CN105955335B - 一种基于介电润湿的均热控温设备和控温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介电润湿的均热控温设备和控温方法，包括相对设置的第一封装板和第二封装板，第一封装板和第二封装板之间封装形成填充区，第一封装板在与第二封装板相对的表面上绝缘疏水层，填充区内填充有不互溶的绝热油性材料和冷却液，绝热油性材料平铺在绝缘疏水层上，形成一层油膜。在第一封装板和第二封装板上施加一个电压，基于介电润湿效应，在均一电场下，局部高温区域的对应位置的油膜会优先于其他区域破裂，使得上层的冷却液与绝缘疏水层表面接触，实现精准的局部散热，响应速度在毫秒级别。

Description

一种基于介电润湿的均热控温设备和控温方法

技术领域

本发明涉及精密控温技术领域，尤其涉及一种基于介电润湿的均热控温设备和控温方法。

背景技术

现有针对固体热源的冷却控温技术基本上为通过风冷、水冷等对热源表面的整体冷却手段，难以应对狭小空间的高能量密度换热要求。微热管阵列等高效相变传热技术的诞生，可实现通过管内液体相变将与热管蒸发端直接接触的热源热量引出后再进一步通过传统方式冷却。目前，微热管技术为低启动响应被动式冷却控温需求提供了一种解决方案(鉴于微热管的秒级启动响应速度以及基于工质相变温度的被动式启动原理)。然而，针对高响应(1秒以内)以及主动式冷却控温，微热管阵列尚难以实现。目前针对高响应速度的精密控温

基于介电润湿(Electro-wetting on Dielectric，简称EWOD)效应的“光阀”具有毫秒级别的高响应速度，已被成功应用于显示等光流领域。其基本工作原理是通过电场操控两种互不相溶流体(其中一种为有色油墨)的运动来产生光学开关的效果。如RobertA.Hayes等在文章中描述的电润湿显示器件，当没有施加电压的时候，油墨铺展在憎水层的表面，显示油墨的颜色；当施加电压时，油墨收缩，显示下基板的颜色。基于该原理，可通过外加电场实现毫秒响应级别的开关操作。然而，“光阀”仅仅是介电润湿原理的应用之一，通过介电润湿材料体系设计、器件结构设计以及驱动方法的创新等将极大拓展该技术的应用性能和前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于介电润湿的均热控温设备和控温方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种基于介电润湿的控温设备，包括相对设置的第一封装板和第二封装板，所述第一封装板和所述第二封装板之间封装形成填充区，所述第一封装板在与所述第二封装板相对的表面上绝缘疏水层，所述填充区内填充有不互溶的绝热油性材料和冷却液，所述绝热油性材料平铺在所述绝缘疏水层上，形成一层油膜。

