CN115900404A - 加热平板沸腾强化微结构改性表面及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种加热平板沸腾强化微结构改性表面及其实现方法，包括：基体材料、设置于基体材料上的微结构和聚合材料，其中：聚合材料围绕与微结构外部，该微结构包括：中间成核点微柱阵列和围绕于其外部的微柱阵列。本发明综合增大传热面积、分离汽‑液通道以及强化芯吸等效应，能够起到减小沸腾起始温度、增大沸腾换热系数以及临界热流密度等关键参数，从而达到强化加热平板沸腾传热特性的效果，这样也能够提高换热设备的使用效率以及安全特性。

Description

加热平板沸腾强化微结构改性表面及其实现方法
技术领域
本发明涉及的是一种换热领域的技术，具体是一种加热平板沸腾强化微结构改性表面及其实现方法。
背景技术
表面改性强化传热潜在的应用场景包括换热器、蒸汽发生器、电子器件等相关换热设备，尤其对应核反应堆，其中被动强化技术主要包括改变表面结构等方式，不需要外界动力，是目前强化换热的最佳方案。现有改进技术通过物理或化学手段来改变表面结构，以达到强化传热的目的。针对不同的换热场景，能够利用机械加工、激光加工、电化学沉积、光刻等方法加工得到微柱、凹槽、微孔阵列等结构表面，通过增加汽化核心数量、增加传热面积等机制来提高沸腾换热效果。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102683305A公开日20120919，公开了一种适用于超高热流密度微电子芯片高效冷却技术，具体为一种多孔微柱变曲率型面的芯片强化沸腾换热结构，包括芯片表面的散热板以及在散热板上面利用泡沫金属形成若干个多孔变曲率型面三维微结构，呈阵列式分布，其多孔变曲率型面三维微结构为六面型，上下表面为不同尺寸的正方形，4个侧表面为相同形状的弧面。但泡沫金属良好的芯吸效应导致其在长期使用过程中会吸附有机物或者发生氧化腐蚀，从而导致该现有技术强化核态沸腾换热的设计会发生失效。
中国专利文献号CN108871026A公开日20181123，公开了一种超薄热管毛细结构及其制备方法，该毛细结构包括基板及设置在基板上的铜微柱阵列，其中，所述的铜微柱阵列表面具有微或/和纳米级孔洞。其制备步骤为：采用光刻技术和电化学沉积法，在基板表面沉积出Cu-AlO纳米复合材料的微柱阵列；将沉积出的微柱阵列浸泡在NaOH溶液中，将AlO纳米颗粒溶解，得到表面具有微或/和纳米级孔洞的铜微柱阵列。但该技术无法优化气液运动路径，从而导致临界热流密度可能会发生恶化，并且有机物吸附以及氧化腐蚀同样会导致该现有技术的沸腾换热强化效应完全失效。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种加热平板沸腾强化微结构改性表面及其实现方法，综合增大传热面积、分离汽-液通道以及强化芯吸等效应，能够起到减小沸腾起始温度、增大沸腾换热系数以及临界热流密度等关键参数，从而达到强化加热平板沸腾传热特性的效果，这样也能够提高换热设备的使用效率以及安全特性。，
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种加热平板沸腾强化微结构改性表面，包括：基体材料、设置于基体材料上的微结构和聚合材料，其中：聚合材料围绕与微结构外部，该微结构包括：中间成核点微柱阵列和围绕于其外部的微柱阵列。
技术效果
本发明结合双热导率表面、外部微柱阵列以及中间成核点微柱阵列的沸腾换热强化表面改性设计，通过中间成核点微柱阵列提供更多的汽化核心、避免了汽泡之间的相互干涉，从而能够降低沸腾起始温度并强化沸腾换热；外部的微柱阵列能够强化芯吸效应，可以为中间成核点微柱阵列核态沸腾提供液体，从而能够提高临界热流密度值；外围的聚合材料具有低热导率，能够分离汽-液通道，从而进一步保证沸腾之后液体的补充能力。
附图说明
图1为微结构改性表面示意图；
图2为微槽结构示意图；
图3为微柱结构示意图；
图4为微结构放大示意图；
图中：微结构1、铜加热片2、聚合材料3、微柱阵列4、中间成核点微柱阵列5。
具体实施方式
如图1和图3所示，为本实施例涉及一种加热平板沸腾强化微结构改性表面，包括：基体材料2、设置于基体材料2上的微结构1和聚合材料3，其中：聚合材料3围绕与微结构1外部。
如图2所示，所述的微结构1包括：中间成核点微柱阵列5和围绕于其外部的微柱阵列4，其中：微柱阵列4基于平整表面利用光刻以及电化学沉积等方法加工得到，中间成核点微柱阵列5的顶部中心区域具有通过激光加工等方式得到的微孔，即人工成核点，从而增加汽化核心密度，从而降低沸腾起始温度，而且能够更好地控制核态沸腾区域，尽可能避免汽泡之间的相互干涉影响，这样也能够减缓汽膜的合并形成从而增大临界热流密度值。
所述的微孔，为锥形、圆柱形或矩形体。
所述的微柱阵列4和中间成核点微柱阵列5的截面为矩形或圆形。
如图4所示，所述的微结构1包括：具有芯吸效应的微槽阵列，通过在中间成核点发生核态沸腾之后将补充液体输送过去，从而起到提高临界热流密度的作用。
