交錯排列柱狀微結構表面池沸騰換熱實驗研究

劉泳辰,魏進家,孔新,張永海

(西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安)

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交錯排列柱狀微結構表面池沸騰換熱實驗研究

劉泳辰,魏進家,孔新,張永海

(西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安)

為了進一步提高交錯排列柱狀微結構表面的換熱性能,通過改變柱狀微結構中心距和形狀以提高表面換熱系數(shù)及臨界熱流密度。以FC-72為工質,對不同的交錯排列柱狀微結構硅片在3種過冷度(15、25、35 K)下進行了池沸騰換熱實驗研究,并與同工況下光滑表面硅片的結果進行了對比。通過干腐蝕技術在硅片表面加工出寬×高為30 μm×60 μm、30 μm×120 μm的方柱微結構,中心距分別為45、60、75 μm,以及直徑為38 μm、中心距為60 μm、高度分別為60 μm和120 μm的圓柱微結構。實驗結果表明,臨界熱流密度和沸騰換熱系數(shù)并非隨中心距的增大呈現(xiàn)出單調增或減的規(guī)律。中心距為45 μm的表面在核態(tài)沸騰區(qū)具有更高的換熱系數(shù),而對于高度為60、120 μm的方柱微結構,臨界熱流密度最高的分別是中心距為60 μm的表面(54.6 W/cm2)和中心距為120 μm的表面(60.72 W/cm2)。當方柱中心距與邊長之比大于等于2時,增大中心距對臨界熱流密度影響很小,最大增加了2%;當方柱中心距與邊長之比小于2時,增大中心距對臨界熱流密度有顯著影響,最大增加了14%。當換熱面積相同時,圓柱微結構的換熱性能要好于方柱微結構,并且臨界熱流密度相比于方柱微結構表面和光滑表面分別最大提高了13%和124%。另外,臨界熱流密度隨著過冷度的增大而增大,同時沸騰起始點有所滯后。

柱狀微結構;交錯排列;強化換熱;池沸騰

隨著電子器件集成化程度不斷提高,特征尺寸逐漸減小的同時導致芯片的熱流密度越來越高。芯片的熱控制問題直接影響了電子器件可靠性的改善與集成化的提高,因熱導致的失效已經成為微電子器件失效的主要形式。由于相變過程中存在大量的潛熱,沸騰換熱作為一種高效的熱傳遞方式已經廣泛應用在電子器件冷卻領域并取得顯著成效。除此之外,通過在換熱表面加工微納結構來提高表面粗糙度、潤濕性,可以進一步強化換熱。

近年來,國內外學者對不同微納結構表面的池沸騰換熱性能進行了大量研究[1-3],魏進家等對不同尺寸的方柱微結構表面進行了池沸騰換熱實驗研究,結果表明該表面在核態(tài)沸騰區(qū)有效地強化了傳熱并提高了臨界熱流密度,當其他參數(shù)不變時,臨界熱流密度隨柱狀微結構高度的增大而升高[4]。Chu等對不同高度、直徑、中心距的微圓柱陣列結構表面進行了池沸騰實驗研究,指出粗糙度的增大影響了毛細力,使得該換熱表面具有較高的臨界熱流密度[5]。張永海等對交錯排列的柱狀微結構表面進行了射流沖擊強化換熱實驗研究,結果表明相比于正規(guī)排列而言,交錯排列的柱狀微結構增加了柱間的微對流,強化換熱效果得以提升[6]。因此,本文進一步研究了交錯排列的柱狀微結構池沸騰換熱特性,包括不同柱心距及微結構形狀對其換熱性能的影響,為進一步優(yōu)化換熱面結構提供了一定的理論依據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)

