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CN113782452B - 一种高效强化沸腾传热表面的微通道结构设计及制备方法 - Google Patents

一种高效强化沸腾传热表面的微通道结构设计及制备方法 Download PDF

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CN113782452B CN202111002465.7A CN202111002465A CN113782452B CN 113782452 B CN113782452 B CN 113782452B CN 202111002465 A CN202111002465 A CN 202111002465A CN 113782452 B CN113782452 B CN 113782452B
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Abstract

本发明涉及一种高效强化沸腾传热表面的微通道结构设计及其制备方法。本发明先采用激光在高热导率金属铜表面切割出微通道结构,再利用磁控溅射的方法在微通道结构上沉积铜纳米层,在提升高热导率金属表面临界热流密度的同时降低其表面过热温度,实现临界热流密度和换热系数同时增强。本发明所述微通道结构的形核位点数目增加,临界热流密度较铜材原料表面提高了1.61倍,同时换热系数提高了2.26倍,大大降低与液体接触的金属换热表面的过热度。本发明所述微通道结构表面具有紧密堆积的纳米柱层,气泡脱出的直径更小,且气泡脱出的频率更高。本发明方法制得具有多级微通道结构的高效强化沸腾传热表面,其临界热流密度高达141.3W/cm2,壁面过热度仅为8.9K。

Description

一种高效强化沸腾传热表面的微通道结构设计及制备方法
技术领域
一种高效强化沸腾传热表面的微通道结构设计及制备方法。
背景技术
集成电路、高性能计算机、激光精密加工、航空航天等高新技术领域的迅速发展导致电子元器件热流密度的不断飙升,如此高强度的发热量如果不能有效除去,将使得器件温度迅速升高,严重降低器件和系统的性能、稳定性和安全性。器件的散热问题已成为影响当今电子工业发展的关键瓶颈问题。沸腾传热是工质通过气泡运动带走加热面热量并使其冷却的一种传热方式,其可以在较小的过热度条件下获得极大的传热系数,因此沸腾传热技术已被广泛应用于热能动力、核电、地热能、太阳能、石油化工、食品工程以及低温工程等重要工业领域的关键过程。
近年研究发现通过在普通换热平面加工微米结构或纳米结构可提高换热表面的沸腾传热性能。利用微纳米加工技术在换热表面上加工的微纳米多孔结构来强化沸腾换热效果显著。相对于常规尺度的结构,这些微纳米多孔结构可以大幅度的提高换热面积、改善表面润湿特性、提高毛细抽吸力、提高汽泡成核密度、降低汽液流动阻力,从而增强沸腾相变的动态过程,最终提高沸腾表面的换热能力。以往的研究主要集中在开发具有不同加工技术的新结构,如铣削、抛光、放电加工和电化学沉积,涉及多个制造步骤,因此抑制了成本竞争力。
传统传热系统受到临界热流(CHF)的限制,在临界热流(CHF)时,沸腾过程从核沸腾转变为膜态沸腾,导致换热器表面温度突然升高,壁面过热度依旧较大。此外,现有技术中提高沸腾传热性能的加工手段成本高昂(如模板法),无法大规模商业化,无法显著改变微通道结构内汽泡的生长特性,从而无法大幅度提高表面沸腾传热性能。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题,本发明提供了一种高效强化沸腾传热表面的微通道结构及其制备方法。本发明所述高效强化沸腾传热表面的微通道结构为多个形成互相连通的多级微通道。
本发明所述制备方法,通过先采用激光技术在高热导率金属铜表面切割出的微通道结构,再用磁控溅射在微通道结构上沉积铜纳米层,从而调节了微通道结构的表面润湿性能,进一步有利于增强微通道表面的固-液相互作用,通道提供了连续的液体供给,表面存在的微/纳尺度孔隙能有效提高汽泡的成核密度,微通道的尺寸效应和表面发生耦合作用,使汽泡更快逸出,本发明所述的高效强化沸腾传热表面的微通道结构,具有更低的壁面过热度,具有更高的临界热流密度以及远超一般强化表面的沸腾换热系数,能够实现在提升高热导率金属表面的临界热流密度的同时降低其表面温度;本发明方法的制备过程简单,成本低廉,易于商业化大规模生产应用。
本发明所采用的技术方案为:
