專利名稱：具有增大的熱交換系數(shù)的熱交換裝置和用于生產(chǎn)該裝置的方法
具有增大的熱交換系數(shù)的熱交換裝置和用于生產(chǎn)該裝置的
方法技術(shù)領(lǐng)域和
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及生產(chǎn)提供增大的熱交換系數(shù)的表面的方法。這些表面可用于熱交換器中。電子元件，尤其是功率元件的微型化，提出了裝置的集成的問題以散發(fā)由這些元件發(fā)出的熱量。在微電子器件和功率電子器件領(lǐng)域中，必須散發(fā)的熱流繼續(xù)增加，并需要越來越大地減少熱阻。要散發(fā)的熱流的平均值通常大約為150-200W/cm2，但也可達(dá)到1000W/ cm2。在這些熱流密度的水平下，已知為“無源”方法的冷卻方法，諸如具有鰭的散熱器或單相液體系統(tǒng)，快速到達(dá)其能夠提取(extract)的最大功率。因此已經(jīng)設(shè)計出其他的解決方案，諸如液體/蒸汽雙相傳熱器。使用這些傳熱器的技術(shù)為熱管、溫差環(huán)流裝置、毛細(xì)回路或雙相泵回路。要冷卻的元件位于冷卻裝置的冷區(qū)，冷卻裝置即蒸發(fā)器。熱管使得散熱器的熱導(dǎo)率能夠增加，熱管允許將從指定區(qū)域提取的熱功率傳遞到更容易進(jìn)入或具有更好的散熱交換的次級區(qū)域。熱管為封閉系統(tǒng)，其中設(shè)置有與蒸汽平衡的液體流體。熱管包括在電子元件的側(cè)邊上形成蒸發(fā)器的區(qū)域，在該區(qū)域中吸收了將通過形成蒸汽而散發(fā)的熱。在蒸汽器中形成的蒸汽移動通過熱管的芯部，遠(yuǎn)到冷凝區(qū)域，在該區(qū)域中通過蒸汽的液化來釋放所吸收的熱量，并由此散發(fā)該熱量。在毛細(xì)力的作用下，冷凝物返回蒸發(fā)區(qū)域?？蓪峁芗尤腚娮釉蚣稍谠?；在微電子芯片的情況下，這包括將通道網(wǎng)絡(luò)直接安裝在硅基底上，因此減小熱阻。另一解決方案是使用馬達(dá)系統(tǒng)、冷凝器和蒸發(fā)器的雙相泵回路的系統(tǒng)。因此，所有這些解決方案使用與元件相接觸的熱交換表面，該表面或者被加入要冷卻的元件上，或者形成在要冷卻的元件的基底中，其中，該表面旨在提取元件內(nèi)產(chǎn)生的熱量。如上所述，由液體的蒸發(fā)通過相位變化進(jìn)行該提取。優(yōu)選地通過小溫差進(jìn)行所期望的冷卻。然后，存在用于增加所傳遞的熱流密度的兩種可能性或者增大熱交換區(qū)域，或者增大熱交換系數(shù)。由于與不斷尋求微型化和生產(chǎn)成本有關(guān)的阻礙問題，越來越注重增大熱交換系數(shù)。通過促進(jìn)蒸汽泡的成核和出現(xiàn)大量蒸汽泡造成散熱來增大熱交換系數(shù)。優(yōu)選地通過表面的輕微過熱探求成核，以避免損壞要冷卻的元件。通過具有低潤濕性的表面有利于蒸汽泡的形成。相反，通過具有良好潤濕性的表面來有利于蒸汽泡的分離。因此在相同的表面尋求協(xié)調(diào)良好潤濕性和低潤濕性的性能。有利的解決方案是通過在位于表面與液體之間的腔內(nèi)捕獲氣體來產(chǎn)生成成核位置(nucleation site)。這些氣體單元有助于出現(xiàn)蒸汽核，該蒸汽核隨著增長轉(zhuǎn)化成蒸汽泡。文獻(xiàn)"Designing Superoleophobic Surfaces，，，Anish Tuteja 等，Science318，2/8頁
1618，2007，第1619到1622頁，描述了在表面內(nèi)形成腔，稱為凹腔，這些腔互相連接。文獻(xiàn) Nucleate Pool Boiling on Structured Enhanced Tubes having Pores with Connecting Gaps，，，Nae-Hyun Kim, Kuk-Kwang Cjoi, Int. J. Heat and Mass Transfer, Second Edition, Taylor&Francis, 2005 也描述了互相連接的凹腔。由于腔互相連接，存在腔要裝滿水的重大風(fēng)險。在這種情況下，腔被淹沒，阻礙了蒸汽核的出現(xiàn)。因此，本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供熱交換系數(shù)提高的熱交換表面。本發(fā)明的另一目的是提供制造這種熱交換表面的方法。

