相变屏障及其使用方法与流程

相变屏障及其使用方法
1.本技术是国际申请日为2019年5月9日、申请号为201980031439.1、发明名称为“相变屏障及其使用方法”的发明专利申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求于2018年5月10日提交的美国临时申请no.62/669,507的权益，其全部内容通过引用的方式并入本文。
技术领域
4.本发明涉及增加成核相变(例如但不限于凝结和结晶)所需的驱动力或能障(能垒，energy barrier)的表面及其使用方法，例如防雾玻璃应用以及防止在仅需要显冷的系统中的热交换器上的凝结。


背景技术：

5.在低能表面上的典型凝结不会在成核时产生圆形液滴，而是水和其他凝结物会在应力的(stressed)、较低接触角的状态下凝结。相对于去润湿状态，通过润湿状态成核的接触面积的差异可改变液滴形成的能障(即，改变凝结过程的能障)。典型的表面会在露点处将水从空气中凝结出。通常，在电子设备所处的表面(例如使用低于环境温度冷却的计算机或数据中心)上，或在需要可见性的玻璃表面(例如窗户、透镜和镜子)上，凝结是不期望的。
6.防止传热表面的凝结物的解决方案通常需要将冷却剂温度保持明显高于露点，这可导致传热容量下降并且限制运行范围。通常，使冷却剂温度降低至系统控制所允许的最小量，以防止凝结，同时保持尽可能高的容量。在系统出现控制或输入错误的情况下，存在着水在表面凝结并且可能损害电子设备的风险。需要一种解决方案以允许可能的最低冷却剂温度以使传热最大化，同时允许冷却剂温度和凝结的有效开始之间的最大差异。目前，凝结的该开始是露点。
7.玻璃窗户和镜子的凝结和起雾也是一个问题，例如淋浴镜、汽车玻璃和建筑物窗户。当前，典型的解决方案包括使用毛巾或刮刀擦去凝结物，或者使用亲水性涂层使凝结物铺展成薄膜，以便人们仍然可透过窗户看到或在镜子中看到它们的反射。这些亲水性涂层的问题在于，它们允许加速凝结并且将污染物沉积到表面上，从而导致更频繁的清洁。
8.根据经典成核理论，将均匀成核的自由能定义为体积项加表面项，δg
homo
＝4/3(πr3)δg+4πr2σ，其中r是形成相的球体的半径，δg是每单位体积的过饱和相的自由能减去成核相的自由能，并且σ是核和周围环境之间的界面的表面张力。具有δg
homo
*的自由能障的临界形成半径r*可通过取d(δg
homo
)/dr＝0来计算。该导数为零时的半径对应于r*＝-2σ/δg。然后可将均匀成核的自由能定义为δg
homo
*＝δg
homo
(r*)＝16πσ3/(3(δg)2)。非均匀成核具有较低的能障，蒸气相到液体相的变化的该能障可作为表面上的接触角(θ)的函数来确定。该关系可近似为δg
hetero
*＝f(θ)δg
homo
*，其中f(θ)＝(2-3cosθ+cos3θ)/4。
9.类似于蒸气到液体的转变，在许多应用中，期望增加从液体到固体的相转变的能障，例如在冰箱或冷冻器(freezers，冰柜)的热交换器表面上，其尺寸范围从小型宿舍房间
单元到工业规模分配中心的那些。对于这些传热系统来说，冰是一个问题，因为它需要定期关闭系统进行除霜，这会降低工业应用的生产量并且消耗大量的能量。另外，除霜器单元在大规模上是昂贵的。
10.在翼型表面上，例如飞机机翼和风车上的表面上，结冰也是一个问题。飞机机翼上的冰对于飞行是危险的，并且必须在起飞前将其除去，从而导致代价高昂的延迟。风车可积聚冰，这会导致输出功率显着下降并且产生从叶片表面发射冰的安全风险。


技术实现要素：

11.本文提供了减少(例如防止或延迟)低于气体到液体的转变温度(例如露点)的气体(例如蒸气)相的凝结或减少(例如防止或延迟)液体相的凝固(例如冻结)的方法，用于进行该方法或在其上实现该方法的系统、设备和构成(composition)。
12.在一个方面，本文提供了防止或延迟在表面上的相变的开始的方法。该方法包括：提供改性的表面，与未改性的表面相比，该改性的表面增加了从第一相到第二相的相变所需的驱动力或相变的能障；以及在未改性的表面上会发生相变的环境条件下，使流体物流与改性的表面接触，其中与未改性的表面相比，所述相变被防止或延迟。在一个实施方案中，一种防止或延迟相变的开始的方法包括：提供包括表面改性物(surface modification，表面改性层)的改性的表面，其中与未改性的表面相比，该改性的表面增加了与改性的表面接触的物质的从第一相到第二相的相变所需的驱动力或相变的能障，所述未改性的表面与改性的表面相同，除了未改性的表面不包括表面改性物之外；以及在未改性的表面上会发生到第二相的相变(例如气体到液体；液体到固体；气体到固体)的环境条件下，使包括处于至少一个第一相(例如气体(例如蒸气)和/或液体相)的物质的流体物流与改性的表面接触，其中与未改性的表面相比，在改性的表面上从第一到第二相的相变被防止或延迟。
13.在一些实施方案中，所述至少一个第一相包括气体(例如蒸气)相，第二相包括液体相，并且防止或延迟相变包括防止或延迟气体(例如蒸气)的凝结而在表面上形成液体。在一个实施方案中，气体相是水蒸气，流体物流是空气，并且防止或延迟相变包括防止或延迟水蒸气在表面上的凝结。
14.在一些实施方案中，所述至少一个第一相包括气体(例如蒸气)相，第二相包括固体相，气体(例如蒸气)在表面上凝结而形成液体(例如凝结物)，并且防止或延迟相变包括防止或延迟液体(例如凝结物)的凝固而在表面上形成固体。在一个实施方案中，气体相是水蒸气，流体物流是空气，液体相是水凝结物，并且防止或延迟相变包括防止或延迟水凝结物的凝固而在表面上形成水霜或冰。
