微槽群散热器的制作方法

本公开属于强化换热和电子冷却领域，具体涉及一种微槽群散热器。

背景技术：

随着微电子和微机电系统的高速发展，芯片集成度和性能得到不断提高，使得电子设备趋于大功率化、微型化发展。因而器件的发热量也大幅增加，如果热量不能及时排出，将会严重降低器件和系统的稳定性、可靠性，甚至造成系统的崩溃。因此散热是大功率高功率密度电力电子器件设计和制造中的关键瓶颈问题。当热流密度超过150W/cm2，已经超过常规尺寸表面发生池沸腾相变换热的临界热流密度，可定义为超高热流密度，此时进行的换热过程称为超强换热。

微槽群复合相变换热技术以其换热系数高、工作稳定等特点在大功率电力电子设备中得到广泛应用，它利用在微槽中液体工质通过毛细力形成的扩展弯月面处三相接触线附近蒸发薄液膜区域的高强度蒸发和固有弯月面处厚液膜区域液体工质的核态沸腾的复合相变换热机理，实现高强度的换热能力，是一种新型的的高性能微尺度相变换热技术。但是，在超高热流密度下条件下，微槽群内的液体工质会自上而下受到随着热源热流密度的不断升高而产生的干涸，如果干涸持续发生，液体工质无法及时补充，扩展弯月面上的高强度蒸发将无法发生，高强度的复合相变换热也无法进行，微槽群基础热沉的换热能力受到极大的恶化。因此，当液体工质沿微槽流动所能达到的在扩展弯月面上的润湿长度成为制约微槽群换热能力的关键所在。

针对现有风冷或液冷换热技术存在的技术缺陷所提出的微槽群复合相变换热技术，以及与之相组合的技术装置进行的许多研究对解决大功率电力电子器件或系统的散热问题具有一定成效，但并没有取得较明显的成果。当器件所受功率越来越大，面临的热流密度也越来越高时，微槽中的液体工质极易发生过早干涸而导致传热恶化的情形。当热源功率越来越大时，其发热功率也越来越大，施加在微槽群受热面上的热流密度也越来越大，微槽内扩展弯月面上液体受热蒸发加剧，液膜逐渐变薄，流动阻力增加，润湿长度降低，散热能力下降。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种微槽群散热器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种微槽群散热器，包括：取热面，其通过导热材料与热源连接，包括：微槽群热沉；以及纳米涂层，其生成于微槽群热沉的表面，与微槽群热沉构成微纳复合结构表面热沉；散热面，与取热面围成一个封闭腔体，封闭腔体内含有液体工质；以及电极，其设置于封闭腔体内，连接高压电源，对微纳复合结构表面热沉上的液体工质施加电场；其中，热源放出热量后，取热面接收并传递热源产生的热，封闭腔体发生高强度的蒸发和沸腾复合相变换热，放出的热量通过与散热器相连的若干个散热肋片散出到外界环境。

在本公开的一些实施例中，封闭腔体两端开有电极引出口，其中一端的电极与电极引出端子连为一体，并于封闭腔体的上端将电线引出与高压电源连接，电极引出端子通过电极垫片和压紧螺母固定于封闭腔体的外部，另一端的电极通过腔体的下端电极引出端子、电极垫片及压紧螺母连接后引出接地。

在本公开的一些实施例中，电极为线电极、网状电极、平板电极或针状电极。

在本公开的一些实施例中，线电极的半径为0.001～1mm，长度为 1～500mm，与微槽群热沉的轴向垂直距离为0.1～100mm；网状电极长宽为 1～100mm，厚度为0.5～10mm，网状电极的网孔当量直径为0.0001～1mm，与微槽群热沉的轴向垂直距离为0.1～100mm；平板电极的长宽为1～100mm，厚度为0.5～10mm，平板电极的正负极垂直间距为10～100mm；针状电极针尖的曲率半径为0.01～1mm，与微槽群轴向垂直距离为0.1～100mm。

