本發(fā)明屬于微電子芯片散熱技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種具有交錯鋸齒型肋壁的微通道蒸發(fā)器。

背景技術(shù)：

隨著微電子器件小型化和高集成度的發(fā)展，單位面積集成的電子元件個數(shù)不斷增加，造成電子設(shè)備單位面積的熱流密度大幅提升，而設(shè)備的性能和壽命與散熱能力密切相關(guān)，傳統(tǒng)的散熱系統(tǒng)諸如肋片和風(fēng)扇已經(jīng)無法滿足設(shè)備的散熱需求。微通道具有換熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊以及溫度均勻性好的優(yōu)點(diǎn)，相變過程中由于流體從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時吸收大量的汽化潛熱，可以實(shí)現(xiàn)有效散熱，因而，基于微通道流動沸騰的相變冷卻技術(shù)在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景，但相變傳熱系統(tǒng)中存在沸騰起始點(diǎn)溫度過高導(dǎo)致器件過溫?zé)龤?，流動不穩(wěn)定性導(dǎo)致器件熱疲勞損壞等問題，本發(fā)明有效解決降低相變傳熱系統(tǒng)中沸騰起始點(diǎn)溫度，提高傳熱系數(shù)以及抑制傳熱不穩(wěn)定性等問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種具有交錯鋸齒型肋壁的微通道蒸發(fā)器，其特征在于，由上層蓋板1、硅微通道板2及加熱膜3組成；其中上層蓋板1和硅微通道板2貼合，加熱膜3位于硅微通道板2的背面；所述硅微通道板2由進(jìn)液口21、微通道22，鋸齒型肋壁23、匯聚聯(lián)箱24及出液口25組成；其中進(jìn)液口21和出液口25開在硅基板2的兩端，微通道22兩側(cè)的鋸齒型肋壁23鋸齒的齒尖231與齒根232相對應(yīng)，匯聚聯(lián)箱24位于彼此相鄰的兩段微通道區(qū)域之間，并且匯聚聯(lián)箱24兩側(cè)的微通道交錯布置。

所述上層蓋板1和硅微通道板2采用微電子機(jī)械工藝mems鍵合，加熱膜3采用濺射工藝加工于硅微通道板2的背面。

所述加熱膜3為模擬熱源，其位置正對于所述硅微通道板2正面的微通道22，加熱膜3所用的材質(zhì)通常為鉑或鋁，當(dāng)通電時利用電阻發(fā)熱來模擬熱源。

所述鋸齒結(jié)構(gòu)形成的凹穴尺寸與汽泡核化過熱度關(guān)系應(yīng)滿足：

其中δt為工質(zhì)的過熱度，ts為工質(zhì)的飽和溫度，σ為表面張力，rm為鋸齒的齒尖間距，ρv為氣態(tài)工質(zhì)的密度，hfg為汽化潛熱。與光滑的直通道相比，鋸齒形結(jié)構(gòu)增大了凹穴尺寸，顯著降低了沸騰起始所需的過熱度。

所述鋸齒型肋壁23的鋸齒型微結(jié)構(gòu)對工質(zhì)產(chǎn)生毛細(xì)吸液作用，使得微通道22內(nèi)液相傾向于吸附在鋸齒型微結(jié)構(gòu)表面，氣相分布于微通道中心，從而形成氣液分相流動的環(huán)狀流，在通道內(nèi)形成了薄液膜蒸發(fā)高效傳熱模式，與泡狀流等其他形式的傳熱流型相比，薄液膜蒸發(fā)模式減少了氣液可壓縮界面的數(shù)量，抑制了沸騰換熱不穩(wěn)定性，從而獲得較為穩(wěn)定的相變傳熱。所述匯聚聯(lián)箱24將上游微通道形成的氣液兩相流重新混合后分配到下游微通道，氣液重新分布延緩了下游微通道局部蒸干的發(fā)生，改善了溫度均勻性，提高了臨界熱流密度。

本發(fā)明的有益效果是所述具有交錯鋸齒型肋壁的微通道蒸發(fā)器，一方面，微通道肋壁上的鋸齒根部形成了許多核化凹穴，在換熱過程中有利于氣泡的生成，降低了沸騰起始點(diǎn)的壁面過熱度，另一方面，微通道肋壁上的鋸齒結(jié)構(gòu)對工質(zhì)存在毛細(xì)吸液作用，使得通道內(nèi)易于形成氣液分相流動的環(huán)狀流薄液膜蒸發(fā)高效穩(wěn)定傳熱模式，與泡狀流等其他形式的傳熱流型相比，薄液膜蒸發(fā)模式減少了氣液可壓縮界面的數(shù)量，抑制了沸騰換熱不穩(wěn)定性，從而獲得較為穩(wěn)定的相變傳熱。在匯聚聯(lián)箱內(nèi)氣液混合后進(jìn)入下游微通道，氣液重新分布延緩了通道中心的蒸干，使得該蒸發(fā)器具有更加均勻的溫度分布，改善了沿程溫度均勻性，提高的臨界熱流密度。本發(fā)明在降低沸騰起始點(diǎn)溫度，提高傳熱能力，改善溫度均勻性及提高臨界熱流密度方面有益效果顯著，在微電子芯片散熱技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為具有交錯鋸齒型肋壁的微通道蒸發(fā)器的整體示意圖。

