CN110998217A - 带有微结构化涂层的热交换元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热交换元件，其包括基底和涂层，其中所述涂层存在于由所述热交换元件限定的流动路径的至少一部分上。所述涂层包含金属并且具有包含长度高达100μm的峰的结构；峰的平均长度在整个涂层中是不同的。本发明还提供一种将热量传递到流体或从流体传递热量的方法，该方法包括将流体提供到本发明的热交换元件的流动路径。本发明还提供一种用于制造本发明的热交换元件的方法，其中该方法包括向基底表面提供无电沉积溶液。本发明还提供了一种用于制造热交换元件的流动方法以及通过该方法获得的或可通过该方法获得的热交换元件。

Description

带有微结构化涂层的热交换元件及其制造方法

技术领域

本发明提供一种有助于有效热传递的热交换元件。本发明还提供了一种使用本发明的热交换元件将热量传递到流体或从流体传递热量的方法。还提供了适用于制造热交换元件(包括本发明的热交换元件)的方法，特别是无电流动沉积方法。本发明还提供了通过所述无电流动沉积方法获得的或能通过所述无电流动沉积方法获得的热交换元件。

背景技术

在许多产品和系统中，热量穿过表面的传递是重要的。这种系统的示例包括冷却系统(例如空调系统或制冷系统)和加热系统(例如锅炉)。这种系统的其它示例包括热回收系统。在这种系统中用于热交换的装置的典型构造涉及在热交换元件和与该元件表面接触的流体之间的热传递。可以使用各种各样的源来向热交换元件提供热量。这种构造的示例包括例如热交换器(其中，到热交换器的热源是与热交换器元件的相反侧接触的第二流体)、锅炉、散热器、冰箱等。

因此，希望提供具有非常良好的热传递特性的热交换元件。特别希望提供一种热交换元件，其能够有效地将热量传递到流体，例如与所述元件接触的流体。然而，涉及穿过表面，特别是从固体表面到液体的热传递的过程是复杂的，并且知之甚少。因此，制造具有良好热传递特性的热交换元件或优化现有表面以改善其热传递性能不是一件简单的事情。

在该领域中已经进行了先前的努力。所采取的方法通常包括最大化用于热传递的物体的表面积。

一些以前的工人试图通过提供具有特定润湿性的表面来控制物体的热传递能力。在一个实例中，WO2011/149494描述了与特定液体具有预选接触角的热交换表面。通过在基底上提供亲水性纳米结构来制造该表面。该表面纳米结构通过在基底上沉积氧化物基纳米材料形成，并且该纳米结构具有200-600nm的平均均方根粗糙度或高度。据说这样制造的表面可用于池沸腾实验中。

其它以前的工人已经尝试通过在表面上提供精确的工程化结构来控制表面的热传递能力。该工程化结构通常由硅制成。一个示例见于Surface structure enhancedmicrochannel flow boiling，Zhu等人，Journal of Heat Transfer，第138卷，第091501-1至091501-13页。提供了一种具有硅微柱阵列的微通道，并且据说其促进流动沸腾方式下的热传递。

本发明人先前已经提供了用于热传递的具有分级纳米结构的纳米粗糙表面，如WO2014/064450中所述。发现通过进行有限时间的无电沉积，可以在基底上制造具有分级纳米结构的涂层。通常，该分级纳米结构包括涂覆有尺寸小十倍或一百倍的第二级结构的第一级结构。通常，第一级结构的高度高达500nm，第二级结构包括高度高达50nm的特征。显示这些表面在流动沸腾实验中影响热传递。

本发明的一个目的是提供一种热交换元件，其具有与上述热交换元件相当或更好的热传递特性，并且适于向各种流体传热。改进的热交换性能使得本发明的热交换元件能够更快地并且通过更小的元件冷却热源，从而节省空间和重量。

除了提供具有良好热传递性能的热交换元件之外，本发明的一个目的是提供一种制造热交换元件的方法。许多已知的生产热交换元件的方法是费力且昂贵的。这些已知方法通常是用于增加用于热传递的物体的表面积的方法。

在Surface Structure Enhanced Microchannel Flow Cleamining，Zhu等人，Journal of Thermal Transfer，第138卷，第091501-1至091501-13页中描述了一种制造热传递表面的方法的一个先前示例。在该方法中，使用表面上的硅结构的工程化来增加物体的表面积。用于工程化该硅结构的方法包括离子蚀刻硅基底和将硅晶片结合到硅表面。

本发明人先前已经描述了使用无电沉积来在热交换元件上产生涂层(WO2014/064450)。在这种情况下，无电沉积方法产生纳米粗糙表面并且该方法包括在无电沉积溶液的浴中放置基底。然而，浴法中的金属的无电沉积存在气泡粘附问题。金属在基底上的无电沉积通常在基底表面产生氢气气泡。发现在浴法期间，在无电沉积期间产生的氢气气泡粘附在基底表面上并使涂层在气泡周围形成。这具有两个特定副作用。首先，通过无电沉积方法形成的涂层的粗糙结构由于气泡的存在而被破坏，在导致涂层中的间隙和/或涂层的部分不具有所需的粗糙结构。其次，在气泡上形成通过无电沉积形成的涂层，从而产生部分不与基底接触的涂层。涂层的这些非粘附部分发现是易碎的，并且随着时间的推移经常从基底上剥离，例如在热交换中使用涂覆的基底期间。这是不希望的，因为它降低了涂层的热交换功效。此外，由于所述氢气气泡而暴露的基底部分在涂覆的物体作为热交换元件的使用过程中容易被腐蚀。

无电沉积方法仍然是制造热交换涂层所需要的，因为它们可以在低温下制造粗糙结构，这降低了该方法的成本。需要无电沉积，因为它可用于提供包含金属的涂层，因此具有良好的热交换性能，这在用于热交换元件的涂层中是需要的。此外，无电沉积方法需要的材料比在液态金属浴中进行的热浸镀锌方法(也被称为电沉积方法)需要的材料少。

本发明的一个目的是提供一种方法，该方法可以便宜和快速地进行，理想地在低温下进行以使能量成本最小化。还希望提供一种可以在现有热交换器上原位进行的方法，以便该方法可以有利地用于将本发明的热交换元件改装到现有热交换器中。此外，本发明的目的是提供一种用于向基底提供涂层(所述涂层适用于热交换元件，即包括金属的粗糙涂层)的方法，所述方法具有无电沉积方法的优点但避免了上述困难。

发明内容

发明人已经发现，具有含微米尺寸范围的尖峰的涂层的热交换元件具有特别优越的热传递特性，其中，所述峰的长度在所述热交换元件的表面上变化。因此，本发明提供了一种热交换元件，其包括基底和涂层，其中所述热交换元件限定了用于流体流动的流动路径，并且其中所述流动路径的至少一部分涂覆有涂层，其中：

所述涂层包括金属；

所述涂层包括多个长度高达100μm的峰；

所述涂层包括在所述流动路径的端部处的第一区域和在所述流动路径上的第二区域，在所述第一区域中，平均峰长度为S₁，在所述第二区域中，平均峰长度为S₂；以及

S₁大于S₂。

本发明的热交换元件特别适合于促进在峰表面和流体之间的高效热传递。因此，本发明提供了一种将热量传递到流体或从流体传递热量的方法，所述方法包括使所述流体沿着所述热交换元件的流动路径通过。

本发明的热交换元件中所包含的涂层可以方便地通过无电沉积形成。因此，本发明还提供了一种用于制造本发明的热交换元件的方法，其中所述方法包括向基底表面提供无电沉积溶液。

发明人还惊奇地发现，使包含金属离子的无电沉积溶液在基底上流动可以从表面上快速去除氢气气泡，从而减少了与浴法相关的沉积涂层的易碎性和/或剥落问题。此外，无电沉积溶液的流动还出乎意料地提供了适于促进从表面热传递的粗糙表面。这一发现是出乎意料的，因为先前认为所述流动方法将导致涂层的不规则结构，其将不具有如此良好的热交换性质。此外，根据本发明的热交换元件的实施例，发现该无电流动沉积方法能够制造具有含不同峰长度的区域的热交换元件。特别有利地，该无电流动沉积方法可以用于在无需拆卸的情况下将无电沉积的涂层原位改装到现有的热交换器。所述沉积溶液可以仅提供给热交换器的需要涂覆的那些部分，从而使材料的浪费最小化。

因此，本发明提供了一种制造热交换元件的方法，所述热交换元件包括基底和涂层，其中：

所述涂层包括金属；以及

所述方法包括使无电沉积溶液在所述基底的表面上流动。

所述无电流动沉积方法制造了具有粗糙涂层的物体，所述涂层包括金属。包括金属的所述涂层是热的良导体，并且具有大的表面积，这增加了所述热交换元件和周围环境之间的接触，促进了所述元件和周围环境之间的热传递。因此，由该方法制造的所述热交换元件适用于热交换。

本发明还提供了一种通过该无电流动沉积方法获得或可通过该无电流动沉积方法获得的热交换器元件。

附图说明

图1示出了从表面到流体的热传递的不同模式。

图2示出了本发明的热交换元件上的涂层的图解。图2a示出了不同取向的模型峰。图2b示出了在基底(2)上的涂层(1)。图2c示出了在表面上的簇的排列和其间的孔。图2d示出了在基底(2)上的涂层(1)，该涂层具有在基底表面上渐变的峰长度。图2e示出了在基底(2)上包括涂层(1)的热交换元件的图解，该涂层通过本发明的无电流动方法形成在基底上。图2f示出了包括涂覆的流动通道和未涂覆的流动通道的热交换元件(5)的横截面。

图3包含根据本发明的涂层的SEM图像。图3(a)示出了包括长度为1-3μm的峰的涂层；图3(b)示出了包括长度为4-5μm的峰的涂层；以及图3(c)示出了包括长度为8-10μm的峰的涂层。

图4是施加到热交换器内部的涂层的SEM图像，该涂层包括长度为大约3μm的峰。该涂层通过本发明的无电流动沉积方法产生。

图5包含根据本发明的涂层的SEM图像，其中涂层包括簇。图5(a)示出了包括成簇排列的长度为大约7μm的峰的涂层。图5(b)还示出了较低分辨率下的成簇排列的峰的涂层。

图6是根据本发明的涂层的SEM图像，该涂层包括长约7μm的峰，该峰被施加到直径为75μm的丝网上。

图7和8显示了对于各种不同表面，从表面到有机制冷剂的以kW m^-2为单位的热通量随着壁过热(ΔT_c)的变化。在图7中，一个表面是抛光表面，另一个是根据本文所定义的无电流动沉积方法而涂覆的表面。

图9显示了在各种制冷剂流速下，根据本发明涂覆的表面(通过无电流动沉积方法)和未涂覆的表面的以W m^-2K^-1计的热传递系数。

图10示出了通过根据本发明的无电流动沉积方法随时间的推移所实现的近似峰高度(上部虚线)和峰基部半径(下部实线)。

图11示出了用于比较蒸发器(热交换器)的热交换性能与未涂覆的蒸发器的热交换性能的试验装备。根据本发明的无电流动沉积方法涂覆该涂覆的蒸发器，以提供根据本发明的热交换元件。

图12示出了在图11所示的装置中测试的涂覆和未涂覆蒸发器的热交换系数随着热传递速率的变化。

具体实施方式

通过表面的热传递

在附图中，图1(上部图像)示出了通过表面进入流体(在这种情况下，液体)的热传递如何随温度变化。该图示出了这些可用的不同热传递模式。在较低温度下，从热(例如金属)表面到流体(例如水)的热传递通过自然对流很好地进行，尤其是如果表面被流体完全润湿的话。随着热传递表面温度的升高，气泡核的形成导致通过泡核沸腾发生热传递。这种泡核沸腾发生的开始温度受表面粗糙度和强疏水区域的存在的影响。随着温度的升高，过渡到稳定的膜态沸腾。在稳定的膜态沸腾中，在表面附近存在一层蒸汽，并且通过该薄膜的热传递被认为是通过传导发生。在从泡核沸腾到稳定的膜态沸腾的过渡中，表面的一些区域显示膜态沸腾和一些泡核沸腾。因为蒸汽的热导率低于液体，所以在稳定膜态沸腾开始时达到最小值之前，在过渡沸腾区中，通过表面的热通量趋于减小，然后随温度再次增加。图1的下部图像还示出了从表面到流体的热通量(q_w)如何随着表面过热(ΔT_c，其是表面温度和流体温度之间的温差)而变化。