池沸騰換熱實驗裝置主要由液池、測試段、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、恒流源電加熱系統(tǒng)和制冷機組成,如圖1所示。液池內部可盛放容量為1.5 L的實驗工質FC-72。在液池內部、測試段的上方布置有冷凝器,用來控制液體工質的溫度。液池頂部與一個容積為1 L的橡膠袋相連,以將容器內部壓力控制在101 kPa。測試段如圖2所示,硅片粘結在有機玻璃凸臺上,同時用環(huán)氧絕熱硅膠將硅片周圍密封,以減小熱量損失。硅片兩側邊焊接有直徑為0.25 mm的銅導線,并與恒流源相連,用來對其進行電加熱。經過對各位置敏感性分析后,在硅片背面的幾何中心處和液池內硅片斜上方處各布置一根T型熱電偶,分別用來測量硅片溫度和液體工質溫度。熱電偶線通過數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)與計算機相連,用來控制硅片加熱量并進行實驗數(shù)據(jù)記錄。在實驗前需對硅片進行超聲清洗,并置于干燥處風干,防止硅片表面存在雜質而影響實驗結果。

1:制冷機;2:泵;3:冷凝銅管;4:凸臺;5:橡膠氣袋;6:液池;7:數(shù)據(jù)采集裝置;8:恒流源圖1 實驗裝置示意圖

1:測試芯片;2:有機玻璃板;3:銅導線;4:T型熱電偶;5:螺釘;6:有機玻璃凸臺圖2 測試段示意圖

實驗所用摻磷型正方體硅片的邊長為10 mm、厚度為0.5 mm。采用干法刻蝕技術在硅片表面加工出邊長t為30 μm,高度h分別為60、120 μm,中心距p分別為45、60、75 μm的方柱微結構,分別稱為SPF30-60-45、SPF30-120-45、SPF30-60-60、SPF30-120-60、SPF30-60-75、SPF30-120-75,以及直徑為38 μm、中心距為60 μm、高度分別為60 μm和120 μm的圓柱微結構,分別稱為CPF38-60-60、CPF38-120-60。圖3展示了高度為60 μm的4種結構電鏡圖。

(a)SPF30-60-75 (b)SPF30-60-60

(c)SPF30-60-45 (d)CPF38-60-60圖3 4種柱狀微結構表面的電鏡圖

實驗所用T型熱電偶所測溫差小于0.3 ℃,硅片加熱采用恒電流法,供電電流和電壓的誤差分別為0.014%和0.1%,加熱不確定度為0.11%。通過FLUENT三維模擬硅片池沸騰換熱得到對流換熱及核態(tài)沸騰換熱階段的熱量損失分別為16%和6%。

2 實驗結果與討論

圖4和圖5分別是60 μm組SPF30-60-45、SPF 30-60-60、SPF30-60-75、CPF38-60-60和120 μm組SPF30-120-45、SPF30-120-60、SPF30-120-75、CPF38-120-60與光滑表面在3種過冷度(35、25、15 K)條件下的池沸騰換熱曲線圖。

(a)ΔTsub=35 K

(b)ΔTsub=25 K

(c)ΔTsub=15 K圖4 60 μm的4種柱狀微結構和光滑表面在不同過冷度下的換熱曲線圖

(a)ΔTsub=35 K

(b)ΔTsub=25 K

(c)ΔTsub=15 K圖5 120 μm的4種柱狀微結構和光滑表面在不同過冷度下的換熱曲線圖

2.1 中心距對換熱性能的影響

從圖4中可以看出,對高度為60 μm的不同中心距方柱微結構表面而言,在相同熱流密度時,SPF30-60-45的壁面過熱度最低,即其換熱系數(shù)hHTC最高。這是因為SPF30-60-45表面具有更大的方柱微結構密度,在核態(tài)沸騰換熱階段具有更多的氣化核心數(shù),可有效降低表面溫度。SPF30-60-75在中低熱流密度時換熱系數(shù)高于SPF30-60-60,但當熱流密度超過某一值后,SPF30-60-75的壁面溫度就隨熱流密度的增大而明顯升高,其換熱系數(shù)開始低于SPF30-60-60。因為SPF30-60-75具有較大的方柱微結構中心距,使得柱間流道變得更加寬廣,當熱流密度較低時,氣泡脫離表面后,冷卻工質因流動阻力相對較小可快速補充至該區(qū)域,有效地降低表面溫度,但當熱流密度超過一定值后,氣化核心數(shù)量的優(yōu)勢占據(jù)了主導作用,SPF30-60-75表面因氣化核心數(shù)量相對較少無法及時將熱量散發(fā)出而使得壁面溫度升高較快。

