JP5837880B2 - 改善された効率を有する熱交換デバイス - Google Patents

Description

本発明は、電子部品を冷却するために使用することができる、改善された効率を有する熱交換デバイスに関する。

沸騰現象は、熱交換デバイスで使用されることが非常に多い。この現象は、次の２つの状態のいずれかから起こる。
・プール沸騰：この方法は、熱が放散されなければならない表面は、停滞した不圧の液体の中に埋没している。プール沸騰の主要な現象は、核沸騰である。
・対流閉込め沸騰：この状態の下では、液体は、前記液体の毛細管長よりも小さい水力直径のパイプに流れ込む。

プール沸騰の場合には、「臨界」と呼ばれる熱流より上で、連続した蒸気層の出現が観察され、この蒸気層が、液体と壁の間の接触を全面的に妨げる。
そして、熱伝達は、実質的に低下する。
したがって、その後熱はほとんど放散されないので、壁の温度は連続的に上昇する。
このようにして、高温部分が生成され、これにより、容器および冷却されるべき素子の破壊が引き起こされることがある。

チャネル中に閉じ込められた対流沸騰の場合には、泡が、一般に、チャネルの入り口に近いゾーンに形成される。
その後、閉込め効果によって、泡は押しつぶされ、合体してベーパーロックを形成する。
そのとき、熱は、チャネルの壁と接触している液体のミクロ層を通して主に伝達される。
閉じ込められたスペースの中で熱伝達が起こるとき、一般にチャネルの壁の早過ぎる乾燥が観察される。
この乾燥は、熱交換係数の実質的な減少を引き起こし、したがって冷却されるべき素子の効率低下を引き起こす。

その上、表面が濡れていればいるほど、それだけ臨界熱流が増加することが証明されている。
しかし、表面の湿潤性が高くなればなるほど、それだけ蒸気泡の最初の核を形成するのに必要なエネルギーが大きくなる。
そのため蒸気泡形成の頻度が減少する。

したがって、本発明の１つの目的は、湿潤表面の有利点と、また蒸気泡の十分な発生頻度とを同時に有する熱交換表面を提供することである。

上述の目的は、前記表面の湿潤性特性を変え、かつ要求に応じて親水性にすることができる電気的手段を内蔵する低湿潤熱交換表面によって達成される。

表面の湿潤性特性を変えるために、電気湿潤の原理が使用されて、蒸気泡形成後の表面に電位を与えて蒸気泡の形成領域の表面の湿潤性を高め、蒸気泡の剥離を容易にする。
最初に、蒸気泡の核の発生に有利に働く低湿潤表面があり、その後、気泡の剥離に有利に働く湿潤表面がある。
言い換えれば、要求に応じて湿潤性を変えることができる活性表面が使用され、これによって、ある期間にわたって低湿潤性の有利点と十分な湿潤性の有利点を組み合わせることができるようになる。

電気湿潤を使用することによって、表面の湿潤性特性を局部的に変えることができ、したがって離散的かつ局部的なやり方で泡を発生させることができる。

この局部化によって、蒸気膜を生成する可能性のある１つのゾーンでの大量の泡およびそれらの泡の合体の防止が可能になる。

本発明によると、液体と接触する壁の表面エネルギーは電気的作動によって変えられ、このことによって、熱伝達係数を改善し、さらに望ましくない熱現象、すなわちプール沸騰中の臨界熱流の出現および対流沸騰中の乾燥を遅らせることができるようになる。

特に有利なやり方では、電気湿潤手段の作動の周波数は、蒸気泡の核の形成およびそれらの泡の壁からの剥離の動力学と一致している。そのとき泡発生は最適であり、この泡発生の効果は、熱伝達を改善すること、したがって高温素子の冷却を改善することである。

プール沸騰状態に利用できる実施形態では、時間的同期化されかつ空間的に一様なやり方で泡発生および泡の剥離を分布させ、かつ蒸気泡の合体を防止するために、可変湿潤性を有するゾーンおよびそれらのゾーンの湿潤性の変化が、ある与えられたやり方で体系化される。
そのとき、臨界熱流の出現の危険性は小さい。

選択的に利用可能ないくつかの電気湿潤システムが表面の下に分布され、それらのシステムの全てが、それらのシステムを覆う表面の湿潤性の変化を同時に引き起こすように同時に制御される。したがって、デバイスは簡素化される。

流体がチャネル中に流れ込む対流沸騰状態に適した他の実施形態では、冷却されるべき素子によって供給される熱の影響を受けるチャネル中で泡の形態で大きさが成長する、蒸気泡の核を発生させるために、熱源に結合された、電気湿潤によって変えられる湿潤性のゾーンが、チャネルの入り口に置かれる。したがって、泡が現れる時は、泡の核が習慣的に自然に現れるゾーン以外に発生器を作ることによって制御される。

これらの核を、時間をかけて十分に間隔をあけるやり方で発生させて、蒸気泡の合体およびベーパーロックの出現を防止することができる。
それにより、その表面の熱伝達は改善され、壁の乾燥は遅れる。

したがって、本発明の内容は、主に、少なくとも１つの低湿潤ゾーンを有する表面で極性液体を沸騰させることによって熱交換を実現する方法であり、本方法は、
ａ）前記低湿潤ゾーン上に蒸気泡の核の出現を生じさせ、かつ前記核を成長させるステップと、
ｂ）このようにして形成された前記気泡の剥離に有利に働くために、少なくとも１つの電気湿潤システムによって前記表面を湿潤にするステップと、を有する。

表面は、また、全体的に低湿潤であってもよく、電気湿潤システムが前記表面の下に分布される。ステップｂ）において、電気湿潤システムは、形成された前記気泡の剥離に有利に働くように全て同時に作動される。

