CN111056525A - 交流电浸润效应致微通道沸腾换热强化和流动不稳定性抑制方法 - Google Patents
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Abstract
发明提供交流电浸润效应致微通道沸腾换热强化和流动不稳定性抑制方法。采用由微通道、交流电浸润装置和聚四氟乙烯疏水表面构成的系统。其中，交流电浸润装置包括ITO玻璃、具有氧化层的硅片和交流电源。通过本发明交流电浸润效应动态可逆的改变微通道表面亲/疏水性的技术手段，使微通换热表面能够同时具备疏水表面的低核化能垒和亲水表面的相界面钉扎、气泡聚合抑制等特性，形成接触角区微对流传热增强的沸腾换热强化和微通道流动不稳定性的气泡动力学抑制。
Description
技术领域
本发明涉及两相流动换热技术领域，特别涉及用于微通道沸腾换热强化和流动不稳定性抑制的方法。
背景技术
随着微电子机械系统(MEMS)和微全分析系统(μTAS)的迅速发展，微换热器、微化学反应器和微流控芯片技术等微流体系统相继涌现，在微电子、化学工程、生物化学分析等学科领域和电子器件温度控制、航空航天、移动式反应堆等工程领域展现出广泛的应用前景，而与之密切相关的微尺度流动和传热问题则是目前关注的焦点。例如，微换热器在高集成、高热流密度电子芯片散热应用中，如何通过沸腾高效换热的同时确保微换热系统稳定和安全有重要意义。
微换热器由多条微型通道构成，其当量直径Dh<200μm或受限数倒数Bond<0.05。在这样的尺度下，尺寸效应在带来高比表面积和高传热系数的同时会导致通道内的两相流动和传热过程受壁面限制作用更加明显。基于MEMS技术加工的微型换热器传热表面通常非常光滑，这将导致在缺少不凝性气体和壁面孔穴的情况下微通道内核化所需的壁面过热度增加，气泡在过热边界层内迅速热扩散生长，而在壁面限制作用下，气泡生长受限/倒流，微流道内间歇沸腾产生流动不稳定性，降低临界热流密度。
针对上述问题，现有方法则是通过改变通道进/出口特性、入口增设节流结构等减少通道上游可压缩性容积的方法来缓和因受限气泡倒流引起的流动不稳定性，或通过增加通道壁面孔穴、入口产生种子气泡等降低核化所需过热度和两相热力学非平衡的方法来抑制气泡动力学致低频高振幅的系统波动，但在不增加系统阻力和微通道内部结构复杂程度的基础上，如何同时实现微换热器沸腾换热强化和流动不稳定性抑制仍待进一步研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于微通道沸腾换热强化和流动不稳定性抑制的装置及其操作方法，以解决现有微通道换热技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，交流电浸润效应致微通道沸腾换热强化方法，微通道加热系统产生热量传递给微通道板内的工质。工质在聚四氟乙烯层疏水表面沸腾相变。交流电浸润系统加载，动态可逆改变聚四氟乙烯层表面的亲疏水性，提高两相沸腾换热效率，并诱导增强接触角区微对流传热。其中，
所述微通道板的板面上设置有多条平行的通槽。
