Диссертация (1143641), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Все это является ключом к экономически эффективному производству новыхизделий микрофлюидики. В качестве примера такого микрофлюидного устройства рассмотриммодуль на основе тепловых микротрубок.Тепловая микротрубка (ТμТ) представляет собой герметичную структуру в видемикроканала, заполненного рабочей жидкостью, его ширина и глубина не превышает 1 мм.Каналы изготавливаются различной формы, в которой присутствуют острые углы. На рисунке7.3.4(а) представлена типичная тепловая микротрубка с треугольным поперечным сечением,состоящая из испарителя, адиабатической зоны и конденсатора [146]. К одному концу трубкиподается тепло и на нем происходит испарение рабочей жидкости.
Увеличение давления параприводит его в движение и, достигая относительно более холодного участка трубки, парконденсируется, выделяя тепло. Уменьшение количества жидкости в зоне испарения приводитк уменьшению радиуса кривизны жидкого мениска, одновременно увеличение жидкости в зонеконденсации приводит к уменьшению радиуса его кривизны на этом участке, вследствие этоговозникает градиент давления жидкости, который и приводит ее в движение из зоныконденсации в зону испарения. Одиночные каналы обладают маленькой теплопроводностью,из-за этого обычно используются модули на основе микротепловых труб, как показано нарисунке 7.3.4(б).(а)(б)Рисунок 7.3.4 – Схема одинойной тепловой микротрубки треугольного сечения [147] (а) итеплопроводящего модуля на основе массива тепловых микротрубок[148] (б)226Детальные исследовании тепловых микротрубок были начаты в 1992 в работе [149] вкоторой показано, что их использование приводит к уменьшению температуры на 17,9%.
Вдальнейшем получены результаты эффективной теплопроводности модуля с тепловымимикротрубками треугольного сечения на уровне 342 Вт/м·К [150]. В пределе оценочныезначения показателя теплопроводности теплораспределительных модулей составляют до 900Вт/м·К [151] что более чем в 2 раза больше, чем у меди.Мощность теплопередачи ТμТ зависит от ее геометрии, используемой рабочей жидкости,смачиваемости внутренней поверхности и объема жидкости заполняющую трубку. Геометрияканаловсильновлияетнасвойства.Наличиеострыхугловпозволяетувеличитьтеплопроводность, поэтому в основном используются трубки с формами поперечного сечениятакими как прямоугольник [152-156], треугольник [148, 157], и треугольник с дополнительнымканалом для жидкости [146, 158], представленные на рисунке 7.3.5.Рисунок 7.3.5 – Формы поперечных сечений тепловых микротрубокНаличие сложной геометрии поперечного сечения тепловой микротрубки как правилоувеличивает еѐ теплопроводность.
Это происходит за счет того, что в острых углах жидкость засчет капиллярных сил быстрее возвращается из зоны конденсации в зону испарения. Принормальной работе тепловой трубки в зоне, где подводится теплота, происходит испарение иэто приводит к тому, что уменьшается локальный радиус капилляров, в то время какконденсация в зоне отвода тепла приводит к увеличению местного радиуса капилляра. Именноэта разница в двух радиусах кривизны «накачивает» жидкость из конденсатора в испаритель. Встационарном режиме принято считать, что радиус капилляра в конденсаторе приближается кбесконечности, так что максимальное капиллярное давление для тепловой трубы, работающей вустановившемся состоянии, может быть выражено как функция только радиуса капилляраиспарителя.
Следовательно, существует оптимальная геометрия каналов, которую можно найтитеоретически для простых форм или экспериментально для других более сложных структур.Эти расчеты и оценки для некоторых форм приведены в [159].С учетом сказанного можно предложить геометрию сечения капилляра тепловой трубы,которая является соединением треугольного профиля в кремнии с полукруглым профилем встекле. Сравнивая такое сечение канала с треугольным и прямоугольными профилями можноотметить увеличенное значение площади сечения, что способствует более легкому движению227пара из области испарителя к конденсатору, с сохранением той же геометрии углов, на которыхдействуют капиллярные силы.