表面は、その表面の下に分布された別々に作動させることができるｍ個の電気湿潤システムを備えることができ、ｍはｎ＋ｐに等しく、ｍ、ｎおよびｐは自然数であり、ステップａ）およびｂ）は、ｎおよびｐの電気湿潤システムに対して周期的に適用され、ステップａ）はｎのシステムに、ステップｂ）はｐのシステムに同時に適用され、さらにステップａ）は同時にｐのシステムに適用され、またステップｂ）は同時にｎのシステムに適用される。

電極の活性化の期間は、蒸気泡の核の発生期間と蒸気泡の成長期間の和にほぼ等しく、例えば１０Ｈｚから１００Ｈｚの間である。

他の例では、表面は、表面の下に延在する１つのトラックの形態である電極を備えることができ、前記表面は、電極の上に、交互になる低湿潤ゾーンおよび湿潤ゾーンを有し、さらにステップａ）およびステップｂ）は、その単一電極に適用される。

沸騰は、対流性でかつ閉じ込められていてもよく、さらに、そのとき表面は、極性液体が流れるダクトの一部を形成し、前記表面は、熱交換が起こるゾーンから上流に位置している。その表面は、加熱手段を備える。ステップａ）の間に、極性液体は、表面上で熱伝達を受ける。

本発明の内容は、また、極性液体と接触する、素子から熱を取り出すように意図された表面を備える熱交換用デバイスであり、前記表面は、極性液体と接触する表面の湿潤性を電気湿潤によって局部的に変えることができる少なくとも１つのシステムを備え、前記システムは、対電極と関連した少なくとも１つの電極と、電極に電位を与えることによって前記電極を活性化する制御手段とを備え、表面の壁は、少なくとも部分的に、前記電極に電位が与えられない場合には低湿潤性特性を有し、さらに、前記システムは、誘電体層によって液体から絶縁されている。

例えば、極性液体は流れており、前記電気湿潤システムは、冷却されるべき素子と接触する部分から上流の壁の一部に置かれ、さらに前記デバイスは、また、液体をダクト中に流す手段と、電気湿潤システムの領域に置かれた加熱手段とを備えている。

電気湿潤システムは、液体の流れの方向に対して横方向に分布された、対電極と関連した少なくとも１つの電極を備えることができる。

少なくとも１つの電極は、例えば環の形を有し、対電極は、前記環の中心に置かれている。電極の外径は、例えば０．１ｍｍから１ｍｍであり、対電極の直径は、１μｍから１０μｍであり、電極と対電極との間の距離は、例えば１μｍから５０μｍである。

２つの隣接する電極の間の距離は、０．１ｍｍから１ｍｍであってもよい。

加熱手段は、電極によって囲まれかつ対電極を囲む環状電気抵抗器によって形成されてもよい。

他の例示の実施形態では、電気湿潤システムは、本体および本体に対して横向きの、ほぼ極性液体の流れの方向に並べられた指部を含む櫛状電極と、櫛状対電極とを備え、対電極の指部は電極の指部と互いにかみ合っており、表面は、また、指部に沿って低湿潤ゾーンと交互になる湿潤ゾーンを備え、さらに加熱手段は、電極の指部と対電極の指部との間を通っている。

湿潤ゾーンおよび低湿潤ゾーンは、例えば、極性液体の流れの方向にほぼ垂直なストリップの形を取り、櫛の長さの全体にわたって延びている。

他の実施形態では、沸騰は容器中で起こることがあり、前記表面は、前記デバイスのベースを形成し、電気湿潤システムは、少なくとも１つの対電極と関連した複数の電極を備え、さらに前記電極は、壁の全表面にわたって分布されている。

特に有利な例示の実施形態では、制御手段は、全ての電極を周期的に同時に活性化し、また非活性化する。

他の例示の実施形態では、制御手段は、電極をグループでまたは別々に位相シフトのやり方で周期的に活性化し、また非活性化する。

例えば、電極は、チェッカー盤の形で分布されている。

全表面は湿潤でよく、すなわち電極の上のゾーンが低湿潤で、電極の上のそのゾーンとそのゾーンとの間のゾーンは、湿潤である。例えば、湿潤ゾーンは、格子の形をとる。

プール沸騰を有するデバイスの異なる実施形態では、表面は、前記デバイスのベースを形成することがあり、電気湿潤システムは、壁の表面の下に延在するトラックの形をした電極と、電極のそばを通るトラック状の対電極とを備える。

トラックの上の表面は、例えば、十分な湿潤性のゾーンによって低湿潤性のゾーンに分割されている。

電極および対電極は、スパイラルの形に構成されることがある。

電極の上の表面は、例えば、十分な湿潤性の特性を有する第１のストリップと、低湿潤性の特性を有する第２のストリップを備え、前記第１および第２のストリップは、交互になり、電極（１０８）の様々な部分を横切っている。

異なる実施形態では、電極および対電極は、互いにかみ合った櫛の形をとり、表面は、電極の上に湿潤ゾーンと低湿潤ゾーンとを有する。例えば、湿潤ゾーンおよび低湿潤ゾーンは、櫛の指部を横切る湿潤および低湿潤ストリップによって形成されている。

例えば、極性液体は、水またはエチレングリコールである。

本発明の内容は、また、本発明に従った熱交換デバイスの製造方法であり、本方法は、
ａ）基板上に第１の電気絶縁層を堆積させるステップと、
ｂ）前記電気絶縁層上に導電層を堆積させて電極を形成するステップと、
ｃ）導電層上に第２の電気絶縁層を堆積させるステップと、
ｄ）第２の電気絶縁層上に低湿潤性特性を有する膜を堆積させるステップと
を含む。

熱交換デバイスの製造方法は、その膜に十分な湿潤性特性を有するゾーンを製造する次のステップｅ）を含むことがある。ステップｅ）は、例えば、レーザを用いて低湿潤性特性を有する膜（３０８）を酸化させることによって得られる。

本方法は、また、導電層をエッチングするステップを含む。

基板は、例えば鋼から作られ、第１の電気絶縁層は、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２から作られ、低湿潤性の層は、例えばＳｉＯＣから作られる。

