液膜曲率半径不同，从而在流动方向上产生压力差，理想情况下气泡能借助这种压差在微通道内自行运动，不仅可以降低流动阻力，而且随着干度的增大，换热表面积随之增加，从而达到强化传热的目的。
如图3所示，该图为散热器单元示意图。近年来，随着材料科学的发展和机械加工工艺的精进，通过对换热材料表面进行微细加工在表面形成微纳米结构、改变加热面的材料性质进而提高换热性能的研究已成为一种新的趋势和方向。汽化核心的密度和大小以及气泡的脱离直径和频率受换热表面的粗糙度和润湿性的影响很大。微纳米结构表面是指通过不同的制造工艺在换热表面上添加微纳米结构(其尺寸在几百纳米和几微米之间)以达到改变换热表面的粗糙度和润湿性等特性来强化换热的目的。这些制造工艺又分为表面机械加工技术、表面纳米涂层技术(均匀、非均匀的特殊涂料)、化工工艺(氧化、化学腐蚀)以及微纳米电子机械系统技术(光刻技术、反应粒子刻蚀、深反应粒子刻蚀、发展微纳米多孔表面)等。流体在流动过程中，由于其本身的粘性作用，在贴近管径壁面会形成一层边界层，同时流体从壁面吸收热量也是通过边界层实现的。流体流动换热的情况与边界层的发展有着直接的关系。对于层流而言，主要依靠导热进行换热；对于湍流和过渡区而言而言，则不仅依靠导热还掺杂着介质互相交换的对流换热。在层流换热过程当中，流动边界层的热阻对于换热的影响很大。层流底层的薄厚决定了换热热阻，热阻越小，换热过程就越加剧，同等情况下换热量就越大。制造超亲水表面，极大增加换热面积的同时也增加了换热面的表面粗糙度，表面微结构有效的降低了流动边界层和热边界层的厚度。
本发明通过表面制备的微纳结构，可以显现出疏水、亲水和超亲水结构，可以极大的减小阻力和强化换热进而达到节约能源的目的。表面的自由能越低，其疏水性越强。由于表面能是材料的固有特征，因此，只有改变表面微结构，才可以得到更好的疏水或亲水效果。微通道表面的超亲水结构首先极大的增加了换热面积，在同等加热条件下和同等材料的换热系数下，增加有效换热面积可以增加换热，从而达到强化换热的效果。通过等离子体与真空紫外线照射在歧管通道表面制备亲水/疏水非均匀润湿性表面。在微通道内采用纳米线结构的换热表面作为超亲水表面，使得微通道流动沸腾过程中实现环状流为主要流型的传热模式，在显著提高临界热流密度的同时，也消除了沸腾换热的不稳定性。表面粗糙特性提高了液体毛细力与再湿润能力，其表面产生的毛细力可以有效的起到运输液滴的作用，增强表面的亲水性，还可发挥在边界层的扰动作用，从而提高临界热流密度，增强换热稳定性，温度波动小，并且纳米线表面具有极高的核化点密度。
以上所述，仅为本发明的实施例之一，但并不限制本发明的范围。依据本发明权利要求所做的等效变化及修改，仍属于本发明的范围，故都应视为本发明的进一步实施例。例如，除本发明实施例列出的微通道矩形渐扩截面也可采用其他形式，因此，采用其他形式的微通道渐扩截面，也是本发明的有效变化及修改。除本发明实施例列出的纳米线结构的超亲水表面也可采用其他形式，因此，采用其他形式的超亲水表面，也是本发明的有效变化及修改。
综上所述，本发明提供一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热方法。通过构建双层分级歧管截面结构，在散热基底上引入多个入口和出口用以输送冷却工质，使得通过任何一组微通道的流动长度明显减少。并在上层和下层管道设置不同的润湿表面，将上层通道的入口部分处理为亲水表面，上层通道的出口部分处理为疏水表面，将下层微通道表面处理为超亲水表面。每个单元的微通道沿着流动方向为矩形渐扩截面，不仅可以降低流动阻力，而且可以增加流动稳定性。本发明利用层次化的流动结构构建微通道散热器，结合纳米超润湿界面和渐扩微通道截面，能够明显提高器件的换热性能，同时减小流动阻力。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构，其特征在于：包括下部的嵌入式微通道层和上部的歧管通道层，嵌入式微通道和歧管通道垂直布置，
下部的嵌入式微通道层由若干个嵌入式微通道单元组成，每个单元的嵌入式微通道的横截面沿着冷却工质流动方向为矩形渐扩截面，每个单元的嵌入式微通道的外形呈等腰梯形，嵌入式微通道的内壁上涂覆有超亲水涂层，
上部的歧管通道层由呈蛇型的歧管通道组成，相邻两个蛇形通道构成歧管通道的入口和出口，歧管入口通道宽度不大于歧管出口通道宽度，在歧管入口通道的内壁上涂覆有亲水涂层，在歧管出口通道的内壁上涂覆有疏水涂层，
传热结构的入口通道可将冷却工质导流至各个歧管入口，歧管入口通道可将冷却工质导流至嵌入式微通道的各个入口，每个歧管入口的冷却工质经过嵌入式微通道流道分成两股，从相邻的歧管出口流出，如果传热结构内部热量致使冷却工质在嵌入式微通道中沸腾产生气泡，气泡进入歧管出口通道并从歧管出口流出，最终冷却工质与气泡汇集并由传热结构的出口通道流出。
2.如权利要求1所述的一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构，其特征在于：等腰梯形的锐角角度范围为75°～85°。
3.如权利要求2所述的一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构，其特征在于：在可以降低泵耗的扩张的微通道中，气泡倾向于向面积较大处移动，对于具有上游曲率半径cu和下游曲率半径cd的细长气泡，单位面积的净表面张力
Figure FDA0002768113080000011
其中σ为气泡的表面张力系数。
4.如权利要求1所述的一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构，其特征在于：超亲水涂层通过在亲水性金属和SiO2表面进行微纳处理而形成，处理后的结构包括纳米线形式。
5.如权利要求1所述的一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构，其特征在于：液滴接触超亲水涂层的接触角范围为0°～5°。
6.如权利要求1所述的一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构，其特征在于：亲水涂层的材料包括铜或铝或Si或SiO2。
7.如权利要求1所述的一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构，其特征在于：液滴接触亲水涂层的接触角范围0°～90°。
8.如权利要求1所述的一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构，其特征在于：疏水涂层的材料包括聚四氟乙烯或氟化聚乙烯或氟碳蜡，液滴接触疏水涂层的接触角范围90°～180°。
9.如权利要求1所述的一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构，其特征在于：歧管入口通道的中心紧贴嵌入式微通道最窄处，歧管出口通道的中心紧贴嵌入式微通道最宽处。
10.如权利要求1所述的一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构，其特征在于：歧管入口通道宽度与嵌入式微通道的最宽处宽度比为5：1-10：1。
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