15.在一些实施方案中，所述至少一个第一相包括气体(例如蒸气)相和液体相，第二相包括液体相，并且防止或延迟相变包括防止或延迟气体(例如蒸气)的凝结而在表面上形成液体。在一个实施方案中，气体相是水蒸气，液体相是液体水，流体物流是空气，并且防止或延迟相变包括防止或延迟水蒸气在表面上的凝结。
16.在一些实施方案中，所述至少一个第一相包括气体(例如蒸气)相和液体相，第二相包括固体相，表面包括来自气体(例如蒸气)的凝结物和/或包括该物质的液体，并且防止或延迟相变包括防止或延迟所述凝结物和/或液体的凝固而在表面上形成固体。在一个实
施方案中，气体相是水蒸气，液体相和表面上的液体是水，流体物流是空气，表面包括水蒸气的凝结物和/或液体水，并且防止或延迟相变包括防止或延迟表面上的水凝结物和/或液体水的凝固而在表面上形成水霜或冰。
17.在一些实施方案中，所述至少一个第一相包括气体(例如蒸气)相，第二相包括固体相，并且防止或延迟相变包括防止或延迟气体(例如蒸气)的凝固而在表面上形成固体。在一个实施方案中，气体相是水蒸气，固体是水霜或冰，并且防止或延迟相变包括防止或延迟水蒸气的凝固而在表面上形成水霜或冰。在一个实施方案中，气体相包括或是co2气体，固体是冻结的co2(co2干冰)，并且防止或延迟相变包括防止或延迟co2气体的凝固而在表面上形成co2干冰。
18.在一些实施方案中，将改性的表面过冷至低于第一相到第二相(例如气体(例如蒸气)到液体；气体(例如蒸气)到固体；液体到固体的转变)的平衡相转变值(例如温度)，并且该物质仍作为第一相存在。在各种实施方案中，将改性的表面过冷至比第一相到第二相的平衡相转变值低大于约0.25、0.5、1、2、3、5或10℃中的任意一个，并且该物质仍作为第一相存在。
19.在各种实施方案中，从第一相到第二相的相变的能障大于均匀成核能的约50％、60％、70％、80％、90％、95％或99％中的任意一个。
20.在一些实施方案中，从第一相到第二相的相变包括物质在改性的表面上的成核。发生成核的改性的表面或表面涂层可为例如屏障涂层、转化涂层或其组合。在一些实施方案中，发生成核的改性的表面或表面涂层是纳米结构化的。在一些实施方案中，发生成核的改性的表面或表面涂层包括金属氧化物，例如通过沉积或转化产生的金属氧化物层，或聚合物，例如含有烷基或氟代烷基单体单元的聚合物。在一些实施方案中，改性的表面或表面涂层包括封端烷基或氟化化合物(一种或多种)。
21.在一些实施方案中，第一相主要包括水蒸气，并且第二相包括液体水或水冰。在一些实施方案中，第一相是包括水蒸气的空气，并且第二相是液体水或水冰。在一些实施方案中，第一相是液体水，并且第二相是水冰。在一些实施方案中，第一相包括二氧化碳蒸气，并且第二相是干冰或固体co2。
22.在一些实施方案中，第一相包括气体蒸气，并且第二相包括笼合物(包合物，clathrate)。例如，该物质可为原始天然气，第一相包括气体(例如蒸气)相，并且第二相包括笼合物。在一个实施方案中，第一相是气体(例如蒸气)或液体，并且第二相是超临界相。
23.在一些实施方案中，物质是金属，第一相包括金属蒸气，并且第二相包括凝结的金属蒸气。
24.在一些实施方案中，处于或高于临界形成半径的流体的凝结的液滴以去润湿的cassie-baxter状态存在。在一些实施方案中，处于或高于临界形成半径的流体的凝结的液滴以去润湿的cassie-baxter状态存在，先前以润湿的wenzel状态存在。
25.在一些实施方案中，改性的表面在热交换器或传热表面上。
26.在一些实施方案中，改性的表面在玻璃、窗户、镜子或透镜表面上。
27.在一些实施方案中，改性的表面在玻璃组件上呈图案，使得凝结以美学上令人愉悦或功能上期望的方式发生。
28.在一些实施方案中，改性的表面在计算机机箱或冷却架上。在一些实施方案中，改
性的表面在气体蒸发器上，例如在气体蒸发器热交换器上。在一些实施方案中，改性的表面在蒸发器装置中，并且改性的表面防止或减少蒸发器装置上的凝结形式的结垢。
29.在一些实施方案中，改性的表面例如在发动机或燃烧喷嘴中，其中，改性的表面防止或减少发动机或燃烧喷嘴中的二氧化碳凝结。
30.在一些实施方案中，例如，改性的表面在用于工业气体和/或液体的处理设备上，其中改性的表面防止或减少在处理设备中处理工业气体和液体期间的水和气体水合物和/或笼合物的形成。在一个实施方案中，物质是原始天然气，并且相变包括水合或主客体络合(例如固体材料的形成)。在一些实施方案中，第一相是气体(例如蒸气)或液体，并且第二相是超临界相。
31.在一些实施方案中，改性的表面例如在金属蒸气照明或先进的平版印刷(lithography，光刻)设备上，其中改性的表面防止或减少在金属蒸气照明或先进的平版印刷设备的运行期间的金属蒸气的凝结。在一个实施方案中，均一性和防止沉积对于先进的平版印刷设备的精确运行是至关重要的。
32.在另一方面，提供了一种热交换器或传热表面，其包括如本文所述的改性的表面，与未改性的表面相比，该改性的表面增加了从第一相到第二相的相变所需的驱动力或能障，其中与不包括改性的表面的热交换器或传热表面相比，在热交换器或传热表面中防止或延迟了相变的开始。
33.在另一方面，提供了玻璃、窗户、镜子或透镜，其包括如本文所述的改性的表面，与未改性的表面相比，该改性的表面增加了从第一相到第二相的相变所需的驱动力或能障，其中与不包括改性的表面的玻璃、窗户、镜子或透镜相比，在玻璃、窗户、镜子或透镜上防止或延迟了相变的开始。
