一种利用微管与微孔协同强化沸腾换热的复合微结构表面制造技术

本发明专利技术公开一种利用微管与微孔协同强化沸腾换热的复合微结构表面，包括微柱基体和呈阵列分布在微柱基体上的若干个微柱单元。其中，微柱单元由呈阵列分布的多个微柱构成，每个微柱的各侧壁面对称开设微管、顶部对称开设微孔。通过在微柱顶面增设微孔有效提高了微结构表面的汽化核心数量，降低了表面的过热度，从而提高了表面的沸腾换热系数；其次，在微柱的各侧壁面开设微管，通过利用微柱、微孔及微管在调节沸腾过程气液行为的相互作用，建立了从补液通道向微柱单元槽道以及微管补液的多方位补液系统，从而增强了表面的补液能力，提高了表面的临界热流密度，延缓了沸腾危机的发生，获得对微结构表面沸腾换热性能的协同强化。化。化。

【技术实现步骤摘要】
一种利用微管与微孔协同强化沸腾换热的复合微结构表面


[0001]本专利技术属于强化相变传热
，涉及一种沸腾传热强化表面，具体涉及一种利用微管与微孔协同强化沸腾换热的复合微结构表面。

技术介绍

[0002]沸腾换热中发生的气液相变过程使其成为一种高效的换热方式，从而被广泛地运用在核反应堆、电动汽车电池、航天航空热控制系统以及微电子芯片等装置的散热系统中。但随着生产的发展以及微加工技术的不断变革，高度集成化以及大功率器件的散热需求不断攀升，器件安全稳定运行的温度条件要求越来越苛刻。因此，为了保持高热流密度器件长期安全稳定运行，需要强化沸腾换热的换热系数以及临界热流密度，提高散热系统的散热效率和运行极限。
[0003]近年来，改变换热表面形貌作为一种安全、高效的无源强化沸腾换热技术受到了广泛的关注。其中，通过在换热表面增设微柱，可以有效提高沸腾换热面积、分离气液路径提升补液能力，提高换热表面的临界热流密度；通过在换热表面增设微孔，可以提高表面的汽化核心数量降低表面的过热度，强化表面的沸腾换热系数。然而，单一因素对沸腾换热性能的强化通常存在不可避免的缺陷，因此需要将不同的强化因素进行复合实现对沸腾换热性能的综合强化。
[0004]微柱和微孔结构可分别提高换热表面的补液能力与汽化核心密度，将二者进行复合可以分别利用各自的优势综合提高换热表面的沸腾换热性能。然而，微孔在提高表面成核密度的同时会造成大量气泡相互融合堵塞槽道，从而恶化了微柱表面的补液能力，降低表面的临界热流密度和沸腾换热系数。因此，如何改善微柱微孔复合微结构表面的气液行为，实现对微柱表面汽化核心密度和补液能力的协同强化成为提升微结构表面沸腾换热性能的关键。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供了一种利用微管与微孔协同强化沸腾换热的复合微结构表面，在提高表面成核密度的同时强化了表面液体补给能力，从而提高了表面的沸腾换热系数和临界热流密度。
[0006]本专利技术通过以下技术方案来实现：
[0007]一种利用微管与微孔协同强化沸腾换热的复合微结构表面，包括微柱基体和呈阵列分布在微柱基体上的若干个微柱单元，各相邻微柱单元间的间隙构成复合微结构表面的补液通道；
[0008]所述微柱单元由呈阵列分布的多个微柱构成，各相邻微柱间的间隙为槽道，各槽道宽度相同；所述微柱为棱柱结构，微柱各侧壁面为倾斜面，微柱各侧壁面与竖直面的夹角C均相同；在每个微柱的各侧壁面上对称开设有延伸至微柱顶面并贯穿顶面的微管，每个微柱各侧壁面上的微管等间距分布，在每个微柱的顶部对称开设有若干微孔。
[0009]进一步，所述微管分布在各微柱的上半部分并延伸贯穿微柱顶面，微管的长度为微柱高度的二分之一。
[0010]进一步，所述微柱的侧壁面与竖直面的夹角C为0.8度～1.2度。
[0011]进一步，所述微柱为方柱，方柱的宽度为60～80μm，方柱的高度为100～140μm。
[0012]进一步，所述微柱单元内部槽道的宽度为10～40μm。
[0013]进一步，所述补液通道的宽度为100～400μm，且补液通道的宽度与一侧微柱单元的宽度之和为1000μm。
[0014]进一步，所述微孔的孔径为3～5μm，微孔的深度为16～28μm，微孔中心到微柱顶面棱边的间距为微柱顶面宽度的四分之一。
[0015]进一步，所述微管的管径为3～5μm。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0017]本专利技术利用微管与微孔协同强化沸腾换热的复合微结构表面，首先通过在微柱顶面增设微孔有效提高了微结构表面的汽化核心数量，降低了表面的过热度，从而提高了表面的沸腾换热系数；其次，在微柱的各侧壁面上对称开设有延伸至微柱顶面并贯穿顶面的微管，通过利用微柱、微孔及微管在调节沸腾过程气液行为的相互作用，建立了从补液通道向微柱单元槽道以及微管补液的多方位补液系统，从而增强了表面的补液能力，提高了表面的临界热流密度，延缓了沸腾危机的发生，获得对微结构表面沸腾换热性能的协同强化。
