专利名称：导热性微孔涂层的制作方法
技术领域：
本发明涉及从表面至液体的沸腾传热，特别涉及表面强化以增大沸腾 成核位点的密度。
背景技术：
各种表面强化技术先前已经由研究人员研究以增加核态沸腾传热系
数并且扩大临界热通量(CHF,或者是使表面不受薄膜沸腾的影响就能够 被去除的最高热通量)，并且这些技术已经商业化以最大化沸腾传热性能。 商业化的沸腾强化表面包括不同类型的腔或凹槽，例如Furukawa的 ECR-40、 Wieland的GEWA、 Union Carbide的High-Flux 、 Hitachi的 Thermoexcel、及Wolverine的Turbo-B。表面强化技术目的是增加水蒸汽/ 气体的捕捉体积并且由此增大活化成核位点的密度。
由You和O'Connor ( 1998 )提出的一种近期方法是形成一种强化的沸 腾表面微结构，也就是微孔表面结构。微孔涂层已经发展为一种足以有利 于直接应用于电子元件表面的强化技术。微孔涂层提供了显著增强的核态 沸腾传热和CHF，同时减少了初始壁面过热滞后现象。^:孔涂层的一种选 择是由You和O'Connor ( 1998 )提出的ABM涂层技术(美国专利 US5814392 )。 该涂层技术以其三种成分的第一个字母命名 (Aluminum/Devcon Bmshable Ceramic/Methyl-Ethyl匪Keytone )。 在载体 (M.E.K)蒸发后，所得到的涂层由具有铝粒子(1至20pm)和约50pm 厚的胶(Omegabond 101或Devcon Bmshable Ceramic )的《敫孔结构组成， 该厚度表现为对于FC-72最适宜的厚度。非导热性微孔涂层方法的沸腾传 热的优势能够通过用导热性粘合剂取代非导热性胶而得以改善。当采用烧结法时，微孔表面能够是导热的并且已知烧结表面产生对于
沸腾传热来说高度有效的多孔表面；然而已知烧结法是需要极高工作温度 的昂贵且易受影响的方法。存在对能够便宜且容易地形成具有导热性粘合 剂的微孔表面的需求。
发明内容
本发明兼具混合物间歇式和导热微孔结构的优势。混合物间歇式应用 的优势包括其是不需要极高工作温度的便宜而简单的方法。因粘合剂的高 导热性，表面也相对地不受涂层厚度的影响。在本发明的各种实施方案中， 使用各种粒度的粒子来形成微孔表面，包括镍、铜、铝、银、铁、黄铜及 与导热性粘合剂结合的各种合金。为了比较本发明的导热性微孔涂层 (TCMC)和ABM之间的沸腾性能，在饱和FC-72和水中进行了 ABM沸 腾实验并且进行了比较。
图1A是使用-325目(8-12(im)镍粒子的导热性微孔涂层结构的SEM图。
图1B是使用-100+325目(30-50pm)镍粒子的导热性微孔涂层结构的 SEM图。
图1C是使用-50+100目(100-20(^m)镍粒子的导热性微孔涂层结构 的SEM图。
图2是池沸腾实验设备。
图3是实验加热器。
图4是在饱和FC-72中，对-100+325目(30-50pm)的粒度而言，与 ABM涂层的沸腾结果比较。
图5是在60。C饱和水中，对-100+325目(30-50pm)的粒度而言，与 ABM涂层的沸腾结果比较。 .
