Experimentelle Untersuchung des Wärmeübergangs bei Sprühkühlung an porösen und strukturierten Oberflächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Wärmeübertragung bei Sprühkühlung wurden experimentell in einem Temperaturbereich untersucht, der für potentielle Anwendungen im Bereich Elektronikkühlung relevant ist. Ziel war es, einen Beitrag zum besseren Verständnis der Transportphänomene zu leisten und insbesondere die Anteile der einphasigen Konvektion und der Verdampfung am Wärmübergang zu quantifizieren. Dazu wurden die flüssigen Arbeitsmedien Methanol und Novec-7000 in einer konditionierten Druckkammer auf die zu kühlende Oberfläche gesprüht und die Massenströme der erwärmten Flüssigkeit und des entstehenden Dampfes gemessen. Eine glatte und mehrere strukturierte Oberflächen wurden bei unterschiedlichen Prozessparametern untersucht, um den Einfluss der Oberflächengeometrie zu charakterisieren. Da bei der Verdampfung die Verdampfungsenthalpie im Fluid gebunden wird, ist dieser Mechanismus deutlich effizienter als die einphasige Konvektion. Der Anteil des Wärmeübergangs durch Verdampfung war auf einigen auf der strukturierten Oberfläche deutlich höher als auf der glatten Oberfläche. Insbesondere poröse Sinterstrukturen erwiesen sich als vorteilhaft, aber auch gefräste und lasergesinterte Strukturen. In erster Linie sind hierfür neben der Vergrößerung der Gesamtfläche die Vergrößerung der Länge der Dreiphasen-Kontaktlinie sowie das Vorhandensein von zahlreichen Oberflächenkeimstellen zur Bildung von Dampfblasen verantwortlich. Bei höheren Wärmestromdichten werden die Unterschiede an verschiedenen Strukturen und die Wärmeübergangskoeffizienten geringer, was auf eine einsetzende lokale Austrocknung der porösen Strukturen zurückzuführen ist. Messergebnisse mit beiden Arbeitsmedien auf gleichen Oberflächen wurden verglichen. Durch die deutlichen Unterschiede der Wärmekapazitäten und Verdampfungsenthalpien sind die Wärmeübergangskoeffizienten mit Methanol auf allen Oberflächen größer als die von Novec-7000. Die Verläufe der Wärmeübergangskoeffizienten als Funktion der Heizleistung weichen auf den porösen Strukturen für die beiden Fluide qualitativ voneinander ab. Bemerkenswert sind die über einen weiten Bereich von Wärmestromdichten guten Eigenschaften der porösen Strukturen. Die mit Kupferpulver gefüllte Rillenstruktur (Hybridstruktur) zeigte besonders hohe Leistungsparameter. Der maximal erreichbare Gesamtwärmeübergangskoeffizient mit Methanol war hier mehr als viermal höher als bei Verwendung von Novec-7000. Noch deutlicher war die Differenz des maximalen Wärmeübergangskoeffizienten der reinen Verdampfung. Für Methanol war dieser Wert auf der Hybridstruktur nahezu fünfmal höher als bei Novec-7000. Die Ergebnisse zeigen somit deutlich ein großes Potential zur Erhöhung der Kühlleistung durch den Einsatz strukturierter und poröse Oberflächen. Die Anteile der Wärmetransportwege über einphasige Konvektion und über Verdampfung hängen stark von diesen Oberflächenstrukturen, der Wandüberhitzung und der Fluidunterkühlung ab.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Bestimmung der Anteile von einphasiger Konvektion und Verdampfung bei Sprühkühlung auf porösen und strukturierten Oberflächen. ProcessNet-Tagung Wärme- und Stoffübertragung, Weimar, 2012
M. Winter, T. Gambaryan-Roisman, P. Stephan
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Evaporation from microporous surfaces in a mechanically pumped two-phase loop. Heat Pipe Science and Technology, Vol. 3, Issue 2-4, pp. 187–201. 2012
M. Winter, P. Stephan
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Experimentelle Charakterisierung der Wärmeübertragungsphänomene bei Sprühkühlung. ProcessNet-Tagung Wärme- und Stoffübertragung, Fulda, 2014
M. Winter, T. Gambaryan-Roisman, P. Stephan
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: Heat Transfer Mechanisms during Spray Cooling of Electronic Devices, Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2015
M. Winter