В сравнении с прямоугольным профилем, профиль полученныйпутем микрореакторного травления в кремнии характеризуется меньшими значениями острыхуглов,обеспечиваяменьшиерадиусысмачивания.Такимобразом,технологиямикрореакторного травления позволяет формировать сложные профили для повышеннойэффективности работы тепловых микротрубок, при одновременно меньших затратах натехнологический процесс.При этом особенно важным становится тот факт, что при таком способе изготовления нетребуется защита обратной стороны кремния.
Это позволяет формировать тепловыемикротрубки прямо на пластине с активными тепловыделяющими элементами.Резюмируя вышесказанное можно отметить:1. Технология жидкофазных микрореакторов позволяет создавать микрофлюидныеструктуры в многослойных пластинах с высокой точностью совмещения без использованияспециализированного прецизионного оборудования или оснастки.2. Технология позволяет существенно упростить технологический процесс изготовлениямикроканалов и других элементов, сократив число технологических операций с 7 до 2.3. С применением технологии травления кремния в микроканалах имеется возможностьэкономически эффективно создавать структуры со сложной геометрией поперечного сечения,что особенно важно для создания высокоэффективных тепловых микротрубок для отводаизбыточного тепла от мощных полупроводниковых компонентов.
Это позволяет рассчитыватьна получение теплопроводящих модулей с повышенной эффективностью, по сравнению с ужесуществующими решениями, приближая их реальную теплопроводность к теоретическимоценкам до 900 Вт/м∙К.7.4. Выводы к главе 7В этом разделе мы рассмотрели три наиболее значимых на сегодняшний момент способапрактического применения разработанной технологии микрореакторов с жидкой фазой. Наосновании этого можно сделать обобщающие выводы:1. Технология жидкофазных микрореакторов может успешно применяться в рамкахнаучных исследований деталей и механизмов физико-химических процессов в жидкой фазе,позволяя существенно повысить объем проводимых экспериментальных исследований икачество получаемой научной информации;2.
Технология травления в микрореакторах может быть успешно применена для созданияновых типов устройств. Уравновешенный пассивный микрофлюидный мостик Уинстонасоздать традиционными технологиями невозможно или экономически не эффективно.Применениемикрореакторноготравлениярешаетэтитехнологическиепроблемы.228Разработанная технология и новые устройства, созданные с еѐ применением имеют широкоеприкладное значение. Показан, в частности, способ создания высокоточных измерительныхсистем дифференциального давления.
Эти системы, обладая новыми свойствами, расширяютобласть применения интеллектуальных сенсорных систем и могут с успехом применяться втакой важной области техники как ветроэнергетика, повышая эффективность генерирующихустановок. Факт того, что применение разработанной технологии микрореакторного травленияможет иметь далеко идущие последствия говорит о силе и потенциале данной технологии.3. При помощи технологии жидкофазных микрореакторов появилась возможность безиспользования прецизионного оборудования и множества вспомогательных операций создаватьмикроканалы в многослойных пластинах с высокой точностью совмещения и сложнойгеометрией. Это может бытьуспешно использовано для улучшения характеристиктеплопроводности тепловых микротрубок, позволяя создавать эффективные теплоотводящиемодули прямо на пластинах с мощными полупроводниковыми компонентами.
Это повыситкачество функционирования и надежность таких устройств, будет способствовать ихдальнейшему развитию.4. Разработанная технология микрореакторов с жидкой фазой имеет широкий спектрпрактического применения и, с большой вероятностью, в ближайшее время будет внедрена впроизводственный цикл крупнейших высокотехнологичных предприятий как в России, так и зарубежом.229ЗАКЛЮЧЕНИЕВ ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:1) Разработана аналитическая модель и методика расчета осесимметричных химическихмикрореакторов с течением вдоль оси и вдоль радиуса и учетом явления проскальзывания настенках. С еѐ помощью найдены условия, способствующие проведению локальныхгетерогенных процессов.2) Исследованы основные закономерности поведения модели, описывающей процессылокального химического осаждения из газовой фазы в микрореакторе с одним центральнымканалом, построенной на основе уравнений движения вязкого химически реагирующего газа.Установлены закономерности влияния геометрии, скорости потока, диффузии, константгомогенных и гетерогенных химических реакций, начальной концентрации веществ нараспределение компонентов и скорость осаждения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
