泡沫銅微孔表面池沸騰換熱特性的實驗研究

馬清釗，陳康，葛藝，馮嘉暉，韓吉田

(山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南 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點，在能源動力、石油化工、航空航天、大功率電子器件冷卻等領域都得到了廣泛應用[1-2]。池沸騰換熱的性能與換熱表面結構特性、換熱溫差、流體的熱物理性質等因素有關。為了滿足高熱流密度換熱的需要，有效強化池沸騰換熱具有至關重要的意義。到目前為止，已發展了多種池沸騰換熱的強化方法。泡沫金屬微孔表面具有傳熱面積大、換熱強度高、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、結構緊湊并在一定程度上可提高設備的防垢性能等優點[3]，通過多孔表面強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]研究了燒結多孔表面的池沸騰換熱，結果表明，與光滑表面相比多孔表面具有較高的成核位點密度和較小的氣泡體積，可以降低核沸騰開始時壁面的過熱度而強化其池沸騰換熱。歐陽新萍等[5]實驗研究了水平增強管外部制冷劑R134a的核態池沸騰換熱，結果表明，其管外池沸騰傳熱系數隨熱流密度和蒸發溫度的升高而增加。已有研究均表明多孔表面是有效增強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節，可以通過火焰噴涂[7-8]、激光光刻、模板法[9]、燒結工藝[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：通過噴霧燒結法制備多孔結構層需要對有毒有害物質進行預處理，激光光刻處理設備昂貴，模板法和燒結法制備樣品尺寸小。電鍍法由于具有簡單、環境友好等優點而被認為是制備多孔金屬表面的實用方法之一。

已有許多學者通過電鍍法制備泡沫金屬銅微孔表面，研究表面孔密度、孔隙率等結構參數和潤濕性對其池沸騰換熱特性的影響。胡晨昱等[11]研究了不同結構參數對表面傳熱系數的影響，并根據實驗結果開發了制冷劑在泡沫銅表面的池沸騰傳熱關聯式。賈曦[12]研究表明，比表面積大、汽化核心多、疏水性強等特性使泡沫銅能夠強化沸騰換熱。沙超群等[13]在CPU罩上方安裝燒結銅鍍銀顆粒處理后的銅塊，增強芯片散熱。已有研究對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用的研究較少，本文在前人研究的基礎上，利用改進電鍍法制備了一種新的泡沫金屬微孔表面，且不需要經過燒結處理，可應用于半導體制冷系統等大型功率電子器件上。通過掃描電子顯微鏡(SEM)測定泡沫銅上微孔表面的微觀結構，實驗以去離子水為工質，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用提供了參考依據。

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反應來制備多孔表面的。電鍍過程中，在直流電的作用下鍍件表面會有銅析出，同時產生大量的氫氣，氫氣在逃逸過程中形成的通道是微孔結構的。常規電鍍法制備的微孔表面其表面蓬松得益于燒結處理，但用于制冷器件的多孔表面會受到損傷，而且微粒結構結合力較弱，需要改進現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，避免出現表面塌陷等缺陷。同時，在小電流、較長電鍍時間的條件下得到的多孔表面微粒結構的結合力比大電流、較長電鍍時間的條件下得到的結合力強[14]。因此，本實驗采用電極水平放置，鍍件在下磷銅板在上，小電流、較長電鍍時間的方法，避免燒結處理，同時通過加入表面活性劑來細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，電鍍實驗臺主要由直流電源、恒溫水浴、霍爾槽、燒杯、量筒、電子測溫計、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。電鍍法所需的化學試劑主要包括濃硫酸、硫酸銅、濃鹽酸等。通過多次實驗確定了適合電鍍法的電流和時間后，在金屬銅表面制備了微孔表面，并采用SEM方法測定了該微孔表面的微觀結構。

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

應用1.1節電鍍法制成的微孔表面的SEM分析結果如圖2所示。由圖2可以看出，在金屬銅的多孔結構中，通孔直徑從底層到表面逐漸增大，尺寸范圍從納米級增大到微米級。這主要是由于在電鍍過程中，電化學反應會產生一定量的氫氣，氫氣在逃逸過程中會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Fig.2 SEM images of the porous layer

