泡沫铜微孔表面池沸腾换热特性的实验研究

山东科学ＳＨＡＮＤＯＮＧＳＣＩＥＮＣＥ
第３４卷第４期２０２１年８月出版
Ｖｏｌ.３４Ｎｏ.４Ａｕｇ.２０２１ＤＯＩ:１０.３９７６/ｊ.ｉｓｓｎ.１００２￣４０２６.２０２１.０４.０１２ʌ能源与动力ɔ
收稿日期:２０２０￣０８￣２６
基金项目:国家自然科学基金重大国际(地区)合作项目(４１７６１１４４０６７)
作者简介:马清钊(１９９５ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为分布式能源系统的优化设计ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｍａｑｉｎｇｚｈａｏ＠ｆｏｘｍａｉｌ.ｃｏｍ∗通信作者ꎬ韩吉田ꎬ男ꎬ教授ꎬ研究方向为综合能源系统㊁氢能与燃料电池㊁多相流与传热㊁热电制冷ꎮＴｅｌ:１３１７３０２２３６１ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｊｔｈａｎ＠ｓｄｕ.ｅｄｕ.ｃｎ泡沫铜微孔表面池沸腾换热特性的实验研究
马清钊ꎬ陈康ꎬ葛艺ꎬ冯嘉晖ꎬ韩吉田∗
(山东大学能源与动力工程学院ꎬ山东济南２５００６１)
摘要:利用改进电镀法制备了新型的泡沫金属铜微孔表面ꎬ通过扫描电子显微镜(ＳＥＭ)测定泡沫铜上微孔表面的微观结构ꎬ实验以去离子水为工质ꎬ研究了光滑表面和微孔表面的池沸腾传热特性ꎬ获得了光滑和微孔表面的池沸腾传热曲线ꎮ研究结果表明ꎬ在相同的热流密度条件下ꎬ微孔表面的汽化核心在核沸腾区密度较大ꎬ可有效降低壁面初始沸点的过热度ꎬ显著提高池沸腾的换热系数ꎬ证明该表面可用于半导体制冷系统等大型功率电子器件散热ꎮ
关键词:池沸腾ꎻ强化换热ꎻ微孔表面ꎻ过热度ꎻ换热系数
中图分类号:ＴＢ６１＋
１ꎻＶ２３１.１㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００２￣４０２６(２０２１)０４￣００７３￣０７开放科学(资源服务)标志码(ＯＳＩＤ):
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ
ｔｈｅｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｏｆｃｏｐｐｅｒｆｏａｍ
ＭＡＱｉｎｇ￣ｚｈａｏꎬＣＨＥＮＫａｎｇꎬＧＥＹｉꎬＦＥＮＧＪｉａ￣ｈｕｉꎬＨＡＮＪｉ￣ｔｉａｎ∗
(ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉｎａｎ２５００６１ꎬＣｈｉｎａ)
ＡｂｓｔｒａｃｔʒＩｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙꎬａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｆｏｒｃｏｐｐｅｒｆｏａｍｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｕｓｉｎｇａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ.Ｆｕｒｔｈｅｒꎬｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｏｆｃｏｐｐｅｒｆｏａｍｗａｓｅｖａｌｕａｔｅｄｕｓｉｎｇａｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ(ＳＥＭ).Ｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔꎬｄｅｉｏｎｉｚｅｄｗａｔｅｒｗａｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｍｅｄｉｕｍｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｍｏｏｔｈａｎｄｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｓꎬｔｈｅｒｅｂｙｏｂｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｉｒｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｕｒｖｅｓ.Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｕｎｄｅｒｉｄｅｎｔｉｃａｌｈｅａｔｆｌｕｘｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬｔｈｅｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎｃｏｒｅｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｈａｓａｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｉｎｔｈｅｎｕｃｌｅａｔｅｂｏｉｌｉｎｇｚｏｎｅꎬｗｈｉｃｈｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｕｐｅｒｈｅａｔａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｂｏｉｌｉｎｇｐｏｉｎｔｏｆｔｈｅｗａｌｌａｎｄｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ.Ｔｈｕｓꎬｔｈｉｓｓｔｕｄｙｐｒｏｖｅｓｔｈａｔｔｈｅｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｏｆｃｏｐｐｅｒｆｏａｍｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ￣ｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｓｓｕｃｈａｓｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓʒｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇꎻｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔꎻｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅꎻｄｅｇｒｅｅｏｆｓｕｐｅｒｈｅａｔꎻｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
