WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Эффект гигантской теплоотдачи с позиции макротеплотехники можно объяснить тем, что тепловой пограничный слой вблизи микронагревателя отсутствует, или крайне невелик (~ 5 мкм), но тогда остается непонятной причина столь интенсивной естественной конвекции т.к. значение критерии Грасгофа ничтожно мало из – за того, что длина нагретого тела входит в него в третьей степени.

Задача оказалась новой для теоретической теплотехники по той причине, что микрообъекты не представляли долгое время никакого практического значения, а также из – за отсутствия средств измерения их температуры.

Во второй главе приводится решение задачи теплообмена между точечным источником с температурой Т1 и радиусом R1 и неограниченной газообразной средой с температурой Т2. В теплотехнике подобная задача решена для случая шаровой стенки. В отличие от него толщина пограничного слоя R2 – R1, в котором теплопередача осуществляется теплопроводностью, в рассматриваемом случае не задана и должна быть определена экспериментально.(рис.2) T, C 0 50 100 150 200 250 r, mkm Рис.2 Тепловое поле микронагревателя.

1 – расчетное по уравнению (1) 2 – экспериментальные данные Измерение профиля распределения температуры выполнялось вторым терморезистором, служившим термометром сопротивления, который перемещался с помощью микрометрического винта.

Распределение оказалось гиперболическим, что и следует из решения дифференциального уравнения теплопроводности в сферических координатах :

1 R1 -1 R Т1 - Т = Т1 - Т2 1 R1 -1 R, ( 1 ) где Т и R = (r+R1)– текущие значения температуры и радиуса.

Применение к нему уравнения Фурье приводит к дифференциальному уравнению:

dT P = 4 RdR, ( 2 ) где Р – мощность, – коэффициент теплопроводности газа, Для решения (2) требуется задать граничные условия.

Как следует из рис.2, падение температуры на 90 % происходит при R2 = 10·R1 = 500 мкм, и с погрешностью не большей 10% можно принять R2 = 10·R1, причем R2 означает границу, где конвекция начинает преобладать над теплопроводностью.

Используя уравнения Ньютона - Рихмана и Фурье, одну и ту же величину мощности можно выразить двумя способами и получаем, адекватное эксперименту только в том случае, если принять Rэфф = 6·табл. Этот вывод не выглядит парадоксальным, если учесть, что теплопроводность не является параметром среды, а лишь характеристикой одного из явлений переноса наряду с диффузией и вязкостью.

Тем на менее для убедительности был использован другой, независимый метод определения и через него. Согласно закона Ньютона – Рихмана скорость охлаждения:

dT (T - T2) S = dt CV V, ( 3 ) где СV - теплоемкость,V – объем нагретого тела.

Отсюда следует выражение для постоянной времени, как времени, в течение которого температура падает в е раз:

Сv V = S. ( 4 ) Величина определялась на осциллографе по падению сопротивления, полагая, что в узком диапазоне температура пропорциональна сопротивлению. Получено значение = 2.2 мс, = 4000 Вт/м2К и = 0.2 Вт/м·К, близкие к полученным ранее, исходя из измерения рассеиваемой мощности ( = 3600 Вт/м2К и = 0.17 Вт/м·К).

Причиной столь высокой локальной теплопроводности газа можно считать большой температурный градиент в этой зоне, достигающий 2·106 К/м. Выдвинутая нами гипотеза состоит в том, что в условиях, создаваемых температурным градиентом, проявляются черты упорядоченности.

Предположение о том, что в плотном газе возможна частичная замена хаотического движения на свободно – молекулярное можно обосновать решением кинетического уравнения Больцмана*.

f f + = J, ( 5 ) t r где J – интеграл столкновений f – функция распределения t – время r(x,y,z) – координаты молекул = (x ;y ;z)- скорость молекул в той же системе координат.

* - Решение проводилось совместно с кафедрой низких температур МЭИ и ВЦ РАН.

Схема двумерной задачи приведена на рис. 3. Пластинка, нагретая до температуры Т1, расположена в центре камеры квадратного сечения. Длина пластинки и камеры предполагаются бесконечными в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка.

T T L L L S T /T =2.

1 Рис. 3 – схема модели для расчета теплового поля микронагревателя.

Т1 - температура нагревателя (пластинки) Т2 - температура стенки Решение двумерной задачи (рис. 3) показало наличие разности компонентов тензора температуры по осям X и Y, свидетельствующей о некотором структурировании газовой среды.(рис. 4) Т (x,y) 1.1.1.1. TX 1.1.1. TY 1.x/L 0 2 4 6 8 10 12 14 Рис. 4 Зависимость компонентов температуры Тх и Ту от х при у = 0.

