CN112736047A - 一种基于液滴连续补液的散热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液滴连续补液的散热装置，主要包括下基板、蒸发‑沸腾毛细芯、补液器和调距螺柱等。下基板中心区域的蒸发‑沸腾毛细芯充当热源，蒸发‑沸腾毛细芯底部溅射有ITO加热膜对其进行供热，下基板的上方装有补液器，液滴沿着疏水补液通道连续不断地向蒸发‑沸腾毛细芯表面供液，补液通道的直径由液滴大小决定。下基板和补液器之间的间距通过调距螺柱进行控制，液滴离开补液通道的瞬间落在蒸发‑沸腾毛细芯顶部，并迅速铺展在蒸发‑沸腾毛细芯表面，形成一层薄膜，有效地降低了壁面过热度，大幅度提高临界热流密度。本发明具有占地面积小、低功耗、散热能力大的优点，可满足热流密度超过1000W/cm2的散热需求。
Description
技术领域
本发明涉及微小空间内的蒸发-沸腾换热领域，适用于高效电子芯片冷却技术，特别涉及一种基于液滴连续补液的散热装置。
背景技术
散热影响到芯片及电子设备的可靠性和寿命，已成为当今集成电路产业发展的一个瓶颈。研究表明，单个半导体元件的温度每升高10℃，系统可靠性将降低50％，超过55％的电子设备失效是由于温度过高引起的。如何将极高的单位面积产热量有效排散，并将峰值温度保持在较低水平是芯片及其组件研制亟待解决的问题。
利用蒸发潜热的相变技术被认为是解决当下高热流器件热管理问题最有前景的方法之一。液滴撞击加热表面是喷雾冷却中的常见现象，可以消除相当高的热通量，在电子设备冷却中具有巨大的应用潜力。而另一种相变换热方式，薄膜蒸发——主要是利用气液固三相接触线附近的一层薄液膜(几十纳米～几微米)迅速蒸发，由于液膜很薄，热阻较小，因此可以有效的带走大量的热，实现高热流密度的电子芯片散热。为了防止局部温度过高，出现干烧的现象，在芯片顶部添加液滴连续补液装置，及时降低芯片表面温度，可以显著提高临界热流密度和换热系数。
在传统的液滴撞击壁面和薄膜蒸发过程中，依然存在许多缺陷和不足，例如：
(1)单个液滴撞击壁面，液滴无法很好地铺展在整个换热表面，容易发生局部的温度过高现象，高韦伯(We)数液滴容易发生飞溅，出现弹跳以及破碎的现象，并不能很好地降低壁面过热度和提高临界热流密度。
(2)多孔快速的对加热壁面进行喷雾冷却，则需要添加额外的动力源，结构繁琐，增加了相应的成本。
(3)薄膜蒸发主要是利用蒸发-沸腾毛细芯(表面带有微结构的方形铜片)的补液能力从一侧或者四周进行补液，但是其自身的补液能力有限，中心区域无法及时润湿，也会引起加热壁面局部的干涸现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于液滴连续补液的散热装置，以克服现有技术存在的缺陷，本发明在微尺度强化沸腾换热结构的上方增加多个连续补液的疏水补液通道，通过给蒸发-沸腾毛细芯补液，及时带走其表面产生的大量的热，防止出现干烧的现象，从而在一定程度上避免了过热而导致的设备损坏，有效的提高了临界热流密度和换热系数。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于多个液滴连续补液的散热装置，包括下基板、蒸发-沸腾毛细芯、补液器、补液通道、ITO加热膜、绝热材料、调距螺柱、定位螺孔。
