[发明专利]一种电子元器件用沸腾换热装置

说明书

技术领域

本发明涉及沸腾相变传热研究领域，特别涉及一种电子元器件用沸腾换热装置。

背景技术

随着电力电子技术的迅猛发展，电子元器件高频、高速、高集成化的要求越来越高，高温的工作环境势必会影响电子元器件的性能，这就要求对其进行更加高效冷却来满足其要求。因此，有效解决电子元器件的散热问题已成为当前电子元器件和电子设备制造的关键技术。

目前，利用液体对电子芯片进行冷却已引起国内外很多学者的广泛关注，尤其将电子芯片直接浸没在不导电液体中，利用沸腾相变传热的方式对其进行冷却。但是，不导电液体相比水而言，普遍具有较高的壁面润湿特性和较低的沸腾传热系数，表面传热热阻成为电子芯片总传热过程的主要热阻，因此，利用强化表面技术来提高沸腾换热显得尤为重要。

为了强化芯片沸腾换热，发明人曾在芯片表面开平行槽道进行过研究，发现在低热流密度区换热得到了强化，但是在高热流密度区由于槽道之间不连通，易形成汽膜，使得液体难以补充，导致底部出现干斑现象，提早发生临界热流密度；后来又提出在芯片表面利用干腐蚀技术生成方柱微结构进行强化沸腾换热，方柱微结构形成了相互连通的矩形微通道，研究结果表明，该结构可以大大的提高临界热流密度值，但是，沸腾起始时温度跳跃过度较大和壁面温度过高，其主要原因是产生汽泡的汽化核心数较少所致。

近年来，国内外其他研究者提出了利用多孔介质涂层和泡沫金属结构表面进行芯片的沸腾强化换热，对相关文献进行研究发现这种多孔结构有效地增加了产生气泡的汽化核心数，使得沸腾起始时壁面温度降低和温度过升量减少；同时，利用多孔结构的毛细作用力将主流区的流体吸到受热表面，进行强化沸腾换热。但是，由于多孔结构内部相互交错，在核态沸腾区，多孔结构内部汽泡大量蒸发产生汽膜，这样气体与主流液体形成的逆向阻力较大，导致细小孔隙对液体的毛细作用力不能克服液体流动阻力，最后在加热面上不能及时得到主流液体的补充，使得发热元器件表面在较低的热流下就可能出现蒸干现象，提前从核态沸腾进入膜态沸腾，且在较小临界热流密度时的壁面温度已大于芯片正常工作上限温度85℃。

早在1988年Jones等人在文献Electronic cooling through porous layers withwick boiling[A].H R JACOBS.Proceedings of the National Heat TransferConference：Vol.1[C].New York：ASME，523-532.中对多孔表面用于强化电子冷却装置传热进行了实验，发现多孔表面底部产生的蒸汽层中蒸汽首先进行水平流动，找到较大孔径的孔隙通道时得以向上溢出，由此启发人们，在多孔结构表面开槽道可以减少蒸汽的阻力，使蒸汽走槽道，液体走多孔区，从而气液流动更有序，沸腾传热强度增强，临界热流密度提高，推迟核态沸腾向膜态沸腾的转变。由此，许多研究者对多孔表面开槽方式主要集中在多孔结构表面开设平行槽，还有一些开设大尺度(约0.5～2mm)十字交叉槽。研究结果显示多孔表面开设平行槽可以使气液流动比较平稳，但是出现的情况与发明人曾在芯片表面直接开平行槽类似，即槽道之间不连通，较易形成汽膜，降低了加热壁面的再润湿能力，使得沸腾滞后效应明显加重，影响沸腾过程的稳定性。多孔表面开设大尺度十字交叉槽，在低热流密度时换热效果较好，沸腾起始壁面温度较低，而进入高热流密度核态沸腾区域，发热元器件表面换热恶化，热流密度值随着壁面过热度线性增加，同时得到的临界热流密度值偏低，其原因在于高热流密度时，槽道尺寸过大导致毛细作用降低，不利于液体通过槽道顺利供应给加热面。

发明内容

针对现有强化表面技术对高热流密度电子器件冷却存在的不足和缺陷，本发明的目的在于提供一种电子元器件用沸腾换热装置，能够消除芯片在沸腾起始时的温度过升量，降低沸腾起始时的壁面温度，减少温度对芯片造成的热冲击，进一步强化核态沸腾换热，使核态沸腾向膜态沸腾的转变得以延迟，显著提高临界热流密度，降低加热壁面蒸干的几率。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种电子元器件用沸腾换热装置，其特征在于，包括：固定在电子元器件表面的散热板，散热板上面烧结或焊接有金属泡沫层，金属泡沫层上开设有宽度为50μm～200μm方柱型微结构，方柱型微结构的相互间距为50μm～200μm。

本发明的进一步改进和特点在于：

所述散热板通过绝缘导热硅胶粘接在电子元器件表面。

所述散热板为铜板或铝板。

所述金属泡沫层为铜泡沫层或铝泡沫层。