不希望被理论所束缚，可以推测本发明的热交换元件的优点可以归因于涂层结构的各个方面。

据信，在泡核沸腾方式下，有助于热传递效率的重要因素是涂层中的峰的锐度。据推测，这些峰越尖锐，通过泡核沸腾进行热传递所需的过程越有效，包括：

-在峰尖端形成气泡；

-将气泡沿峰的侧面向下转移到空腔或孔中；

-通过添加蒸气使空腔或孔中的气泡生长；以及

-气泡的分离和表面的再润湿。

本发明的热交换元件的表面处的峰是尖锐的，并且可以促进上述步骤的有效执行，从而促进有效地进行热传递。此外，峰将热流集中到峰的尖端，促进了上述过程。

该涂层的其它优选特征也有助于热传递的改善，特别是在泡核沸腾方式下的热传递。这些特征包括峰的尺寸和形状、峰的密度、表面上的孔或空腔尺寸以及孔/空腔的密度(孔/空腔是峰与峰之间的空间；这些将在下面更详细地讨论)。据信该表面在存在足够的峰以产生气泡与存在足够的孔/腔以存储和生长气泡之间具有有利的平衡。气泡成核被认为发生在峰的尖端处或尖端附近，因此涂层中峰的高密度有利地提供了大量成核位点，从而能够有效地产生气泡。在气泡生长期间，通过液体的沸腾将热量传递到气泡以在气泡中产生气体。气泡生长有利于热传递，并且其通过气泡生长位点(例如孔和空腔)的存在而得到促进。本发明的涂层具有足够大的孔/空腔密度以促进气泡生长，但不能大到损害气泡成核位点的数量。本发明的涂层中的孔/空腔的尺寸也被认为适于促进有效的气泡生长。表面也容易再润湿，以容易地从表面分离气泡。因此，认为控制峰的尺寸以及峰与峰之间的孔或空腔的尺寸有利于促进通过沸腾方式的热传递。

本发明的热交换元件在由该元件限定的流动路径上的不同区域处提供了峰的长度的变化。流动路径是流体可以在热交换元件的表面上沿着其流动的路线。在一个区域中，在流动路径的端部处，平均峰长度比在流动路径上的不同点处的另一区域中的平均峰长度长。不同的区域被认为适合于不同类型的热传递。具有较长的平均峰长度并因此具有更深的空腔/孔的第一区域更适于促进沿着热交换元件的流动路径通过的流体的泡核沸腾。第二区域不太适于促进泡核沸腾，而更适于促进沿热交换元件的流动路径通过的流体的膜态沸腾。因此，本发明的热交换元件有利地提供了适合于至少两种热传递方式的区域。

进一步推测，这些区域沿着本发明的热交换元件的流动路径的布置有助于在流动沸腾期间促进热传递。较长的峰的区域有利地布置在流动路径的端部，在该端部处，待冷却的流体可以开始其沿着流动路径的流动。在该区域中可以引发泡核沸腾。当流体沿着流动路径流动时，其遇到较短峰的第二区域，该区域可有助于进一步沿着流动路径建立有效的膜态沸腾方式。

热交换元件

在此应当注意，提及的"本发明的热交换元件"表示如权利要求1所限定的热交换元件，提及的热交换元件表示可以根据本发明的无电沉积方法形成的热交换元件。在优选的实施例中，热交换元件包括权利要求1的所有特征，并且是本发明的热交换元件。

"热交换元件"是指固体物，其适于将热量从其自身传递到其周围环境。周围环境可以是例如邻近(并且通常接触)热交换元件的固体或流体。热交换元件能够从源吸收热量。热源可以是例如邻近(并且通常接触)热交换元件的固体或流体。因此，本发明的热交换元件是固体物，其能够将热量从源经其自身传递到其周围环境。特别地，本发明的热交换元件适于将热传递到流体，特别是传递到液体，因为液体能够沸腾。

本发明的热交换元件限定了流体流动的流动路径，不是本发明的热交换元件也可限定流体的流动路径。用于流体流动的流动路径，也称为流动路径，其是流体可以在热交换元件的表面上流动的路线。因此，流动路径包括热交换元件的暴露表面的至少一部分。热交换元件的暴露表面是可以与周围环境直接接触的表面。流动路径必须被暴露以便流体可以与其接触。例如，在热交换元件为板的形式的情况下，流动路径可以是板的表面上的任何路线。在一些实施例中，流动路径可穿过热交换元件。例如，热交换元件可以包括一个或多个通道(包括开放通道或封闭通道，即，管)，以使得流体能够流过元件；在这种情况下，流动路径可以包括通过热交换元件的一个或多个通道的至少一部分。

流动路径通常是热交换元件的全部或部分传递区域。"传递面积"是指热交换元件的可接触流体(这种流体被称为工作流体或制冷剂)的面积，该流体是热量要传递到的流体。在一些实施例中，流动路径是热交换元件的可接触流体的整个表面面积，该流体是热量要传递到的流体(制冷剂)。在其它实施例中，流动路径可以仅包括热交换元件的可以接触流体的表面面积的部分，该流体是热量要传递到的流体。在热交换元件包括用于运送流体(热量要传递到的流体)的通道(或流动通道)的情况下，在一些实施例中，流动路径包括流动通道的表面的一部分。在其它实施例中，流动路径包括流动通道的所有表面。

在热交换元件包括流动通道的情况下，流动路径的端部可以位于流动通道的端部处。例如，流动路径的端部可以位于流动通道的入口处。替代地或附加地，流动路径的端部可以位于流动通道内(不在其端部处)，例如远离流动通道的入口。通常，流动路径的端部位于热交换器上首先与流体(热量要传递到的流体)接触的位置处。通常，流动路径的端部位于流体(热量要传递到的流体)首先与本文所述的涂层接触的位置。

图2f示出了热交换元件(5)的横截面。热交换元件(5)具有第一流动通道和第二流动通道，每个流动通道具有入口(3)。第一流动通道包括涂层(1)，而基底(2)没有涂覆在第二流动通道中。第一流动通道限定了通过其中的流动路径(4)。

流动路径通常是连续的，意味着它是流体可以沿着其流动同时与热交换元件连续接触的路径。流动路径可以包括热交换元件的多于一个的表面，例如内表面和外表面。

应当注意，流动路径不一定构成引导流体沿其流动的路径。相反，流动路径构成流体可接触的热交换元件的暴露表面的至少一部分，并且因此流体可流过。

热交换元件(例如本发明的热交换元件)可以结合到产品中。在本发明的一个实施例中，热交换元件被结合到热交换器中。在本发明的另一个实施例中，热交换元件被结合到空调单元、冰箱、热回收系统、辐射器、散热器、太阳能收集器、锅炉或诸如微型热交换器或微通道热交换器的热交换器中。

涂层

热交换元件包括促进来自热交换元件的热传递的涂层。因此，热交换元件能够通过涂层有效地将热量传递到其周围环境。因此，通常热交换元件的涂层位于热交换元件的热传递表面上。热传递表面是热交换元件的适于将热量传递到周围环境的表面。热传递表面可以直接或间接地接触周围环境；例如，热传递表面上可具有一个或多个层，其将热传递表面与周围环境隔开而不直接接触。通常，涂层直接存在于热传递表面上。

热交换元件的暴露表面是暴露于周围环境的表面。通常，至少一部分涂层是暴露表面。然而，在一些实施例中，涂层上存在另外的层，使得另外的层形成暴露表面。

在本发明的热交换元件中，流动路径的至少一部分涂覆有涂层。在一些实施例中，整个流动路径都涂覆有涂层。该实施例可以是优选的，因为它使得热交换元件能够最大化地传递热量到与流动路径接触的流体，例如沿着流动路径流动的流体。

涂层也可以存在于热交换器的其它位置(即，不是沿着流动路径)。有利地，涂层可以仅存在于热交换元件的用于将热传递到流体的那些部分上。这使材料的浪费最小化。

涂层可以是连续涂层，其中整个涂覆部分或基底的部分都覆盖有涂层。或者，涂层可以是不连续的，使得在基底的涂覆部分上的涂层中存在间隙，其中涂层不存在于基底上。优选地，涂层是连续涂层，如图2b所示。

在本发明的热交换元件中，涂层包括峰。然而，并非涂层的所有材料都必须以峰的形式布置；涂层还可以包括分布在基底表面上的材料。因此，连续涂层不需要无间隙地并排布置的峰。

在本发明的热交换元件中，涂层包括多个峰。"峰"是指在结构的一端具有较厚部分，在结构的另一端具有较薄部分，该较厚部分逐渐减小到该较薄部分的结构。因此，峰可以被描述为具有尖顶的结构，或者被描述为锥形结构。峰的最厚部分(基部)通常在峰的最靠近基底的端部处，并且结构的最薄部分(尖端)通常在峰的最远离基底的端部处。

峰的基部被定义为与峰的最短侧的端部相交的峰的最小横截面。例如，当峰与平面成直角延伸时，峰的所有侧面(即，从峰的一端到另一端的距离)将具有相同的长度，并且峰的尖端沿着与基部形成直角的线设置。因此，峰的基部是峰在其与基底接触的面处的横截面。这在图2a的左侧图像中示出。然而，当峰从平面以45°延伸时，其尖端可能根本不位于基部上方。在这种情况下，从基底到峰尖端测量的峰的侧面的长度将随在它们被测量的位置不同而变化。因此，峰的基部定位在最短侧的基部处并且相对于基部以45°倾斜(图2a的右侧图像)。

峰通常是近似锥形的。也就是说，峰可以近似为具有圆形基部和沿与基部成直角延伸的轴线定位的尖端的锥体。近似圆形的基部被认为是包含真基部的最小圆。

·在这种近似锥形形状中，峰的长度取为从圆形基部的中心到峰尖端的距离。

·峰的基部半径是近似圆形基部的半径。

·锥角是在峰尖端处测量的锥体的侧面与其中心轴线形成的角度。

涂层包括多个长度高达100μm的峰。通常，涂层包括具有至少1μm长度的峰。涂层通常还包括长度高达50μm的峰。因此，通常涂层包括多个长度为至少1μm且不超过50μm的峰。优选地，峰具有1-15μm的长度，例如2-10μm，例如3、4、5、6或7μm。

在多个峰中峰的锥角通常较小。锥角通常小于40°。在一些实施例中，锥角为2°-30°，例如大约5°或大约10°或大约20°。在锥角的情况下，近似值可以变化±5°，例如±2°。

不管峰的长度如何，峰的锥角都保持在上述指定范围内。因此，多个峰中的峰基部半径随着峰长度增大而增大。通常，峰基部半径小于5μm。例如，峰基部半径可为0.05μm-3μm，优选0.1μm-2μm或0.2μm-1μm。在一些实施例中，峰长度为1-15μm，并且峰基部半径为0.2-3μm。在一些实施例中，峰长度为1-10μm，并且峰基部半径为0.1-2μm。在一些实施例中，峰长度为2-10μm，并且峰半径为0.2μm-1μm。

峰长度、锥角和峰基部半径都可以通过获得涂层的SEM图像并将近似锥体拟合到该图像中观察到的一个峰或多个峰来计算。可以通过眼睛或通过计算机模拟来进行拟合。

峰通常彼此靠近地布置。涂层中的峰的密度(即，每单位面积的峰的数量)通常将随着峰的基部半径而变化，因为较小的基部半径将使得峰能够更紧密地堆积。通常，每100μm²涂层包含5个或更多个峰，例如每100μm²至少10个峰，或每100μm²至少20个峰。峰的基部半径也对峰的密度施加近似上限；然而，在峰成簇布置的情况下(参见下文)，峰的密度可增大。因此，通常每100μm²涂层包含不超过500个峰，例如每100μm²包含不超过200个峰。优选地，每100μm²涂层包含5-500个，例如5-200个峰。

该涂层包括其中平均峰长度为S₁的第一区域和其中平均峰长度为S₂的第二区域。"平均峰长度"是指"峰长度平均值"。平均峰长度可通过建立区域中的每个峰的长度并从其计算平均值来计算。更方便地，可以在区域中的峰的代表性样本的基础上来计算平均峰长度。S₁和S₂可取高达100μm的值。S₁和S₂通常为至少1μm。此外，S₁和S₂通常为50μm或更小。因此，S₁和S₂通常为至少1μm且不大于50μm。优选地，S₁和S₂为1-15μm，例如2-12μm或2-10μm。

