《武汉工程大学学报》  2019年02期 173-178   出版日期：2019-04-18   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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微加热器上不同工质的气泡动力学实验


随着微机电系统技术（micro electro mechanical system， MEMS）的发展，对微加热器表面沸腾的研究显得越来越重要，尤其是微气泡动力学的研究，微气泡产生的过程中涉及到的微扰动以及微传热，被应用到很多领域，如气泡致动器、高能热密度微电子、生物传感器等。Xu等［1］研究了不同热通量下微加热器的微泡行为，发现在静止流体中加热铂膜会产生3种具有代表性的气泡型态。Xing等［2］以一种新型的氧化石墨烯微加热器为研究对象，通过实验与理论研究分析了微加热器表面生成气泡的特性，发现氧化石墨烯的光热特性允许在微尺度上有效地产生热梯度场，这对于开发新型的光热气泡器件非常有用。林曦鹏等［3］通过实验研究了在水平放置的低高宽比聚二甲基硅氧烷微通道内的局部位置生成的气泡的气泡动力学行为，发现微通道内起始沸腾需要比常规通道更大的避免过热度，液体流量和加热速率对气泡的增长和运动有极大的影响。李帆等［4］通过对脉冲加热过程中，微型加热器表面气泡的生长及湮灭进行三维数值模拟，发现在同等条件下，数值模拟结果与实验结果相比，气泡的生长和萎缩过程具有较好的一致性。纳米流体由于在强化传热领域的潜在应用市场，引起了研究人员的广泛关注。Xu等［5］以Al2O3-H2O纳米流体中的微加热器为研究对象，发现微加热器在Al2O3-H2O纳米流体中的换热效果要明显高于纯水。Sarafraz等［6］通过对不同浓度的氧化铝纳米流体的池沸腾进行研究发现，随着纳米流体浓度的增加其临界热通量（critical heatfluk，CHF）的增强速率也增强。Peng等［7］研究了水平管内CuO-R113 纳米流体的流动沸腾，发现传热系数最大可提高29.7%。本文采用一种特征尺寸10 μm的哑铃结构的Pt薄膜微加热器，研究了在单个脉冲加热条件下，不同工质种类和脉宽宽度条件下的沸腾现象，并利用电荷藕合器件图像传感器（charge coupled device，CCD）摄像头记录了过程，然后对乙醇、除气水和碳纳米管纳米流体3种工质中微加热器气泡动力学行为做出了对比分析。1　实验部分1.1　微加热器及其制作工艺实验采用的哑铃结构的Pt薄膜微加热器如图1所示。这种微型加热器与传统宽度均匀的带式加热器不同，该加热器可以将能量集中在加热器的狭窄部分，大大增加了每单位体积产生的热量，实验中更容易生成单一气泡。Pt微加热器的制造过程遵循传统的MEMS技术［8］。使用P型双面抛光和<100>取向的Si晶片（直径10.16 cm，厚度400 μm）作为基底。首先对Si晶片进行清洗、烘干；然后利用低压化学气相淀积（LPCVD）工艺在Si晶片上淀积一层二氧化硅（SiO2）薄膜（厚为2 μm），作为绝缘层；接着在SiO2薄膜层上涂覆光刻胶并光刻显影，然后溅射0.2 μm厚的Pt薄膜，并使用剥离工艺将其图案化。采用这种技术是因为溅射过程的方向随机性导致良好的颗粒结构，实现精确的厚度控制；最后溅射0.2 μm厚的Au薄膜，并通过湿法腐蚀形成引线图案，Au薄膜的宽为100 μm。具体流程如图2所示。1.2　实验工质的准备1.2.1 　除气水和乙醇　工质除气水：为避免水中含有的气体对实验现象造成影响，实验用工质水为经过制备的除气水。制备过程：取适量自来水加入热水器中，经过高温加热煮沸5 min，然后静置使其自然冷却至常温即可用以实验。工质乙醇：实验用乙醇为无水乙醇。1.2.2　碳纳米管纳米流体　实验中所用碳纳米管纳米流体是使用两步法制得［9］。其制备过程为：1）首先取一定量的乙二醇作为基液，接着取适量质量分数为0.08%的GA（阿拉伯树胶粉）分散剂加入基液中并超声振荡；2）然后称取需要的平均粒径为30 nm的碳纳米管纳米粒子加入到第1步制备的溶液中，并连续搅拌振荡，从而制备出悬浮稳定性好的碳纳米管流体，质量分数为0.001%；3）用透射电镜观察，纳米粒子很好地分散于乙二醇基液中，证明纳米流体制备成功可用以实验［10-11］。