一种重力热管装置及制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种重力热管装置，包括蒸发器、绝热段和冷凝器，所述蒸发器和所述冷凝器分别与所述绝热段密封连接，所述蒸发器的内表面为超亲水表面，所述冷凝器的内表面为植入润滑油的光滑多孔表面(SLIPS)。SLIPS表面的润滑油与充注的工质不相溶。蒸发器内壁具有微纳结构的超亲水表面，工质能够完全润湿壁面，受热时出现液膜蒸发，提高蒸发强度，冷凝器的SLIPS表面由纳结构超疏水表面通过植入含氟润滑油、硅油或离子液体复合而成，冷凝液滴漂浮在SLIPS表面上，液滴聚合并从SLIPS表面迅速滑落并清扫其路径上的小液滴，为再次冷凝提供冷凝表面，冷凝换热得到显著提升。本发明能够有效地降低热管热阻，提高其换热性能，具有广泛的应用前景。
【专利说明】
_种重力热管装置及制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及热管领域，尤其涉及一种基于仿生结构表面的重力热管装置，用于余热回收、电子设备冷却及热量输运等。
【背景技术】
[0002]热管已经广泛应用于能源利用和制冷等各种工业领域，热管通过蒸发器的蒸发快速吸收设备的热量产生蒸汽，再在冷凝器中通过冷凝过程将吸收的热量释放出去，从而达到热量从设备快速传递出去的目的。在普通热管的冷凝器中发生的是膜状冷凝，这种冷凝液膜粘附在蒸发器壁面上，产生的附加液膜热阻削弱了冷凝传热性能。因此，为了减小附加液膜热阻对热管换热性能的影响，珠状冷凝对提高热管性能显得尤为重要。
[0003]珠状冷凝比膜状冷凝的传热更高效，珠状冷凝不仅减小附加热阻同时还能维持较高的液滴冷凝核化数密度，进一步提高冷凝换热能力，从而减小传热面积，有效的节约成本，具有显著的经济效益。由于珠状冷凝涉及到冷凝表面改性、液滴形成、聚合、脱离和更新冷凝表面等过程，要实现这些复杂过程需要对冷凝表面进行疏水处理。
【发明内容】
[0004]有鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是解决高热流密度设备换热问题，降低传热热阻，进一步提高热管的换热能力，确保设备的正常运行。
[0005]为实现上述目的，本发明提供了具有超亲水蒸发器和SLIPS冷凝器热管，SLIPS表面珠状冷凝能够有效降低热管的热阻，显著提高热管的传热能力，具体地，本发明提供的技术方案如下:
[0006]—种重力热管装置，包括蒸发器、绝热段和冷凝器，蒸发器和冷凝器分别与绝热段密封连接，蒸发器的内表面为超亲水表面，冷凝器的内表面为SLIPS表面。
[0007]优选地，重力热管装置还包括设置在绝热段侧面的工质充注口。
[0008]优选地，充注的工质为水。
[0009]优选地，密封连接为通过螺纹锥形密封面连接。
[0010]优选地，蒸发器和冷凝器材质为铜。
[0011 ] 优选地，超亲水表面为微纳复合结构表面;SLIPS表面为为纳结构超疏水表面通过植入含氟润滑油、硅油或离子液体复合而成。
[0012]—种蒸发器和冷凝器的制备方法，包括以下步骤:
[0013](I)配置H2O2和HCl混合溶液以及NaOH和(NH4)2S2O8混合溶液；
[0014](2)将蒸发器和冷凝器内表面依次用丙酮、乙醇和蒸馏水超声清洗，氮气吹干待用；
[0015](3)将步骤(I)配置的H2O2和HCl混合溶液倒入步骤(2)预处理的蒸发器中，在第一温度下恒温刻蚀，之后用蒸馏水冲洗，氮气吹干；
[0016](4)将步骤(I)配置的NaOH和(NH4)2S208混合溶液倒入步骤(3)刻蚀的蒸发器中，在第二温度下恒温刻蚀，之后用蒸馏水冲洗，氮气吹干，得到微纳复合结构的超亲水蒸发器；