在下基板的中部设有第一层凹槽，主要是用于放置蒸发-沸腾毛细芯，在具有毛细芯区域的铜片底部溅射一层ITO加热膜，铜片充当热源，而该区域则作为主要的换热区域，第一层凹槽的中部在设有第二层凹槽，将保温材料布置在ITO加热膜的底部、填充在第二层凹槽中，防止芯片底部与外界环境散热。由于传统的薄膜蒸发是从通道的一侧进行供液，而蒸发-沸腾毛细芯的补液能力往往有限，将会导致局部的干烧现象，不利于高热流密度的散热，因此在其上方布置一种补液装置，液滴通过补液通道及时向毛细芯表面进行供液，补液通道的大小和分布可以根据液滴的大小进行调节，使液滴均匀地分布在毛细芯表面，降低壁面的过热度，提高临界热流密度，防止干涸位点的出现。补液器与下基板通过调距螺柱连接，精准控制补液器与毛细芯顶部之间的间距等于液滴直径，确保液滴在离开补液通道的同时，落在毛细芯表面，液滴与壁面之间的接触速度接近于零，减少了液滴与壁面碰撞所产生的的能量损失。
进一步地，下基板的高度h1为5～10mm，长度和宽度l1均为30mm，第一层凹槽尺寸为l2×l2×h2，其中l2为15mm，h2为1mm，第二层凹槽的尺寸为l3×l3×(h1-h2)，其中l3为10mm。
进一步地，蒸发-沸腾毛细芯为表面带有微米级方柱结构的方形铜芯片，尺寸为l2×l2×h2，其中l2为15mm，h2为1mm。方形铜芯片的中心部分10mm×10mm的区域加工有微米级的小方柱结构，小方柱的直径x为0.1～0.5mm，高度h3为0.1～0.5mm，两个小圆柱之间的间距g1为0.1～0.5mm。其中，小方柱是采用雕刻的方法在铜表面加工形成，其尺寸可根据要求进行设计加工。
进一步地，在下基板的正上方布置补液器，补液器的高度h4为10～20mm，长度和宽度均为30mm。补液器的中心部分10mm×10mm的区域均匀布有25个疏水补液通道，通道内部的疏水结构有助于液滴的凝结，通道的尺寸根据液滴的大小进行设计，二者相等，本次设计假定液滴的直径D为1～5mm，则每一个补液通道的直径d1均为1～5mm，两个通道之间的间距g2为1～5mm。
进一步地，在下基板和补液器的周围分别布置四个定位螺孔，来对下基板和补液器进行固定。定位螺孔与下基板外围的距离0.5×(l1-l4)为4mm，螺孔的直径d2为4mm。
进一步地，下基板与补液器之间的距离由液滴大小决定，当液滴离开补液器的同时刚好落在壁面，与蒸发-沸腾毛细芯相互接触，两者之间的间距H即为液滴的直径D，通过调距螺柱进行调节。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明在蒸发-沸腾毛细芯的上方增加补液器，使液滴沿着多组疏水补液通道不断地从上方对蒸发-沸腾毛细芯表面进行供液，蒸发-沸腾毛细芯表面进行亲水处理，液滴离开补液通道的同时落在蒸发-沸腾毛细芯表面，并且均匀铺展在壁面上，形成一层薄膜，薄膜受热迅速蒸发，气体沿着下基板与补液器之间的间隙散出，气液分离，带走大量的热，降低壁面温度，实现超高热流密度散热，解决当前狭小空间内超高热流密度换热性能严重恶化问题，大幅度提高临界热流密度。
本发明基于薄膜蒸发的原理，在蒸发-沸腾毛细芯的底部中心区域设置有ITO加热膜，主要对带有微结构的蒸发-沸腾毛细芯区域(10mm×10mm)进行加热，因此换热主要集中在蒸发-沸腾毛细芯的中心区域。在下基板的正上方设置补液器，弥补毛细芯自身供液能力不足的问题，实现了连续的供液能力，及时降低壁面的过热度，提高了换热能力，进一步实现了超高热流密度的散热。
进一步地，多个补液通道均匀分布在加热区域的正上方，连续向蒸发-沸腾毛细芯表面供液，相比于传统的从一侧补液的方式，本次设计的补液方式可以使蒸发-沸腾毛细芯表面的温度分布更加均匀，有效地避免局部过热，大幅度提高了毛细芯结构的换热性能。
进一步地，通道的直径根据液滴大小控制决定，二者相等，通道内部进行疏水处理，增加液滴的凝结效果，使得液滴连续地、一滴一滴地落在蒸发-沸腾毛细芯表面，从而可以根据不同液滴的大小对通道的尺寸进行设计。
进一步地，下基板与补液器之间的距离也由液滴大小决定，通过调距螺柱进行控制。当液滴在离开补液器的同时，恰好落在毛细芯表面，与毛细芯顶部相接触，有效避免了液滴与壁面之间的碰撞产生的能量损失。另外，在相当较高的过热度下，防止液滴飞溅。