本発明は、次の説明および説明図を使用してより適切に理解されるであろう。

本発明の第１の実施形態による熱交換表面の例示の実施形態を示す概略上面図である。 図１Ａの熱交換表面の変形を示す概略上面図である。 本発明の第１の実施形態による熱交換表面の異なる実施形態を示す上面図である。 本発明の第１の実施形態による熱交換表面の他の異なる実施形態を示す上面図である。 他の実施形態による熱交換表面を示す概略側面図である。 図４Ａの詳細を示す上面図である。 図４Ａの詳細の異なる実施形態を示す上面図である。 他の実施形態の別の例示の実施形態を示す上面図である。 本発明によるデバイスの製造方法の例示の異なるステップを示す概略図である。 本発明によるデバイスの製造方法の例示の異なるステップを示す概略図である。 本発明によるデバイスの製造方法の例示の異なるステップを示す概略図である。 本発明によるデバイスの製造方法の例示の異なるステップを示す概略図である。 湿潤表面および低湿潤表面を示す説明図である。 湿潤表面および低湿潤表面を示す説明図である。 印加電圧に応じた２つの表面の湿潤性の変化を示すグラフである。 印加電圧に応じた２つの表面の湿潤性の変化を示すグラフである。

図１Ａでは、プール沸騰状態に適した本発明による熱交換デバイスＤ１の第１の例を見ることができる。
デバイスＤ１は、極性液体（図示されない）によって覆われるように意図された熱交換表面２を備える。

熱交換表面は、極性液体と接触する面の反対側の面で冷却されるべき素子（見えない）と接触するように意図されている。
熱交換表面２は、少なくとも局部ゾーン４において、極性流体に対して低湿潤性の特性を有している。

図７Ａに図示されるように接触角θが９０°よりも大きいとき、１つの表面は、液体に対して低湿潤性を有する。図７Ｂに図示されるように接触角θが９０°よりも小さいとき、１つの表面は、液体に対して十分な湿潤性を有する。
水の場合に、疎水性表面という用語は、低湿潤表面に使用され、親水性表面という用語は湿潤表面に使用される。

さらに、本発明によると、本デバイスは、液体と熱交換表面の間の接触角を経時的に変えるために、電気湿潤システム６を備える。
電圧の変化が、極性流体に関する表面２の湿潤性特性を変える。
この例では、本システムは、疎水性表面を一時的に親水性表面に変えることができる。

図示された例では、電気湿潤システムは、熱交換表面の平面内に分布された複数の電極８を備える。
図示された例では、分布は線および列の形であるが、この構成は決して限定的なものではない。
各電極８は、対電極１０と関連している。

図示された例では、電極８は、電圧源１２に接続された環状形を有し、対電極１０は、各電極８の中心に位置している。図示された例では、対電極１０は接地されている。
電極８および対電極１０は、電極８および対電極１０から流体を分離する誘電体層（図示されない）で覆われている。
その上、熱交換表面は、極性流体に関して少なくともいくつかの疎水性ゾーンを有している。
この例示の実施形態では、全表面がこの特性を有する。

さらに、本システムは、各電極８と関連した対電極１０との間に電圧を加えるための制御手段（図示されない）を備える。電力だけが示されている。
したがって、制御手段は、電極／対電極の対に電圧を加えることができる。
液体の湿潤は、次のリップマン−ヤングの式で表される法則に従って変化する。

ここで、θは、電位Ｖでの接触角であり、θ_Ｙは、電位０Ｖでの接触角であり、Ｙは、液体の表面エネルギーであり、ε_０は空きスペースの誘電率であり、εは、絶縁層の比誘電率であり、ｄは、この絶縁層の厚さである。

このように、電位Ｖが加えられたとき、ｃｏｓθの値は大きくなる。
したがって、角度θは角度θ_Ｙよりも小さい。十分な値Ｖでは、θは９０°よりも小さくなり、表面を親水性にする。

電気湿潤は、流体の接触角を局部的に変えることができる。
水の場合には、接触角は、６０°から１１０°の間で変化することができる。

図８Ｂでは、接触角が９５°に等しい疎水性膜で覆われた、８に等しい比誘電率の絶縁層に対するエチレングリコールの湿潤性の変化を見ることができる。

１００ｎｍの絶縁層厚さおよび１０００ｎｍの絶縁層厚さに関して、電極に加えられる電圧に従った接触角θの変化が図示されている。

２に等しい比誘電率の絶縁層（図８Ａに図示される）に比べて、接触角θは、より急速に減少し、電圧が１５Ｖよりも高いとき１００ｎｍの絶縁層でゼロであり、電圧が４０Ｖ以上であるとき厚さ１０００ｎｍの絶縁層でゼロであることが分かる。

単純化のために、極性流体として水の場合を考える。
しかし、例えば上で言及されたエチレングリコールなどの任意の他の極性液体が、二相沸騰流体として使用され得ること十分理解される。
本説明の残りの部分では、活性化という用語は、電極に電位を与えることに使用される。

本発明の第１の特に有利な例示の実施形態によると、電極の活性化は、非湿潤ゾーンの全ての電極が同時に活性化されるように一括して行われる。
電極の活性化の周波数を制御することによって、また電極間の適切な距離を選ぶことによって、泡の核の大きさ、つまり蒸気泡の大きさが制御され、これによっていかなる合体の可能性も防止される。

電極が活性化されていない間の核形成および成長の期間は、電極が活性化されている間の泡の解放の期間よりも比較的長い。この例示の実施形態は、熱交換表面全体にわたって多数の泡の生成が次に起こることができるようにして、熱放散をいっそう効率的にする。
蒸気泡が成長している間に泡が互いに接触し合体して蒸気層を形成するのを防止するために、電極は、十分に間隔をあけたやり方で互いに位置付けされる。

