馬清釗，陳康，葛藝，馮嘉暉，韓吉田

(山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

池沸騰換熱具有換熱效率高、傳熱溫差小、換熱表面溫度分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，在能源動(dòng)力、石油化工、航空航天、大功率電子器件冷卻等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。池沸騰換熱的性能與換熱表面結(jié)構(gòu)特性、換熱溫差、流體的熱物理性質(zhì)等因素有關(guān)。為了滿足高熱流密度換熱的需要，有效強(qiáng)化池沸騰換熱具有至關(guān)重要的意義。到目前為止，已發(fā)展了多種池沸騰換熱的強(qiáng)化方法。泡沫金屬微孔表面具有傳熱面積大、換熱強(qiáng)度高、沸騰傳熱溫差小、汽化核心與成核密度多、臨界熱流密度高、表面溫度均勻、結(jié)構(gòu)緊湊并在一定程度上可提高設(shè)備的防垢性能等優(yōu)點(diǎn)[3]，通過多孔表面強(qiáng)化池沸騰換熱已成為解決高熱流密度散熱問題的有效方法之一。趙紫薇等[4]研究了燒結(jié)多孔表面的池沸騰換熱，結(jié)果表明，與光滑表面相比多孔表面具有較高的成核位點(diǎn)密度和較小的氣泡體積，可以降低核沸騰開始時(shí)壁面的過熱度而強(qiáng)化其池沸騰換熱。歐陽新萍等[5]實(shí)驗(yàn)研究了水平增強(qiáng)管外部制冷劑R134a的核態(tài)池沸騰換熱，結(jié)果表明，其管外池沸騰傳熱系數(shù)隨熱流密度和蒸發(fā)溫度的升高而增加。已有研究均表明多孔表面是有效增強(qiáng)沸騰傳熱的重要途徑之一[6]。

多孔金屬表面作為最常用的多孔表面之一，其制備方法是池沸騰傳熱研究的重要環(huán)節(jié)，可以通過火焰噴涂[7-8]、激光光刻、模板法[9]、燒結(jié)工藝[4]和電鍍法等多種方法制備[10]。但是，這些方法都存在一定的局限性：通過噴霧燒結(jié)法制備多孔結(jié)構(gòu)層需要對(duì)有毒有害物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，激光光刻處理設(shè)備昂貴，模板法和燒結(jié)法制備樣品尺寸小。電鍍法由于具有簡(jiǎn)單、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是制備多孔金屬表面的實(shí)用方法之一。

已有許多學(xué)者通過電鍍法制備泡沫金屬銅微孔表面，研究表面孔密度、孔隙率等結(jié)構(gòu)參數(shù)和潤(rùn)濕性對(duì)其池沸騰換熱特性的影響。胡晨昱等[11]研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果開發(fā)了制冷劑在泡沫銅表面的池沸騰傳熱關(guān)聯(lián)式。賈曦[12]研究表明，比表面積大、汽化核心多、疏水性強(qiáng)等特性使泡沫銅能夠強(qiáng)化沸騰換熱。沙超群等[13]在CPU罩上方安裝燒結(jié)銅鍍銀顆粒處理后的銅塊，增強(qiáng)芯片散熱。已有研究對(duì)于泡沫銅池沸騰換熱特性分析較多，考慮泡沫銅微孔表面從制備到具體應(yīng)用的研究較少，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)電鍍法制備了一種新的泡沫金屬微孔表面，且不需要經(jīng)過燒結(jié)處理，可應(yīng)用于半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)等大型功率電子器件上。通過掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)定泡沫銅上微孔表面的微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)以去離子水為工質(zhì)，研究微孔表面的池沸騰傳熱特性，得到了微孔表面的池沸騰傳熱曲線，為泡沫銅微孔表面的制備及應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

