CN106225531A - 一种非均匀润湿性高效相变涂层的制备及重力热管装置 - Google Patents

一种非均匀润湿性高效相变涂层的制备及重力热管装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非均匀润湿性高效相变涂层的制备及重力热管装置；包括两端密封的管体，管体内灌注有液体工质；管体上部为冷凝段，下部为蒸发段；冷凝段的内顶壁为锯齿状结构面；在冷凝段的内侧壁、锯齿状结构面和蒸发段内底面，均覆盖非均匀润湿性涂层；非均匀润湿性涂层包括疏水区和亲水区。在冷凝段的锯齿状结构面上覆盖的非均匀润湿性涂层结构为疏水区、亲水区相间的直条纹；直条纹方向与锯齿状结构面的锯齿沟槽相垂直。本装置无论是对蒸发过程还是冷凝过程，都能显著提高其热通量。本发明依据重力热管的运行规律，针对目前重力热管存在的缺点进行改进，以提高工质循环速度，增强了热管传热负荷。

Description

一种非均匀润湿性高效相变涂层的制备及重力热管装置
技术领域
本发明涉及强化传热与节能技术，尤其涉及一种非均匀润湿性高效相变涂层的制备及重力热管装置。
背景技术
重力热管是由管壳和工质组成。其内部结构自下而上分为蒸发段、绝热段和冷凝段。与其它类型的热管相比，由于没有吸液芯，因此结构简单，加工容易而被广泛应用在宇航、军工等行业。自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路。常用的重力热管是闭式重力热管，其工作原理：首先在蒸发段充入一定量的工质，对闭式热管内部抽真空。在蒸发段进行加热，使内部工质汽化，通过压力作用使蒸汽流入冷凝段。蒸汽在冷凝段受冷后放热凝结，然后依靠重力作用回流到蒸发段，完成一次循环。简单的说，就是通过工质在管内不断地蒸发、冷凝，将热量从高温区传向低温区，单纯依靠重力自行循环。热管具有较大的传热能力，热管巧妙的组织了热阻较小的沸腾和凝结两种相变过程，使它的等效导热系数高达紫铜导热系数的数倍以至数千倍。热管还具有优良的等温性，热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽由蒸发段流向冷凝段的压力差很小，因而热管具有优良的等温性。热管不需要输送泵以及密封润滑部件，结构简单无运动部件和噪音。
典型的热管由工质、管壳、外部扩展面、端盖组成。由于热管蒸发段通常为沸腾换热，换热系数较大；冷凝段的外部由于安装有翅片等扩展面具有较大的换热面积，也能获得较好的传热能力。但是当热流密度过高时，蒸发段会因膜状沸腾而达到临界热流密度；冷凝段会因冷凝液无法及时排走形成膜态冷凝阻碍蒸汽与壁面的热量交换。这些都是重力热管的应用需要解决的问题：
在蒸发段，沸腾换热时，随着热流密度的增大，加热壁面上会形成汽膜，发生膜状沸腾，这个汽膜会阻碍液体与加热壁面的接触，从而使得传热系数发生急剧下降，这个转折点所对应的热流密度值被称作临界热流密度。临界热流密度代表着核态沸腾阶段的结束，也是沸腾传热的上限，此时热源器件因热量不能及时排走而导致温度急剧升高烧毁。因而，它是沸腾传热***安全运行的最关键参数，寻求提高临界热流密度的方法是重力热管发展的关键。现有研究通过粗糙化表面或者构建多空结构来提高成核位点到达强化传热目的，但在高热流密度的条件下性能依然恶化，气泡仍然难以脱离。又有研究人员通过对表面处理提高亲水性，可有效驱赶气泡抑制气膜形成，但反而降低了成核密度，影响传热效果。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、传热效果高的非均匀润湿性高效相变涂层的制备及重力热管装置。本发明无论是对蒸发过程还是冷凝过程，都能显著提高其热通量。本发明依据重力热管的运行规律，针对目前重力热管存在的缺点进行改进，以提高工质循环速度，增强了热管传热负荷。