第２の例示の実施形態によると、隣接する電極は、時間にわたって互い違いのやり方で活性化される。
時間にわたって互い違いのこの活性化によって、互いに近すぎる蒸気泡が合体して蒸気層を形成するのを防止することができるようになり、さらに蒸気泡を発生させる実効面積の使用を最適化することができるようになる。
その上、また非常に有利なやり方では、電極の活性化の期間は、蒸気泡の核の発生の期間と蒸気泡の成長の期間の和にほぼ等しい。

対応する周波数は、１０Ｈｚから１００Ｈｚである。
２つの隣接する電極の活性化間隔は、したがって、蒸気泡の核形成と成長に必要な時間に等しい。このように、蒸気泡の生成の効率、したがって熱放散の効率は最適化される。
熱交換表面は、その自然な状態で、すなわち電極８にいかなる電圧の印加もない状態で、完全に疎水性であるか電極８の上だけが疎水性であるかのどちらかであってもよい。

第１の例示の実施形態によると、全ての電極は一括して電圧源に接続される。
したがって、システムは、デバイスの製造の観点および制御の観点で単純化される。

第２の例示の実施形態によると、電極８は個々に制御されることがある。この場合に、各電極８は、個々に電圧源に接続される。
好ましくは、電極は、その電極の位置に従ってチェッカー盤の形で２つのグループに分けられ、その２つのグループは絡み合わされ、１つのグループの各電極は、他方のグループの電極だけで囲まれている。
その２つのグループは、次に、交互に、有利なことには上で言及された周波数で活性化される。

ここで、第１の例示の実施形態に従って、冷却されるべき素子を冷却する際の、図１のデバイスの動作の例を説明する。
どの電極も活性化されず、したがって、電極の上に位置する表面は疎水性であり、その結果は、蒸気泡の核の出現を容易にすることである。
核は、素子によって供給される熱の影響を受けて成長する。
したがって、熱交換表面は、泡の多数の蒸気核が全表面にわたってばらばらに分布して現れる場所である。

蒸気泡の核は、成長して蒸気泡を形成する。
有利なことには、成長期間は、泡の大きさが泡と泡の間の合体を妨げるようなものである。
蒸気泡が十分に成長したとき、電極８は活性化され、電極８の上の表面は親水性状態に変化し、この親水性状態は蒸気泡の剥離に有利に働く。
結果として、全ての蒸気泡は脱離する。

次に、電極は再び非活性化状態に変化し、電極の上に広がる表面は、再び、核形成が起こる場所になる。
この制御シーケンスは、熱放散が必要とされる限りずっと続く。
活性化は、１０Ｈｚから１００Ｈｚの周波数で行われ得る。

第２の例示の実施形態に従って、電極の２つのグループは交互に活性化され、泡の核形成が表面の一部だけで起こる。
両方のグループの電極は、非活性化電極が活性化電極によって囲まれるように位置付けされ、したがって蒸気層の出現を防止することができる。
したがって、熱交換表面は、有利なことに互いに分離された局在蒸気泡の組織的な出現が起こる場所であり、したがって合体および蒸気層の出現の可能性を制限する。

図１Ｂには、第１の実施形態に従った熱交換デバイスＤ１’の特に有利な異なる実施形態が見られ、このデバイスＤ１’は、電極の上のゾーンの間のゾーンが親水性であるという点で、図１Ａのデバイスと異なっている。
表面は、電極の上に位置する、自然に疎水性特性を有するゾーンＺ１と、疎水性ゾーンＺ１間の自然に親水性特性を有するゾーンＺ２とを備える。

図示された例では、親水性ゾーンＺ２は格子を形成し、その格子の正方形が疎水性である。核形成中に、泡は、このように疎水性ゾーンの中に含まれて、全体的な蒸気層の形成を防止する。その後、電極が活性化されたとき、ゾーンＺ１は親水性になり、ゾーンＺ２と共に泡を解放する傾向がある。

この変形では、２つの隣接する電極の上のゾーンは親水性ゾーンによって隔てられ、したがって２つの隣接する泡の合体を防止するので、全ての電極８は、同時に活性化されてもよい。

図２では、熱交換デバイスＤ２の他の特に有利な異なる実施形態を見ることができる。
この例示の実施形態では、デバイスＤ２は、電圧源１２に接続されたトラックの形をした電極１０８と、接地された対電極１１０とを備え、電極と対電極は、並行で、全表面の下に位置している。

図示された例では、電極１０８および対電極１１０は、正方形スパイラルの形に構成されている。
円形スパイラルまたは任意の他の形が使用されてよいことは明確に理解される。
その上、蒸気線の出現の可能性を防止するために、泡核形成ゾーンは、トラック上に離散化される。これを実現するために、部分的に親水性の表面が作られる。

図示された例では、表面は、疎水性ストリップ１１８と交互になる親水性ストリップ１１６を備え、これらのストリップは、トラックに対してある角度を成している。
図示された例では、ストリップは、４５°で電極トラックを横切っている。このように、表面は、親水性ゾーンと交互になる疎水性ゾーンを電極１０８の上に備えている。
したがって、泡は、親水性ゾーンによって囲まれた疎水性ゾーンに現れる傾向がある。電極に沿った蒸気線の出現の可能性は防止される。

トラックおよびその間隔の寸法は、泡の大きさに応じて選択される。
例えば、トラックの幅は、蒸気泡の核の臨界サイズ以上、すなわち１０から１００μｍである。
トラックの間隔は、０．１から２ｍｍである。
したがって、蒸気泡は、トラックに沿って分布し、離散的なやり方でスパイラルの形態を取る。
トラックは、デバイスの全表面に沿って延びているので、全表面にわたって広がった沸騰が得られる。

親水性ストリップの幅Ｌは、有利には５０μｍから５００μｍであり、疎水性ストリップの幅Ｘは１０μｍから５０μｍである。
これらのストリップは、例えば、疎水性処理を用いて、そして次に、レーザ、またはＵＶ光の下での空気への暴露を用いた酸化で親水性ストリップを形成することによって得られる。

正方形または長方形スパイラルの形は、正方形または長方形のベースを持った容器のベースをそれぞれ一様に覆うことができる。
ジグザグ形状のトラックの製造も予想され得る。