在本公开的一些实施例中，高压电源的电压为1～50kV。

在本公开的一些实施例中，线电极、网状电极的微槽群热沉的液体工质为绝缘工质；平板电极、针状电极的微槽群热沉的液体工质为绝缘工质或导电工质；绝缘工质为FC72、R113、R123、R141或正戊烷；导电工质为蒸馏水或乙醇。

在本公开的一些实施例中，纳米涂层为纳米级平面结构或纳米级凸起物；纳米涂层的材料为金属、金属氧化物、金属氟化物、半导体材料或有机高聚物涂料；纳米涂层的厚度为0～1000nm。

在本公开的一些实施例中，微槽群热沉的表面结构为微米槽道阵列结构、纳米槽道阵列结构或微纳复合槽道阵列结构；微槽群热沉的微槽道横截面为矩形、三角形或梯形，当量直径为10^-3～1000μm；微槽群热沉的材料为金属、金属氧化物、金属氮化物、半导体材料、玻璃或陶瓷。

在本公开的一些实施例中，封闭腔体的横截面为矩形、方形、三角形或扇形；封闭腔体为空气腔或真空腔。

在本公开的一些实施例中，微纳复合结构表面热沉与水平方向夹角为 0°～180°。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开微槽群散热器至少具有以下有益效果其中之一：

(1)微纳复合结构表面上亲水性的纳米涂层具有的超高表面能强化了液体工质在微槽道内的表面能及粗糙度，改善了表面润湿特性，因而使得热沉发生持续不断的高强度复合相变换热，强化了热沉的换热能力；

(2)通过电场作用下的库仑力、介电电泳力和电致收缩力对液体工质施加定向牵引作用，增大液体工质的质量流量，减小热阻，有效提拉液体工质在微槽道内的毛细润湿长度；

(3)提高微槽群工作的润湿长度，快速对微槽道内的液体工质进行有效及时的补充，防止较高热流密度条件下液体工质的流动受阻和干涸的情况，优化液膜分布，进一步强化了微槽群内扩展弯月面液体工质的高强度蒸发换热性能，避免干涸引发的换热不稳定和恶化情况的发生；