在一些具体的实施方式中，所述绝缘疏水层为单层绝缘疏水结构或多层结构，所述多层结构包括绝缘层和设于绝缘层上的疏水层。

在一些具体的实施方式中，所述绝热油性材料为非极性液体。在进一步优选的实施方式中，所述绝热油性材料为正庚烷、正辛烷、二甲苯、正十烷和正十二烷中任一种。

在一些具体的实施方式中，所述冷却液为极性液体。在进一步优选的是实施方式中，所述冷却液为水或水溶液。

在一些具体的实施方式中，所述第一封装板的材料为热的良导体。在进一步优选的实施方式中，所述第一封装板为电的良导体。

在一些具体的实施方式中，所述第一封装板和所述第二封装板均包括基板和导电层，所述导电层设于所述基板与另一封装板相对的表面上。

在一些具体的实施方式中，所述控温设备还包括电源组件，所述第一封装板和所述第二封装板分别与所述电源组件的两极电性连接。

在一些具体的实施方式中，所述油膜厚度为1-20μm。

本发明还提供了一种利用如上所述的控温设备的控温方法，包括以下步骤：

S1：将所述第一封装板紧密贴靠在发热体上；

S2：在所述第一封装板和所述第二封装板上施加一个电压；

S3：在发热体的某个局部的温度超过阈值温度时，所述局部对应位置的油膜开裂，冷却液与所述绝缘疏水层接触，继而对发热体进行冷却；

S4：当冷却至所述局部的温度降至阈值温度以下时，油膜恢复闭合状态。

在一些具体的实施方式中，所述电压的范围为10-30V。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于介电润湿的均热控温设备和控温方法，未在所述第一封装板和所述第二封装板上施加电压时，所述绝热油性材料平铺在所述绝缘疏水层上，形成一层油膜；在所述第一封装板和所述第二封装板上施加一个电压，基于介电润湿效应，由于油性材料特性(如粘度和油水界面张力)随局部温度波动出现变化，在均一电场下，局部高温区域的对应位置的油膜会优先于其他区域破裂，使得上层的冷却液与绝缘疏水层表面接触，实现精准的局部散热(可以达到微米尺度)，响应速度在毫秒级别，当冷却至所述局部的温度降至阈值温度以下时，油膜恢复闭合状态。油性材料的破裂所需的阈值电压跟油性材料的粘度和界面张力有直接关系；因此，基于温度与油性材料界面张力、粘度变化的曲线关系，和外加电压的大小匹配，可以控制油性材料破裂的启动阈值温度；从而实现针对固体热源表面独立微尺度区域的非接触式高响应被动式温度控制。其温控精度，取决于绝热油性材料的关键粘度与界面张力特性的温度敏感性，以及外加电压的选择；绝缘油性材料的温度变化响应越明显，外加电压越接近理论阈值电压，则温控精度越高，响应也越快；尤其适合均热要求较高的热源温度控制需求。利用本发明所述的基于介电润湿的控温设备进行非接触主动式精密温控，具有响应速度快、温度控制精度高的特点，可实现独立的有效温度区域控制，填补了国内外空白，为精密热控相关的科研以及器件开发提供广阔可能。

附图说明

图1为基于介电润湿的均热控温设备的截面图；

图2为无局部超温情况下图1中A-A截面图；

图3为存在局部超温情况下图1中A-A截面图；

图4为油膜破裂阈值电压随温度的变化曲线。

具体实施方式

参照图1，本发明提供了一种基于介电润湿的控温设备，包括相对设置的第一封装板1和第二封装板8，所述第一封装板和所述第二封装板之间通过封装结构2封装形成填充区，所述第一封装板在与所述第二封装板相对的表面上绝缘疏水层4，所述填充区内填充有不互溶的绝热油性材料5和冷却液6，由于绝缘疏水层4具有疏水亲油性，所以所述绝热油性材料5平铺在所述绝缘疏水层4上，形成一层油膜，所述油膜厚度为1-20μm。所述第一封装板的材料为热的良导体。

在控温设备的使用过程中，所述第一封装板1紧密贴靠在发热体7上。未在所述第一封装板1和所述第二封装板8上施加电压时，所述绝热油性材料5平铺在所述绝缘疏水层4上，形成一层油膜；在所述第一封装板1和所述第二封装板8上施加一个电压，在无局部超温情况下，图1中A-A截面图如图2，为了利于阐述，图中冷却液6为无色，绝热油性材料5为黑色显示，本发明中对冷却液6和绝热油性材料5的颜色无限制，从图2中可以看出，在无局部超温情况下，油膜完整无破裂；当存在局部超温情况下，图1中A-A截面图如图3，为了利于阐述，图中冷却液6为无色，基于介电润湿效应，由于油性材料特性(如粘度和油水界面张力)随局部9温度波动出现变化，在均一电场下，局部9高温区域的对应位置的油膜会优先于其他区域破裂，使得上层的冷却液8与绝缘疏水层4表面接触，继而实现精准的局部散热(可以达到微米尺度)，响应速度在毫秒级别。当冷却至所述局部9的温度降至阈值温度以下时，油膜恢复闭合状态。

Biao Tang,Jan Groenewold,Min Zhou等有研究表明，油水两相电润湿体系中，油膜的破裂阈值电压可表达为式(1)：

其中，L_x为像素长度；L_y为像素宽度；[m，n]分别为像素长L_x与宽L_y上对应的模式；ε₀为真空介电常数；γ为油水界面张力；ε_oil为油膜介电常数；其中，t_eff可表达为式(2)：

t_eff＝h+(ε_oil/ε)d (2)

其中，h为油膜的厚度；ε_oil为油膜介电常数；ε、d分别为绝缘层介电常数与厚度。

根据上述公式可以知道，绝热油性材料的破裂所需的阈值电压跟油性材料的粘度和界面张力有直接关系。

陈国华等人研究发现，在烷烃与海水界面张力的研究中可知在盐度为0时，正十二烷与水界面张力与温度的关系可表达为式(3)：

γ＝55.031-0.098195·t (3)

在一优选的实施案例中，[m,n]在此取先发生的[1，2]模式；L_x、L_y均取值150μm和315μm；γ取值由式(2)给出；ε_oil、ε分别为2.2和1.943；油墨厚度h和绝缘层厚度d分别为5.5和0.85。

将式(2)和(3)代入式(1)求解，可得在特定[1，2]模式下的油膜破裂阈值电压随温度的变化曲线，如图4。当油性材料的粘度和界面张力确定时，油膜破裂阈值电压与温度呈线性相关，也即通过控制外加电压的大小，可以准确控制油性材料破裂的气动阈值温度。

