ИНТЕНСИФИЦИРУЮЩАЯ ТЕПЛООБМЕННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ДЛЯ УДЛИНЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО МЕНИСКА
INTENSIFYING HEAT EXCHANGE SURFACE FOR EXTENSION OF DYNAMIC MENISCUS

Изобретение относится к области электроники, в частности к испарительным системам охлаждения электронного и микроэлектронного оборудования, таким, как микроканальные теплообменники и тепловые трубы, которые обеспечивают высокие значения коэффициента теплопередачи в высоконапряженных по тепловым потокам мини- и микросистемах.
Для интенсификации теплообмена в испарительных системах охлаждения используют различные способы развития поверхности, в том числе нанесения мини- и микрооребрения различной формы, поверхностной упорядоченной и неупорядоченной шероховатости, частичной перфорации и многое другое.
Известно техническое решение, описанное в статье [Marangoni convection and heat transfer in thin liquid films on heated walls with topography: Experiments and numerical study, Physics of Fluids, 2005, 17, 062106]. Рассмотрено экспериментальное исследование влияния эффекта Марангони на теплообмен в тонких пленках жидкости, стекающих по нагреваемым микроструктурированным горизонтальным поверхностям. В экспериментах использовалась поверхность с продольным микрооребрением. В поперечном сечении ребра имели треугольную форму, а межреберные впадины - форму трапеции. Теоретически было установлено, а экспериментально подтверждено, что интенсивность теплообмена на нагреваемых оребренных поверхностях зависит от структуры оребрения, и за счет оптимизации структуры можно увеличить интенсификацию теплообмена до 30%.
Наиболее близкое техническое решение, которое можно рассматривать как прототип, описано в статье [В.В. Чеверда, О.А. Кабов, Кризис теплообмена на микрооребренном нагревателе при течении пленки жидкости FC-72 под действием потока газа в миниканале, Теплофизика и аэромеханика, 2016, том 23, №6]. В экспериментальном исследовании кризиса теплообмена при движении пленки жидкости под действием потока газа в плоском миниканале используют нагреватель с микрооребренной поверхностью. Микрооребрение ориентировано по потоку с шириной отдельно взятой структуры w=0,3 или 0,5 мм.
При течении жидкости по такой поверхности вследствие испарения в межреберных впадинах формируется мениск жидкости. Вершины ребер оголяются от жидкости. На каждой вершине ребра формируется две области с очень тонкой пленкой жидкости, фиг. 1, где 1 - микрооребренная поверхность; 2 - мениск жидкости; 3 - «микрорегион»; 4 - межреберная впадина; 5 - ребро. Здесь понятие мениск жидкости равносилен понятию «удлиненный мениск жидкости», который включает в себя существенную часть мениска, где играют роль в основном только капиллярные силы, а также включает «микрорегион», где важно также действие расклинивающего давления.
Такие области в научной литературе называют «микрорегионом». В данной области происходит контакт трех фаз газ - жидкость - твердое тело, что обеспечивает очень высокую интенсивность испарения. Данный факт подтвержден целым рядом теоретических и экспериментальных работ [Р.С. Stephan, С.A. Busse, Analysis of the heat transfer coefficient of grooved heat pipe evaporator walls, Int. J. Heat Mass Transfer, 1992, 35 (2) 383-391; C. Kunkelmann, K. Ibrahem, N. Schweizer, S. Herbert, P. Stephan, T. Gambaryan-Roisman, The effect of three-phase contact line speed on local evaporative heat transfer: Experimental and numerical investigations, Int. J. Heat Mass Transfer, 2012, 22, 1896-1904]. Вследствие испарения в межреберных впадинах мениск жидкости углубляется в канавку, что приводит к росту кривизны границы раздела газ - жидкость и, как следствие, к капиллярному транспорту жидкости вдоль нагреваемой поверхности. Тем не менее, значительная часть поверхности ребра оголяется от жидкости и уже не участвует в процессе испарения, что заметно снижает эффективность испарителя.
Недостатками указанных технических решений является относительно малая площадь линий контакта трех фаз по сравнению с площадью ребра, что заметно снижает эффективность испарителя.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности испарения за счет создания микрооребренной поверхности для удлинения динамического мениска, что обеспечивает значительную площадь линий контакта трех фаз по сравнению с прототипом.
Согласно изобретению на продольных ребрах интенсифицирующей микрооребренной теплообменной поверхности выполнено множество имеющих треугольную форму в поперечном сечении продольных микроканавок, несимметрично расположенных относительно плоскости продольного сечения ребра и имеющих различную ширину, причем ширина микроканавки тем меньше, чем ближе она к вершине ребра.
Сущность заявляемого изобретения поясняется фиг. 2, 3, 4 и 5.