34.在另一方面，提供了一种玻璃组件，其包括如本文所述的图案化的改性的表面，与未改性的表面相比，该改性的表面增加了从第一相到第二相的相变所需的驱动力或能障，其中与未改性的表面相比，在改性的表面上防止或延迟了相变的开始。例如，图案化可在玻璃上提供装饰性和/或功能上期望的图案，使得凝结以美学上令人愉悦的和/或功能的方式发生。
35.在另一方面，提供了一种计算机机箱或冷却架，其包括如本文所述的改性的表面，与未改性的表面相比，该改性的表面增加了从第一相到第二相的相变所需的驱动力或能障，其中与不包括改性的表面的计算机机箱或冷却架相比，在计算机机箱或冷却架上防止或延迟了相变的开始。例如，改性的表面可防止或减少与凝结有关的对容纳在其中的电子设备或计算机设备的损害。
36.在另一方面，提供了一种气体蒸发器，其包括如本文所述的改性的表面，与未改性的表面相比，该改性的表面增加了从第一相到第二相的相变所需的驱动力或能障，其中与不包括改性的表面的气体蒸发器相比，在气体蒸发器上防止或延迟了相变的开始。例如，改性的表面可防止或减少其中的蒸发器热交换器上的凝结和/或结霜。
37.本发明的实施方案例如包括如下：
38.1.防止或延迟表面上的相变的开始的方法，所述方法包括：
39.提供包括表面改性物的改性的表面，其中与未改性的表面相比，该改性的表面增加了与改性的表面接触的物质的从第一相到第二相的相变所需的驱动力或相变的能障，所
述未改性的表面与改性的表面相同，除了未改性的表面不包括表面改性物之外；以及
40.在未改性的表面上会发生到第二相的相变的环境条件下，使包括处于至少一个第一相的物质的流体物流与所述改性的表面接触，所述第一相包含处于蒸气相和/或处于液体相的所述物质，
41.其中与未改性的表面相比，在所述改性的表面上所述相变被防止或延迟。
42.2.实施方案1的方法，其中所述至少一个第一相包括蒸气相，其中所述第二相包括液体相，并且其中相变的所述防止或延迟包括防止或延迟所述蒸气的凝结而在所述表面上形成液体。
43.3.实施方案2的方法，其中所述蒸气是水蒸气，所述流体物流是空气，并且其中相变的所述防止或延迟包括防止或延迟所述水蒸气在所述表面上的凝结。
44.4.实施方案1的方法，其中所述至少一个第一相包括蒸气相，其中所述第二相包括固体相，其中所述蒸气在所述表面上凝结而形成凝结物，并且其中相变的所述防止或延迟包括防止或延迟所述凝结物的凝固而在所述表面上形成固体。
45.5.实施方案4的方法，其中所述蒸气是水蒸气，所述流体物流是空气，所述凝结物是水凝结物，并且其中相变的所述防止或延迟包括防止或延迟所述水凝结物的凝固而在所述表面上形成霜或冰。
46.6.实施方案1的方法，其中所述至少一个第一相包括蒸气相和液体相，其中所述第二相包括液体相，并且其中相变的所述防止或延迟包括防止或延迟所述蒸气的凝结而在所述表面上形成液体。
47.7.实施方案6的方法，其中所述蒸气是水蒸气，所述液体是水，所述流体物流是空气，并且其中相变的所述防止或延迟包括防止或延迟所述水蒸气在所述表面上的凝结。
48.8.实施方案1的方法，其中所述至少一个第一相包括蒸气相和液体相，其中所述第二相包括固体相，其中所述表面包括来自所述蒸气的凝结物和/或液体，并且其中相变的所述防止或延迟包括防止或延迟所述凝结物和/或所述液体的凝固而在所述表面上形成固体。
49.9.实施方案8的方法，其中所述蒸气是水蒸气，所述液体是水，所述流体物流是空气，所述表面包括所述水蒸气的凝结物和/或液体水，并且其中相变的所述防止或延迟包括防止或延迟所述水凝结物和/或液体水在所述表面上的凝固而在所述表面上形成霜或冰。
50.10.实施方案1的方法，其中所述至少一个第一相包括蒸气相，其中所述第二相包括固体相，并且其中相变的所述防止或延迟包括防止或延迟所述蒸气的凝固而在所述表面上形成固体。
51.11.实施方案10的方法，其中所述蒸气是水蒸气，所述固体是水霜或冰，并且其中相变的所述防止或延迟包括防止或延迟所述水蒸气的凝固而在所述表面上形成水霜或冰。
52.12.实施方案10的方法，其中所述蒸气是co2气体，所述固体是冻结的co2，并且相变的防止或延迟包括防止或延迟所述co2气体的凝固而在表面上形成冻结的co2。
53.13.实施方案1的方法，其中将所述改性的表面过冷至低于所述第一相到所述第二相的平衡相转变值，并且所述物质仍以第一相存在。
54.14.实施方案13的方法，其中将所述改性的表面过冷至比所述第一相到所述第二相的平衡相转变值低大于约0.25℃，并且所述物质仍以第一相存在。
55.15.实施方案14的方法，其中将所述改性的表面过冷至比所述第一相到所述第二相的平衡相转变值低大于约0.5℃，并且所述物质仍以第一相存在。
56.16.实施方案15的方法，其中将所述改性的表面过冷至比所述第一相到所述第二相的平衡相转变值低大于约1℃，并且所述物质仍以第一相存在。
57.17.实施方案16的方法，其中将所述改性的表面过冷至比所述第一相到所述第二相的平衡相转变值低大于约2℃，并且所述物质仍以第一相存在。
58.18.实施方案17的方法，其中将所述改性的表面过冷至比所述第一相到所述第二相的平衡相转变值低大于约3℃，并且所述物质仍以第一相存在。
59.19.实施方案18的方法，其中将所述改性的表面过冷至比所述第一相到所述第二相的平衡相转变值低大于约5℃，并且所述物质仍以第一相存在。
60.20.实施方案19的方法，其中将所述改性的表面过冷至比所述第一相到所述第二相的平衡相转变值低大于约10℃，并且所述物质仍以第一相存在。