"区域"是指在基底表面上的涂层的面积。区域通常为至少20μm²的面积，例如至少50μm²的面积。

第一区域(S₁)的平均峰长度大于第二区域(S₂)的平均峰长度，通常，S₂为S₁的95％或更小。在一些实施例中，S₂为S₁的90％或更低，例如S₂的80％或更低。通常，S₂为S₁的至少10％，例如S₁的至少40％。例如，S₂可以是S₁的10％-95％，或S₁的50％-90％。

S₁可为至多100μm。通常，S₁为1-50μm。在优选实施例中，S₁为1-20μm，例如2-15μm。S₂可为至多100μm。通常，S₂为0.1至50μm。在优选的实施例中，S₂为0.2-10μm，例如0.5-10μm。在一个实施例中，S₁为1-20μm，并且S₂为0.2-12μm，例如S₁为2-12μm，并且S₂为0.5-10μm。在一些实施例中，S₁和S₂之间的差值为0.1μm或更大，例如0.5μm或更大或1μm或更大。例如，S₁和S₂之间的差值可为0.1-5μm。

第一区域位于由热交换元件限定的流动路径的端部处。例如，在流动路径包括通过热交换器的流动通道(例如，管)的情况下，第一区域可以位于该流动通道的端部处。然而，在一些实施例中，流动路径可能不是精确地在这样的流动通道的端部处开始，并且因此第一区域可能以某种方式位于流动通道内。第二区域位于通向第一区域的流动路径上的其它位置。例如，第二区域可以朝向流动通道的中心定位。

第一和第二区域可以彼此隔离。例如，在本发明的热交换元件中，第一和第二区域可以位于不同的板或翅片上，或者位于不同的流动通道中。也就是说，在本发明的一些实施例中，第一和第二区域可存在于涂层的未连接部分中。在本发明的其它实施例中，第一和第二区域可以位于涂层的相同部分中。

在一个具体实施例中，本发明的热交换元件包括涂层，其中该涂层包括在流动路径的端部处的第一区域，其中平均峰长度为S₁，并且其中平均峰长度从第一区域开始沿着流动路径的至少一部分减小。在该实施例中，第二区域可以是沿着流动路径的所述部分的任何区域(除了第一区域)。在该实施例的优选方面，平均峰长度沿着流动路径的至少一部分渐变，使得最长的平均峰长度出现在流动路径的端部，并且平均峰长度沿着流动路径远离该端部减小。这个方面在图2d中示出。根据本发明这一方面的涂层可方便地通过本发明的方法获得。例如，通过非常缓慢地将基底浸入溶液中，可以沿着流动路径改变基底暴露于无电沉积溶液的时间。或者，可以向基底提供具有沿流动路径变化的浓度梯度的无电沉积溶液。

因此，在一个实施例中，平均峰长度沿着流动路径的全部或部分渐变。"渐变"是指平均峰长度显示在恒定方向上的变化，即逐渐或递增而不是阶跃变化。例如，在沿着流动路径的一系列相邻位置处测量的平均峰长度在每个位置处可依次更大。在该实施例的一个方面，平均峰长度从流动路径的一端到另一端增加。在流动路径与流动通道或流动通道的一部分重合的情况下，平均峰长度可从流动通道的一端到另一端增加。

本发明的热交换元件的涂层可包括第三区域，其中平均峰长度为S₃。在一个示例中，第三区域可以位于由热交换元件限定的流动路径上。S₃可能高达100μm。通常，S₃为1-50μm。优选地，S₃为1-20μm，例如1-15μm，例如2-12或2-10μm。第三区域(S₃)中的平均峰长度通常与第一区域(S₁)具有相似的数量级，并且大于第二区域(S₂)中的平均峰长度。通常，S₂为S₃的95％或以下。在一些实施例中，S₂为S₃的90％或更小，例如S₃的80％或更少。通常，S₂为S₃的至少10％，例如为S₃的至少40％。例如，S₂可以是S₃的10％至S₃的95％或S₃的50％-90％。S₃通常为S₁的95％-105％，例如99％-101％。

在一个实施例中，第三区域位于流动路径的端部。在该实施例中，涂层包括在流动路径的一端的第一区域和在流动路径上的第二区域，以及在流动路径的另一端的第三区域，第一区域中平均峰长度是S₁，第二区域中平均峰长度是S₂，第三区域中平均峰长度是S₁，其中S₁大于S₂。S₁和S₂可以如上定义。在该实施例中，平均峰长度显示出沿着流动路径的逐渐减小和逐渐增加。

包括在涂层中的多个峰具有尖锐的尖端。如上所述，峰的锐度促进泡核沸腾。因此，峰通常在尖端处较薄。通常，在峰的尖端处的厚度是100nm或更小。这意味着在峰端部(和在近似圆锥的尖端)出现的峰的最大直径是100nm或更小。例如，峰尖端处的厚度可以是从0.1-100nm。优选地，在峰的尖端处的厚度为60nm或更小。例如，在峰的尖端处的厚度可以是1-50nm。

在本发明的一些实施例中，峰成簇布置。因此，本发明提供了一种热交换元件，包括基底和如本文所述的涂层，其中，所述涂层包括多个峰，所述多个峰布置成一簇或多簇。每个簇包括两个或更多个峰。已经观察到使用包括簇的热交换元件的特别好的热传递效率。

簇中两个以上的尖峰的数量没有特别限制。优选地，簇包括五个或更多个峰。通常，簇包括5-500个峰。

簇通常是花状的峰的排列。簇包括从节点突出的两个或更多个峰。节点是一块涂层材料，该簇的峰从该涂层材料向外突出。该节点可以是近似球形或半球形的形状。峰以近似径向的方式(即，近似在沿着球形或半球形节点的半径的方向上)从节点突出。然而，可能会在径向方向上产生明显的偏差，因此每个峰可能无法沿球形或半球的半径完美地设置。在图2c中示出了簇和节点。

节点通常具有高达50μm的直径(对应于接近节点的球形或半球的直径)。通常，节点的直径为0.05-50μm，例如0.1-20μm，或0.5-10μm。在节点非常小的情况下，可以更方便地将其视为峰从其突出的点。

簇可以被描述为具有高度和直径。高度是垂直于基底的最长距离。直径是从簇上方垂直观察时包围簇的基底的面中的最小圆的直径。簇的高度和直径可以通过拍摄包含簇的涂层的SEM图像并通过眼睛或经由计算机模拟将高度和直径拟合到其上来确定。

簇的直径通常小于200μm。簇的直径通常为1-200μm。优选地，簇的直径为2-100μm，更优选为5-50μm，更优选为10-50μm，例如10-40μm。

簇的高度通常小于200μm。簇的高度通常为0.5-150μm。优选地，簇的高度为1-100μm，更优选2-50μm，例如5-30μm。

簇的密度(即，每单位面积的簇的数量)将随簇直径而变化。在涂层包括簇的情况下，簇的密度通常为每100μm²至多100个簇。优选地，簇的密度为每100μm²为0.5-50个簇，例如每100μm²为1-25个簇。

在涂层包括簇的情况下，第一区域可以包括比第二区域更大密度的簇。类似地，在涂层包括簇的情况下，第一区域中的簇的平均直径可以大于第二区域中的簇的平均直径。在此上下文中的平均直径是指直径平均值。平均簇直径可以通过建立区域中的直径并由此计算平均值来计算。更方便地，平均簇直径可以基于区域中的簇的代表性样品来计算。

涂层中存在的峰和/或簇会产生空隙和孔。"孔"是指相邻簇之间的空间；"空腔"是指相邻峰之间的空间。因此，空腔通常小于孔。孔的形状没有特别限制。孔可以被描述为具有深度、宽度和长度。孔的深度是从最靠近基底的孔部分到相邻簇的最大高度的最大距离(在垂直于基底的方向上)。孔的长度为孔在基底表面的面内的最大直线长度。孔的宽度是孔在孔的所述面内垂直于其长度的最大直线长度。如同表面的其它特征一样，这些参数可以通过拍摄涂层的SEM图像并通过眼睛或经由计算机模拟拟合参数来确定。

通常，孔的深度近似等于邻接簇的高度。因此，孔的深度通常小于200μm。孔的深度通常为0.5-150μm。优选地，孔的深度为1-100μm，更优选为2-50μm，例如5-30μm。

通常，孔的长度小于500μm。孔的长度通常为2-250μm。优选地，孔的长度为10-100μm，例如20-85μm。

通常，孔的宽度小于100μm。孔的宽度通常为0.5-50μm。优选地，孔的宽度为1-25μm，例如4-20μm。

据推测，不同类型的涂层(例如，在峰长度上变化或者存在或不存在簇)可能适合于向不同流体的最有效的热传递。峰和空腔/孔的密度以及它们的尺寸决定了气泡形成的密度和那些气泡移动和生长的位点。这影响热传递性能。簇的存在提供了孔，因此具有簇的热交换元件最适合于向流体热传递，通过更大气泡的形成和生长可以将热有效地传递到所述流体。因此，本发明的热交换元件中的涂层可以变化，以便为具有不同热传递特性的一系列不同流体提供优化的热传递。流体可包括各种物质，例如有机制冷剂、水、液态N₂或CO₂等。例如，有机制冷剂可以包括氢氟烯烃(hydrofluoroolefin,HFO)、氢氟烃(hydrofluorocarbon,HFC)、碳氟化合物(fluorocarbon,FC)和烃。另一种示例性流体是氨。

热交换元件中的涂层的厚度没有特别限制。涂层的厚度可以定义为从基底到涂层材料边缘的最大垂直距离。通常，涂层的厚度为至少1μm，例如至少2μm。通常，涂层的厚度为200μm或更小。优选地，涂层的厚度为1μm-100μm，例如2-50μm。在一个实施例中，本发明提供热交换元件，其中涂层的厚度为10μm或更大。在另一个实施例中，本发明提供了一种热交换元件，其中所述涂层的厚度为2-50μm。

每单位面积基底的涂层的精确重量将取决于涂层的结构和其中的材料。通常，每单位面积基底的涂层的重量为至少10g m^-2。通常，每单位面积基底的涂层重量不大于900gm^-2。通常，每单位面积基底的涂层的重量为20-500g m^-2，优选地，30-400g m^-2。

涂层包含一种或多种金属。通常，涂层包含一种或或多种过渡金属。优选地，涂层包含钒、铬、锰、钴、镍和铜中的一种或多种。在优选实施例中，涂层包括铜、镍或铜和镍的合金。在本发明的一个特别优选的实施方案中，涂层包含铜。在另一个特别优选的实施例中，涂层包含铜和镍的合金。

涂层通常具有高金属含量，即其主要是金属的。通常，涂层含有按涂层重量计至少50％的金属。在一个优选的实施例中，涂层含有按涂层重量计至少70％的金属。在本发明的一个实施例中，涂层包含按涂层的重量计80％的金属。在特别优选的实施例中，涂层具有非常高的金属含量，例如按涂层的重量计至少90％或至少99％的金属。

具有上述结构和性能的本发明热交换元件的涂层可以方便地通过无电沉积获得。因此，在本发明的一个实施例中，涂层是可通过无电沉积获得的。在该实施例的一个方面，通过无电沉积获得涂层。例如，该涂层通常由本文所定义的无电流动沉积方法获得或可通过本文所定义的无电流动沉积方法获得。

在本发明的一个实施例中，涂层包括在涂层上的一个或多个，例如一个或两个表面层。"表面层"是指涂层表面上的材料层。因此，表面层是在涂层的与涂层的接触基底的一侧相对的一侧上的材料层。

表面层的材料没有特别限制。例如，表面层可以包括一种或多种金属或一种或多种聚合物。表面层可以包含一种或多种疏水性材料和/或一种或多种亲水性材料，以调节热交换元件的润湿性。表面层可以包含一种或多种防护材料以保护涂层免受磨损或严酷制冷剂如氨的影响。