由圖5可知,對高度等于120 μm的不同中心距方柱微結構表面來說,SPF30-120-45和SPF30-120-75的換熱曲線非常接近,相比于SPF30-120-60的曲線更靠左。也就是說在相同熱流密度時,SPF30-120-45和SPF30-120-75的壁面過熱度相對低于SPF30-120-60,具有更高的換熱系數(shù)。這說明方柱微結構表面在核態(tài)沸騰階段的換熱系數(shù)并非隨著中心距的增大而呈現(xiàn)出單調遞增或遞減的規(guī)律。在Chu等的研究中也發(fā)現(xiàn)了相似的結果,指出當高度、直徑相同時,中心距為10 μm的微圓柱陣列表面的平均換熱系數(shù)要高于5 μm及15 μm,而并非是單調增或減的規(guī)律[5]。除此之外,Hisler等對微六邊形柱體陣列表面進行了潤濕特性研究,指出通過改變六邊形邊長和間距會直接影響結構的內部毛細力,可呈現(xiàn)兩種不同的潤濕現(xiàn)象[7]。因此,改變方柱微結構中心距引起氣化核心數(shù)量變化的同時,也會影響到表面結構的毛細力,是一個復雜的多因素影響問題?？梢?對于一定高度和邊長的方柱微結構,存在一個最優(yōu)中心距的值,相比之下其核態(tài)沸騰階段的平均換熱系數(shù)最高。

同時,觀察到在池沸騰核態(tài)換熱階段,SPF30-60-75和SPF30-60-60的換熱曲線有交叉現(xiàn)象,而SPF30-120-45、SPF30-120-60、SPF30-120-75卻沒有該現(xiàn)象。這說明當p≤h時,隨熱流密度增大換熱表面溫度僅略有升高,而p>h時,間距過大但氣化核心數(shù)量偏少,導致熱量無法及時散出,因此換熱表面溫度隨熱流密度增大明顯升高。

對臨界熱流密度qCHF而言,SPF30-60-60和SPF30-60-75、SPF30-120-60和SPF30-120-75在3個過冷度下的qCHF差別不大,并且都分別高于SPF30-60-45和SPF30-120-45。因為45 μm的中心距較小,使得方柱間流道空間狹窄,同時又具有更多的氣化核心數(shù)量,因此在高熱流密度時,氣泡生長、脫離速度較快,而新鮮液體由于流動阻力較大,無法及時補充至氣泡脫離處,因此提前發(fā)生了“干燒”,導致臨界現(xiàn)象發(fā)生。中心距為60 μm和75 μm結構的柱間通道相對較寬,能夠及時補充冷卻液體,因此具有更高的qCHF。中心距為75 μm的表面相比于對應高度下中心距為60 μm表面的qCHF最大僅相差2%,而中心距為45 μm的表面相比于對應高度下中心距為60 μm表面的qCHF最大相差達14%。因此,對于邊長為30 μm的方柱微結構表面而言,p/t≥2時具有更高的qCHF,并且增大中心距對qCHF影響不大,而當p/t<2時,間距過小使得新鮮液體無法及時補充至氣泡脫離處,故qCHF較低,并且中心距對qCHF影響較大。