综上，绝热油性材料的破裂所需的阈值电压跟油性材料的粘度和界面张力有直接关系；当油性材料的粘度和界面张力确定时，油膜破裂阈值电压与温度呈线性相关。因此，基于温度与油性材料界面张力、粘度变化的曲线关系，和外加电压的大小匹配，可以控制油性材料破裂的启动阈值温度；从而实现针对固体热源表面独立微尺度区域的非接触式高响应被动式温度控制。其温控精度，取决于绝热油性材料的关键粘度与界面张力特性的温度敏感性，以及外加电压的选择；绝缘油性材料的温度变化响应越明显，外加电压越接近理论阈值电压，则温控精度越高，响应也越快；尤其适合均热要求较高的热源温度控制需求。另外，已经有大量实验与理论研究已经证实，电润湿体系中油膜破裂的响应时间通常在数个毫秒级别，并可通过模型较精确地预测。利用本发明所述的基于介电润湿的控温设备进行非接触主动式精密温控，具有响应速度快、温度控制精度高的特点，可实现独立的有效温度区域控制，填补了国内外空白，为精密热控相关的科研以及器件开发提供广阔可能。

在一些具体的实施方式中，所述控温设备还包括电源组件，所述第一封装板和所述第二封装板分别与所述电源组件的两极电性连接。在一些具体的实施方式中，所述第一封装板和第二封装板还是电的良导体，可以直接与所述电源组件的两极电性连接。在另一些具体的实施方式中，所述第一封装板包括基板1和导电层3，所述导电层3设于所述基板1与所述第二封装板相对的表面上，所述导电层3的材料可以是ITO或银、铜等金属镀层，所述绝缘疏水层4设于所述导电层3上，所述绝缘疏水层4可采用含氟聚合物材料，如AF1600x、Cytop等，所述绝缘疏水层4厚度通常在1μm以内，所以其导热性能可以忽略；所述第二封装板包括基板8和导电层3，所述导电层3设于所述基板8与所述第一封装板相对的表面上，所述绝缘疏水层4设于所述导电层3上；所述第一封装板的导电层3和所述第二封装板的导电层3分别与所述电源组件的两极电性连接。

所述绝缘憎水层4的作用是防止冷却液6与导电层3直接接触，造成短路。在一些具体的实施方式，所述绝缘疏水层4为单层绝缘疏水结构或多层结构，所述多层结构包括绝缘层和设于绝缘层上的疏水层，其中，绝缘层用于防止冷却液6与导电层3接触造成短路，所述疏水层用于使得所述绝热油性材料5附着平铺在其表面，形成一层油膜。在本实施例中，所述绝缘疏水层4为单层绝缘疏水结构。

在一些具体的实施方式中，所述绝热油性材料5为非极性液体。在进一步优选的实施方式中，所述绝热油性材料5可为正庚烷、正辛烷、二甲苯、正十烷和正十二烷等。所述冷却液6为极性液体。在进一步优选的是实施方式中，所述冷却液6可为水或水溶液。

利用如上所述的控温设备的控温方法，包括以下步骤：S1：将所述第一封装板紧密贴靠在发热体上；S2：在所述第一封装板和所述第二封装板上施加一个电压；S3：在发热体的某个局部的温度超过阈值温度时，所述局部对应位置的油膜开裂，冷却液与所述绝缘疏水层接触，继而对发热体进行冷却；S4：当冷却至所述局部的温度降至阈值温度以下时，油膜恢复闭合状态。在一些具体的实施方式中，所述电压的范围为10-30V。

Claims (7)

1.一种基于介电润湿的控温设备，其特征在于，包括用于接收电压的相对设置的第一封装板和第二封装板，所述第一封装板和所述第二封装板之间封装形成填充区，所述第一封装板在与所述第二封装板相对的表面上设置有绝缘疏水层，所述填充区内填充有不互溶的绝热油性材料和冷却液，所述绝热油性材料平铺在所述绝缘疏水层上，形成一层油膜；

所述第一封装板和所述第二封装板均包括基板和导电层，所述导电层设于所述基板与另一封装板相对的表面上；

所述油膜厚度为1-20μm。

2.根据权利要求1所述的基于介电润湿的控温设备，其特征在于，所述绝缘疏水层为单层绝缘疏水结构或多层结构，所述多层结构包括绝缘层和设于绝缘层上的疏水层。

3.根据权利要求1所述的基于介电润湿的控温设备，其特征在于，所述绝热油性材料为非极性液体。

4.根据权利要求1所述的基于介电润湿的控温设备，其特征在于，所述冷却液为极性液体。

5.根据权利要求1所述的基于介电润湿的控温设备，其特征在于，所述第一封装板的材料为热的良导体。

6.根据权利要求1所述的基于介电润湿的控温设备，其特征在于，所述控温设备还包括电源组件，所述第一封装板和所述第二封装板分别与所述电源组件的两极电性连接。

7.一种利用如权利要求1-6任一项所述的控温设备的控温方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将所述第一封装板紧密贴靠在发热体上；

S2：在所述第一封装板和所述第二封装板上施加一个电压；

S3：在发热体的某个局部的温度超过阈值温度时，所述局部对应位置的油膜开裂，冷却液与所述绝缘疏水层接触，继而对发热体进行冷却；

S4：当冷却至所述局部的温度降至阈值温度以下时，油膜恢复闭合状态；

所述电压的范围为10-30V。