进一步地，垂直补液的方式一方面可以限制液膜的厚度，另一方面，液体蒸发产生的气体可直接通过下基板与补液器之间的间隙排出，一定程度上实现了气液的分离，有效地增强了相变换热能力。
进一步地，本发明通过多个液滴连续均匀的补液能力，可以有效解决热流密度超过1000W/cm2的散热需求。
附图说明
图1-1为本发明的二维结构示意图；
图1-2为本发明的三维结构示意图；
图2-1为本发明下基板的三维图；
图2-2为本发明下基板的主视图；
图2-3为本发明下基板的俯视图；
图3-1为本发明蒸发-沸腾毛细芯的三维图；
图3-2为本发明蒸发-沸腾毛细芯的俯视图；
图4-1为本发明补液器的三维图；
图4-2为本发明补液器的主视图
图4-3为本发明补液器的俯视图。
其中，1、下基板；2、蒸发-沸腾毛细芯；3、ITO加热膜；4、保温材料；5、补液器；6、补液通道；7、调距螺柱；8、定位螺孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
一种基于液滴连续补液的散热装置，如图1-1、1-2所示，包括下基板1，蒸发-沸腾毛细芯2，ITO加热膜3，保温材料4，补液器5，补液通道6，调距螺柱7。在下基板1的上方布置蒸发-沸腾毛细芯2，其底部中心区域溅射有ITO加热膜3，通过ITO加热膜3为蒸发-沸腾毛细芯2提供热量，蒸发-沸腾毛细芯2充当热源，在ITO加热膜3的底部填充保温材料4，防止与外界环境换热，产生热量损失。在上方布置补液器5，蒸发-沸腾毛细芯2的正上方区域均匀分布多个疏水补液通道6，液滴沿着补液通道6连续不断地落在蒸发-沸腾毛细芯2表面，在加热壁面均匀分布，弥补毛细芯自身补液能力的有限，防止出现局部过热的现象。下基板1与补液器5之间的距离H通过四个调距螺柱7进行控制调节，间距H与液滴尺寸大小D相当，如图1-1，当液滴离开补液通道6的同时，恰好与蒸发-沸腾毛细芯2接触，避免了液滴与壁面碰撞产生的能量损失，依靠毛细芯自身的毛细力，均匀铺展在芯片表面，形成一层薄薄的液膜，薄膜蒸发迅速带走芯片表面所产生的大量的热量，大幅度提高换热性能。
如图2-1、2-2和2-3所示，下基板1的长度和宽度均为l1(30mm)，高度为h1(5～10mm)，在下基板1的中心部位加工尺寸为l2(15mm)×l2(15mm)×h2(1mm)第一层凹槽，用于放置蒸发-沸腾毛细芯2，在第一层凹槽的中心区域加工尺寸为l3×l3×(h1-h2)(10mm×10mm×4mm)第二层凹槽，ITO加热膜3溅射在蒸发-沸腾毛细芯3的底部，第二层凹槽的剩余空间用于填充保温材料4。下基板1的四周加工四个定位螺孔8，定位螺孔8的直径为d2(4mm)，相邻两个定位螺孔8之间的间距为l4(22mm)，定位螺孔8中心距离边线的距离均为1/2×(l1-l4)(4mm)。
如图3-1和3-2所示，蒸发-沸腾毛细芯2为l2(15mm)×l2(15mm)×h2(1mm)的正方形铜片，其尺寸与下基板1上壁面加工的第一层凹槽的尺寸一致。在方形铜片的中心部位，如图3-2所示的虚线区域l5(10mm)×l5(10mm)加工有微米级的方柱结构，方柱微结构的边长x(0.1～0.5mm)，高度h3(0.1～0.5mm)，相邻方柱微结构之间的间距g1(0.1～0.5mm)。其中，正方形铜片表面的方柱微结构的尺寸与间距可根据具体工艺要求进行加工。
如图4-1、4-2和4-3所示，补液器5的尺寸为l1(30mm)×l1(30mm)×h4(10mm)，补液器中心区域(10mm×10mm)均匀地布有25个疏水补液通道，通道直径d1(1～5mm)，相邻通道之间的间隔g2(1～5mm)。
下面结合实施过程对本发明做详细描述：
