技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及
散熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種主動式強(qiáng)化傳熱裝置及主動式強(qiáng)化傳熱方法。
背景技術(shù)
[0002]
熱能傳輸是許多工業(yè)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其包括
能量產(chǎn)生和能量傳送。泡核
沸騰是轉(zhuǎn)移大量熱能的高效手段，也是傳熱領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，通常泡核沸騰強(qiáng)化傳熱技術(shù)有兩個主要目的：一是最大化受熱表面單位
溫度升高的熱轉(zhuǎn)移量(熱通量)；二是增加泡核沸騰轉(zhuǎn)移的上限，也被稱為臨界熱流
密度。傳統(tǒng)的沸騰強(qiáng)化方法是基于對傳熱表面的化學(xué)改性、物理形貌構(gòu)造或者兩者結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對傳熱表面
潤濕性的改變，進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化沸騰傳熱的目的，但以上方法主要在于強(qiáng)化表面特性的靜態(tài)性，無法完成
時空上的主動調(diào)控。
[0003] 經(jīng)典飽和池沸騰傳熱曲線如圖1所示，從左到右主要分為以下幾個階段：自然
對流時期、孤立汽泡時期、充分發(fā)展的泡核沸騰時期(簡稱汽
塊時期)、過度沸騰時期以及穩(wěn)定膜態(tài)沸騰時期，其中幾個主要的時期轉(zhuǎn)折點(diǎn)為起始沸騰點(diǎn)(Onset?Nucleate?Boiling，ONB)、最大臨界熱流密度(Maximum?Critical?Heat?Flux，CHF)，以及最小熱流密度(Minimum?Heat?Flux，MHF)，圖1中縱坐標(biāo)q”代表沸騰傳熱的熱流密度，橫坐標(biāo)為log(ΔTsat)，ΔTsat＝Tw-Tsat，Tw代表傳熱壁面溫度，Tsat代表液體飽和沸騰溫度。
[0004] 通過對經(jīng)典飽和池沸騰曲線的研究，目前現(xiàn)有一種基于介
電潤濕(EWOD)原理強(qiáng)化沸騰傳熱的方法，其通過
電場實(shí)時調(diào)控極性液體工質(zhì)與傳熱壁面之間的潤濕性，獲得提前ONB和推遲CHF的優(yōu)異傳熱效果。但由于
接觸角飽和現(xiàn)象的存在，介電潤濕對于工質(zhì)潤濕性的調(diào)控范圍有限，固液接觸角難以突破60°以下，因此，其對于氣泡動
力學(xué)的改善以及抑制CHF的作用有限；另外，從工程上，介電潤濕系統(tǒng)的介
電擊穿問題至今尚未得到有效解決，且導(dǎo)電傳熱工質(zhì)的絕緣封裝也是很大的挑戰(zhàn)，以上問題使得該技術(shù)的可靠性和應(yīng)用前景大打折扣。
發(fā)明內(nèi)容
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種主動式強(qiáng)化傳熱裝置和主動式強(qiáng)化傳熱方法。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種主動式強(qiáng)化傳熱裝置，包括殼體和傳熱板，所述殼體與所述傳熱板固定連接并圍合形成一容置腔體；所述傳熱板上朝向所述容置腔體的一側(cè)設(shè)有
電極，所述電極上設(shè)有疏
水絕緣層；所述容置腔體內(nèi)填充有傳熱工質(zhì)，所述傳熱工質(zhì)為液體
電介質(zhì)。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明一具體
實(shí)施例，所述液體電介質(zhì)選自去離子水、甘油、1,2丙二醇、
導(dǎo)熱油中的至少一種。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例，所述電極為處于同一平面且相互分離的交叉電極。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例，所述電極為叉指電極或螺旋狀電極。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例，所述疏水絕緣層為介電層與疏水層的復(fù)合層結(jié)構(gòu)，且所述介電層設(shè)于所述電極上，所述疏水層設(shè)于所述介電層上背離所述電極的一側(cè)。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例，所述介電層的材料選自聚對二
