CN110822959A - 一种超疏水-亲水表面真空腔散热器 - Google Patents

一种超疏水-亲水表面真空腔散热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具备超疏水表面和亲水表面的真空腔散热器。该散热器利用光化学蚀刻、化学气相沉积方法制备超疏水表面和亲水表面作为腔体换热面，在腔体内注入去离子水作为相变传热介质，通过焊接将超疏水表面、亲水表面和密封圈连接密封，最后将腔体内空气抽出，构成闭环真空腔体散热器。该散热器利用超疏水表面和亲水表面的不同润湿性，超疏水表面作为冷凝侧，表面粘滞阻力低，液滴在合并过程中发生弹跳，到达亲水表面。亲水表面作为蒸发侧，具有主动液滴铺展特性，有助于散热，防止局部高温。闭环真空腔内循环由系统内力自发驱动，不需要外力协助。本发明设计的真空腔散热器具备高效率、体积小等优点，为电子元器件散热提供了解决方案。

Description

一种超疏水-亲水表面真空腔散热器
技术领域
本发明涉及一种用于大型计算机中央处理器、5G基站GaN逆变器、硅基晶体板等高热通量电子元器件真空散热器。特别涉及一种具备超疏水表面和亲水表面的真空腔体散热器，可以采用光化学蚀刻、化学气相沉积法和焊接工艺制备。
背景技术
随着芯片制造工艺的进步，电子元件尺寸越来越小，但是其发热量随着处理器频率的增加越来越大，从而导致电子元件核心部位热量集中，热通量高。若不将集中的热量快速排出，会因为过热导致降频，影响电子元件工作性能，严重时会导致电子元件损坏。
传统的真空腔散热器具有平板热管和热二级管的特征，具有内部工质闭环循环、热量单向传递的特征。但是，传统真空腔散热器内冷凝液回到蒸发表面通常需要使用多孔结构或毛细连续槽纹连接蒸发侧和冷凝侧，依靠毛细结构内的毛细力驱动冷凝液运动。这种方法效率比较低，特别是加工制备比较困难，难以实现生产应用。而在超疏水表面上，液滴接触角大于150°，具有较好的活动性。且在液滴合并时，由于表面自由能的释放和壁面的限制作用，合并后的液滴将克服重力、表面粘滞阻力及内部耗散，获得向上的动能，由此合并液滴弹跳脱离壁面。所以本发明结合不同特征表面的润湿特性设计了新型超疏水-亲水表面真空腔散热器，为高热通量电子元器件散热提供了解决方案。
发明内容
为了实现电子元器件高热通量工况下的高效散热，并降低散热器加工难度和成本，本发明提供了一种超疏水-亲水表面真空腔散热器。该新型真空腔散热器运用不同表面润湿原理，结合毛细尺度力学原理、传热学原理和微纳表面制备技术，从冷凝液滴生命周期自驱动运动和强化传热两个角度对真空腔散热器的结构、性能进一步优化提升。运用光化学蚀刻、化学气相沉积方法制备超疏水表面和亲水表面作为腔体换热面，通过焊接将超疏水表面、亲水表面和密封圈连接密封，最后将腔体内空气抽出，构成闭环真空腔体散热器。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种超疏水-亲水表面真空腔散热器，包括蒸发侧亲水表面、密封圈、冷凝侧超疏水表面、真空密封口。蒸发侧亲水表面上具有微米级连续矩形沟槽结构，冷凝侧超疏水表面上具有微米级方柱阵列和纳米级圆柱阵列，蒸发侧亲水表面、密封圈、冷凝侧超疏水表面，蒸发侧亲水表面、冷凝侧超疏水表面沿重力方向依此布置，蒸发侧亲水表面位置在上，所加工的微米级矩形连续沟槽朝下；冷凝侧超疏水表面位置在下，所加工的微纳二级阵列结构朝上。
蒸发侧亲水表面具备微米级连续矩形沟槽结构，微米级连续矩形沟槽结构采用光化学蚀刻加工方法进行制备。
冷凝侧超疏水表面上具有微米级方柱阵列和纳米级圆柱阵列，微米级方柱阵列和纳米级圆柱阵列采用光化学蚀刻、化学气相沉积方法进行制备。
真空密封口用于真空腔内液体注入和真空密封。
本发明的技术优点与效果是：①冷凝侧液滴弹跳过程强化冷凝传热，提高系统效率。②蒸发侧液滴主动铺展促进均匀受热，提高传热量，避免局部高温。③液滴弹跳为真空腔内液滴疏运提供了新的方法，不再需要通过外加毛细多孔结构，简化结构，降低加工难度和成本④采用光化学蚀刻、化学气相沉积方法和焊接方法制备真空腔散热器，具备优良的结构精度和强度。
附图说明
图1为本发明设计真空腔散热器整体外形示意图及局部剖视图。
图2为真空腔体散热器亲水表面(蒸发侧)示意图及局部放大图。
图3真空腔体散热器超疏水表面(冷凝侧侧)示意图及局部放大图。
图4为真空腔体散热器工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，真空腔散热器通过真空密封口4注入去离子水后，进行抽真空密封操作。真空密封口4不再打开，构成内部闭环系统。
如图2所示，采用光化学蚀刻在基板表面制备微米级连续矩形沟槽结构11。冷凝液滴达到表面时，在受沟槽内毛细力和自身表面张力作用，与壁面的特征接触角小于60°。液滴还会沿着沟槽方向自行铺展，随着冷凝液滴增加，最终会均匀铺展在整个换热面。有助于壁面均匀散热，提高壁面传热系数，避免局部高温，保护电子设备。
如图3所示，光化学蚀刻、化学气相沉积方法制备在基板表面制备微纳二级阵列结构。其中，纳米级圆柱阵列结构用于促进蒸汽接触表面时成核凝结，提高成核率；微米级方柱阵列结构用于构建表面超疏水性，随着冷凝传热增大的液滴在该结构作用下于表面呈大于150°接触角，具有较强的运动性和表面自由能。当液滴与周围液滴碰撞连接，合并过程释放的额外表面自由能会克服重力、粘性阻力等做工，在液桥撞击作用下，液滴将具有向上的动能。导致液滴弹跳离开表面。在本发明中，液滴弹跳有两个作用：(1)弹跳促使冷凝后的液滴自发回到蒸发侧，构成冷凝液自发闭环流动；(2)液滴弹跳脱离壁面促进新液滴产生，强化冷凝传热过程。
如图4所示，a过程为液滴在冷凝侧释放热量，并由于合并弹跳回到蒸发侧，并自发铺展的过程；b过程为铺展液滴吸收电子元器件热量，受热蒸发，以蒸汽形式回到冷凝侧相变传热的过程。上述过程均在功能性微观结构作用下自发进行构成冷凝液工质和热量的闭环循环。
所述的蒸发侧亲水表面、冷凝侧超疏水表面沿重力方向依此布置。具体的，蒸发侧亲水表面位置在上，所加工的微米级矩形连续沟槽朝下；冷凝侧超疏水表面位置在下，所加工的微纳二级阵列结构朝上。
所述的蒸发侧亲水表面、冷凝侧超疏水通过密封圈焊接连接构成腔体。通过真空密封口注入去离子水并完成抽真空及密封操作。
所述的蒸发侧亲水表面具有微米级连续矩形沟槽结构。当液滴接触该表面时，在毛细力与表面张力的作用下，液滴接触角小于60°，并会主动延沟槽方向铺展，覆盖蒸发侧亲水表面，吸收电子元件热量，促进均匀散热，避免局部过热。在表面铺展的冷凝液受热蒸发时，沟槽内的垂直转角提供了高效的蒸发成核点。
所述的冷凝侧超疏水表面具有微纳二级阵列结构。当蒸汽接触该表面时，在纳米级圆柱阵列作用下，蒸汽冷凝成核，放出热领并不断长大。当液滴达到临界尺寸后受微米级方柱阵列作用，与周围液滴合并弹跳，弹跳后的液滴回到正上方的蒸发侧亲水表面，重复受热蒸发-冷凝的循环。冷凝液滴主动跳离壁面，促进冷凝传热。
所述的蒸发侧亲水表面微米级连续矩形沟槽结构光化学蚀刻方法加工制备，具备优良的结构精度和加工可控度；冷凝侧超疏水表面的微米级方柱阵列由光化学蚀刻在二氧化硅基板制备，之后通过化学气相沉积法将碳纳米管制备于方柱顶端，构成微纳二级结构。通过光化学蚀刻、化学气相沉积方法制备的微纳结构，具备优良的精度和结构稳定性。