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山㊀东㊀科㊀学２０２１年㊀㊀池沸腾换热具有换热效率高㊁传热温差小㊁换热表面温度分布均匀等优点ꎬ在能源动力㊁石油化工㊁航空航天㊁大功率电子器件冷却等领域都得到了广泛应用[１￣２]ꎮ池沸腾换热的性能与换热表面结构特性㊁换热温差㊁流体的热物理性质等因素有关ꎮ为了满足高热流密度换热的需要ꎬ有效强化池沸腾换热具有至关重要的意义ꎮ到目前为止ꎬ已发展了多种池沸腾换热的强化方法ꎮ泡沫金属微孔表面具有传热面积大㊁换热强度高㊁沸腾传热温差小㊁汽化核心与成核密度多㊁临界热流密度高㊁表面温度均匀㊁结构紧凑并在一定程度上可提高设备的防垢性能等优点[３]ꎬ通过多孔表面强化池沸腾换热已成为解决高热流密度散热问题的有效方法之一ꎮ赵紫薇等[４]研究了烧结多孔表面的池沸腾换热ꎬ结果表明ꎬ与光滑表面相比多孔表面具有较高的成核位点密度和较小的气泡体积ꎬ可以降低核沸腾开始时壁面的过热度而强化其池沸腾换热ꎮ欧阳新萍等[５]实验研究了水平增强管外部制冷剂Ｒ１３４ａ的核态池沸腾换热ꎬ结果表明ꎬ其管外池沸腾传热系数随热流密度和蒸发温度的升高而增加ꎮ已有研究均表明多孔表面是有效增强沸腾传热的重要途径之一[６]ꎮ多孔金属表面作为最常用的多孔表面之一ꎬ其制备方法是池沸腾传热研究的重要环节ꎬ可以通过火焰喷涂[７￣８]㊁激光光刻㊁模板法[９]㊁烧结工艺[４]和电镀法等多种方法制备[１０]ꎮ但是ꎬ这些方法都存在一定的局限性:通过喷雾烧结法制备多孔结构层需要对有毒有害物质进行预处理ꎬ激光光刻处理设备昂贵ꎬ模板法和烧结法制备样品尺寸小ꎮ电镀法由于具有简单㊁环境友好等优点而被认为是制备多孔金属表面的实用方法之一ꎮ已有许多学者通过电镀法制备泡沫金属铜微孔表面ꎬ研究表面孔密度㊁孔隙率等结构参数和润湿性对其池沸腾换热特性的影响ꎮ胡晨昱等[１１]研究了不同结构参数对表面传热系数的影响ꎬ并根据实验结果开发了制冷剂在泡沫铜表面的池沸腾传热关联式ꎮ贾曦[１２]研究表明ꎬ比表面积大㊁汽化核心多㊁疏水性强等特性使泡沫铜能够强化沸腾换热ꎮ沙超群等[１３]在ＣＰＵ罩上方安装烧结铜镀银颗粒处理后的铜块ꎬ增强芯片散热ꎮ已有研究对于泡沫铜池沸腾换热特性分析较多ꎬ考虑泡沫铜微孔表面从制备到具体应用的研究较少ꎬ本文在前人研究的基础上ꎬ利用改进电镀法制备了一种新的泡沫金属微孔表面ꎬ且不需要经过烧结处理ꎬ可应用于半导体制冷系统等大型功率电子器件上ꎮ通过扫描电子显微镜(ＳＥＭ)测定泡沫铜上微孔表面的微观结构ꎬ实验以去离子水为工质ꎬ研究微孔表面的池沸腾传热特性ꎬ得到了微孔表面的池沸腾传热曲线ꎬ为泡沫铜微孔表面的制备及应用提供了参考依据ꎮ
１㊀泡沫铜微孔表面的制备
１.１㊀多孔表面制备
电镀法是利用电化学反应来制备多孔表面的ꎮ电镀过程中ꎬ在直流电的作用下镀件表面会有铜析出ꎬ同时产生大量的氢气ꎬ氢气在逃逸过程中形成的通道是微孔结构的ꎮ常规电镀法制备的微孔表面其表面蓬松得益于烧结处理ꎬ但用于制冷器件的多孔表面会受到损伤ꎬ而且微粒结构结合力较弱ꎬ需要改进现有的电镀法制备多孔表面的工艺ꎮ采取电极水平放置ꎬ镀件在下磷铜板在上的电镀方式ꎬ可以使镀层均匀ꎬ避免出现表面塌陷等缺陷ꎮ同时ꎬ在小电流㊁较长电镀时间的条件下得到的多孔表面微粒结构的结合力比大电流㊁较长电镀时间的条件下得到的结合力强[１４]ꎮ因此ꎬ本实验采用电极水平放置ꎬ镀件在下磷铜板在上ꎬ小电流㊁较长电镀时间的方法ꎬ避免烧结处理ꎬ同时通过加入表面活性剂来细化多孔表面的微粒及汽化核心ꎬ从而制备出了微孔表面ꎮ
如图１所示ꎬ电镀实验台主要由直流电源㊁恒温水浴㊁霍尔槽㊁烧杯㊁量筒㊁电子测温计㊁搅拌棒等组成ꎮ其中ꎬ恒温水浴可提供电镀过程所需的操作温度ꎮ电镀法所需的化学试剂主要包括浓硫酸㊁硫酸铜㊁浓盐酸等ꎮ通过多次实验确定了适合电镀法的电流和时间后ꎬ在金属铜表面制备了微孔表面ꎬ并采用ＳＥＭ方法测定了该微孔表面的微观结构ꎮ
第４期马清钊ꎬ等:
泡沫铜微孔表面池沸腾换热特性的实验研究图１㊀电镀多孔表面制备装置示意图