2 實驗研究和數據整理

2.1 實驗系統

如圖3所示，為了研究泡沫銅微孔表面對池沸騰換熱性能的影響，搭建了基于泡沫銅的微孔表面強化池沸騰換熱實驗臺，主要包括底座、加熱棒、測試銅柱等。加熱棒表面涂有導熱硅脂，保證其與銅塊孔的內表面緊密接觸，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到保溫的效果[16]，外殼兩側有嵌入到外殼表面的可視化窗口，以便對池沸騰過程進行觀察。在沸騰實驗中，以去離子水為實驗介質，池中的去離子水被加熱到沸騰而形成蒸汽，冷卻回流系統將蒸汽冷凝為液體水后再回流至池內以維持池內液面高度平衡，從而可忽略液面高度變化對實驗結果的誤差影響。

圖3 沸騰換熱實驗系統圖Fig.3 The experimental system for boiling heat exchange

2.2 數據整理

實驗使用T型熱電偶來測量溫度。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量熱流密度，其間距為10 mm，。從T1測量點到銅塊上表面的距離為5 mm。當實驗系統達到熱穩定狀態時，銅柱內的熱傳導過程可視為一維穩態導熱。根據T1，T2和T3的測量值，可以計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為：

(4)

測量結果表明，熱電偶測量誤差為±0.5%，熱電偶間距誤差為±1%。因此，根據標準誤差分析，熱流密度的不確定度為：

(5)

沸騰傳熱系數的不確定度為：

(6)

其中，L是相鄰熱電偶之間的距離。

根據標準誤差計算可得，熱流密度的最大不確定度為±1.32%，沸騰傳熱系數的最大不確定度為±9.05%。

3 實驗結果分析

為了檢驗實驗系統的可靠性，采用制冷劑R134a對微孔表面的池沸騰換熱特性進行實驗研究，通過實驗數據分析，得到圖4的池沸騰換熱曲線，與段煉[15]關于R134a在多孔表面的池沸騰換熱研究結果較為接近，證明實驗系統可靠。

圖4 制冷劑R134a在多孔表面上的池沸騰換熱系數曲線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 ℃，以去離子水為工質對微孔表面的池沸騰換熱特性進行了實驗研究。為了便于比較，在相同的實驗條件下，對光滑表面的池沸騰換熱特性也進行了實驗研究。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驗結果。應當指出的是，由于現有實驗系統加熱和冷凝功率的限制，該實驗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據。

從圖5可以看出，在本文實驗的熱流密度范圍內，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度逐漸增強，且多孔表面的沸騰傳熱系數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構，相比光滑表面具有更大的比表面積，換熱流體均勻擴展在金屬孔層內，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構將換熱流體分割成一個個相互連通的毛細管層，而泡沫金屬銅的骨架有利于形成更多的汽化核心，有助于強化其池沸騰換熱。氣泡在氣化核心處產生，然后連續生長并在微孔表面向上運動，最終脫離微孔表面。但由于金屬孔的尺寸限制，一些氣泡會不斷被金屬骨架粉碎。氣泡脫離一方面會截留部分氣體在孔內，形成新的氣化核心；另一方面會有上部液體和相鄰液體進行補充，液體在補充過程中的蒸發會使氣泡脫離速率與氣泡體積均增大。由于氣泡的產生、生長、破碎與脫離，液體的補充流動以及更大的沸騰傳熱面積增強了對流傳熱，并且使孔內部分液體處于湍流狀態，故微孔表面比光滑表面具有更高的熱交換效率。

4 結論

本文通過改進電鍍法制備了新型泡沫金屬銅微孔表面，通過SEM測量了該表面的微觀結構，以去離子水為實驗介質，對微孔表面的池沸騰傳熱特性進行了實驗研究，并將其與光滑表面的沸騰換熱特性進行了比較。研究結果表明，該微孔表面在實驗的熱流密度條件下可明顯增強池沸騰傳熱，并有效降低沸騰起始點的壁面過熱度，可用于半導體制冷系統等大型功率電子器件散熱。由于現有實驗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驗裝置的加熱功率，進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。