甲苯、Al2O3、
鈦酸鍶鋇、Si3N4、SiO2中的至少一種。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例，所述疏水層的材料為含氟
聚合物材料。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例，所述容置腔體為上部開口的容置腔體或密閉的容置腔體。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例，所述主動式強(qiáng)化傳熱裝置還包括電源組件，所述電源組件與所述電極電性連接，用于為所述電極供電。
[0015] 本發(fā)明還提供了一種主動式強(qiáng)化傳熱方法，包括以下步驟：
[0016] S1、采用以上任一種主動式強(qiáng)化傳熱裝置，將傳熱板與熱源接觸；
[0017] S2、當(dāng)進(jìn)入核沸騰傳熱階段時，通過電源組件向電極施加
電壓。
[0018] 步驟S2中，傳熱板(或傳熱壁面)表面汽泡匯聚脫附到表面汽泡生成速度大于脫附速度而形成氣膜的階段為核沸騰傳熱階段。在實(shí)際操作過程中，可根據(jù)具體使用環(huán)境，在未啟動裝置時預(yù)先觀察何時進(jìn)入沸騰傳熱階段，再確定步驟S2中施加電壓的時間。
[0019] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：本發(fā)明提供一種主動式強(qiáng)化傳熱裝置及主動式強(qiáng)化傳熱方法，該主動式強(qiáng)化傳熱裝置通過在殼體和傳熱板圍合形成的容置腔體內(nèi)填充液體電介質(zhì)作為傳熱工質(zhì)，在傳熱板上朝向容置腔體的一側(cè)設(shè)置電極，并在電極上設(shè)置疏水絕緣層，在使用過程中，在不加電條件下，利用疏水絕緣層的強(qiáng)疏水性可使傳熱工質(zhì)的起始沸騰點(diǎn)(ONB)左移，傳熱工質(zhì)在較低的壁面
過熱度下提前進(jìn)入高效的核沸騰傳熱階段，
加速傳熱工質(zhì)起沸；當(dāng)進(jìn)入核沸騰傳熱階段后，根據(jù)液體介電
電泳(liquid?dielectrophoresis,L-DEP)原理，可通過電源組件向電極施加電壓以形成電場，利用非均勻電場導(dǎo)致的介電液體的極化所產(chǎn)生的介電電泳力驅(qū)使液體鋪展運(yùn)動，降低液體電介質(zhì)在疏水絕緣層表面的接觸角，通過電場調(diào)控實(shí)現(xiàn)對液體電介質(zhì)在疏水絕緣層表面的潤濕性調(diào)控，可提高汽泡脫離
頻率，抑制最大臨界熱流密度(CHF)的到來，延遲汽泡合并帶來的傳熱惡化，使得傳熱過程盡量保持在高效的核態(tài)沸騰模階段，強(qiáng)化傳熱效率；并且隨著外加電壓的增加，液體電介質(zhì)在疏水絕緣層表面的接觸角從大于90°的初始接觸角逐漸減少，甚至可調(diào)控到完全鋪展(接觸角接近于0)，調(diào)控范圍大，可克服接觸角飽和的困擾；另外，本發(fā)明主動式強(qiáng)化傳熱裝置使用液體電介質(zhì)取代了介電潤濕(EWOD)體系中的極性導(dǎo)電液體作為傳熱工質(zhì)，可避免介電擊穿和離子滲透等導(dǎo)致器件失效的
風(fēng)險，并回避了絕緣封裝的挑戰(zhàn)，提高了裝置的可靠性，易于推廣應(yīng)用。
[0020] 綜上，本發(fā)明主動式強(qiáng)化傳熱裝置利用液體介電電泳原理，可通過電源組件
對電極施加電壓，以形成電場來調(diào)控液體電介質(zhì)在加熱壁面的潤濕性，可實(shí)現(xiàn)沸騰傳熱過程實(shí)時主動調(diào)控的要求，同時起到加速起沸和推遲最大臨界熱流密度的作用，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱；該裝置對液體電介質(zhì)在加熱壁面上的接觸角調(diào)制范圍大，可克服接觸角飽和的困擾；而使用液體電介質(zhì)作為傳熱工質(zhì)，可避免介電擊穿和離子滲透等導(dǎo)致器件失效的風(fēng)險，并回避了絕緣封裝的挑戰(zhàn)，裝置的可靠性高，且結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約成本。
[0022] 為了更清楚的說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖做簡單說明。