一种高效强化沸腾传热表面的微通道结构的设计和制备方法,包括如下步骤:
(1)在铜材表面利用激光加工形成微通道结构;
(2)在步骤(1)所得微通道结构上沉积铜纳米层,即得所述高效强化沸腾传热表面的微通道结构。
步骤(1)中,所述铜材为铜圆柱或者其他形状。
所述激光加工的具体条件设置为:
在激光平台上设计微通道结构,图案设计时两条距离最近的激光加工线之间间隔为0.03-0.2mm;激光波长为1064nm,光斑直径为50μm,总功率为15W;
将铜材放置于激光平台上,调整到焦点位置,功率调为60-90%,频率为500kHz,速度为100-400mm/s,扫描次数为2000-3500次。
步骤(1)中,所述微通道结构的横截面为矩形、梯形或三角形。
所述微通道结构的横截面为矩形,所述矩形的宽度为0.03-0.2mm。
所述微通道结构的通道宽度为0.03-0.2mm,深度为256-367µm。
步骤(2)中,采用磁控溅射工艺沉积所述铜纳米层。
沉积所述铜纳米层时,真空度为4.0×10-4Pa,溅射气压为2.0Pa,衬底温度为室温-300℃,溅射功率为10-30W,沉积时间为6-14h。
所述铜纳米层为铜纳米线层,所述铜纳米线的直径为260-350nm,高度为5-12µm,所述铜纳米线层的孔隙率为60-80%。
本发明所述方法制备得到的高效强化沸腾传热表面的多级微通道结构。
本发明的有益效果为:
(1)本发明所述高效强化沸腾传热表面的微通道结构的设计和制备方法,通过先采用激光技术在高热导率铜材表面切割出的微通道结构,再用磁控溅射在微通道结构上沉积铜纳米层,能够实现在提升高热导率金属表面的临界热流密度的同时降低其表面温度。这是由于本申请发明人在研究中发现,由于铜材具有很高的热导率,并通过在具有微通道结构的铜材表面沉积铜纳米层,铜纳米层与基底铜材为同种材料,能够有效降低材料中间的热膨胀系数不匹配性和传热损失,最终能够实现在提升高热导率金属表面的临界热流密度的同时降低其表面温度。
(2)本发明所述高效强化沸腾传热表面的微通道结构的设计和制备方法,通过引入铜纳米线来调节激光制备铜微结构表面的浸润性和表面形核,实现了临界热流密度和换热系数的同时增强。这是由于本申请发明人在长期研究中发现,本发明引入的铜纳米线阵列是有序可控的,相较于引入其他纳米层的不规则随机性,本发明所述铜纳米线阵列结构对于沸腾传热过程中气泡的脱出和液体的补充形成更为有利的条件,孔隙率的大小影响气泡形核大小和逸出速率。数据表明,本发明所述微通道结构的形核位点数目增加,临界热流密度较铜材原料表面提高了1.61倍,同时换热系数提高了2.26倍,大大降低与液体接触表面的温度。换热系数的提高与比表面积、结构高度和活性成核位点密度有关,比表面积越高,换热系数越高。本发明所述微通道结构中的铜纳米线能有效提高表面润湿性和芯吸能力。根据气泡动力学,本发明所述微通道结构具有紧密堆积的结构表面气泡脱出的直径更小,且气泡脱出的频率更高。本发明方法制得的高效强化沸腾传热表面的微通道结构,临界热流密度高达141.3 W/cm2,同时壁面过热度仅为8.9 K。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a、1b、1c、1d分别为对比例1、实施例1、实施例2、实施例3所得微通道结构的表面形貌和通道结构图;
图1e为实施例3沉积所得铜纳米线层的断面图;
图2a-2c分别为采用对比例2-4方法处理后铜材表面上5μm固着液滴的静态接触角示意图;
图2d-2f分别为采用实施例1-3方法处理后铜材表面上5μm固着液滴的静态接触角示意图;
图3a为实施例1-3不同微通道结构表面的过热度与临界热流密度的曲线图;
图3b为实施例1-3不同微通道结构表面的临界热流密度与沸腾换热系数的关系图;
图4为实施例4所得铜纳米线层的断面图;
图5为实施例5所得铜纳米线层的断面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式,都属于本发明所保护的范围。
实施例
本实施例提供一种高效强化沸腾传热表面的微通道结构的设计和制备方法,包括如下步骤:
(1)取直径10mm、高20mm的铜圆柱,在铜圆柱表面利用激光加工形成微通道结构;
所述激光加工的具体条件设置为:
在激光平台(型号PicoYL-15)上设计“井”字形结构,两条距离最近的激光加工线之间的间隔为0.2mm;激光波长为1064nm,光斑直径为50μm,总功率为15W;
