一种强化流动沸腾换热的非均匀分形微坑结构与超亲水性复合表面
一种强化流动沸腾换热的非均匀分形微坑结构与超亲水性复合表面
近年来，随着科技的不断发展，强化流动沸腾换热技术在制冷系统、电子设备冷却以及化学和石化工程等领域得到了广泛应用。本文介绍了一种新型的非均匀分形微坑结构与超亲水性复合表面，该技术能够在不同热流密度条件下显著提高沸腾换热效果，具有广阔的应用前景。
背景技术
流动沸腾换热作为一种常见的两相冷却方式，被广泛应用于制冷系统、电子设备冷却以及化学和石化工程中。提高流动沸腾换热效果是保证热能传递、转换和管理系统安全性、高效性和经济性的关键。目前，提高流动沸腾换热的主要方式可分为两种：一是表面改性（表面结构和表面润湿性）；二是添加表面活性剂或纳米颗粒。其中表面改性被公认为一种有效的方式，受到了众多学者的关注。
相关的研究发现复合表面（结合表面结构和润湿性）能结合两者强化流动沸腾换热的特点，即能明显增加汽化核心数目和强化液体回流，从而进一步强化流动沸腾换热效果。然而，现有的复合表面设计存在一些问题，例如超亲水结构虽然能限制局部干涸点的形成，但同时也增加了初始沸腾点，使得在低热流密度下沸腾换热效果不佳；而复杂的流线型微柱与圆孔分区协同结构虽然能增加汽化核心数目，但在高热流密度区沸腾效果不明显。
技术实现思路
本发明提出了一种非均匀分形微孔结构与超亲水性复合表面，用于高效地强化流动沸腾换热。该复合表面包括超亲水通道1，微坑结构区域2，微坑结构块3和微坑结构4。超亲水通道1遍布整个加热表面；微坑结构区域2，微坑结构块3和微坑结构4分别布置在加热表面入口端，中间段和出口段，且若干排微坑结构，微坑结构块和微坑结构呈叉排分布。
具体参数如下：
- 超亲水通道的接触角小于15º
- 单个微坑结构的直径为100µm，深度为100µm
- 在微坑结构区域2内，相邻微坑结构的间距300µm
- 单个微坑结构块是由4个微坑结构组成，微坑结构块中相邻微坑结构的轴向和纵向间距为300µm，相邻微坑结构块的间距为1500µm
- 分布在表面出口端的微坑结构相邻间距为1500µm
该复合表面的具体制备方式如下：
- 先利用水磨抛光方式，对铜基表面进行预处理，以除去表面的不规则微结构
- 随后，利用纳秒激光微加工方式作用在铜基表面，从而制备非均匀分形的微孔结构
- 再利用化学氧化方式对具有填充材料的微坑结构表面进行超亲水性处理，从而获得表面获得超亲水性
- 最后，利用丙酮溶液除去结构表面中的填充材料，从而获得非均匀分形微孔结构与超亲水性复合表面
技术效果
本发明具有以下优点：
- 利用汽泡容易在微坑结构内核化的特点，从而降低初始沸腾换热的过热度，并且更小的结构间距能增加微坑结构的数目，从而增加汽化核心数目
- 在微坑结构区域中，微坑结构的叉排分布能增加流动的扰动，促使汽泡脱离表面，从而强化表面入口端的沸腾换热效果
- 在加热表面中间段，汽泡生长尺寸明显增加，在微坑结构块内核化的汽泡开始汇聚，而更大微坑结构块的距离能限制汇聚汽泡进一步汇聚
- 在加热表面出口段，微坑结构周围的超亲水通道会限制汇聚汽泡干斑点的铺展，更大的微孔结构间距延迟汽泡成膜，从而增加临界热流密度
- 该技术只需要利用纳秒激光微加工技术和化学氧化方式，即可得非均匀分形微坑结构与超亲水性复合表面，具有容易操作和结构稳定的特点
技术特征
- 一种强化流动沸腾换热的非均匀分形微坑结构与超亲水性复合表面，其特征在于，包括超亲水通道1，微坑结构区域2，微坑结构块3和微坑结构4；所述的超亲水通道1遍布整个加热表面；超微坑结构区域2，微坑结构块3和微坑结构4分别布置在加热表面入口端，中间段和出口段，且若干排微坑结构，微坑结构块和微坑结构呈叉排分布。
- 根据权利要求1所述超亲水通道的接触角小于15º，单个微坑结构的直径为100µm，深度为100µm，其中，在微坑结构区域2内，相邻微坑结构的间距300µm；单个微坑结构块是由4个微坑结构组成，微坑结构块中相邻微坑结构的轴向和纵向间距为300µm，相邻微坑结构块的间距为1500µm；分布在表面出口端的微坑结构相邻间距为1500µm。
技术总结
本发明设计了一种非均匀分形微坑结构与超亲水性复合表面，包括超亲水通道，微坑结构区域，微坑结构块以及微坑结构。该技术能在表面入口段增加汽化核心数目和强化液体的扰动，在表面中间段实现汽泡的定向汇聚和限制蒸汽柱的形成，在表面出口段能限制局部干涸点的铺展和延迟汽泡成膜，从而满足在加热表面不同区域，均能强化沸腾换热效果。
技术研发团队
本发明由湘潭大学的高林松、徐熠熠、苗训、付汝宾、胡建新等研究人员共同完成。