1 泡沫銅微孔表面的制備

1.1 多孔表面制備

電鍍法是利用電化學(xué)反應(yīng)來制備多孔表面的。電鍍過程中，在直流電的作用下鍍件表面會(huì)有銅析出，同時(shí)產(chǎn)生大量的氫氣，氫氣在逃逸過程中形成的通道是微孔結(jié)構(gòu)的。常規(guī)電鍍法制備的微孔表面其表面蓬松得益于燒結(jié)處理，但用于制冷器件的多孔表面會(huì)受到損傷，而且微粒結(jié)構(gòu)結(jié)合力較弱，需要改進(jìn)現(xiàn)有的電鍍法制備多孔表面的工藝。采取電極水平放置，鍍件在下磷銅板在上的電鍍方式，可以使鍍層均勻，避免出現(xiàn)表面塌陷等缺陷。同時(shí)，在小電流、較長(zhǎng)電鍍時(shí)間的條件下得到的多孔表面微粒結(jié)構(gòu)的結(jié)合力比大電流、較長(zhǎng)電鍍時(shí)間的條件下得到的結(jié)合力強(qiáng)[14]。因此，本實(shí)驗(yàn)采用電極水平放置，鍍件在下磷銅板在上，小電流、較長(zhǎng)電鍍時(shí)間的方法，避免燒結(jié)處理，同時(shí)通過加入表面活性劑來細(xì)化多孔表面的微粒及汽化核心，從而制備出了微孔表面。

如圖1所示，電鍍實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由直流電源、恒溫水浴、霍爾槽、燒杯、量筒、電子測(cè)溫計(jì)、攪拌棒等組成。其中，恒溫水浴可提供電鍍過程所需的操作溫度。電鍍法所需的化學(xué)試劑主要包括濃硫酸、硫酸銅、濃鹽酸等。通過多次實(shí)驗(yàn)確定了適合電鍍法的電流和時(shí)間后，在金屬銅表面制備了微孔表面，并采用SEM方法測(cè)定了該微孔表面的微觀結(jié)構(gòu)。

圖1 電鍍多孔表面制備裝置示意圖Fig.1 Electroplating the porous surface preparation devices

1.2 微孔表面分析

應(yīng)用1.1節(jié)電鍍法制成的微孔表面的SEM分析結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，在金屬銅的多孔結(jié)構(gòu)中，通孔直徑從底層到表面逐漸增大，尺寸范圍從納米級(jí)增大到微米級(jí)。這主要是由于在電鍍過程中，電化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一定量的氫氣，氫氣在逃逸過程中會(huì)由小氣泡累積成大氣泡，而這些微孔就是伴隨氫氣逃逸過程而形成的，這樣制備的多孔表面可稱為微孔表面[15]。

圖2 多孔層SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of the porous layer

2 實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)整理

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖3所示，為了研究泡沫銅微孔表面對(duì)池沸騰換熱性能的影響，搭建了基于泡沫銅的微孔表面強(qiáng)化池沸騰換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，主要包括底座、加熱棒、測(cè)試銅柱等。加熱棒表面涂有導(dǎo)熱硅脂，保證其與銅塊孔的內(nèi)表面緊密接觸，在銅塊和底座之間形成的空腔中填充滿石棉絨和保溫棉以達(dá)到保溫的效果[16]，外殼兩側(cè)有嵌入到外殼表面的可視化窗口，以便對(duì)池沸騰過程進(jìn)行觀察。在沸騰實(shí)驗(yàn)中，以去離子水為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，池中的去離子水被加熱到沸騰而形成蒸汽，冷卻回流系統(tǒng)將蒸汽冷凝為液體水后再回流至池內(nèi)以維持池內(nèi)液面高度平衡，從而可忽略液面高度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差影響。

圖3 沸騰換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.3 The experimental system for boiling heat exchange

2.2 數(shù)據(jù)整理

實(shí)驗(yàn)使用T型熱電偶來測(cè)量溫度。熱電偶T1，T2和T3依次放置在加熱銅塊的軸向中心線上以測(cè)量熱流密度，其間距為10 mm，。從T1測(cè)量點(diǎn)到銅塊上表面的距離為5 mm。當(dāng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，銅柱內(nèi)的熱傳導(dǎo)過程可視為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。根據(jù)T1，T2和T3的測(cè)量值，可以計(jì)算出被加熱表面的熱流密度：

(1)

(2)

其中，L0、L1和L2是從T1到銅柱上表面、T1和T2之間和T2和T3之間的距離，q是熱流密度，λ是銅塊的熱導(dǎo)率，Tw是銅柱上表面的溫度。

以銅柱上表面溫度Tw和去離子水的飽和溫度Ts之差為沸騰傳熱的溫差：

ΔT=Tw-Ts。

(3)

則受熱面的池沸騰傳熱系數(shù)為：

(4)

測(cè)量結(jié)果表明，熱電偶測(cè)量誤差為±0.5%，熱電偶間距誤差為±1%。因此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)誤差分析，熱流密度的不確定度為：

(5)

沸騰傳熱系數(shù)的不確定度為：

(6)