6图6是大气压力下的饱和FC-72中，对三种不同粒度而言，与平坦表 面的沸腾结果比较。
图7是在100。C饱和水中，对三种不同粒度而言，与平坦表面的沸腾 结果比较。
具体实施方案
本发明是对使用非导热性胶来粘合腔生成粒子的非导热性微孔涂层 的改进。虽然商业化的表面强化技术利用腔或凹槽来增加活化成核位点， 但是本发明利用微孔表面结构来增强沸腾。在一个实施方案中，涂层技术 一皮应用于电子元件表面。
在本发明的各种实施方案中，使用各种粒度的粒子来形成微孔表面， 粒子包括能够通过焊接法结合的任何金属，包括镍、铜、铝、银、铁、黄 铜及与导热性粘合剂粘合的各种合金。当与溶剂混合时应用涂层技术。在 一个实施方案中，在将溶剂应用到表面后，并在将表面加热到足以熔化粘 合剂来粘合粒子之前蒸发溶剂。
混合物间歇式应用的优势包括其是不需要极高工作温度的便宜而简 单的方法。由于粘合剂的高导热性，表面也相对地不受涂层厚度的影响。 因此，对于润湿性差的流体来说(例如水)，可以在微孔结构中形成较大 粒度的腔而不会导致沸腾增强的严重恶化。基于此原因，此新的涂层技术 仅仅通过改变金属粒子的粒度而有效地用于各种类型的工作液，这是因为 不同的液体表面张力需要不同粒度范围的多孔腔来优化沸腾传热性能。
在本发明的一个实施方案中，导热性粘合剂包括焊接膏，其将金属粒 子粘合在一起以便在目标表面上产生许多的微孔腔。溶剂可以选自乙醇、 异丙醇、丙酮、丁酮(MEK)、 FC-72、 FC-87或类似的高度蒸发的溶剂组 成的组。
将所描述的涂层应用于表面的方法包括形成腔生成粒子、导热性粘合 剂和使用，如超声波浴的溶剂的均匀混合物。然后，通过使用一种方法将 混合物应用于表面，所述方法如刷、涂、喷射、振动、将表面浸入混合物、滴落、泼溅、当滴落的时候旋转表面、或本领域已知的其他方法。接着， 将被处理的表面加热到足以蒸发溶剂的温度。之后，进一步将该表面加热 至足以熔化焊接膏的温度以使焊接膏在腔生成粒子之间作为粘合剂使用。 在这个过程中，焊油在结合过程中被用来加速粒子之间微孔的形成并且稍 后从表面去除。
包括以下的实施方案被用以证实本发明的优选实施方案。本领域的技
实施本发明时运行良好，并且由此构成了用于实施本发明的所知道的更优 选的方式。然而，根据本发明的公开内容，本领域的技术人员应理解可以 在所公开的具体实施方案中做出各种修改且依旧得到同样的或类似的结 果而并不偏离本发明的主旨和范围。
图1A、 1B和1C是本发明的三个可替代实施方案中的导热性微孔表 面的SEM (扫描电子显微镜)图，其中焊接膏被认为是镍粒子之间的粘合 剂并且因而产生许多微孔腔。在这些实施方案中，腔生成粒子包括镍粒子， 其对大气腐蚀和大多数酸具有高度抵抗力。虽然在这些实施例中，使用了 圆形颗粒，但是在本发明的范围内使用其他颗粒形状。这些实施方案中的 导热性粘合剂是焊接膏，并且使用的溶剂是10ml乙醇。使用普通的美术 (软式)漆刷将此涂层混合物应用于目标表面。
图1A阐释了 1克-325目镍粉(具有8-12(im的粒度)与0.8克预混焊 接膏混合的第 一 实施方案。
图1B阐释了 1克-100+325目镍粉(具有30-50pm的粒度)与0.5克 预混焊接膏混合的第二实施方案。
图ic阐释了 1克-50+100目镍粉(具有100-200(im的粒度)与0.5 克预混焊接膏混合的第三实施方案。
本发明的实验的沸腾数据
为了比较本发明的导热性微孔涂层(TCMC)与由You和O'Connor 发明的ABM (非导热性粘合剂)方法(美国专利US5,814，392)之间的沸 腾性能，在饱和FC-72和水中进行了 ABM的沸腾实验并进行了比较。ABM沸腾结果与TCMC沸腾结果绘制在同一幅图中以更好地比较。 池沸腾实验设备
池沸腾实验设备的示意图显示在图2中。为了减轻总重量，整个实验 设备由铝制成。增强视镜201安装在实验模块的前面和后面作为观察口。 为了快速加热，两个筒形加热器205在实验加热器210以下。带式加热器 215连接在容器的两边和底部以保持沸腾流体的稳定条件。内部压力用绝 对压力传感器220， DRUCKPTX-1400,来测量，该传感器具有0 - 2.5bar 的范围和对于60。C饱和实验来说，在整个刻度内0.25%的精度。为了测量 液体和水蒸汽的温度，分别采用T型热电偶4笨头225和230。两个T型热 电偶探头235用于测量壁面温度。温度数据通过热电偶读出器240传送。 池沸腾实验设备包括两个阀245,用于控制内部压力。
