Boiling heat transfer enhancement by using micro-pin-finned surface for electronics cooling

For efficiently cooling electronic components with high heat flux, experiments were conducted to study the flow boiling heat transfer performance of FC-72 over square silicon chips with the dimensions of 10 × 10 × 0.5 mm3. Four kinds of micro-pin-fins with the dimensions of 30 × 60, 30 × 120, 50 × 60, 50 × 120 μm2 (thickness, t × height, h) were fabricated on the chip surfaces by the dry etching technique for enhancing boiling heat transfer. A smooth surface was also tested for comparison. The experiments were made at three different fluid velocities (0.5, 1 and 2 m/s) and three different liquid subcoolings (15, 25 and 35 K). The results were compared with the previous published data of pool boiling. All micro-pin-fined surfaces show a considerable heat transfer enhancement compared with a smooth surface. Flow boiling can remarkably decrease wall superheat compared with pool boiling. At the velocities lower than 1 m/s, the micro-pin-finned surfaces show a sharp increase in heat flux with increasing wall superheat. For all surfaces, the maximum allowable heat flux, qmax, for the normal operation of LSI chips increases with fluid velocity and subcooling. For all micro-pin-finned surfaces, the wall temperature at the critical heat flux (CHF) is less than the upper limit for the reliable operation of LSI chips, 85◦C. The largest value of qmax can reach nearly 148 W/cm2 for micro-pin-finned chips with the fin height of 120 μm at the fluid velocity of 2 m/s and the liquid subcooling of 35 K. The perspectives for the boiling heat transfer experiment of the prospective micro-pin-finned sur- faces, which has been planned to be made in the Drop Tower Beijing/NMLC in the future, are also presented

微结构表面微重力下沸腾换热及临界机理研究

本文研究了微重力下新型复合微结构表面在FC-72溶液中的池沸腾换热性能，测试了三种不同热流密度下该表面的温度变化趋势及气泡动力学行为，重点分析了高热流密度下沸腾临界现象。实验结果表明：复合微结构表面在中低热流密度下壁面温度和沸腾换热系数与常重力工况基本保持一致无明显恶化；在高热流密度下进入微重力后壁面温度仍能维持短时间稳定，直到整个换热面被气泡覆盖后壁面温度才开始上升直至临界发生。复合微结构表面独特的微结构阵列及沟槽结构增加了换热表面的毛细芯吸力，可有效提升沸腾过程中工质的补液速率从而提高临界热流密度

微重力下加热面尺寸对气泡动力学行为的影响

为揭示微重力环境下加热表面尺寸对气泡动力学行为的影响,通过对比实验研究了不同热流密度条件下两种尺寸芯片表面核态沸腾过程中气泡的动力学行为.结果表明,低热流密度时两种尺寸芯片表面均能维持典型的孤立气泡沸腾,气泡生长合并过程缓慢,仅大芯片表面气泡脱落,并且体积达到小芯片气泡的3.4倍.两芯片在中等热流密度下均呈稳定的核态沸腾,气泡生长合并加速、脱离频率升高.大芯片表面气泡脱离次数明显高于小芯片,脱离气泡产生的尾流效应减小了后续气泡的脱离直径,进而有效抑制了气泡底部干斑的形成.高热流密度时,小芯片处于膜态沸腾状态,沸腾换热显著恶化;而大芯片表面仍能维较持稳定的核态沸腾.因此,增大芯片尺寸能有效促进气泡脱离,提高临界热流密度.继续升高大芯片热流至临界热流密度之上,虽然进入膜态沸腾换热状态,但是气泡无法完全覆盖芯片表面且可缓慢滑移,从而缓和了芯片温度上升速率

短时微重力下气泡尾流效应的动力学特性研究

实验研究了微重力环境中,不同热流密度时尾流效应对气泡动力学过程的影响。结果表明,微重力下气泡的尾流效应比常重力时更加明显,低热流密度时尾流对气泡动力学行为影响微弱,中高热流密度时尾流影响效果显著。尾流区内液体的水平流动促进了原生气泡间相互碰撞、合并过程,垂直加热面的流动则给气泡施加了向上的曳力,从而降低了气泡生长周期和脱离半径。尾流区内过冷液体的冷却作用使气泡内形成负压,液体从微柱结构内被吸入气泡底部,为其长大提供新鲜液体,避免局部干斑。尾流效应与微柱结构相互作用,能有效促进加热面的气泡合并和脱离过程,提高表面换热能力

