CN111223826B - 一种利用微结构和复合湿润性协同效应的强化沸腾传热表面 - Google Patents

Abstract

一种利用微结构和复合湿润性协同效应的强化沸腾传热表面，包括加热基板以及设置在加热基板上的若干方形柱，相邻方形柱之间形成了若干槽道；此外，采用化学改性法在每个方形柱的顶部表面设置有面积小于方形柱顶部面积的疏水性表层，形成了部分湿润性改性区域，而其余表面则保持原有的湿润性，即亲水性。本发明通过改变方形柱顶部湿润性改性区域的面积大小，来限制其所产生的汽泡的尺寸，在避免顶部汽泡与柱侧汽泡大范围聚并的前提下，能够有效增加汽化核心数量，产生更多的汽泡，增强流场扰动，促进汽泡脱离和新鲜液体补充。所述表面在方形柱微结构的基础上，利用复合湿润性和该结构的协同效应，实现对沸腾传热的强化。

Description

一种利用微结构和复合湿润性协同效应的强化沸腾传热表面

技术领域

本发明属于强化传热技术领域，具体涉及一种利用微结构和复合湿润性协同效应的强化沸腾传热表面。

背景技术

随着微电子技术日新月异地发展，许多自然科学与工程技术都朝着微型化的方向迈进。然而，微电子器件集成度的飞速提升使得集成电路芯片的热流密度越来越高，散热问题已成为制约其性能发展的重要瓶颈之一。沸腾传热利用相变潜热能够在较小的温差下产生相当高的热流密度，相对于传统的风冷和单相液体对流冷却方式，沸腾传热的传热系数高出几个量级。

近年来，国内外研究学者发现通过修饰加热表面可以增强表面的沸腾传热性能。其中，修饰表面的微结构和湿润性是修饰加热表面的主要方式，具有广阔的应用前景。沸腾过程会产生大量汽泡，大量汽泡的生成和脱离会搅动流场而强化传热，但是如果较多的汽泡在生长过程中发生大范围地聚并，加热表面被大量的汽泡或片状汽膜长时间包裹，液体无法及时补充便会造成传热恶化。因此，在避免较多汽泡大范围聚并的前提下，增加汽化核心的数量，是增强表面沸腾传热性能的有效途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用微结构和复合湿润性的协同效应来强化沸腾传热的表面。所述表面在限制大范围汽泡聚并的前提下，能够有效增加汽化核心数量，产生更多的汽泡，增强流场扰动，促进汽泡脱离和新鲜液体补充，实现对沸腾传热的强化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：包括加热基板以及设置在加热基板上的若干方形柱，相邻方形柱之间形成了若干槽道，在每个方形柱的顶部设置有面积小于方形柱顶部面积的疏水性表层，形成了部分湿润性改性区域。

所述的部分湿润性改性区域的静态接触角为94°～125°。

所述的方形柱呈方形阵列分布在加热基板上，由微铣削或线切割的机械加工方式在紫铜表面加工而成。

所述的每个方形柱结构尺寸相同，且每个方形柱的宽度和长度均为a，a＝0.8～1.2mm；方形柱的高度为d，d＝0.5a～0.8a。

所述的每个方形柱顶部的部分湿润性改性区域呈正方形分布在方形柱顶部的中央处，即部分湿润性改性区域的宽度和长度相等，均为b，b＝0.1a～0.9a。

所述的相邻方形柱之间形成的槽道相互贯通，且宽度相等，均为c，c＝0.4a～1.4a。

本发明采用化学改性法在方形柱的顶部进行部分湿润性改性处理，形成正方形的部分湿润性改性区域，由于其湿润性较低，能够降低液/汽相变所需要的能障，从而在微结构的基础上进一步增加表面的汽化核心数量。

进一步地，本发明所述的部分湿润性改性区域的宽度要小于方形柱顶部表面的宽度，这样会形成湿润性改性/未改性边界，即复合湿润性边界。沸腾过程中，湿润性改性区域所产生的汽泡，其三相接触线被钉扎在复合湿润性边界上；相应地，所产生的汽泡的尺寸也就受到了限制，使之难以与方形柱四周侧面底边处产生的汽泡聚并，从而避免了加热表面被大量的汽泡或片状汽膜覆盖而造成的传热恶化。

本发明通过合理改变方形柱顶部湿润性改性区域的大小来控制湿润性改性区域所产生的汽泡的尺寸，使之难以与方形柱四周侧面底边产生的汽泡聚并。从而能够在限制大范围汽泡聚并的前提下，增加汽化核心数量，产生更多的汽泡，增强流场扰动，促进汽泡脱离和新鲜液体补充，利用微结构和复合湿润性的协同强化作用，有效增强表面的沸腾传热性能。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图。

图2是本发明的俯视图。

图3是本发明的侧视图。

图4是本发明工作过程示意图。

图中：1为加热基板，2为方形柱，3为部分湿润性改性区域，4为两方形柱间的槽道，5为方形柱侧面底部产生的汽泡，6为部分湿润性改性区域产生的汽泡，7为部分湿润性改性区域产生的汽泡脱离。