所述交流电浸润系统包括ITO导电玻璃片、硅片和交流电源。所述硅片的上表面具有硅片氧化层Ⅰ，下表面具有硅片氧化层Ⅱ。所述硅片氧化层Ⅰ的上表面喷涂有聚四氟乙烯层。所述微通道板夹设在ITO导电玻璃片和硅片之间。所述ITO导电玻璃片和聚四氟乙烯层分别将通槽的上下端敞口封堵。所述ITO导电玻璃片、通槽和聚四氟乙烯层合围出多条微通道A。所述微通道A中流通工质。所述ITO导电玻璃片和硅片与交流电源相连，作为交流电浸润系统的电极。
所述微通道加热系统包括加热片。所述加热片通过导热胶固定连接在硅片氧化层Ⅱ的下表面。加热片产生热量通过硅片导热传递给微通道A内的工质。
本发明还公开微通道流动不稳定性的气泡动力学抑制方法，微通道加热系统产生热量传递给微通道板内的工质。工质在聚四氟乙烯层疏水表面沸腾相变，延缓气泡在微通道内受限生长和倒流。交流电浸润系统加载，气泡三相线区相界面钉扎和振荡，阻碍气泡聚合，抑制微通道内因气泡受限生长和倒流产生的流动不稳定性。其中，
所述微通道板的板面上设置有多条平行的通槽。
所述交流电浸润系统包括ITO导电玻璃片、硅片和交流电源。所述硅片的上表面具有硅片氧化层Ⅰ，下表面具有硅片氧化层Ⅱ。所述硅片氧化层Ⅰ的上表面喷涂有聚四氟乙烯层。所述微通道板夹设在ITO导电玻璃片和硅片之间。所述ITO导电玻璃片和聚四氟乙烯层分别将通槽的上下端敞口封堵。所述ITO导电玻璃片、通槽和聚四氟乙烯层合围出多条微通道A。所述微通道A中流通工质。所述ITO导电玻璃片和硅片与交流电源相连，作为交流电浸润系统的电极。
所述微通道加热系统包括加热片。所述加热片通过导热胶固定连接在硅片氧化层Ⅱ的下表面。加热片产生热量通过硅片导热传递给微通道A内的工质。
进一步，所述交流电源采用低电势为零的方波型交流电。
进一步，所述微通道板采用PC透明材料制得。
进一步，所述聚四氟乙烯层的厚度小于100nm，平整度小于3μm，粗糙度小于20nm。
进一步，所述硅片采用单晶硅片。所述硅片的电阻率为1～10Ω·cm。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.同时实现微通道沸腾换热强化、流动不稳定性抑制，以及临界热流密度提高；
B.不增加微通道内部结构复杂程度，实现整个微通道换热表面浸润性动态可逆改变；
C.电浸润效应在电致亲水过程中因快速响应、所需电势低和不影响气液界面表面张力等特点适用于相界面瞬变的沸腾流动和传热。
附图说明
图1为微通道交流电浸润系统结构示意图；
图2为微通道板结构示意图；
图3为聚四氟乙烯表面粗糙度；
图4为聚四氟乙烯表面接触角示意图；
图5为简易电浸润表面液滴接触角示意图。
图中：微通道A、微通道板1、通槽101、ITO导电玻璃片2、硅片3、硅片氧化层Ⅰ4、硅片氧化层Ⅱ40、聚四氟乙烯层5、加热片6、受限气泡7。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开交流电浸润效应致微通道沸腾换热强化方法，微通道加热系统产生热量传递给微通道板1内的工质。工质在聚四氟乙烯层5疏水表面沸腾相变。交流电浸润系统加载，动态可逆改变聚四氟乙烯层5表面的亲疏水性，提高两相沸腾换热效率，并诱导增强接触角区微对流传热。其中，
所述微通道板1的板面上设置有多条平行的通槽101。
