一种主动式强化传热装置及主动式强化传热方法与流程

本发明涉及散热技术领域，具体涉及一种主动式强化传热装置及主动式强化传热方法。

背景技术：

热能传输是许多工业过程中的关键环节，其包括能量产生和能量传送。泡核沸腾是转移大量热能的高效手段，也是传热领域研究的热点，通常泡核沸腾强化传热技术有两个主要目的：一是最大化受热表面单位温度升高的热转移量(热通量)；二是增加泡核沸腾转移的上限，也被称为临界热流密度。传统的沸腾强化方法是基于对传热表面的化学改性、物理形貌构造或者两者结合，实现对传热表面润湿性的改变，进而达到强化沸腾传热的目的，但以上方法主要在于强化表面特性的静态性，无法完成时空上的主动调控。

经典饱和池沸腾传热曲线如图1所示，从左到右主要分为以下几个阶段：自然对流时期、孤立汽泡时期、充分发展的泡核沸腾时期(简称汽块时期)、过度沸腾时期以及稳定膜态沸腾时期，其中几个主要的时期转折点为起始沸腾点(onsetnucleateboiling，onb)、最大临界热流密度(maximumcriticalheatflux，chf)，以及最小热流密度(minimumheatflux，mhf)，图1中纵坐标q”代表沸腾传热的热流密度，横坐标为log(δtsat)，δtsat＝tw-tsat，tw代表传热壁面温度，tsat代表液体饱和沸腾温度。

通过对经典饱和池沸腾曲线的研究，目前现有一种基于介电润湿(ewod)原理强化沸腾传热的方法，其通过电场实时调控极性液体工质与传热壁面之间的润湿性，获得提前onb和推迟chf的优异传热效果。但由于接触角饱和现象的存在，介电润湿对于工质润湿性的调控范围有限，固液接触角难以突破60°以下，因此，其对于气泡动力学的改善以及抑制chf的作用有限；另外，从工程上，介电润湿系统的介电击穿问题至今尚未得到有效解决，且导电传热工质的绝缘封装也是很大的挑战，以上问题使得该技术的可靠性和应用前景大打折扣。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种主动式强化传热装置和主动式强化传热方法。

本发明所采用的技术方案是：一种主动式强化传热装置，包括壳体和传热板，所述壳体与所述传热板固定连接并围合形成一容置腔体；所述传热板上朝向所述容置腔体的一侧设有电极，所述电极上设有疏水绝缘层；所述容置腔体内填充有传热工质，所述传热工质为液体电介质。

根据本发明一具体实施例，所述液体电介质选自去离子水、甘油、1,2丙二醇、导热油中的至少一种。

根据本发明一具体实施例，所述电极为处于同一平面且相互分离的交叉电极。

根据本发明一具体实施例，所述电极为叉指电极或螺旋状电极。

根据本发明一具体实施例，所述疏水绝缘层为介电层与疏水层的复合层结构，且所述介电层设于所述电极上，所述疏水层设于所述介电层上背离所述电极的一侧。

根据本发明一具体实施例，所述介电层的材料选自聚对二甲苯、al2o3、钛酸锶钡、si3n4、sio2中的至少一种。

根据本发明一具体实施例，所述疏水层的材料为含氟聚合物材料。

根据本发明一具体实施例，所述容置腔体为上部开口的容置腔体或密闭的容置腔体。

根据本发明一具体实施例，所述主动式强化传热装置还包括电源组件，所述电源组件与所述电极电性连接，用于为所述电极供电。

本发明还提供了一种主动式强化传热方法，包括以下步骤：

s1、采用以上任一种主动式强化传热装置，将传热板与热源接触；

s2、当进入核沸腾传热阶段时，通过电源组件向电极施加电压。

步骤s2中，传热板(或传热壁面)表面汽泡汇聚脱附到表面汽泡生成速度大于脱附速度而形成气膜的阶段为核沸腾传热阶段。在实际操作过程中，可根据具体使用环境，在未启动装置时预先观察何时进入沸腾传热阶段，再确定步骤s2中施加电压的时间。

本发明的有益技术效果是：本发明提供一种主动式强化传热装置及主动式强化传热方法，该主动式强化传热装置通过在壳体和传热板围合形成的容置腔体内填充液体电介质作为传热工质，在传热板上朝向容置腔体的一侧设置电极，并在电极上设置疏水绝缘层，在使用过程中，在不加电条件下，利用疏水绝缘层的强疏水性可使传热工质的起始沸腾点(onb)左移，传热工质在较低的壁面过热度下提前进入高效的核沸腾传热阶段，加速传热工质起沸；当进入核沸腾传热阶段后，根据液体介电电泳(liquiddielectrophoresis,l-dep)原理，可通过电源组件向电极施加电压以形成电场，利用非均匀电场导致的介电液体的极化所产生的介电电泳力驱使液体铺展运动，降低液体电介质在疏水绝缘层表面的接触角，通过电场调控实现对液体电介质在疏水绝缘层表面的润湿性调控，可提高汽泡脱离频率，抑制最大临界热流密度(chf)的到来，延迟汽泡合并带来的传热恶化，使得传热过程尽量保持在高效的核态沸腾模阶段，强化传热效率；并且随着外加电压的增加，液体电介质在疏水绝缘层表面的接触角从大于90°的初始接触角逐渐减少，甚至可调控到完全铺展(接触角接近于0)，调控范围大，可克服接触角饱和的困扰；另外，本发明主动式强化传热装置使用液体电介质取代了介电润湿(ewod)体系中的极性导电液体作为传热工质，可避免介电击穿和离子渗透等导致器件失效的风险，并回避了绝缘封装的挑战，提高了装置的可靠性，易于推广应用。