(4)由于可以快速对微槽道内的液体工质进行有效及时的补充，所以能解决散热器中液体工质填充过多的问题，使得散热器轻便、小体积、轻量化；

(5)通过纳米涂层和电场作用，散热器具有超强换热的能力，所以相对节能，消耗功率较小；

(6)由于散热器轻便、体积小，所以应用范围广。

附图说明

图1为本公开第一实施例中微槽群散热器的俯视图。

图2a为图1所示散热器封闭腔体的矩形横截面示意图。

图2b为图1所示散热器封闭腔体的方形横截面示意图。

图2c为图1所示散热器封闭腔体的三角形横截面示意图。

图2d为图1所示散热器封闭腔体的扇形横截面示意图。

图3为本公开第一实施例中线电极在散热器封闭腔体的结构及密封布置形式。

图4为本公开第一实施例中微槽群散热器中微槽群热沉的示意图。

图5为本公开第一实施例中纳米涂层为纳米级平面结构的微槽群结构图。

图6为为本公开第一实施例中纳米涂层为纳米级凸起物的微槽群结构图。

图7为本公开第一实施例中线电极示意图。

图8为本公开第一实施例中线阵列电极示意图。

图9为本公开第一实施例中在封闭腔体内EHD强化微纳复合结构表面热沉润湿特性及换热性能的效果图。

图10为本公开第二实施例中微槽群散热器中微槽群热沉的示意图。

图11为本公开第三实施例中微槽群散热器中微槽群热沉的示意图。

图12为本公开第四实施例中微槽群散热器中微槽群热沉的示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

10-微纳复合结构表面热沉；

11-微槽群热沉；12-纳米级平面结构；

13-纳米级凸起物；

20-电极；

21-线电极；22-线阵列电极；

23-网状电极；24-针状电极；

25-平板电极；26-电极引出端子；

27-压紧螺母；28-电极垫片；

30-取热面；

40-液体工质；

50-散热器的封闭腔体；

51-散热器封闭腔体矩形截面；52-散热器封闭腔体方形截面；

53-散热器封闭腔体三角形截面；54-散热器封闭腔体扇形截面；

60-高压电源；

70-电线；

80-散热器的肋片。

具体实施方式

本公开提供了一种微槽群散热器，包括微纳复合结构表面热沉取热面和散热面，其中，微纳复合结构表面热沉上有亲水性纳米涂层；取热面和散热面围成一个封闭腔体，封闭腔体内含有液体工质，在腔体内，对微纳复合结构表面热沉施加高压电场，形成EHD效应。本公开的微槽群散热器的微纳复合结构表面上亲水性的纳米涂层具有的超高表面能强化了液体工质在微槽道内的表面能及粗糙度，改善了表面润湿特性，电场作用对液体工质施加定向牵引作用，增大液体工质的质量流量，使得热沉发生持续不断的高强度复合相变换热，强化了散热器的换热能力。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种微槽群散热器。

图1为本公开第一实施例微槽群散热器的俯视图。如图1所示，其外观为一太阳花型的散热器，本公开微槽群散热器包括微纳复合结构表面热沉取热面30和散热面90，其中，微纳复合结构表面热沉上有亲水性纳米涂层；取热面30和散热面90连接围成一个封闭腔体50，封闭腔体50内含有一定量的液体工质，并在腔体内，通过电极对微纳复合结构表面热沉施加高压电场，形成EHD效应；热源通过高热导率材料导热硅脂、导热硅胶或石墨与取热面30连接。

在封闭腔体50内，注入液体工质，对液体工质施加高压电场，微槽群在自身微纳复合毛细结构作用的驱动下，一部分液体工质进入微槽道中并爬升一定高度。在微槽道正对着的表面上布置有线电极，液体工质在正极高电压的电场力作用下被驱动沿微槽道及时爬升到更高的润湿高度，发生超高强度蒸发和沸腾的复合相变换热作用。热源放出热量后，取热面30 接收并传递热源产生的热，腔体内发生高强度的蒸发和沸腾复合相变换热，放出的热量通过与散热器相连的若干个散热肋片80散出到外界环境。

以下分别对本实施例微槽群散热器的各个组成部分进行详细描述。

图2a～2d为图1所示散热器封闭腔体的横截面示意图。如图2a～2d所示，散热器封闭腔体50的横截面为矩形(如图2a所示)、方形(如图2b 所示)、三角形(如图2c所示)、扇形(如图2d所示)。封闭腔体50为空气腔或真空腔。

图3为本公开第一实施例中线电极在散热器封闭腔体的结构及密封布置形式。如图3所示，散热器封闭腔体50两端开有电极引出口，其中一端的电极与电极引出端子连为一体，并于封闭腔体的上端将电线70引出，电线70引出后与高压电源60连接，电极引出端子26超过散热器的封闭腔体50外面，通过电极垫片28和压紧螺母27进行连接并固定。封闭腔体为金属空腔，位于腔体的下端处另一端的电极通过电线一端与腔体内部接触，并通过电极引出端子26与电极垫片28及压紧螺母27连接后引出接地。

图4为本公开第一实施例中微槽群散热器中微槽群热沉与电极的示意图。如图4所示，微纳复合结构表面热沉包括微槽群热沉11和纳米涂层 12，其中，纳米涂层12生成于微槽群热沉11的表面，与微槽群热沉11 构成微纳复合结构表面热沉10；电极20为线电极21，其连接高压电源，对微纳复合结构表面热沉10上的液体工质施加电场。

如图4所示，微槽群热沉11的表面结构为微米槽道阵列结构、纳米槽道阵列结构或微纳复合槽道阵列结构。

微槽群热沉11的微槽道横截面为矩形、三角形或梯形；微槽群热沉 11的微槽道横截面的当量直径为10^-3～1000μm；微槽群热沉11的表面材料为金属、金属氧化物、金属氮化物、半导体材料、玻璃或陶瓷。

微槽群热沉的外观尺寸长为80～150mm，宽为20～50mm；槽道的尺寸为槽深0.05～1mm，槽宽0.05～1mm，槽间距0.05～1mm；

纳米涂层12为纳米级平面结构或纳米级凸起物，其中；纳米涂层为纳米级平面结构的微槽群结构图如图5所示，纳米涂层为纳米级凸起物的微槽群结构图如图6所示。纳米涂层为用于强化微结构表面亲水性、粗糙度，增加微结构表面表面能。