所述交流电浸润系统包括ITO导电玻璃片2、硅片3和交流电源。所述硅片3的上表面具有硅片氧化层Ⅰ4，下表面具有硅片氧化层Ⅱ40。所述硅片氧化层Ⅰ4的上表面喷涂有聚四氟乙烯层5。所述微通道板1夹设在ITO导电玻璃片2和硅片3之间。所述ITO导电玻璃片2和聚四氟乙烯层5分别将通槽101的上下端敞口封堵。所述ITO导电玻璃片2、通槽101和聚四氟乙烯层5合围出多条微通道A。所述微通道A中流通工质。所述ITO导电玻璃片2和硅片3与交流电源相连，作为交流电浸润系统的电极。
所述微通道加热系统包括加热片6。所述加热片6通过导热胶固定连接在硅片氧化层Ⅱ40的下表面。加热片6产生热量通过硅片3导热传递给微通道A内的工质。
工质水在聚四氟乙烯疏水表面由于沸腾起始所需壁面过热度低，易沸腾相变，核化密度增加，进而提高两相沸腾换热效率。交流电浸润系统的加入使表面亲/疏水性可逆改变，导致气泡三相线区相界面振荡，诱导增强接触角区微对流传热。
实施例2：
本实施例公开微通道流动不稳定性的气泡动力学抑制方法，微通道加热系统产生热量传递给微通道板1内的工质。工质在聚四氟乙烯层5疏水表面沸腾相变，延缓气泡在微通道内受限生长和倒流。交流电浸润系统加载，气泡三相线区相界面钉扎和振荡，阻碍气泡聚合，抑制微通道内因气泡受限生长和倒流产生的流动不稳定性。
其中，
所述微通道板1的板面上设置有多条平行的通槽101。
所述交流电浸润系统包括ITO导电玻璃片2、硅片3和交流电源。所述硅片3的上表面具有硅片氧化层Ⅰ4，下表面具有硅片氧化层Ⅱ40。所述硅片氧化层Ⅰ4的上表面喷涂有聚四氟乙烯层5。所述微通道板1夹设在ITO导电玻璃片2和硅片3之间。所述ITO导电玻璃片2和聚四氟乙烯层5分别将通槽101的上下端敞口封堵。所述ITO导电玻璃片2、通槽101和聚四氟乙烯层5合围出多条微通道A。所述微通道A中流通工质。所述ITO导电玻璃片2和硅片3与交流电源相连，作为交流电浸润系统的电极。
所述微通道加热系统包括加热片6。所述加热片6通过导热胶固定连接在硅片氧化层Ⅱ40的下表面。加热片6产生热量通过硅片3导热传递给微通道A内的工质。
聚四氟乙烯疏水表面较低的沸腾起始过热度可延缓气泡在微通道内受限生长和倒流，缓和微通道内间歇沸腾产生的流动不稳定性。交流电浸润系统的加入使气泡三相线区相界面钉扎和振荡，阻碍气泡聚合，抑制微通道内因气泡受限生长和倒流产生的流动不稳定性。
实施例3：
参见图1，本实施例公开一种用于微通道沸腾换热强化和流动不稳定性抑制的装置，包括微通道板1、交流电浸润系统和微通道加热系统。
参见图2，所述微通道板1采用PC透明材料制得。所述微通道板1的板面上设置有多条平行的通槽101。
所述交流电浸润系统包括ITO导电玻璃片2、硅片3和交流电源。
ITO导电玻璃片2是在普通石英玻璃的基础上，利用溅射、蒸发等多种方法镀上一层ITO(氧化铟锡膜)。ITO导电玻璃片2透明并导电，用于可视化观测通道内气泡动力学特性和作为交流电浸润系统电极。
所述硅片3采用单晶硅片。所述硅片3的电阻率为1～10Ω·cm。硅片作为基底具有良好的导热和导电性能，用作交流电浸润系统的另一电极，且底部加热片产生的热量通过硅片导热充分传递给微通道内的工质。所述硅片3的上表面具有硅片氧化层Ⅰ4，下表面具有硅片氧化层Ⅱ40。硅片氧化层二氧化硅的介电常数高于大多常用的含氟聚合物，是良好的介电材料，使气泡接触角受电浸润效应影响更加明显。此外，二氧化硅是良好的绝缘材料，可将电浸润系统和微通道加热系统绝缘隔离。
