本發(fā)明屬于強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱，設(shè)計(jì)了一個(gè)即可強(qiáng)化汽泡核化過(guò)程、增加流動(dòng)擾動(dòng)和延緩汽泡成膜的非均勻分形微坑結(jié)構(gòu)與超親水性復(fù)合表面。

背景技術(shù)：

1、流動(dòng)沸騰換熱作為一種常見(jiàn)的兩相冷卻方式，被廣泛應(yīng)用于制冷系統(tǒng)、電子設(shè)備冷卻以及化學(xué)和石化工程中。提高流動(dòng)沸騰換熱效果是保證熱能傳遞、轉(zhuǎn)換和管理系統(tǒng)安全性、高效性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。提高流動(dòng)沸騰換熱的主要方式可分為兩種：一是表面改性(表面結(jié)構(gòu)和表面潤(rùn)濕性)；二是添加表面活性劑或納米顆粒。其中表面改性被公認(rèn)為一種有效的方式，受到了眾多學(xué)者的關(guān)注。因此，利用表面改性()強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱效果對(duì)保證設(shè)備的運(yùn)行安全，具有非常重要的實(shí)際意義。

2、相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合表面(結(jié)合表面結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性)能結(jié)合兩者強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱的特點(diǎn)，即能明顯增加汽化核心數(shù)目和強(qiáng)化液體回流，從而進(jìn)一步強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱效果。如文獻(xiàn)?q.?zhao,?j.c.?qiu,?j.h.?zhou,?et?al.?visualization?study?of?flowboiling?characteristics?in?open?microchannels?with?different?wettability?[j].international?journal?of?heat?and?mass?transfer,?2021,?180:?121808.首先利用線(xiàn)切割技術(shù)在銅基表面上形成微槽結(jié)構(gòu)，隨后利用光纖激光雕刻方式對(duì)制備的微槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行激光燒蝕，從而在微槽結(jié)構(gòu)上形成不規(guī)則的微結(jié)構(gòu)，最后利用化學(xué)氧化方式對(duì)燒蝕之后的微槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，從而形成微槽-超親水復(fù)合表面。其強(qiáng)化機(jī)理為超親水結(jié)構(gòu)能限制局部干涸點(diǎn)的形成，從而增加臨界熱流密度。但是，超親水結(jié)構(gòu)同樣也增加了初始沸騰點(diǎn)，使得微槽-超親水復(fù)合表面在低熱流密度下沸騰換熱效果不佳。申請(qǐng)專(zhuān)利號(hào)為202410285324.8設(shè)計(jì)了一種流線(xiàn)型微柱與圓孔分區(qū)協(xié)同強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱的表面，其通過(guò)流線(xiàn)型微柱與圓孔的分區(qū)布置，在提高表面成核密度的同時(shí)增加了對(duì)氣液工質(zhì)的擾動(dòng)，并減小了汽泡堵塞，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面換熱性能的提升。但是，該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加的汽化核心數(shù)目容易造成汽泡的匯聚，從而使得在高熱流密度區(qū)沸騰效果不明顯。因此，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單、高效和穩(wěn)定的微結(jié)構(gòu)與潤(rùn)濕性復(fù)合表面，在增加表面汽化核心數(shù)目的同時(shí)，能延遲汽泡匯聚和減緩干涸點(diǎn)的擴(kuò)散，從而明顯強(qiáng)化沸騰換熱，顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出了一種非均勻分形微孔結(jié)構(gòu)與超親水性復(fù)合表面，用于高效地強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：

3、一種強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱的非均勻分形微坑結(jié)構(gòu)與超親水性復(fù)合表面，包括，超親水通道1，微坑結(jié)構(gòu)區(qū)域2，微坑結(jié)構(gòu)塊3和微坑結(jié)構(gòu)4；所述的超親水通道1遍布整個(gè)加熱表面；超微坑結(jié)構(gòu)區(qū)域2，微坑結(jié)構(gòu)塊3和微坑結(jié)構(gòu)4分別布置在加熱表面入口端，中間段和出口段，且若干排微坑結(jié)構(gòu)，微坑結(jié)構(gòu)塊和微坑結(jié)構(gòu)呈叉排分布。

4、所述超親水通道的接觸角小于15o，單個(gè)微坑結(jié)構(gòu)的直徑為100μm，深度為100μm，其中，在微坑結(jié)構(gòu)區(qū)域2內(nèi)，相鄰微坑結(jié)構(gòu)的間距300μm；單個(gè)微坑結(jié)構(gòu)塊是由4個(gè)微坑結(jié)構(gòu)組成，微坑結(jié)構(gòu)塊中相鄰微坑結(jié)構(gòu)的軸向和縱向間距為300μm，相鄰微坑結(jié)構(gòu)塊的間距為1500μm；分布在表面出口端的微坑結(jié)構(gòu)相鄰間距為1500μm。

5、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，微坑結(jié)構(gòu)區(qū)域，微坑結(jié)構(gòu)塊和微坑結(jié)構(gòu)的面積占比，可以根據(jù)加熱表面的熱流密度進(jìn)行調(diào)整，例如，在熱流密度較小的加熱表面，微坑結(jié)構(gòu)區(qū)域面積可以明顯提高，而微坑結(jié)構(gòu)的面積可以明顯減??；而在熱流密度較高的加熱表面，微坑結(jié)構(gòu)區(qū)域面積可以減小，而微坑結(jié)構(gòu)的面積可以明顯增加。

