多尺度微结构与外加电场耦合的沸腾换热装置及制造方法

1.本发明属于相变强化传热技术领域，涉及一种适用于沸腾换热强化的技术，特别涉及一种多尺度微结构与外加电场耦合的沸腾换热装置及制造方法。


背景技术：

2.沸腾换热研究一直广受人们关注，以其高效散热的特点，广泛地应用在高性能微处理器、高能激光、相控阵雷达和大功率微波通信系统等高科技设备等超高热流密度器件散热当中。近年来，超高热流密度器件性能的不断提高，超高热流密度器件要求的热流密度大幅上升，对沸腾换热技术提出了更高的要求。因此，降低换热壁面温度、提高沸腾换热系数和临界热流密度，以改善沸腾换热效果成为了目前研究的热点问题。
3.微柱/微肋是当前应用十分广泛的一种强化沸腾换热表面微结构，可以有效地增大换热面积，并通过毛细泵吸作用提高表面的液体补给能力。但是在核态沸腾的高热流密度区，微结构表面形成的汽泡过多，也会恶化液体补给，使得传热效果降低，传热很难进一步得到改善。
4.外加电场传热强化技术作为一种低功耗、高稳定性的主动式沸腾换热技术。外加电场的存在相当于给汽泡施加了额外的体积力，促使气泡从电场强度较强的区域向电场强度较弱的区域迁移。因此，当以光滑表面为换热面时，外加电场可以有效减小汽泡脱离直径、提高汽泡脱离频率，并加强汽液界面的不稳定性，从而实现沸腾换热性能的强化。
5.然而，当电场与微柱/微肋结构表面耦合时，不仅不能完全发挥二者的优势，反而会造成大量产生于微柱根部的气泡脱离受阻并导致传热性能恶化的“场陷阱效应”。在沸腾过程中，微柱顶角的电场强度相对较大，而微柱根部的电场强度较小，而绝大部分汽泡的成核位置处于微柱的根部。由于汽泡所受电场力从电场强度大的位置指向电场强度小的位置，大量产生于微柱根部的汽泡所受的电场力与其所受浮力方向相反，微结构跟部的汽泡脱离受阻。阻碍新鲜液体的补给，导致表面换热恶化，某些情况下甚至会导致临界热流密度的降低。因此，“场陷阱效应”的产生主要由于传统的微柱/微肋结构的汽泡成核位置与电场局部分布不匹配造成的。
6.所以，对微柱/微肋结构进行适当的改进，使汽化核心分布于有利于汽泡脱离的位置，实现微柱/微肋结构与外加电场在强化沸腾换热方面的协调匹配和对沸腾换热性能强化的优势互补，对推动微结构表面与外加电场沸腾换热强化技术在超高热流密度器件换热领域的应用意义重大。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种多尺度微结构与外加电场耦合的沸腾换热装置及制造方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明可有效结合微柱/微肋表面和外加电场在沸腾换热强化方面的优势，实现微结构与外加电场对沸腾换热强化的协调匹配，显著强化沸腾表面的传热性能，本发明具有对沸腾换热强化效果显著、加工过程简单且加工成本低廉等
优点。
8.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.多尺度微结构与外加电场耦合的沸腾换热装置，包括沸腾腔体、聚四氟乙烯凸台、多尺度微结构表面、聚四氟乙烯支撑块、金属网格、金属片、高压直流电源、导线和液体工质；
10.所述聚四氟乙烯凸台安装在沸腾腔体内部，所述多尺度微结构表面、聚四氟乙烯支撑块、金属网格和金属片安装在聚四氟乙烯凸台上，所述金属网格和金属片分别与高压直流电源的正负极通过导线连接；所述沸腾腔体内部填充有液体工质，所述聚四氟乙烯凸台、多尺度微结构表面、聚四氟乙烯支撑块、金属网格和金属片均浸没在液体工质当中；
11.所述聚四氟乙烯支撑块为两个，且对称设置在聚四氟乙烯凸台上，两个聚四氟乙烯支撑块上对应设置有若干通孔，两个聚四氟乙烯支撑块上对应的通孔之间穿插设置有金属棒，金属棒的一端固定形成金属网格，所述金属片平整粘贴于聚四氟乙烯凸台上，金属片正中心设置有用于放置多尺度微结构表面的方孔，且方孔的中心点与多尺度微结构表面的中心点重合。
