一种强化冷凝传热的倒置复合湿润性微十字柱台结构化表面

1.本发明涉及强化冷凝传热技术领域，更具体地说，涉及一种强化冷凝传热的倒置复合湿润性微十字柱台结构化表面。


背景技术：

2.随着电子元器件性能方面的大功率化和结构方面的小型化，其局部表面的热流密度急剧增大，产生的散热问题严重影响了电子设备稳定性、可靠性及工作寿命，成为制约其技术发展的瓶颈。冷凝传热过程可以在非常小的温差条件下释放大量的相变潜热，成倍地增加换热面积的传热性能，具有显著的换热技术优势。
3.近年来，国内外研究学者发现通过修饰冷凝表面可增强表面的冷凝传热性能。其中修饰冷凝表面的亲疏水性和微结构特征是主要的方式，具有广阔的应用前景。冷凝过程会产生大量液滴，当这些液滴在生长过程中发生大范围的聚并且不能及时脱离冷凝表面时，就会发生膜状冷凝。在膜状冷凝模式下，液膜覆盖在冷凝表面产生较大的传热热阻，这造成了冷凝传热的恶化。
4.然而，通过合理地修饰冷凝表面可以使冷凝过程维持在珠状冷凝模式，此时液滴动态过程有生长、移动、聚并和脱落等行为，较多的冷凝液滴成核生长释放了大量的汽化潜热，其传热系数相较膜状冷凝可以提高数倍。因此，如何合理地利用亲疏水性和微结构这两种表面特性维持连续的珠状冷凝模式，并在此基础上进一步提高冷凝成核密度和加快液滴脱落频率成为了推动冷凝表面走向大规模高效应用的关键。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种能够充分利用复合湿润性和微十字柱台结构的协同效应，提高了珠状冷凝成核密度，增大了冷凝液滴脱落频率，同时有效地避免了液膜“水淹”现象，实现了对冷凝传热协同强化作用的强化冷凝传热的倒置复合湿润性微十字柱台结构化表面。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括冷却基板以及分布在冷却基板表面的若干呈现阵列形式排布的微十字柱台，相邻的微十字柱台之间形成了一系列槽道表面；在槽道表面及每个微十字柱台的所有微十字柱台侧壁表面上均设置有疏水性表层，每个微十字柱台的顶部表面设置有亲水性表层。
7.所述微十字柱台顶部表面的中心截面为对称面，每个微十字柱台的结构尺寸相同。
8.所述的微十字柱台的短边长度为a，a＝0.4～0.8mm；微十字柱台的长边长度为b，b＝2.6a～3.4a；微十字柱台的高度为c，c＝0.8～2.5mm。
9.所述的槽道表面相互连通，且每个微十字柱台的最窄间距d相同，d＝0.8b～1.2b。
10.所述槽道表面及每个微十字柱台的所有微十字柱台侧壁表面上的疏水性表层的静态接触角相同。
11.所述的静态接触角为110度～140度。
12.所述亲水性表层的静态接触角为30度～70度。
13.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
14.本发明充分利用复合湿润性和微结构的协同效应强化冷凝传热。首先，表面能较高的微十字柱台亲水性顶面可以降低冷凝成核的能垒，实现了对顶面冷凝成核密度的提升；同时，利用微十字柱台侧壁凹角的结构效应也可以降低冷凝成核能垒，进一步提高了表面的冷凝成核密度。表面大量成核的冷凝液滴，在成核过程中释放了大量的汽化潜热，有效地提高了冷凝过程中的散热量。
15.其次，利用微十字柱台上液滴的动态特性可以显著地改善冷凝表面的液滴更新频率。微十字柱台亲水性顶面冷凝液滴成核生长，生长的液滴与微十字柱台侧壁凹角的冷凝液滴发生快速聚并后滑移至柱台顶面，此时液滴已经达到液滴脱离半径并快速发生脱离。此外，微柱台的十字形顶面能够弱化液滴脱离阶段三相接触线“钉扎”效应对残留液滴的影响，减小了残留液滴附着区域的换热热阻。以上发生的液滴动力学行为加快了液滴达到脱离尺寸，提升了液滴脱落频率，有效地刷新了冷凝表面，进而实现了对冷凝传热的强化。
