仿生型冷凝强化传热表面制造技术

本发明专利技术公开了一种仿生型冷凝强化传热表面，包括：基底、微槽道以及亲水核化点；所述基底具有疏水性；所述微槽道沿一圆心的径向，以相同的圆心角分散在所述基底上，其中圆心位于基底上或不在基底上；所述亲水核化点分布在所述基底上；相邻所述微槽道间的宽度沿长度方向梯度增加。该冷凝传热表面利用表面自由能梯度对冷凝液滴产生驱动力，加速冷凝表面的排液，利用分布在疏水基底表面的亲水核化点加速冷凝液滴在冷凝表面的成核，在冷凝表面形成了更加稳定的珠状冷凝过程并保证了冷凝循环的顺利进行。该发明专利技术冷凝强化传热表面能够有效提高冷凝液滴的成核和更新速率，保证持续稳定的珠状冷凝行为，强化冷凝相变传热性能。

【技术实现步骤摘要】
仿生型冷凝强化传热表面
本专利技术涉及一种冷凝强化传热表面，具体涉及的是一种为提高冷凝液滴成核、更新速率，并保持表面珠状冷凝，实现高效换热而设计的具有人工成核位点和表面梯度沟槽特征的能够有效强化冷凝传热的冷凝表面。
技术介绍
随着电子信息技术和微电子机械系统(MEMS)等技术的迅猛发展，电子设备朝着微型化、集成化、高功率方向发展。由于物理尺寸的减小与设备容量的增加，小尺度空间内的高热流密度高效散热挑战日益严峻。设计并开发高效冷凝传热表面，有助于解决便携式电子器件、大功率电子设备、新能源电动汽车等高新技术发展过程中面临的小尺度空间高热流密度散热技术问题。传热表面的冷凝行为通常分为膜状冷凝和珠状冷凝。膜状冷凝发生时，冷凝液在亲水的金属表面形成一层连续液膜，该连续液膜的存在大大增加了蒸汽与金属表面间的传热热阻，阻碍了气-液相变过程热量的高效传输。相较于膜状冷凝，珠状冷凝通常存在于疏水表面，冷凝过程中没有连续液膜，蒸汽与表面直接接触，热阻有效减小，而且疏水表面更易于冷凝液滴的脱出，进而大幅提高了冷凝过程的传热性能。现有研究表明，珠状冷凝的传热系数比膜状冷凝高出一个数量级。目前，传统的疏水表面构建方法一般是在冷凝表面化学修饰疏水性基团，这些基团有助于实现珠状冷凝。但是，化学修饰冷凝表面的表面能降低会导致液滴成核难度增加；均质的疏水表面上冷凝液滴呈随机分布，也不利于这些液滴的高效融合及自更新；冷凝液滴还依赖重力驱动脱出，其更新速率较慢，热阻仍较高。因此，迫切需要对金属表面结构进行合理设计，实现增加冷凝液滴的成核密度的同时，还提高冷凝液滴的更新速率，以获得传热效率的大幅度提升。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种仿生型强化冷凝传热表面。该传热表面模仿并结合了纳米布甲虫与仙人掌刺的集水过程，具有冷凝液滴的成核位点与表面自由能梯度，从而加快了冷凝液滴在冷凝表面的成核速率与更新速率，大大提高了冷凝表面的冷凝换热系数，有效强化了冷凝过程气-液相变热能的输运。为解决传统冷凝表面设计上存在的上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：一种仿生型冷凝强化传热表面，是由基底、微槽道以及亲水核化点组成，所述基底具有疏水性，所述微槽道具有疏水性且沿径向均匀分散在所述基底上，所述亲水核化点分布在所述基底上，其特征在于：所述微槽道的横截面呈三角形或倒梯形，其截面积沿长度方向梯度增加；相邻所述微槽道间的间隔小于等于相邻所述疏水微槽道的宽度，且宽度也沿长度方向梯度增加；所述亲水核化点分布密度沿所述微槽道的横截面积变大方向变大。所述微槽道的宽度变化范围是1μm-1mm，每条所述微槽道的最大长度不超过100mm。由于所述微槽道的宽度是逐渐变化的，所以相邻的所述微槽道之间的间隔也是逐渐变化的，使得所述换热表面的表面自由能沿所述微槽道的长度方向梯度变化。所述微槽道的宽度越宽的位置表面自由能越大，从而在所述传热表面产生使冷凝液滴向表面自由能更大的方向运动的驱动力，使所述的传热表面的冷凝液滴从所述的微槽道的宽度最宽的一侧排出。所述的微槽道加速了所述传热表面的排液过程，加速了所述传热表面冷凝液滴更新，防止冷凝液滴大量滞留在所述传热表面并形成液膜，保持了所述传热表面的珠状冷凝，增大了冷凝传热系数。所述亲水核化点为圆形形状，直径为5-15μm，每两个所述亲水核化点之间的距离为20-100μm。分布在相同宽度的所述微槽道上的多个亲水核化点构成人工亲水核化阵列。同一所述人工亲水核化阵列内的亲水核化点均匀分布，且沿着所述微槽道宽度变大的方向分布密度逐渐增大。所述亲水核化点的存在将增加所述基底的表面自由能，且所述亲水核化点分布密度大的位置表面自由能也更大。所述亲水核化点的表面自由能较所述疏水基底更大，冷凝液滴会在所述亲水核化点择优成核并快速生长。一定时间后，相邻的所述亲水核化点上长大的冷凝液滴将相互融合形成较大的液滴并覆盖多条所述疏水微槽道和多个所述亲水核化点。