發(fā)明內(nèi)容
通過這樣的熱交換裝置實現(xiàn)前述的目標(biāo)，該熱交換裝置包括旨在與待散熱的熱源相接觸的第一表面和旨在與液體相接觸的第二表面，其中所述裝置包括在第一表面與第二表面之間完全(all the way)穿過該裝置的彼此分離的多個腔，這些腔通過至少一個導(dǎo)管通向第二表面中。每個導(dǎo)管的尺寸在縱向和橫向尺寸方面形成為使得每個導(dǎo)管形成對液體的屏障，彎月面設(shè)置在導(dǎo)管內(nèi)；因此防止液體滲入腔內(nèi)。此外，與液體接觸的表面具有親水性，并且導(dǎo)管和腔的內(nèi)表面的親水性特性比與液體接觸的表面的親水性特性差。因此，腔不被淹沒并且被捕入腔內(nèi)的氣體允許形成蒸汽核。此外，形成隔離的腔， 即在腔之間所存在的比氣體更好地傳導(dǎo)熱的固體物質(zhì)防止了出現(xiàn)連續(xù)蒸汽層，該連續(xù)蒸汽層將用作熱屏障，從而使得該結(jié)構(gòu)被加熱。換言之，該熱交換表面為分層的，其包括靠近熱源的第一層，第一層具有腔，所述腔中捕入有蒸汽；以及與冷卻液體接觸的第二層，第二層由將腔連接到外部的導(dǎo)管穿過； 蒸汽核出現(xiàn)、生長并離開腔，以在表面處形成蒸汽泡，由于親水表面，該蒸汽泡依次生長并從該表面分離。導(dǎo)管可具有錐形幾何形狀，其中其較小的直徑與腔相交，或者導(dǎo)管可具有管式幾何形狀，直徑小于腔的直徑，以形成限制。因此，本發(fā)明的主要主題是熱交換裝置，包括旨在與待散熱的熱源相接觸的第一表面和旨在與冷卻液體相接觸的第二表面，其中所述裝置包括在第一表面和第二表面之間穿過其厚度的具有平均半徑的多個腔，其中-所述腔在流體方面通過壁而彼此隔離，其中每個腔通過至少一個導(dǎo)管而通向在第二表面內(nèi)，其中每個導(dǎo)管的長度大于導(dǎo)管的平均半徑，其中在與腔連接的區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)管的橫向尺寸被選擇為使得該導(dǎo)管在腔和導(dǎo)管之間形成限制，并且其中第二表面通過有導(dǎo)管所形成的孔，并且其中，-所述第二表面相對于冷卻液體具有良好的潤濕性性能，使得液體的接觸角小于 90度，并且液體與導(dǎo)管和腔的內(nèi)表面之間的接觸角大于或等于液體與第二表面之間的接觸角。有利地，導(dǎo)管的最大直徑在0. ID1和D1之間，并且限定導(dǎo)管10的數(shù)量使得η > 0. Sx(D1A)2)2。在一具體的方式中，選擇Vt。tal ducts > (P/Patffl)x V。avity，其中-Vtotal ducts是通入腔內(nèi)的每個導(dǎo)管的體積總和形成的體積，
-Veavity是腔的體積，-其中P是冷卻液體的絕對壓力，-Patm是大氣壓力。例如，隔離腔的壁的最小厚度為腔的平均直徑的0. 1倍到0. 2倍之間，并且形成于第二表面內(nèi)的孔被隔開與孔的直徑相比的小距離。在一特別有利的方式中，導(dǎo)管為錐形，其較小的底部位于與腔連接的區(qū)域內(nèi)。例如，熱交換裝置包括矩陣以及沉積在第二表面上的層，在該矩陣中形成有腔和導(dǎo)管，其中所述矩陣相對于液體具有低潤濕性，并且所述層相對于液體具有良好的潤濕性?？砂惭b成使得熱交換裝置包括具有由通向第二表面內(nèi)的導(dǎo)管形成的孔的區(qū)域 (稱為結(jié)構(gòu)區(qū)域)、以及沒有孔的區(qū)域(稱為非結(jié)構(gòu)區(qū)域)。例如，結(jié)構(gòu)區(qū)域具有測量值在 10 μ m到50 μ m之間的側(cè)部，其中所述區(qū)域彼此隔開50 μ m到500 μ m的距離。本發(fā)明的另一主題是用于生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的熱交換裝置的方法，其中通過以下方法獲得腔將離散部件沉積在基底上，將這些離散部件埋入形成熱交換裝置的矩陣的材料層內(nèi)，以便形成導(dǎo)管的矩陣直至到達(dá)離散部件，并去除所述離散部件。