[0023] 圖1是經(jīng)典飽和池沸騰傳熱曲線圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明主動式強(qiáng)化傳熱裝置一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3是圖2所示主動式強(qiáng)化傳熱裝置中的電極結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖4是本發(fā)明主動式強(qiáng)化傳熱裝置另一實(shí)施例中的電極結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖5是圖2所示主動式強(qiáng)化傳熱裝置的潤濕性調(diào)制實(shí)驗(yàn)中接觸角隨施加電壓變化曲線圖。
具體實(shí)施方式
[0028] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或
修改，這些等價形式同樣落于本
申請所附
權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0029] 請參閱圖2，圖2是本發(fā)明主動式強(qiáng)化傳熱裝置一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本實(shí)施例主動式強(qiáng)化傳熱裝置包括殼體1、傳熱板2；殼體1與傳熱板2固定連接并圍合形成一容置腔體；傳熱板上朝向容置腔體的一側(cè)設(shè)有電極3，電極3上設(shè)有疏水絕緣層；容置腔體內(nèi)填充有傳熱工質(zhì)，傳熱工質(zhì)為液體電介質(zhì)6。
[0030] 殼體1具體可選用有機(jī)玻璃殼體或其他非導(dǎo)電材質(zhì)的殼體。在本實(shí)施例中，殼體1與傳熱板2直接固定連接并圍合形成一上部開口的容置腔體，且整體呈方形結(jié)構(gòu)，傳熱板2設(shè)于容置腔體的底部。在其他實(shí)施例中，也可設(shè)置為殼體1與傳熱板2間接固定連接，如殼體1可通過疏水絕緣層與傳熱板2固定連接；殼體1與傳熱板2圍合構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)可以為其他形狀；傳熱板2除了設(shè)于容置腔體的底部外，也可設(shè)置于容置腔體的側(cè)邊；容置腔體也可設(shè)置為密封的形式，且為了便于使用過程中壓力過大，容置腔體上也可設(shè)置相應(yīng)的排氣口，以便于排氣。
[0031] 在使用過程中，如圖2所示，主動式強(qiáng)化傳熱裝置中傳熱板2與熱源7接觸，以通過熱源7向傳熱板2提供熱量。但熱源7不作為本實(shí)施例主動式強(qiáng)化傳熱裝置自身的結(jié)構(gòu)部件。傳熱板2上朝向容置腔體的一側(cè)設(shè)有電極3，如圖3所示，在本實(shí)施例中，電極3為采用ITO叉指電極，寬度為0.1mm，間距為0.1mm；采用叉指電極，可使得用于產(chǎn)生施加電場的電極3分布設(shè)于傳熱板2上的同一平面圖層，可更便于設(shè)計和加工制造。在其他實(shí)施例中，也可采用螺旋狀電極(如圖4所示)或其他平面電極；電極材料還可采用Cu/Ag或其他
薄膜電極材料，電極的寬度一般為0.05～0.2mm，間距為0.02～0.1mm。
[0032] 在本實(shí)施例中，疏水絕緣層為介電層4與疏水層5的復(fù)合層結(jié)構(gòu)，介電層4設(shè)于電極3上，疏水層5設(shè)于介電層4上背離電極3的一側(cè)。介電層4用于保持電極3與各層之間的絕緣性，介電層4的材料可選用聚對二甲苯、Al2O3等高
介電常數(shù)致密材料；聚對二甲苯具體包括Parylene?N(聚對二甲苯)、Parylene?C(聚一氯對二甲苯)和Parylene?D(聚二氯對二甲苯)，介電層4的厚度一般為1±0.2um。疏水層5的材料可選用含氟聚合物材料，優(yōu)選采用Teflon?AF、Cytop、Hyflon等低表面能的無定型含氟聚合物材料；疏水層5的厚度一般為1±
0.2um。在本實(shí)施例中，介電層4的材料為Parylene?C，疏水層5的材料為TeflonAF1600，介電層4和疏水層5的厚度均為1um。其他實(shí)施例中，疏水絕緣層也可采用
單層的疏水絕緣層結(jié)構(gòu)。
[0033] 液體電介質(zhì)5作為傳熱工質(zhì)填充于容置腔體內(nèi)，在本實(shí)施例中，液體電介質(zhì)6為1,2丙二醇。在其他實(shí)施例中，液體電介質(zhì)6也可采用去離子水、甘油、導(dǎo)熱油等。