所述微槽道横截面积梯度变化和所述亲水核化点分布密度定向变化而产生表面自由能沿径向方向，将驱动所述传热表面的冷凝液滴沿径向方向脱离所述换热表面，加速了所述的传热换热表面上的冷凝液滴的排液过程，防止了所述传热换热表面的冷凝液滴聚集形成液膜，使所述传热换热表面保持珠状冷凝的换热方式。所述的传热表面上的所述微槽道宽度变大的方向与重力方向的夹角小于90°时，重力也可作为所述传热表面的冷凝液滴排液的驱动力之一，所述的传热表面的排液速度加快，冷凝换热效果更好。所述基底经疏水处理呈现出疏水性。由于所述疏水基底的表面自由能较低，液滴在该表面不易铺展，为珠状凝结提供有利条件，增大冷凝换热的换热系数。所述疏水基底可采用圆形、矩形、圆环形等，可根据实际应用情况选用平面或者曲面结构，材料可选用铜、铝、不锈钢以及合金等材料。所述疏水处理方法包括化学修饰氟硅烷，化学气相沉积等方法，所述亲水处理方法包括等离子体处理，激光切割等方法。本专利技术是受仙人掌刺表面梯度槽道结构与纳米布甲虫背部特殊的亲疏水复合表面的启发，而设计出的一种具有横截面积梯度变化的疏水微槽道和分布密度定向变化的亲水核化点的仿生型强化冷凝传热表面。该冷凝表面能够产生定向表面自由能梯度，从而加速冷凝表面冷凝液滴的更新，同时亲水核化点的存在增加了冷凝液滴的成核速率，有效强化了冷凝过程气-液相变热能的输运。有益效果本专利技术公开了一种仿生型冷凝强化传热表面，横截面积梯度变化的疏水微槽道结构和分布密度定向变化的亲水核化点结构在传热表面产生了表面自由能梯度，使传热表面上的冷凝液滴产生了朝向表面自由能更大的方向的驱动力，液滴无法稳定在冷凝表面，加速了传热表面的排液过程，保证了传热表面珠状冷凝过程的进行。此外，传热表面上的多个亲水核化点结构降低了冷凝液滴在传热表面上的成核能垒，增加了冷凝液滴的成核密度。该传热表面能够强化冷凝液滴成核，加速冷凝液滴的排出，保持珠状凝结，从而提高冷凝换热的效率。附图说明图1是本专利技术的冷凝传热表面的结构示意图。图2是本专利技术的实施例1的示意图。图3是冷凝传热表面的液滴运动示意图。图4是本专利技术的实施例2的示意图。图中有：1.疏水基底；2.疏水微槽道；3.亲水核化点；4.圆形冷凝表面；5.冷凝传热表面的液滴；6.矩形冷凝传热表面。具体实施方式下面结合附图进行更进一步的详细说明。图1所示为仿生型冷凝强化传热表面的结构示意图，是由分布在疏水基底1上的疏水微槽道2和亲水核化点3构成。疏水微槽道2在疏水基底1上加工出来，横截面形状为正三角形，且横截面积沿长度方向梯度变化，为了使冷凝液滴能够覆盖更多条疏水微槽道2，从而产生更大的驱动力使液滴移动，相邻疏水微槽道2之间的间隔小于等于两条相邻的疏水微槽道2的宽度。疏水微槽道2的宽度的变化范围是1μm-1mm，每条疏水微槽道2的最大长度不超过100mm。疏水微槽道2加工完成后对疏水基底1和疏水微槽道2进行疏水化修饰便得到了整体呈疏水性且带有疏水微槽道2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生型冷凝强化传热表面，其特征在于，包括：基底、微槽道以及亲水核化点；所述基底具有疏水性；所述微槽道沿一圆心的径向，以相同的圆心角分散在所述基底上，其中圆心位于基底上或不在基底上；所述亲水核化点分布在所述基底上；所述微槽道的横截面呈三角形或倒梯形，其截面积沿长度方向梯度增加；相邻所述微槽道间的间隔小于等于相邻所述疏水微槽道的宽度，且宽度也沿长度方向梯度增加；所述亲水核化点分布密度沿所述微槽道的横截面积变大方向变大。/n

【技术特征摘要】
1.一种仿生型冷凝强化传热表面，其特征在于，包括：基底、微槽道以及亲水核化点；所述基底具有疏水性；所述微槽道沿一圆心的径向，以相同的圆心角分散在所述基底上，其中圆心位于基底上或不在基底上；所述亲水核化点分布在所述基底上；所述微槽道的横截面呈三角形或倒梯形，其截面积沿长度方向梯度增加；相邻所述微槽道间的间隔小于等于相邻所述疏水微槽道的宽度，且宽度也沿长度方向梯度增加；所述亲水核化点分布密度沿所述微槽道的横截面积变大方向变大。


2.根据权利要求1所述的一种仿生型冷凝强化传热表面，其特征在于：所述微槽道的宽度变化范围是1μm-1mm，每条所述微槽道的最大长度不超过100mm；所述微槽道的宽度和相邻的所述微槽道之间的间隔沿半径向圆周方向逐渐变大。


3.根据权利要求1所述的一种仿生型冷凝强化传热表面，其特征在于：所述亲水核...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴苏晨，孙帅杰，张程宾，邓梓龙，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32