該方法可包括下列步驟a)在基底上沉積阻擋層，b)沉積平均直徑較大的離散部件的層，旨在界定這些腔，c)在平均直徑較大的離散部件上及其之間沉積層，其中所述層旨在形成裝置的矩陣，d)在形成矩陣的層上沉積平均直徑較小的離散部件，e)在平均直徑較小的離散部件30上及其之間沉積連續(xù)層，f)去除平均直徑較小的離散部件以在暴露形成矩陣的層的區(qū)域內(nèi)露出孔，g)在形成矩陣的層中在孔區(qū)域內(nèi)形成導(dǎo)管，直到達(dá)到平均直徑較大的離散部件，h)去除平均直徑較大的離散部件。離散部件例如由二氧化硅或聚合物(例如聚苯乙烯)制成，并且通過用化學(xué)侵蝕溶解離散部件來去除離散部件。平均直徑較小的離散部件所具有的平均直徑例如小于或等于直徑較大的離散部件的平均直徑。用于制造根據(jù)本發(fā)明的熱交換裝置的方法可包括在步驟C)沉積前減小平均直徑較大的離散部件的尺寸的步驟和/或在步驟e)前減小平均直徑較小的離散部件的尺寸的步驟，例如通過干蝕刻。在步驟e)中沉積的層相對于冷卻液體有利地具有良好的潤濕性，例如為二氧化娃。形成矩陣的材料為氫化非晶碳。用于制造根據(jù)本發(fā)明的熱交換裝置的方法在步驟b)之前可包括沉積形成矩陣的材料的初級層的步驟。用于制造根據(jù)本發(fā)明的熱交換裝置的方法，在去除直徑較小的離散部件的步驟f) 之前也可包括將掩模安裝在疊層上的步驟，以允許僅僅在未覆蓋掩模的區(qū)域內(nèi)去除平均直徑較小的離散部件。


使用下面的描述和附圖更好地理解本發(fā)明，其中圖IA為根據(jù)本發(fā)明的熱交換裝置的一部分的示例性實施例的縱向立體剖視圖；圖IB為圖IA的詳圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的熱交換裝置的一部分的另一示例性實施例的縱向立體剖視圖；圖3A到圖3C為根據(jù)本發(fā)明的熱交換裝置操作的示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的裝置的部分結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖5A到圖51為根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)熱交換裝置的不同步驟的示意圖；圖6為圖5C中所示的步驟的變型的示意圖；圖7A和圖7B為根據(jù)本發(fā)明的具有結(jié)構(gòu)區(qū)域和非結(jié)構(gòu)區(qū)域的熱交換裝置的剖視和俯視圖示意圖。
具體實施例方式圖1A、1B和2是剖視圖；然而，未繪出剖面線。在圖IA和IB中，可見根據(jù)本發(fā)明的熱交換裝置D的第一示例性實施例。通常稱為熱交換表面的這種裝置采用板2的形式，該板可為平板或者可具有適用于要冷卻的區(qū)域的輪廓。為了描述，我們在本說明書僅討論平板，但是很好理解的是所有形狀的板均落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。板2包括旨在與待散熱的熱源接觸的第一表面4和旨在與液體接觸的第二表面6， 液體的沸騰能夠使得熱量散發(fā)。第一表面4和第二 6表面隔開距離e，形成板的厚度e。根據(jù)本發(fā)明，板2包括位于第一表面4的側(cè)邊上且鄰近熱源的腔8，并因此位于遠(yuǎn)離第二表面6的一定距離處，其中每個腔8通過至少一個導(dǎo)管10連接到第二表面6。導(dǎo)管 10形成屏障，防止液體進(jìn)入腔內(nèi)。選擇腔8的尺寸，使得其大于或等于蒸汽核的臨界尺寸，以幫助其生長。導(dǎo)管具有將表面6與腔8隔開的縱向尺寸或長度，用H表示。導(dǎo)管10從直徑D2的開口 11露于表面6中。選擇長度H，使得孔11的兩個沿直徑相對的端部之間的液體要移動的距離大于長度H，以便與縱向潤濕相比有利于導(dǎo)管的橫向潤濕，這就降低了淹沒腔8的風(fēng)險，長度H因此
大于直徑D2。試圖完全避免淹沒腔，然而，可接受的是淹沒一部分腔，剩下足以形成蒸汽核的自由體積(空間，volume)。有利地，導(dǎo)管和腔的尺寸設(shè)計為使得導(dǎo)管10形成用于防止液體進(jìn)入腔的屏障，并且對于液體的給定絕對壓力P防止液體進(jìn)入腔。在這種情況下，選擇出現(xiàn)在腔內(nèi)的導(dǎo)管的總體積，使得該總體積大于根據(jù)下面表達(dá)式的腔的體積，用于防止腔的甚至部分的淹沒Vtotal