16.再者，表面能较低的疏水性槽道表面的冷凝成核能垒较大，难以发生冷凝成核。设置疏水性槽道可以有效地避免相邻的侧壁凹角处冷凝液滴聚并行为和极大地延缓液滴累积成液膜现象。因此，疏水性槽道表面的设计能够使冷却基板上持续维持高效的珠状冷凝模式，实现对冷凝换热的协同强化。
17.此外，本发明的微结构改性表面可通过常见的商业化加工手段实现，操作简便具备大规模批量生产的能力，具备较高的产业化潜力。
附图说明
18.图1是本发明倒置复合湿润性微十字柱台的三维结构示意图；
19.图2是本发明的仰视图；
20.图3是本发明的侧视图；
21.图4是本发明的单个微十字柱台上液滴生长示意图；
22.图5是本发明的单个微十字柱台上液滴合并示意图；
23.图6是本发明的单个微十字柱台上液滴即将脱离示意图；
24.其中，1-冷却基板；2-微十字柱台；3-槽道表面；4-微十字柱台侧壁表面；5-微十字柱台的顶部表面；6-微十字柱台的侧壁凹角；7-顶面成核液滴；8-侧壁凹角成核液滴；9-聚并液滴；10-即将脱离的液滴。
具体实施方式
25.为使本发明技术方案、目的和优点更加清晰明确，以下结合附图和具体工作过程对本发明做进一步的说明。
26.参见图1，本发明包括冷却基板1以及设置在冷却基板上1的若干呈现阵列形式排布的微十字柱台2，相邻微十字柱台2之间形成了若干槽道表面3，采用化学改性法在每处槽道表面3和每个微十字柱台侧壁表面4设置疏水性表层，其静态接触角均为110度～140度，在每个微十字柱台的顶部表面5设置有亲水性表层，其静态接触角为30度～70度。
27.参见图2和图3，本发明的微十字柱台2和槽道表面3由微铣削或线切割的方式在紫铜表面加工而成，结构尺寸相同，且每个微十字柱台2的短边长度为a，a＝0.4～0.8mm；长边长度为b，b＝2.6a～3.4a；高度为c，c＝0.8～2.5mm；每个微十字柱台之间形成的槽道相互贯通，且最窄间距相等，均为d，d＝0.8b～1.2b。
28.下面结合图4、图5和图6对本发明具体工作过程做详细描述：
29.本发明在正常工作时，其冷凝成核点主要分布在微十字柱台顶部表面5处和微十字柱台的侧壁凹角6处。
30.参见图4，当对该发明的基板冷却时，由于微十字柱台顶部表面5处是亲水性表面，冷凝成核能垒较低，微十字柱台顶部表面5处先冷凝成核，在其表面产生顶面成核液滴7；随后微十字柱台的侧壁凹角6处由于结构效应造成冷凝成核能垒降低，也发生冷凝成核现象，在微十字柱台的侧壁凹角6处产生若干侧壁凹角成核液滴8。对于微十字柱台顶部表面5处产生的顶面成核液滴7，顶面成核液滴7持续生长，直到三相接触线钉扎在微十字柱台顶部表面5的棱边上。同时，微十字柱台的侧壁凹角6处的若干侧壁凹角成核液滴8也快速生长，直到与顶面成核液滴7接触并发生聚并现象，形成聚并液滴9。参见图5，在重力和表面张力共同作用下，聚并液滴9逐渐向下滑移直到脱离冷却基板1且全部汇聚到微十字柱台顶部表面5处，继而其三相接触线发生“钉扎—脱钉”的动力学行为。接着，参见图6，聚并液滴9已经达到液滴脱离半径，逐渐形成一个液滴颈部，其颈部随时间推移变细即形成了即将脱离的液滴10。随后，即将脱离的液滴10脱离微十字柱台顶部表面5发生滴落现象。最终，微十字柱台顶部表面5处留下种子液滴，微十字柱台的侧壁凹角6处再次冷凝成核并快速生长，进入下一次“成核—生长—聚并—脱离—成核”周期。