具体实施方式

为使本发明技术方案、目的和优点更加清晰明确，以下结合附图和具体工作过程对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明包括加热基板1以及设置在加热基板1表面上的若干方形柱2，相邻方形柱2之间形成了若干相互贯通的槽道4，采用化学改性法在每个方形柱的顶部表面设置有面积小于方形柱顶部面积的疏水性表层，形成部分湿润性改性区域3，其静态接触角为94°～125°，而其余表面则保持原有的湿润性，即亲水性。

参见图2、图3，本发明的方形柱2和槽道4由微铣削或线切割的方式在紫铜表面加工而成，结构尺寸相同，且每个方形柱2的宽度和长度相等，均为a，a＝0.8～1.2mm；每个方形柱2的高度一致，为d，d＝0.5a～0.8a；采用化学改性法对方形柱2的顶部表面的部分区域进行湿润性改性修饰处理，其余区域则使用胶带遮掩，修饰后在方形柱2的顶部表面中央处形成正方形状的部分湿润性性改性区域3，宽度为b，b＝0.1a～0.9a；每两相邻方形柱2间的槽道4相互贯通，且宽度相等，均为c，c＝0.4a～1.4a。

下面结合图4对本发明具体工作过程作详细描述：

本发明在正常工作时，其汽化核心主要分布在方形柱2的四周侧面底部和部分湿润性改性区域3处。

当对该发明的强化沸腾传热表面加热时，由于部分湿润性改性区域3的湿润性更低，部分湿润性改性区域3处先起沸，在其上部产生汽泡6；随后方形柱2的四周侧面底部开始起沸，在其四周产生汽泡5。对于部分湿润性改性区域3产生的汽泡6，由于方形柱2的顶部表面存在复合湿润性边界(在方形柱2原有湿润性的基础上，对方形柱2顶部表面的部分区域进行湿润性改性处理，形成部分湿润性改性区域3和湿润性改性/未改性边界)，三相接触线被钉扎在复合湿润性边界上。相应地，部分湿润性改性区域3上部产生的汽泡6的尺寸受到限制，部分湿润性改性区域3上部产生的汽泡6不会与方形柱侧面底部产生的汽泡5产生聚并，而是相互独立地生长、脱离。部分湿润性改性区域3上部产生的汽泡6和方形柱侧面底部产生的汽泡5形成了相互独立、互不干扰的生长-脱离机制。这种机制，一方面避免了方形柱2的表面被大量的汽膜覆盖而恶化传热；另一方面也产生了更多的汽泡，给流场带来了扰动，加快了汽泡的脱离频率，强化了加热表面的沸腾传热效率。

本发明通过控制方形柱2顶部湿润性改性区域3的面积大小来控制湿润性改性区域3所产生的汽泡6的尺寸，使之不与方形柱2的四周侧面底部产生的汽泡5聚并。相较于未进行湿润性改性处理的方形柱微结构表面，本发明有效增加了表面的汽化核心数量，在沸腾过程中能够产生更多的汽泡，加强流场扰动，促进汽泡脱离和新鲜液体补充，强化沸腾传热。相较于方形柱2顶部表面全部进行湿润性改性处理的微结构表面，本发明避免了方形柱2顶部表面产生的汽泡6与方形柱2的四周侧面底部产生汽泡5聚并，从而避免了加热表面被片状汽膜覆盖而恶化传热。

本发明结构简单，易于加工，工作原理可靠，能够在限制大范围汽泡聚并的前提下，增加汽化核心数量，产生更多的汽泡，增强流场扰动，促进汽泡脱离和新鲜液体补充，有效增强表面的沸腾传热性能。本发明利用了微结构和复合湿润性的协同效应来强化沸腾传热，在方形柱微结构的基础上，结合复合湿润性与该结构的协同效应，实现了对沸腾传热的强化，可广泛应用于电子芯片冷却等微尺度传热领域，具有良好的应用前景。

Claims (4)

1.一种利用微结构和复合湿润性协同效应的强化沸腾传热表面，其特征在于：包括加热基板(1)以及设置在加热基板(1)上的若干方形柱(2)，相邻方形柱之间形成了若干槽道(4)，在每个方形柱的顶部表面设置有面积小于方形柱顶部面积的疏水性表层，形成部分湿润性改性区域(3)，所述的方形柱(2)呈方形阵列分布在加热基板(1)上，所述的部分湿润性改性区域(3)呈正方形状分布在方形柱(2)顶部表面的中央处，即部分湿润性改性区域(3)的宽度和长度相等均为b，b＝0.1a～0.9a,其中a＝0.8～1.2mm。

2.根据权利要求1所述的利用微结构和复合湿润性协同效应的强化沸腾传热表面，其特征在于：所述的部分湿润性改性区域(3)的静态接触角为94°～125°。

3.根据权利要求1所述的利用微结构和复合湿润性协同效应的强化沸腾传热表面，其特征在于：所述的每个方形柱(2)结构尺寸相同，且每个方形柱(2)的宽度和长度均为a，a＝0.8～1.2mm；方形柱(2)的高度为d，d＝0.5a～0.8a。

4.根据权利要求1所述的利用微结构和复合湿润性协同效应的强化沸腾传热表面，其特征在于：所述的相邻方形柱(2)之间形成的槽道(4)相互贯通，且宽度相等均为c，c＝0.4a～1.4a。

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