优选地，表面层包括一种或多种过渡金属，特别是镍或钛。在优选的实施例中，表面层由镍、钛或包含镍和/或钛的合金组成。优选地，表面层是镍层。通常，包含过渡金属的表面层在热交换元件的暴露表面上，即，其与沿着流动路径流动的流体直接接触。通常，存在单一表面层，优选地，如上所述包含过渡金属的单层。

表面层是薄层，以便保持涂层的有利结构。通常任何表面层的总厚度为500nm或更小。例如，表面层的总厚度可以是1-250nm，例如10-200nm。

基底

所述基底是固体物。基底通常采用典型的热交换元件或其一部分或热交换器或其一部分的形式，然后根据本发明对其进行涂覆。

合适的基底的示例包括：管壳式换热器、板式换热器、钎焊板式换热器、有垫片的换热器、板壳式换热器、绝热轮换热器、板翅式换热器、轴枕板式(pillow plate)换热器、流体换热器、动态刮面式(dynamic scraped surface)换热器、小型换热器和微通道换热器。合适的基底的其它示例包括热交换器的一部分，例如作为热交换器的一部分的翅片、板、线圈或管。合适的基底的其它示例包括热交换器或适于结合到锅炉、空调、冰箱、辐射器、散热器、太阳能收集器或其它类型的热传递部件中的热交换器的部件。

基底优选是热导体。因此，基底可以包含金属。在一个实施例中，基底是包含金属或金属合金的金属物体。例如，基底可以是诸如由碳钢、奥氏体不锈钢、马氏体钢、铝及其合金(如铝青铜、铝硅合金等)、铜及其合金、钛和锆中的一种或多种制成的热交换元件的物体。优选地，基底是包含不锈钢或钛的物体，或者基底由不锈钢或钛组成。这些金属是优选的，因为它们耐腐蚀。

基底可以是非金属的，并且包含诸如硅或氮化镓的半导体。例如，它可以包含具有高热导率的碳复合物。在一个实施例中，基底可由碳复合材料制成。

基材可以包括一个或多个外层。在热交换元件(例如本发明的热交换元件)中，当存在外层时，基底的所有或部分外层位于基底的主体和涂层之间。在一个实施例中，存在与基底的本体和涂层接触的单个外层。在其它实施例中，存在两个或更多个外层。通常，如果存在外层，则存在单个外层。更优选地，不存在外层以使得基底与涂层直接接触。

当使用外层时，外层通常包含一种或多种金属或金属合金。例如，外层可以是金属层。外层可用于改善基底的耐腐蚀性，尤其是在外层包含钛、镍或不锈钢的情况下。外层也可在本发明的热交换元件的制造过程中改善涂层的形成，并可改善热交换元件中涂层对基底的粘附。

热交换元件适于将热量从其表面传递到与其表面接触的流体。如上所述，涂层的结构通过液体的泡核沸腾和/或膜态沸腾促进了有效的热传递，因此本发明的热交换元件特别适合于将热传递到液体。因此，通常，基底是适于或适合将热量传递到液体的物体。在一些实施例中，所述基底是热交换元件、热交换器或设计用于将热传递至液体的热交换器的一部分。在一个实施例中，基底是适于将热量传递到液体的热交换器。

在本发明的一个具体实施例中，热交换元件可适于流体到流体的热传递，例如气体到液体的热传递或液体到液体的热传递。因此，基底可以是热交换器或热交换器的一部分，其设计用于流体到流体的热传递，例如气体到液体的热传递或液体到液体的热传递。

一种适于将热量传递到流体例如液体的热交换元件，具有适于接触流体的一个表面或多个表面，通过热交换元件将热量传递到的流体可以被称为"工作流体"或"制冷剂"。通常地但非必要地，一种适于将热量传递到流体(例如液体)的热交换元件包括适于承载流体的一个或多个流动通道，所述流体是热量将被传递到的流体。因此，通常但不是必须地，基底包括一个或多个流动通道，所述流动通道适于承载流体，所述流体例如是热量将被传递到的液体。

将热量从其传递到热交换元件的流体可以被称为"热传递流体"或"加热流体"。一种适于从流体(例如液体)接收热量的热交换元件，通常包括一个或多个适于将热量从流体传递到热交换元件的流动通道。因此，通常但不是必须地，基底包括一个或多个适于承载液体的流动通道，热量可从该液体传递到基底。

在本发明的一个方面，热交换元件(例如本发明的热交换元件)是流体-流体热交换器，优选地是流体-液体热交换器，例如气体-液体或液体-液体热交换器，或其部分。因此，通常，基底包括一个或多个适于承载流体(例如液体)的流动通道，热量可从该流体传递到基底，以及一个或多个适于承载流体(优选地，液体)的流动通道，热量可从基底传递到该流体。

"流动通道"是指流体可以沿其通过基底的通道。流动通道包括一个或多个开口，流体可以通过所述开口进入和/或离开流动通道。这种开口可以被称为入口。在大多数构造中，流动通道在沿着其长度的所有侧面上被封闭(即，管)，并且在一个或多个端部处包括开口。然而，如本领域技术人员将理解的，流动通道的其他构造是可能的。

在热交换元件的一个实施例中，流动路径包括流动通道，并且涂层存在于所述流动通道的表面的至少一部分上。通常，涂层基本上覆盖流动通道的表面。流动通道的表面是指流动通道的内表面。流动通道的内表面将与流过流动通道的流体接触。流动路径可以完全位于流动通道内。也就是说，流动通道可以延伸超过流动路径。或者，流动路径可延伸至或甚至超过一个或多个通向流动通道的开口(入口)。

由于涂层对于促进向制冷剂(例如液体)的热传递是特别有用的，因此涂层有利地存在于当元件在使用中时制冷剂将接触的一个或多个表面(例如流动通道的表面)上。为了避免材料的浪费，涂层可以仅存在于热交换元件的可能接触制冷剂的一个或多个表面上。

热交换元件可以包括一个或多个在其表面上不具有涂层的流动通道。当使用热交换元件时，这种未涂覆的流动通道可以用于承载热传递流体。这种用于热传递流体的流动通道，在本文中被称为"第一流动通道"。通常，热交换元件被布置成使得热传递流体可以经由热交换元件将热量传递至制冷剂。

在本发明的热交换元件包括具有存在于流动通道表面上的涂层的流动通道的情况下，第一区域(其中具有平均峰长度S₁)和第二区域(其中具有平均峰长度S₂)可都位于流动通道内。或者，一个区域可以位于流动通道中，而另一个区域可以不位于流动通道中。在一个实施例中，第一区域位于或接近流动通道的入口，并且第二区域位于比第一区域离所述入口的距离更远。例如，当第一和第二区域位于流动通道内时，涂层可包括位于或靠近入口处的较长峰和进一步沿着流动通道的较短峰，例如峰长度可从位于或靠近入口处到进一步沿着流道的点逐渐减小。根据该实施例的热交换元件可以通过本发明的方法方便地制造。

在本发明的优选实施例中，热交换元件适于将热量传递到制冷剂，优选传递到液体制冷剂。当热交换元件在使用中时，它可以包含一种或多种制冷剂；例如，制冷剂(一种或多种)可存在于热交换元件中的一个或多个流动通道中。因此，在一个实施例中，本发明提供了一种包含制冷剂的热交换元件。也就是说，本发明提供了一种工作热交换元件，其中该工作热交换元件包括本发明的热交换元件和制冷剂。在该实施例的另一方面，热交换元件还包括热传递流体(例如在热交换元件的一个或多个流动通道中)。

制冷剂是适于接收热量的流体，优选是液体。各种液体包括CO₂、氮、氨、水、水溶液、包括卤代烷烃(如CFC)的有机液体和含硫制冷剂。热传递流体是液体，通常是能够向热交换元件提供热量的液体。多种液体是合适的，包括水和有机液体，例如油。

本发明的热交换元件的热传递效率

本发明的热交换元件能够高效地进行热传递。本发明的热交换元件的热传递效率与具有烧结表面的类似基底的热传递效率相似或比其更好。然而，有利地，与制备具有烧结表面的类似基底所需的金属相比，产生本发明的涂覆的热交换元件所需的金属少得多。

本发明的热交换元件比具有抛光表面的类似基底更有利于有效的热传递。在一个实施例中，本发明的热交换元件具有比具有抛光表面的类似基底高至少20％的热传递系数，例如比具有抛光表面的类似基底高至少30％或50％。通常对相同的系统(即，具有相同的热源和相同的制冷剂，并且在相同的温度下)计算热传递系数，以便进行比较。用于该比较目的热传递系数通常在流动沸腾方式下和在小于200kW m^-2的热通量下，例如在100kW m^-2下计算。抛光表面是用1200级砂纸抛光的表面。抛光表面通常具有0.04μm或更小的平均粗糙度，其在Taylor Hobson表面轮廓仪(Taylor Surf系列2，使用Taylor Hobson Ultra软件)上测量。

在一个实施例中，本发明的热交换元件在约80kW m^-2的热通量下具有7000W m^-2K^-1或更高的热传递。

在一个实施例中，在相同的测试条件下，本发明的热交换元件显示出的过热是具有抛光表面的类似基底所显示的过热的50％或更低。优选地，在相同的测试条件下，本发明的热交换元件显示出的过热是具有抛光表面的类似基底所显示的过热的30％或更少。典型的测试条件包括池沸腾实验方式和高达500kW m^-2的热通量，例如20kW m^-2条件下。过热是表面(热量从其传递到流体)的温度与流体的温度之间的差(以开尔文为单位)。

在一个实施例中，在至多500kW m^-2的热通量下，本发明的热交换元件显示10K或更低的过热。在该实施例的一个方面，在至多200kW m^-2的热通量下，本发明的热交换元件显示小于10K的过热。典型的测试条件包括池沸腾实验方式。

热传递方法

本发明的热交换元件能够促进向其周围环境的有效热传递。特别地，热交换元件能够促进向与元件接触的流体，并且尤其是向与元件的涂层接触的流体的有效热传递。热交换元件限定了流体可以沿其接触元件的流动路径，并且该流动路径沿其全部或部分长度涂覆有涂层。因此，本发明提供了一种将热量传递到流体或从流体传递热量的方法，该方法包括向本发明的热交换元件的流动路径提供流体。

如上所述，涂层适于通过促进液体沸腾(在泡核沸腾方式和膜态沸腾方式)来促进热传递。因此，在本发明方法的优选实施例中，该方法包括将热量传递到液体。在这些实施例中，该方法包括向本发明的热交换元件的流动路径提供液体。在一个实施例中，该方法是将热量从固体传递至液体的方法。在另一个优选的实施例中，该方法是将热量从流体传递到液体的方法，例如从气体传递到液体或从液体传递到液体。在一个具体实施例中，该方法是一种将热量从液体传递到液体的方法。

在一些实施例中，热传递方法包括使流体(优选液体)沿着本发明的热交换元件的流动路径通过。

通常，该方法包括将热量传递给制冷剂，该方法包括使制冷剂沿本发明的热交换元件的流动路径通过。例如，该方法可包括使制冷剂通过本发明的热交换元件的第一流动通道(其限定流动路径)。在一些实施例中，该方法包括通过使热传递流体沿本发明的热交换元件的第二流动通道通过而从热传递流体传递热量。在优选实施例中，该方法是一种从热传递流体向制冷剂的传递热量的方法，该方法包括使热传递流体通过热交换元件的第二流动通道，并使所述制冷剂通过热交换元件的第一流动通道。流动通道通常被布置成能够方便地使热量从热传递流体经由热交换元件传递到制冷剂。

本发明方法进行的温度通常低于500℃，本发明方法进行的温度将取决于制冷剂(如果使用的话)。通常，在使用制冷剂的情况下，该方法在制冷剂的沸点温度的20℃内的温度下进行，例如在制冷剂的沸点温度以上0-10℃。

本发明还提供了根据本发明的热交换元件作为热交换器的用途。在一个实施例中，本发明提供了热交换元件在如本文所述的热交换方法中的用途。

热交换元件的制造方法

本发明的热交换元件的涂层可以方便地通过无电沉积形成。因此，本发明提供了一种用于制造根据本发明的热交换元件的方法，该方法包括向基底表面提供无电沉积溶液。一个方面，该无电沉积方法是浴法。另一方面，该无电沉积方法是流动方法。这些具体方面将在稍后的部分中进一步详细描述；以下关于无电沉积方法的说明同样适用于浴法和流动方法。本发明的热交换元件和基底如本文所定义。