所述硅片氧化层Ⅰ4的上表面喷涂有聚四氟乙烯层5。所述聚四氟乙烯层5的厚度小于100nm，平整度小于3μm，粗糙度小于20nm。聚四氟乙烯层5在交流电润湿系统未启动或启动后电源低电势的时候保证通道表面疏水性。参见图3，需确保亲/疏水可逆过程和加热过程中聚四氟乙烯层粗糙度不发生改变，目的在于消除因表面粗糙度改变而导致的浸润性差异。
所述微通道板1夹设在ITO导电玻璃片2和硅片3之间。所述ITO导电玻璃片2和聚四氟乙烯层5分别将通槽101的上下端敞口封堵，避免工质在通道间相互串流。所述ITO导电玻璃片2、通槽101和聚四氟乙烯层5合围出多条微通道A。所述微通道A中存储有工质。
所述ITO导电玻璃片2和硅片3与交流电源相连，作为交流电浸润系统的电极。所述交流电源采用低电势为零的方波型交流电。方波型交流电可减小因电压值变化(如正余弦)引起气泡接触角改变的影响。此外，在介电层材料和厚度确定的情况下，接触角余弦值与加载交流电高电势的平方正相关，过高的电势会击穿介电层，加载方波型交流电在阈值电压下可最大限度的改变接触角。
所述微通道加热系统包括加热片6。所述加热片6通过导热胶固定连接在硅片氧化层Ⅱ40的下表面。
工作时，交流电浸润系统加载，动态可逆改变聚四氟乙烯层5的亲疏水性。加热片6产生热量通过硅片3导热传递给微通道A内的工质。工质水在聚四氟乙烯疏水表面由于沸腾起始所需壁面过热度低，易沸腾相变，核化密度增加，进而提高两相沸腾换热效率。交流电浸润系统的加入使表面亲/疏水性可逆改变，导致气泡三相线区相界面振荡，诱导增强接触角区微对流传热。聚四氟乙烯疏水表面较低的沸腾起始过热度可延缓气泡在微通道内受限生长和倒流，缓和微通道内间歇沸腾产生的流动不稳定性；交流电浸润系统的加入使气泡三相线区相界面钉扎和振荡，阻碍气泡聚合，抑制微通道内因气泡受限生长和倒流产生的流动不稳定性。
实施例4：
聚四氟乙烯疏水性确保换热表面在交流电润湿系统未启动或启动后电源低电势的时具有疏水性，如图4所示为聚四氟乙烯表面接触角，大于90°的接触角表明聚四氟乙烯具有疏水性。电浸润效应中，电容效应引起液滴和介电层之间电荷累积，导致液-固界面之间的表面自由能量变化，从而改变表面张力/液滴接触角,并满足Young-Lippmann方程。因此，在介电层和疏水材料确定的情况下，一定范围内通过改变加载电压V，和介电层厚度d，可动态可逆的改变液滴接触角。图5为简易电浸润表面亲水性变化，随着加载电压增大，接触角减小。5a中电压为50V,θ＝78.5°。5b中电压为35V,θ＝84.2°。5c中电压为25V，θ＝91.5°。
本实施例公开一种基础的用于微通道沸腾换热强化和流动不稳定性抑制的装置，包括微通道板1、交流电浸润系统和微通道加热系统。
所述微通道板1的板面上设置有多条平行的通槽101。
所述交流电浸润系统包括ITO导电玻璃片2、硅片3和交流电源。所述硅片3的上表面具有硅片氧化层Ⅰ4，下表面具有硅片氧化层Ⅱ40。所述硅片氧化层Ⅰ4的上表面喷涂有聚四氟乙烯层5。所述微通道板1夹设在ITO导电玻璃片2和硅片3之间。所述ITO导电玻璃片2和聚四氟乙烯层5分别将通槽101的上下端敞口封堵。所述ITO导电玻璃片2、通槽101和聚四氟乙烯层5合围出多条微通道A。所述微通道A中存储有工质。所述ITO导电玻璃片2和硅片3与交流电源相连，作为交流电浸润系统的电极。
