CN113008058B - 一种光热种子汽泡微蒸发器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于高热流冷却技术领域的一种光热种子汽泡微蒸发器。利用脉冲激光照射位于微通道中的对尖纳米结构，根据纳米结构的等离激元效应，将光能转化为热能，局部加热附近流体到很高的温度，核化并形成微汽泡，汽泡在来流切应力作用下，被有序带入到通道下游，遇到主流过热液体后吸热生长，通过脉冲频率控制，可形成时间序列上的微汽泡流，这些汽泡在通道内充当沸腾核化穴的种子，从而可实现对蒸发器的流动与传热控制。本发明可解决微通道内沸腾起始点温度过高及流动沸腾不稳定性的难题，在较宽范围内精准控温，显著提升蒸发器换热性能，从而避免高热流器件过温烧毁，延长了使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及高热流冷却技术领域，尤其涉及一种光热种子汽泡微蒸发器。
背景技术
随着电子器件日渐集成化和微型化，单片上的热流密度也变得越来越高，为了防止芯片因过高的温度而失效，对此需要采取有效的冷却措施来消除大量的热量。微通道因具有结构紧凑、换热效率高等特点，使其成为最具有发展潜力的散热技术之一。微通道按照换热形式可分为单相微通道和两相微通道，其中单相微通道热应力较高，冷却不均匀，且冷却上限也会受饱和温度的限制；而两相微通道不仅热应力低，冷却均匀性好，压降损失低，还可以利用液体沸腾带走更多的热量。
但传统微通道沸腾换热也有很多的瓶颈问题，如微通道表面的粗糙度很低，其有效核化穴数量非常少，这导致了沸腾换热的起始点温度很高，大大降低了散热效果，也增加了启动烧毁芯片的风险。此外，两相微通道还伴有流动沸腾不稳定性，这会使系统热应力不均匀，产生机械振动，且换热性能大幅度降低，对此最常规的措施是在微通道入口处设置节流装置，这可以在一定程度上防止快速生长的汽弹反冲，但也因此给系统带来了很大的压力降，不能从根本上解决两相沸腾换热的固有问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种光热种子汽泡微蒸发器，其特征在于，包括微通道、光热种子汽泡发生器、泵、冷凝器、储液罐和预热器；
其中，微通道为硅基上制备的，与其他半导体器件相兼容；微通道的截面形状为矩形、梯形或三角形，每个微通道内设置一个金属纳米对尖结构；
光热种子汽泡发生器包括脉冲激光、金属纳米对尖结构和温度传感器。
所述光热种子汽泡发生器用激光照射金属纳米对尖结构，激发金属纳米对尖结构表面等离激元，光子的能量传递给等离子体，经过非辐射弛豫过程后，吸收的能量又转移给了电子，使电子从低能级状态跃迁到高能级；随后通过电子—电子散射将能量从高能级的电子分配给低能级的电子上；再通过电子—声子散射，电子的能量传递给声子，声子吸收能量后使晶格温度升高；又通过声子—声子散射，热量向四周传递，使尖端具有很高的温度，达到形成汽泡的动力学温度，从而使水发生汽化并形成纳米汽泡，在激光的照射下，这些纳米汽泡迅速成长且与周围的纳米汽泡结合形成微汽泡；微汽泡在液体剪切力的作用下，被带入到微通道下游，与主流过热液体相接触后渐渐变大，在微通道内充当核化种子实现对微通道内流动及传热的控制；在脉冲激光的数字化控制下，光热种子汽泡发生器在时间序列上任意产泡。
所述脉冲激光的频率与金属纳米对尖结构表面的自由电子振荡频率相同，有效激发出金属纳米对尖结构表面等离激元效应，调节脉冲激光的偏振及脉冲宽度，对金属纳米对尖结构的局域电场强度及热产生过程进行精确调控，从而调节产生汽泡的大小和频率。