然而，本发明的无电流动沉积方法可以提供不是本发明的热交换元件。也就是说，无电流动沉积方法可提供不同于本发明的热交换元件的涂层。因此，本发明提供了一种用于制造热交换元件的无电流动沉积方法，以及通过该方法获得的或可获得的热交换元件。在优选的方面，本发明的无电沉积方法是用于制造本发明的热交换元件的方法。热交换元件和基底如本文所定义。

无电沉积包括溶液中的金属离子的还原，以产生沉积在基底表面上的金属原子，从而形成包括金属的涂层，如上所述。无电镀方法是一种非电解方法。与热浸镀锌方法不同，无电镀方法不需要熔融金属。

有利地，可以在低温下进行无电沉积。通常，在20℃-120℃的温度下执行无电沉积方法。在一个实施例中，无电沉积方法在室温下进行。优选地，无电沉积方法在100℃或更低的温度下进行，例如从20℃-100℃或50℃-100℃，例如在大约60℃、70℃或80℃下进行。应当注意，在该温度范围内进行无电沉积意味着在无电沉积期间将无电沉积溶液保持在上述温度范围内，通常为20℃-120℃。可以在上述范围内或上述范围外执行前后的方法步骤。

通过无电沉积方法产生的涂层的结构受基底表面处的无电沉积条件的影响。特别地，改变沉积时间、无电沉积溶液中的离子浓度和温度将影响由无电沉积方法形成的涂层的结构。

无电沉积溶液包括一种或多种金属离子。在无电沉积方法期间，将金属离子沉积到基底表面上以形成包含金属的涂层。金属离子通常选自钒、铬、锰、钴、镍或铜离子中的一种或多种。优选地，无电沉积包含铜和/或镍离子。特别优选地，无电沉积溶液包含铜离子。例如，无电沉积溶液可以包括Cu²⁺、Cu⁺和Ni²⁺中的一个或多个。

无电沉积溶液通常包含还原剂。还原剂的选择将取决于溶液中的一种或多种金属离子和基底的性质。合适的还原剂包括，例如，一种或多种碘酸盐；氧磷类离子，例如磷酸盐、亚磷酸盐和次磷酸盐；或硼酸根离子。

无电沉积溶液通常是水溶液。然而，无电沉积溶液可以包括除水之外的溶剂，例如醇或醚。通常，无电沉积溶液中的主要溶剂是水。无电沉积溶液还可以包含一种或多种络合剂和/或一种或多种稳定剂和/或一种或多种改性剂，其选择取决于基底和待沉积的材料。

通过无电沉积方法形成的涂层的结构受基底表面处的金属离子和还原剂的浓度的影响，较高浓度的金属离子倾向于增加通过无电沉积的材料的量。(所谓"较高浓度的金属离子"是指在无电沉积过程中沉积到表面上的较高浓度的金属离子)。较高浓度的金属离子也倾向于增加所形成的涂层的厚度。较高浓度的金属离子也有利于形成较大的表面特征。例如，较高的浓度有利于在表面上形成较长的峰和/或较高的峰密度。因此，通过在基底表面上提供无电沉积溶液浓度的变化，可以实现根据本发明的涂层的形成(包括第一区域，其中平均峰长度比第二区域更长)。因此，在一些实施例中，本发明提供了一种无电沉积方法，其包括：

向基底的第一区域提供具有浓度C₁的无电沉积溶液；

向基底的第二区域提供具有浓度C₂的无电沉积溶液；

其中C₁大于C₂。

C₁和C₂是在无电沉积溶液中可以沉积在基底上的金属离子的浓度。

通过无电沉积方法形成的涂层的结构也受到允许发生无电沉积的时间的影响。通常，允许无电沉积的时间越长，涂层越厚。类似地，较长的沉积时间有利于形成较大的表面特征。例如，较长的沉积时间有利于在表面上形成较长的峰和/或较大密度的峰。通常，该方法包括向基底表面提供无电沉积溶液至少15分钟。通常，该方法还包括将无电沉积溶液提供到基底表面12小时或更短的时间。在一个实施例中，本发明的方法包括在0.5小时-10小时的时间内将无电沉积溶液提供到基底表面。例如，该时间段可以是1小时-5小时。显然，无电沉积方法可以在有利的短时间内涂覆热交换元件。

在无电流动沉积方法的上下文中，提到"向表面提供无电沉积"应当被理解为"使无电沉积溶液在表面上流动"。也就是说，"提供"应当被理解为意味着"流动"或"在……上流动"。例如，在该方法是流动方法的情况下，该方法通常包括使无电沉积溶液在基底表面上流动至少15分钟。通常，该方法还包括使无电沉积溶液在基底表面上流动12小时或更短的时间。在一个实施例中，本发明的方法包括使无电沉积溶液在基底表面上流动0.5小时-10小时的时间。例如，该时间段可以是1小时-5小时。

在一些实施例中，在无电沉积方法期间不更新无电沉积溶液。如果不更新无电沉积溶液，则在本发明的方法期间，无电沉积溶液将随着时间而消耗。"消耗"是指溶液中金属离子和还原剂的浓度降低到初始值(方法开始时的值)以下，一旦待沉积的金属离子溶液的浓度下降至少5％，达到其初始值的95％或更少，无电沉积溶液可以说被消耗5％。也就是说，如果无电沉积溶液适用于沉积铜离子，则一旦溶液中铜离子的浓度降至其初始值的95％或更低，就认为该溶液被消耗了至少5％。

应当注意，可能发生浓度的局部变化。因此，根据作为整体的无电沉积溶液的消耗来考虑消耗。例如，可以取无电沉积溶液的多个样本，以便指示作为整体的溶液中的消耗。例如，在浴法中，可以在搅动无电沉积溶液的同时从浴中取出多个样品。在另一个示例中，其中该方法包括使无电沉积溶液从容器流过表面并回到容器中，可以从该容器中获取一个或多个样本。类似地，可以从自容器流向基底的溶液中取一个或多个样品。替代地或附加地，可从自基底流回容器的溶液中取一个或多个样品。

一旦无电沉积溶液被显著耗尽(例如50％或更多)，溶液中的离子浓度可能很低，因此沉积过程将变得不期望地慢。因此，本发明的无电沉积方法通常持续到无电沉积溶液消耗50％或更多。

在一个实施例中，用于制造热交换元件的方法包括将无电沉积溶液提供到基底的表面时间T，其中T是无电沉积溶液消耗5％-50％所花费的时间。即，直到待沉积的金属离子的浓度已经降至其初始值的50％-95％。优选地，T是无电沉积溶液消耗10％-40％或不超过30％所用的时间。例如，用于制造热交换元件(例如本发明的热交换元件)的方法可以包括使无电沉积溶液在基底的表面上流动一段时间T。

消耗的程度可以通过例如记录无电沉积溶液的离子浓度或电导率随时间的变化来确定。因此，在一个实施例中，该方法包括测量溶液的离子浓度。在另一个实施例中，该方法包括测量溶液的电导率。"测量"可以包括在无电沉积方法的过程中监视特定值的变化。

技术人员将理解，各种方法适用于测量无电沉积溶液的离子浓度，并因此适用于确定消耗程度。这些方法可以在从无电沉积溶液中取出的一个或多个样本上执行。或者，它们可以顺序进行，例如在用于无电沉积的无电沉积溶液的浴或容器中进行。合适的方法包括光学方法，例如比色法。比色法特别适用于高度着色的Cu²⁺离子溶液。其它方法包括阳极溶出伏安法、离子色谱法和离子发射光谱法(例如电感耦合等离子体发射光谱法、ICP-OES)。因此，在一些实施例中，该方法包括例如通过上述方法中的任何一种来测量无电沉积溶液中的离子浓度。在该测量的上下文中，"离子浓度"包括在无电沉积期间沉积在基底上的金属离子的浓度。

在该方法包括使无电沉积溶液流过基底的情况下，可以使用ICP-OES来分析在该无电沉积溶液接触基底之前和之后流过基底的无电沉积溶液。这可以揭示基底所暴露的最大和最小离子浓度。溶液的离子浓度(在其与基底接触后的)可以用于确定从基底流回到容器中的溶液是否需要用加入另外的离子以调节其浓度。在本发明的流动方法中，可以周期性地测量容器中的离子浓度，以确定溶液本身是否需要加入另外的离子以调节其浓度。类似地，在浴法期间确定的浴的离子浓度可以用于确定是否需要配料来增加离子浓度。

本发明的热交换元件的涂层中的期望峰长度可以通过调整无电沉积溶液的初始离子成分和/或允许发生沉积方法的时间长度来实现。

允许发生无电沉积的时间量不仅影响通过该方法形成的涂层中的峰长度，而且影响涂层中峰簇的发生率。允许发生无电沉积的时间越长，形成峰簇的可能性越大。因此，通过增加允许发生无电沉积的时间量，可以调节用于制造热交换元件的方法以形成簇。

形成簇所需的确切时间量将随基底、无电沉积溶液的成分和温度而变化。

该方法也可以适于通过重复该方法一次以上来促进簇的形成。因此，一种用于制造具有包括簇的涂层的本发明的热交换元件的方法可以包括：

(i)执行如本文所述的本发明的无电沉积方法；

(ii)活化由此制造的热交换元件的涂层的表面，例如通过将热交换元件浸入PdCl₂溶液中以形成活化的热交换元件；以及

(iii)重复本发明的无电沉积方法。

浴法

在一个方面，本发明的方法是浴法(用于制造本发明的热交换元件)，在浴法中，通过将基底置于无电沉积溶液的浴中，将无电沉积溶液提供到基底表面。在一些实施例中，在无电沉积方法期间搅动无电沉积溶液。搅动无电沉积溶液减少了整个浴中无电沉积溶液成分的变化(例如局部金属离子浓度的变化)。

在一些实施例中，在浴法期间涂覆基底的整个表面或多个表面。在其它实施例中，在将基底放入浴中之前，保护基底的一个或多个表面的一部分，使得受保护的部分不被涂覆。在另外的实施例中，基底的一个或多个表面的一部分不能粘附到涂层上，因此在浸入浴期间不被涂覆。

在一些实施例中，通过将两个或更多个基底放入浴中，可同时制造多个根据本发明的热交换元件。

在一个方面，通过调节无电沉积方法的时间长度，该浴法可以用于提供具有第一区域和第二区域的涂层，在第一区域中，峰长度为S₁，在第二区域中，峰长度为S₂。例如，可以将基底缓慢地浸入到浴中，使得首先进入浴的基底表面的一个或多个部分比随后进入浴的基底表面的一个或多个部分更长时间的暴露于无电沉积溶液。这样制造的暴露于无电沉积溶液的时间最长的热交换元件的一个或多个涂覆部分通常具有最长的平均峰长度。如果基底以恒定的低速浸入浴中，则在基底上制造的涂层可显示出平均峰长度的平滑变化。在另一示例中，保护性覆盖物可以通过无电沉积方法从基底的一部分上部分地去除，使得基底的该部分在剩余的浸没时间期间被涂覆。

在另一方面，通过允许无电沉积溶液的浓度在整个表面上变化，该浴法可用于提供具有第一区域和第二区域的涂层，在第一区域中，峰长度为S₁，在第二区域中，峰长度为S₂。在基底包括无电沉积溶液可以流入的通道的情况下，当基底浸入溶液浴时，溶液通常将流入所述通道。当溶液流入通道时，发生无电沉积，并且流经通道的溶液中待沉积的金属离子的浓度降低。新溶液随着时间从浴流入通道，但总是在流动通道的入口处具有最大浓度的待沉积金属离子(大致对应于周围浴中的较高金属离子浓度)。因此，形成浓度梯度，在流动通道的一个或多个入口处发现较高浓度的待沉积金属离子，并且在流动通道中进一步发生较低浓度的待沉积金属离子。在流动通道长和/或窄的情况下，这种效果特别显著。最长的峰形成在待沉积的金属离子的浓度最高的地方；较短的峰形成在其它地方。