ducts〉(P/Patm) X Vcavity0
其中，Vt。tal ducts是由通入腔8內(nèi)的每根導(dǎo)管10的體積總和形成的體積，其中Vcavity是腔8的體積，其中P是液體的絕對壓力，并且其中Patm是大氣壓力。其具有能夠使得要生產(chǎn)的腔更小的優(yōu)點，這些腔的體積約等于蒸汽核的臨界尺寸。在圖IA和IB所示的實例中，大約四個導(dǎo)管將每個腔連接到第二表面6。事實上， 不必用每個導(dǎo)管的整個剖面相交于該腔。仍然根據(jù)本發(fā)明，每個腔8與其他腔8物理地隔離，即，這些腔之間沒有流體連通。 通過壁13將具有導(dǎo)管10的腔彼此分離，所述壁具有在腔8之間具有厚度L1并在孔11之間具有厚度l2。腔8旨在填充有蒸汽；具有導(dǎo)管的每個腔因此形成蒸汽單元。每個蒸汽單元之間的壁13的存在能夠防止蒸汽層的出現(xiàn)，蒸汽層將阻止發(fā)生散熱。這些壁允許通過傳導(dǎo)而連續(xù)散熱。此外，每個導(dǎo)管10和相關(guān)聯(lián)的腔8之間的連接區(qū)域12采取瓶頸的形式，為此，導(dǎo)管與腔的壁相交的部分的直徑小于腔的直徑。此外，表面6相對于冷卻液體具有良好潤濕性的性能，即接觸角α小于90度。在水的情況下，將表面稱為具有親水性。腔8的內(nèi)表面和導(dǎo)管10的內(nèi)表面的潤濕性性能至多與表面6的潤濕性性能相同，即腔和導(dǎo)管的內(nèi)表面上的潤濕角大于或等于α。因此，能夠使用親水材料來制造該裝置，其中表面6以及腔和導(dǎo)管的內(nèi)表面進(jìn)而具有相同的潤濕性。在可替換地并且尤其有利的方式中，可以使用疏水材料制造該裝置，并且可以包括在用于表面6的表面處進(jìn)行親水處理，其中表面6具有良好的潤濕性，而腔和導(dǎo)管的內(nèi)表面具有較小的疏水性，因此也具有較小的潤濕性。在后者的情況下，尤其有利于泡的成核和分離。在所表示的實例中，導(dǎo)管10為錐形，其較大的底部10. 1形成孔11，較小的底部 10. 2連接到腔。然而具有恒定直徑的管狀導(dǎo)管不超出本發(fā)明的范圍。此外，顯示球形腔，然而，本發(fā)明應(yīng)用于任何形狀的腔。所表示的直徑為平均直徑。腔8和導(dǎo)管10之間存在的該限制、以及相關(guān)聯(lián)的體積比(Vt。tal ducts/Vcavity)能夠防止冷卻液體滲入腔8內(nèi)。表面6與導(dǎo)管10之間的潤濕性差異、連同由于液體與蒸汽之間的壓力差產(chǎn)生的力，二者均有利地阻止液體進(jìn)入腔。腔8的平均直徑表示為D1，孔11的直徑表示為D2。在圖IA禾口 IB的實例中，D2等于0. SD1。在圖2中，可見根據(jù)本發(fā)明的熱交換裝置的另一示例性實施例，其中與圖中的裝置相比，將腔8連接到第二表面6的導(dǎo)管10的直徑明顯更小，導(dǎo)管的數(shù)量明顯更多。在該實例中，D2大概等于0. ID10有利地，D2介于0. ID1和D1之間，L2為非零，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于D2,并且優(yōu)選地小于 0.25 ，且長度H大于D2。如果& = D1，那么導(dǎo)管10優(yōu)選地為錐形，以有效地界定瓶頸。表面6的孔的比率也試圖優(yōu)選地大于50%，即孔11的面積與表面6的整個面積之間的比大于0. 5，該孔比率直接與導(dǎo)管10的數(shù)量有關(guān)。有利地選擇數(shù)量η使得η > 0. Sx(D1At2)2O作為實例，D1可在0. 5μπι和5μπι之間；因此D2可在0. 1口111禾口5口111之間，L2可在0. Ιμ 和Ιμ 之間，1^在0. Ιμ 和0. 5 μ m之間，以及H在0. 2 μ m禾口 30 μ m之間并且