纳米涂层12的材料为金属、金属氧化物、金属氟化物、半导体材料或有机高聚物涂料；亲水涂层为氧化铝、氧化钛或氧化锌；纳米涂层12 的厚度为0～1000nm。

本实施例中电极20为线电极21，线电极包括图7所示的单根线电极以及图8所示的线阵列电极。

线电极布置的特征是线电极作为正极，其一端在液体工质的上面，即和液体工质不接触，另一端浸没在液体工质中。负极为微纳复合结构的阵列槽板或其他带电金属结构的外壳。

请参照图7，线电极半径为0.3～1mm，长度为50～150mm，液体工质没过线电极高度5～20mm，与热沉轴向垂直距离在1～20mm调节。

本实施例中，高压控制在2～20kV范围内可调节。

液体工质为绝缘液体工质，包括FC72、R113、R123、R141、正戊烷等。

封闭腔体内为真空条件或常压条件。

需要注意的是，电极20还可以为网状电极、平板电极以及针状电极。

至此，本公开第一实施例微槽群散热器介绍完毕。

图9为封闭腔体内EHD强化微纳复合结构表面热沉润湿特性及换热性能的效果图。如图9所示，本公开实施例中微槽群热沉通过以下两个方面实现超强换热：

(1)在微槽群热沉上制备纳米涂层，形成微纳复合结构表面热沉10。纳米涂层具有亲水性、稳定性，纳米涂层作用是通过强化微槽群热沉表面的润湿性，提高微槽群的毛细润湿能力，使微纳复合结构热沉在倾斜角度甚至竖直放置时，毛细润湿高度较高，其实现效果如图9所示。

应用时，热源30通过导热硅脂、导热硅胶、石墨烯等高热导率材料连接，热量传导至微槽群热沉，竖直放置应用的微纳复合结构热沉10首先在其自身微纳复合结构的毛细作用下，液体工质40沿其阵列微槽道爬升到具有一定润湿高度，当热源40散发的超高热流密度垂直于热沉方向输入时，热沉换热表面大部分区域被润湿，此时在微槽内发生扩展弯月面上薄液膜区域的蒸发和厚液膜的核态沸腾的高强度复合相变换热，强化液体工质40的换热性能。同时热量被传递给封闭腔体50外的散热器表面进行散热。封闭腔体50内，发生复合相变换热的蒸汽遇到周围壁面发生冷凝，冷凝液滴重新进入液体工质中实现循环。

(2)在微纳复合结构热沉表面对液体工质所施加的电场产生EHD效应，其实现的效果如图9所示。

应用时，EHD效应通过电场的库仑力、介电泳力和电致收缩力的共同作用，一旦在超高热流密度下，微槽道内发生局部干涸时，在槽道正对着的表面上布置的各种不同形式的电极20对微纳复合结构表面10上的液体工质40产生作用，液体工质在一方面在所产生的电场力作用下及时提拉已有的润湿高度，另一方面微纳复合结构表面上亲水性的纳米涂层具有的超高表面能也能进一步强化微槽的润湿特性，因而使得热沉发生持续不断的高强度复合相变换热，不仅强化了热沉的换热能力，而且提高热沉所耐受的临界热流密度，最终使热沉能解决大功率、超高热流密度的电力电子元器件的发热问题，进一步的，放出的热量被传递到封闭腔体外进行散热冷却。热沉的及时补液能力保证了热沉超强换热性能的可靠性。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种微槽群散热器。图10 为本公开第二实施例微槽群散热器中微槽群热沉与电极的示意图。如图10 所示，与第一实施例的微槽群散热器相比，本实施例微槽群散热器的区别在于：

电极为网状电极23。这种电极布置的形式是电极作为正极，其一端在液体工质的上面，即和液体工质不接触，另一端浸没在液体工质中。负极为微纳复合结构的阵列槽板或其他带电金属结构的外壳。