实验加热器
利用图3所示的25欧姆方形电阻器305 ( Component General Co.)作 为加热元件来制造实验加热器210。 10mmx 10mmx 10mm铜块^皮焊接至 加热元件，并且3M Co.的1838L B/A环氧^"脂315充满在铜块和电阻器 的周围用于绝缘。为了测量壁面温度，两个T型热电偶纟冢头235净皮插至铜 块上表面下1.5mm处。由此测量温度，可以计算出假设以一维传热通过铜 块的壁面温度。实-验加热器安装在Lexan衬底240上。
实验步骤
在实验液225充满实验区后，筒形加热器205将实验液体加热至高达 大气压力(或对于另外的水实验来说，是2.89psi)下的饱和温度。当液体 温度到达饱和温度，关闭筒形加热器205,而开启带式加热器215。随着 阀245打开，实验液体温度维持在饱和条件或稍微高一点。维持这个条件 一个小时，实验液体255中的不可压缩的气体能够被完全排出。在排气过 程中，安装了玻璃冷凝器用以维持实验液体的初始量。对于60。C饱和水实 验来i兌，阀255在排气过程后从外部关闭。然后水的体积温度净皮减小并且 借助连接到硅胶加热器的温度控制器维持在与2.89psia的饱和压力对应的 60°C。 DC电源250(Agilent6030A)供电至实验加热器并且包括内部压力、
9流体温度、蒸汽温度和加热器壁面温度的所有数据用数据采集系统
(Agilent 3852A)测量。就逐渐增加的热通量增加值而言，如果壁面温度 比先前的平均值快速增大20°C多的话，那么就认为出现CHF并且自动断 开电源。先前的功率和现在功率的之间的中间值^皮存为CHF。
本发明的实验沸腾数据
图4显示了对饱和FC-72而言，30-50|am的TCMC和ABM涂层之间 的沸腾性能比较。结果显示ABM和TCMC两者都在砂粗糙化的(sand-roughened)表面上产生了显著增强的核态沸腾传热和CHF。可以很清楚地 观察到，TCMC比ABM涂层产生了额外增强的核态沸腾传热率(高达 ~80%)和CHF ( 10%)。该沸腾增强可能因导热性粘合剂而能够实现，与 非导热性粘合剂相比，导热性粘合剂在高热通量时产生了非常低的热阻。
图5显示了在2.89 psia压力(Tsat=60°C )下的饱和水中，TCMC和 ABM涂层之间的沸腾性能比较。考虑到电子制冷应用，如电脑芯片制冷 使用了 Tsat=60°C的沸腾实验数据。与ABM涂层表面相比，TCMC实现了 大约140%的核态沸腾增强。ABM涂层在砂粗糙化的平坦表面上显示了仅 仅增强~15%。这意味着在ABM涂层中形成的微型腔并不是充分大到足够 活化水的沸腾成核位点，由于水是一种润湿性非常差的液体。另夕卜，TCMC 比ABM表面使CHF额外增强了 50。/。，而使用ABM表面比使用平坦的表 面只增强了 15%的CHF。
图6阐释了在上文描述并显示在图1A、 IB和1C中的三个实施方案 在饱和FC-72中的核态沸腾传热实验中生成的凄t据。另外，平坦表面(用 600格栅的砂纸打磨)的核态沸腾曲线也显示出来用于参考。在整个核态 沸腾区，当与平坦平面的传热系数相比时，3个TCMC表面的传热系数一 致增大了高达~600%。 8-12^im和30-50pm粒度的沸腾曲线在同一条线上 叠并(collapsed),这表明了两种情况的核态沸腾增强大约相同。100-200|im 显示了略微较少的核态沸腾传热增强，由于腔的粒度对FC-72来说太大了 。 30-50(im和100-200pm微孔涂层的CHF大约相同并且比具有8-12pm颗粒 的樣i孔涂层的CHF大20%。
饱和水中的沸腾实验是在大气压力下进行的而且结果显示在图5中。由于实验加热器内部的加热元件的温度限制，沸腾实马全在达到CHF前完 成。30-50pim和100-200pm的粒度在低热通量区显示了大约相同的核态沸 腾传热系数，而在 40W/cm2后，30-50pm比100-20(Him显示了更好的核 态沸腾增强。与阐释了更少的核态沸腾传热系数增强的其它两种情况相 比，8-12^m的核态沸腾曲线显示微孔粒度太小了 。
以阐释和描述的方式提供了本发明的前述实施方案。这些实施方案并 不是将本发明限于所描述的确定的形式。特别地，预期此处描述的本发明 的功能实现可以在硬件、软件、固件和/或其他可用的功能部件或构建单元 中以相同方式实现。依据上述教导，其他改变和实施方案是可能的，并且 由此期望本发明的范围不是由该详细描述，而是由所附的权利要求来限 定。