大于D2。根據(jù)本發(fā)明的腔可形成在熱交換裝置的整個表面上。因此整個表面6包括孔11。 進(jìn)而該結(jié)構(gòu)可多達(dá)幾個cm2。還可決定的是腔僅僅形成在局部區(qū)域內(nèi)，例如眾所周知在這些局部區(qū)域要提取的熱量更大。優(yōu)選地，可形成結(jié)構(gòu)區(qū)域16，這些區(qū)域約等于非結(jié)構(gòu)區(qū)域18所包圍的蒸汽泡的大小，即，小于約1mm，使得由所有腔形成的每個結(jié)構(gòu)區(qū)域16 —次生成一個泡。非結(jié)構(gòu)區(qū)域18 具有良好的潤濕性；因此有利于釋放泡。相反，所生成的泡數(shù)量較少。在圖4中示出了這種表面的實例。兩個結(jié)構(gòu)區(qū)域16之間的距離Cl1例如在50 μ m和500 μ m之間，并且正方形結(jié)構(gòu)區(qū)域16的寬度d2例如在10 μ m禾口 50 μ m之間。如果整個表面被構(gòu)造，那么結(jié)構(gòu)泡的數(shù)量非常大；相反，較不容易分離這些泡。應(yīng)注意的是，在所有情況下，通入表面6中的導(dǎo)管10的孔通常由無孔區(qū)域包圍，這就確保了液體的存在有利于泡釋放、以及表面的重新潤濕、防止損害臨界沸騰流動。該區(qū)域的大小根據(jù)實施例可變化。現(xiàn)在我們通過圖3A到3C解釋根據(jù)本發(fā)明的裝置的操作。在圖3A到3C中，可見根據(jù)本發(fā)明的熱交換裝置D，該裝置的第一表面4與要冷卻的元件14相接觸，第二表面6與液體L(例如水)相接觸。如圖IA和IB或圖2所示，裝置D包括結(jié)構(gòu)區(qū)域16和非結(jié)構(gòu)區(qū)域18，即沒有腔的區(qū)域。熱量通過傳導(dǎo)橫穿板2，部分汽化與表面6相接觸的液體，并且蒸汽被捕入腔8中。 由于導(dǎo)管的配置，液體不滲入腔，并且彎月面(meniscus)位于導(dǎo)管10內(nèi)部。蒸汽核出現(xiàn)在腔內(nèi)，腔內(nèi)壓力增加，腔的尺寸大于臨界成核尺寸，并且核在導(dǎo)管10內(nèi)生長并上升直至表面6。核在表面處重組，以形成繼續(xù)生長的泡20。然后泡20覆蓋整個結(jié)構(gòu)區(qū)域，如圖3A中所示。如圖;3B中所示，汽化與蒸汽泡相接觸的液體，這使得泡生長，該泡通過生長延伸越過非潤濕的結(jié)構(gòu)區(qū)域16，并與非結(jié)構(gòu)區(qū)域18相接觸，相反，非結(jié)構(gòu)區(qū)域是高度潤濕的。相對于液體，非結(jié)構(gòu)區(qū)域18的高度潤濕性使得蒸汽泡與第二表面6之間的接觸角減小，并使得液體朝著泡的軸線加速前行，并且該作用會造成蒸汽泡分離。因此，由于本發(fā)明，激活成核所需的能量大量減少，并進(jìn)而有利于蒸汽泡的生成。 通過導(dǎo)管周圍存在的潤濕區(qū)域，也有利于泡分離。可設(shè)想一裝置，其中該裝置安裝成使得通過一個或多個導(dǎo)管10連接到表面6的每個腔8僅僅生成一個蒸汽泡。然而，有利的是使用多個腔生成一個泡。事實上，風(fēng)險在于腔填充有液體，并且因此不包含任何氣體。在這種情況下，非常難以成核。因此該腔不生成泡或者生成很少的泡。所述填充可由于制造腔后腔的缺陷造成。相反，如果裝置安裝成使得多個腔生成一個泡，在所有情況下能夠肯定的是，即使其中一個腔有缺陷，那么其他的腔也會形成功能性成核位置?，F(xiàn)在將描述制造這種腔的方法的實例。在圖5A到51中，可見根據(jù)本發(fā)明制造根據(jù)本發(fā)明的熱交換裝置的方法的不同步
馬聚ο在第一步驟中(圖5A)，選擇基底22，在該基底上制造腔。該基底可由金屬制成， 例如鋁、銅或合金，或者由硅制成。該基底22形成熱量必須從其中散發(fā)的部件。在圖5B所示的隨后的步驟中，將阻擋層M沉積在基底22的一個表面上。該層M 旨在為層提供粘性，將在該層中制造腔，該層可為氫化非晶碳(或者DLC:類金剛石)形式的碳層。正如我們稍后看到的一樣，選擇構(gòu)建層M的材料，以抵抗隨后的化學(xué)侵蝕，使得其蝕刻速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于旨在界定腔的球體的蝕刻速度。這能夠防止DLC層起泡。阻擋層M例如由碳化硅(Sic)或者鎳鉻合金(NiCr)制成，以汽相通過化學(xué)沉積而沉積，或者以汽相通過物理沉積而沉積。阻擋層的厚度在IOOnm到500nm之間。在圖5C所示的隨后的步驟中，球體沈的層沉積在形成球體層的層M上。這些球體例如通過朗繆爾-布洛奇特(Langmuir-Blodgett)類型的方法沉積。