流动方法

在一个方面，用于制造热交换元件的方法包括使无电沉积溶液流过基底的表面。在一些实施例中，该无电流动沉积方法制造根据本发明的热交换元件。

使无电沉积溶液流过基底表面包括提供以非零流速在基底表面上移动的无电沉积溶液流。如果溶液与所述基底表面接触，则溶液的流动被理解为在基底表面"上"。可以在基底的一个或多个表面上提供该流，例如基底的外和/或内表面，内表面是，例如穿过基底的通道(例如管)的表面。可以在整个基底上或仅在部分基底上提供溶液流。

在静态环境例如浴中发生的无电沉积方法中，在基底表面上的任何点上通常没有无电沉积溶液的净流动方向。通常搅拌溶液以提供浴内溶液的运动，但是在静态无电沉积方法(例如浴无电沉积方法)的过程中，该运动通常没有净方向。在静态环境中，在无电沉积方法过程中，无电沉积溶液在基底表面上任何点上的流动方向可以频繁改变并且是随机的。

该流动无电沉积方法在经受该流动的基底表面上的任一点上提供无电沉积溶液的净流动方向。在该沉积方法期间，在经受流动的基底表面上任一点的无电沉积溶液流动的方向总体上不变。在无电流动沉积期间，流动方向通常是恒定的。然而，在流动方法期间，可以有意地改变提供到基底表面的流的方向。

如本领域技术人员将理解的，用于在基底(例如，设备)上提供无电沉积溶液流的方法的精确细节可以改变。在特别简单的设置中，该方法可以包括将无电沉积溶液从容器倾倒在基底表面上。更通常地，该方法将包括使用流发生器(例如泵)产生无电沉积溶液流，并经由导管将无电沉积溶液流提供到基底表面。

在本发明的流动方法中，无电沉积溶液在基底表面上流动。基底表面上的溶液流动所采取的路径被称为"溶液流动路径"。在一些实施例中，涂层形成在整个溶液流动路径上。在其它实施例中，例如其中溶液流动路径上的部分基底被掩蔽以防止无电沉积的实施例中，涂层形成在部分溶液流动路径上。优选地，涂层形成在整个溶液流动路径上。

无电沉积溶液在基底表面上的流动在所述基底表面上产生浓度梯度。提供给表面的无电沉积溶液包含待沉积的金属离子。在无电沉积溶液被提供到基底表面之前，无电沉积溶液中的这种金属离子的浓度可以被称为C₁。一旦无电沉积溶液接触基底(即，一旦溶液接触易于被无电沉积涂覆的基底表面的一部分)，将发生无电沉积。这导致金属离子从溶液中析出，并将金属离子的浓度降低到低于C₁的值。因此，当无电沉积溶液在基底上流动时，其被消耗。形成浓度梯度。浓度梯度沿着溶液流动路径存在。溶液中金属离子的浓度随着溶液在基底表面上行进的距离的增加而降低。

如上所述，金属离子的浓度往往影响涂层的厚度和通过本发明的方法形成的表面特征的尺寸。因此，本发明的方法可以沿着溶液在基底表面上流动所采取的路径提供厚度变化和/或显示出表面特征尺寸变化的涂层。表面特征是涂层中的结构，例如峰。在一个实施例中，涂层的厚度沿溶液流动路径减小。在溶液流动路径的端部处或附近，通常在本发明的方法期间无电沉积溶液首先接触的基底表面的端部处，涂层可能最厚。在另一个实施例中，表面特征的尺寸沿着溶液流动路径减小。表面特征在溶液流动路径的端部处或端部附近可以是最大的，通常是在本发明的方法期间无电沉积溶液首先接触的基底表面的端部处。

无电沉积溶液中较高浓度的金属离子有利于较长峰的形成。因此，该无电流动沉积方法可制造涂覆的热交换元件，该涂层包括其中平均峰长度为S₁的第一区域和其中平均峰长度为S₂的第二区域。无电沉积沿着穿过基底的一个或多个表面的路线流动，该路线是无电沉积溶液的流动路径。通常，第一区域位于或接近该流动路径的端部，并且第二区域也在该流动路径上。

在一些实施例中，该方法包括使无电沉积溶液沿单个流动路径在单个方向上流过基底表面。在其它实施例中，流动方法包括改变流动方向的步骤。该流动方法可以附加地或可选地包括改变该无电沉积溶液在该基底一个或多个表面上的流动路径的步骤。

该方法包括改变(例如，反转)无电沉积溶液的流动方向或流动路径，该方法包括改变基底表面上的浓度梯度的方向。因此，在基底表面上形成最厚涂层或最大特征(例如最长的峰)的位置或区域将移动到新的位置，对应于与具有最大浓度C₁的无电沉积溶液接触的基底表面的新位置。这可以导致产生另一区域，即第三区域，其具有与第一或第二区域中的平均峰长度不同或相同的平均峰长度。

例如，在沿着流动通道提供无电沉积溶液的流动的情况下，流动通道可以包括在无电沉积溶液进入通道的流动通道的端部处或端部附近的较厚的涂层和/或较大的特征，以及进一步沿着通道的较薄的涂层和/或较小的特征。如果该方法包括使无电沉积溶液流入基底的流动通道的一端(入口)并从流动通道的另一端(出口)流出，则最厚的涂层/最大的特征将位于入口处或入口附近，最薄的涂层/最小的特征将位于出口处或出口附近。然而，如果在无电沉积方法期间流动方向被反转，则最薄的涂层/最小的特征将位于或接近通道的中间，而较厚的涂层/最大的特征将位于或接近通道的每个端部。

例如，在沿着流动通道提供无电沉积溶液的流动的情况下，第一区域可以位于流动通道的端部处或端部附近，第二区域可以进一步沿着流动通道定位。因此，该流动通道可以包括在该流动通道的端部处或附近的较长的峰，在该端部处无电沉积溶液进入该流动通道，以及进一步沿着该流动通道的较短的峰。如果该方法包括使无电沉积溶液流入基底的流动通道的一端(入口)并从流动通道的另一端(出口)流出，则最长的峰将位于入口处或附近，而最短的峰将位于出口处或附近。然而，如果在无电沉积过程中流动方向反转，则最短的峰将位于或靠近通道的中部，而较长的峰将位于或靠近通道的每个端部。

可以通过控制流速来调节在无电沉积过程中制造的涂层厚度和/或特征尺寸，例如峰长度。流速越快，涂层越薄和/或制造的表面特征越小。例如，流速越快，制造的峰越小。另外，增加流速减小了浓度梯度的大小，并因此减小了沿无电沉积溶液的流动路径的涂层厚度和/或特征尺寸(例如，峰长度)的变化。

在一些实施例中，本发明的方法包括向基底连续提供新溶液。在其它实施例中，无电沉积溶液被循环。在一个这样的实施例中，该方法包括：

使来自无电沉积溶液的容器的无电沉积溶液在所述基底的表面上流动；以及

将无电沉积溶液返回到所述容器。

"容器"是指一定体积的无电沉积溶液。通常，不通过外部的源来调节容器中的无电沉积溶液的成分。例如，该容器通常不从外部无电沉积溶液的源(在无电沉积过程中)加满。

通常，通过泵送将无电沉积溶液提供到基底表面。

在无电沉积期间，该方法通常包括使无电沉积溶液以至少10mL/min的流速流过基底表面。典型地，该方法包括使无电沉积溶液以至少50mL/min或至少100mL/min，优选至少1L/min的流速流过基底表面。上述低速率通常保持至少一分钟，例如至少十分钟，例如至少30分钟或1小时。

该方法可以包括改变无电沉积溶液的流速。在一个实施例中，该方法包括：

使无电沉积溶液以第一流速F₁在该基底的表面上流动；以及

使无电沉积溶液以第二流速F₂在所述基底表面上流动。

F₁和F₂通常不同。F₁和F₂通常为至少10mL/min。例如，F₁和F₂可以是至少50mL/min或100mL/min。在一个实施例中，F₂大于F₁。例如，F₂可以是F₁的两倍。例如F₂可以是F₁的2-50倍。在另一个实施例中，F₂大于F₁。例如，F₁可以是F₂的两倍。例如F₁可以是F₂的2-50倍。后一实施例可用于确保在将流速调节到合适的沉积流速之前，基底被无电沉积溶液快速覆盖。

在一些实施例中，F₂足够大以减少在无电沉积期间氢气气泡在基底的附着。F₂可以足够大以在无电沉积期间迫使氢气气泡远离基底表面。在一些实施例中，F₁和F₂都足够大，以在无电沉积期间减少氢气气泡在基底的附着，和/或在无电沉积期间迫使氢气气泡远离基底表面。在一些实施例中，F₁和/或F₂足够大以迫使无电沉积溶液进入基底的流动通道。

在一个方面，该方法包括：

以第一流速F₁从容器泵送无电沉积溶液到基底表面上，并将无电沉积溶液返回到容器；以及

以第二流速F₂从容器泵送无电沉积溶液到基底的所述表面上，并将无电沉积溶液返回到容器。

在一些情况下，该方法包括在将流速改变为F₂之前，使无电沉积溶液以第一流速F₁在基底表面上流动一段初始时间。例如，可以流速F₁提供溶液，直到待涂覆的基底的所有表面都被溶液覆盖。

在一些实施例中，该方法包括泵送无电沉积溶液，以使无电沉积溶液在基底表面上流动。例如，该方法可以包括从容器中泵取溶液，以在该基底的表面上产生无电沉积溶液的流动。可选地或附加地，该方法可以包括从基底(例如从基底的一个或多个流动通道)中泵出无电沉积溶液。合适的泵是适于产生流体流动，特别是液体流动的任何种类的装置。

在一些实施例中，该基底包括一个或多个流动通道，并且该方法包括使无电沉积溶液流过所述一个或多个所述流动通道。也就是说，该流动路径包括一个或多个所述流动通道。在一些实施例中，该基底包括流动通道，并且该方法包括使无电沉积溶液流过所述流动通道。

流动通道是指流体可经过基底的路径。在这些实施例中，该方法包括使无电沉积溶液与所述流动通道的表面接触，通常与所述流动通道的内表面接触。

在该实施例的一个方面，该过程可包括涂覆一个或多个适于和/或适用于承载制冷剂的流动通道。在该实施例的一个优选方面，该方法包括使无电沉积液体仅流过该基底的用于接触制冷剂的一个或多个表面。例如，该基底可以适合用作流体-流体热交换器，该热交换器具有用于承载制冷剂流体(从热交换元件向其热传递的流体)的区域和用于热传递流体(向热交换元件热传递的流体)的区域，并且该方法包括使无电沉积溶液仅在适于并用于接触制冷剂(即，制冷剂流体)的一个或多个表面上流动。该实施例是有利的，因为它确保了无电沉积溶液不会浪费在不用于传热的涂层表面上。

无电流动沉积方法是有利的，因为它能够控制流动无电沉积溶液，使得只有待涂覆的基底表面才可以与溶液接触。这减少了溶液的浪费。溶液的流动可以通过例如将溶液的容器连接到那些待涂覆的流动通道的一个或多个入口来控制。其它流动通道可能被堵塞。

无电流动沉积方法(流动方法)的优点

如上所述，本发明的流动方法降低了氢气气泡对通过无电沉积的基底的涂层的影响。因此，该流动方法提供了一种坚固、耐用且耐腐蚀的热交换元件。

该流动方法具有各种其它优点。例如，流动方法可有利地用于涂覆具有小凹陷(例如其中的小孔或通道)的基底，所述小凹陷可能不能方便地通过浴无电沉积方法来涂覆。在将具有小凹陷的基底置于液体浴中的情况下，气穴可能被捕获在这些凹陷中，从而防止无电沉积溶液接触隐藏在捕获的空气下面的基底。本发明的流动方法通常以足够高的流速进行，以迫使这些气穴远离基底表面，从而确保基底的暴露于无电沉积溶液的所有部分都被涂覆。因此，本发明的流动方法适用于涂覆例如包含非常窄的通道的基底，特别是适用于电子器件冷却的基底。

无电流动沉积方法的另一个优点是减少了沉积溶液的浪费。在本发明的流动方法中，可以控制无电沉积溶液在基底表面上的流动路径。因此，可以仅向在本发明的方法中待涂覆的表面的那些部分提供无电沉积溶液。相反，在浴法中，整个基底通常浸入无电沉积溶液中，并且基底表面的不打算被涂覆的任何部分都被保护涂层掩蔽。这可能导致在保护涂层上发生无电沉积，浪费材料。

