CN112888264A

CN112888264A - 一种基于气液分离的双层微通道散热装置

Info

Publication number: CN112888264A
Application number: CN202110144313.4A
Authority: CN
Inventors: 张永海; 马祥; 魏进家
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2041-02-02
Also published as: CN112888264B

Abstract

本发明公开了一种基于气液分离的双层微通道散热装置，主要包括下层的液路微通道散热器、纳米多孔薄膜和上层的气路微通道散热器。利用烧结技术将液路微通道散热器和气路微通道散热器连接成一体，然后将纳米多孔薄膜封装在气、液微通道中间，液路微通道内部的工作流体受热蒸发，蒸汽透过纳米多孔薄膜进入气路微通道，形成薄膜蒸发带走极大热量的同时，实现了气液分离，降低了两相流动不稳定性，液路微通道中多孔结构的存在也有效缓解了液膜干涸的现象，延迟了临界现象的发生，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，可用于满足超过热流密度的散热需求。

Description

一种基于气液分离的双层微通道散热装置

技术领域

本发明涉及微小空间内的冷却散热领域，适用于超高热流密度散热技术，特别涉及一种基于气液分离的双层微通道散热装置。

背景技术

随着MEMS/NEMS技术、3D-IC封装技术的迅速发展，电子器件微型化、集成化程度更高，同时也面临器件整体高热流密度和局部超高热流密度的双重挑战。近年来人们提出了多种新型冷却技术来提高材料和设备的可靠性，包括：微通道冷却、喷雾式冷却、压电冷却、射流冷却、热管等方法。其中微通道冷却技术由于其较强的换热能力、紧凑性、换热均匀性等优势而成为研究热点。

过去几年，微通道内的单相流动冷却技术己经在市场上得到应用，但微通道内的单相流动会引起器件表面温度梯度，造成局部温度偏高，产生较大的热应力。而基于相变传热机理的微通道流动沸腾冷却技术，可减小温度分布的不均匀性并可进一步降低换热热阻。另外微通道流动沸腾冷却系统的平均质量流量小于微通道单相流循环系统，这可大大降低驱动系统的功率要求。而现在越来越多的换热设备对摩擦功率的限制迫使设计者降低质量流量，因此微通道流动沸腾冷却技术受到越来越多的关注。

然而，由于微通道两相流动的复杂性，导致微通道中的流动沸腾仍然存在许多未解决的问题，例如较大的流动沸腾不稳定性、压降过高、临界热流密度难以进一步提高等。当气泡在微通道中成核并生长时，气泡沿通道的长度方向迅速长大，气液界面迅速膨胀，压力迅速增加，引起微通道内的温度、压力和流量均发生波动，从而导致局部热应力、局部干烧诱发CHF过早发生等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于气液分离的双层微通道散热装置，以克服现有技术存在的缺陷，本发明中高导热率的纳米多孔膜的存在加速了气液两相的分离，消除了两相流动的不稳定性，在液路通道中沉积有多孔涂层，可以借助毛细作用将液体补给到气泡底部液膜显著变薄甚至蒸干的剧烈蒸发区域，同时增加了气化核心密度，从而推迟了临界现象的发生。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于气液分离的双层微通道散热装置，包括位于下层的液路微通道散热器和位于上层的气路微通道散热器，液路微通道散热器上均匀设置有若干液路微通道，气路微通道散热器上均匀设置有若干气路微通道，且液路微通道和气路微通道相对设置，所述液路微通道散热器和气路微通道散热器之间设置有纳米多孔薄膜，所述液路微通道表面设置有多孔结构，所述液路微通道散热器和气路微通道散热器通过烧结技术连接成一体，纳米多孔薄膜封装在液路微通道和气路微通道之间。

进一步地，所述液路微通道散热器上均匀设置有若干第一微肋，相邻的第一微肋之间设置液路微通道。

进一步地，所述气路微通道散热器上均匀设置有若干第二微肋，相邻的第二微肋之间设置气路微通道。

进一步地，所述液路微通道散热器的长度和宽度均为l₁＝10mm，高度为h₁＝2mm，所述第一微肋和第二微肋的高度为h₂＝0.3～1.5mm，长度为l₂＝l₁＝10mm，宽度为d₁＝0.1～0.5mm，液路微通道的宽度d₂＝(l₁-n×d₁)/(n+1)。

进一步地，所述气路微通道散热器的长度和宽度l₃＝l₁＝10mm，高度h₃＝h₁＝2mm，气路微通道的宽度d₃＝d₂。

进一步地，所述纳米多孔薄膜的长和宽均为l₄＝10mm，纳米多孔薄膜上的微孔直径d₄＝10nm～50nm，相邻微孔的中心间距s＝20nm～100nm，微孔高度h₄＝50nm～100nm。