綜上所述,qCHF和hHTC并非隨方柱微結構中心距的增大而呈現(xiàn)出單調遞增或遞減的規(guī)律。對本文實驗結果而言,若以核態(tài)沸騰區(qū)的平均換熱系數(shù)來評價表面的換熱性能,則對于高度為60 μm和120 μm的表面來說,中心距為45 μm的方柱微結構表面最優(yōu)。若以臨界熱流密度來評價表面的換熱性能,則對于高度為60 μm的表面而言,SPF30-60-60最優(yōu),qCHF為54.6 W/cm2;對于高度為120 μm的表面,SPF30 -120-75最優(yōu),qCHF為60.75 W/cm2。

2.2 微結構形狀對換熱性能的影響

從圖4和圖5可得,在相同熱流密度下,圓柱微結構CPF38-60-60的壁面過熱度要遠低于SPF30-60-60,具有較高的換熱系數(shù)和臨界熱流密度。尤其在過冷度為15 K的條件下,CPF38-60-60的qCHF相比SPF30-60-60提高了13%,相比光滑表面提高了124%。CPF38-120-60相比SPF30-120-60表面而言,盡管具有較高的換熱系數(shù),但差值遠小于60 μm組的結果,并且qCHF差異不明顯。在設計結構時,保證了CPF38-60-60和SPF30-60-60、CPF38-120-60和SPF30-120-60的換熱面積相等。同時,由于相同高度的方柱和圓柱微結構表面的柱中心距相同,所以柱的數(shù)量相等,因此可排除上述因素的影響。柱狀微結構強化換熱的機理是由于微結構產生的毛細力成為冷卻液體供給動力,使得液體在柱間通道流動并能補充至氣泡脫離處,及時帶走熱量。一般情況下,圓柱繞流的阻力低于方柱阻力,實驗中圓柱微結構換熱性能又好于方柱微結構表面,因此推論出換熱強化是因為圓柱繞流阻力較低,冷卻液體供應能力強,可更快速地帶走熱量。因此,在相同熱流密度時,圓柱結構的壁面溫度更低一些。對于120 μm組而言,由于高度增加,柱間通道變得細長,液體在柱間的流動阻力變大,因此圓柱結構的優(yōu)勢被減弱,使得兩者換熱曲線更加靠近。以上兩組實驗均表明,在同等高度和換熱面積的情況下,圓柱微結構比方柱微結構具有更好的換熱性能。

2.3 過冷度對換熱性能的影響

圖6是池沸騰實驗中8種柱狀微結構表面的臨界熱流密度隨過冷度的變化曲線。從圖中可以看出,對各表面而言,臨界熱流密度都隨過冷度增大而升高。由圖4和圖5可知,對同一表面,隨著過冷度增加,相同壁面過熱度下的熱流密度隨之增大,同時沸騰起始時所需壁面過熱度減小。根據(jù)牛頓冷卻定律可知,在其他條件相同時,換熱面與液體工質的溫差越大,換熱量越多,而熱邊界層變薄且溫度變低,無法維持氣泡長大,導致氣泡脫離尺寸減小,生長過程中發(fā)生的聚集、合并幾率降低,使氣泡間存在間隙,冷卻液體能夠及時補充至換熱表面,延緩干燒現(xiàn)象發(fā)生,因此具有更高的臨界熱流密度。

圖6 柱狀微結構表面臨界熱流密度隨過冷度的變化曲線

3 結 論

本文以FC-72為工質,對不同中心距和形狀的柱狀微結構表面硅片進行了池沸騰換熱實驗,得到以下結論。

(1)改變方柱中心距對換熱性能有著顯著的影響,但換熱系數(shù)和臨界熱流密度并非隨中心距的增大而呈現(xiàn)單調遞增或遞減的規(guī)律,當高度和邊長一定時,存在一個最優(yōu)的中心距,使得該表面的平均換熱系數(shù)最高。本實驗中,對兩種高度的方柱微結構表面而言,都是中心距為45 μm的平均換熱系數(shù)最高。同時,對高度為60 μm的表面而言,SPF30-60-60的qCHF最高,為54.6 W/cm2,而對于高度為120 μm的表面,SPF30-120-75的qCHF最高,為60.75 W/cm2。