[0017](5)将步骤(I)配置的NaOH和(NH4)2S2O8混合溶液倒入步骤⑵预处理的冷凝器中，在第三温度下恒温刻蚀，之后用蒸馏水冲洗，氮气吹干，再在第四温度下恒温烘烤；
[0018](6)将预先配置好的十三氟辛基三乙氧基硅烷的乙醇溶液倒入步骤(5)得到的冷凝器中，室温下浸泡第一时间，之后在第五温度下恒温烘烤，得到超疏水冷凝器；
[0019](7)将含氟润滑油、硅油或离子液体滴在步骤(6)制备的超疏水冷凝器内表面，待表面被全部浸润后，竖立倒置冷凝器使得多余的润滑油流出冷凝器，最后得到SLIPS冷凝器。
[0020]优选地，步骤(I)中H2O2和HCl混合溶液中H2O2浓度为0.48wt%，HCl浓度为1.89mol/L;Na0H和(NH4)2S2O8混合溶液中NaOH浓度为2.5mol/L，(NH4)2S2O8浓度为0.lmol/L。
[0021]优选地，步骤(3)中第一温度为60°C，恒温刻蚀时间为60min;步骤(4)中第二温度为70°C，恒温刻蚀时间为30min。
[0022]优选地，步骤(5)中第三温度为700C，恒温刻蚀时间为30min;第四温度为180°C，恒温烘烤时间为60min;步骤(6)中十三氟辛基三乙氧基硅烷的浓度为1.0wt%,第一时间为12h，第五温度为120 0C，恒温烘烤时间为60min。
[0023]本发明提出的一种重力热管装置，蒸发器具有超亲水表面，冷凝器具有SLIPS表面，珠状冷凝减小了冷凝热阻，提高了热管整体换热能力，因此本发明提出的热管具有更大的应用前景，其优势如下:
[0024]I)相较于常规重力热管，这种热管在冷凝过程中能够形成滴状冷凝，大量液滴在SLIPS表面上迅速核化形成，由于全氟聚醚润滑油的存在，这些液滴“漂浮”在SLISP表面上而不会钉扎在表面上，相邻液滴会发生相互聚合作用，由于SLIPS表面具有很低的滑动角，聚合液滴在重力的作用下会沿SLIPS表面向下滑落，在滑落的过程中会清扫滑落路径上的小液滴，为下一次液滴核化提供冷凝表面，随着热流密度的增加，液滴滑落的频率也继续增加，进一步提升冷凝换热能力。
[0025]2)相较于常规重力热管，热管蒸发器具有的超亲水的微纳复合结构有良好的浸润效果，工质水能够迅速润湿整个蒸发器内表面，提高蒸发器的液膜蒸发能力，由于液膜蒸发远比核态沸腾的换热能力强，所以超亲水蒸发器的换热能力进一步提高。由于全氟聚醚润滑油与工质水完全不互溶，所以超亲水表面在水下转变成超疏油表面，冷凝液滴表面包裹的全氟聚醚润滑油在超亲水蒸发器中不会粘附在超亲水的微纳复合结构表面上，同时又因为全氟聚醚润滑油的沸点高于水的沸点，所以超亲水蒸发器中残余的全氟聚醚润滑油不会影响沸腾过程。实验结束3个月之后再次实验同样具有良好的整体传热能力，表明这种热管具有良好的耐久性，因此，本发明提出的热管能具有广泛的应用前景。
[0026]本发明的优点:
[0027]USLIPS蒸发器减小冷凝热阻，显著提高热管的冷凝换热能力；
[0028]2、超亲水蒸发器出现液膜蒸发，降低蒸发热阻提高沸腾换热能力；
[0029]3、热管的总体传热能力增强，同时具有良好的耐久性。
[0030]以下将结合附图对本发明的方法及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【附图说明】
[0031]图1是本发明的较佳实施例的结构原理图
[0032]图2是本发明的较佳实施例的超亲水蒸发器微纳复合结构SEM照片
[0033]图3是本发明的较佳实施例的SLIPS冷凝器纳结构SEM照片
[0034]图4是本发明的较佳实施例的超亲水蒸发器接触角照片
[0035]图5是本发明的较佳实施例的SLIPS冷凝器接触角照片
[0036]图6是本发明的较佳实施例的SLIPS表面上冷凝液滴形成、聚合、滑移和液滴再形成过程照片
【具体实施方式】