図３に、図２のデバイスの変形Ｄ３を見ることができる。
デバイスＤ３は、ベース４０８．１とベース４０８．１に対して横方向に延びる指部４０８．２との付いた櫛の形をした電極４０８を備える。
電極４０８は、ベース４０８．１の領域が電圧源１２に接続されている。

デバイスＤ３は、また、櫛状対電極４１０を備え、２つの櫛は互いにかみ合っている。このように、電極４０８の指部４０８．２は、対電極４１０の指部と交互になっている。
その上、電極を覆う誘電体層は、交互になるストリップ４１２．１、４１２．２の薄い層で覆われており、この参照された４１２．１は十分な湿潤性を有し、他方の参照された４１２．２は低湿潤性を有し、さらにストリップ４１２．１、４１２．２は、櫛の指部に直交している。

その結果、一直線になった各電極の上の各表面は、交互になる非活性化可能ゾーンと共に活性化可能ゾーンを有している。
このデバイスの動作は、図２のそれと似ている。泡の核の発生は、指部４０８．２に沿って、ストリップ４１２．２と指部４０８．２の交点に現れる。

図４Ａは、本発明による熱交換デバイスＤ４の他の実施形態を示す。
この実施形態では、対流閉込め沸騰を使用する。
熱交換デバイスＤ４は、熱量を取り出すために使用される流体４の毛細管長よりも小さい水力直径の閉じたダクト２０２を備える。
このダクト２０２は、冷却されるべき素子Ｔと一方の側が接触していることがあり、または素子Ｔの中に埋め込まれていることがある。

このデバイスは、また、流体をチャネル２０２中に流すための手段（図示されない）を備える。
チャネル２０２は、冷却されるべき素子から上流の端部２０２．１を備える。チャネルは、循環手段例えば油圧ポンプを有する閉じた循環路を形成する。流体４は、素子から下流の部分を過ぎたところで上流端部に戻される。

本発明に従って、熱交換デバイスは、上流端部の領域のチャネルの表面の下に位置付けされた電気湿潤システム２０６、および加熱手段２１４を備える。
上流端部の内面は、少なくとも電気湿潤システム２０６の領域に疎水性特性を有している。
冷却されるべき素子Ｔと接触するダクトの部分の内面は、有利なことに親水性表面を有し、上流端部２０２．１以外での蒸気泡の核の出現を制限している。

図４Ｂに、電気湿潤システム２０６の例および加熱手段２１４の概略図を見ることができる。
電気湿潤システムは、電圧源１２に接続された環状電極２０８および電極の中心にあって接地された対電極２１０を備える。
蒸気泡の核の発生領域をできるだけ局部にとどめるために、加熱手段２１４は、有利には、対電極２１０と電極２０８との間に位置付けされる。

例えば、加熱手段は、電流源に接続された環状電気抵抗器によって形成される。
加熱手段は、例えば、電気、電気力学、超音波、圧電、またはレーザに基づいている。
また、泡は、蒸気チャンバを使用して形成されてもよい。

図４Ｃに、いくつかの電極２０８−対電極２１０の対を備える電気湿潤システム２０６を、上からの図で見ることができ、各対は加熱手段２１４と関連付けられている。
いくつかの電極／対電極対を有するこの電気湿潤システム２０６は、図４Ｃに見ることができるように、チャネルの全幅を１つの線として範囲に含むことができるようにし、図４Ｃでは３つの組立品が並べられている。

電極２０８の活性化に位相シフトがあることは必ずしも必要でない。流体の流れによって取り除かれる泡は、同時に生成されてもよい。
３つの電極２０８は、並列に接続されてもよく、３つの加熱手段は直列に接続されてもよい。
デバイスＤ４は、冷却されるべき素子に依存して、例えば３ｍｍよりも小さい直径でかつ可変な長さ例えば数ｃｍのいくつかのチャネルを備えることができることが明確に理解される。

ここで、デバイスＤ４の動作を説明する。
目的は、冷却されるべき素子から熱を取り出すことである。流体は、チャネル２０２中を流れる。
加熱手段２１４が作動される。加熱手段２１４は上流端部に熱を放射して、このゾーンで流体の温度を上昇させる傾向がある。
この熱源は、疎水性壁の条件の下で蒸気泡の臨界核Ｇを生成するのに十分なエネルギーを供給する。

しかし、このエネルギーは、親水性壁の条件の下で同じ核を生成するのには不十分である。
当該熱流は、一般に、おおよそ１〜５０ｋＷ／ｍ^２である。
したがって、熱源のパワーが十分である必要はなく、また熱源のパワーは、いずれにしても、冷却されるべき素子によって形成される熱源のパワーよりも遥かに小さい。

次に、蒸気泡の核は成長して蒸気泡Ｂを形成する。
電極２０８が次に活性化されて、蒸気泡を囲む液体の接触角の変化を引き起こす。そのとき、このゾーンは親水性になり、泡の剥離に有利に働く。
泡Ｂは、次に、冷却されるべき素子と接触しているチャネルの部分に入り、移動するにつれて成長して、周りの液体の気化を引き起こし、また熱量を取り出す。
したがって、電極のスイッチは、おおよそ１０〜１００Ｈｚの周波数で切り換えられ、この周波数は、蒸気泡の核形成および成長の周期に等しい。

１つの例として環状電極２０８は、０．１ｍｍから２ｍｍの外径を有することができる。
対電極は、円形で、１μｍから１０μｍの直径である。電極と対電極との間の距離は、１０μｍから５０μｍである。
電気湿潤デバイスが電極と対電極のいくつかの対を有する場合、これらの対は、例えば、０．１ｍｍから１ｍｍの距離で隔てられている。

この実施形態は、泡の出現の頻度および泡の大きさを制御することを可能にする。
したがって、泡が互いに近すぎて合体し次にベーパーロックを形成するのを防止することができる。