进一步地，所述纳米多孔薄膜采用多孔阳极氧化铝膜或者石墨烯纳米薄膜。

进一步地，所述液路微通道散热器和气路微通道散热器的材料采用铜。

进一步地，所述多孔结构采用微/纳米多孔涂层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明气液分离双层微通道的下层为液路微通道，液路微通道和热源界面直接接触进行散热，工作流体沿着液路微通道中流动，上层为气路微通道，两层微通道之间设置一层纳米多孔薄膜，工作流体在液路微通道中受热发生相变，产生的蒸汽透过纳米多孔薄膜进入气路微通道，高温蒸汽沿着气路微通道流动，实现了气液的快速分离，避免了微通道内气液界面的迅速膨胀，从根本上抑制了流动沸腾的不稳定性。另外，液路微通道中多孔结构的微肋，一方面可提供更多的成核位置，有利于气泡的生成，另一方面通过在液路微通道表面沉积的多孔结构，借助其毛细输运作用将液体补给到气泡底部液膜显著变薄甚至蒸干的剧烈蒸发区域，有效地延迟了干涸现象的发生，提高了超高热流密度下的散热能力。

进一步地，液路微通道表面制备具有多孔结构的微肋，增加了气化核心密度，液体利用表面的多孔结构依靠毛细作用及时进行补液，有效抑制加热面中心或者局部热点干斑的产生。

进一步地，纳米多孔薄膜的存在，使得液路微通道中产生的蒸汽通过纳米多孔薄膜进入气路微通道，有效地实现了气液两相的分离，消除了两相流动的不稳定性。

进一步地，气液双层微通道之间的一层纳米多孔薄膜，根据厚度、孔径、材料等对气液双层微通道换热性能的影响，可以形成更多的纳米级延伸弯月面区，具有极大地蒸发换热能力，强化了蒸发换热性能。

进一步地，气液分离双层微通道的设计可以实现超高热流密度的散热能力，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为本发明液路微通道散热器的三维图；

图2-2为本发明液路微通道散热器的主视图；

图2-3为本发明液路微通道散热器的俯视图；

图3-1为本发明气路微通道散热器的三维图；

图3-2为本发明气路微通道散热器的主视图；

图3-3为本发明气路微通道散热器的下视图；

图4-1为本发明纳米多孔薄膜的三维图；

图4-2为本发明纳米多孔薄膜的俯视图。

其中，1、液路微通道散热器；2、液路微通道；3、气路微通道散热器；4、气路微通道；5、纳米多孔薄膜；6、多孔结构；7、第一微肋；8、第二微肋。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明从抑制流动沸腾不稳定性、降低压降、提高换热系数和临界热流密度的角度出发，设计了一种兼具高稳定性、低压降特性和高换热性能的高效气液分离微通道散热装置。

如图1-1、1-2所示，包括液路微通道散热器1，液路微通道2，气路微通道散热器3，气路微通道4，纳米多孔薄膜5，液路微通道表面的多孔结构6和第一微肋7及第二微肋8。本发明基于气液快速分离的原理，提出了气液分离双层微通道的结构设计，主要由上、下两层微通道散热器和中间的一层纳米多孔薄膜5组成。下层为微液路微通道散热器1，上层为气路微通道散热器3，两层微通道散热器之间设置一层纳米多孔薄膜5。工作流体沿着液路微通道2流动，液路微通道2中的工作流体受热蒸发，产生的蒸汽透过中间的纳米多孔薄膜5进入气路微通道4，高速蒸汽沿着气路微通道4流动，从而实现了气液快速分离，有效避免了微通道内气液界面迅速膨胀导致的流动沸腾不稳定性，达到强化散热的目的。另一方面，通过烧结技术或者喷涂技术在液路微通道2内部制备具有多孔结构6的第一微肋7，而第一微肋7的多孔结构6可提供更多的成核位置，有利于对局部干涸区域进行补液，因此可进一步增加沸腾换热的临界热流密度。

如图2-1、2-2、2-3所示，液路微通道散热器1的长度和宽度均为l₁(10mm)，高度为h₁(2mm)，通过微铣削技术在液路通道中加工n条第一微肋7，形成平行的液路微通道2，第一微肋7的高度为h₂(0.3～1.5mm)，肋长l₂＝l₁＝10mm，肋宽为d₁(0.1～0.5mm)，则液路微通道2的宽度d₂＝(l₁-n×d₁)/(n+1)。另外，为了延迟微通道内流动沸腾临界现象的发生，在通道内部和微肋表面沉积多孔结构6，从而可以有效的借助其毛细输运作用将液体补给到气泡底部液膜显著变薄甚至干涸的剧烈蒸发区域。

如图3-1、3-2、3-3所示，气路微通道散热器3的长度和宽度l₃＝l₁＝10mm，高度h₃＝h₁＝2mm，同样在气路通道中加工n条第二微肋8，形成平行的气路微通道4，第二微肋8的高度为h₂，宽度为h₂，则气路微通道4的宽度d₃＝d₂。

纳米多孔薄膜5如图4-1、4-2所示，在l₄(10mm)×l₄(10mm)的薄板上加工纳米级的微孔，微孔直径d₄为10nm～50nm，相邻微孔的中心间距s为20nm～100nm，微孔高度h₄为50nm～100nm。

