CN111343836B - 柱状阵列多孔表面结构、制备方法及其射流相变冷却方法 - Google Patents

柱状阵列多孔表面结构、制备方法及其射流相变冷却方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种柱状阵列多孔表面结构、制备方法及其射流相变冷却方法，在真空条件下，将铜粉颗粒铺到具有凹穴阵列的模具上，升温至800±10℃真空烧结，烧结结束后自然冷却到室温，将烧结好的铜粉颗粒烧结物取下就得到表面具有柱状阵列的多孔介质热沉，即换热板；在换热板上设置射流板，构成柱状阵列多孔表面结构。由于多孔介质热沉的表面存在大量凹穴，这些凹穴能够大大降低表面成核所需的活化能和过热度，从而降低沸腾起始过热度和壁面温度。由于多孔介质和柱状阵列的毛细作用，换热表面的液膜更新速率极快，从而抑制了气膜的生成和传热恶化的发生。在该技术方案下，能够实现低过热度条件下的高热流密度换热，从而保证电子器件的安全运行。

Description

柱状阵列多孔表面结构、制备方法及其射流相变冷却方法
技术领域
本发明属于电子器件散热技术领域，具体涉及一种柱状阵列多孔表面结构、制备方法及其射流相变冷却方法。
背景技术
射流冲击冷却和相变冷却是目前工程上常用的对流换热方式。射流冲击能够减薄冲击区域的边界层厚度，强烈的对流换热有效地降低了冲击区域的壁面温度。相变换热则是由于冷却工质在相变过程中以汽化潜热的方式带走大量热量，相变换热的换热系数一般要比单相换热高一到两个数量级。结合以上两种冷却方式的射流相变方式则结合了两者的优点，在有效降低冲击区域壁温的同时以相变换热的方式带走大量热量。并且由于射流冲击能够有效抑制气膜的聚集，从而提高临界换热密度。
一般射流相变冷却方式通过在换热表面上布置阵列等结构，增加表面涂层来强化对流换热效果。但是由于进流过冷度会一定程度上抑制换热表面的气泡生长过程，而使得相变换热的效率低下，不能有效降低壁面的温度。所以如何强化在过冷流体中的相变效率是强化射流相变的关键。
发明内容
本发明的目的在于提出一种柱状阵列多孔表面结构、制备方法及其射流相变冷却方法，旨在增强射流冲击相变换热的效率，解决高能电子器件的散热问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种柱状阵列多孔表面结构的制备方法，在真空条件下，将铜粉颗粒铺到具有凹穴阵列的模具上，升温至800±10℃真空烧结，烧结结束后自然冷却到室温，将烧结好的铜粉颗粒烧结物取下就得到表面具有柱状阵列的多孔介质热沉，以表面具有柱状阵列的多孔介质热沉作为柱状阵列多孔表面结构的换热板；在换热板上设置射流板，构成柱状阵列多孔表面结构。
进一步的，所述凹穴阵列的模具为具有凹穴阵列的单晶硅片。
进一步的，将铜粉颗粒铺到具有凹穴阵列的模具上，以10℃/分钟的速率将炉内温度从室温加热到800±10℃后进行真空烧结。
进一步的，，烧结时间为2h。
进一步的，铜粉颗粒的粒径为100nm～1μm。
进一步的，射流板上开设有若干圆形射流孔，直径为D_in；换热板相对射流板的表面设有若干微柱构成的柱状阵列；射流板距离微柱上表面的间距为H；换热板的总厚度为Hr。
进一步的，柱状阵列的高度为50μm到100μm；微柱的直径为10μm到40μm，微柱间距为20μm到100μm。
所述制备方法制备的柱状阵列多孔表面结构。
一种柱状阵列多孔表面结构的射流相变冷却方法，包括：
以去离子水为工质，大气压力下，进流过冷度为30K，流量为20L/h，控制工质通过射流孔射流到换热板的具有柱状阵列的多孔介质表面，进行射流相变冷却；
其中，射流孔的直径D_in为2.0mm，入口间距H为0.5mm，微柱高度为50μm，微柱为直径为20μm，微柱的间距d为40μm～100μm。
进一步的，微柱的间距d为40μm，临界热流密度为548W/cm2。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明以柱状阵列多孔介质作为射流沸腾的换热表面。由于多孔表面存在大量凹穴，这些凹穴能够大大降低表面成核所需的活化能和过热度，从而降低沸腾起始过热度和壁面温度。当气泡开始在多孔表面上生长，单个气泡会与多个柱状阵列中的微柱接触，在接触线处发生薄膜蒸发。由于薄膜蒸发的效率远高于核状沸腾，气泡的生长速率更快。在射流作用下，气泡能够很快地脱离。并且由于多孔介质和柱状阵列的毛细作用，换热表面的液膜更新速率极快，从而抑制了气膜的生成和传热恶化的发生。在该技术方案下，能够实现低过热度条件下的高热流密度换热，从而保证电子器件的安全运行。
本发明中，具有柱状阵列的多孔表面是通过模板法制备的。在具有凹穴阵列的单晶硅片上烧结铜粉颗粒，将烧结好的铜粉颗粒取下就得到了表面具有柱状阵列的多孔介质热沉。
本发明中，柱状阵列和热沉是由铜粉一体化烧结而成的，内部能够保证良好的热接触，保证热量在热沉中的传导。
本发明中，柱状阵列中的微柱直径和间距可以通过改变单晶硅片上凹穴阵列来调整。不同的微柱直径和阵列间距可以实现不同的换热效果。
本发明中，用于烧结的铜粉直径是百纳米和微米级别的，这个粒径的铜粉烧结出来的多孔表面能够保证足够大孔隙度和毛细力。
本发明中，具有成熟的铜粉烧结工艺，能够满足批量生产的条件。
本发明中，通过调节射流的入口直径和间距可以达到调节射流冲击力的效果。较大的冲击力会导致压降增加，可以根据具体情况调整。
本发明中，通过控制射流的入口过冷度可以达到控制射流沸腾剧烈程度的效果。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是入口射流冲击在具有柱状阵列的多孔表面上的示意图；
图2多孔表面上的柱状阵列示意图；
图3是不同阵列间距的多孔表面的沸腾曲线对比图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
参见附图1，本发明一种柱状阵列多孔表面结构，包括射流板1和换热板2，射流板1平行设置于换热板2上方；射流板1上开设有若干圆形射流孔10，直径为D_in；换热板2相对射流板1的表面设有若干微柱21构成的柱状阵列；射流板1距离微柱21上表面的间距为H；换热板2的总厚度为Hr。
本发明一种柱状阵列多孔表面结构的制备方法，包括：
在真空烧结炉中，将粒径为100nm～1μm的铜粉颗粒铺到具有凹穴阵列的单晶硅片上，以10℃/分钟的速率将炉内温度从室温加热到800±10℃后，并维持两个小时进行烧结；烧结结束后自然冷却到室温，将烧结好的铜粉颗粒烧结物取下就得到了即换热板2；换热板2为表面具有柱状阵列的多孔介质热沉。
表面具有柱状阵列的多孔介质热沉由铜粉一体化烧结而成的，内部能够保证良好的热接触，同时铜粉颗粒间存在大量微隙，形成多孔表面；烧结的铜粉直径是百纳米和微米级别的，这个粒径的铜粉烧结出来的多孔表面能够保证足够大孔隙度和毛细力。柱状阵列的高度为50μm到100μm，微柱直径为10μm到40μm，间距为20μm到100μm。
本发明一种柱状阵列多孔表面结构，结合了射流相变冷却和具有柱状阵列的多孔表面。通过选用不同的冷却剂和系统压力，可以达到改变工质沸点，控制换热表面温度的目的。通过改变射流的入口直径D_in和射流间距H可以达到调节射流冲击效果和系统压降的目的。射流孔10的直径(入口直径)D_in的选值为1-2mm，间距H为0.5-1.5mm。
参见附图2，柱状阵列在多孔表面以相同的间距排布。通过选用不同直径的微柱21和微柱间距可以得到不同的换热效果。
参见附图3，本发明一种柱状阵列多孔表面结构的射流相变冷却方法，在以去离子水为工质，大气压力下，进流过冷度为30K，流量为20L/h，射流孔10的直径D_in为2.0mm，入口间距H为0.5mm的情况下，当微柱21高度为50μm，直径为20μm，通过实验对比了微柱21的间距d从100μm变化到40μm时的沸腾曲线。通过实验结果可以看出随着阵列间距的减小，阵列密度的增加，沸腾换热系数和热流密度呈增加的趋势。当阵列间距为40μm时，临界热流密度达到了548W/cm2，远高于没有柱状阵列时的403W/cm2。且更陡峭的换热曲线能够保证在热流密度变化时，壁面温度的波动较小，这对于保证电子器件的工作寿命和安全运行有重大意义。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (1)