12.进一步地，所述的沸腾腔体采用塑料板或金属板通过机加工方法得到，且沸腾腔体的长度和宽度不小于100mm，高度不小于20mm。
13.进一步地，所述聚四氟乙烯凸台为圆柱形，且聚四氟乙烯凸台的直径为100mm，高度为5～100mm。
14.进一步地，所述多尺度微结构表面的材料为硅片，厚度为0.5～1mm，长度和宽度为3～20mm，所述的多尺度微结构表面由规则排列的多尺度微柱阵列组成，所述多尺度微柱阵列采用方形微柱，微柱的柱宽为30～200μm，微柱柱高为30～120μm，相邻微柱的中心距为微柱柱宽的1.5～2.5倍，微柱顶面刻蚀有若干微孔穴；
15.所述微孔穴的直径为3～10μm，深度为20～120μm，每个微柱顶面的微孔穴数量为1～25个。
16.进一步地，所述聚四氟乙烯支撑块的长度80～100mm，宽度15～45mm，高度4～8mm；所述聚四氟乙烯支撑块上的通孔直径0.8～1.2mm，通孔圆心距离金属片高度为1～7mm。
17.进一步地，所述金属棒直径为0.8～1.2mm，相邻金属棒之间的轴向间距为5～8mm，所述金属棒与金属片平行。
18.进一步地，所述金属片厚度为10μm～1mm，金属片正中心裁剪出12mm
×
12mm的方孔。
19.进一步地，所述高压直流电源产生的电压为0～10kv，允许高压直流电路的电流控制在0.1ma以内，所述金属网格和金属片之间产生的高压直流静电场强度为104～107v/m。
20.进一步地，所述液体工质为hfe-7100或r113，所述液体工质的相对介电常数大于4。
21.多尺度微结构与外加电场耦合的沸腾换热装置的制造方法，包括以下步骤：
22.步骤一：通过机械加工技术加工沸腾腔体；
23.步骤二：焊接金属棒制成金属网格，通过导线与高压直流电源的正极相连；
24.步骤三：采用机械加工技术加工聚四氟乙烯支撑块，将金属网格的两端分别穿过两个聚四氟乙烯支撑块的通孔；
25.步骤四：在硅片上通过深硅刻蚀技术制作多尺度微结构表面，然后将多尺度微结构表面通过隔热胶安装在聚四氟乙烯凸台顶面正中心；
26.步骤五：裁剪金属片形成高压电场的负极，粘贴在多尺度微结构表面周围并通过导线与高压直流电源负极相连；
27.步骤六：调节两个聚四氟乙烯支撑块的位置，使其处于多尺度微结构表面的两侧，最后将两个聚四氟乙烯支撑块通过塑料螺钉安装在聚四氟乙烯凸台上；
28.步骤七：将组装好的聚四氟乙烯凸台、多尺度微结构表面、聚四氟乙烯支撑块、金属网格和金属片粘贴于沸腾腔体底部，并加入液体工质使其浸没所有部件，接通高压直流电源即能够实现沸腾换热性能的强化。
29.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
30.本发明所提供装置由金属和聚四氟乙烯等常见材料，通过简单机加工处理而得，互相连接方便。所使用的支撑架可调节电极高度，能够满足多种工况下的沸腾实验条件，另外本发明提出的多尺度微结构与外加电场耦合的沸腾换热装置，其多尺度微结构表面以规则排布的微柱为基础，能显著提升高热流密度区的补液速度；微孔穴分布在微结构柱顶上，可显著提高汽化核心密度和有效控制汽泡成核与微柱的顶部。外加电场通过聚四氟乙烯支撑块、金属网格、金属片、高压直流电源、导线构建，可以与多尺度微结构表面实现对沸腾换热强化的优势互补，促进汽泡在短时间内在柱形微结构的顶面实现成核、合并和脱离，显著地促进汽泡以更小、更快的速度脱离，从而提升高热流密度区的换热性能。
