PL B1. POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA, Kielce, PL BUP 03/12. MAGDALENA PIASECKA, Kielce, PL WOJCIECH DEPCZYŃSKI, Jasło, PL

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. F28F 3/04 ( ) H01L 23/36 ( ) F28D 9/00 ( ) (54) Struktura intensyfikująca wymianę ciepła przy wrzeniu (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 03/12 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 07/14 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA, Kielce, PL (72) Twórca(y) wynalazku: MAGDALENA PIASECKA, Kielce, PL WOJCIECH DEPCZYŃSKI, Jasło, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Antoni Garstka

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest struktura intensyfikująca wymianę ciepła przy wrzeniu, zwłaszcza w przepływie. Wynalazek może znaleźć zastosowanie w budowie wysokoefektywnych zwartych wymienników ciepła wykorzystujących zjawisko zmiany fazy czynnika roboczego. Większość obecnie stosowanych urządzeń mechanicznych jest sprzężona z układami elektronicznymi. Mechaniczne i elektroniczne podzespoły maszyn i urządzeń wytwarzają podczas pracy ciepło, które powoduje przyrost temperatury tych urządzeń. W celu zapewnienia właściwej, długotrwałej pracy urządzeń i bezpieczeństwa użytkowników, wysoka temperatura musi być obniżana poprzez intensywne odprowadzanie ciepła. Szczególnie chłodzenie coraz większych struktur elementów elektronicznych pracujących z coraz większymi częstotliwościami przysparza sporo kłopotów konstruktorom i użytkownikom komputerów. Tradycyjne metody chłodzenia, polegające na wykorzystaniu konwekcji swobodnej lub wymuszonej, nie są w stanie sprostać wymogom związanym ze skutecznym odprowadzaniem ciepła z układów elektronicznych. W związku z tym powstała konieczność opracowania nowych metod intensyfikacji wymiany ciepła. Bardzo skutecznym sposobem chłodzenia jest wykorzystanie procesów wrzenia. Wykorzystanie zmiany fazy towarzyszącej procesom wrzenia daje możliwość uzyskania dużego strumienia ciepła przy małej różnicy temperatury między powierzchnią i cieczą nasyconą, co przyczynia się do intensyfikacji wymiany ciepła oraz do zmniejszenia wymiarów wymiennika ciepła. W trakcie badań nad wymianą w trakcie wrzenia zauważono, że kluczowe dla przebiegu procesu jest inicjowanie nukleacji pęcherzyków parowych. Zachodzi ona w miejscach zwanych ośrodkami nukleacji. Są to miejsca w kraterach lub na obrzeżach tych kraterów, w których zachodzą optymalne warunki do zainicjowania powstania pęcherza parowego. Takie wytworzone sztucznie na powierzchni miejsca posiadają rozwinięte powierzchnie. Wzrost współczynnika przejmowania ciepła, charakteryzującego intensyfikację wymiany ciepła, przy wrzeniu