所述金属纳米对尖结构的尖端表面曲率大，电场强度剧增，电势梯度很大，导致尖端总是聚集最多的电荷，吸收更多的光子，因此尖端的顶部温度最高，微汽泡在两个尖端中间快速生成；对尖粘贴于每个微通道上游接近入口处，或与微通道一体化设计。
所述温度传感器安装在蒸发器主体上，且与控制电路连接，用来感应蒸发器的壁面温度；温度传感器的温度信号传输到控制电路上，并与预置值进行比较，若偏离预置范围，则控制电路会相应的调节脉冲激光的功率，从而调控产汽泡的频率，实现对蒸发器温度的检测与反馈调控。
基于光热种子汽泡微蒸发器的液体循环运输方法，其特征在于，液体在蒸发器内蒸发并带走芯片上的热量，生成的高温气液混合物进入到冷凝器内释放热量变成低温液体，低温液体流入储液罐，然后被泵升压再进入到预热器内预热，从预热器流出的高温液体流回蒸发器内，从而实现循环过程。
本发明的有益效果在于：
1、在传统的微通道技术上引入了光热种子汽泡发生器，可以快速触发微通道中的沸腾传热，解决了沸腾起始点温度偏高的问题，避免了高热流器件过温烧毁，延长了其使用寿命；
2、本发明使蒸发器内的汽泡核化过程在可控的条件下发生，消除了沸腾传热的随机性和不可重复性，从根本上解决了沸腾传热不稳定性问题；
3、本发明相比于传统的两相微通道，换热效果更好，消耗泵功低，对芯片的温度调节也更稳定、高效且精确；
4、本发明对复杂流动和传热进行了简化，为传统微通道技术提供了新的思路及解决方案。
附图说明
图1为光热种子汽泡发生器示意图；
图中：1-脉冲激光、2-微通道、3-金属纳米对尖结构、4-微汽泡；
图2为光热种子汽泡微蒸发器结构示意图；
图中：5-微通道入口工质腔、6-微通道出口工质腔；
图3为光热种子汽泡微蒸发器结构立体图；
图4为光热种子汽泡微蒸发器实施系统示意图；
图中：7-温度传感器、8-冷凝器、9-储液罐、10-泵、11-预热器。
具体实施方式
本发明提出一种光热种子汽泡微蒸发器，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
图1为光热种子汽泡发生器示意图。包括脉冲激光1、微通道2、金属纳米对尖结构3、微汽泡4。
在微通道2中，用脉冲激光1照射金属纳米对尖结构3，激发纳米结构表面电子的集体振荡，将光子的能量转化给表面等离激元，而后经过非弛豫过程，吸收的能量又转移给了电子，使电子从低能级状态跃迁到高能级。随后通过电子—电子散射，能量从高能级的电子分配给低能级的电子上，此时的电子为热电子；再通过电子—声子散射，电子的能量传递给声子，声子吸收能量后使晶格温度升高；又通过声子—声子散射效应，热量向四周耗散，使尖端具有很高的温度，以至于达到了形成汽泡的动力学温度，从而使水发生汽化并形成若干纳米汽泡，在脉冲激光1的照射下，这些纳米汽泡迅速成长且与周围的纳米汽泡结合形成微汽泡4。
图2和图3分别为本发明的光热种子汽泡微蒸发器结构示意图和立体图。包括微通道2、金属纳米对尖结构3、微汽泡4、微通道入口工质腔5、微通道出口工质腔6。
流体从微通道入口工质腔5流入微通道2中，并将金属纳米对尖结构3处产生的微汽泡4带入到了微通道下游，微汽泡与流入微通道中流体相接触后，渐渐变大，最后随流体一起流入微通道出口工质腔6。
图4为光热种子汽泡微蒸发器实施系统示意图。包括脉冲激光1，微通道2，温度传感器7，冷凝器8，储液罐9，泵10，预热器11。
