[发明专利]仿生型冷凝强化传热表面

说明书

本发明公开了一种仿生型冷凝强化传热表面，包括：基底、微槽道以及亲水核化点；所述基底具有疏水性；所述微槽道沿一圆心的径向，以相同的圆心角分散在所述基底上，其中圆心位于基底上或不在基底上；所述亲水核化点分布在所述基底上；相邻所述微槽道间的宽度沿长度方向梯度增加。该冷凝传热表面利用表面自由能梯度对冷凝液滴产生驱动力，加速冷凝表面的排液，利用分布在疏水基底表面的亲水核化点加速冷凝液滴在冷凝表面的成核，在冷凝表面形成了更加稳定的珠状冷凝过程并保证了冷凝循环的顺利进行。该发明冷凝强化传热表面能够有效提高冷凝液滴的成核和更新速率，保证持续稳定的珠状冷凝行为，强化冷凝相变传热性能。

技术领域

本发明涉及一种冷凝强化传热表面，具体涉及的是一种为提高冷凝液滴成核、更新速率，并保持表面珠状冷凝，实现高效换热而设计的具有人工成核位点和表面梯度沟槽特征的能够有效强化冷凝传热的冷凝表面。

背景技术

随着电子信息技术和微电子机械系统(MEMS)等技术的迅猛发展，电子设备朝着微型化、集成化、高功率方向发展。由于物理尺寸的减小与设备容量的增加，小尺度空间内的高热流密度高效散热挑战日益严峻。设计并开发高效冷凝传热表面，有助于解决便携式电子器件、大功率电子设备、新能源电动汽车等高新技术发展过程中面临的小尺度空间高热流密度散热技术问题。

传热表面的冷凝行为通常分为膜状冷凝和珠状冷凝。膜状冷凝发生时，冷凝液在亲水的金属表面形成一层连续液膜，该连续液膜的存在大大增加了蒸汽与金属表面间的传热热阻，阻碍了气-液相变过程热量的高效传输。相较于膜状冷凝，珠状冷凝通常存在于疏水表面，冷凝过程中没有连续液膜，蒸汽与表面直接接触，热阻有效减小，而且疏水表面更易于冷凝液滴的脱出，进而大幅提高了冷凝过程的传热性能。现有研究表明，珠状冷凝的传热系数比膜状冷凝高出一个数量级。

目前，传统的疏水表面构建方法一般是在冷凝表面化学修饰疏水性基团，这些基团有助于实现珠状冷凝。但是，化学修饰冷凝表面的表面能降低会导致液滴成核难度增加；均质的疏水表面上冷凝液滴呈随机分布，也不利于这些液滴的高效融合及自更新；冷凝液滴还依赖重力驱动脱出，其更新速率较慢，热阻仍较高。因此，迫切需要对金属表面结构进行合理设计，实现增加冷凝液滴的成核密度的同时，还提高冷凝液滴的更新速率，以获得传热效率的大幅度提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种仿生型强化冷凝传热表面。该传热表面模仿并结合了纳米布甲虫与仙人掌刺的集水过程，具有冷凝液滴的成核位点与表面自由能梯度，从而加快了冷凝液滴在冷凝表面的成核速率与更新速率，大大提高了冷凝表面的冷凝换热系数，有效强化了冷凝过程气-液相变热能的输运。

为解决传统冷凝表面设计上存在的上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种仿生型冷凝强化传热表面，是由基底、微槽道以及亲水核化点组成，所述基底具有疏水性，所述微槽道具有疏水性且沿径向均匀分散在所述基底上，所述亲水核化点分布在所述基底上，其特征在于：所述微槽道的横截面呈三角形或倒梯形，其截面积沿长度方向梯度增加；相邻所述微槽道间的间隔小于等于相邻所述疏水微槽道的宽度，且宽度也沿长度方向梯度增加；所述亲水核化点分布密度沿所述微槽道的横截面积变大方向变大。

所述微槽道的宽度变化范围是1μm-1mm，每条所述微槽道的最大长度不超过100mm。由于所述微槽道的宽度是逐渐变化的，所以相邻的所述微槽道之间的间隔也是逐渐变化的，使得所述换热表面的表面自由能沿所述微槽道的长度方向梯度变化。所述微槽道的宽度越宽的位置表面自由能越大，从而在所述传热表面产生使冷凝液滴向表面自由能更大的方向运动的驱动力，使所述的传热表面的冷凝液滴从所述的微槽道的宽度最宽的一侧排出。所述的微槽道加速了所述传热表面的排液过程，加速了所述传热表面冷凝液滴更新，防止冷凝液滴大量滞留在所述传热表面并形成液膜，保持了所述传热表面的珠状冷凝，增大了冷凝传热系数。