本发明通过下述技术方案实现：
一种非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置，包括两端密封的管体1，管体1内灌注有液体工质2；
所述管体1上部为冷凝段，下部为蒸发段；冷凝段的内顶壁为锯齿状结构面4；在冷凝段的内侧壁、锯齿状结构面4和蒸发段内底面，均覆盖非均匀润湿性涂层；非均匀润湿性涂层包括疏水区7和亲水区8。
在蒸发段内底面覆盖的非均匀润湿性涂层结构为方形、圆形或者三角形。
在冷凝段的内侧壁覆盖的非均匀润湿性涂层结构为疏水区、亲水区相间的直条纹；直条纹方向为纵向；疏水区与清水区宽度比值在1～5之间。
在冷凝段的锯齿状结构面4上覆盖的非均匀润湿性涂层结构为疏水区、亲水区相间的直条纹；直条纹方向与锯齿状结构面4的锯齿沟槽相垂直。
所述锯齿状结构面4的锯齿截面呈倒置等腰三角形，其顶角角度为30°～120°。各锯齿顶之间的宽度为5mm～20mm。
所述非均匀润湿性涂层的厚度为10nm～100nm；水在亲水区表面的接触角为0°～60°度，在疏水区接触角为100°～180°。
所述冷凝段的外部安装有散热翅片3。
所述蒸发段外壁与热源6之间通过导热脂粘结，实现热交换。
本发明非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置的制备方法如下：
步骤一，铜管清洗步骤：
预先将铜管的一端密封，密封端的内顶壁处理成锯齿状结构面4；
接着用丙酮对铜管进行超声清洗10min～15min，再采用质量分数为15％～18％的盐酸超声清洗10min～15min，然后用去离子水冲洗干净；
步骤二，铜管化学刻蚀步骤：
将KOH和K2S2O4的浓度分别为3mol/L和0.1mol/L的溶液，倒入铜管内并灌满整个铜管，在60℃下反应1～1.5h；然后倒出溶液，再倒入去离子水将铜管内部冲洗干净，并置于160℃～180℃烘箱中烘烤2h；
步骤三，铜管疏水处理步骤：
将铜管从烘箱中取出，冷却至室温后用含FAS-17体积分数为0.5％的正己烷溶液，灌满铜管，处理2.5～3h，再于110℃～120℃条件下稳定1～1.5h，便得到涂有完全疏水表面的内壁；
步骤四，图案化处理步骤：
将带有定制图案的掩膜贴贴附于铜管的内部待图案化处理的部位，将紫外灯的紫外线照射至掩膜贴上，光照2h；紫外线照射的部分发生光化学反应转为亲水区，未遮盖部分疏水性能不变，便得到所需图案的非均匀润湿性涂层；
步骤五，铜管的封装处理步骤：
将完成非均匀润湿性涂层的铜管内，灌注液体工质2，然后将灌注口密封；得到非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置。
在蒸发段，工质液体吸收热源热量。热流密度较低，壁面过热度低，壁面处液体未沸腾，此时主要是层流膜状蒸发换热，非均匀润湿性涂层此时并不发挥作用。随着热流密度升高，壁面过热度变大，涂层疏水部位含有大量的成核位点，利于蒸汽泡的形成，提高热密度，蒸汽泡大到一定程度就会脱离壁面，上升至液面。随着热流密度的进一步增大，蒸汽泡会越来越多，越来越大，气泡壁面的亲水部位可以有效阻碍气泡的连接，并将气泡提前驱赶至液面，有效防止膜状沸腾，达到提高临界热流密度的目的。也就是说，疏水区促进成核，亲水区提高临界热流密度，相互作用，可大大提高蒸发段的热载荷。
在冷凝段，蒸发段产生的水蒸汽在此处放热冷凝，将热量转移至壁面，安装在冷凝段外壁的翅片则再将水蒸气释放的热量散发到周围的流体。冷凝液化的液体在壁面积累，形成液膜和液滴。若在平坦的普通表面上，液滴长到一定程度便由于重力作用脱离壁面滴下，此时的液滴的直径最大，达到临界值。一般来说，液滴临界直径越小，壁面液滴对后续蒸汽的冷凝阻力越小，也表明液滴更新的越快，冷凝效果越好。