本发明通过在微通道中间设置一层纳米多孔薄膜，设计了气液分离的双层微通道散热装置，实现了气体和液体的有效分离，降低了流动沸腾的不稳定性。本发明在液路微通道中通过烧结或者喷涂工艺沉积了多孔结构，有助于多孔涂层的毛细输运将液体补给到液膜显著变薄的剧烈蒸发区域。本发明结构简单，容易实现，可根据工艺要求对微通道散热器进行设计，根据厚度、孔径、材料等参数选择合适的纳米多孔薄膜，借助薄膜蒸发的实现和液路微通道表面多孔结构的毛细作用，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)。

下面结合实施过程对本发明做详细描述：

本发明基于气液快速分离的原理，从强化传热、降低流阻的角度出发，开发了一种气液分离的双层微通道散热装置。液路微通道2和热源界面接触进行散热，作为换热发生的主要区域，工作流体在液路微通道2中流动，受热蒸发，产生的高温蒸汽上升到纳米多孔薄膜5附近，借助纳米多孔薄膜形成更多的纳米级延伸弯月面区，具有极大的蒸发换热能力和毛细泵吸能力，形成薄膜蒸发，由于纳多孔薄膜的疏水透气性，可以使蒸汽快速透过薄膜进入气路微通道4，而液体依旧沿着液路微通道2流动，从而实现了气液两相的有效分离，消除了流动沸腾的不稳定性，提高了超高热流下的散热能力。另一方面，液路微通道2表面的多孔结构6，可以借助其毛细输运作用将液体补给到气泡底部液膜显著变薄甚至蒸干的剧烈蒸发区域，不仅能增加气化核心密度，还具有"热管效应"，从而推迟加热微通道内临界现象的发生。

液路微通道散热器1和气路微通道散热器3的材料拟采用铜，通过3D打印技术、烧结技术或喷涂技术，制备具有多孔结构微肋的液路微通道2，购买高热导率的纳米多孔薄膜5(多孔阳极氧化铝膜或者石墨烯纳米薄膜)，纳米多孔薄膜5的厚度、孔径、材料等工艺参数依据实验条件进行选择，通过微铣削技术加工气路微通道4，将液路微通道散热器1、纳米多孔薄膜5和气路微通道散热器3一体化集成完成气液分离的双层微通道散热装置的制备。

Claims

1.一种基于气液分离的双层微通道散热装置，其特征在于，包括位于下层的液路微通道散热器(1)和位于上层的气路微通道散热器(3)，液路微通道散热器(1)上均匀设置有若干液路微通道(2)，气路微通道散热器(3)上均匀设置有若干气路微通道(4)，且液路微通道(2)和气路微通道(4)相对设置，所述液路微通道散热器(1)和气路微通道散热器(3)之间设置有纳米多孔薄膜(5)，所述液路微通道(2)表面设置有多孔结构(6)，所述液路微通道散热器(1)和气路微通道散热器(3)通过烧结技术连接成一体，纳米多孔薄膜(5)封装在液路微通道(2)和气路微通道(4)之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于气液分离的双层微通道散热装置，其特征在于，所述液路微通道散热器(1)上均匀设置有若干第一微肋(7)，相邻的第一微肋(7)之间设置液路微通道(2)。

3.根据权利要求2所述的一种基于气液分离的双层微通道散热装置，其特征在于，所述气路微通道散热器(3)上均匀设置有若干第二微肋(8)，相邻的第二微肋(8)之间设置气路微通道(4)。

4.根据权利要求3所述的一种基于气液分离的双层微通道散热装置，其特征在于，所述液路微通道散热器(1)的长度和宽度均为l₁＝10mm，高度为h₁＝2mm，所述第一微肋(7)和第二微肋(8)的高度为h₂＝0.3～1.5mm，长度为l₂＝l₁＝10mm，宽度为d₁＝0.1～0.5mm，液路微通道(2)的宽度d₂＝(l₁-n×d₁)/(n+1)。

5.根据权利要求4所述的一种基于气液分离的双层微通道散热装置，其特征在于，所述气路微通道散热器(3)的长度和宽度l₃＝l₁＝10mm，高度h₃＝h₁＝2mm，气路微通道(4)的宽度d₃＝d₂。

6.根据权利要求1所述的一种基于气液分离的双层微通道散热装置，其特征在于，所述纳米多孔薄膜(5)的长和宽均为l₄＝10mm，纳米多孔薄膜(5)上的微孔直径d₄＝10nm～50nm，相邻微孔的中心间距s＝20nm～100nm，微孔高度h₄＝50nm～100nm。

7.根据权利要求1所述的一种基于气液分离的双层微通道散热装置，其特征在于，所述纳米多孔薄膜(5)采用多孔阳极氧化铝膜或者石墨烯纳米薄膜。

8.根据权利要求1所述的一种基于气液分离的双层微通道散热装置，其特征在于，所述液路微通道散热器(1)和气路微通道散热器(3)的材料采用铜。

9.根据权利要求1所述的一种基于气液分离的双层微通道散热装置，其特征在于，所述多孔结构(6)采用微/纳米多孔涂层。