Фиг. 2 - поперечное сечение ребра с продольными микроканавками, имеющими в поперечном сечении форму равнобедренного или равностороннего треугольника, ориентированными так, что ось симметрии микроканавки перпендикулярна боковой стороне ребра.
Фиг. 3 - поперечное сечение ребра с продольными микроканавками, имеющими в поперечном сечении форму разностороннего треугольника.
Фиг. 4 - схема движения жидкости интенсифицированной теплообменной поверхности, вид сбоку.
Фиг. 5 - схема движения жидкости интенсифицированной теплообменной поверхности, вид сверху.
Где: 1 - микрооребренная поверхность; 2 - удлиненный мениск жидкости; 3 - «микрорегион»; 4 - межреберная впадина; 5 - ребро; 6 - боковые стороны ребра; 7 - микроканавки; 8 - артерия жидкости в микроканавке; 9 - линия контакта трех фаз; 10 - вершина ребра; 11 - центр межреберной впадины; L - длина артерии жидкости в продольной микроканавке; С - длина всей поверхности теплообмена с интенсивным капиллярным транспортом жидкости вдоль ребра.
Заявляемое изобретение содержит теплообменную поверхность 1 с продольными микроребрами. На каждой боковой стороне ребра 6 выполнено множество микроканавок 7. Продольные микроребра и микроканавки на поверхности нагрева выполняют с помощью различных технологий, например, фрезерованием.
Если на каждой боковой стороне ребра выполнено N продольных микроканавок, то количество линий контакта трех фаз на ребре составит 2+4N. Например, в случае N=3, количество линий контакта трех фаз на ребре = 14, т.е. возрастает в 7 раз. Площадь ребра, где происходит интенсивный теплообмен, возрастает, что повышает эффективность работы всей системы.
Наиболее оптимальной формой продольных микроканавок является треугольная, так как такая форма обеспечивает максимальную кривизну границы раздела газ - жидкость и капиллярный транспорт жидкости вдоль нагреваемой поверхности.
Причем в поперечном сечении микроканавка может иметь форму треугольника любого вида, остроугольного, тупоугольного и прямоугольного.
Ориентация канавок зависит от технологии их производства.
Канавки, имеющие в поперечном сечении форму равнобедренного или равностороннего треугольника, выполняют так, что ось симметрии располагается перпендикулярно к боковой стороне ребра, как показано на фиг. 2.
Микроканавки расположены несимметрично относительно плоскости продольного сечения ребра, чтобы в минимальной степени снижать теплопроводность вдоль основного ребра.
Микроканавки выполняют различной ширины, причем ширина микроканавок уменьшается по направлению к вершине ребра, т.е. чем ближе микроканавка к вершине ребра, тем меньше ее ширина.
Размер, ориентация и расположение микроканавок позволяют увеличить площадь тонкой пленки и, следовательно, увеличить длину границы раздела газ - жидкость и интенсивность испарения.
Заявляемое изобретение работает следующим образом. Поток сплошной тонкой пленки жидкости натекает на нагреваемую микрооребренную поверхность 1 с продольными ребрами 5. Жидкость интенсивно испаряется, протекая по поверхности, что приводит к росту кривизны мениска 2 в межреберных впадинах 4 вдоль поверхности и появлению перепада давления в пленке жидкости. Возникает эффект, широко используемый для транспорта теплоносителя в тепловых трубах с канавками [Heat Pipes / Ed. by D.A. Reay, P.A. Kew, R.J. McGlen. 6th Ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2014, 288 p.].
Каждая продольная микроканавка 7 удерживает в себе жидкость и образует мениск 2, как показано на фиг. 1. Чем меньше размер микроканавки, тем выше кривизна границы раздела газ-жидкость и капиллярный транспорт жидкости вдоль нагреваемой поверхности.
Схема движения жидкости по предложенной поверхности показана на фиг. 4 и 5. Длина артерии жидкости в продольной микроканавке, L, зависит от многих факторов, главным из которых является плотность теплового потока.
Длина всей поверхности теплообмена с интенсивным капиллярным транспортом жидкости вдоль поверхности, С, ограничена и зависит от теплового потока, свойств жидкости и твердого тела, внешних факторов.
Длина поверхности теплообмена зависит от теплового потока, свойств жидкости и твердого тела, внешних факторов.
Применение предложенной поверхности будет иметь максимальный эффект в высоконапряженных по тепловым потокам мини- и микросистемах, когда общая длина теплообменной поверхности будет соизмерима с величинами L и С.
Таким образом, работами авторов было подтверждено, что соответствующим выбором структуры микрооребрения поверхности можно повысить производительность различных тонкопленочных испарительных систем охлаждения электронного и микроэлектронного оборудования.