Ｆｉｇ.１㊀Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇｔｈｅｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｓ
１.２㊀微孔表面分析应用１.１节电镀法制成的微孔表面的ＳＥＭ分析结果如图２所示ꎮ由图２可以看出ꎬ在金属铜的多孔结构中ꎬ通孔直径从底层到表面逐渐增大ꎬ尺寸范围从纳米级增大到微米级ꎮ这主要是由于在电镀过程中ꎬ电化学反应会产生一定量的氢气ꎬ氢气在逃逸过程中会由小气泡累积成大气泡ꎬ而这些微孔就是伴随氢气逃逸过程而形成的ꎬ这样制备的多孔表面可称为微孔表面[１５]ꎮ
图２㊀多孔层ＳＥＭ照片
Ｆｉｇ.２㊀ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｔｈｅｐｏｒｏｕｓｌａｙｅｒ
２㊀实验研究和数据整理
２.１㊀实验系统如图３所示ꎬ为了研究泡沫铜微孔表面对池沸腾换热性能的影响ꎬ搭建了基于泡沫铜的微孔表面强化池沸腾换热实验台ꎬ主要包括底座㊁加热棒㊁测试铜柱等ꎮ加热棒表面涂有导热硅脂ꎬ保证其与铜块孔的内表面紧密接触ꎬ在铜块和底座之间形成的空腔中填充满石棉绒和保温棉以达到保温的效果[１６]ꎬ外壳两侧有嵌入到外壳表面的可视化窗口ꎬ以便对池沸腾过程进行观察ꎮ在沸腾实验中ꎬ以去离子水为实验介质ꎬ池中的去离子水被加热到沸腾而形成蒸汽ꎬ冷却回流系统将蒸汽冷凝为液体水后再回流至池内以维持池内液面高度平衡ꎬ从而可忽略液面高度变化对实验结果的误差影响ꎮ
图３㊀沸腾换热实验系统图
Ｆｉｇ.３㊀Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅ
５
７
山㊀东㊀科㊀学２０２１年
２.２㊀数据整理实验使用Ｔ型热电偶来测量温度ꎮ热电偶Ｔ１ꎬＴ２和Ｔ３依次放置在加热铜块的轴向中心线上以测量热流密度ꎬ其间距为１０ｍｍꎬꎮ从Ｔ１测量点到铜块上表面的距离为５ｍｍꎮ当实验系统达到热稳定状态时ꎬ铜柱内的热传导过程可视为一维稳态导热ꎮ根据Ｔ１ꎬＴ２和Ｔ３的测量值ꎬ可以计算出被加热表面的热流密度:
ｑ＝１３λＴ２－Ｔ１Ｌ１＋Ｔ３－Ｔ２Ｌ２＋Ｔ３－Ｔ１Ｌ１＋Ｌ２æèçöø
÷ꎬ(１)Ｔｗ＝Ｔ１－ｑˑＬ０λꎬ(２)
其中ꎬＬ０㊁Ｌ１和Ｌ２是从Ｔ１到铜柱上表面㊁Ｔ１和Ｔ２之间和Ｔ２和Ｔ３之间的距离ꎬｑ是热流密度ꎬλ是铜块的热导率ꎬＴｗ是铜柱上表面的温度ꎮ
以铜柱上表面温度Ｔｗ和去离子水的饱和温度Ｔｓ之差为沸腾传热的温差:
ΔＴ＝Ｔｗ－Ｔｓꎮ(３)
则受热面的池沸腾传热系数为:ｈ＝
ｑΔＴ＝ｑＴｗ－Ｔｓꎮ(４)测量结果表明ꎬ热电偶测量误差为ʃ０.５％ꎬ热电偶间距误差为ʃ１％ꎮ因此ꎬ根据标准误差分析ꎬ热流密度的不确定度为:
Δｑｑ
＝ΔＴＴæèçöø÷２＋ΔＬＬæèçöø÷２ꎮ(５)沸腾传热系数的不确定度为:
Δｈｈ
＝Δｑｑæèçöø÷２＋ΔＬｉＴｗ－Ｔｓæèçöø÷２＋ΔＴｓＴｗ－Ｔｓ
æèçöø÷２ꎬ(６)其中ꎬＬ是相邻热电偶之间的距离ꎮ
根据标准误差计算可得ꎬ热流密度的最大不确定度为ʃ１.３２％ꎬ沸腾传热系数的最大不确定度为ʃ９.０５％ꎮ３㊀实验结果分析
为了检验实验系统的可靠性ꎬ采用制冷剂Ｒ１３４ａ对微孔表面的池沸腾换热特性进行实验研究ꎬ通过实验数据分析ꎬ得到图４的池沸腾换热曲线ꎬ与段炼[１５]关于Ｒ１３４ａ在多孔表面的池沸腾换热研究结果较为接近ꎬ证明实验系统可靠ꎮ
图４㊀制冷剂Ｒ１３４ａ在多孔表面上的池沸腾换热系数曲线