其中，L是相鄰熱電偶之間的距離。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)誤差計(jì)算可得，熱流密度的最大不確定度為±1.32%，沸騰傳熱系數(shù)的最大不確定度為±9.05%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，采用制冷劑R134a對(duì)微孔表面的池沸騰換熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到圖4的池沸騰換熱曲線，與段煉[15]關(guān)于R134a在多孔表面的池沸騰換熱研究結(jié)果較為接近，證明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可靠。

圖4 制冷劑R134a在多孔表面上的池沸騰換熱系數(shù)曲線Fig.4 Pool boiling heat transfer coefficient curve of R134a on the porous surface

在大氣條件下，在熱流密度為17～225 W/cm2，過熱度5～30 ℃，以去離子水為工質(zhì)對(duì)微孔表面的池沸騰換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。為了便于比較，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)光滑表面的池沸騰換熱特性也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。圖5和圖6分別給出了在光滑表面和微孔表面池沸騰換熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。應(yīng)當(dāng)指出的是，由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)加熱和冷凝功率的限制，該實(shí)驗(yàn)僅在較低熱流密度和較小傳熱溫差條件下獲得了池沸騰的傳熱特性數(shù)據(jù)。

從圖5可以看出，在本文實(shí)驗(yàn)的熱流密度范圍內(nèi)，池沸騰的熱流密度隨過熱度的增加而增加，微孔表面的沸騰傳熱曲線總是高于光滑表面的沸騰傳熱曲線，且微孔表面可以減少沸騰初始的過熱度。

圖5 去離子水在不同表面上的池沸騰傳熱曲線Fig.5 Pool boiling heat transfer curves of deionized water on different surfaces

由圖6可以看出，池沸騰傳熱系數(shù)隨著熱流密度的增加而增加，表明受熱表面上的核沸騰傳熱強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，且多孔表面的沸騰傳熱系數(shù)總是比光滑表面的高。

圖6 去離子水在不同表面上的池沸騰傳熱系數(shù)曲線Fig.6 Pool boiling heat transfer coefficient curves of deionized water on different surfaces

由于微孔表面具有多孔結(jié)構(gòu)，相比光滑表面具有更大的比表面積，換熱流體均勻擴(kuò)展在金屬孔層內(nèi)，沸騰傳熱面積更大，從而換熱效率更高；泡沫金屬的多通道結(jié)構(gòu)將換熱流體分割成一個(gè)個(gè)相互連通的毛細(xì)管層，而泡沫金屬銅的骨架有利于形成更多的汽化核心，有助于強(qiáng)化其池沸騰換熱。氣泡在氣化核心處產(chǎn)生，然后連續(xù)生長(zhǎng)并在微孔表面向上運(yùn)動(dòng)，最終脫離微孔表面。但由于金屬孔的尺寸限制，一些氣泡會(huì)不斷被金屬骨架粉碎。氣泡脫離一方面會(huì)截留部分氣體在孔內(nèi)，形成新的氣化核心；另一方面會(huì)有上部液體和相鄰液體進(jìn)行補(bǔ)充，液體在補(bǔ)充過程中的蒸發(fā)會(huì)使氣泡脫離速率與氣泡體積均增大。由于氣泡的產(chǎn)生、生長(zhǎng)、破碎與脫離，液體的補(bǔ)充流動(dòng)以及更大的沸騰傳熱面積增強(qiáng)了對(duì)流傳熱，并且使孔內(nèi)部分液體處于湍流狀態(tài)，故微孔表面比光滑表面具有更高的熱交換效率。

4 結(jié)論

本文通過改進(jìn)電鍍法制備了新型泡沫金屬銅微孔表面，通過SEM測(cè)量了該表面的微觀結(jié)構(gòu)，以去離子水為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，對(duì)微孔表面的池沸騰傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并將其與光滑表面的沸騰換熱特性進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，該微孔表面在實(shí)驗(yàn)的熱流密度條件下可明顯增強(qiáng)池沸騰傳熱，并有效降低沸騰起始點(diǎn)的壁面過熱度，可用于半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)等大型功率電子器件散熱。由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置加熱功率的限制，只得到了較低熱流密度下微孔表面的池沸騰傳熱曲線，下一步將通過增大實(shí)驗(yàn)裝置的加熱功率，進(jìn)一步研究高熱流密度下微孔表面的沸騰傳熱特性，從而獲得其完整的沸騰換熱特性曲線。