双滑块翻斗机构的设计及运动学分析

为了满足米线生产过程中对折搭挂式米线连续、快速、稳定取料和送料的需要,研制了一种新型的翻斗机构。根据翻斗机构的功能要求,提出了相应的设计方案,通过比较,最终确定了翻斗机构的运动和传动形式;基于翻斗机构的运动机理,结合机构运动,建立了运动模型,即双滑块机构;在此基础上,进行了运动学分析,推导了翻斗的角度、角速度、角加速度随滑块链节的运动变化规律。为使翻斗在生产过程中匀速摆动,建立了翻斗上摆方程式,并由理论逆求得到翻斗作为原动件时滑块链节速度变化规律,为机构的智能控制提供了运动学参数

弧齿锥齿轮大重合度设计及啮合性能对比

为了改善弧齿锥齿轮啮合性能，提出了一种接触路径沿齿长方向的大重合度设计新方法。预置弧齿锥齿轮副的设计重合度和传动误差幅值及对称性，通过迭代优化局部综合参数，获得内对角和沿齿长的大重合度齿面印痕。借助齿面接触分析和轮齿承载接触分析，进行了两种大重合度设计在轮齿强度和承载传动误差上的比较。算例表明，接触路径沿齿长方向的大重合度设计在小轮、大轮弯曲强度和齿面接触强度上，分别提高了13.67%、10.05%和5.77%，承载传动误差幅值下降了31.32%，并且能够改善齿面印痕对安装误差的敏感性

Short-term Microgravity Experiment of Pool Boiling Heat Transfer Utilizing the Drop Tower Beijing

Boiling is a very complex and illusive process with very high efficiency of heat transfer.In many sub-processes in boiling phenomenon,gravity can be involved and play much important roles.To reveal its influence,long-term,steady microgravity are needed.However,the opportunity is much limited.Thus..

微重力流动沸腾临界热流密度预测经验关联式

本文总结了文献中微重力流动沸腾临界热流密度(CHF)研究的实验数据,并构建了微重力流动沸腾CHF数据库。进一步地,分析了流速、加热面长度和通道截面尺寸对微重力流动沸腾CHF与常重力对应条件下流动沸腾CHF的比值(q_(CHF-μg)/q_(CHF-1g))的影响规律。根据流速、加热面长度和通道截面尺寸对q_(CHF-μg)/q_(CHF-1g)的影响进行无量纲分析并提出了一个改进的微重力流动沸腾CHF预测关联式,该关联式的预测结果与实验值吻合良好,误差在±12%以内

Experimental Study of Pool Boiling of FC-72 Over Smooth Surface Under Microgravity

本文利用小尺度光滑芯片(10 mm×10 mm×0.5 mm),通过控制加热电流方法,在北京落塔进行了持续3.6 s有效微重力时间的过冷池沸腾实验研究. 在低热流和中等热流区,微重力条件下可以观察到稳态或准稳态池沸腾现象,传热特性基本维持不变;在中等热流区域,气泡的横向合并会引起合并后的大气泡表面剧烈震荡,进而引发合并大气泡从加热表面脱落. 在高热流密度区,微重力条件下加热表面很快形成半球形状并几乎完全覆盖其表面的聚合大气泡;随后,由于高过冷液体冷凝作用,聚合大气泡收缩为半椭球形状,界面也变得更为光滑,且完全覆盖了加热表面,壁温曲线明显升高,可能提前发生临界热流或转变为膜态沸腾,导致微重力条件下沸腾换热显著恶

短时间微重力池沸腾换热及其临界热流密度机理

研究了复合柱状微结构表面(PF30-60LP)在短时间微重力下的池沸腾传热性能,并与文献中的光滑表面和柱状微结构表面(PF30-60和PF50-120)进行对比.实验结果表明,微重力条件下, PF30-60PL的临界热流密度(critical heat flux, CHF)与光滑表面相比虽有提高,但却明显低于PF30-60和PF50-120,与常重力下所得实验结果存在明显差异.微重力条件下,由于浮力缺失,覆盖于加热表面的大气泡脱离周期远大于常重力条件.大气泡覆盖于表面时间过长,导致新鲜液体补给困难是造成微重力CHF显著降低的主要原因. PF30-60和PF50-120具备非常强的毛细芯吸作用,可显著提高加热面的侧向补液能力,因此其微重力下的CHF相比于光滑表面得到了十分显著的提高.而PF30-60PL由于较大面积光滑通道的存在,表面的毛细芯吸作用被削弱,因此其CHF介于光滑表面和柱状微结构表面之间.提高微重力池沸腾CHF,关键在于提高覆盖于加热面的大气泡的脱离频率和液体对加热表面的补给能力.可行的方法有降低液体工质表面张力或提高表面对液体的毛细芯吸性,通过外部施加电场或声场加速气泡脱离,强化Marangoni对流或采用局部加热法改变Marangoni力对气泡的作用力方向,通过调控气泡合并行为增大气泡合并后释放的表面能从而促进气泡脱离等