所述微通道结构的横截面为矩形,所述矩形的宽度为0.2mm(与“井”字形结构两条线的间隔对应),所述微通道结构的通道(沟槽)宽度为0.2mm,深度为312µm;
(2)采用磁控溅射工艺在步骤(1)所得微通道结构上沉积铜纳米线层,仪器为JGP-450a 型磁控溅射沉积系统;采用用磁控溅射工艺的具体条件设置为:靶材为高纯铜靶,靶基距为14cm,真空度为4.0×10-4Pa左右时打开样品台自转;开始通入高纯氩气,固定氩气流量为25 sccm,并调节气压至预定工作气压2.0 Pa,调节溅射功率为20W,预溅射10分钟,待辉光稳定后打开挡板开始溅射;溅射时间为10h,溅射结束后,关闭溅射电源,关闭样品台自转和其它电源,取出样品即得所述高效强化沸腾传热表面的微通道结构。
实施例
实施例2与实施例1的区别仅在于:步骤(1)中,采用激光加工时,“井”字形结构的两条线的间隔为0.1mm,其他均与实施例1相同;相应地,本实施例所得微通道结构的横截面为矩形,所述矩形的宽度为0.1mm,所述微通道结构的通道(沟槽)宽度为0.1mm,深度为367µm。
实施例
本实施例3与实施例1的区别仅在于:步骤(1)中,采用激光加工时,“井”字形结构的两条线的间隔为0.03mm,其他均与实施例1相同。相应地,本实施例所得微通道结构的横截面为矩形,所述矩形的宽度为0.03mm,所述微通道结构的通道(沟槽)宽度为0.03mm,深度为256µm。
实施例
本实施例与实施例3的区别仅在于:步骤(2)的沉积条件不同,具体为:
靶基距为14cm,真空度为4.0×10-4Pa左右时打开样品台自转;开始通入高纯氩气,固定氩气流量为25 sccm,并调节气压至预定工作气压2.0 Pa,调节溅射功率为20W,预溅射10分钟,待辉光稳定后打开挡板开始溅射;溅射时间为4h,溅射结束后,关闭溅射电源,关闭样品台自转和其它电源,取出样品即得所述高效强化沸腾传热表面的微通道结构。
实施例
本实施例与实施例3的区别仅在于:步骤(2)的沉积条件不同,具体为:
靶基距为14cm,真空度为4.0×10-4Pa左右时打开样品台自转;开始通入高纯氩气,固定氩气流量为25 sccm,并调节气压至预定工作气压2.0 Pa,调节溅射功率为20W,预溅射10分钟,待辉光稳定后打开挡板开始溅射;溅射时间为6h,溅射结束后,关闭溅射电源,关闭样品台自转和其它电源,取出样品即得所述高效强化沸腾传热表面的微通道结构。
本对比例与实施例3的区别在于没有经过步骤(1)的激光切割处理,直接在铜圆柱表面沉积铜纳米线层。
本对比例与实施例1的区别在于只进行步骤(1)的激光切割处理,得到微通道结构,没有进一步在微通道结构表面沉积铜纳米线层。
本对比例与实施例2的区别在于只进行步骤(1)的激光切割处理,得到微通道结构,没有进一步在微通道结构表面沉积铜纳米线层。
本对比例与实施例3的区别在于只进行步骤(1)的激光切割处理,得到微通道结构,没有进一步在微通道结构表面沉积铜纳米线层。
本对比例与实施例3的区别仅在于:步骤(2)的处理方式不同,本对比例在铜柱表面制得氧化铜纳米锥层,具体工艺为:
将铜柱在室温下浸入溶液中,溶液的原料组成为NaClO2、NaOH、Na3PO4·12H2O和去离子水,且各物质的质量比为3.75:5:10:100,氧化15min后,取出铜柱并先后用去离子水和乙醇冲洗各3次,干燥。
本对比例与实施例3的区别仅在于:步骤(2)沉积的为金属镍纳米层,具体工艺如下:
靶材为高纯镍靶,靶基距为14cm,真空度为4.0×10-4Pa左右时打开样品台自转;开始通入高纯氩气,固定氩气流量为25 sccm,并调节气压至预定工作气压2.0 Pa,调节溅射功率为20W,预溅射10分钟,待辉光稳定后打开挡板开始溅射;溅射时间为10h,溅射结束后,关闭溅射电源,关闭样品台自转和其它电源,取出样品即得所述高效强化沸腾传热表面的微通道结构。
如图1所示为3D 激光扫描共聚焦显微镜下观察到的表面形貌和通道结构图,其中图1a、1b、1c、1d分别为对比例1、实施例1、实施例2、实施例3所得微通道结构的表面形貌和通道结构图,在从图中可以看出,实施例1-3所述微通道结构的中心为激光处理得到的正方形柱体,通道为激光扫过后留下的深度槽,为激光光斑直径的宽度。其中,实施例3中激光扫描宽度(“井”字形结构两条线的间隔)设置为0.03mm,扫描宽度与光斑直径(50μm)接近,表面平铺(如图1d所示)。