本发明的流动方法的另一个优点是可以控制该方法的各种参数以调节所获得的表面结构。例如，可以改变无电沉积溶液在表面上的流速、执行该方法的温度、无电沉积溶液的成分等，以调整由该方法产生的涂层的结构。在无电沉积溶液包括铜离子的情况下，由于所得到的铜涂层的高电导率，实现了用于热交换的特别有利的结构。

该方法可产生各种各样的适于在各种条件下热传递的涂层。例如，它可以用于制造适于将热量传递到流体，优选传递到液体的热交换元件。在一个实施例中，该方法用于制造具有适用于蒸发式热交换器(通过将另一种流体加热至蒸发点来冷却流体的热交换器)的涂层的热交换元件。在另一个实施例中，该方法用于制造具有适于通过使液体沸腾来传递热量的涂层的热交换元件。

本发明的流动方法的一个特别的优点是，它可以用于在无需拆卸的情况下将无电沉积的涂层原位改装到现有的热交换器。

无电流动沉积方法的方面

提供了无电流动沉积方法的以下具体方面。

1.一种用于制造包括基底和涂层的热交换元件的方法，其中：

所述涂层包括金属；以及

所述方法包括使无电沉积溶液流过所述基底的表面。

2.根据方面1所述的方法，其中所述方法在20℃-120℃的温度下进行。

3.根据方面1或方面2所述的方法，其中，所述无电沉积溶液是水溶液。

4.根据前述任一方面所述的方法，其中，所述无电沉积溶液包括铜和/或镍离子。

5.根据前述任一方面所述的方法，其中，所述方法包括：

使来自无电沉积溶液的容器的所述无电沉积溶液在所述基底的表面上流动；以及

将所述无电沉积溶液返回到所述容器。

6.根据前述任一方面所述的方法，其中，所述方法包括使所述无电沉积溶液在所述基底的表面上流动0.5小时-10小时的时间。

7.根据方面5或方面6所述的方法，其中，所述方法包括使所述无电沉积溶液在所述基底的表面上流动时间T，其中，T是所述无电沉积溶液消耗5％-50％所花费的时间。

8.根据前述任一方面所述的方法，其中，所述方法包括监测所述无电沉积溶液中的离子浓度。

9.根据前述任一方面所述的方法，其中，所述方法包括：

使无电沉积溶液以第一流速F₁在所述基底的表面上流动；以及

使无电沉积溶液以第二流速F₂在所述基底表面上流动。

10.根据方面9所述的方法，其中F₂大于F₁。

11.根据前述任一方面所述的方法，其中，所述方法包括泵送所述无电沉积溶液，以使所述无电沉积溶液在所述基底的表面上流动。

12.根据前述任一方面所述的方法，其中，所述基底包括流动通道，并且所述方法包括使无电沉积溶液流过所述流动通道。

13.根据前述任一方面所述的方法，其中，所述方法包括：

(i)向所述基底的表面提供酸，和/或

(ii)活化所述基底的表面，

其中步骤(i)和/或(ii)在根据前述任一方面所述的使无电沉积溶液在所述基底表面上流动之前进行。

14.根据前述任一方面所述的方法，其中，所述方法包括将表面层，优选地包括镍的表面层，施加到根据方面1-13中任一方面制造的热交换元件。

15.一种热交换元件，其可通过根据前述方面中任一项所述的方法获得或通过根据前述方面中任一项所述的方法获得。

附加的方法步骤

通常，在无电沉积之前，通过暴露于酸和活化溶液来制备基底的表面。因此，在一个实施例中，用于制造热交换元件的方法包括：

(i)向该基底的表面提供酸；和/或

(ii)活化该基底的表面，

其中步骤(i)和/或(ii)在向基底表面提供无电沉积溶液之前进行。

酸的功能通常是清洁表面，并且可选地还蚀刻表面。合适的酸包括硫酸、盐酸或硝酸。在基底是钢基底的情况下，所用的酸优选硫酸。当基底是铜基底时，所用的酸优选是盐酸。所用的酸通常是强酸，例如20％或更高的酸。通常，暴露于酸的步骤在室温或更高温度下进行，例如20℃-120℃，通常50℃-100℃，通常将基底暴露于酸一分钟或更长时间，优选1分钟至1小时。在暴露于酸之后，通常用水冲洗基底。

活化表面的步骤可以包括向表面提供含金属的溶液，例如包含金属离子的水溶液。示例性的活化溶液是PdCl₂溶液。活化通常在0℃-100℃之间的温度下进行，通常为室温。通常，在活化步骤之后和无电沉积之前，冲洗基底。

可以在无电沉积方法之前执行的其它步骤包括例如将保护掩模施加到基底表面的一部分，以防止将涂层施加到基底的该部分。

在一些实施例中，本发明的用于制造热交换元件的方法包括在无电沉积方法之后执行的一个或多个步骤。在一个实施例中，该方法包括将表面层，优选包含金属例如镍或锡(优选镍)的表面层施加到由本文所述的方法制造的热交换元件上。

实验方案

下面描述将涂层施加到基底以制造本发明的热交换元件的示例性方法。

1.浴法

i.例如通过向其施加封闭漆来保护不打算被涂覆的基底的任何部分。如果打算将涂层施加到将要放置在浴中的基底的所有部分上，则该步骤可能是不必要的。

ii.通过将基底浸没在80℃的水浴中，将基底预热至80℃的温度。

iii.然后将基底转移到80℃的20％硫酸浴中并静置15分钟。然后在去离子水中冲洗该基底。

iv.将基底在PdCl₂溶液(1g L^-1)中放置2分钟。然后在去离子水中冲洗该基底。

v.然后如(ii)中所述将基底再加热至80℃。

vi.然后将基底置于NanoFLUX无电沉积溶液浴中，在75℃下保持两小时。NanoFLUX溶液包含0.01M-0.1M CuSO₄、0.001M-0.01M NiSO₄、0.1M-0.5M NaH₂PO₂、0.001M-0.1MNa₃C₆H₅O₇、0.1M-1M HBO₃、Janus Green 0-700ppm、PVP 0-200ppm、CTAB 0-300ppm、SBS 0-500ppm和0-200ppm PEG。在此期间连续搅拌浴中的溶液。该浴针对每平方米待涂覆的基底表面含有至少10升溶液。

vii.将涂覆的基底从浴中移出并在去离子水中冲洗。

viii.将涂覆的基底在烘箱中干燥。

通过调整步骤(vi)可以修改上述实验方案以制造包含簇的涂层，使得：

vi.然后将基底置于NanoFLUX无电沉积溶液浴中，在75℃下保持4小时。在此期间连续搅拌浴中的溶液。该浴针对每平方米待涂覆的基底表面含有至少50升溶液。

2.流动方法

用于涂覆一平方米基底表面的流动方法的方案。

i.例如通过向其施加封闭漆来保护不打算被涂覆的基底的任何部分。如果无电沉积溶液的预期流动路径仅接触基底的待涂覆的一个或多个部分，则该步骤可能是不必要的。

ii.通过将基底浸没在80℃的水浴中，将基底预热至80℃的温度。

iii.然后将基底转移到80℃的20％硫酸浴中并静置15分钟。然后在去离子水中冲洗该基底。

iv.将底物在PdCl₂溶液(1g L^-1)中放置2分钟。然后在去离子水中冲洗该基底。

v.然后如(ii)中所述将基底再加热至80℃。

vi.在容器中将至少10升以上定义的NanoFLUX无电沉积溶液加热至75℃。将无电沉积溶液从容器连续地泵送到基底表面上，并在两小时的时间内返回到容器。

vii.在去离子水中冲洗涂覆的基底。

viii.将涂覆的基底在烘箱中干燥。

通过调整步骤(vi)可以修改上述实验方案以制造包含簇的涂层，使得：

vi.在容器中将至少50升NanoFLUX无电沉积溶液加热到75℃。将无电沉积溶液从容器连续地泵送到基底表面上，并在4小时的时间内返回到容器。

3.用于涂覆热交换器的流动通道的流动方法

用于涂覆热交换器的流动通道的流动方法方案。热交换器包括具有两个端部(其旨在被涂覆)的第一流动通道和具有两个端部(其用于运送热传递流体)的第二流动通道。在该方案中，待涂覆的流动通道具有一平方米的表面积。

i.基底的第二流动通道(即不涂覆的流动通道)在每一端连接到水源，该水源保持在80℃，水被连续泵送通过第二流动通道。

ii.在80℃下，将基底的第一流动通道(即待涂覆的流动通道)的每一端连接到20％硫酸浴的容器。将来自容器的硫酸泵送通过第一流动通道15分钟。

iii.停止水和酸的泵送。

iv.将所有酸从第一流动通道排出。

v.然后将第一流动通道连接到去离子水源。将去离子水泵送通过通道5分钟或直到离开第一流动通道的水变清澈。然后，将所有的水从第一流动通道排出。

vi.将第一流动通道的两端在室温下连接到PdCl₂溶液(1g L^-1)的源。将PdCl₂溶液泵入第一流道，静置2分钟。然后从第一流动通道排出所有PdCl₂溶液。

vii.如步骤(v)所述，将基底在去离子水中冲洗。

viii.重新开始将80℃的水泵送通过第二流动通道。

ix.第一流动通道在两端连接到容器，该容器包含至少10升NanoFLUX无电沉积溶液(如上定义)，并保持在75℃。将无电沉积溶液从容器缓慢地连续泵送到流动通道，使得在五分钟或更长时间(例如对于1L体积的热交换器，0.1L min^-1分钟)之后，第一流动通道被无电沉积溶液填充。

x.无电沉积溶液的泵送速率增加十倍(例如增加到1.0L min^-1)。该泵送速率保持两小时。

xi.停止泵送无电沉积溶液，并且将所有无电沉积溶液排出第一流动通道。

xii.如步骤(v)中那样在去离子水中冲洗涂覆的基底。

xiii.将涂覆的基底在烘箱中干燥。

可修改上述实验方案以通过以下步骤在第一流动通道中制成包含簇的涂层：

-调节步骤(ix)，使得该第一流动通道在两端连接到容器，所述容器包含至少50升的维持在75℃的NanoFLUX无电沉积溶液；以及

-调节步骤(x)，使得所述较高泵送速率维持4小时的时间。

本领域技术人员将理解，上述方法的具体特征，例如温度和泵送速率，可以变化。

实施例

1.制备样本涂层。

根据本发明的方法，使用上述浴法方案(方案1)涂覆铜的小试件。改变涂覆时间以获得不同的峰长度。在每种情况下使用至少100ml NanoFLUX溶液。根据本发明得到的热交换元件使用扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)的成像。结果示于图3(普通方案)和5(改进的制造簇的方案)。

图3(a)示出了通过使铜的试件经AbthofNanoFLUX溶液的浴处理达1小时而获得的包括长度为1-3μm的峰的涂层。图3(b)示出了通过使铜的试件经AbthofNanoFLUX溶液的浴处理约2小时而获得的包括长度为4-5μm的峰的涂层。图3(c)示出了包括长度为8-10μm的峰的涂层，使铜的测试件经Abanhof NanoFLUX溶液的浴处理长达4小时。

图5(a)示出了包括以簇布置的长度为大约7μm的峰的涂层。通过使铜的试片经Annoflux溶液的浴处理约3小时来获得此涂层。将其再活化，然后再涂覆3小时。图5(b)还示出了成簇布置的峰的涂层。

还根据本发明的方法，使用上述浴法方案(方案1)涂覆包含75μm直径的钢丝网试件。使金属丝网经NanoFLUX溶液浴处理约3小时。使用SEM对产物表征，结果示于图6中。

2.换热器的制备。

采用铜钎焊的316不锈钢的钎焊板式热交换器，具有热传递流体通道和制冷剂通道，根据本发明的方法，使用涂覆热交换器通道的流动方法(上述方案3)涂覆。这制造了具有涂层的热交换器，该涂层包括沿制冷剂通道内部长度为大约3μm的峰。该通道内部的SEM图像示于图4中。