osiągany jest metodami pasywnymi np. poprzez zwiększenie chropowatości powierzchni, nałożenie materiału porowatego, stosowanie ożebrowania, struktur podpowierzchniowych, układów złożonych lub metodami aktywnymi jak wprowadzanie drgań powierzchni, mieszania, natrysku i rozpylania cieczy, pola elektrycznego. Z uwagi na duże oszczędności energetyczno-materiałowe intensywnie rozwijane są techniki pasywne, ogólnie polegające na modyfikowaniu charakterystyki i struktury powierzchni wymieniającej ciepła. Istnieje obecnie wiele technik pasywnych intensyfikacji wymiany ciepła, w których modyfikuje się powierzchnie poprzez oddziaływanie: chemiczne, cieplne, mechaniczne jak żeberkowanie, mikrożeberkowanie lub radełkowanie powierzchni czy mechaniczno-cieplne. Wśród metod cieplnych można wymienić procesy: natryskiwania cieplnego plazmowego i w łuku elektrycznym, spiekanie cząstek metalu, wykonywanie mikrootworów wiązką laserową czy stosowanie procesu elektroerozji. W przypadku, gdy niezbędne jest uzyskanie dużej regularności mikrowgłębień, wygodne jest wykorzystanie techniki laserowej. Z polskiego opisu patentowego PL znany jest sposób zwiększania powierzchni wymiany ciepła elementów metalowych, lub wykonanych ze stopów metali, który charakteryzuje się tym, że dokonuje się przetopienia powierzchni w obecności kanalika parowego powstałego w wyniku działania skoncentrowanej wiązki laserowej. Przetopienia dokonuje się strumieniem plazmy lub wiązką elektronową. Sam proces przetopienia prowadzony jest w sposób impulsowy, pulsacyjny lub ciągły. Przetopienie prowadzone jest z wytworzeniem lica i grani przetopu lub też z wytworzeniem podcięcia lica przetopu. Z polskiego opisu patentowego PL znany jest sposób zwiększania powierzchni wymiany ciepła elementów metalowych, lub wykonanych ze stopów metali, w którym dokonuje się przetopienia powierzchni w obecności kanalika parowego i jednocześnie podczas przetapiania element poddaje się wibracji. Z polskiego opisu patentowego nr PL znana jest struktura intensyfikująca wymianę ciepła przy wrzeniu, wykonana w postaci układu żeber z wyodrębnionymi miniżebrami oraz struktury porowatej w postaci siatki miedzianej usytuowanej w przestrzeni międzyżebrowej. Struktura intensyfikująca proces wymiany ciepła przy wrzeniu, zwłaszcza w przepływie, według wynalazku charakteryzuje się tym, że jest utworzona przez mikrowgłębienia w postaci kraterów na powierzchni wymiennika, przekazującej ciepło do czynnika chłodzącego. Korzystnie mikrowgłębienia utworzone są na powierzchni metalowej i są rozmieszczone regularnie na powierzchni wymiany ciepła. Powierzchnię wymiennika może stanowić folia metalowa. Z folii metalowej z uformowaną strukturą