Ｆｉｇ.４㊀ＰｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｕｒｖｅｏｆＲ１３４ａｏｎｔｈｅｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅ
６７
第４期马清钊ꎬ等:泡沫铜微孔表面池沸腾换热特性的实验研究
在大气条件下ꎬ在热流密度为１７~２２５Ｗ/ｃｍ２ꎬ过热度５~３０ħꎬ以去离子水为工质对微孔表面的池沸腾换热特性进行了实验研究ꎮ为了便于比较ꎬ在相同的实验条件下ꎬ对光滑表面的池沸腾换热特性也进行了实验研究ꎮ图５和图６分别给出了在光滑表面和微孔表面池沸腾换热的实验结果ꎮ应当指出的是ꎬ由于现有实验系统加热和冷凝功率的限制ꎬ该实验仅在较低热流密度和较小传热温差条件下获得了池沸腾的传热特性数据ꎮ
从图５可以看出ꎬ在本文实验的热流密度范围内ꎬ池沸腾的热流密度随过热度的增加而增加ꎬ微孔表面的沸腾传热曲线总是高于光滑表面的沸腾传热曲线ꎬ且微孔表面可以减少沸腾初始的过热度
ꎮ图５㊀去离子水在不同表面上的池沸腾传热曲线
Ｆｉｇ.５㊀Ｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｕｒｖｅｓｏｆｄｅｉｏｎｉｚｅｄｗａｔｅｒｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｆａｃｅｓ由图６可以看出ꎬ池沸腾传热系数随着热流密度的增加而增加ꎬ表明受热表面上的核沸腾传热强度逐渐
增强ꎬ且多孔表面的沸腾传热系数总是比光滑表面的高
ꎮ
图６㊀去离子水在不同表面上的池沸腾传热系数曲线
Ｆｉｇ.６㊀Ｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｕｒｖｅｓｏｆｄｅｉｏｎｉｚｅｄｗａｔｅｒｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｆａｃｅｓ由于微孔表面具有多孔结构ꎬ相比光滑表面具有更大的比表面积ꎬ换热流体均匀扩展在金属孔层内ꎬ沸
腾传热面积更大ꎬ从而换热效率更高ꎻ泡沫金属的多通道结构将换热流体分割成一个个相互连通的毛细管层ꎬ而泡沫金属铜的骨架有利于形成更多的汽化核心ꎬ有助于强化其池沸腾换热ꎮ气泡在气化核心处产生ꎬ然后连续生长并在微孔表面向上运动ꎬ最终脱离微孔表面ꎮ但由于金属孔的尺寸限制ꎬ一些气泡会不断被金属骨架粉碎ꎮ气泡脱离一方面会截留部分气体在孔内ꎬ形成新的气化核心ꎻ另一方面会有上部液体和相邻液体进行补充ꎬ液体在补充过程中的蒸发会使气泡脱离速率与气泡体积均增大ꎮ由于气泡的产生㊁生长㊁破碎７
７
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山㊀东㊀科㊀学２０２１年与脱离ꎬ液体的补充流动以及更大的沸腾传热面积增强了对流传热ꎬ并且使孔内部分液体处于湍流状态ꎬ故微孔表面比光滑表面具有更高的热交换效率ꎮ
４㊀结论
本文通过改进电镀法制备了新型泡沫金属铜微孔表面ꎬ通过ＳＥＭ测量了该表面的微观结构ꎬ以去离子水为实验介质ꎬ对微孔表面的池沸腾传热特性进行了实验研究ꎬ并将其与光滑表面的沸腾换热特性进行了比较ꎮ研究结果表明ꎬ该微孔表面在实验的热流密度条件下可明显增强池沸腾传热ꎬ并有效降低沸腾起始点的壁面过热度ꎬ可用于半导体制冷系统等大型功率电子器件散热ꎮ由于现有实验装置加热功率的限制ꎬ只得到了较低热流密度下微孔表面的池沸腾传热曲线ꎬ下一步将通过增大实验装置的加热功率ꎬ进一步研究高热流密度下微孔表面的沸腾传热特性ꎬ从而获得其完整的沸腾换热特性曲线ꎮ
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