Следовательно, микронагреватель создает частично упорядоченную газовую среду, что имеет большое практическое значение в измерительной технике.

В третьей главе дана подробная характеристика точечного микронагревателя, как базового инструмента для исследования тепловых и аэродинамических свойств микросистем.

Оптимизация конструкции терморезистора выполнено моделирование в системе ANSYS; ее целью было обеспечение достаточно высокой резонансной частоты, ограничение прогиба вследствие удлинения при нагреве и снижения уровня механических напряжений в местах их концентрации. Использованы численные значения свойств газа, рассчитанные на основании модели теплопроводности. ( гл. 2 ) Технология изготовления кремниевых монокристаллических терморезисторов включает лишь операции внешней обработки исходного монокристалла, благодаря чему его электрофизические свойства остаются неизменными. Эта, т.наз. нисходящая технология выгодно отличается от используемой при получении тонкопленочных аналогов, когда ответственность за качество основного материала ( Pt, Ni и др.) ложится целиком на технолога – прибориста.

Беззеренная строго однородная структура монокристалла обеспечивает высокую однородность свойств в партии, а также их стабильность, как в процессе изготовления, так и в ходе эксплуатации.

Полный маршрут насчитывает сотни операций, многие из которых должны выполняться нестандартно с учетом специфики изделия – наличия тонких и хрупких несущих нитей, что потребовало разработки процесса ПХТ, конструирования оснастки для точной посадки кристаллов в корпус, разработки технологии приклейки кристаллов.

В ходе работы было изготовлено более 3 – х тысяч кристаллов с различными параметрами.

В четвертой главе приводятся результаты исследования специфических тепловых и газодинамических свойств микросистем:

обнаружена аномально высокая температурная зависимость коэффициента теплопроводности газа в пограничном слое, свидетельствующая предположительно об увеличении длины свободного пробега вследствие уменьшения эффективного поперечного сечения молекул, большей их скорости и энергии, передаваемой при каждом столкновении.

Необычной оказалась и зависимость от давления: резкий переход к кнудсеновскому режиму происходит при 150 мм рт.ст., тогда как стандартный манометр Пирани проявляет чувствительность к давлению, начиная с 30 – 50 мм рт.ст. Это может быть объяснено чисто конструктивными причинами, а именно различной долей бесполезной потери тепла через токовводы, значительно большей в случае проволочного нагревателя, чем точечного.

Одна из особенностей высокоградиентного теплового слоя – анизотропия вязкости должна сказываться как меньшая чувствительность к скорости обтекания внешним потоком. Такая стабильность или по иному - конвективная устойчивость проявляется еще и в том, что зависимость от скорости потока имеет прямолинейный характер, тогда как в случае проволочного или тонкопленочного – параболический, соответствующий закону Кинга:

Nu = a + b v0.5, ( 6 ) где а и b – экспериментальные постоянные, зависящие от геометрии нагревателя.

При обтекании нанообъемного нагревателя не создается вихрей в конвективном потоке, поэтому форма теплового поля, окружающего его в замкнутом пространстве, защищенном от движения воздуха, должна быть чрезвычайно стабильной. Это подтверждено опытом, в котором оценивалось взаимодействие тепловых полей двух точечных нагревателей, расположенных на расстоянии 500 мкм друг от друга.

Была установлена высокая чувствительность потребляемой мощности к наклону базы прибора, возможная только при строгом постоянстве их тепловых полей.

Градиент в пограничном слое настолько велик, что температура аэрозольной частицы, витающей в этой зоне, окажется неоднородной, а именно ближняя к нагревателю зона перегретой по сравнению с отдаленной. В этих условиях возможен эффект термофореза, проявляющийся обычно в разреженных газах.

В плотном газе этот эффект наблюдался нами как выталкивание из пограничного слоя частиц табачного дыма.

Баланс силы выталкивания и противодействующей ему силы вязкого трения Стокса приводит к дифференциальному уравнению:

dv m = 6 l v dt, ( 7 ) где – коэффициент вязкости;

-размер теплового слоя.

Решение его при граничных условиях v = v0, t = t0 дает v 6 l ln = t v0 m. ( 8 ) Приняв, что v/v0 = 0.1, получаем t = 3·10-5 с, = 500 мкм, значение того же порядка, что получены в эксперименте с частицами аэрозоля.

Особенность термоанемометра, как миниатюрного и малоинерционного средства измерения локальной скорости имеет негативную сторону – высокую чувствительность к пульсациям и вихрям, обычно наблюдаемую в потоках газов.

В таком случае выходной сигнал прибора меняется во времени и записывается в виде шума, как показано на рис.5. слева.