硅片作为基底具有良好的导热和导电性能，用作交流电浸润系统的另一电极，且底部加热片产生的热量通过硅片导热充分传递给微通道内的工质。硅片氧化层二氧化硅的介电常数高于大多常用的含氟聚合物，是良好的介电材料，使工质相变产生的气泡接触角受电浸润效应影响更加明显。此外，二氧化硅是良好的绝缘材料，可将电浸润系统和微通道加热系统绝缘隔离。采用<100>的单晶硅片，厚度为650±10μm，尺寸长×宽＝50mm×10.2mm，其宽度与整个通道宽度匹配。硅基采用单面抛光双面氧化的工艺，其氧化层厚度为285±10nm，硅片电阻率为1～10Ωcm。硅片上部热喷聚四氟乙烯并与PC连接，下部与铜加热组件通过导热胶连接，二氧化硅作为铜加热组件和交流电浸润系统的绝缘层。
电浸润系统的另一极为ITO玻璃，ITO导电玻璃是在普通石英玻璃的基础上，利用溅射、蒸发等多种方法镀上一层氧化铟锡膜(ITO)加工制作,透明并导电，同时满足可视化观测通道内气泡动力学特性和作为交流电浸润系统电极。ITO玻璃厚度2.5mm,要求具有足够的强度，壁面在密封过程中被透明夹持盖板压碎。ITO镀膜厚度
尺寸误差为±0.1mm，玻璃粗糙度为6nm，透光度≥84.0％，方阻为6Ω。ITO导电玻璃与电极通过导电银胶相连。
所述微通道加热系统包括加热片6。所述加热片6通过导热胶固定连接在硅片氧化层Ⅱ40的下表面。
工作时，交流电浸润系统加载，动态可逆改变聚四氟乙烯层5的亲疏水性。加热片6产生热量通过硅片3导热传递给微通道A内的工质。
值得说明的是，交流电浸润效应致微通道沸腾换热强化和流动不稳定性方法分析中，采用带放大镜的高速摄像仪可视化观察描述亲/疏水性可逆表面上的气泡核化和界面现象。通过气泡核化数据，验证聚四氟乙烯疏水表面由于沸腾起始所需壁面过热度低，易沸腾相变，核化密度增加，进而提高两相沸腾换热效率等特性；基于界面现象数据，验证交流电浸润系统的加入使气泡三相线区相界面钉扎和振荡，阻碍气泡聚合，抑制微通道内因气泡受限生长和倒流产生的流动不稳定性等特性。
实施例5：
本实施例主要结构同实施例4，其中，所述交流电源采用低电势为零的方波型交流电。交流电源采用低电势为零的方波型交流电，目的在于减小因电压值变化(如正余弦)引起气泡接触角改变的影响。此外，根据Young-Lippmann方程，在介电层材料和厚度确定的情况下，接触角余弦值与加载交流电高电势的平方正相关，过高的电势会击穿介电层，加载方波型交流电在阈值电压下可最大限度的改变接触角。
实施例6：
本实施例主要结构同实施例4，其中，所述微通道板1采用PC透明材料制得。
实施例7：
本实施例主要结构同实施例4，其中，所述聚四氟乙烯层5的厚度小于100nm，平整度小于3μm，粗糙度小于20nm。聚四氟乙烯层涂在硅片氧化层外，在交流电润湿系统未启动或启动后电源低电势的时候保证通道表面疏水性。与此同时，通过原子力显微镜(AFM)确保亲/疏水可逆过程和加热过程中聚四氟乙烯层粗糙度不发生改变，消除因表面粗糙度改变而导致的浸润性差异。
实施例8：
本实施例主要结构同实施例4，其中，所述硅片3采用单晶硅片。所述硅片3的电阻率为1～10Ω·cm。硅片用作交流电浸润系统的另一电极，具有良好的导电和导热性能，底部加热片产生的热量通过硅片导热充分传递给微通道内的工质。硅片氧化层二氧化硅的介电常数高于大多常用的含氟聚合物，是良好的介电材料，使工质相变产生的气泡接触角受电浸润效应影响更加明显。此外，二氧化硅是良好的绝缘材料，可将电浸润系统和微通道加热系统绝缘隔离。