液体从储液罐9中流出，流入泵10内，经过泵升压后流入预热器11内预热，从预热器流出的高温液体流入微通道2，在蒸发器内形成流动汽泡沸腾流，带走芯片上的热量，从蒸发器流出的气液两相混合物流入到冷凝器8内冷凝，最后流回到储液罐9内。位于蒸发器内的温度传感器7，与电路相连接，将测得的温度信号传递给电路，与预置范围进行比较，若有偏离，则调节脉冲激光1的功率，对通道内的沸腾传热进行控制。
综上所述，本发明提出光热种子汽泡微蒸发器及其应用系统，利用光热种子汽泡发生器产生的汽泡流对通道内的流动沸腾传热进行调控，解决了沸腾传热起始点温度高的难题，并显著改善了流动沸腾不稳定性的固有问题，有很广泛的应用前景。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种光热种子汽泡微蒸发器，其特征在于，包括微通道、光热种子汽泡发生器、泵、冷凝器、储液罐和预热器；
其中，微通道为硅基上制备的，与其他半导体器件相兼容；微通道的截面形状为矩形、梯形或三角形，每个微通道内设置一个金属纳米对尖结构；
光热种子汽泡发生器包括脉冲激光、金属纳米对尖结构和温度传感器；
所述光热种子汽泡发生器用激光照射金属纳米对尖结构，激发金属纳米对尖结构表面等离激元，光子的能量传递给等离子体，经过非辐射弛豫过程后，吸收的能量又转移给了电子，使电子从低能级状态跃迁到高能级；随后通过电子—电子散射将能量从高能级的电子分配给低能级的电子上；再通过电子—声子散射，电子的能量传递给声子，声子吸收能量后使晶格温度升高；又通过声子—声子散射，热量向四周传递，使尖端具有很高的温度，达到形成汽泡的动力学温度，从而使水发生汽化并形成纳米汽泡，在激光的照射下，这些纳米汽泡迅速成长且与周围的纳米汽泡结合形成微汽泡；微汽泡在液体剪切力的作用下，被带入到微通道下游，与主流过热液体相接触后渐渐变大，在微通道内充当核化种子实现对微通道内流动及传热的控制；在脉冲激光的数字化控制下，光热种子汽泡发生器在时间序列上任意产泡。
2.根据权利要求1所述的光热种子汽泡微蒸发器，其特征在于，所述脉冲激光的频率与金属纳米对尖结构表面的自由电子振荡频率相同，有效激发出金属纳米对尖结构表面等离激元效应，调节脉冲激光的偏振及脉冲宽度，对金属纳米对尖结构的局域电场强度及热产生过程进行精确调控，从而调节产生汽泡的大小和频率。
3.根据权利要求1所述的光热种子汽泡微蒸发器，其特征在于，所述金属纳米对尖结构的尖端表面曲率大，电场强度剧增，电势梯度很大，导致尖端总是聚集最多的电荷，吸收更多的光子，因此尖端的顶部温度最高，微汽泡在两个尖端中间快速生成；对尖粘贴于每个微通道上游接近入口处，或与微通道一体化设计。
4.根据权利要求1所述的光热种子汽泡微蒸发器，其特征在于，所述温度传感器安装在蒸发器主体上，且与控制电路连接，用来感应蒸发器的壁面温度；温度传感器的温度信号传输到控制电路上，并与预置值进行比较，若偏离预置范围，则控制电路会相应的调节脉冲激光的功率，从而调控产汽泡的频率，实现对蒸发器温度的检测与反馈调控。
5.一种基于权利要求1所述光热种子汽泡微蒸发器的液体循环运输方法，其特征在于，液体在蒸发器内蒸发并带走芯片上的热量，生成的高温气液混合物进入到冷凝器内释放热量变成低温液体，低温液体流入储液罐，然后被泵升压再进入到预热器内预热，从预热器流出的高温液体流回蒸发器内，从而实现循环过程。
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