61.21.实施方案1的方法，其中从所述第一相到所述第二相的相变的能障大于均匀成核能的约50％。
62.22.实施方案21的方法，其中在所述改性的表面上从所述第一相到所述第二相的相变的能障大于均匀成核能的约60％。
63.23.实施方案22的方法，其中在所述改性的表面上从所述第一相到所述第二相的相变的能障大于均匀成核能的约70％。
64.24.实施方案23的方法，其中在所述改性的表面上从所述第一相到所述第二相的相变的能障大于均匀成核能的约80％。
65.25.实施方案24的方法，其中在所述改性的表面上从所述第一相到所述第二相的相变的能障大于均匀成核能的约90％。
66.26.实施方案25的方法，其中在所述改性的表面上从所述第一相到所述第二相的相变的能障大于均匀成核能的约95％。
67.27.实施方案26的方法，其中在所述改性的表面上从所述第一相到所述第二相的相变的能障大于均匀成核能的约99％。
68.28.任一前述实施方案的方法，其中从所述第一相到所述第二相的所述相变包括在所述表面改性物上的所述物质的成核，并且其中所述表面改性物包括屏障涂层、转化涂层或其组合。
69.29.实施方案28的方法，其中发生成核的表面改性物是纳米结构化的。
70.30.实施方案28或29的方法，其中发生成核的表面改性物包括金属氧化物或聚合物。
71.31.实施方案30的方法，其中发生成核的表面改性物包括包含烷基或氟代烷基单体单元的聚合物。
72.32.实施方案30的方法，其中发生成核的表面改性物包括通过沉积或转化产生的金属氧化物层。
73.33.实施方案30-32中任一项的方法，其中发生成核的表面改性物包括一种或多种封端烷基或氟化化合物。
74.34.实施方案1的方法，其中所述物质是水，并且其中所述第一相主要包括水蒸气，
并且所述第二相包括液体水或水冰。
75.35.实施方案1的方法，其中所述物质是水，并且其中所述第一相包括在空气中的水蒸气，并且所述第二相是液体水或水冰。
76.36.实施方案1的方法，其中所述物质是水，并且其中所述第一相是液体水，并且所述第二相是水冰。
77.37.实施方案1的方法，其中所述物质是二氧化碳，并且其中所述第一相包括二氧化碳蒸气，并且所述第二相是干冰。
78.38.实施方案1的方法，其中所述物质是原始天然气，并且其中所述第一相包括气体蒸气，并且所述第二相包括笼合物。
79.39.实施方案1或实施方案38的方法，其中所述第一相是蒸气或液体，并且所述第二相是超临界相。
80.40.实施方案1的方法，其中所述物质是金属，并且其中所述第一相包括金属蒸气，并且所述第二相包括凝结的金属蒸气。
81.41.热交换器或传热表面，其包含包括表面改性物的改性的表面，其中与未改性的表面相比，该改性的表面增加了与改性的表面接触的物质的从第一相到第二相的相变所需的驱动力或能障，所述未改性的表面与改性的表面相同，除了未改性的表面不包括表面改性物之外，其中与不包括改性的表面的热交换器或传热表面相比，在所述热交换器或传热表面中所述相变的开始被防止或延迟。
82.42.实施方案1的方法，其中所述改性的表面在热交换器或传热表面上。
83.43.玻璃、窗户、镜子或透镜，其包含包括表面改性物的改性的表面，其中与未改性的表面相比，该改性的表面增加了与改性的表面接触的物质的从第一相到第二相的相变所需的驱动力或能障，所述未改性的表面与改性的表面相同，除了未改性的表面不包括表面改性物之外，其中与不包括改性的表面的玻璃、窗户、镜子或透镜相比，在所述玻璃、窗户、镜子或透镜上所述相变的开始被防止或延迟。
84.44.实施方案1的方法，其中所述改性的表面在玻璃、窗户、镜子或透镜表面上。
85.45.玻璃组件，其包含包括表面改性物的图案化的改性的表面，其中与未改性的表面相比，该改性的表面增加了与改性的表面接触的物质的从第一相到第二相的相变所需的驱动力或能障，所述未改性的表面与改性的表面相同，除了未改性的表面不包括表面改性物之外，其中与未改性的表面相比，在所述改性的表面上所述相变的开始被防止或延迟，并且其中所述改性的表面以装饰性图案配置在所述玻璃上，使得所述相变以美学上令人愉悦的方式发生。
86.46.实施方案1的方法，其中所述改性的表面在玻璃组件上呈图案，使得所述相变以美学上令人愉悦的方式发生。
87.47.计算机机箱或冷却架，其包含包括表面改性物的改性的表面，其中与未改性的表面相比，该改性的表面增加了与改性的表面接触的物质的从第一相到第二相的相变所需的驱动力或能障，所述未改性的表面与改性的表面相同，除了未改性的表面不包括表面改性物之外，其中与不包括改性的表面的计算机机箱或冷却架相比，在所述计算机机箱或冷却架上所述相变的开始被防止或延迟，其中所述相变包括水的凝结，并且其中与未改性的表面相比，所述改性的表面防止或减少了与凝结有关的对容纳在其中的电子设备的损害。
88.48.实施方案1的方法，其中改性的表面在计算机机箱或冷却架上。
89.49.气体蒸发器或气体蒸发器热交换器，其包含包括表面改性物的改性的表面，其中与未改性的表面相比，该改性的表面增加了物质的从第一相到第二相的相变所需的驱动力或能障，所述未改性的表面与改性的表面相同，除了未改性的表面不包括表面改性物之外，其中在所述气体蒸发器上所述相变的开始被防止或延迟，其中所述物质是水，并且所述相变包括水的凝结和/或霜的形成，并且其中与未改性的表面相比，所述改性的表面防止或减少了所述气体蒸发器或气体蒸发器热交换器中的凝结和/或霜形成。
90.50.实施方案1的方法，其中改性的表面在气体蒸发器上。