(2)在池沸騰核態(tài)換熱階段,當p≤h時,隨著熱流密度增大,換熱表面溫度僅略有升高,而p>h時,間距過大但氣化核心數(shù)量相對偏少,導致熱量無法及時散出,此時換熱表面溫度隨熱流密度增大明顯升高。

(3)對于邊長為30 μm的方柱微結構表面而言,p/t≥2時具有更高的qCHF,并且增大中心距對qCHF

影響不大,中心距由60 μm增加到75 μm后,qCHF最大僅提高了2%;當p/t<2時,間距過小使得新鮮液體無法及時補充至氣泡脫離處,導致qCHF較低,并且中心距對qCHF影響較大,中心距由60 μm變?yōu)?5 μm后,qCHF最大降低了14%。

(4)對相同高度和換熱面積的微結構表面而言,圓柱微結構由于良好的毛細流動性能,使得其在相同熱流密度時,壁面溫度遠低于方柱微結構表面,并且比方柱微結構表面的qCHF最大提高了13%,比光滑表面提高了124%,展現(xiàn)出了良好的換熱性能。

(5)臨界熱流密度隨著過冷度的增大而增大,同時沸騰起始點有所滯后。

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(編輯 荊樹蓉)

Experimental Study on the Pool Boiling Heat Transfer on Staggered Micro-Pin-Finned Surfaces

LIU Yongchen,WEI Jinjia,KONG Xin,ZHANG Yonghai

(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

In order to enhance the heat transfer performance, an experimental study on the pool boiling heat transfer was conducted at three different degrees of subcooling (15, 25, 35 K) for different staggered micro-pin-finned surfaces of silicon chips in FC-72, and smooth surface was also tested for comparison. The dimensions of the silicon chips were 10 mm×10 mm×0.5 mm (length×width×thickness), and the micro-pin-finned silicon surfaces were fabricated by dry etching technique. Three center-to-center spacings (45, 60, 75 μm) were chosen for two kinds of square micro pin-fins of 30 μm×60 μm and 30 μm×120 μm (width×height). One center-to-center spacing of 60 μm was chosen for two different circular micro pin-fins of 38 μm×60 μm and 38 μm×120 μm (diameter×height). The center-to-center spacing of fins was found to have significant effects on the boiling heat transfer coefficient and critical heat flux, but the influence was not monotonous. In nuclear boiling, the surface with the center-to-center spacing of 45 μm showed the highest heat transfer coefficient than other surface with the same fin height. The surface with the center-to-center spacing of 60 μm showed the highest critical heat flux (54.6 W/cm2) for the surfaces with a fin height of 60 μm, while the surface with the center-to-center spacing of 75 μm showed the highest critical heat flux (60.72 W/cm2) for the surfaces with a fin height of 120 μm. When the ratio of center-to-center spacing to thickness was greater than or equal to 2, the center-to-center spacing had slight effect on critical heat flux, and the difference was 2% at most. However, when the ratio was less than 2, the difference reached up to 14%. Compared with square pin-fins, circular pin-fins showed better heat transfer performance under the same surface area, and the critical heat flux was increased by 13% and 124% for square micro-pin-finned surface and smooth surface respectively. Besides, the critical heat flux was increased with the degree of subcooling, and the onset of nucleate boiling was delayed.

micro-pin-finned structure; staggered arrangement; enhanced heat transfer; pool boiling

2016-01-08。 作者簡介:劉泳辰(1990—),男,碩士生;魏進家(通信作者),男,教授,博士生導師。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51225601)。

時間:2016-04-19

10.7652/xjtuxb201607003

TK124

A

0253-987X(2016)07-0013-05

網(wǎng)絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160419.1626.008.html