31.进一步地，本发明的多尺度微结构表面可有效将汽泡成核位置控制在柱形微结构的顶面，此时汽泡所受电场力方向与浮力方向一致，可显著地促进汽泡以更小、更快的速度脱离，有效防止汽泡的大面积横向合并，从而进一步延缓传热恶化的发生。因此电场的引入不仅不会削弱多尺度微结构表面本身的液体补给能力，反而会进一步增强换热面在高热流密度区的液体补给能力，从而进一步显著提高沸腾换热系数，提高换热面的临界热流密度。
32.进一步地，本发明的多尺度微结构表面由规则排布的阵列式微柱形结构组成，微柱顶分布有微米级的微孔穴，根据热力学原理计算，微孔穴尺寸极容易捕获气体并激活成为汽化核心，所以本发明除了具有增加换热面积，提高补液速度等优势外，还可以很大程度上减小核态沸腾起始点时壁面过热度。
33.本发明的多尺度微结构表面通过深硅刻蚀法加工，电极通过焊接技术加工而成，加工过程是简单常见的商业化加工方式，可实现一次成型，方便二次调整改进制作精度高，足够完成微米级的操作加工，且加工成本低廉，可以实现批量加工。
附图说明
34.说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
35.图1是本发明多尺度微结构与外加电场耦合的沸腾换热强化装置示意图；
36.图2是本发明聚四氟乙烯凸台、多尺度微结构表面、聚四氟乙烯支撑块、金属网格和金属片的三维组装图；
37.图3是扫描电镜下本发明的多尺度微结构表面形貌图；
38.图4是本发明电场强度分布与微肋/微柱表面电场强度分布模拟结果对比图，其中
(a)为多尺度微结构表面电场强度分布图，(b)为微肋/微柱表面电场强度分布模拟图；
39.图5是本发明分别在有无电场时的沸腾实验效果图，其中(a)为无电场时沸腾效果，(b)为有电场时沸腾效果；
40.图6是本发明沸腾实验曲线图，其中(a)为沸腾曲线，(b)为传热系数曲线。
41.其中，1、沸腾腔体，2、聚四氟乙烯凸台，3、多尺度微结构表面，4、聚四氟乙烯支撑块，5、金属网格，6、金属片，7、高压直流电源，8、导线，9、液体工质。
具体实施方式
42.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
43.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
44.参见图1，本发明的多尺度微结构与外加电场耦合的沸腾换热装置，包括沸腾腔体1，沸腾腔体1内安装有聚四氟乙烯凸台2；在聚四氟乙烯凸台2上安装了多尺度微结构表面3、聚四氟乙烯支撑块4、金属网格5和金属片6；金属网格5和金属片6分别与高压直流电源7的正负极通过导线8连接；聚四氟乙烯凸台2、多尺度微结构表面3、聚四氟乙烯支撑块4、金属网格5和金属片6均浸没在液体工质9当中。
45.参见图2，本发明的多尺度微结构与外加电场耦合的沸腾换热装置中，金属网格5通过金属棒焊接方法制成；聚四氟乙烯支撑块4采用机械加工技术加工，将作为正极的金属网格5的两端分别穿过两个聚四氟乙烯支撑块4的通孔。使用深硅刻蚀技术在硅片上通过商业化程度高的深硅刻蚀技术制作多尺度微结构表面3。然后将多尺度微结构表面3通过隔热胶安装在聚四氟乙烯凸台2顶面正中心。裁剪金属片5形成高压电场的负极，粘贴在多尺度微结构表面3周围并通过导线8与高压直流电源7负极相连。然后，调节两个聚四氟乙烯支撑块4位置，使其处于多尺度微结构表面3两侧；最后将两个聚四氟乙烯支撑块4通过塑料螺钉安装在聚四氟乙烯凸台2上，聚四氟乙烯凸台2为圆柱形，且聚四氟乙烯凸台2的直径为100mm，高度为5～100mm。
46.如图3所示，加工得到的多尺度微结构表面3的厚度为0.5～1mm，长度和宽度为3～20mm。表面分布阵列式规则柱形微结构，形状是方柱，图3中所示，柱宽为30～200μm，柱高为30～120μm，相邻柱形微结构之间的中心距为1.5～2.5倍的柱宽。微柱顶面刻蚀有若干微孔穴，微孔穴直径为3～10μm，深度为20～120μm，每个微柱顶面的微孔穴数量为1～25个。制作金属网格5的金属棒直径为0.8～1.2mm，金属棒之间的轴向间距为5～8mm，放置于硅片上方