91.51.实施方案50的方法，其中改性的表面在气体蒸发器热交换器上。
92.52.实施方案1的方法，其中改性的表面在蒸发器装置中，其中所述物质是水，其中相变包括水的凝结，并且其中与未改性的表面相比，改性的表面防止或减少了蒸发器装置上的凝结形式的结垢。
93.53.实施方案1的方法，其中改性的表面在发动机或燃烧喷嘴中，其中所述物质是二氧化碳，其中相变包括二氧化碳的凝结，并且其中与未改性的表面相比，改性的表面防止或减少了发动机或燃烧喷嘴中的二氧化碳凝结。
94.54.实施方案1的方法，其中改性的表面在用于工业气体和/或液体的处理设备上，其中该物质是原始天然气，其中相变包括水合或主体-客体络合，并且其中与未改性的表面相比，改性的表面防止或减少了在所述处理设备中处理所述工业气体和液体期间的水和气体水合物和/或笼合物的形成。
95.55.实施方案54的方法，其中所述第一相是蒸气或液体，并且所述第二相是超临界相。
96.56.实施方案1的方法，其中改性的表面在金属蒸气照明或先进的平版印刷设备上，其中该物质是金属，并且其中相变包括金属蒸气凝结，并且其中改性的表面防止或减少了在所述金属蒸气照明或先进的平版印刷设备的运行期间的金属蒸气的凝结。
97.57.实施方案56的方法，其中均一性和防止沉积对于所述先进的平版印刷设备的精确运行是至关重要的。
附图说明
98.图1a
–
1b示出了在表面改性和未改性的铝板上的水的相变，如实施例1中所述。
99.图2示出了在实施例2中描述的实验中，在表面改性和未改性的热交换器中的冰形成的结果。
100.图3示意性地示出了闭环空调系统，如实施例3中所述。
101.图4示出了向热交换器添加凝结成核屏障的结果，如实施例3中所述。
102.图5a
–
5e示出了在未改性的表面和改性的表面上水从液体到固体的相变的时间演进，如实施例4中所述。
103.图6示出了在受控的空气速率和表面温度的情况下，在环境腔室中未改性的表面和改性的表面的冰厚度相对于时间的图，如实施例5所述。
104.图7示出了改性的热交换器相对于未改性的热交换器的空气侧压降，如实施例6中所述。
具体实施方式
105.通过增加液滴形成的能障，在高接触角、圆形状态下凝结液滴的能力将凝结的有效开始温度降低至低于本体露点。本文提供了改性的表面和方法，其通过增加对成核相变的能障来防止或延迟在特定环境条件(例如温度和/或相对湿度)下凝结或霜形成的开始。本文所述的材料和使用方法适用于其中凝结和/或冰形成是不期望的系统。此外，提供了在特定应用中提高安全性或为这样的系统的安全或有效运行而增强环境条件的范围的方法。还提供了通过延迟或消除对这样的系统进行除霜或干燥的需要来改进性能的方法。
106.通过本文所述的材料和方法解决的其他相变现象包括由co2系统形成固体二氧化碳，形成笼合物水合物，例如在深水勘探系统中，以及在气化系统中的蒸气相化合物的凝结。还解决了在亚临界和超临界运行条件下运行的系统。
107.在一些实施方案中，与不包括如本文所述的表面改性物的相同系统相比，诸如热交换器的系统可在较低的温度下运行或处理较大的温度变化而不会发生凝结。在一些实施方案中，可在》5℃的超冷(露点和表面温度之间的差)下抑制成核。
108.在一些实施方案中，表面改性物包括纳米结构化的布置。
109.定义
110.本文提供的数字范围包括定义范围的数字。
111.除非上下文另有明确规定，否则“一个(a)”、“一种(an)”和“该(the)”包括复数形式。
[0112]“平衡相转变值”是在没有能障的情况下热力学上发生相变的温度/压力条件。该相变可为在露点处的转变(例如凝结)、在霜点处的转变(例如结霜)或在冻结点处的转变(例如结晶)，并且在转变相变得饱和时发生。“霜点”是指较低密度的固体水相的形成，而“凝固点”是指在接近完全密度下的冰的形成。典型地，对于水而言，霜看起来像雪一样的白色和粉状，而冻结/冰则更致密、光学透明的冰。
[0113]“均匀成核能”是指由经典成核理论所定义的成核能障，δg
homo
*。
[0114]“露点”是在给定的一组环境压力和湿度条件下的温度，在该温度下液体水相比蒸气相在能量上更有利。这是在没有能障的情况下会发生凝结的点。
[0115]“接触角”是通过表面和接触表面处的液-气界面之间的液体测量的角度。
[0116]“自由表面能”是指界面(液体-蒸气、固体-液体或蒸气-固体)的能量。高能表面比低能表面更容易润湿。
[0117]“屏障涂层”形成物理屏障，从而使与不期望的元素(例如水(作为“水分屏障”)；电解质(作为“腐蚀屏障”)的接触最小化。
[0118]“转化涂层”是指其中反应物与待处理的表面化学反应的表面层。
[0119]“纳米结构化”涂层是指在至少一个维度上具有小于100纳米的特征的涂层布置。
[0120]“凝结条件”是指将表面冷却至低于蒸气的露点的条件。
[0121]“显热”是指在没有相变的情况下由于气体或物体的温度的变化而产生的热量的量。
[0122]“显冷量”是指在没有相变的情况下可传递至材料的热量的量。
[0123]“潜热”是指在温度不改变的情况下改变相(例如从固体到液体或气体相或从液体或气体相到固体；或从液体到气体相或从气体相到液体)所需的能量(例如热量)的量。
[0124]“潜冷量”是指由于相变而可传递至材料或从材料传递的能量(例如热量)的量。
[0125]“显热比”是指显冷量与总冷量之比。总冷量通常是显冷量和潜冷量之和。
[0126]“cassie-baxter状态”是指形成这样一种状态，其中液滴停留在存在混合界面(典型地呈捕获在液滴表面下方的气体相的形式)的纹理化表面的顶部上。