为了防止冷凝段顶部液膜的形成和过大的临界液滴阻碍蒸汽与壁面的热量交换，顶端的非均匀润湿性涂层与的锯齿的斜面相互配合，在这里发挥了关键作用。锯齿的斜面上的非均匀润湿性涂层，由疏水区、亲水区相间的直条纹构成；直条纹方向与锯齿状结构面的锯齿沟槽相垂直。在锯齿表面的亲水区，蒸汽很容易在此处液化放热形成液膜。在锯齿表面的疏水区，由于没有液膜累积，蒸汽冷凝后会由于表面张力形成液滴，液滴增长的过程中，即便还未达到滴落的直径条件，若触碰到亲水区的液膜，由于马兰戈尼效应，液滴会迅速转移到亲水区，使冷凝水在亲水条纹的液膜处聚集。锯齿斜面条纹方向垂直于锯齿棱，在重力作用下，亲水条纹的液膜可以起到引流作用。来自疏水区的液体会沿着亲水条形液膜汇聚到锯齿斜面的尖端，然后脱离壁面进入蒸发段。
在整个冷凝过程，疏水区域为主要冷凝区，亲水区则起控制疏水区液滴大小和快速清除液滴、汇聚液滴、引导液滴流动的作用。锯齿状结构面，一方面可以增加冷凝面积，另一方面在重力的作用下可以加快液滴的合并、汇聚、流动，另外相比于没有锯齿的平坦冷凝面，液滴滴落的区域只有尖端部位，从而达到减小液滴与蒸汽相对运动的锋面阻力。
综上所述，本发明优点及效果至少体现在：
1.蒸发段疏水区增加壁面相变成核位点，增加传热量；
2.蒸发段亲水区驱赶壁面成核位点长成的气泡，防止气泡形成气膜，发生膜状沸腾，从而提高临界热流密度；
3.冷凝段疏水区可防止冷凝液积累成液膜阻碍后续冷凝过程；
4.冷凝段亲水区利用马兰戈尼效应及时排走冷凝段疏水区液滴，控制临界液滴的大小，减小冷凝传热热阻，加速壁面液滴更新速率；
5.冷凝段亲水条纹具有收集液滴、引导液滴流动的能力；
6.冷凝段锯齿可有效起到引导液滴流动，进一步汇聚液流的作用，从而约束滴液滴落范围在锯齿尖端，减小蒸汽上升阻力。
7.铜管化学刻蚀及疏水处理工艺，简便易行；只需将溶液灌入铜管内即可，无需将铜管置于其他盛装溶液的容器内；不仅节约材料成本，而且大大简化了处理工艺。
附图说明
图1为本发明非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置结构示意图。
图2为本发明非均匀润湿性涂层结构示意图一。
图3为本发明非均匀润湿性涂层结构示意图二。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1至3所示。本发明公开了一种非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置，包括两端密封的管体1，管体1内灌注有液体工质2；
所述管体1上部为冷凝段，下部为蒸发段；冷凝段的内顶壁为锯齿状结构面4；在冷凝段的内侧壁、锯齿状结构面4和蒸发段内底面，均覆盖非均匀润湿性涂层；非均匀润湿性涂层包括疏水区7和亲水区8。
在蒸发段内底面覆盖的非均匀润湿性涂层结构为方形、圆形或者三角形。当然也可以是其他形状，可根据具体应用而定。
在冷凝段的内侧壁覆盖的非均匀润湿性涂层结构为疏水区、亲水区相间的直条纹；直条纹方向为纵向；疏水区与清水区宽度比值在1～5之间。
在冷凝段的锯齿状结构面4上覆盖的非均匀润湿性涂层结构为疏水区、亲水区相间的直条纹；直条纹方向与锯齿状结构面4的锯齿沟槽相垂直。
所述锯齿状结构面4的锯齿截面呈倒置等腰三角形，其顶角角度为30°～120°。各锯齿顶之间的宽度为5mm～20mm。
所述非均匀润湿性涂层的厚度为10nm～100nm；水在亲水区表面的接触角为0°～60°度，在疏水区接触角为100°～180°。
可在冷凝段的外部安装(焊接)散热翅片3。蒸发段外壁与热源6之间通过导热脂粘结，实现热交换。
本发明工作机理如下：