1.一种柱状阵列多孔表面结构的射流相变冷却方法，其特征在于，基于一种柱状阵列多孔表面结构；所述柱状阵列多孔表面结构的制备方法，包括：在真空条件下，将铜粉颗粒铺到具有凹穴阵列的模具上，以10℃/分钟的速率将炉内温度从室温加热到800±10℃后进行真空烧结2h；烧结结束后自然冷却到室温，将烧结好的铜粉颗粒烧结物取下就得到表面具有柱状阵列的多孔介质热沉，以表面具有柱状阵列的多孔介质热沉作为柱状阵列多孔表面结构的换热板(2)；在换热板上设置射流板(1)，构成柱状阵列多孔表面结构；铜粉颗粒的粒径为100nm～1μm；射流板(1)上开设有若干圆形射流孔(10)，直径为D_in；换热板(2)相对射流板(1)的表面设有若干微柱(21)构成的柱状阵列；射流板(1)距离微柱(21)上表面的间距为H；换热板(2)的总厚度为Hr；射流孔(10)的直径D_in为2.0mm，入口间距H为0.5mm；微柱(21)的直径为20μm，微柱(21)高度为50μm，微柱(21)间距d为40μm；所述凹穴阵列的模具为具有凹穴阵列的单晶硅片；
所述射流相变冷却方法包括：
以去离子水为工质，大气压力下，进流过冷度为30K，流量为20L/h，控制工质通过射流孔射流到换热板的具有柱状阵列的多孔介质表面，进行射流相变冷却，临界热流密度为548W/cm2。
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