网状电极的外观尺寸长为80～150mm，宽为20～50mm(若为网状电极，则网孔的当量直径为0.5～1mm)，液体工质没过网状电极高度5～20mm，与热沉轴向垂直距离在1～20mm范围内调节。

在封闭腔体内，注入液体工质，对液体工质施加高压电场，微槽群在自身微纳复合毛细结构作用的驱动下，一部分液体工质进入微槽道中并爬升一定高度。在微槽道正对着的表面上布置有图10网状电极，液体工质在正极高电压的电场力作用下被驱动沿微槽道及时爬升到更高的润湿高度，发生超高强度蒸发和沸腾的复合相变换热作用。

为了达到简要说明的目的，上述实施例一中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

至此，本公开第二实施例一种微槽群散热器介绍完毕。

在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种微槽群散热器。

图11为本公开第三实施例微槽群散热器中微槽群热沉与电极的示意图。如图11所示，与第一实施例的微槽群散热器相比，本实施例微槽群散热器的区别在于：

电极为针状电极24，该种电极布置形式为电极作为正极悬空布置，负极为微纳复合结构的阵列槽板或其他带电金属结构的外壳。

针状电极针尖的曲率半径为0.05～0.5mm，与热沉轴向垂直距离可在 1～20mm范围内调节。

液体工质为可以为绝缘液体工质，包括FC72、R113、R123、R141、正戊烷等；也可以为导电工质，包括蒸馏水、乙醇等。

封闭腔体内为常压条件。

在封闭腔体内，注入液体工质，对液体工质施加高压电场，微槽群在自身微纳复合毛细结构作用的驱动下，一部分液体工质进入微槽道中并爬升一定高度。在微槽道正对着的表面上布置有图11所示的针状电极，针状电极通过电离空气，产生抽吸力，及时提拉在阵列槽道结构中具有一定高度的液体工质，使润湿高度进一步提升，发生超高强度蒸发和沸腾的复合相变换热作用。

为了达到简要说明的目的，上述实施例一中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

至此，本公开第三实施例一种微槽群散热器介绍完毕。

在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种微槽群散热器。

图12为本公开第三实施例微槽群散热器中微槽群热沉与电极的示意图。如图12所示，与第一实施例的超强换热的微槽群热沉及其制备方法相比，本实施例超强换热的微槽群热沉及其制备方法的区别在于：

电极为平板电极25，该种电极布置的特征是电极作为正极在封闭腔体中没过液体工质，负极固定在竖直槽板上端。

平板电极正负极的尺寸长宽均为10～30mm，正极浸没在液体工质中，正极与负极轴向距离为40～100mm。

液体工质可以为绝缘液体工质，包括FC72、R113、R123、R141、正戊烷；也可以为导电工质，包括蒸馏水、乙醇。

封闭腔体内为真空条件或常压条件。

在封闭腔体内，注入液体工质，对液体工质施加高压电场，微槽群在自身微纳复合毛细结构作用的驱动下，一部分液体工质进入微槽道中并爬升一定高度。在微槽道正对着的表面上布置有图12所示的平板电极，由于正极平板置于液体工质中，液体工质在正极高电压的电场力作用下被驱动沿微槽道及时爬升到具有一定润湿高度，发生超高强度蒸发和沸腾的复合相变换热作用。

至此，本公开第四实施例微槽群散热器介绍完毕。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开微槽群散热器有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本公开提供了一种微槽群散热器，包括微纳复合结构表面热沉取热面和散热面，其中，微纳复合结构表面热沉上有亲水性纳米涂层；取热面和散热面围成一个封闭腔体，封闭腔体内含有液体工质，在腔体内，对微纳复合结构表面热沉施加高压电场，形成EHD效应。本公开的微槽群散热器的微纳复合结构表面上亲水性的纳米涂层具有的超高表面能强化了液体工质在微槽道内的表面能及粗糙度，改善了表面润湿特性，电场作用对液体工质施加定向牵引作用，增大液体工质的质量流量，使得热沉发生持续不断的高强度复合相变换热，强化了散热器的换热能力。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。