权利要求
1. 一种组合物，其包括腔生成粒子；导热性粘合剂；及溶剂。2. 如权利要求1所述的组合物，其中所述组合物被应用于电子元件表面。
2. 如权利要求1所述的组合物，其中所述组合物被应用于电子元件表面。
3. 如权利要求2所述的组合物，其中所述溶剂在应用至所述电子元件表面的过程中被去除。
4. 一种涂覆表面的方法，由此强化所述表面的沸腾性能，所述方法包括下述步骤形成包括腔生成粒子、导热性粘合剂和溶剂的混合物；将一层所述混合物应用于目标表面；加热所述目标表面，由此蒸发所述溶剂；及进一步加热所述目标表面，由此熔化所述导热性粘合剂。
5. 如权利要求4所述的方法，其中所述层通过使用漆刷被应用于所述目标表面。
6. 如权利要求4所述的方法，其中使用超生波浴混合所述混合物。
7. 如权利要求4所述的方法，其中所述溶剂包括乙醇，由此首先加热所述目标表面以蒸发所述溶剂。
8. 如权利要求4所述的方法，其中所述目标表面包括电子元件。
9. 一种组合物，其包括腔生成粒子、粘合剂和载体，其中所述粒子对所述粘合剂的比是约1克对0.5-0.8克，而所述载体是大约每克颗粒lOml。
10. 如权利要求9所述的组合物，其中所述载体选自乙醇、异丙醇、丙酮、丁酮、FC-72或FC-87的组成的组。
11. 如权利要求9所述的组合物，其中所述粘合剂是预混焊接膏。
12. 如权利要求9所述的组合物，其中所述腔生成粒子选自镍、铜、铝、银、铁、黄铜及合金组成的组。
13. 如权利要求9所述的组合物，其中所述腔生成粒子的粒度是8-12,。
14. 如权利要求9所述的组合物，其中所述腔生成粒子的粒度是30-50,。
15. 如权利要求9所述的组合物，其中所述腔生成粒子的粒度是100國200[im。
16. —种组合物物质，其包括载体、粘合剂和腔生成粒子，其中所述组合物物质按相对比例包括，大约10ml的载体；大约0.5至0.8克的粘合剂；及大约1克的腔生成粒子。
17. 如权利要求16所述的组合物，其中所述载体选自乙醇、异丙醇、丙酮、丁酮、FC-72、或FC-87组成的组。
18. 如权利要求16所述的组合物，其中所述粘合剂是预混焊接膏。
19. 如权利要求16所述的组合物，其中所述腔生成粒子选自镍、铜、铝、银、铁、黄铜及合金组成的组。
20. 如权利要求16所述的组合物，其中所述腔生成粒子的粒度是8画12拜。
21. 如权利要求16所述的组合物，其中所述腔生成粒子的粒度是30-50,。
22. 如权利要求16所述的组合物，其中所述腔生成粒子的粒度是100-200,。
23. —种用于表面强化以增加与液体接触的表面传热的方法，所述方法包括将权利要求l中的所述组合物应用于表面。
24. 如权利要求23所述的方法，其中所述组合物被应用至电子芯片的表面。
25. —种物体，其被浸入在液体冷却剂中，所述物体具有包含腔生成粒子的表面，所述腔生成粒子由粘合剂固定以使沸腾成核位点以增大所述表面的临界热通量的密度的形式形成。
26. 如权利要求25所述的物体，其中所述腔生成粒子选自镍、铜、铝、银、铁、黄铜及合金组成的组。
27. 如权利要求25所述的物体，其中所述腔生成粒子的粒度是8画12jim。
28. 如权利要求25所述的物体，其中所述腔生成粒子的粒度是30-50拜。
29. 如权利要求25所述的物体，其中所述腔生成粒子的粒度是跳200(im。
30. 如权利要求25所述的物体，其中所述物体是微电子元件。
31. 如权利要求25所述的物体，其中所述物体是硅芯片。
32. 如权利要求25所述的物体，其中所述液体冷却剂选自曱醇、乙醇、石友氟化合物、水或FC-72组成的组。
全文摘要
微孔表面通过使用与导热性粘合剂结合的各种粒度的粒子而建立。涂层的混合物间歇式应用的优势包括其是不需要极高工作温度的便宜而简单的方法。所公开的涂层技术仅仅通过改变金属粒子的粒度而有效地用于各种类型的工作液，这是因为不同的液体表面张力需要不同粒度范围的多孔腔来优化沸腾传热性能。在一个实施方案中，将涂层技术应用于电子元件表面。
文档编号C04B26/00GK101505892SQ200680037637
公开日2009年8月12日 申请日期2006年11月7日 优先权日2005年11月9日
发明者柳承文, 金珠韩 申请人:柳承文;金珠韩