[发明专利]一种光热种子汽泡微蒸发器

说明书

本发明公开了属于高热流冷却技术领域的一种光热种子汽泡微蒸发器。利用脉冲激光照射位于微通道中的对尖纳米结构，根据纳米结构的等离激元效应，将光能转化为热能，局部加热附近流体到很高的温度，核化并形成微汽泡，汽泡在来流切应力作用下，被有序带入到通道下游，遇到主流过热液体后吸热生长，通过脉冲频率控制，可形成时间序列上的微汽泡流，这些汽泡在通道内充当沸腾核化穴的种子，从而可实现对蒸发器的流动与传热控制。本发明可解决微通道内沸腾起始点温度过高及流动沸腾不稳定性的难题，在较宽范围内精准控温，显著提升蒸发器换热性能，从而避免高热流器件过温烧毁，延长了使用寿命。

技术领域

本发明涉及高热流冷却技术领域，尤其涉及一种光热种子汽泡微蒸发器。

背景技术

随着电子器件日渐集成化和微型化，单片上的热流密度也变得越来越高，为了防止芯片因过高的温度而失效，对此需要采取有效的冷却措施来消除大量的热量。微通道因具有结构紧凑、换热效率高等特点，使其成为最具有发展潜力的散热技术之一。微通道按照换热形式可分为单相微通道和两相微通道，其中单相微通道热应力较高，冷却不均匀，且冷却上限也会受饱和温度的限制；而两相微通道不仅热应力低，冷却均匀性好，压降损失低，还可以利用液体沸腾带走更多的热量。

但传统微通道沸腾换热也有很多的瓶颈问题，如微通道表面的粗糙度很低，其有效核化穴数量非常少，这导致了沸腾换热的起始点温度很高，大大降低了散热效果，也增加了启动烧毁芯片的风险。此外，两相微通道还伴有流动沸腾不稳定性，这会使系统热应力不均匀，产生机械振动，且换热性能大幅度降低，对此最常规的措施是在微通道入口处设置节流装置，这可以在一定程度上防止快速生长的汽弹反冲，但也因此给系统带来了很大的压力降，不能从根本上解决两相沸腾换热的固有问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种光热种子汽泡微蒸发器，其特征在于，包括微通道、光热种子汽泡发生器、泵、冷凝器、储液罐和预热器；

其中，微通道为硅基上制备的，与其他半导体器件相兼容；微通道的截面形状为矩形、梯形或三角形，每个微通道内设置一个金属纳米对尖结构；

光热种子汽泡发生器包括脉冲激光、金属纳米对尖结构和温度传感器。

所述光热种子汽泡发生器用激光照射金属纳米对尖结构，激发金属纳米对尖结构表面等离激元，光子的能量传递给等离子体，经过非辐射弛豫过程后，吸收的能量又转移给了电子，使电子从低能级状态跃迁到高能级；随后通过电子—电子散射将能量从高能级的电子分配给低能级的电子上；再通过电子—声子散射，电子的能量传递给声子，声子吸收能量后使晶格温度升高；又通过声子—声子散射，热量向四周传递，使尖端具有很高的温度，达到形成汽泡的动力学温度，从而使水发生汽化并形成纳米汽泡，在激光的照射下，这些纳米汽泡迅速成长且与周围的纳米汽泡结合形成微汽泡；微汽泡在液体剪切力的作用下，被带入到微通道下游，与主流过热液体相接触后渐渐变大，在微通道内充当核化种子实现对微通道内流动及传热的控制；在脉冲激光的数字化控制下，光热种子汽泡发生器在时间序列上任意产泡。

所述脉冲激光的频率与金属纳米对尖结构表面的自由电子振荡频率相同，有效激发出金属纳米对尖结构表面等离激元效应，调节脉冲激光的偏振及脉冲宽度，对金属纳米对尖结构的局域电场强度及热产生过程进行精确调控，从而调节产生汽泡的大小和频率。

所述金属纳米对尖结构的尖端表面曲率大，电场强度剧增，电势梯度很大，导致尖端总是聚集最多的电荷，吸收更多的光子，因此尖端的顶部温度最高，微汽泡在两个尖端中间快速生成；对尖粘贴于每个微通道上游接近入口处，或与微通道一体化设计。

所述温度传感器安装在蒸发器主体上，且与控制电路连接，用来感应蒸发器的壁面温度；温度传感器的温度信号传输到控制电路上，并与预置值进行比较，若偏离预置范围，则控制电路会相应的调节脉冲激光的功率，从而调控产汽泡的频率，实现对蒸发器温度的检测与反馈调控。