通過朗繆爾-布洛奇特(Langmuir-Blodgett)類型的方法獲得的沉積為緊湊沉積，即，每個球體在平面內(nèi)與六個其他的球體相接觸，形成六方形圖案。下一步驟是通過RIE (反應(yīng)離子蝕刻)類型的干蝕刻減小球體的大小而降低球體層的緊湊性，因此這些球體不再相接觸，這就允許形成不相互連接的腔。如果球體沈的沉積允許非緊湊堆疊，例如通過“淺溝道隔離”型技術(shù)，或者通過使用聚合物或共聚物微膠囊，那么沒必要進(jìn)行這個降低緊湊性的步驟。球體由例如二氧化硅或由聚合物(例如聚苯乙烯)制成，并且球體的直徑在 0. 5 μ m和5 μ m之間。在所示的實例中，這些為球體，但是任何形狀的離散部件的使用均不超出本發(fā)明的范圍。在圖5D所示的隨后的步驟中，將形成板(腔8和導(dǎo)管10要形成在該板內(nèi))的層 28沉積在球體沈上以及球體之間，以均勻地覆蓋這些球體并在球體之間形成壁13，這些球體被去除之后將被腔8代替。首先，選擇層觀的材料，使得能夠通過等離子蝕刻法蝕刻該層，然后當(dāng)已經(jīng)去除球體沈時，使得該層足夠硬以保持整個完整性，即，使得層觀本身不由于球體沈的去除所造成的多孔性而坍塌。優(yōu)選地選擇層觀的材料，以提供相對于冷卻液體的低潤濕性，即，在水的情況下， 使該層具有疏水性，以有利于出現(xiàn)蒸汽泡。例如，層28為DLC型，以汽相通過化學(xué)沉積而沉積，或者以汽相通過物理沉積而沉積。DLC為親水性的；然而其優(yōu)點在于相對于二氧化硅具有良好的化學(xué)選擇性，如稍后所示，使得其能夠阻止二氧化硅泡被氫氟酸溶解。層觀的厚度例如可使得可形成如前所限定的高度為H的導(dǎo)管，其中H大于D2。層 28不必具有恒定厚度；而且，如圖5D中可見，波紋狀輪廓能夠增大熱交換面積。在聚合物球體的情況下，在沉積層沈之前，有利地球體沈上沉積由SiC制成的并且厚度小于IOOnm的附加硬掩模，以便在通過層觀的蝕刻形成導(dǎo)管10時防止球體消失。在圖5E所示的隨后的步驟中，在層觀上完成另一球體30的沉積；這些球體的直徑小于或等于球體26的直徑。以類似于沉積球體沈的方式完成該沉積。如果該沉積緊湊，那么進(jìn)行降低緊湊性的步驟。
在圖5F所示的隨后的步驟中，將連續(xù)層32沉積在球體30的層上以及位于球體之間的層觀的區(qū)域上。該層相對于球體直徑非常薄，以便能夠去除這些球體，例如在隨后的步驟中進(jìn)行的超聲浴中去除。選擇層32，從而與層觀的材料(給定實例中的DLC)相比，其通過將用于蝕刻層 28的蝕刻方法而具有實質(zhì)的選擇性。在目前情況下，此為氧氣等離子蝕刻。優(yōu)選地選擇該層，以提供相對于冷卻液體的良好潤濕性。因此沒必要去除該層，因為該層最終要與冷卻液體相接觸。然而，可包含層32，該層在形成導(dǎo)管10后將被去除。例如，層32由二氧化硅制成，以汽相通過化學(xué)沉積而沉積，或者以汽相通過物理沉積而沉積。在圖5G所示的隨后的步驟中，去除球體30，并且通過將超聲施加于去離子水浴中獲得該去除。然后獲得層32，在球體32的位置中用孔34穿過該層，并且這些孔34通向?qū)?28。在圖5H所示的隨后的步驟中，形成導(dǎo)管10。要做到這一點，通過等離子用干蝕刻在孔34區(qū)域內(nèi)蝕刻層觀，直到球體26。如果層28由DLC制成，并且球體沈由二氧化硅制成，那么可選擇氧氣等離子，這形成足夠的選擇性來蝕刻層觀，而不蝕刻二氧化硅球體26。 如果層觀制成，并且球體沈由聚合物制成，那么選擇氟化等離子來打開層觀，并且用氧氣等離子來繼續(xù)該工序。一些導(dǎo)管10通向球體沈上，而其他導(dǎo)管未通向球體。然后獲得將表面6連接到球體沈的導(dǎo)管10。如果層32較薄，那么有利地將導(dǎo)管制成具有錐形，由導(dǎo)管10形成的結(jié)構(gòu)能夠獲得更大的堅韌性。在圖5H’中可見該步驟中獲得的物體的俯視圖，其中由導(dǎo)管10延伸每個孔34。在某些導(dǎo)管10的底部，可見球體26。在隨后的步驟中，去除球體26，通過在浴中溶解獲得該去除。在二氧化硅球體的情況下，此為基于氫氟酸的浴，并且在聚苯乙烯球體的情況下，其為鹽酸浴。在圖51中可見最終獲得的物體。僅僅通過導(dǎo)管10的形成而暴露的球體被溶解，而其他的球體保持不可接近。為了保護(hù)阻擋層，如圖6中可見，可安裝成在球體層之前沉積0冗層觀’；然后球體不與阻擋層相接觸。如上所述，可希望定位結(jié)構(gòu)區(qū)域16。