所述的基体材料2上设有用于固定聚合材料3的凹槽，该凹槽优选为采用机械加工方式得到如图1所示的横向、纵向凹槽；通过在凹槽中填充低热导率聚合材料从而形成平整表面，分离核态沸腾对应汽-液通道，从而尽可能保证沸腾之后液体的补充。
本实施例中基体材料2采用高热导率的金属铜材料，与硅相比能够应用在更多的沸腾传热工业场景。
本实施例涉及上述加热平板沸腾强化微结构改性表面的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：利用电火花切割或者机械加工方式，在铜基体材料表面加工横向、纵向的凹槽；用碱性溶液处理铜基体，产生纳米级表面粗糙度的氧化层，以促进铜和环氧树脂之间的粘附；凹槽中涂上高温双组分环氧树脂，并且在高温下保温固化，以达到最大强度的粘结，固化之后利用砂纸打磨平整，并进行清洗。
步骤2：将环氧基光刻胶旋涂在铜基体板上，形成厚度精确控制的薄光刻胶膜；利用相干紫外光束通过图案掩模照射光刻胶薄膜；用显影剂在铜基体板上制备微柱阵列模板；利用电化学沉积方法定向沉积铜以填充模板样品上的微通道。
步骤3：为了在微加工铜基体表面上创建纳米结构，将500nm的铜层与50nm的钛粘附层进行溅射；将铜层在碱性溶液中高温氧化，能够得到表面的氧化铜纳米结构。
经过具体实际实验，在常压饱和池式沸腾实验中，通过稳步增大加热功率的方法，直至试样发生临界热流密度现象，通过计算加热功率、加热面积及壁面温度能够计算得到沸腾换热系数、临界热流密度，通过对比能够确定其沸腾换热强化特性。根据以往实验结果能够发现，微柱阵列改性表面长期在高温环境下工作容易发生氧化腐蚀，氧化物会进一步堵塞微通道从而降低芯吸效应，因此对应临界热流密度也会随之降低。
与现有技术相比，本发明能够综合增大传热面积/三相接触线长度、分离汽-液通道、弱化汽泡合并干涉以及强化芯吸等多种强化效应于一体，从而达到更好的沸腾换热强化效果，这是已有文献和技术中所不具备的。除此之外，本装置与其他方法最大的不同在于，即使微柱阵列、纳米涂层等设计在长期工作环境中由于氧化腐蚀、污染物吸附等行为导致沸腾强化效果发生弱化，但是由于横向、纵向低热导率凹槽的存在，能够通过分离汽-液通道来强化换热行为。因此，本发明能够在长期工作环境中能够始终保持沸腾换热特性的强化，这是其他方法所不具备的。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种加热平板沸腾强化微结构改性表面，其特征在于，包括：基体材料、设置于基体材料上的微结构和聚合材料，其中：聚合材料围绕与微结构外部，该微结构包括：中间成核点微柱阵列和围绕于其外部的微柱阵列。
2.根据权利要求1所述的加热平板沸腾强化微结构改性表面，其特征是，所述的微结构包括：中间成核点微柱阵列和围绕于其外部的微柱阵列，其中：微柱阵列基于平整表面利用光刻以及电化学沉积等方法加工得到，中间成核点微柱阵列的顶部中心区域具有通过激光加工等方式得到的微孔，即人工成核点，从而增加汽化核心密度，从而降低沸腾起始温度。
3.根据权利要求2所述的加热平板沸腾强化微结构改性表面，其特征是，所述的微孔，为锥形、圆柱形或矩形体。
4.根据权利要求1或2所述的加热平板沸腾强化微结构改性表面，其特征是，所述的微柱阵列和中间成核点微柱阵列的截面为矩形或圆形。
5.根据权利要求1或2或3所述的加热平板沸腾强化微结构改性表面，其特征是，所述的微结构包括：具有芯吸效应的微槽阵列，通过在中间成核点发生核态沸腾之后将补充液体输送过去，从而起到提高临界热流密度的作用。
6.根据权利要求1所述的加热平板沸腾强化微结构改性表面，其特征是，所述的基体材料上设有用于固定聚合材料的横向、纵向凹槽；通过在凹槽中填充低热导率聚合材料从而形成平整表面，分离核态沸腾对应汽-液通道，从而尽可能保证沸腾之后液体的补充。
7.根据权利要求6所述的加热平板沸腾强化微结构改性表面，其特征是，所述的基体材料采用高热导率的金属铜材料。
8.一种制备权利要求1-7中任一所述加热平板沸腾强化微结构改性表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用电火花切割或者机械加工方式，在铜基体材料表面加工横向、纵向的凹槽；用碱性溶液处理铜基体，产生纳米级表面粗糙度的氧化层，以促进铜和环氧树脂之间的粘附；凹槽中涂上高温双组分环氧树脂，并且在高温下保温固化，以达到最大强度的粘结，固化之后利用砂纸打磨平整，并进行清洗；
步骤2：将环氧基光刻胶旋涂在铜基体板上，形成厚度精确控制的薄光刻胶膜；利用相干紫外光束通过图案掩模照射光刻胶薄膜；用显影剂在铜基体板上制备微柱阵列模板；利用电化学沉积方法定向沉积铜以填充模板样品上的微通道；
步骤3：为了在微加工铜基体表面上创建纳米结构，将500nm的铜层与50nm的钛粘附层进行溅射；将铜层在碱性溶液中高温氧化，能够得到表面的氧化铜纳米结构。
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