1～7mm处。聚四氟乙烯支撑块4长度80～100mm，宽度15～45mm，高度4～8mm；聚四氟乙烯支撑块4上通孔直径0.8～1.2mm，通孔圆心距离金属片高度为1～7mm，金属网格5穿过两个聚四氟乙烯支撑块4的通孔。
47.本发明通过以外加电场与微结构为基础，实现外加电场和多尺度微结构表面协调匹配，从而实现多尺度微结构与外加电场耦合的方法。如图4所示，本发明的表面结构中，微柱顶及微孔穴处电场强度大，能够有效克服电场中的“场陷阱效应”，是一种能够有效促进汽泡脱离，从而实现沸腾换热性能的强化。实验效果如图5所示，在外加电场的作用下，气泡脱离直径明显减少，脱离频率明显加快。沸腾曲线如图6所示，在多尺度微结构表面与外加电场的协同作用下，临界热流密度明显提高，核态沸腾高热流密度区的传热系数明显增大。
48.一种多尺度微结构与外加电场耦合的沸腾换热强化装置的加工方法，包括以下步骤：
49.步骤一：通过机械加工技术加工沸腾腔体1。
50.步骤二：焊接金属棒制成金属网格5，通过导线8与高压直流电源7的正极相连。
51.步骤三：采用机械加工技术加工聚四氟乙烯支撑块4，将金属网格5的两端分别穿过两个聚四氟乙烯支撑块4的通孔。
52.步骤四：使用深硅刻蚀技术在硅片上通过商业化程度高的深硅刻蚀技术制作多尺度微结构表面3。然后将多尺度微结构表面3通过隔热胶安装在聚四氟乙烯凸台2顶面正中心。
53.步骤五：裁剪金属片6形成高压电场的负极，粘贴在多尺度微结构表面3周围并通过导线8与高压直流电源7负极相连。
54.步骤六：调节两个聚四氟乙烯支撑块4位置，使其处于多尺度微结构表面3两侧；最后将两个聚四氟乙烯支撑块4通过塑料螺钉安装在聚四氟乙烯凸台2上。
55.步骤七：将组装好的聚四氟乙烯凸台2、多尺度微结构表面3、聚四氟乙烯支撑块4、金属网格5和金属片6粘贴于沸腾腔体1底部，并加入液体工质9使其浸没所有部件，接通高压直流电源7即可通过多尺度微结构与外加电场的耦合实现沸腾换热性能的强化。
56.下面通过实施例进一步描述本发明的技术方案。很明显，描述中的实施例只是本发明实施例中的一部分，并不是所以的实施例。根据本发明中的实施例，此领域中的普通技术人员如未进行创造性劳动的话，其获取的所有其他实施例，都在本发明保护范围之中。
57.实施例1
58.目标：制作柱宽30μm，柱高60μm，微柱中心距60μm的方柱微结构阵列，微孔穴直径3μm，5
×
5排列共25个，设置金属网格5与金属片6间距3mm，高压直流电源7电压为3kv。
59.步骤一：通过机械加工技术加工沸腾腔体1。
60.步骤二：焊接4根直径1mm的金属棒制成金属网格5，金属棒轴向间距5mm，通过导线8与高压直流电源7的正极相连。
61.步骤三：采用机械加工技术加工聚四氟乙烯块状材料，通过切割、打孔形成聚四氟乙烯支撑块4，孔径1mm，高度10mm，宽度30mm，金属网格5插入通孔中，距负极3mm，将正极金属网格的两端分别穿过两个聚四氟乙烯支撑块的通孔。
62.步骤四：通过商业化程度高的深硅刻蚀技术制作顶面带有25个微孔穴的多尺度微结构表面3，然后将多尺度微结构表面3通过隔热胶安装在聚四氟乙烯凸台2顶面正中心。
63.步骤五：裁剪0.1mm厚直径为70mm的不锈钢片形成高压电场的负极，粘贴在多尺度微结构表面3周围并通过导线8与高压直流电源7负极相连。
64.步骤六：调节两个聚四氟乙烯支撑块4位置，使其处于多尺度微结构表面3两侧；最后将两个聚四氟乙烯支撑块4通过塑料螺钉安装在聚四氟乙烯凸台2上。