[0127]“wenzel状态”是指形成这样一种状态，其中一定量的液体与纹理化表面接触，其中液体已经润湿了下面的表面。
[0128]“原始天然气”是指未经处理的天然气，其可含有天然气液体(例如凝结物、天然气、液化石油气)、水和其他杂质(例如氮气、二氧化碳、硫化氢、氦气)。
[0129]
本文中关于相变的“水合”和“主体-客体络合”是指通过摄取水或形成笼合物或笼合物状结构而形成不同的相。
[0130]“笼合物”是指其中一种物质的分子被物理捕获在另一种物质的晶体结构内的化合物。
[0131]“超临界条件”是指材料以超临界相存在的温度和压力条件。“超临界相”是指所处的温度和压力大于其临界温度和压力的流体。物质的临界温度是指无论施加多大的压力都不能使物质的蒸气液化的温度。物质的临界压力是在临界温度下使气体液化所需的压力。
[0132]“超冷”或“过冷”是指在给定压力下，将处于第一相的物质冷却至低于到第二相的平衡相变温度(例如露点或冻结点)的温度，其中该物质不转变到第二相(例如在该物质不变成液体的情况下冷却至低于露点，或在该物质不变成固体的情况下冷却至低于冷冻点)。
[0133]
表面改性物
[0134]
本文提供了表面改性物，其将球形或基本上球形的液滴保持在低于均匀成核临界半径的尺寸，由此使得在成核开始时的表面温度低于露点。在一些实施方案中，即使表面温度低于平衡露点，水也不会在本文所述的改性的表面上凝结(例如形成液体相，其中会聚集足够多的物质，使得可容易地观察到它，或者它足够大以测量接触角)。
[0135]
在一些实施方案中，表面改性物为屏障涂层、转化涂层或其组合的形式。在一个实施方案中，表面改性物是纳米结构化的表面改性物。表面改性导致自由表面能的降低，由此使得液滴在低于临界成核半径的尺寸下变得更为球形。
[0136]
在某些实施方案中，表面改性物包括金属氧化物或聚合物。在一个实施方案中，表面改性物包括含有烷基或氟代烷基单体单元的聚合物。在一个实施方案中，表面改性物包括通过沉积或转化产生的金属氧化物层。在一个实施方案中，表面改性物用烷基或氟化化合物(一种或多种)封端。
[0137]
在一些非限制性实施方案中，用纳米结构化的混合金属氧化物对表面进行改性，例如通过将清洁的基底浸入0.25m至1m的第ii族或过渡金属盐(例如硝酸锌、硝酸镁和/或硫酸锰)和0.1m至2m的胺(例如六胺或尿素)的混合物中，在约40℃至约90℃的溶液温度下持续约5分钟至约2小时的持续时间。然后可从溶液中移出样品，清洗，并且在约100℃至约600℃的温度下烘烤。然后可将样品浸入到疏水化学性质的稀溶液(例如在己烷中的硬脂酸、在异丙醇中的十六烷基膦酸或在乙醇中的含有全氟癸基三乙氧基硅烷的溶液)中持续约5分钟至约120分钟。然后可移出基底，并且使其在烘箱中在约105℃下干燥约1小时。
[0138]
可在本文中使用的表面改性物的非限制性实施方案描述于例如wo2018/053452和wo2018/053453中，其通过引用的方式以其全文并入本文。
[0139]
用途应用
[0140]
在如本文所述的改性的表面的用途的应用中，该表面增加了从第一相到第二相的相变的能障。
[0141]
在一些实施方案中，将第一相过冷至低于到第二相的平衡相转变值，并且仍作为第一相存在。例如，可将第一相过冷至比到第二相的平衡相转变值低约0.25℃至约10℃，约0.25℃至约1℃，约0.5℃至约2℃，约1℃至约5℃，约3℃至约5℃，或约5℃至约10℃，并且仍作为第一相存在。在一些实施方案中，可将第一相过冷至比到第二相的平衡相转变值低大于约0.25℃、0.5℃、1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃、7℃、8℃、9℃或10℃中的任意一个，并且仍作为第一相存在。
[0142]
在一些实施方案中，从第一相到第二相的相变的能障为均匀成核能的约50％至约99％，约50％至约70％，约60％至约80％，约70％至约90％，约80％至约90％，约85％至约95％，或约95％至约99％。在一些实施方案中，能障可大于均匀成核能障的约50％、60％、70％、80％、90％、95％或99％中的任意一个。
[0143]
在一些实施方案中，在大于约5℃的超冷下抑制成核。
[0144]
在一个实施方案中，第一相由水蒸气组成或基本上由水蒸气组成，并且第二相是水液体或冰。在另一个实施方案中，第一相是含有水蒸气的空气，并且第二相是液体水或冰。在另一个实施方案中，第一相是液体水，并且第二相是水冰。在另一个实施方案中，第一相由空气和水蒸气组成或基本上由空气和水蒸气组成，并且第二相是水冰。在另一个实施方案中，第一相是二氧化碳蒸气，并且第二相是二氧化碳冰(干冰)。在另一个实施方案中，第一相是液体，并且第二相是固体相的凝结。在另一个实施方案中，第一相是金属蒸气，并且第二相是凝结的金属蒸气。
[0145]
在本文所述的用途的应用的一些实施方案中，处于临界形成半径的凝结的液滴以去润湿状态(即cassie-baxter状态)存在于改性的表面上。
[0146]
用途的热交换器/传热方法包括使用本文的材料以促进热交换并且降低观察到凝结的温度。此外，与传统材料相比，在热交换器上使用这些材料来降低结霜发生的温度提供了以下益处：增加了运行时间，使冰形成对传热性能的影响最小化，和增加了系统的运行范围。还提供了包括本文所述的材料的热交换器，例如作为热交换器的一个或多个表面上的涂层或层，其中表面材料提供了促进热交换和降低观察到凝结的温度和/或结霜发生的温度的功能性质。
[0147]