1.3　实验装置及过程 本实验的实验装置由CCD摄像头、显微镜、直流电源、三极管等组成。显微镜实现对微尺度沸腾现象的视场放大，CCD摄像头用于观察和拍摄微气泡在加热器表面的生长过程。直流电源和三极管以及脉冲发生器提供脉冲宽度和幅值都可控的加热脉冲，其中脉冲发生器是LabVIEW软件编程的虚拟脉冲发生器。实验装置图如图3所示。加热脉冲发生器的控制电路如图4所示。其中脉冲发生器用于产生一定幅值脉宽的单个脉冲；τ为加热脉冲宽度；Rb为串联的定值电阻，用于保护电路；Rh为微加热器的总电阻：包括Pt膜的电阻RPt，Au层的电阻和接触电阻。加热脉冲由开关电路控制，开关电路可提供短至微秒的脉冲宽度。可编程LabVIEW用于产生脉冲序列，该脉冲序列通过采集卡NI-6111被发送到开关电路，以控制开/关加热过程。实验用到的脉冲宽度为：100 ms，300 ms，1 000 ms。实验时，先通过移液管分别将除气水，乙醇以及质量分数为0.001%的碳纳米管纳米流体加载到微加热器芯片上，使得微加热器沉浸在液体的底部。然后将一定脉宽的加热脉冲施加在微加热器上，逐步增加输入电压Ucc调节加热脉冲的高度，直到在微加热器上出现沸腾，称为“起始”气泡形成。实验通过使用CCD摄像头观察和记录该工质和加热条件下的沸腾过程，然后改变工质及脉冲宽度，重复上述步骤。2　数据处理和误差分析2.1　气泡直径数据的处理分析为定量得到沸腾过程的单气泡直径随时间的依变关系，使用MATLAB程序测量数字化视频的每帧中的气泡直径d［12］。经过分析得出，这种气泡尺寸测量方法的误差主要源于难以准确地识别气泡几何形状的边界线，实验中通过多次测量取平均值减小此误差。2.2　沸腾起始电压和起始功率的计算实验数据处理时，微加热器产生气泡所需的起始电压UPt可由公式UPt=（Ucc-Uce） RPt /Rtotal计算所得，其中Ucc为微加热器产生起始沸腾气泡所需输入的电压，可直接读取；Uce为三极管饱和导通压降，取定值0.7 V；Rtotal为微加热器件总电阻；RPt是Pt薄膜电阻。沸腾起始功率由公式P=I2Rpt计算所得。其中I为在一定脉宽的脉冲加热下气泡生成所需的起始电压所对应的电流，可由公式I=（Ucc-Uce） /Rtotal计算所得。实验中，通过多次重复实验，得到平均的起始电压Ucc，以减小实验误差。3　结果与讨论3.1　气泡成核的可视化在脉冲加热下，微加热器表面能量不断地聚集，温度不断升高，当加热面达到一定过热度时加热面开始产生气泡，在一定脉宽范围持续的加热下，更多的液体工质达到沸点而气化融入到生成的单个气泡中，气泡迅速地增长变大，直到脉冲加热结束。实验过程中，用CCD摄像头拍摄了乙醇、除气水和碳纳米管纳米流体3种工质在微加热器上产生气泡的生长过程。加热脉宽τ为1 000 ms，3种工质输入功率分别为：3.11 mW、6.99 mW、111.9 mW。图5、 图6、图7分别展示了不同工质中气泡在0 ms，83 ms，167 ms，250 ms，333 ms，417 ms时的生长形态，为方便研究，取观察到的第一个气泡为时间上的起始记录点。从图5~图7中可以观察到，不同工质中微加热器上的沸腾模式彼此基本相同：在加热器的哑铃结构中间区域上精确地产生球形的单个气泡，且随着脉冲加热时长的增加气泡迅速的长大，直到在脉冲加热停止时达到最大。在以往的较多的类似实验中，随着脉冲的加热，气泡并不能准确地从微加热器的中间部分快速产生，影响了实验研究的准确性。而在本实验的结果中，观察到气泡能顺利从微加热器的中间部分产生，这跟实验采用哑铃型结构的微加热器有关。实验前期，通过ANSYS仿真软件模拟发现，在相同的加热条件下，哑铃型结构的微加热器温度达到稳态时温度峰值比条形微加热器高20 K左右，且能快速地升温并达到温度峰值，这体现了哑铃型结构的微加热器显著地聚热效果。在该实验的重复测试中没有观察到产生的气泡有脱离现象。应当注意的是，由于CCD记录速度的限制（24帧/秒），所以在这个气泡快速增长的过程中丢失了一些信息。