図５に、対流閉込め沸騰モードにおける、第２の実施形態によるデバイスＤ５の他の例示の実施形態を見ることができる。
流体の流れの方向は、矢印Ｆで表されている。
熱交換デバイスＤ５は、電圧源１２に接続された櫛状電極５０８と、同じく櫛状で接地に接続された対電極５１０とを備える。
電極５０８および対電極５１０は、互いにかみ合っている。
櫛の指部は、ほぼ流体の流れの方向Ｆに並べられている。

その上、デバイスＤ５は、電極５０８の指部と対電極５１０の指部の間に曲がりくねる加熱手段５１４を備える。
図示された例では、加熱手段５１４は、Ａと示された電流発生器に接続された電気抵抗器によって形成されている。
その上、電極を覆う誘電体層は、交互になるストリップ５１２．１、５１２．２の薄い層で覆われており、その参照された５１２．１は十分な湿潤性を有し、他方の参照された５１２．２は低湿潤性を有し、ストリップ５１２．１、５１２．２は、電極５０８の指部に直交している。

その結果として、各指部の上の各表面は、交互になる非活性化可能ゾーンと共に活性化可能ゾーンを有している。
蒸気泡の核は、指部の長さに沿って、疎水性ゾーンとの交点に発生する。
泡は、チャネルの軸に対して垂直な線に沿って発生する。これらの泡は、流体の流れによって運び去られる。
交互になる親水性層と疎水性層の存在によって、蒸気細片の形成が妨げられるようになる。

熱交換デバイスがプール沸騰状態の下で動作するデバイスであろうと対流閉込め状態で動作するデバイスであろうと、本発明は、壁の領域での蒸気相の形成を遅らせることによって熱交換係数を大きくすることを可能にする。

ここで、そのような熱交換デバイスの製造方法を説明する。
例えばアルミニウムまたは銅などの金属、または金属合金、または二酸化ケイ素から例えば作られた基板３００が使用される。
基板は、有利には鋼から作られる。

図６Ａに図示された第１のステップの間、電気絶縁層３０２が基板上に堆積される。この層の目的は、電極の製造に使用される金属層と基板の間の電気絶縁を行うことである。
例えば、電気絶縁層は、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２またはこれらの材料の組合せから成る。
有利なことには、層３０２は、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２から作られて、第１に基板に対して、第２に電極を形成する導電層に対して十分な付着を実現する。
層３０２の厚さは、冷却されるべき素子と流体の間の熱交換に実質的に影響しない程度に十分に薄いように選ばれる。

例えば、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２の厚さは、おおよそ２〜８の見掛けの比誘電率εの場合、おおよそ１００ｎｍから１０００ｎｍである。
この層は、ＰＶＤ型（蒸気相での物理蒸着）またはＣＶＤ型（蒸気相での化学蒸着）の従来の真空蒸着法によって堆積されてもよい。

図６Ｂに図示された次のステップの間、導電層３０４が、薄膜の形で電気絶縁層３０２上に堆積される。導電層３０４は、例えば、銅、金、チタン、モリブデンまたは他の導電材料または合金から作られる。
導電層３０４は、例えば、厚さ１００ｎｍから１０００ｎｍである。
この層は、ＰＶＤ型の従来の真空蒸着法によって堆積させることがきる。

次のステップ（図示されない）において、電極が構造化される。この構造化は、例えば、層３０４上に堆積された物理マスクを用いて実現することができる。
層３０４の見える部分が次にエッチングされ、それからマスクが除去される。
この構造化をリフトオフ法で実現することも可能である。すなわち、導電層３０４を堆積させる前に感光樹脂から作られたマスクが堆積され、その場合このマスクは、電極に望ましい構造のネガである。

次に、導電層３０４がマスク上に堆積される。
次に、このマスクは、例えば溶剤を用いて除去されて、マスク上に堆積された層３０４のゾーンを取り除く。
図６Ｃに図示された次のステップの間、第２の電気絶縁層３０６が、電極上に堆積される。

層３０６は、第１の層３０２に似ている。
層３０６は、同じ材料または異なる材料から作ることができる。
例えば、層３０６は、おおよそ２〜８の見掛けの比誘電率εの場合、厚さ１００ｎｍから１０００ｎｍである。

図６Ｄに図示された次のステップで、流体と接触する疎水性層３０８が堆積される。この層は、例えばＳｉＯＣから作られる。
この層は、例えば厚さ１０ｎｍから１００ｎｍである。
この層は、ＰＥＣＶＤ型の従来の真空蒸着法によって堆積される。

この層の表面エネルギー、さらに具体的には、この層の極性成分は、導電層３０４で形成された電極によって課される電界の影響を受けて変化し、この変化によって、この層の水の湿潤特性が疎水性範囲から親水性範囲に切り換えられるようになる。
上で説明されたように層３０６によって、４０Ｖ未満という金属層３０４の低電圧で、疎水性層３０８の表面エネルギーを変えるのに十分な電界が表面に生成されるようになる。

例えば第１の実施形態の第２の例で説明されたように親水性線を生成するために、疎水性層の堆積後に、疎水性層の表面を局部的に変えて親水性にすることができる。
この目的のために、例えば、酸素を含む雰囲気中でレーザまたはＵＶ触刻を使用して、疎水性層の局部的酸化を実現して、疎水性層を局部的に親水性層にする。

この酸化されたゾーンは、それの湿潤性を変えることができず、また蒸気泡の核の発生および蒸気線の伝搬に対して障壁を形成することができない。
有利なことには、疎水性および親水性特性を強めて超親水性および超疎水性特性を達成するために、疎水性層３０８の堆積より前に第２の絶縁層３０６の表面の構造化を実現することができる。

この構造化の効果は、電気湿潤力学を高めることである。
この構造は、例えば、０．５μｍから５μｍの直径の二酸化ケイ素ナノビーズによるリソグラフィと、少なくとも２：１のアスペクト比を得るためにビーズのこのマスクを通してフッ素化プラズマで第２の絶縁層３０６をエッチングすることとによって、作ることができる（アスペクト比は、深さと幅の比である）。

