CN113154927B - 一种微纳结构表面强化传热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微纳结构表面强化传热方法，本发明的方法包括以下步骤：步骤一、对原始基体材料换热表面进行预处理；步骤二、在预处理之后的换热表面构建微纳结构，实现换热系统内的传热强化。本发明利用飞秒激光微纳米加工技术，在原始基体材料上构建微纳结构实现传热强化，可以有效避免传统强化传热技术带来的其他附加影响，并且对于各种传热形式均具有很好的强化传热效果。

Description

一种微纳结构表面强化传热方法
技术领域
本发明属于传热强化技术领域，具体涉及一种微纳结构表面强化传热方法。
背景技术
高效紧凑蒸汽发生器及微电子元器件等高功率密度的紧凑换热系统对其内部的传热传质性能提出的更高的要求，比如CPU的冷却技术逐渐由空气冷却进步为水冷却，然而水冷CPU技术需要附加相较于CPU更加庞大的冷却水系统，这使得计算机的体积大幅度增加。再如高效紧凑的板式换热器，功率密度高体积小是其最主要的优势之一。受限于传热性能的制约，现有的高效紧凑板式换热器内部传热的提高仅通过热工参数以及增大传热面积，虽然其整体传热性能已经有了一定程度上的提升，但仍旧有巨大的需求和潜能。提高高效紧凑板式换热器的内部传热性能，可以进一步提高功率密度减小体积，巩固和提升其最主要的优势之一，对于动力系统设备的大幅度优化以及相关系统和设备性能的提升有着巨大效益和应用潜力。
对于任意一个换热系统而言，其整体的换热性能主要受控于三个传热尺度的影响：微观能量输运、介观边界层内热质传递以及宏观主流区流动传热特性。其中，微观尺度的截面能量输运特性是影响介观和宏观尺度性能指标的核心输入。现有强化热质传递技术主要从介观和宏观两个角度开展相应的研究，几何尺寸的特殊性使得这一类方法难以适用于紧凑换热系统内的热质传递性能，并可能造成其他附加影响(破坏边界层的异形构件的尺寸较大，对于紧凑换热系统中的狭窄通道而言极易造成堵塞等影响性能甚至破坏整体效果)。
发明内容
为了解决传统强化传热技术带来的其他附加影响，从而影响换热系统的性能的问题，本发明提供了一种微纳结构表面强化传热方法。本发明提供一种采用新的微纳结构来实现传热表面强化的方法，能在微小、紧凑换热系统的窄通道内应用的情况下，有效避免传统强化传热技术可能带来的阻塞等附加影响，实现紧凑换热系统内的传热强化。
本发明通过下述技术方案实现：
一种微纳结构表面强化传热方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、对原始基体材料换热表面进行预处理；
步骤二、在预处理之后的换热表面构建微纳结构，实现换热系统内的传热强化。
本发明利用飞秒激光微纳米加工技术，在原始基体材料上构建微纳结构实现传热强化，可以有效避免传统强化传热技术带来的其他附加影响，并且对于各种传热形式均具有很好的强化传热效果，例如单相对流换热强化和沸腾传热强化。
优选的，本发明的步骤二实现的传热强化包括单相对流传热强化。
优选的，本发明的步骤二采用飞秒激光微纳米加工技术，在预处理之后的换热表面上构建交错排列的“柱形”微纳结构，增强层流底层扰动的同时提高等效的导热系数，实现换热表面单相对流传热的强化。
优选的，本发明的“柱形”微纳结构中的柱高为10～50um，圆柱截面半径为5～25um；交错排列的“柱形”微纳结构中圆柱与圆柱之间的间距为10～20um。
优选的，本发明的“柱形”微纳结构的柱形结构上附着的纳米结构尺寸为50～100nm。
优选的，本发明的步骤二实现的传热强化包括沸腾传热强化。
优选的，本发明的步骤二采用飞秒激光微纳米加工技术，在与处理之后的换热表面上构建阵列分布的“驼峰”微纳结构，增大壁面核化点密度，实现换热表面沸腾传热的强化。
优选的，本发明的“驼峰”微纳结构中的驼峰高度为10～50um，驼峰与驼峰之间的间距为10～50um，峰谷夹角为20°～70°。
优选的，本发明的“驼峰”微纳结构中的驼峰上附着的纳米结构尺寸为50～100nm。
优选的，本发明的步骤一对原始基体材料换热表面进行预处理，使得其整体粗糙度小于后续需要制备的微纳结构中的微米结构的粗糙度。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提出的微纳结构表面强化传热技术，可以有效避免传统强化传热技术带来的其他附加影响，并且对于各种传热形式均具有很好的强化传热效果，具有巨大的应用潜能和经济价值，并具备良好的拓展性，充分满足高效紧凑换热系统强化传热的需求。