31.本发明通过控制微十字柱台2的结构尺寸和湿润性，使得微十字柱台顶部表面5优先冷凝成核生长，生长的液滴聚并且牵引微十字柱台的侧壁凹角6处的若干冷凝液滴至微十字柱台顶部表面5，这个聚并液滴9已经达到脱离半径尺寸并发生脱离，同时疏水性槽道表面3有效的避免基板上冷凝液滴的累积成液膜现象。相较于复合湿润性平表面，本发明增加了微十字柱台的侧壁凹角处的若干冷凝成核点，通过结构效应有效地增加了冷凝成核密度，大量地减少了液滴脱离时间，实现了气化潜热释放量和液滴滴落率的大幅度提高；相较于复合湿润性方柱台表面，微十字柱台的侧壁凹角比微方柱台的侧壁棱边具有更低的冷凝成核能垒、更长的液滴三相接触线、更快的聚并脱离动态特性。同时，微十字柱台的十字形顶面能够弱化液滴脱离阶段三相接触线“钉扎”效应对残留液滴的影响，这实现了更小的残留液滴换热热阻。因此，本发明在单周期内液滴冷凝量增加，液滴滴落周期缩短，进而导致了液滴滴落率和冷凝传热系数的有效提高。
32.本发明充分利用了复合湿润性和微结构的协同效应，增加了冷凝成核密度、延长了液滴三相接触线长度、加速了液滴聚并脱离过程、提高了液滴脱落频率，及时有效地刷新了冷凝表面，避免了冷凝表面的液滴累积成膜现象，进而实现对冷凝传热的强化。本发明结构简单、易于加工、工作原理可靠，可广泛应用于电子元器件冷却等微尺度传热领域，具有良好的应用前景。
33.以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案
相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种强化冷凝传热的倒置复合湿润性微十字柱台结构化表面，其特征在于：包括冷却基板(1)以及分布在冷却基板(1)表面的若干呈现阵列形式排布的微十字柱台(2)，相邻的微十字柱台(2)之间形成了一系列槽道表面(3)；在槽道表面(3)及每个微十字柱台(2)的所有微十字柱台侧壁表面(4)上均设置有疏水性表层，每个微十字柱台的顶部表面(5)设置有亲水性表层。2.根据权利要求1所述的强化冷凝传热的倒置复合湿润性微十字柱台结构化表面，其特征在于：所述微十字柱台顶部表面(5)的中心截面为对称面，每个微十字柱台(2)的结构尺寸相同。3.根据权利要求1所述的强化冷凝传热的倒置复合湿润性微十字柱台结构化表面，其特征在于：所述的微十字柱台(2)的短边长度为a，a＝0.4～0.8mm；微十字柱台(2)的长边长度为b，b＝2.6a～3.4a；微十字柱台(2)的高度为c，c＝0.8～2.5mm。4.根据权利要求1所述的强化冷凝传热的倒置复合湿润性微十字柱台结构化表面，其特征在于：所述的槽道表面(3)相互连通，且每个微十字柱台(2)的最窄间距d相同，d＝0.8b～1.2b。5.根据权利要求1所述的强化冷凝传热的倒置复合湿润性微十字柱台结构化表面，其特征在于：所述槽道表面(3)及每个微十字柱台(2)的所有微十字柱台侧壁表面(4)上的疏水性表层的静态接触角相同。6.根据权利要求5所述的强化冷凝传热的倒置复合湿润性微十字柱台结构化表面，其特征在于：所述的静态接触角为110度～140度。7.根据权利要求1所述的强化冷凝传热的倒置复合湿润性微十字柱台结构化表面，其特征在于：所述亲水性表层的静态接触角为30度～70度。

技术总结
本发明公开了一种强化冷凝传热的倒置复合湿润性微十字柱台结构化表面，属于强化冷凝传热领域。本发明包括冷却基板与其上的微十字柱台阵列，其中相邻微十字柱台之间形成了若干槽道；此外，每个微十字柱台的顶部表面呈亲水性，微十字柱台侧壁表面及槽道表面呈疏水性。本发明的冷凝传热强化机制为：所述微十字柱台的亲水顶部表面优先冷凝成核，成核后的液滴与微十字柱台侧壁凹角处的冷凝液滴快速聚并后向顶部表面滑移，促进了顶部表面冷凝液滴的脱离，同时疏水槽道有效延缓了冷凝液滴在冷却基板累积成液膜。所述表面充分利用了复合湿润性与微十字柱台结构的协同效应，实现了对冷凝成核密度和液体脱落频率的提升，强化了表面的冷凝传热效率。凝传热效率。凝传热效率。


技术研发人员：李庆 唐诗 文哲希
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/7/13