这表明本发明的方法可用于将本发明的热交换元件改装到现有的热交换器中。该方法可用于涂覆所有或部分现有的热交换器以制备本发明的产品。

3.在池沸腾时热交换元件的热传递效率。

根据本发明的方法，通过根据上述方案2涂覆铜试件来制造热交换元件，除了在步骤vi中，将试件置于75℃的NanoFLUX溶液浴中达4小时。该热交换元件类似于图3(c)所示的热交换元件(包括长度为8-10μm的峰)。在池沸腾实验中测试了它将热传递到有机制冷剂的能力。池沸腾实验描述于“Compound effect of EHD and surface roughness in poolboiling and CHF with R-123”,Ahmad等,Applied Thermal Engineering,第31卷，第1994-2003页,2011,和“Pool boiling on Modified Surfaces Using R-123”，Ahmad等,Heat Transfer Engineering,第35卷，第16-17期,2014。结果示于图7和8中。

图7示出了从表面到有机制冷剂的以kW m^-2为单位的热通量随着壁过热(ΔT_c)的变化。给出了如图3(c)所示的涂覆的铜热交换元件和抛光的无氧化铜表面的结果。根据本发明的热交换元件的结果以蓝色示出，并且出现在图左侧的陡峭的线上。抛光表面的结果以黑色示出，并且出现在沿图的底部的更平的线上。图7示出了本发明的元件可以实现从元件到制冷剂的高热通量，同时保持低过热。即使当高热通量被提供到表面时，元件也有效地将热量传递到制冷剂，使得其温度不会升高到远高于制冷剂的温度。表面工作得很好，以致于向表面提供热量的加热单元不能跟上表面热量的快速损失。相反，抛光的表面将热量缓慢地传递到制冷剂。当热量从表面缓慢地消散到制冷剂中时，到表面的热通量将抛光表面加热到高于制冷剂的温度。

图8示出了对于各种不同表面，从表面到有机制冷剂的以kW m^-2为单位的热通量随着壁过热(ΔT_c)的变化：

(i)抛光表面(具有最平坦斜率的黑线)。

(ii)涂覆有铜涂层的表面，例如WO2014/064450中描述的，其包含500nm高(绿线，几乎平坦到约11℃的ΔT_c，然后急剧上升)数量级的铜表面结构。

(iii)根据本发明的热交换元件，包括涂覆有包括1μm长的铜峰的涂层的铜基底(红线，几乎平坦直到约为8℃的ΔT_c，然后急剧上升)。

(iv)根据本发明的热交换元件，包括涂覆有包括10μm长的铜峰的涂层的铜基底(蓝线，从约2℃的ΔT_c急剧上升)。

本发明的热交换元件产生非常高的热通量，直到试验设备失效的点。此外，本发明的热交换元件(特别是具有10μm长的峰的热交换元件)即使在高热通量下也保持非常低的过热，这表明从表面到制冷剂的热传递的优异效率。

4.流动沸腾时热交换元件的热传递效率。

根据本发明的热交换元件包括作为基底的薄金属管，其通过本发明的无电流动沉积方法来制备。在管道的内表面上提供涂层，例如图4所示的涂层，在管道被加热时，有机制冷剂流过管道。有机制冷剂的流速依次设定为200kg m^-2s^-1、300kg m^-2s^-1、400kg m^-2s^-1以及500kg m^-2s^-1。测量各流速下的热传递系数。还测量了在每个流速下无涂层管的热传递系数。测量热传递系数的实验方案描述于“Flow Boiling Heat Transfer In A VerticalSmall-Diameter Tube:Effect Of Different Fluids And Surface Characteristics”,Al-Gaheeshi等，会议：Proceedings of the 4th International Forum on HeatTransfer，IFHT2016，2016年11月2-4日，日本仙台。以W m^-2K^-1为单位的热传递系数是热传递效率的量度。大的热传递系数表明热交换元件更有效地传热。

结果示于图9中。从图中可以看出，在每个流速下，涂覆的管具有比未涂覆的管更高的热传递系数。因此，用于制造根据本发明的热交换器元件的涂层改善了通过表面的热通量。

5.沉积时间的变化。

本发明的无电沉积方法可以被调整以改变沉积结构的尺寸。图10示出了通过改变基底经无电沉积溶液处理(例如无电沉积溶液的流动)的时间而获得的近似峰高度(上部虚线)和在基部的峰半径(下部实线)。峰长度随着时间增加，基部半径也随着时间增加。

峰的形状近似为锥形。上述长度和半径通过使每个峰近似到锥体来获得，所述椎体的轴线以直角穿过锥体基部。锥体的基部是在锥体的最短侧的基部处的面中的圆。因此，峰长度是从基部到尖端的近似锥体轴线的长度，并且在该近似中，基部半径是圆形基部的半径。

注意，在进行这些实验时，锥角(即，锥体的侧面与基部形成的角度)不受进行无电沉积的时间长度的影响。因此，本发明的方法可以制造长的、尖锐的峰；在本发明的方法中，随着峰变长，峰不会变得不太尖锐。

6.涂覆热交换器与未涂覆热交换器的热传递效率的比较

根据上述方案3制备涂覆蒸发器(即，热交换器)。如该方案中所解释的，根据本发明的方法涂覆用于接收制冷剂的蒸发器的流动通道。然而，蒸发器的用于接收水的另一流动通道没有被涂覆。

还获得了未涂覆的蒸发器用于比较目的。这种未涂覆的蒸发器在结构上与其它蒸发器相同，但根据本发明，未涂覆的蒸发器的流动通道都没有被涂覆。

将涂覆的和未涂覆的蒸发器依次加入试验装置中。试验装置如图11所示。

该系统用作工作制冷剂R245fa。然后评价蒸发器将热量从水传递到制冷剂的能力。制冷剂和水根据热交换器的正常使用循环通过蒸发器。在关于这一点进行的实验测试期间，评估从水到制冷剂的热传递速率。进行多个实验以测试在不同流速下涂覆的蒸发器的涂层。使用未涂覆的蒸发器但使用相同的流动参数重复实验以能够进行比较。

基于所进行的实验，计算热传递系数(UA)。这是通过表面的热通量和存在于该表面的温差之间的比例常数。因此，在表面具有大的热传递系数的情况下，即使表面两侧的温差小，也可以有效地热传递。具有较小热传递系数的表面在该表面允许明显的热流之前需要表面上的较大温差(即，较大驱动力)，计算热传递系数的方法由Fernando等在“Propaneheat pump with low refrigerant charge:design and laboratory tests”,International Journal of Refrigeration,27(7),第761-773页,2004以及Dutto等人在“Performance of brazed plate heat exchanger set in heat pump Proceedings ofthe 18th International Congress of Refrigeration,new challenges inrefrigeration”,Montreal,Quebec,Canada,第3卷(10-17August 1991)中给出。

两个蒸发器的作为温度函数的热传递系数示于图12，在两种情况下通过蒸发器的制冷剂流速都是0.0121kg/s。

未涂覆的蒸发器的UA用方形标记表示，并且在200W/K的范围内，然而，用圆形标记表示的涂覆的蒸发器获得了在300W/K范围内的热传递系数，例如，比较在2.25kW的蒸发器水侧以传热速率计算的热传递系数，表明涂覆的蒸发器的UA比未涂覆的蒸发器的UA高51.74％。这是显著的改进。

此外，这是在运行期间在蒸发器的制冷剂涂覆侧上具有非常小的压降的情况下实现的。压降是沿着流动路径(例如，在热交换器的进入点和退出点之间)的流动压力的压降。压降是由沿着流动路径的流体流中的湍流引起的。高压降意味着泵送流体(例如制冷剂)通过热交换器的泵需要更努力地工作以迫使流体通过。因此，避免高压降是有利的。

Claims (37)

1.一种热交换元件，包括基底和涂层，其中所述热交换元件限定用于流体流动的流动路径，并且其中所述流动路径的至少一部分涂覆有所述涂层，其中：

所述涂层包括金属；

所述涂层包含多个长度高达100μm的峰；

所述涂层包括在所述流动路径的端部处的第一区域和在所述流动路径上的第二区域，在所述第一区域中，平均峰长度为S₁，在所述第二区域中，平均峰长度为S₂；以及

S₁大于S₂。

2.根据权利要求1所述的热交换元件，其中，所述峰具有至少1μm且不大于50μm的长度。

3.根据权利要求1或2所述的热交换元件，其中，S₂为S₁的50％-90％。

4.根据前述权利要求中任一项所述的热交换元件，其中，S₁为2μm-10μm。

5.根据前述权利要求中任一项所述的热交换元件，其中，所述峰在其尖端处具有100nm或更小的厚度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的热交换元件，其中，所述多个峰布置成一个或多个簇，其中，每个簇包括两个或更多个峰。

7.根据权利要求6所述的热交换元件，其中，每个簇的直径为10-50μm。

8.根据前述权利要求中任一项所述的热交换元件，其中，所述涂层的厚度为10μm或更大。

9.根据前述权利要求中任一项所述的热交换元件，其中，所述涂层包括铜。

10.根据前述权利要求中任一项所述的热交换元件，其中，所述涂层包括占所述涂层重量80％的金属。

11.根据前述权利要求中任一项所述的热交换元件，其中，所述涂层能够通过无电沉积获得。

12.根据前述权利要求中任一项所述的热交换元件，其中，所述平均峰长度沿着所述流动路径的全部或部分渐变。

13.根据前述权利要求中任一项所述的热交换元件，其中，所述涂层包括在所述涂层上的表面层。

14.根据前述权利要求中任一项所述的热交换元件，其中，所述基底是金属物体。

15.根据前述权利要求中任一项所述的热交换元件，其中，所述基底是适于将热量传递给液体的热交换器。

16.根据上述权利要求中任一项所述的热交换元件，其中，所述流动路径包括流动通道，并且其中所述涂层存在于所述流动通道的表面的至少一部分上。

17.根据权利要求16的热交换元件，其中，所述第一区域位于或靠近所述流动通道的入口，并且其中，所述第二区域位于比所述第一区域离所述入口的距离更远。

18.根据前述权利要求中任一项所述的热交换元件，其中，所述热交换元件包含制冷剂。

19.一种向流体传递热量或从流体传递热量的方法，包括向如权利要求1-18中任一项所限定的热交换元件的流动路径提供流体。

20.一种用于制造权利要求1-18中任一项所述的热交换元件的方法，其中，所述方法包括将无电沉积溶液提供到基底的表面上。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述方法是浴法。

22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述方法包括使无电沉积溶液在所述基底的表面上流动。

23.一种用于制造包括基底和涂层的热交换元件的方法，其中：

所述涂层包括金属；以及

使无电沉积溶液在所述基底的表面上流动。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述热交换元件如权利要求1-18中任一项所限定。

25.根据权利要求22-24中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：

使来自无电沉积溶液的容器的所述无电沉积溶液在所述基底的表面上流动；以及

将所述无电沉积溶液返回到所述容器。

26.根据权利要求22-25中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：

使所述无电沉积溶液以第一流速F₁在所述基底表面上流动；以及

使所述无电沉积溶液以第二流速F₂在所述基底表面上流动。

27.根据权利要求26所述的方法，其中F₂大于F₁。

28.根据权利要求22-27中任一项所述的方法，其中，所述方法包括泵送所述无电沉积溶液以使所述无电沉积溶液在所述基底的表面上流动。

29.根据权利要求22-28中任一项所述的方法，其中，所述基底包括流动通道，并且所述方法包括使所述无电沉积溶液流过所述流动通道。

30.根据权利要求20-29中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：

(i)向所述基底的表面提供酸；和/或

(ii)活化所述基底的表面，

其中步骤(i)和/或(ii)在向所述基底表面提供无电沉积溶液之前进行。

31.根据权利要求20-30中任一项所述的方法，其中，所述无电沉积溶液是水溶液。

32.根据权利要求20-31中任一项所述的方法，其中所述无电沉积包含铜和/或镍离子。

33.根据权利要求20-32中任一项所述的方法，其中，所述方法在20℃-100℃的温度下进行。

34.根据权利要求20-33中任一项所述的方法，其中，所述方法包括向所述基底的表面提供所述无电沉积溶液0.5小时-10小时。

35.根据权利要求20-34中任一项所述的方法，其中所述方法包括向所述基底的表面提供所述无电沉积溶液时间T，其中T是所述无电沉积溶液消耗5-50％所用的时间。

36.根据权利要求20-35中任一项所述的方法，其中，所述方法包括将表面层，优选包含镍的表面层施加到所述热交换元件上。

37.一种通过或能通过如权利要求23-36中任一项所限定的方法获得的热交换元件。

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