2、本发明利用飞秒激光微纳米加工技术，在原始基体材料上构建柱形微纳结构的扰流强化层流底层的扰动以及阵列分布的“驼峰”结构创造更多的汽化核心，利用微纳结构表面再不引入其他附加影响的特点，实现紧凑换热系统内的单相对流换热和沸腾传热的强化。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的均匀交错排列的“柱形”微纳结构示意图。
图3为本发明的阵列分布的“驼峰”微纳结构示意图。
图4为本发明的驼峰结构峰谷夹角示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
相较于传统的强化传热技术会带来的其他附加影响，本实施例提出了一种微纳结构表面强化传热方法，采用飞秒激光微纳米加工技术，在原始基体材料上构建微纳结构，实现紧凑换热系统内的传热强化。
具体如图1所示，本实施例的方法包括以下步骤：
步骤一、对原始基体材料换热表面进行预处理。
一般机械加工获得的表面相对而言平整度有限，可能出现局部区域凹穴或凸起的尺寸过大，影响微纳结构表面的精加工。在进行微纳结构表面精细化加工处理之前，可对原始基体材料进行预处理(如研磨)，使得其整体粗糙度小于后续需要制备的微纳结构中的微米结构的粗糙度。
步骤二、在预处理之后的换热表面构建微纳结构，实现换热系统内的传热强化。
本实施例利用飞秒激光微纳米加工技术，在原始基体材料上构建微纳结构，利用微纳结构表面不再引入其他附加影响的特点，对于各种传热形式均具有很好的强化传热效果，具有巨大的应用潜能和经济价值，并具备良好的拓展性，充分满足高效紧凑换热系统强化传热的需求。
本实施例的紧凑传热系统工作介质为水，工作压力常压～20MPa，工作温度常温～500℃。
实施例2
本实施例采用上述实施例1提出的方法实现紧凑换热系统内的单相对流传热的强化，具体在步骤二中，利用飞秒激光微纳米加工技术，在原始基体材料上构建交错排列的“柱形”微纳结构，如图2所示，增强层流底层的扰动的同时也提高等效的导热系数，实现紧凑换热系统内的单相对流传热的强化。
本实施例的“柱形”微纳结构尺寸范围为：柱高10-50um，圆柱截面半径5-25um，圆柱间距10-20um，微米柱形结构上附着的纳米结构尺寸范围为50～100nm。
实施例3
本实施例采用上述实施例1的方法实现紧凑换热系统内的沸腾传热的强化，具体在步骤二中，利用飞秒激光微纳米加工技术，在原始基体材料上构建阵列分布的“驼峰”微纳结构，如图3所示，该微纳结构增大壁面核化点密度，实现紧凑换热系统内的沸腾传热的强化。
本实施例的“驼峰”微纳结构尺寸范围为：高度10-50um，间距10-50um，峰谷夹角θ(如图4所示)范围20°～70°，驼峰结构上附着的纳米结构尺寸范围为50～100nm。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微纳结构表面强化传热方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对原始基体材料换热表面进行预处理；
步骤二、在预处理之后的换热表面构建微纳结构，实现换热系统内的传热强化；所述步骤二实现的传热强化包括单相对流传热强化；
所述步骤二采用飞秒激光微纳米加工技术，在预处理之后的换热表面上构建交错排列的“柱形”微纳结构，增强层流底层扰动的同时提高等效的导热系数，实现换热表面单相对流传热的强化；
所述“柱形”微纳结构中的柱高为10~50um，圆柱截面半径为5~25um；交错排列的“柱形”微纳结构中圆柱与圆柱之间的间距为10~20um。
2.根据权利要求1所述的一种微纳结构表面强化传热方法，其特征在于，所述“柱形”微纳结构的柱形结构上附着的纳米结构尺寸为50~100nm。
3.根据权利要求1所述的一种微纳结构表面强化传热方法，其特征在于，所述步骤二实现的传热强化包括沸腾传热强化。
4.根据权利要求3所述的一种微纳结构表面强化传热方法，其特征在于，所述步骤二采用飞秒激光微纳米加工技术，在与处理之后的换热表面上构建阵列分布的“驼峰”微纳结构，增大壁面核化点密度，实现换热表面沸腾传热的强化。
5.根据权利要求4所述的一种微纳结构表面强化传热方法，其特征在于，所述“驼峰”微纳结构中的驼峰高度为10~50um，驼峰与驼峰之间的间距为10~50um，峰谷夹角为20°~70°。
6.根据权利要求4所述的一种微纳结构表面强化传热方法，其特征在于，所述“驼峰”微纳结构中的驼峰上附着的纳米结构尺寸为50~100nm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种微纳结构表面强化传热方法，其特征在于，所述步骤一对原始基体材料换热表面进行预处理，使得其整体粗糙度小于后续需要制备的微纳结构中的微米结构的粗糙度。
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