用途的玻璃窗户、镜子或透镜的应用包括使用本文所述的表面改性物，以防止对于观看应用而言不想要的凝结。此外，用途的方法可包括可被图案化并且用于在玻璃上提供装饰性图案(例如使水、酒或啤酒玻璃制品的外部图案化，使得凝结以美学上令人愉悦的方式发生)的材料。还提供了包括本文所述的材料的玻璃、镜子和透镜，例如作为玻璃、镜子或透镜的表面上的涂层或层，其中表面材料提供了防止不期望的凝结的功能性质，在一些实施方案中，包括呈装饰性图案的表面涂层或层。
[0148]
用途的计算机机箱/机架冷却的应用包括使用本文所述的表面改性物，以防止与不期望的凝结有关的对电子设备的损害。此外，用途的方法可包括施用本文所述的表面改性物，以为在计算机机箱或机架的最冷组件上的凝结物的形成提供额外的运行障碍。凝结所需的增加的驱动力产生额外的运行安全裕度。还提供了包括本文所述的表面改性物的计
算机机箱和/或机架，例如作为计算机机箱或机架的表面上的涂层或层，其中表面材料提供了防止可导致对电子设备的损害的不期望的凝结的功能性质。
[0149]
用途的气体蒸发器的应用包括使用本文所述的表面改性物以防止在蒸发器热交换器(例如但不限于液氮交换器)上的不期望的凝结和结霜。蒸发器热交换器上的凝结物和冰的形成限制了热交换器的效率，因此减少了膨胀气体的可用流或需要更大的热交换器。使用如本文所述的表面改性物的第二个益处是提高了在交换器上形成的除冰(shed ice)的能力。还提供了包括本文所述的表面改性物的气体蒸发器，例如作为气体蒸发器的表面上的涂层或层，例如在蒸发器热交换器(例如液氮交换器)的表面上，其中表面材料提供了防止不期望的凝结和/或结霜的功能性质。
[0150]
用途的防垢凝结的应用包括使用本文所述的表面改性物，以防止蒸发器装置上的不期望的凝结。在这样的实施方案中，防止凝结旨在防止较重组分和天然油的结垢和沉积。一个实例是基于二醇的电子烟或其他类似装置。另外的防垢应用包括基于喷嘴的热敏打印机和装置。还提供了包括本文所述的表面改性物的蒸发器，例如作为蒸发器(例如电子烟或类似装置或热敏打印机或装置的喷嘴)的表面上的涂层或层，其中表面材料提供了防止凝结以防止重组分和油的结垢和/或沉积的功能性质。
[0151]
用途的发动机/喷嘴结冰的应用包括防止发动机和燃烧喷嘴应用中的二氧化碳凝结。还提供了包括如本文所述的表面改性物的内燃机和喷嘴，例如作为发动机或喷嘴的表面上的涂层或层，其中表面材料提供了防止二氧化碳凝结的功能性质。
[0152]
用途的防止水合物和笼合物的应用包括防止在处理设备中处理工业气体和液体(例如压缩天然气的生产)期间水和气体水合物的形成，或高压钻井应用中的甲烷笼合物的沉积。还提供了包括本文所述的表面改性物的用于工业气体和液体的处理设备，例如作为处理设备的表面上的涂层或层，其中表面材料提供了防止水和气体水合物形成的功能性质。
[0153]
用途的防止金属蒸气凝结的应用包括防止在金属蒸气照明运行期间的金属凝结，或先进的平版印刷应用，其中均一性和防止沉积对精确运行是至关重要的。还提供了包括本文所述的表面改性物的金属蒸气照明和平版印刷设备，例如作为设备的表面上的涂层或层，其中表面材料提供了防止在设备的运行期间的金属凝结的功能性质。
[0154]
以下实施例旨在说明而非限制本发明。
[0155]
实施例
[0156]
实施例1
[0157]
通过将清洁的铝板浸入0.25m至1m的第ii族或过渡金属盐(例如硝酸锌、硝酸镁和/或硫酸锰)和0.1m至2m的胺(例如六胺或尿素)的混合物中，在40℃至90℃的溶液温度下持续5分钟至2小时的持续时间，用纳米结构化的混合金属氧化物对铝板进行改性。然后从溶液中移出样品，清洗，并且在100℃至600℃的温度下烘烤。然后将样品浸入到在己烷中的硬脂酸、在异丙醇中的十六烷基膦酸的稀溶液，或在乙醇中的含有全氟癸基三乙氧基硅烷的溶液中持续30分钟至90分钟。然后移出样品，并且使其在105℃烘箱中干燥1小时。
[0158]
将表面改性的铝板通过显微镜成膜，同时放置在表面上并且冷却至-10℃。当使表面温度降低至低于露点时，观察到未涂覆的样品上的凝结的开始要早得多，而涂覆的样品上的凝结的开始要晚得多(图1a)。随着实验的继续，未涂覆的样品将水成核成冰，而涂覆的
样品则保持液体水(图1b)。该实施例显示了蒸气》液体和液体》固体转变二者的成核屏障。
[0159]
实施例2
[0160]
如实施例1所述，用成核屏障涂层对热交换器表面进行改性。进行结冰测试，其中在闭环风洞中将热交换器和空气同时冷却至低于0℃的温度，以确定结霜的开始。图2示出了其中未改性的热交换器开始形成冰和表面改性的热交换器没有形成冰(中间带，标记为成核屏障)的测试结果。与对照的未改性的表面相比，这样的表面改性物使成核温度降低了约2℃。
[0161]
实施例3
[0162]
如图3所示，闭环空调系统通过服务器机架使处于30℃、50％相对湿度(rh)下的室内空气循环，在服务器机架中将其加热至约40℃、27％rh。使空气立即通过液体空气热交换器，其中冷却剂在20℃下进入。
[0163]
如图4所示，进入和离开服务器机架的空气的平衡露点均为18℃。使用未改性的热交换器，这在控制系统中造成2℃的误差，以防止凝结物，其可滴落到服务器机架上。通过向热交换器添加凝结成核屏障，可增加能障并且直到16℃才观察到凝结，有效地使安全裕度增加了一倍并且进一步保护了设备。
[0164]
实施例4
[0165]