在蒸发段，工质液体吸收热源热量。热流密度较低，壁面过热度低，壁面处液体未沸腾，此时主要是层流膜状蒸发换热，非均匀润湿性涂层此时并不发挥作用。随着热流密度升高，壁面过热度变大，涂层疏水部位含有大量的成核位点，利于蒸汽泡的形成，提高热密度，蒸汽泡大到一定程度就会脱离壁面，上升至液面。随着热流密度的进一步增大，蒸汽泡会越来越多，越来越大，气泡壁面的亲水部位可以有效阻碍气泡的连接，并将气泡提前驱赶至液面，有效防止膜状沸腾，达到提高临界热流密度的目的。也就是说，疏水区促进成核，亲水区提高临界热流密度，相互作用，可大大提高蒸发段的热载荷。
在冷凝段，蒸发段产生的水蒸汽在此处放热冷凝，将热量转移至壁面，安装在冷凝段外壁的翅片则再将水蒸气释放的热量散发到周围的流体。冷凝液化的液体在壁面积累，形成液膜和液滴。若在平坦的普通表面上，液滴长到一定程度便由于重力作用脱离壁面滴下，此时的液滴的直径最大，达到临界值。一般来说，液滴临界直径越小，壁面液滴对后续蒸汽的冷凝阻力越小，也表明液滴更新的越快，冷凝效果越好。
为了防止冷凝段顶部液膜的形成和过大的临界液滴阻碍蒸汽与壁面的热量交换，顶端的非均匀润湿性涂层与的锯齿的斜面相互配合，在这里发挥了关键作用。锯齿的斜面上的非均匀润湿性涂层，由疏水区、亲水区相间的直条纹构成；直条纹方向与锯齿状结构面的锯齿沟槽相垂直。在锯齿表面的亲水区，蒸汽很容易在此处液化放热形成液膜。在锯齿表面的疏水区，由于没有液膜累积，蒸汽冷凝后会由于表面张力形成液滴，液滴增长的过程中，即便还未达到滴落的直径条件，若触碰到亲水区的液膜，由于马兰戈尼效应，液滴会迅速转移到亲水区，使冷凝水在亲水条纹的液膜处聚集。锯齿斜面条纹方向垂直于锯齿棱，在重力作用下，亲水条纹的液膜可以起到引流作用。来自疏水区的液体会沿着亲水条形液膜汇聚到锯齿斜面的尖端，然后脱离壁面进入蒸发段。
在整个冷凝过程，疏水区域为主要冷凝区，亲水区则起控制疏水区液滴大小和快速清除液滴、汇聚液滴、引导液滴流动的作用。锯齿状结构面，一方面可以增加冷凝面积，另一方面在重力的作用下可以加快液滴的合并、汇聚、流动，另外相比于没有锯齿的平坦冷凝面，液滴滴落的区域只有尖端部位，从而达到减小液滴与蒸汽相对运动的锋面阻力。
本发明非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置的制备方法，可通过如下步骤实现：
步骤一，铜管清洗步骤：
准备铜管，铜管内壁仅打磨光滑不需用涂层处理。
预先将铜管(99.9％)的一端密封，密封端的内顶壁处理成锯齿状结构面4；
接着用丙酮对铜管进行超声清洗10min～15min，再采用质量分数为15％～18％的盐酸超声清洗10min～15min，然后用去离子水冲洗干净。
步骤二，铜管化学刻蚀步骤：
将KOH和K2S2O4的浓度分别为3mol/L和0.1mol/L的溶液，(迅速)倒入铜管内并灌满整个铜管(无需其他容器)，在50℃～90℃(最好60℃)下反应1～1.5h；然后倒出溶液，再倒入去离子水将铜管内部冲洗干净，并置于160℃～180℃烘箱中烘烤2h。
步骤三，铜管疏水处理步骤：
将铜管从烘箱中取出，冷却至室温后用含FAS-17体积分数为0.1％～1％(最好0.5％)的正己烷溶液，灌满铜管，处理1～24h(最好2.5～3h)，再于100℃～150℃(最好110℃～120℃)条件下稳定1～1.5h，便得到涂有完全疏水表面的内壁。
步骤四，图案化处理步骤：
将带有定制图案的掩膜贴贴附于铜管的内部待图案化处理的部位，将紫外灯的紫外线照射至掩膜贴上，光照2h；紫外线照射的部分发生光化学反应转为亲水(表面)区，未遮盖部分疏水性能不变，便得到所需图案的非均匀润湿性涂层。铜管内壁仅打磨光滑不需用涂层处理。
步骤五，铜管的封装处理步骤：
将完成非均匀润湿性涂层的铜管内，灌注液体工质2，然后将灌注口密封；得到非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置，其特征在于，包括两端密封的管体(1)，管体(1)内灌注有液体工质(2)；
