一种复合柱状微结构的亲/疏水强化沸腾换热片的制作方法

本发明属于电子器件热控制领域，具体涉及一种复合柱状微结构的亲/疏水强化沸腾换热片，通过改变换热片表面形态结构从而有效增强沸腾换热效果。

背景技术：

随着微电子机械技术的发展，电子器件集成化和高频化程度不断提高，特征尺寸不断减小，单位容积的发热量不断增大，设备紧凑化的设计又使得散热更加困难。沸腾换热作为一种相变换热方式，与传统的风冷和液体对流换热相比，换热系数具有数量级的差别，是一种非常有效的散热方式。然而高热流密度沸腾换热性能往往严重恶化，其根本原因在于加热面大汽泡难以脱离而阻碍液体供应和蒸发。

沸腾相变传热的有效性很大程度上取决于换热表面的物化特性，特别是润湿性、多孔性、粗糙度和有效换热面积。针对上述技术难题，通过在换热表面加工微/纳米结构能显著改变换热表面的物化特性，从而改变沸腾起始温度点，汽泡产生频率、大小和密度，影响传热性能。然而，现有换热表面处理手段尤其是改变表面接触角工艺上，普遍存在高温失效等不稳定因素。因此，换热面在长时间与液体接触以及高温工作状态下表面性质发生改变仍是其面临的主要问题之一。

如前所述，本方法利用微机械加工得到的在高效换热柱状微结构基础上，提出疏水柱状微结构和亲水面相间布置的新型亲/疏水表面微结构，不仅保证了换热面的稳定性同时降低电子器件表面温度，满足大功率电子器件换热的工作需求。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种具有强化沸腾换热性能的换热表面结构，有效增强沸腾换热效果延缓沸腾干烧现象的同时，又能解决现有沸腾强化换热表面在长时间与液体接触以及高温工作状态下性质发生改变问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

该换热片表面由微观尺寸柱状微结构阵列构成的疏水区域和具有宏观尺寸的光滑亲水通道组成，光滑亲水通道交错穿插于疏水区域将其分割为块状阵列，形成整体通道处处相通，亲水与疏水、宏观尺寸与微观尺寸相结合的换热片表面。

所述疏水区域为微机械加工形成的柱状微结构阵列组成，其静态接触角为135°±2°为疏水表面。

疏水区域其表面规则排列边长与高度为微米量级高度的微结构方柱，组成平面内四个方向交错相通的微结构阵列。

该光滑亲水通道静态接触角为77°±2°，通道两边的柱状微结构阵列存在低一尺寸数量级宽度的微通道与其相通。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用的微机械加工方法在电子硅片表面刻蚀形成的方柱微结构阵列以及光滑通道具有一定的机械强度和化学稳定性，相比现有烧结或喷涂工艺制备的亲疏水表面具有耐高温、抗腐蚀、不易磨损等优点，可有效延长换热元器件的使用寿命。

2、本发明采用柱状微结构形成的疏水表面和光滑亲水通道相结合的设计方式，具有高效换热性能：既通过柱状微结构阵列增加了有效汽化核心数量，又保证汽泡在光滑通道及时脱离保证新鲜液体的供给从而降低壁面过热度和延缓干烧危机。

3、利用本发明，只需在疏水强化换热片表面合适的位置加工出亲水通道即可，具有实现方式简单、运行原理可靠的优点。

附图说明

图1为本发明换热片结构示意图。

其中：1为柱状微结构阵列，2为光滑亲水通道。

图2为本发明换热片结构具体实施方式示意图

其中：1为柱状微结构阵列，2为光滑亲水通道，3为汽泡，4为汽泡合并行为。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明确，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明作进一步的说明。

一种复合柱状微结构的亲/疏水强化沸腾换热片，包括柱状微结构疏水区域1和光滑亲水通道2，疏水区域1被光滑通道交错穿插分隔为疏水阵列。

所述柱状微结构疏水区域1，为干腐蚀形成的高度和边长在数十微米数量级的柱状微结构阵列组成，使用去离子水测得的静态接触角为135°，在沸腾换热过程中柱状微结构可以捕获不凝结气体并提供核态沸腾汽化核心从而降低沸腾起始点的壁面过热度，同时柱状微结构能显著提高表面的有效换热面积。

所述光滑亲水通道2交错相通将柱状微结列分割成块状阵列，使用去离子水测得的静态接触角为77°，相对于疏水区域1具有良好的液体浸润性。当疏水区域1生成的汽泡滑移至区域1与区域2边缘时会被围困在表面高度相对柱面较低的光滑区域，由于交错相通的设计方式使得汽泡在通道2中产生沿通道各方向随机滑移的现象，因此增加了汽泡合并的概率，加快汽泡体积的生长。通道2宽度是由实验观察汽泡脱离直径的经验估算而得，其宽度略小于汽泡平均脱离直径。因此，当两个或多个汽泡经过合并后直径略大于光滑通道宽度时，在通道两侧微结构和光滑面接触线毛细力与亲水表面液体不断浸润补给的作用下，脱离换热表面。相对于无光滑通道的微结构表面，其表面形成的汽泡脱离难度大大降低：汽泡脱离频率的增加使得换热面与工质间的传热过程得到强化，有效降低壁面过热度；尤其在高热流密度下，局部汽泡不能及时脱离换热表面的现象有所改善，因此可有效延缓沸腾干烧现象提高临界热流密度。

首先，在实验中选择的换热工质为不导电全氟制冷剂FC-72，其沸点为56℃。参考实验经验FC-72在硅片表面汽泡的脱离直径的数量级，本发明光滑亲水带2的宽度设计为0.3mm，微结构阵列1的边长为0.7mm。其中微结构阵列中每单个方柱的边长为30μm，高为60μm。

在正常工作时，所述微结构阵列1在实验中可提供有效的汽化核心，增加有效换热面积。生成的单个一级泡会产生随机滑移，由于微结构阵列边长与汽泡直径处于相同数量级，因此在随滑移过程中到达阵列边缘的可能性较大。随后微结构边缘的汽泡会被围困光滑亲水带2中并在通道中以更快的速度向上下或左右滑移，困在2中的汽泡在交错相通的光滑表面中不断富集，两个或多个一级气泡在区域2中碰撞合并，形成更大的汽泡。当形成的二级汽泡直径生长到通道宽度数量级时，亲水表面会出现液体的主动补给，在外力作用下推动汽泡脱离，从而达到加速汽泡脱离以及缓解芯片干烧危机的作用。

根据以上步骤设计获得新型强化沸腾换热表面，经过FC-72过冷池沸腾实验验证，结果表明使用以上表面换热与光滑表面相比，在35K过冷度下沸腾起始点的壁面过热度降低8℃，临界热流密度提高140％，在15W/cm²热流密度下壁面温度降低16℃；与无光滑通道的方柱微结构表面相比换热面积减少20％，但是沸腾起始点的壁面过热度降低6℃，临界热流密度提高25％，在30W/cm²热流密度下壁面温度降低8℃。

以上所述具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，本发明所提供的亲疏水相结合的换热表面，构成简单、工作原理可靠，可有效解决换热区失效导致的系统工作能力下降的问题，可广泛应用于电子器件冷却、化工制冷等领域，性价比与产业化前景非常好。