ビーズのカーペットは、例えばラングミュア−プロジェット法を使用して単一層で堆積される。
プラズマエッチングは、下にある層の垂直方向エッチングと同時に、ビーズサイズの徐々の減少を引き起こす。
この効果は、上面部分を減少させるので、望ましいエッチング傾斜を生じさせることができ、この傾斜は、超親水性または超疎水性の爪床効果に有利に働く。
ビーズは、次に、超音波によって除去される。

本発明は、主に、二相性熱交換器、二相性熱サイフォンおよびヒートパイプの製造に適用される。

２ 熱交換表面
４ 低湿潤性の局部ゾーン
６ 電気湿潤システム
８、１０８、４０８、５０８ 電極
１０、１１０、２１０、５１０ 対電極
１２ 電圧源
１１６ 親水性ストリップ
１１８ 疎水性ストリップ
２０２ ダクト（チャネル）
２０２．１ 上流端部
２０６ 電気湿潤システム
２０８ 環状電極
２１４ 加熱手段
４０８．１ 電極のベース
４０８．２ 電極の指部
４１０ 櫛状対電極
４１２．１ 湿潤性ストリップ
４１２．２ 低湿潤性ストリップ
５１２．１ 湿潤性ストリップ
５１２．２ 低湿潤性ストリップ
５１４ 加熱手段
３００ 基板
３０２ 電気絶縁層
３０４ 導電層
３０６ 第２の電気絶縁層
３０８ 疎水性層
Ａ 電流発生器
Ｂ 蒸気泡
Ｄ１、Ｄ１”、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５ 熱交換デバイス
Ｆ 流体の流れの方向
Ｇ 蒸気泡の臨界核
Ｔ 冷却されるべき素子
Ｚ１ 疎水性特性を有するゾーン
Ｚ２ 親水性特性を有するゾーン

Claims (35)

