文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123106
微结构疏水硅芯片表面上池沸腾换热的实验研究
董丽宁,全晓军,郑平基金项目:国家自然科学基金( 及 )
(上海市东川路800号上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)
(Tel.: 021-34206662, E-mail: ******@sjtu.)
摘要:利用集成Pt电阻测量芯片表面温度的方法,实验研究了圆柱形微针肋/微孔阵列超疏水硅基表面上水的池沸腾换热。分析了表面微结构及其几何参数对池沸腾换热特性影响,指出微结构对沸腾换热的促进作用主要分为两方面:通过增加换热面积,提高了沸腾换热系数;促进汽泡成核,降低沸腾起始(ONB)所需过热度。
关键词:池沸腾;微结构;换热系数;ONB
引言
随着MEMS工艺的蓬勃发展,各种微结构越来越多地应用于换热设备之中,在各种形状的微结构强化换热表面中,微针肋和微孔的应用较为广泛[1]。
Honda和Wei等[2,3]实验分析了方形微针肋结构的几何参数对FC-72池沸腾换热特性的影响,指出微针肋结构对核态沸腾换热具有显著的促进作用,并可以有效降低沸腾起始过热度。Dong等[4]基于Gibbs自由能和有效能,对微结构表面的非均相沸腾成核进行了热力学分析,发现在一定尺寸范围内,微结构可以降低沸腾起始过热度。Das等[5]使用去离子水作为工质,分别在光滑和微孔表面上进行了核态换热实验,发现随着微孔密度的增加,沸腾换热效率有很大的提高。Honda和Wei等[2,3]和Das等[5]的实验中,热流密度的计算均基于表面的投影面积,这也是最常使用的计算方式。Guglielmini等[6]对FC-72在针肋结构铜表面上的池沸腾换热进行了实验研究,基于实际换热面积和投影面积分别计算了热流密度,并分析了针肋几何参数对沸腾特性的影响。微结构的几何参数和分布对沸腾换热和ONB有着一定的影响范围,所以研究其对池沸腾的影响规律显得非常重要。
本文拟采用集成Pt电阻测温元件的微针肋和微孔阵列硅基芯片,对水在常压下的过冷池沸腾换热开展实验研究。分别采用实际换热面积和投影面积两种方式来计算热流密度,得出常压下微结构芯片表面过冷沸腾的池沸腾曲线,并与光滑疏水表面的换热特性进行比较,分析微结构及其几何参数对沸腾换热系数及ONB的影响。
1. 实验系统
实验装置
实验系统如图1所示,由试验芯片、玻璃容器、加热部件、冷却系统及数据采集系统组成。双蒸去离子水经加热除气后,置于方形钢化玻璃容器内。容器内温度由恒温水浴控制,维持水温为75℃(通过热电偶测量),即过冷度为Tsub=Tsat-Tl =25℃;容器内压力由压力表测量,在本实验中保持为常压。加热部件置于玻璃容器底部,由铜块及内置的加热棒组成,外层紧密包裹聚四氟乙烯以保温,芯片固定于铜块上表面。加热棒连接直流电源进行电加热,可以通过调节电流来控制加热量。铜块内部排列有三根间距为5mm的T型热电偶,可由测得的温度差计算通过铜块上表面的热量Q。D及显微镜可以对芯片上产生的沸腾汽泡进行可视化观测。所有的温度、压力信号均由Agilent 34970A数据采集仪采集。
图1 实验系统示意图
微结构芯片结构
试验芯片系<100>硅片经MEMS加工工艺