Claims (4)

1.一种超疏水-亲水表面真空腔散热器，包括蒸发侧亲水表面(1)、密封圈(2)、冷凝侧超疏水表面(3)、真空密封口(4)，其特征在于，蒸发侧亲水表面(1)上具有微米级连续矩形沟槽结构(11)，冷凝侧超疏水表面(3)上具有微米级方柱阵列(31)和纳米级圆柱阵列(32)，蒸发侧亲水表面(1)、密封圈(2)、冷凝侧超疏水表面(3)，蒸发侧亲水表面、冷凝侧超疏水表面沿重力方向依此布置，蒸发侧亲水表面位置在上，所加工的微米级矩形连续沟槽朝下；冷凝侧超疏水表面位置在下，所加工的微纳二级阵列结构朝上。
2.根据权利要求1所述的一种超疏水-亲水表面真空腔散热器，其特征在于，蒸发侧亲水表面(1)具备微米级连续矩形沟槽结构(11)，微米级连续矩形沟槽结构(11)采用光化学蚀刻加工方法进行制备。
3.根据权利要求1所述的一种超疏水-亲水表面真空腔散热器，其特征在于，冷凝侧超疏水表面(3)上具有微米级方柱阵列(31)和纳米级圆柱阵列(32)，微米级方柱阵列(31)和纳米级圆柱阵列(32)采用光化学蚀刻、化学气相沉积方法进行制备。
4.根据权利要求1所述的一种超疏水-亲水表面真空腔散热器，其特征在于，真空密封口(4)用于真空腔内液体注入和真空密封。
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