在圖7A中，可見這種結(jié)構(gòu)的實例。結(jié)構(gòu)區(qū)域 16通過非結(jié)構(gòu)區(qū)域18隔開。通過在不希望構(gòu)造的區(qū)域上將掩模放置在層32上，可獲得該定位。通過準(zhǔn)分子型激光器選擇性地并同時地去除未被掩模覆蓋的球體30。這種類型的激光器具有幾個微米級的分辨率，這使得測量值為至少幾十微米的結(jié)構(gòu)區(qū)域能夠被定位。形成導(dǎo)管10和腔8的步驟類似于上述的步驟。兩個區(qū)域Cl1之間的距離在50 μ m到500 μ m之間，并且結(jié)構(gòu)區(qū)域的寬度d2在10 μ m 禾口 50 μ m之間。在圖7B中，可見圖7A的結(jié)構(gòu)的俯視圖。用虛線表示腔8的輪廓，以及所掩埋的球體30的輪廓。根據(jù)本發(fā)明的裝置可應(yīng)用于雙相換熱器、雙相溫差環(huán)流系統(tǒng)、熱管，并且更普遍地，可用于包括相位變化的換熱器。
權(quán)利要求
1.一種熱交換裝置，其包括旨在與待散熱的熱源相接觸的第一表面(4)和旨在與冷卻液體相接觸的第二表面(6)，其中所述裝置包括在第一表面(4)和第二表面(6)之間完全通過該裝置的具有平均半徑(Dl)的多個腔(8)，其中-所述腔(8)在流體方面通過壁(1 而彼此隔離，其中每個腔(8)通過至少一個導(dǎo)管(10)通向在所述第二表面(6)中，其中每個導(dǎo)管(10)的長度(H)大于所述導(dǎo)管的平均半徑 (D2)，其中在與所述腔( 連接的區(qū)域內(nèi)，所述導(dǎo)管的橫向尺寸被選擇為使得所述導(dǎo)管在所述腔(8)與所述導(dǎo)管(10)之間形成限制，并且其中所述第二表面(6)通過有由導(dǎo)管(10) 所形成的孔(11)，并且其中，-所述第二表面(6)相對于冷卻液體具有良好潤濕性的性能，使得液體的接觸角小于 90度，并且液體與所述導(dǎo)管(10)和所述腔(8)的內(nèi)表面之間的接觸角大于或等于所述液體與所述第二表面(6)之間的接觸角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換裝置，其中所述導(dǎo)管(10)的最大直徑(D2)在0.ID1和 0工之間，并且導(dǎo)管(10)的數(shù)量(η)被限定為使得η X^x(D1ZD2)2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱交換裝置，其中Vtotal ducts〉(P/Patm) X ^cavity'-其中，\_1(11^是通入腔⑶內(nèi)的每個導(dǎo)管(10)的體積總和形成的體積， -其中，V。avity是腔⑶的體積， -其中P是冷卻液體的絕對壓力， -并且其中Patm是大氣壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中的一項所述的裝置，其中隔離腔(8)的所述壁(13)的最小厚度為所述腔的平均直徑(Dl)的0. 1倍和0.2倍之間，并且形成于所述第二表面(6)內(nèi)的孔(11)被隔開與孔(11)的直徑相比的小距離(L2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中的一項所述的熱交換裝置，其中所述導(dǎo)管(10)為錐形，所述錐形中的較小底部位于與所述腔(8)連接的區(qū)域內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的一項所述的熱交換裝置，包括矩陣以及沉積在所述第二表面(6)上的層(32)，在所述矩陣中形成有所述腔(8)和所述導(dǎo)管(10)，其中所述矩陣相對于所述液體具有低潤濕性，并且所述層(3 相對于所述液體具有良好的潤濕性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的一項所述的熱交換裝置，包括具有由通向所述第二表面 (6)內(nèi)的所述導(dǎo)管(10)形成的孔(11)的區(qū)域，該區(qū)域被稱為結(jié)構(gòu)區(qū)域(16)；以及沒有孔 (11)的區(qū)域，該區(qū)域被稱為非結(jié)構(gòu)區(qū)域(18)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項所述的熱交換裝置，其中所述結(jié)構(gòu)區(qū)域(16)具有測量值在IOym到50μπι之間的側(cè)部，其中所述結(jié)構(gòu)區(qū)域(16)彼此隔開50 μ m到500 μ m的距1 O