3 PL B1 3 utworzone są minikanały o prostokątnym zarysie, których boczne ścianki wykonane są z materiału izolacyjnego. Rozwiązanie według wynalazku pozwala na uzyskanie kształtu mikrowgłębień w postaci kraterów na powierzchni, które wymuszają zainicjowanie wrzenia na powierzchni rozwiniętej, powoduje zwiększenie liczby ośrodków nukleacji podczas wrzenia; jednocześnie inicjacja wrzenia następuje przy niższych strumieniach ciepła w stosunku do powierzchni gładkich. Wykonanie struktury mikrowgłębień w postaci kraterów w folii metalowej powoduje uzyskanie powierzchni co najmniej jednostronnie rozwiniętej, co skutkuje zwiększeniem powierzchni zwilżanej przez płyn oraz intensyfikuje wymianę ciepła, wykorzystanie powierzchni metalowej jako powierzchni rozwiniętej (folia), korzystnie ze stopu Haynes-230, gwarantuje względnie stałą wartość oporności właściwej materiału w umiarkowanych temperaturach; stop Haynes-230 jest żaroodporny i żarowytrzymały. Do korzystnych skutków rozwiązania należą zaobserwowane eksperymentalnie prawidłowości, że wrzenie inicjowane jest w tych miejscach powierzchni, w których znajdują się sztucznie utworzone mikrowgłębienia, a zatem można prognozować miejsce inicjacji wrzenia oraz, że inicjacja wrzenia w przepływie na powierzchniach rozwiniętych następuje przy niższych strumieniach ciepła niż ma to miejsce dla powierzchni gładkich. Zatem w wymiennikach ciepła z powierzchnią rozwiniętą pozwala uzyskiwać większą intensyfikację wymiany ciepła już przy niższych temperaturach powierzchni. Struktura mikrowgłębień w powierzchni metalowej może zostać wykorzystana jako element przepływowego wymiennika ciepła z minikanałami do chłodzenia elementów wydzielających strumienie ciepła o dużej gęstości. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok perspektywiczny pojedynczego kanału, fig. 2 - przekrój poprzeczny minikanału z folią metalową, fig. 3 - przekrój poprzeczny minikanału z dwiema foliami ze strukturą miniwgłębień, fig. 4 - schemat obiegu medium przez wymiennik ciepła, fig. 5 - widok regularnie rozmieszczonych mikrowgłębień, fig. 6 - obraz 3D powierzchni, a fig. 7 - obraz 3D powierzchni pojedynczego mikrowgłębienia. Na powierzchni folii metalowej 4, wykonanej ze stopu Haynes-230, uformowano mikrowgłębienia 7 równomiernie rozmieszone na całej powierzchni folii. Mikrowgłębienia wykonano przy użyciu drążarki laserowej. Posiadają one średnicę c od 10 do 30 m i głębokość od 3 do 30 m, przy czym są regularnie rozmieszczone co 100 m w obu osiach, a i b. Głębokość mikrowgłębień zależy od parametrów ustawienia wiązki drążarki laserowej, przy czym wokół mikrowgłębień odkłada się pierścieniowo warstwa przetopionego metalu o wysokości około 7 m, miejscowo do 5-10 m. Uzyskana jednostronnie rozwinięta powierzchnia metalowa stanowi co najmniej jedną ściankę uformowanego minikanału 6 o wysokości 1 mm i szerokości 40 mm, przez który przetłaczano płyn chłodniczy FC-72 od wlotu 1 do wylotu 2. Ściankę przeciwległą stanowi identyczna folia metalowa 4 ze strukturą mikrowgłębień 7 lub gładka 3. Ścianki boczne minikanału 5 wykonane są z materiału izolacyjnego wykonanego z folii z PTFE. Układ przepływowy zawiera również skraplacz 9 oraz pompę 10. Minikanał 6 przedstawiony na fig. 2 posiada jedną ściankę 3 z folii gładkiej. Główne parametry metalowej folii rozwiniętej jednostronnie (ze stopu Haynes-230) wykorzystanej w przykładzie wykonania wynalazku: średnica pojedynczego mikrowgłębienia c - ok. 10 m; odległość między mikrowgłębieniami w obu osiach, tj. a i b: 100 m; głębokość pojedynczego mikrowgłębienia - ok. 3 m; wysokość pierścieniowego krateru wokół mikrowgłębienia - ok. 7 m, miejscowo do 5-10 m; całkowita średnica całej struktury mikrowgłębienia wraz z kraterem - ok. 35 m; całkowita wysokość całej struktury mikrowgłębienia wraz z kraterem - ok. 10 m Zastrzeżenia patentowe 1. Struktura intensyfikująca proces wymiany ciepła przy wrzeniu, zwłaszcza w przepływie, znamienna tym, że jest utworzona przez mikrowgłębienia (7) w postaci kraterów na powierzchni wymiennika, przekazującej ciepło do czynnika chłodzącego. 2. Struktura, według zastrz. 1, znamienna tym, że mikrowgłębienia (7) utworzone są na powierzchni metalowej.

4 4 PL B1 3. Struktura, według zastrz. 2, znamienna tym, że mikrowgłębienia (7) są rozmieszczone regularnie. 4. Struktura, według zastrz. 2, znamienna tym, że powierzchnię wymiennika stanowi folia. 5. Struktura, według zastrz. 4, znamienna tym, że z folii metalowej z uformowanymi mikrowgłębieniami (7) utworzone są minikanały (6) o prostokątnym zarysie, których boczne ścianki (5) wykonane są z materiału izolacyjnego. Rysunki

5 PL B1 5

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)