本发明是一种基于多通道液滴连续补液的散热装置，主要应用于电子器件等微小部件的散热领域，从强化补液机制的角度出发，开发了一种从顶端连续为芯片供液的结构。ITO加热膜3溅射在芯片背面，给蒸发-沸腾毛细芯2提供热量，而毛细芯则充当热源，芯片中心区域加工有方柱微结构的部位作为主要的换热发生区域。在换热发生区域的正上方布置均匀分布的25个疏水补液通道6，液滴沿着补液通道连续不断向蒸发-沸腾毛细芯表面供液，补液通道6的直径与液滴大小一致，保证液滴逐个连续的下落，下基板1和补液器5之间的间距等于液滴的直径，在液滴离开补液通道的同时刚好落在蒸发-沸腾毛细芯的顶部，呈现一种Wenzel润湿状态，随后均匀的铺展在壁面，液滴填满微结构的空隙区域，与壁面完全接触，在芯片表面形成一层薄薄的微液膜。顶端补液的方式有效弥补了蒸发-沸腾毛细芯自身补液能力不足的问题，避免了芯片表面热量分布不均和局部干涸的现象。补液器5和下基板1之间的间隙通过调距螺柱7进行控制，有限的空间防止了液滴沸腾飞溅，避免了池沸腾现象的发生，使蒸发-沸腾毛细芯2上只可能发生薄膜蒸发或者蒸发-沸腾的耦合换热，气体沿着四周排出，实现了气液的绝对分离，芯片表面产生的热量及时散出，提高了临界热流密度和换热系数，有利于超高热流密度的散热。
利用干法刻蚀工艺在芯片表面加工微米级方柱结构，刻蚀气体采用六氟化硫(SF6)，保护气体采用八氟环丁烷(C4F8)，通过调节气体的射流频率、气体流量、刻蚀周期等工艺参数获得不同尺寸、不同间距的微结构形状，在指定区域形成蒸发-沸腾补液毛细芯，然后采用湿法沉积工艺对芯片表面进行亲水修饰，完成蒸发-沸腾毛细芯的制备。
本发明多个液滴从上方连续进行补液，弥补蒸发-沸腾毛细芯自身补液能力不足的问题；本发明下基板和补液器之间形成狭小空间，防止液滴破裂与反弹，并且有效的限制了液膜的厚度，液滴离开补液通道的同时与蒸发-沸腾毛细芯相接触，然后液滴均匀铺展在壁面，形成一层薄膜，迅速蒸发，实现了良好的散热；本发明结构简单，容易实现，可根据工艺要求对补液器和蒸发-沸腾毛细芯进行设计，薄膜蒸发的实现和有效的补液，极大的提高了临界热流密度，降低了壁面过热度，具备了小空间内超高热流密度散热的性能(>1000W/cm2)。
Claims (10)
1.一种基于液滴连续补液的散热装置，其特征在于，包括下基板(1)、蒸发-沸腾毛细芯(2)、ITO加热膜(3)、保温材料(4)、补液器(5)、补液通道(6)及调距螺柱(7)；
所述下基板(1)的中部设置有用于放置蒸发-沸腾毛细芯(2)的第一层凹槽，所述蒸发-沸腾毛细芯(2)的上部中心位置设置有微米级方柱结构，所述蒸发-沸腾毛细芯(2)的下侧溅射有一层ITO加热膜(3)，且ITO加热膜(3)位于微米级方柱结构的正下方，第一层凹槽的下侧设置有第二层凹槽，第二层凹槽中设置有保温材料(4)，且保温材料(4)位于ITO加热膜(3)的正下方；
所述下基板(1)的上方设置有补液器(5)，补液器(5)的中心位置设置有若干补液通道(6)，所述补液通道(6)位于微米级方柱结构的正上方，所述下基板(1)和补液器(5)之间的距离通过设置在二者之间的若干调距螺柱(7)调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于液滴连续补液的散热装置，其特征在于，所述下基板(1)和补液器(5)之间的距离等于补液通道(6)流出液滴的直径。
3.根据权利要求1所述的一种基于液滴连续补液的散热装置，其特征在于，所述下基板(1)的高度h1为5～10mm，长度和宽度l1均为30mm，第一层凹槽尺寸为l2×l2×h2，其中l2为15mm，h2为1mm，第二层凹槽的尺寸为l3×l3×(h1-h2)，其中l3为10mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于液滴连续补液的散热装置，其特征在于，所述蒸发-沸腾毛细芯(2)为表面带有微米级方柱结构的方形铜片，尺寸为l2×l2×h2，其中l2为15mm，h2为1mm，方形铜片的中心部分10mm×10mm的区域加工有呈阵列排布的微米级方柱。