Claims (6)
1.交流电浸润效应致微通道沸腾换热强化方法，其特征在于：微通道加热系统产生热量传递给微通道板(1)内的工质；工质在聚四氟乙烯层(5)疏水表面沸腾相变；交流电浸润系统加载，动态可逆改变聚四氟乙烯层(5)表面的亲疏水性，提高两相沸腾换热效率，并诱导增强接触角区微对流传热；其中，
所述微通道板(1)的板面上设置有多条平行的通槽(101)；
所述交流电浸润系统包括ITO导电玻璃片(2)、硅片(3)和交流电源；所述硅片(3)的上表面具有硅片氧化层Ⅰ(4)，下表面具有硅片氧化层Ⅱ(40)；所述硅片氧化层Ⅰ(4)的上表面喷涂有聚四氟乙烯层(5)；所述微通道板(1)夹设在ITO导电玻璃片(2)和硅片(3)之间；所述ITO导电玻璃片(2)和聚四氟乙烯层(5)分别将通槽(101)的上下端敞口封堵；所述ITO导电玻璃片(2)、通槽(101)和聚四氟乙烯层(5)合围出多条微通道A；所述微通道A中流通工质；所述ITO导电玻璃片(2)和硅片(3)与交流电源相连，作为交流电浸润系统的电极；
所述微通道加热系统包括加热片(6)；所述加热片(6)通过导热胶固定连接在硅片氧化层Ⅱ(40)的下表面；加热片(6)产生热量通过硅片(3)导热传递给微通道A内的工质。
2.微通道流动不稳定性的气泡动力学抑制方法，其特征在于：微通道加热系统产生热量传递给微通道板(1)内的工质；工质在聚四氟乙烯层(5)疏水表面沸腾相变，延缓气泡在微通道内受限生长和倒流；交流电浸润系统加载，气泡三相线区相界面钉扎和振荡，阻碍气泡聚合，抑制微通道内因气泡受限生长和倒流产生的流动不稳定性；其中，
所述微通道板(1)的板面上设置有多条平行的通槽(101)；
所述交流电浸润系统包括ITO导电玻璃片(2)、硅片(3)和交流电源；所述硅片(3)的上表面具有硅片氧化层Ⅰ(4)，下表面具有硅片氧化层Ⅱ(40)；所述硅片氧化层Ⅰ(4)的上表面喷涂有聚四氟乙烯层(5)；所述微通道板(1)夹设在ITO导电玻璃片(2)和硅片(3)之间；所述ITO导电玻璃片(2)和聚四氟乙烯层(5)分别将通槽(101)的上下端敞口封堵；所述ITO导电玻璃片(2)、通槽(101)和聚四氟乙烯层(5)合围出多条微通道A；所述微通道A中流通工质；所述ITO导电玻璃片(2)和硅片(3)与交流电源相连，作为交流电浸润系统的电极；
所述微通道加热系统包括加热片(6)；所述加热片(6)通过导热胶固定连接在硅片氧化层Ⅱ(40)的下表面；加热片(6)产生热量通过硅片(3)导热传递给微通道A内的工质。
3.根据权利要求1或2所述任意一种方法，其特征在于：所述交流电源采用低电势为零的方波型交流电。
4.根据权利要求1或2所述任意一种方法，其特征在于：所述微通道板(1)采用PC透明材料制得。
5.根据权利要求1或2所述任意一种方法，其特征在于：所述聚四氟乙烯层(5)的厚度小于100nm，平整度小于3μm，粗糙度小于20nm。
6.根据权利要求1或2所述任意一种方法，其特征在于：所述硅片(3)采用单晶硅片；所述硅片(3)的电阻率为1～10Ω·cm。
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