6、一種非均勻分形微孔結(jié)構(gòu)與超親水性復(fù)合表面的具體制備方式如下：先利用水磨拋光方式，對(duì)銅基表面進(jìn)行預(yù)處理，以除去表面的不規(guī)則微結(jié)構(gòu)；隨后，利用納秒激光微加工方式作用在銅基表面，從而制備非均勻分形的微孔結(jié)構(gòu)；再利用化學(xué)氧化方式對(duì)具有填充材料的微坑結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行超親水性處理，從而獲得表面獲得超親水性；最后，利用丙酮溶液除去結(jié)構(gòu)表面中的填充材料，從而獲得非均勻分形微孔結(jié)構(gòu)與超親水性復(fù)合表面。

7、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

8、本發(fā)明中利用汽泡容易在微坑結(jié)構(gòu)內(nèi)核化的特點(diǎn)，從而降低初始沸騰換熱的過(guò)熱度，并且更小的結(jié)構(gòu)間距能增加微坑結(jié)構(gòu)的數(shù)目，從而增加汽化核心數(shù)目。同時(shí)，在微坑結(jié)構(gòu)區(qū)域中，微坑結(jié)構(gòu)的叉排分布能增加流動(dòng)的擾動(dòng)，促使汽泡脫離表面，從而強(qiáng)化表面入口端的沸騰換熱效果。在加熱表面中間段，汽泡生長(zhǎng)尺寸明顯增加，在微坑結(jié)構(gòu)塊內(nèi)核化的汽泡開(kāi)始匯聚，而更大微坑結(jié)構(gòu)塊的距離能限制匯聚汽泡進(jìn)一步匯聚。同時(shí)，微坑結(jié)構(gòu)塊周?chē)某H水通道促使匯聚汽泡脫離表面。當(dāng)液體進(jìn)入加熱表面出口段，在微坑結(jié)構(gòu)內(nèi)核化的汽泡迅速匯聚成蒸汽柱，而微坑結(jié)構(gòu)周?chē)某H水通道會(huì)限制匯聚汽泡干斑點(diǎn)的鋪展。此外，更大的微孔結(jié)構(gòu)間距延遲汽泡成膜，從而增加臨界熱流密度。

9、本發(fā)明中，只需要利用納秒激光微加工技術(shù)和化學(xué)氧化方式，即可得非均勻分形微坑結(jié)構(gòu)與超親水性復(fù)合表面，具有容易操作和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)。本發(fā)明提出的非均勻分形微坑結(jié)構(gòu)與超親水性復(fù)合表面，能利用微坑結(jié)構(gòu)明顯增汽泡數(shù)目，又能通過(guò)增加相鄰微坑結(jié)構(gòu)塊和微坑結(jié)構(gòu)間距的方式，限制汽泡進(jìn)一步匯聚和延遲汽泡成膜。同時(shí)，超親水通道能迅速鋪展液體，從而促使汽泡快速脫離和推遲臨界熱流密度。

技術(shù)特征：

1.一種強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱的非均勻分形微坑結(jié)構(gòu)與超親水性復(fù)合表面，其特征在于，包括超親水通道1，微坑結(jié)構(gòu)區(qū)域2，微坑結(jié)構(gòu)塊3和微坑結(jié)構(gòu)4；所述的超親水通道1遍布整個(gè)加熱表面；超微坑結(jié)構(gòu)區(qū)域2，微坑結(jié)構(gòu)塊3和微坑結(jié)構(gòu)4分別布置在加熱表面入口端，中間段和出口段，且若干排微坑結(jié)構(gòu)，微坑結(jié)構(gòu)塊和微坑結(jié)構(gòu)呈叉排分布。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述超親水通道的接觸角小于15o，單個(gè)微坑結(jié)構(gòu)的直徑為100μm，深度為100μm，其中，在微坑結(jié)構(gòu)區(qū)域2內(nèi)，相鄰微坑結(jié)構(gòu)的間距300μm；單個(gè)微坑結(jié)構(gòu)塊是由4個(gè)微坑結(jié)構(gòu)組成，微坑結(jié)構(gòu)塊中相鄰微坑結(jié)構(gòu)的軸向和縱向間距為300μm，相鄰微坑結(jié)構(gòu)塊的間距為1500μm；分布在表面出口端的微坑結(jié)構(gòu)相鄰間距為1500μm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了一種非均勻分形微坑結(jié)構(gòu)與超親水性復(fù)合表面，包括超親水通道，微坑結(jié)構(gòu)區(qū)域，微坑結(jié)構(gòu)塊以及微坑結(jié)構(gòu)；所述的超親水通道可通過(guò)在銅基表面進(jìn)行化學(xué)氧化的方式得到，而微坑結(jié)構(gòu)區(qū)域，微坑結(jié)構(gòu)塊以及微坑結(jié)構(gòu)可以通過(guò)納秒激光微加工技術(shù)得到。本發(fā)明的非均勻分形微坑結(jié)構(gòu)與超親水性復(fù)合表面，能在表面入口段增加汽化核心數(shù)目和強(qiáng)化液體的擾動(dòng)，在表面中間段實(shí)現(xiàn)汽泡的定向匯聚和限制蒸汽柱的形成，在表面出口段能限制局部干涸點(diǎn)的鋪展和延遲汽泡成膜，從而滿(mǎn)足在加熱表面不同區(qū)域，均能強(qiáng)化沸騰換熱效果。

技術(shù)研發(fā)人員：高林松,徐熠熠,苗訓(xùn),付汝賓,胡建新
受保護(hù)的技術(shù)使用者：湘潭大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2