所述管体(1)上部为冷凝段，下部为蒸发段；冷凝段的内顶壁为锯齿状结构面(4)；在冷凝段的内侧壁、锯齿状结构面(4)和蒸发段内底面，均覆盖非均匀润湿性涂层；非均匀润湿性涂层包括疏水区(7)和亲水区(8)。
2.根据权利要求1所述非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置，其特征在于，在蒸发段内底面覆盖的非均匀润湿性涂层结构为方形、圆形或者三角形。
3.根据权利要求1所述非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置，其特征在于，在冷凝段的内侧壁覆盖的非均匀润湿性涂层结构为疏水区、亲水区相间的直条纹；直条纹方向为纵向；疏水区与清水区宽度比值在1～5之间。
4.根据权利要求1所述非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置，其特征在于，在冷凝段的锯齿状结构面(4)上覆盖的非均匀润湿性涂层结构为疏水区、亲水区相间的直条纹；直条纹方向与锯齿状结构面(4)的锯齿沟槽相垂直。
5.根据权利要求4所述非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置，其特征在于，所述锯齿状结构面(4)的锯齿截面呈倒置等腰三角形，其顶角角度为30°～120°。
6.根据权利要求1至5中任一项所述非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置，其特征在于，所述冷凝段的外部安装有散热翅片(3)。
7.根据权利要求7所述非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置，其特征在于，所述蒸发端外壁与热源(6)之间通过导热脂粘结，实现热交换。
8.根据权利要求5所述非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置，其特征在于，各锯齿顶之间的宽度为5mm～20mm。
9.根据权利要求6所述非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置，其特征在于，所述非均匀润湿性涂层的厚度为10nm～100nm；水在亲水区表面的接触角为0°～60°度，在疏水区接触角为100°～180°。
10.权利要求1至9中任一项所述非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，铜管清洗步骤：
预先将铜管的一端密封，密封端的内顶壁处理成锯齿状结构面(4)；
接着用丙酮对铜管进行超声清洗10min～15min，再采用质量分数为15％～18％的盐酸超声清洗10min～15min，然后用去离子水冲洗干净；
步骤二，铜管化学刻蚀步骤：
将KOH和K2S2O4的浓度分别为3mol/L和0.1mol/L的溶液，倒入铜管内并灌满整个铜管，在60℃下反应1～1.5h；然后倒出溶液，再倒入去离子水将铜管内部冲洗干净，并置于160℃～180℃烘箱中烘烤2h；
步骤三，铜管疏水处理步骤：
将铜管从烘箱中取出，冷却至室温后用含FAS-17体积分数为0.5％的正己烷溶液，灌满铜管，处理2.5～3h，再于110℃～120℃条件下稳定1～1.5h，便得到涂有完全疏水表面的内壁；
步骤四，图案化处理步骤：
将带有定制图案的掩膜贴贴附于铜管的内部待图案化处理的部位，将紫外灯的紫外线照射至掩膜贴上，光照2h；紫外线照射的部分发生光化学反应转为亲水区，未遮盖部分疏水性能不变，便得到所需图案的非均匀润湿性涂层；
步骤五，铜管的封装处理步骤：
将完成非均匀润湿性涂层的铜管内，灌注液体工质(2)，然后将灌注口密封；得到非均匀润湿性高效相变涂层的重力热管装置。
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