9.一種用于制造根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項所述的熱交換裝置的方法，其中，通過以下方法獲得所述腔(8)將離散部件06)沉積在基底上，將這些離散部件埋入形成熱交換裝置矩陣的材料的層08)內(nèi)，以便形成導(dǎo)管(10)的矩陣直至到達(dá)離散部件06)，并去除所述離散部件06)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造熱交換裝置的方法，包括步驟 a)在基底(22)上沉積阻擋層(24)，b)沉積平均直徑較大的離散部件06)的層，旨在界定所述腔，c)在平均直徑較大的離散部件08)上及其之間沉積層(觀)，其中，所述層08)旨在形成裝置的矩陣，d)在形成矩陣06)的層上沉積平均直徑較小的離散部件(30)，e)在所述平均直徑較小的離散部件(30)上及其之間沉積連續(xù)層(32)，f)去除所述平均直徑較小的離散部件(30)以在暴露形成所述矩陣08)的層的區(qū)域內(nèi)露出孔(34)，g)在形成所述矩陣(3 的層中在所述孔(34)的區(qū)域內(nèi)形成導(dǎo)管(10)，直至到達(dá)所述平均直徑較大的離散部件08)，h)去除所述平均直徑較大的離散部件08)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的制造熱交換裝置的方法，其中所述離散部件(沈、30) 由二氧化硅或例如聚苯乙烯的聚合物制成，并且通過用化學(xué)侵蝕溶解所述離散部件來去除所述離散部件06、30)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的制造熱交換裝置的方法，其中所述平均直徑較小的離散部件(30)的平均直徑小于或等于所述直徑較大的離散部件06)的平均直徑。
13.根據(jù)權(quán)利要求10、11或12所述的制造熱交換裝置的方法，包括在步驟c)沉積前減小所述平均直徑較大的離散部件06)的尺寸的步驟和/或在步驟e)前減小所述平均直徑較小的離散部件(30)的尺寸的步驟，例如通過干蝕刻。
14.根據(jù)權(quán)利要求10到13中的一項所述的制造熱交換裝置的方法，其中在步驟e)中沉積的層相對于冷卻液體具有良好的潤濕性，例如為二氧化硅。
15.根據(jù)權(quán)利要求10到14中的一項所述的制造熱交換裝置的方法，其中形成所述矩陣的材料為氫化非晶碳。
16.根據(jù)權(quán)利要求10到15中的一項所述的制造熱交換裝置的方法，在步驟b)之前包括沉積形成所述矩陣的材料的初級層的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求10到16中的一項所述的制造熱交換裝置的方法，在去除所述平均直徑較小的離散部件(30)的步驟f)之前包括將掩模安裝在疊層上的步驟，以允許僅僅在未覆蓋掩模的區(qū)域內(nèi)去除所述平均直徑較小的離散部件(30)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱交換裝置，其包括旨在與待散熱的熱源相接觸的第一表面(4)和旨在與冷卻液體相接觸的第二表面(6)，所述裝置包括在流體方面彼此隔離的多個腔(8)，其中每個腔(8)通過至少一個導(dǎo)管(10)通向第二表面(6)，每個導(dǎo)管(10)的長度(H)和橫向尺寸防止冷卻劑進(jìn)入腔。第二表面(6)相對于冷卻液體具有良好的潤濕性的性能，并且導(dǎo)管(10)和腔(8)的內(nèi)表面的潤濕性的性能低于或等于第二表面(6)的潤濕性性能。
文檔編號H01L23/427GK102422114SQ201080020084
公開日2012年4月18日 申請日期2010年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月6日
發(fā)明者哈吉·德留·潘, 杰羅姆·加文萊特 申請人:法國原子能及替代能源委員會