[0018]另外，在微柱基体呈阵列分布的微柱单元可以有效调节表面气泡的生长过程，微柱单元间的补液通道可以避免气泡在横向方向上的过度融合，延缓气泡在微结构表面形成气膜而发生膜态沸腾。
[0019]进一步，微管的长度为微柱高度的二分之一，在沸腾换热过程中微管的毛细芯吸作用可以增强槽道的补液能力，从而避免了成核气泡对槽道的完全堵塞，有效保证了核态沸腾过程的稳定运行；且在微柱上增设的微孔和微管结构增大了表面的沸腾换热面积，也有利于对微结构表面沸腾换热性能的强化。
[0020]此外，本专利技术利用微管与微孔协同强化沸腾换热的复合微结构表面以有机材料硅为基体，采用深硅刻蚀的方法一次加工成型。在加工的过程中，该复合微结构表面的结构特征通过对掩膜版的设计实现，加工工艺简单，成本低廉，可以实现对该复合微结构表面的大批量生产，具有较高的经济效益。
附图说明
[0021]图1是本专利技术利用微管与微孔协同强化沸腾换热的复合微结构表面的三维示意图；
[0022]图2是本专利技术微柱单元局部结构三维示意图；
[0023]图3是本专利技术微柱侧壁面与竖直面夹角C的示意图；
[0024]图4是本专利技术微柱的俯视图；
[0025]图5是本专利技术实施例1利用微管与微孔协同强化沸腾换热的复合微结构表面扫描电子显微镜斜视图；
[0026]图6是本专利技术实例1与相同结构尺寸传统微柱表面和柱孔复合表面沸腾曲线的对比图；
[0027]其中：1
‑
微柱基体；2
‑
微柱单元；3
‑
补液通道；4
‑
微柱；5
‑
微孔；6
‑
微管；7
‑
槽道。
具体实施方式
[0028]下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。
[0029]本专利技术提供了一种利用微管与微孔协同强化沸腾换热的复合微结构表面，参见图1至图4，包括微柱基体1、微柱单元2、补液通道3、微柱4、微孔5、微管6和槽道7：在微柱基体1上微柱单元2呈阵列分布，相邻微柱单元2间的间隙构成复合微结构表面的补液通道3，为复合微结构表面沸腾换热过程中的宏观补液路径；微柱单元2由阵列分布的微柱4构成，相邻微柱4间的间隙为复合微结构表面的槽道7，在沸腾换热过程中为微柱单元2提供补液；其中，宏观补液路径补液通道3的宽度范围为100～400μm，槽道7的宽度范围为10～40μm，微柱单元2的宽度和一侧补液通道3的宽度之和为1000μm。
[0030]如图3所示，微柱4为棱柱结构，微柱4各侧壁面为倾斜面，微柱4各侧壁面与竖直面的夹角C均相同，在各微柱4的侧壁面开设有向上延伸贯穿微柱4顶面的微管6，在沸腾换热过程中微管6可以增强槽道7的补液能力；在微柱4的顶面上各微管6呈对称分布，相邻微管6间的间距相同；其中，微柱4为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用微管与微孔协同强化沸腾换热的复合微结构表面，其特征在于：包括微柱基体(1)和呈阵列分布在微柱基体(1)上的若干个微柱单元(2)，各相邻微柱单元(2)间的间隙构成复合微结构表面的补液通道(3)；所述微柱单元(2)由呈阵列分布的多个微柱(4)构成，各相邻微柱(4)间的间隙为槽道(7)，各槽道(7)宽度相同；所述微柱(4)为棱柱结构，微柱(4)各侧壁面为倾斜面，微柱(4)各侧壁面与竖直面的夹角C均相同；在每个微柱(4)的各侧壁面上对称开设有延伸至微柱(4)顶面并贯穿顶面的微管(6)，每个微柱(4)各侧壁面上的微管(6)等间距分布，在每个微柱(4)的顶部对称开设有若干微孔(5)。2.如权利要求1所述的利用微管与微孔协同强化沸腾换热的复合微结构表面，其特征在于：所述微管(6)分布在各微柱(4)的上半部分并延伸贯穿微柱(4)顶面，微管(6)的长度为微柱(4)高度的二分之一。3.如权利要求2所述的利用微管与微孔协同强化沸腾换热的复合微结构表面，其特征在于：所述微柱(4)的侧壁面与竖直面的夹角C为0.8度～1.2度。4.如权利要求1
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3任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李庆，孙雪振，刘斌，杨曦，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：