65.步骤七：将组装好的聚四氟乙烯凸台2、多尺度微结构表面3、聚四氟乙烯支撑块4、金属网格5和金属片6粘贴于沸腾腔体1底部，并加入液体工质9使其浸没所有部件，接通高压直流电源7，设定输出电压为3kv，测定多尺度微结构与外加电场的耦合实现沸腾换热性能。
66.经实验测定，本实施例的多尺度微结构与电场耦合的沸腾换热强化方法相比相同尺寸微结构下无外加电场时，临界热流密度提高了123％；相比相同电压下光滑表面，临界热流密度提高了70％；相比相同电压微柱表面，临界热流密度提高了18.5％。
67.实施例2
68.目标：制作柱宽50μm，柱高30μm，微柱中心距100μm的方柱微结构阵列，微孔穴直径5μm，1
×
1排列共1个，设置金属网格5与金属片6间距1mm，高压直流电源7电压为2.5kv。
69.步骤一：通过机械加工技术加工沸腾腔体1。
70.步骤二：焊接4根直径1mm的金属棒制成金属网格5，金属棒轴向间距5mm，通过导线8与高压直流电源7的正极相连。
71.步骤三：采用机械加工技术加工聚四氟乙烯块状材料，通过切割、打孔形成聚四氟乙烯支撑块4，孔径1mm，高度10mm，宽度30mm，金属网格5插入通孔中，距负极1mm，将正极金属网格的两端分别穿过两个聚四氟乙烯支架的通孔。
72.步骤四：通过商业化程度高的深硅刻蚀技术制作顶面带有1个微孔穴的柱形微结构表面3，然后将多尺度微结构表面3通过隔热胶安装在聚四氟乙烯凸台2顶面正中心。
73.步骤五：裁剪0.1mm厚直径为70mm的不锈钢片形成高压电场的负极，粘贴在多尺度微结构表面3周围并通过导线8与高压直流电源7负极相连。
74.步骤六：调节两个聚四氟乙烯支撑块4位置，使其处于多尺度微结构表面3两侧；最后将两个聚四氟乙烯支撑块4通过塑料螺钉安装在聚四氟乙烯凸台2上。
75.步骤七：将组装好的聚四氟乙烯凸台2、多尺度微结构表面3、聚四氟乙烯支撑块4、金属网格5和金属片6粘贴于沸腾腔体1底部，并加入液体工质9使其浸没所有部件，接通高压直流电源7，设定输出电压为2.5kv，测定多尺度微结构与外加电场的耦合实现沸腾换热性能。
76.实施例3
77.目标：制作柱宽200μm，柱高120μm，微柱中心距200μm的方柱微结构阵列，微孔穴直径3μm，3
×
3排列共9个，设置金属网格5与金属片6间距7mm，高压直流电源7电压为5kv。
78.步骤一：通过机械加工技术加工沸腾腔体1。
79.步骤二：焊接4根直径1mm的金属棒制成金属网格5，金属棒轴向间距5mm，通过导线8与高压直流电源7的正极相连。
80.步骤三：采用机械加工技术加工聚四氟乙烯块状材料，通过切割、打孔形成聚四氟乙烯支撑块4，孔径1mm，高度10mm，宽度30mm，金属网格插入通孔中，距负极7mm，将正极金属网格的两端分别穿过两个聚四氟乙烯支架的通孔。
81.步骤四：通过商业化程度高的深硅刻蚀技术制作顶面带有9个微孔穴的柱形微结构表面3，然后将多尺度微结构表面3通过隔热胶安装在聚四氟乙烯凸台2顶面正中心。
82.步骤五：裁剪0.1mm厚直径为70mm的不锈钢片形成高压电场的负极，粘贴在多尺度微结构表面3周围并通过导线8与高压直流电源7负极相连。
83.步骤六：调节两个聚四氟乙烯支撑块4位置，使其处于多尺度微结构表面3两侧；最后将两个聚四氟乙烯支撑块4通过塑料螺钉安装在聚四氟乙烯凸台2上。
84.步骤七：将组装好的聚四氟乙烯凸台2、多尺度微结构表面3、聚四氟乙烯支撑块4、金属网格5和金属片6粘贴于沸腾腔体1底部，并加入液体工质9使其浸没所有部件，接通高压直流电源7，设定输出电压为5kv，测定多尺度微结构与外加电场的耦合实现沸腾换热性能。
85.最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上做出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。