3.2　气泡动力学行为分析为了定量地表征微加热器在不同工质中沸腾过程的单个气泡动力学行为，基于CCD拍摄的图像，使用MATLAB程序选定测量脉宽在1 000 ms时拍摄的数字化视频中每帧图片的气泡直径，通过处理测得的直径数据，得到了气泡直径与加热时间的函数关系曲线，曲线覆盖了气泡整个的生长过程，如图8所示。从图8中可知，3种工质的气泡直径-时间曲线彼此有一定的差异，在同种工质中，随着加热时间的增加，生成气泡的直径逐渐增大。观察图8可发现，每种工质的气泡增长过程基本都是先急剧的快速增长，然后增长变缓最后趋于稳定，可大致分为3个阶段：在0~0.2 s时间内是气泡迅速增长的加速增长期，0.2~0.8 s 为气泡增长速度变缓的平稳成长期，0.8~1 s 为气泡直径趋于稳定的缓慢变化期。对比发现，微加热器在浓度为0.001%的碳纳米管纳米流体工质中产生的气泡整体直径最大，且最大气泡直径是纯水和酒精的气泡最大直径的2倍左右。在工质纯水中比工质酒精中产生的整体气泡直径稍大。这是因为，工质中生成气泡直径的这种差异与其传热过程，及工质自身的表面张力等因素有关；同时由于本实验研究的是“起始”沸腾现象，所以不同工质其输入的加热功率也不同，在工质碳纳米管纳米流体中输入的功率为111.9 mW，而在工质乙醇中的输入功率为3.11 mW，输入功率越大生成气泡的直径也越大，这与Sarker等［13］的研究结果一致。3.3　微泡生成的起始电压功率分析在3种工质（除气水，乙醇，碳纳米管纳米流体）中，微加热器在单个脉冲加热下，随着脉宽τ的不断增加，其产生单气泡所需的输入电压UPt的变化曲线如图9（a）和输入功率PPt的变化曲线如图9（b）所示。由图9可知，在同种工质中，随着脉冲宽度一定范围的增加，微加热器产生气泡所需的起始电压和起始功率反而减小。分析其原因：由于微加热器表面上要产生气泡液体必须过热，也就是加热表面必须达到一定的过热度。在脉冲加热的过程中，当脉冲宽度增加时，液体加热时长增长，过程中产生的能量不断地聚集使得过热度也随之增加；当输入的加热功率增大时，加热电流密度变大，能量集聚的速度加快使得过热度也随之增加。从上面分析知，在同种工质中，微加热器表面要想达到最小的成核过热度，产生单一气泡，脉冲宽度与起始功率的关系成反比例关系。当脉冲宽度一定时，工质不同，其所需的起始电压和起始功率也不同。从图9中可知，3种工质中，微加热器在乙醇中产生气泡所需的起始电压和起始功率最小，而在碳纳米管纳米流体中微加热器产生气泡所需的能量最多，起始电压和起始功率最大，且所需起始电压要比在乙醇中产生气泡所需的起始电压大2~3倍。产生这种结果是因为液体在汽化时分子间平均距离加大、体积急剧增加，且此过程要克服液体任意两相邻部分之间相互作用的拉力即表面张力。在293 K的温度下乙醇和水的表面张力系数分别为22.32×10-3 N·m-1和72.75×10-3 N·m-1，实验所用碳纳米管纳米流体的表面张力系数最大，约为312.56×10-3 N·m-1。而蒸汽核形成速率与表面张力的关系为[N∝exp(-σ3)]［14］，相同条件下，表面张力越大液体气化成核的速率就越慢，且表面张力越大，液体成核数越少，越难生成气泡［15］，因此当实验工质的表面张力相对较大时，要想达到起始沸腾，就需要给予微加热器更大的输入功率。4　结　语本文研究了在单个脉冲加热条件下，一种特征尺寸10 μm哑铃结构的Pt薄膜微加热器在除气水、乙醇和碳纳米管纳米流体中的起始沸腾现象和气泡动力学行为，得到以下结论：1）通过观察在乙醇、除气水和浓度为0.001%的碳纳米管纳米流体3种工质中微加热器表面产生的规律性单个热气泡的直径变化，发现在碳纳米管流体中产生的气泡直径整体较大，在乙醇工质中生成的气泡直径整体最小。2）结合气泡动力学行为分析微加热器产生气泡所需的起始电压和起始功率变化。一定尺寸的微加热器在同种工质中，当脉冲脉宽增大时，微加热器沸腾所需要的起始电压和起始功率随之减小。3）对比分析了一定尺寸的微加热器在除气水、乙醇和浓度为0.001%的碳纳米管纳米流体3种工质中产生气泡所需的起始电压与起始功率变化，发现在3种工质中，乙醇气泡成核所需的加热器起始电压和功率最小，纳米流体中气泡成核所需输入的加热器起始电压和功率最大。4）研究结果为微尺度下的沸腾换热研究提供了实验依据。