本技术涉及沸腾换热强化领域,创新性地设计了一种结合非均匀分形微坑结构和超亲水性复合表面的系统。该系统包含微坑结构、微坑结构区域及超亲水通道,旨在提升沸腾换热效率。
背景技术
随着工业设备和电子器件向高性能、集成化和小型化发展,产生的热流密度急剧增加,这对器件的热管理提出了更高的要求,特别是在超级计算机、混合动力电动汽车、X射线医疗设备、卫星和航天器设备中。核态沸腾换热方式是利用工质的相变潜热进行热量交换,具有小温差、大传热量以及可靠性强等特点,被广泛应用于高热流设备冷却中。因此,强化表面的沸腾换热效果以满足日益增加的散热要求,对高热流设备的安全运行具有非常重要的实际意义。
随着表面加工技术的进步,研究人员提出了复合结构表面用于强化沸腾换热,即结合表面结构和表面润湿性强化沸腾换热特点。如文献X.Z. Sun, Q. Li, W.X. Li, etal. Enhanced pool boiling on microstructured surfaces with spatially-controlled mixed wettability [J]. International Journal of Heat and MassTransfer, 2022, 183: 122164.在线切割方式制备的微柱结构表面上,再利用磁控溅射方式将聚四氟乙烯涂层(疏水材料)构顶部,从而形成微柱结构与疏水性复合表面,其强化沸腾换热机理为疏水材料减小复合表面的初始沸腾过热度,从而增加汽化核心数目和强化低热流密度下的沸腾换热效果,以及微柱结构产生的毛细力强化液体回流,从而延迟蒸汽柱的形成和增加临界热流密度。但相邻微柱间距较小使得在微柱顶部核化的汽泡容易汇聚在一起,并且在高热流密度区汽泡同样在微柱底部产生,使得汽泡汇聚严重,限制了临界热力密度的增加。授权专利号为ZL109295431A设计了一种具有分形特性的非均匀润湿复合表面,其中疏水区域结构按照Sierpinski地毯曲线分形特性分布,亲水通道交错穿插疏水点阵区域,其强化沸腾换热机理是汽泡在疏水区域内核化,从而规划汽泡成核点,亲水区域可以强化液体补给,延缓汽泡成膜,提高临界热流密度。但该结构复杂,使用的疏水涂层极不稳定,在实际应用中容易失效。因此,设计一种简单、高效和稳定的微结构与润湿性复合表面,以满足在低热流密度下减小初始沸腾过热度和增加汽化核心数目,以及在高热流密度下延缓汽泡成膜和增加临界热流密度,显得尤为重要。
实现思路