[0034] 本實(shí)施例主動式強(qiáng)化傳熱裝置在使用時需配合電源組件使用，通過電源組件為電極3供電形成電場來調(diào)控液體電介質(zhì)6在疏水絕緣層表面的潤濕性。在其他實(shí)施例中，也可將電源組件設(shè)計為主動式強(qiáng)化傳熱裝置本身的部件，電源組件與電極3電性連接。
[0035] 以上主動式強(qiáng)化傳熱裝置在工作過程中，先通過熱源7向傳熱板2供熱，熱量通過傳熱板2傳至容置腔體內(nèi)部的液體電介質(zhì)6，在不加電的條件下，利用設(shè)于傳熱板2上朝向容置腔體并與液體電介質(zhì)6接觸的疏水絕緣層的強(qiáng)疏水性，可使液體電介質(zhì)6的起始沸點(diǎn)(ONB)左移，液體電介質(zhì)6可在較低的壁面過度熱下提前進(jìn)入高效的核沸騰傳熱階段，加速傳熱工質(zhì)起沸；當(dāng)進(jìn)入沸騰傳熱階段后，通過電源組件向電極3施加電壓以形成電場，利用非均勻電場導(dǎo)致的介電液體的極化所產(chǎn)生的介電電泳力驅(qū)使液體鋪展運(yùn)動，降低液體電介質(zhì)6在疏水絕緣層表面的接觸角，通過電源組件進(jìn)行電場調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)對液體電介質(zhì)6在疏水絕緣層表面的潤濕性，可提高汽泡脫離頻率，抑制最大臨界熱流密度(CHF)的到來，延遲汽泡合并帶來的傳熱惡化，使得傳熱過程盡量保持在高效的核態(tài)沸騰模階段，強(qiáng)化傳熱效率；并且隨著外加電壓的增加，液體電介質(zhì)6在疏水絕緣層表面的接觸角從大于90°的初始接觸角逐漸減少，甚至可調(diào)控到完全鋪展(接觸角接近于0)，調(diào)控范圍大，可克服接觸角飽和的困擾；另外，該主動式強(qiáng)化傳熱裝置使用液體電介質(zhì)6取代了介電潤濕(EWOD)體系中的極性導(dǎo)電液體作為傳熱工質(zhì)，可避免介電擊穿和離子滲透等導(dǎo)致器件失效的風(fēng)險，并回避了絕緣封裝的挑戰(zhàn)，提高了裝置的可靠性，易于推廣應(yīng)用。
[0036] 另外，采用圖2所示的主動式強(qiáng)化傳熱裝置進(jìn)行潤濕性調(diào)制實(shí)驗(yàn)，具體通過電源組件施加不同的電壓考察液體電介質(zhì)6在疏水絕緣層表面的接觸角的變化，所得結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，施加電壓后，液體電介質(zhì)6在疏水絕緣層表面的接觸角發(fā)生了明顯的變化，接觸角隨著施加電壓的增大而減小。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，利用電場對壁面潤濕性快速連續(xù)調(diào)節(jié)的特性，可以依據(jù)傳熱效率的需求，實(shí)時調(diào)控沸騰傳熱曲線，最優(yōu)化傳熱過程。
[0037] 本發(fā)明還提供了一種主動式強(qiáng)化傳熱方法，包括以下步驟：采用以上任一種主動式強(qiáng)化傳熱裝置，將傳熱板與熱源接觸，當(dāng)進(jìn)入核沸騰傳熱階段時，通過電源組件向電極施加電壓。其中，核沸騰傳熱階段為傳熱板(或傳熱壁面)表面汽泡匯聚脫附到表面汽泡生成速度大于脫附速度而形成氣膜的階段；在實(shí)際操作過程中，可根據(jù)具體使用環(huán)境，在未啟動裝置時預(yù)先觀察何時進(jìn)入沸騰傳熱階段，再確定施加電壓的時間。以上主動式強(qiáng)化傳熱方法，通過電源組件對電極施加電壓，以形成電場來調(diào)控傳熱工質(zhì)液體電介質(zhì)在加熱壁面的潤濕性，從而實(shí)現(xiàn)對沸騰傳熱過程的實(shí)時主動調(diào)控，以及加速起沸和推遲最大臨界熱流密度，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化出傳熱；且該方法對液體電介質(zhì)在加熱壁面上的接觸角調(diào)制范圍大，可克服接觸角飽和的困擾；使用液體電介質(zhì)作為傳熱工質(zhì)，可避免介電擊穿和離子滲透等導(dǎo)致器件失效的風(fēng)險，并回避了絕緣封裝的挑戰(zhàn)，裝置的可靠性高，且結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約成本。
[0038] 盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所述權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細(xì)節(jié)上可以對本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