5.根据权利要求4所述的一种基于液滴连续补液的散热装置，其特征在于，所述微米级方柱的边长x为0.1～0.5mm，高度h3为0.1～0.5mm，相邻的两个微米级方柱之间的间距g1为0.1～0.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于液滴连续补液的散热装置，其特征在于，所述补液器(5)的高度h4为10～20mm，长度和宽度均为30mm。
7.根据权利要求6所述的一种基于液滴连续补液的散热装置，其特征在于，所述补液器(5)的中心部分10mm×10mm的区域均匀分布有25个补液通道(6)，所述补液通道(6)为疏水补液通道。
8.根据权利要求7所述的一种基于液滴连续补液的散热装置，其特征在于，所述补液通道(6)的直径d1均为1～5mm，相邻两个补液通道(5)之间的间距g2为1～5mm，且补液通道(6)的直径等于液滴的直径。
9.根据权利要求1所述的一种基于液滴连续补液的散热装置，其特征在于，所述下基板(1)和补液器(5)的周围分别布置四个定位螺孔(8)，所述下基板(1)和补液器(5)通过与定位螺孔(8)配合的调距螺柱(7)连接。
10.根据权利要求9所述的一种基于液滴连续补液的散热装置，其特征在于，所述下基板(1)或补液器(5)上的相邻定位螺孔(8)的中心之间的距离l4为4mm，定位螺孔(8)的直径d2为4mm。
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| CN202011586914.2A Pending CN112736047A (zh) | 2020-12-28 | 2020-12-28 | 一种基于液滴连续补液的散热装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112736047A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060250774A1 (en) * | 2005-05-06 | 2006-11-09 | International Business Machines Corporation | Cooling apparatus, cooled electronic module and methods of fabrication thereof employing an integrated coolant inlet and outlet manifold |
| US20140190668A1 (en) * | 2013-01-04 | 2014-07-10 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Cooling Apparatuses Having A Jet Orifice Surface With Alternating Vapor Guide Channels |
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-
2020
- 2020-12-28 CN CN202011586914.2A patent/CN112736047A/zh active Pending
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