圖2為所述硅微通道板的結(jié)構(gòu)示意圖，其中a為二維俯視圖，b為局部放大圖。

圖3為微通道上游鋸齒結(jié)構(gòu)中發(fā)生氣泡核化的示意圖。

附圖標(biāo)記說明：1、上層蓋板，2、硅微通道板，3、加熱膜，21、進(jìn)液口，22、微通道，23、鋸齒型肋壁，24、匯聚聯(lián)箱，25、出液口，231、齒尖，232、齒根。

具體實(shí)施方式：

本發(fā)明提供一種具有交錯鋸齒型肋壁的微通道蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器在硅基板的兩側(cè)壁面以及微通道兩側(cè)的肋壁上加工出鋸齒形結(jié)構(gòu)，并且，鋸齒型肋壁交錯排列。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1所示為具有交錯鋸齒型肋壁的微通道蒸發(fā)器的總裝圖，由上層蓋板1、硅微通道板2及加熱膜3組成。其中上層蓋板1和硅微通道板2采用微電子機(jī)械工藝mems鍵合，加熱膜3采用濺射工藝加工于硅微通道板2的背面。

圖2所示為所述硅微通道板的結(jié)構(gòu)示意圖，其中a為二維俯視圖，b為局部放大圖。在硅微通道板2上加工有進(jìn)液口21、微通道22、鋸齒型肋壁23、匯聚聯(lián)箱24、出液口25、齒尖231和齒根232。其中進(jìn)液口21和出液口25開在硅基板2的兩端，微通道22兩側(cè)的鋸齒型肋壁23上的鋸齒的齒尖231與齒根232相對應(yīng)，匯聚聯(lián)箱24位于彼此相鄰的兩端微通道區(qū)域之間，并且匯聚聯(lián)箱24兩側(cè)的微通道交錯布置。

所述加熱膜3為模擬熱源，其位置正對于所述硅微通道板2正面的微通道22，加熱膜3所用的材質(zhì)通常為鉑或鋁，當(dāng)通電時利用電阻發(fā)熱來模擬熱源。

圖3所示為微通道上游鋸齒結(jié)構(gòu)中發(fā)生氣泡核化的示意圖。鋸齒結(jié)構(gòu)形成的凹穴尺寸與汽泡核化過熱度關(guān)系應(yīng)滿足：

其中δt為工質(zhì)的過熱度，ts為工質(zhì)的飽和溫度，σ為表面張力，rm為鋸齒的齒尖間距，ρv為氣態(tài)工質(zhì)的密度，hfg為汽化潛熱。微通道肋壁上的鋸齒根部形成了許多核化凹穴，增大了凹穴尺寸,在換熱過程中有利于氣泡的生成，與光滑的直通道相比,顯著降低了沸騰起始點(diǎn)的壁面過熱度，另一方面，微通道肋壁上的鋸齒結(jié)形成的凹穴對工質(zhì)具有毛細(xì)吸液作用,使得通道內(nèi)易于形成氣液分相流動的環(huán)狀流高效穩(wěn)定傳熱模式，在強(qiáng)化傳熱的同時，液膜厚度逐漸減小，延緩了微通道壁面上發(fā)生局部蒸干，達(dá)到臨界熱流密度；最終發(fā)生局部蒸干,從而增大了臨界熱流密度；在匯聚聯(lián)箱內(nèi)氣液混合后進(jìn)入下游微通道，氣液重新分布延緩了通道中心的蒸干，使得該蒸發(fā)器溫度分布更加均勻，從而具有較低的沸騰起始過熱度，高效穩(wěn)定的傳熱能力及較高的臨界熱流密度。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了屬于微電子芯片散熱技術(shù)領(lǐng)域的一種具有交錯鋸齒型肋壁的微通道蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器由上層蓋板、加工有交錯鋸齒型微通道的硅基板以及加熱膜組成，硅基板上的交錯鋸齒型微通道之間布置有匯聚聯(lián)箱。加熱膜作為模擬熱源加熱微通道，當(dāng)液相工質(zhì)由進(jìn)液口流入，流經(jīng)交錯鋸齒型微通道時，在微通道內(nèi)吸熱發(fā)生氣液相變，從而冷卻硅基板；微通道肋壁上的鋸齒根部形成了許多核化凹穴，鋸齒結(jié)構(gòu)對工質(zhì)存在毛細(xì)吸液作用，使得通道內(nèi)易于形成氣液分相流動的環(huán)狀流高效穩(wěn)定傳熱模式，本發(fā)明具有較低的沸騰起始過熱度，高效穩(wěn)定的傳熱能力及較高的臨界熱流密度，在微電子芯片散熱技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：張偉;趙亞東;鄔智宇;孫遠(yuǎn)志;徐進(jìn)良
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華北電力大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.23
技術(shù)公布日：2017.10.10