将两个3003铝板(一种改性的和一种未改性的对照)并排热耦合到冷却至-10℃的冷板上。空气温度为约22℃，并且湿度为40％。该空气以约2m/s的面速率通过8ft长的风洞在这些板的表面上通过。用类似于实施例1中的程序对表面进行改性。在通过打开和关闭冷板开始该实验之前，使冷板结霜1小时并且除霜10分钟。图5a-5e中的图像演进示出了随着时间从图5a中的约30秒点到图5e处的约1小时点的演进的相变。改性的表面延迟了从液体水到水冰的相变，并且之后减慢了其形成。1小时后，在改性的样品上仍有液体水，而在未改性的样品中，水完全冻结。
[0166]
实施例5
[0167]
将未改性的铝板和根据实施例1中所述的方法改性的铝板放置到表面温度设定为约-5℃的热电冷板上。空气以1.5m/s的面速率和25℃的空气温度和40％的相对湿度在风洞内部的板上通过。使用显微镜测量冰厚度，观察横截面随时间的变化。冰厚度随时间变化的图如图6所描绘。在改性的铝板上，通过显微镜测量的结霜的开始始于11分钟，与未改性的板相比，形成霜所需的时间要长6分钟。相变的这种能障延迟在整个持续时间中持续，使得2小时后的冰层薄了3mm。未改性的板上的冰厚度为7mm，而改性的板上的冰厚度为4mm。
[0168]
实施例6
[0169]
如实施例1中所述用相变屏障涂层对具有平行翅片(每英寸4个翅片)的铝翅片不锈钢管式热交换器进行改性，并且在风洞中相对于未改性的热交换器进行测试。二醇制冷剂温度设定为-4℃，并且以约800克/秒的流速通过盘管(coil)的管侧。空气以3m/s的面速率和分别为2℃和83％的入口温度和湿度在盘管的翅片侧上通过。持续5小时监测盘管的传热容量和空气侧压降。在未改性的盘管上，水从空气中凝结出并且立即冻结在表面上，该表面的温度低于水的冻结点。这导致压降增加。在具有用相变屏障涂层改性的翅片的热交换器上，表面上的液体水冻结所需的时间要长得多，使得来自空气的凝结水从盘管中排出的时间延长。5小时后，未改性的盘管上的空气侧压降为约195pa，而改性的盘管上的空气侧压
降为约140pa。液体到固体的相变的这种延迟使得空气侧压降改进了约30％。空气侧压降随时间变化的图如图7所描绘。
[0170]
尽管出于清楚理解的目的已经通过说明和实例的方式详细地描述了前述发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离所附权利要求书中所描述的本发明的精神和范围的情况下，可实施某些改变和修改。因此，该描述不应被解释为限制本发明的范围。
[0171]
出于所有目的，本文引用的所有出版物、专利和专利申请都通过引用的方式以其全文并入本文，并且其程度与具体地和单独地指示每个单独的出版物、专利或专利申请通过引用的方式并入本文的程度相同。

技术特征：
1.热交换器，其包括纳米结构化的表面，其中与不包括纳米结构化的表面的表面相比，该纳米结构化的表面增加了与该纳米结构化的表面接触的物质的从第一相到第二相的相变所需的驱动力或能障，其中在凝结环境条件下，物质的液滴的至少一部分在处于或高于临界形成半径下以去润湿的cassie-baxter状态存在于纳米结构化的表面上，并且其中与不包括纳米结构化的表面的热交换器相比，因霜形成引起的热交换上的空气侧压降的增加被防止或延迟或者因霜堆积引起的热交换器上的空气侧压降增加的速率被降低。2.根据权利要求1所述的热交换器，其中空气侧速度被约0.1m/s的自然对流条件限制到约4.0m/s至约5.5m/s的工业规模分配中心的冰箱和冷冻器中存在的典型空气侧速度。3.根据权利要求2所述的热交换器，其中空气侧速度在约1m/s至约3m/s之间。4.根据权利要求3所述的热交换器，其中当在iso 5151标准额定结霜条件下操作时，热交换器上的空气侧压降与不包括纳米结构化的表面的热交换器相比降低约30％。5.系统，其包括根据权利要求1所述的热交换器且没有专门的除霜器单元，其中热交换器上的纳米结构化的表面包括主要的防霜机构。6.系统，其包括根据权利要求1所述的热交换器，其中除霜过程发生的时间比不包括纳米结构化的表面的热交换器的除霜过程短。7.系统，其包括根据权利要求1所述的热交换器，其中除霜过程需要的能量输入比不包括纳米结构化的表面的热交换器的除霜过程少。8.系统，其包括根据权利要求1所述的热交换器，其中除霜过程在表面上产生的残留水比不包括纳米结构化的表面的热交换器的除霜过程少。9.系统，其包括根据权利要求1所述的热交换器，其中该系统需要的除霜关闭时间比包括不包含纳米结构化的表面的热交换器的系统少。10.根据权利要求5至9任一项所述的系统，其中时间积分的平均传热容量相对于包括不包含纳米结构化的表面的热交换器的系统增加。11.根据权利要求10所述的系统，其中热交换器空气侧速度被约0.1m/s的自然对流条件限制到约4.0m/s至约5.5m/s的工业规模分配中的冰箱和冷冻器中存在的典型空气侧速度。12.根据权利要求11所述的系统，其中热交换器空气侧速度在约1m/s至约3m/s之间。13.根据权利要求11所述的系统，其中当在iso 5151标准额定结霜条件下操作时，热交换器上的空气侧压降与不包括纳米结构化的表面的热交换器相比降低约30％。。

技术总结
提供了改性的表面及其使用方法，以防止或延迟相变(例如凝结或霜形成)的开始。本发明涉及增加成核相变(例如但不限于凝结和结晶)所需的驱动力或能障的表面，及其使用方法，例如防雾玻璃应用以及防止在仅需要显冷的系统中的热交换器上的凝结。的热交换器上的凝结。的热交换器上的凝结。


技术研发人员：L.R.布罗克韦 D.C.沃尔瑟
受保护的技术使用者：尼蓝宝股份有限公司
技术研发日：2019.05.09
技术公布日：2023/7/13