Рис.5. Сигнал термоанемометра t1 – до включения микронагревателя t2 – после включения Известные способы успокоения пульсаций и детурбулизации потока требуют увеличения длины и помещения сеток во входящей линии, так, что она превышает размеры собственно ЧЭ. Мы предположили, что точечный нагреватель, помещенный в узкий канал, способен оттеснить протекающий через него поток к периферии, т.е.

сжать его. Такое сжатие является эффективным средством ламинаризации, что и подтвердилось экспериментально. В канал помещались последовательно два точечных нагревателя и при включении первого из них сигнал второго полностью сглаживается, как показано на рис.5. справа. Был также измерен перепад давления вследствие сжатия потока и установлено, что эффект сравним с тем, который создает два ряда мелких сеток. Преимущества метода, основанного на трении струи о покоящийся газ, а не твердую поверхность, как в случае сеток, хонейкомбов, трубок Вентури существенны в системах газораспределения эпитаксиальных установок, особенно при наращивании наноструктур.

В пятой главе приводятся конструкции приборов, разработанных на основе нанообъемного терморезистора, включающих чувствительный элемент, газовую систему, схему микропроцессорной обработки.

1. Представлены термоанемометры с нанообъемными ЧЭ трех модификаций, используемых в качестве:

1) прецизионного измерителя малых расходов газов;

2) датчика массового расхода воздуха для автомобилей;

3) измерительной части системы обнаружения мест утечек осушенного воздуха в магистральных телефонных кабелях.

2. Изготовлены и испытаны в ведущих организациях РФ оригинальные ячейки хроматографов с повышенной чувствительностью ко многим промышленным газам, открывающие возможность портативного исполнения.

3. Изготовлен и прошел натурные испытания термокондукционный газоанализатор двухкомпонентных газов, например метана в воздухе в ультракомпактном исполнении, пригодный для индивидуального оснащения.

Во всех случаях разработанные приборы имели преимущества по чувствительности, стабильности и быстродействию по сравнению с образцами зарубежных фирм, что свидетельствует о практической ценности нового направления прикладной науки – микротеплотехники.

Общие выводы по работе.

1. Анализ состояния исследований теплопередачи в газообразных микросистемах показал, что вследствие отсутствия адекватных метрологических средств в этой области превалируют традиционные представления, как правило, исключающие возможности изменений механизма, и проявления размерных эффектов.

2. Решение уравнения Фурье в сферических координатах оказалось недостаточным для объяснения эффекта гигантской теплоотдачи в условиях, далеких от равновесия.

3. Предложена модель теплопроводности плотных газов в микросистемах.

4. Приближенное численное решение кинетического уравнения Больцмана показало наличие разности компонентов тензора температуры молекул по осям X и Y в условиях высокого температурного градиента вблизи нагревателя большой кривизны, т.е.

наличие частичной упорядоченности.

5. Предложенная модель получила многочисленные экспериментальные подтверждения в виде следующих эффектов, предсказанных, исходя из теоретических представлений:

- необычное для тепловых приборов быстродействие;

- аномально высокая температурная зависимость локального коэффициента теплопроводности;

- конвективная устойчивость теплового пограничного слоя;

- термофорез в плотном газе;

- тепловая детурбулизация потоков.

6. Исключительная структурная стабильность материала позволяет в полной мере использовать возможности современных средств цифровой обработки сигналов, обеспечивающей преимущества нанообъемных чувствительных элементов в тепловых МЭМС.

7. Полностью разработаны и изготовлены опытные образцы термоанемометров различного назначения, детекторов хроматографов, оригинальных термокондукционных газоанализаторов, испытанных и применяемых ведущими предприятиями.

Заключение.

Выполненное экспериментальное и теоретическое исследование теплопередачи в микросистемах свидетельствует о перспективности микротеплотехники, как нового направления прикладной науки. Его дальнейшее развитие связано прежде всего с уменьшением размеров чувствительного элемента в несколько раз, чему нет ограничений ни по технологии, ни по точности измерения температуры и мощности, что способно более четко определить характер зависимости теплопроводности от параметров среды и тем самым углубить представление о механизме теплопередачи в переходном режиме.

Потребности техники будут стимулировать прогресс математической физики по части решения кинетического уравнения Больцмана. Обнаруженный эффект целесообразно рассмотреть и с иных позиций – неравновесной термодинамики и синергетики, так как упорядоченность вследствие сильной неравновесности является одним из основных постулатов этих дисциплин.

На основе накопленного опыта в скором времени планируется разработка новые МЭМС:

- времяпролетные термоанемометры;

- наклономеры;

- болометры;

- резонансные прецизионные датчики параметров газовых сред;

- вакуумметры;

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»