[0037]如图1所示，本发明提供的具有超亲水蒸发器和SLIPS冷凝器的重力热管装置包括:蒸发器I，绝热段2，冷凝器3和工质充注口 6。蒸发器I具有超亲水表面7，冷凝器3具有SLIPS表面4。蒸发器I与绝热段2以及冷凝器3与绝热段2之间通过螺纹锥形密封面5连接，工质充注口 6设置在绝热段2侧面。蒸发器1、绝热段2和冷凝器3的内径大小和长度是可变的，可根据实际情况进行调整。蒸发器I和冷凝器3只要分别能够达到超亲水和SLIPS表面即可。其中超亲水表面为接触角小于5°的表面，SLIPS表面为植入润滑油的光滑多孔表面，接触角为100°到120°之间，滑动角小于5° ο本实施例中超亲水表面的特点是液滴能够迅速铺展并吸入到表面的微纳结构中，接触角为0° ; SLIPS表面为纳结构超疏水表面通过植入含氟润滑油、硅油或离子液体复合而成，热管中充注的工质与润滑油不相溶。在其他实施例中，蒸发器I与绝热段2以及冷凝器3与绝热段2之间也可通过其他密封方式连接，只要能够完全密封即可。
[0038]本发明提出的具有超亲水蒸发器和SLIPS冷凝器的重力热管装置的工作原理为:热管内腔抽真空后注入工质水，水在超亲水蒸发器中完全润湿蒸发器内壁面，蒸发器受热之后，底部液池发生核态沸腾，蒸发器上面部分发生液膜蒸发，吸热相变产生的饱和蒸汽向上运动，在SLIPS冷凝器中发生冷凝，冷凝液滴聚合并沿SLIPS表面滑落再次回到蒸发器中，液滴滑落的过程中清扫其路径上的液滴，为液滴再次核化形成提供冷凝表面。这样在SLIPS蒸发器中就形成了稳定的珠状冷凝，减小了冷凝液带来的附加热阻，进一步提高热管的传热性能。液滴冷凝的过程中将相变潜热释放给冷凝器壁面，最后热量被冷凝器外壁面的载冷剂带走。工质在热管中周期性的蒸发和冷凝达到高效传热的目的。
[0039]本发明的蒸发器和冷凝器可选用紫铜蒸发器和紫铜冷凝器，蒸发器内部包括微纳复合结构的超亲水表面，冷凝器内部具有SLIPS表面。在紫铜蒸发器和冷凝器中制备超亲水表面和SLIPS表面的方法如下:
[0040](I)刻蚀液的配置
[0041 ] 分别将H2O2和HCl加入烧杯中配置成H2O2浓度为0.48wt%，HCl浓度为1.89mol/L的混合溶液;将NaOH和(冊4) 2S208配置成NaOH浓度为2.5mo I /L，( NH4) 2S208浓度为0.1mo I /L的混合溶液；
[0042](2)蒸发器和冷凝器的预处理
[0043]蒸发器和冷凝器内表面依次用丙酮、乙醇和蒸馏水超声清洗，氮气吹干待用；
[0044](3)蒸发器内表面的刻蚀和氧化处理
[0045]将步骤(I)配置的H2O2和HCl混合溶液倒入步骤⑵预处理的蒸发器中，60°C恒温刻蚀60min，之后用蒸馏水冲洗，氮气吹干；
[0046](4)将步骤(I)配置的NaOH和(NH4)2S208混合溶液倒入步骤(3)刻蚀的蒸发器中，70°(:恒温刻蚀30min，之后蒸馏水冲洗，氮气吹干，得到微纳复合结构的超亲水蒸发器(见图2)；
[0047 ] (5)冷凝器内表面氧化处理
[0048]将步骤(I)配置的NaOH和(冊4)2S208混合溶液倒入步骤(2)预处理的冷凝器中，700C恒温刻蚀30min，之后蒸馏水冲洗，氮气吹干，再180°C恒温烘烤60min;
[0049 ] (6)冷凝器内表面超疏水自组装
[0050]将预先配置好的浓度为1.0wt%的十三氟辛基三乙氧基硅烷的乙醇溶液倒入步骤
(5)得到的具有纳结构氧化铜内表面的冷凝器(见图3)中，室温下浸泡12h，之后120°C恒温烘烤60min，得到超疏水冷凝器；
[0051](7)SLIPS冷凝器制备
[0052]用移液枪将全氟聚醚润滑油滴在步骤(6)制备的超疏水冷凝器内表面，待表面被润滑油全部浸润后，竖立倒置冷凝器使得多余的润滑油流出冷凝器，最后得到SLIPS冷凝器。在其他实施例中，也可使用其他含氟润滑油、硅油或者离子液体等低表面张力油类。