1. 少なくとも１つの低湿潤ゾーンを有する表面上で極性液体を沸騰させることによって熱交換を実現する方法であって、
   ａ）前記低湿潤ゾーン上に蒸気泡の核の出現を生じさせ、前記核を成長させるステップと、
   ｂ）対電極と関連した少なくとも１つの電極を備える少なくとも１つの電気湿潤システムによって、前記表面を湿潤性として形成された前記蒸気泡を剥離させるステップと、
   を有する、沸騰によって熱交換を実現する方法。
2. 前記表面が、全体的に低湿潤であり、電気湿潤システムが前記表面の下に分布されており、ステップｂ）において、前記電気湿潤システムが、全て同時に作動されて、形成された前記蒸気泡を剥離させる、請求項１に記載の沸騰によって熱交換を実現する方法。
3. 前記表面が、前記表面の下に分布された別々に作動することができるｍ個の電気湿潤システムを備え、ｍはｎ＋ｐに等しく、ｍ、ｎおよびｐは自然数であり、ステップａ）およびｂ）が、前記ｎおよび前記ｐの電気湿潤システムに対して周期的に適用され、ステップａ）がｎのシステムに、ステップｂ）がｐのシステムに同時に適用され、さらにステップａ)が同時に前記ｐのシステムに適用され、ステップｂ）が同時に前記ｎのシステムに適用される、請求項１に記載の沸騰によって熱交換を実現する方法。
4. 前記電極の活性化の期間が、蒸気泡の核の発生期間と前記蒸気泡の成長期間の和に等しく、例えば１０Ｈｚから１００Ｈｚの間である、請求項３に記載の熱交換を実現する方法。
5. 前記システムが、前記表面の下に延在するトラックの形態である電極を備え、前記表面が、前記電極の上に、交互になる低湿潤ゾーンおよび湿潤ゾーンを有し、さらにステップａ）およびステップｂ）が、単一の電極に適用される、請求項１に記載の沸騰によって熱交換を実現する方法。
6. 前記沸騰が、対流性でかつ閉じ込められており、さらにそのとき前記表面は前記極性液体が流れるダクトの一部を形成し、前記表面は、前記熱交換が起こるゾーンから上流に位置し、前記表面が加熱手段を備え、ステップａ）の間に前記極性液体が前記表面上で熱伝達を受ける、請求項１に記載の沸騰によって熱交換を実現する方法。
7. 極性液体と接触し、素子（Ｔ）から熱を取り出すように意図された表面を備える沸騰による熱交換デバイスであって、前記表面は、前記極性液体と接触する前記表面の湿潤性を電気湿潤によって局部的に変えることができる少なくとも１つのシステムを備え、前記システムは、対電極と関連した少なくとも１つの電極と、電極に電位を与えることによって前記電極を活性化する制御手段とを備え、前記表面の壁は、前記電極に電位が与えられない場合には、少なくとも部分的に低湿潤性特性を有し、さらに、前記システムは、誘電体層によって前記液体から絶縁され、それにより、潜在的蒸気泡の核がなく前記核の成長が現れる場合で、かつ電位が与えられたとき、このようにして形成された前記蒸気泡が剥離されるようになる、熱交換デバイス。
8. 前記極性液体が流れており、前記電気湿潤システムが、冷却されるべき素子と接触する部分から上流の前記壁の一部（２０２．１）に置かれ、さらに、前記デバイスが、また、前記液体をダクト中に流す手段と、前記電気湿潤システムの領域に置かれた加熱手段（２１４）とを備える、請求項７に記載の熱交換デバイス。
9. 前記電気湿潤システムが、前記液体（４）の流れの方向に対して横方向に分布された、対電極（２１０）と関連した少なくとも１つの電極（２０８）を備える、請求項８に記載の熱交換デバイス。
10. 少なくとも１つの電極（２０８）が、環の形を有し、前記対電極（２１０）が、前記環の中心に位置付けされている、請求項９に記載の熱交換デバイス。
11. 前記電極（２０８）の外径が、０．１ｍｍから１ｍｍであり、前記対電極（２１０）の直径が、１μｍから１０μｍであり、前記電極と前記対電極との間の距離が、１μｍから５０μｍである、請求項１０に記載の熱交換デバイス。
12. ２つの隣接する電極（２０８）の間の距離が、０．１ｍｍから１ｍｍである、請求項１０または１１に記載の熱交換デバイス。
13. 前記加熱手段（２１４）が、前記電極（２０８）によって囲まれかつ前記対電極（２１０）を囲む環状電気抵抗器によって形成されている、請求項８から１２のいずれか一項に記載の熱交換デバイス。
14. 前記電気湿潤システムが、本体および前記本体に対して横向きの、前記極性液体の流れの方向に並べられた指部を含む櫛状電極（５０８）と、櫛状対電極（５１０）とを備え、前記対電極の前記指部は、前記電極の前記指部と互いにかみ合っており、前記表面が、また、前記指部に沿って低湿潤ゾーン（５１２．２）と交互になる湿潤ゾーン（５１２．１）を備え、さらに前記加熱手段（５１４）が、前記電極（５０８）の前記指部と前記対電極（５１０）の前記指部との間を通っている、請求項８に記載の熱交換デバイス。
15. 前記湿潤ゾーン（５１２．１）および前記低湿潤ゾーン（５１２．２）が、前記極性液体の流れの方向に垂直なストリップの形を取り、前記櫛の全長に沿って延びている、請求項１４に記載の熱交換デバイス。
16. 前記沸騰が、容器中で起こり、前記表面が、前記デバイスのベースを形成し、前記電気湿潤システムが、少なくとも１つの対電極（１０）と関連した複数の電極（８）を備え、さらに前記電極が、前記壁の全表面にわたって分布している、請求項７に記載の熱交換デバイス。
17. 前記制御手段が、全ての前記電極を周期的に同時に活性化し、また非活性化する、請求項１６に記載の熱交換デバイス。
18. 前記制御手段が、前記電極をグループでまたは別々に位相シフトのやり方で周期的に活性化し、また非活性化する、請求項１６に記載の熱交換デバイス。
19. 前記電極（８）が、チェッカー盤のように分布されている、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の熱交換デバイス。
20. 前記全表面が低湿潤である、請求項１９に記載の熱交換デバイス。
21. 前記電極（８）の上のゾーン（Ｚ１）が、低湿潤であり、前記電極（８）の上の前記ゾーン（Ｚ１）と前記ゾーン（Ｚ１）との間のゾーン（Ｚ２）が湿潤である、請求項１９に記載の熱交換デバイス。
22. 前記湿潤ゾーン（Ｚ２）が、格子の形をとる、請求項２１に記載の熱交換デバイス。
23. 沸騰が、容器中で起こり、前記表面が、前記デバイスのベースを形成し、前記電気湿潤システムが、前記壁の表面の下に延在するトラックの形をした電極（１０８、４０８）と、前記電極（１０８、４０８）のそばを通るトラックの形をした対電極（１１０、４１０）とを備える、請求項７に記載の熱交換デバイス。
24. 前記トラックの上の表面が、十分な湿潤性のゾーン（１１６、４１２．１）によって低湿潤性のゾーン（１１８、４１２．２）に分割されている、請求項２３に記載の熱交換デバイス。
25. 前記電極（１０８）および前記対電極（１１０）が、スパイラルの形に構成されている、請求項２３または２４に記載の熱交換デバイス。
26. 前記電極の上の表面が、十分な湿潤性の特性を有する第１のストリップ（１１６）と、低湿潤性の特性を有する第２のストリップ（１１８）とを備え、前記第１および第２のストリップ（１１６、１１８）が、交互になり、前記電極（１０８）の様々な部分を横切っている、請求項２５に記載の熱交換デバイス。
27. 前記電極（４０８）および前記対電極（４１０）が、互いにかみ合った櫛の形をとり、前記表面が、前記電極（４０８）の上に湿潤ゾーン（４１４．１）と低湿潤ゾーン（４１４．２）とを有する、請求項２３に記載の熱交換デバイス。
28. 前記湿潤ゾーン（４１４．１）および低湿潤ゾーン（４１４．２）が、前記櫛の指部を横切る湿潤および低湿潤ストリップによって形成されている、請求項２７に記載の熱交換デバイス。
29. 前記極性液体が、水またはエチレングリコールである、請求項７から２８のいずれか一項に記載の熱交換デバイス。
30. 請求項７から２９のいずれか一項に記載の熱交換デバイスの製造方法であって、
    ａ）基板（３００）上に第１の電気絶縁層（３０２）を堆積させるステップと、
    ｂ）前記電気絶縁層（３０２）上に導電層（３０４）を堆積させて電極を形成するステップと、
    ｃ）前記導電層（３０４）上に第２の電気絶縁層（３０６）を堆積させるステップと、
    ｄ）前記第２の電気絶縁層（３０６）上に低湿潤性特性を有する膜（３０８）を堆積させるステップと
    を含む熱交換デバイスの製造方法。
31. 十分な湿潤性特性を有するゾーンを前記膜に製造する次のステップｅ）を含む、請求項３０に記載の熱交換デバイスの製造方法。
32. ステップｅ）が、レーザを用いて低湿潤性特性を有する前記膜（３０８）を酸化させることによって得られる、請求項３０または３１に記載の熱交換デバイスの製造方法。
33. 前記導電層（３０４）をエッチングするステップを含む、請求項３０から３２のいずれか一項に記載の熱交換デバイスの製造方法。
34. 前記基板（３００）が鋼から作られ、前記第１の電気絶縁層（３０２）がＳｉＣ／ＳｉＯ_２から作られる、請求項３０から３３のいずれか一項に記載の熱交換デバイスの製造方法。
35. 低湿潤性の前記層（３０８）が、ＳｉＯＣから作られる、請求項３０から３４のいずれか一項に記載の熱交換デバイスの製造方法。