如图2所示为不同铜材表面上5μL 固着液滴的静态接触角示意图。其中,图2a-2c分别为采用对比例2-4方法处理后铜材表面上5μL 固着液滴的静态接触角示意图;图2d-2f分别为采用实施例1-3方法处理后铜材表面上5μL 固着液滴的静态接触角示意图。从图中可以看出,经本发明实施例1-3方法先进行激光切割再进行溅射铜纳米线层制得的铜材,相比于只进行激光切割处理的铜材,2d,2f表面疏水性增强明显,从而说明溅射铜纳米层的处理方式提高了表面的浸润性,增加了表面形核位点。
如图3所示为在大气压下有水的不同微通道结构(实施例1-3)表面的池态沸腾曲线对比图。其中,判断沸腾性能的标准为过热度(Wall Superheat)越低,临界热流(HeatFlux)越高,沸腾换热系数(Heat Transfer Coefficient)越高,则传热性能越好。从图中可以看出,实施例3所得微通道结构(通道宽度0.03mm)的传热性能最优,实施例3所得微通道结构的临界热流密度为141.3 W/cm2,同时壁面过热度为8.9 K。如图1e所示为实施例3沉积所得铜纳米线层的断面图,从图中可以看出,实施例3沉积所得铜纳米线层中铜纳米线的直径为310nm,高度为8.16μm,所述铜纳米线层的孔隙率(材料内的微小空隙的总体积与总体积的比值)为75.3%。
如图4所示为实施例4所得铜纳米线层的断面图,从图中可以看出,实施例4沉积所得铜纳米线层中铜纳米线的直径为170nm,高度为3.63μm,所述铜纳米线层的孔隙率为87.1%。
如图5所示为实施例5所得铜纳米线层的断面图,从图中可以看出,实施例5沉积所得铜纳米线层中铜纳米线的直径为180nm,高度为4.98μm,所述铜纳米线层的孔隙率为80.7%。
对实施例1-5、对比例5、对比例6制得的微通道结构的临界热流密度和壁面过热度进行检测,结果如表1所示。
表1
项目 临界热流密度W/cm2 壁面过热度/K
实施例1 138.6 16.8
实施例2 139.7 11.8
实施例3 141.3 8.9
实施例4 86.9 9.9
实施例5 88.9 11.8
对比例5 137.3 15.3
对比例6 126.1 13.7
从表1可以看出,本发明方法通过先采用激光技术在铜材表面切割出的微通道结构,再在微通道结构上沉积铜纳米线层,能够显著提升铜材临界热流密度的同时降低铜材的表面温度。其中,以实施例3的方法获得微通道结构的性能最优,临界热流密度高达141.3W/cm2,壁面过热度仅为8.9 K。相较于沉积氧化铜纳米锥层(对比例5)、沉积金属镍纳米层(对比例6)的方案,本发明实施例3方法获得微通道结构中沉积铜纳米线层的直径为310nm时,临界热流密度更高,同时壁面过热度更低,从而说明沉积不同直径的铜纳米线对沸腾传热性能的增强有不同的效果,其中310nm直径的铜纳米线增强沸腾传热性能最好。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种高效强化沸腾传热表面的微通道结构的设计和制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)取直径10mm、高20mm的铜圆柱,在铜圆柱表面利用激光加工形成微通道结构;
所述激光加工的具体条件设置为:
将铜圆柱放置于激光平台上,调整到焦点位置,功率调为60-90%,频率为500kHz,速度为100-400mm/s,扫描次数为2000-3500次;
在激光平台上设计“井”字形结构,两条距离最近的激光加工线之间的间隔为0.2mm;激光波长为1064nm,光斑直径为50μm,总功率为15W;
所述微通道结构的横截面为矩形,所述矩形的宽度为0.2mm,与“井”字形结构两条线的间隔对应,所述微通道结构的通道宽度为0.2mm,深度为312µm;
(2)采用磁控溅射工艺在步骤(1)所得微通道结构上沉积铜纳米线层,所述铜纳米线的直径为260-350nm,高度为5-12µm,所述铜纳米线层的孔隙率为60-80%;
采用磁控溅射工艺的具体条件设置为:
靶材为高纯铜靶,靶基距为14cm,真空度为4.0×10-4Pa左右时打开样品台自转;开始通入高纯氩气,固定氩气流量为25 sccm,并调节气压至预定工作气压2.0 Pa,调节溅射功率为20W,预溅射10分钟,待辉光稳定后打开挡板开始溅射;溅射时间为10h,溅射结束后,关闭溅射电源,关闭样品台自转和其它电源,取出样品即得所述高效强化沸腾传热表面的微通道结构。
2.根据权利要求1所述方法制备得到的高效强化沸腾传热表面的多级微通道结构。
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