[0053]如图4-5所示，上述过程得到的超亲水蒸发器的接触角为0°，超亲水表面在水下变成超疏油表面其水下润滑油接触角为159.5° ±2.9° ,SLIPS冷凝器的接触角为110.2° 土3.5°，滑动角为3.0° ±0.2°。图6示出了本发明的SLIPS表面上冷凝液滴形成、聚合、滑移和液滴再形成过程。
[0054]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【主权项】
1.一种重力热管装置，其特征在于，包括蒸发器、绝热段和冷凝器，所述蒸发器和所述冷凝器分别与所述绝热段密封连接，所述蒸发器的内表面为超亲水表面，所述冷凝器的内表面为SLIPS表面。2.如权利要求1所述的重力热管装置，其中所述重力热管装置还包括设置在所述绝热段侧面的工质充注口。3.如权利要求2所述的重力热管装置，其中充注的工质为水。4.如权利要求1所述的重力热管装置，其中所述密封连接为通过螺纹锥形密封面连接。5.如权利要求1所述的重力热管装置，其中所述蒸发器和所述冷凝器材质为铜。6.如权利要求1所述的重力热管装置，其中所述超亲水表面为微纳复合结构表面;所述SLIPS表面为纳结构超疏水表面通过植入含氟润滑油、硅油或离子液体复合而成。7.—种如权利要求1所述的蒸发器和冷凝器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)配置H2O2和HCl混合溶液以及NaOH和(NH4)2S2O8混合溶液； (2)将蒸发器和冷凝器内表面依次用丙酮、乙醇和蒸馏水超声清洗，氮气吹干待用； (3)将步骤(I)配置的H2O2和HCl混合溶液倒入步骤(2)预处理的蒸发器中，在第一温度下恒温刻蚀，之后用蒸馏水冲洗，氮气吹干； (4)将步骤(I)配置的NaOH和(NH4)2S2O8混合溶液倒入步骤⑶刻蚀的蒸发器中，在第二温度下恒温刻蚀，之后用蒸馏水冲洗，氮气吹干，得到微纳复合结构的超亲水蒸发器； (5)将步骤(I)配置的NaOH和(NH4)2S2O8混合溶液倒入步骤⑵预处理的冷凝器中，在第三温度下恒温刻蚀，之后用蒸馏水冲洗，氮气吹干，再在第四温度下恒温烘烤； (6)将预先配置好的十三氟辛基三乙氧基硅烷的乙醇溶液倒入步骤(5)得到的冷凝器中，室温下浸泡第一时间，之后在第五温度下恒温烘烤，得到超疏水冷凝器； (7)将含氟润滑油、硅油或离子液体滴在步骤(6)制备的超疏水冷凝器内表面，待表面被全部浸润后，竖立倒置冷凝器使得多余的润滑油流出冷凝器，最后得到SLIPS冷凝器。8.如权利要求7所述的蒸发器和冷凝器的制备方法，其中步骤(I)中H2O2和HCl混合溶液中H2O2浓度为0.48wt%，HCl浓度为1.89moI/L;NaOH和(NH4)2S2O8混合溶液中NaOH浓度为2.5mol/L，(NH4)2S2O8浓度为0.lmol/L。9.如权利要求7所述的蒸发器和冷凝器的制备方法，其中步骤(3)中所述第一温度为600C，恒温刻蚀时间为60min;步骤(4)中所述第二温度为70°C，恒温刻蚀时间为30min。10.如权利要求7所述的蒸发器和冷凝器的制备方法，其中步骤(5)中所述第三温度为70°C，恒温刻蚀时间为30min;所述第四温度为180°C，恒温烘烤时间为60min;步骤(6)中所述十三氟辛基三乙氧基硅烷的浓度为1.0wt%，所述第一时间为12h，所述第五温度为1200C，恒温烘烤时间为60min。
【文档编号】F28D15/02GK105973044SQ201610590754
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月25日
【发明人】张鹏, 吕凤勇
【申请人】上海交通大学