综上，本发明主动式强化传热装置利用液体介电电泳原理，可通过电源组件对电极施加电压，以形成电场来调控液体电介质在加热壁面的润湿性，可实现沸腾传热过程实时主动调控的要求，同时起到加速起沸和推迟最大临界热流密度的作用，实现强化传热；该装置对液体电介质在加热壁面上的接触角调制范围大，可克服接触角饱和的困扰；而使用液体电介质作为传热工质，可避免介电击穿和离子渗透等导致器件失效的风险，并回避了绝缘封装的挑战，装置的可靠性高，且结构简单，节约成本。

说明书附图

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单说明。

图1是经典饱和池沸腾传热曲线图；

图2是本发明主动式强化传热装置一实施例的结构示意图；

图3是图2所示主动式强化传热装置中的电极结构示意图；

图4是本发明主动式强化传热装置另一实施例中的电极结构示意图；

图5是图2所示主动式强化传热装置的润湿性调制实验中接触角随施加电压变化曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

请参阅图2，图2是本发明主动式强化传热装置一实施例的结构示意图。如图2所示，本实施例主动式强化传热装置包括壳体1、传热板2；壳体1与传热板2固定连接并围合形成一容置腔体；传热板上朝向容置腔体的一侧设有电极3，电极3上设有疏水绝缘层；容置腔体内填充有传热工质，传热工质为液体电介质6。

壳体1具体可选用有机玻璃壳体或其他非导电材质的壳体。在本实施例中，壳体1与传热板2直接固定连接并围合形成一上部开口的容置腔体，且整体呈方形结构，传热板2设于容置腔体的底部。在其他实施例中，也可设置为壳体1与传热板2间接固定连接，如壳体1可通过疏水绝缘层与传热板2固定连接；壳体1与传热板2围合构成的整体结构可以为其他形状；传热板2除了设于容置腔体的底部外，也可设置于容置腔体的侧边；容置腔体也可设置为密封的形式，且为了便于使用过程中压力过大，容置腔体上也可设置相应的排气口，以便于排气。

在使用过程中，如图2所示，主动式强化传热装置中传热板2与热源7接触，以通过热源7向传热板2提供热量。但热源7不作为本实施例主动式强化传热装置自身的结构部件。传热板2上朝向容置腔体的一侧设有电极3，如图3所示，在本实施例中，电极3为采用ito叉指电极，宽度为0.1mm，间距为0.1mm；采用叉指电极，可使得用于产生施加电场的电极3分布设于传热板2上的同一平面图层，可更便于设计和加工制造。在其他实施例中，也可采用螺旋状电极(如图4所示)或其他平面电极；电极材料还可采用cu/ag或其他薄膜电极材料，电极的宽度一般为0.05～0.2mm，间距为0.02～0.1mm。

在本实施例中，疏水绝缘层为介电层4与疏水层5的复合层结构，介电层4设于电极3上，疏水层5设于介电层4上背离电极3的一侧。介电层4用于保持电极3与各层之间的绝缘性，介电层4的材料可选用聚对二甲苯、al2o3等高介电常数致密材料；聚对二甲苯具体包括parylenen(聚对二甲苯)、parylenec(聚一氯对二甲苯)和parylened(聚二氯对二甲苯)，介电层4的厚度一般为1±0.2um。疏水层5的材料可选用含氟聚合物材料，优选采用teflonaf、cytop、hyflon等低表面能的无定型含氟聚合物材料；疏水层5的厚度一般为1±0.2um。在本实施例中，介电层4的材料为parylenec，疏水层5的材料为teflonaf1600，介电层4和疏水层5的厚度均为1um。其他实施例中，疏水绝缘层也可采用单层的疏水绝缘层结构。

液体电介质5作为传热工质填充于容置腔体内，在本实施例中，液体电介质6为1,2丙二醇。在其他实施例中，液体电介质6也可采用去离子水、甘油、导热油等。

本实施例主动式强化传热装置在使用时需配合电源组件使用，通过电源组件为电极3供电形成电场来调控液体电介质6在疏水绝缘层表面的润湿性。在其他实施例中，也可将电源组件设计为主动式强化传热装置本身的部件，电源组件与电极3电性连接。

以上主动式强化传热装置在工作过程中，先通过热源7向传热板2供热，热量通过传热板2传至容置腔体内部的液体电介质6，在不加电的条件下，利用设于传热板2上朝向容置腔体并与液体电介质6接触的疏水绝缘层的强疏水性，可使液体电介质6的起始沸点(onb)左移，液体电介质6可在较低的壁面过度热下提前进入高效的核沸腾传热阶段，加速传热工质起沸；当进入沸腾传热阶段后，通过电源组件向电极3施加电压以形成电场，利用非均匀电场导致的介电液体的极化所产生的介电电泳力驱使液体铺展运动，降低液体电介质6在疏水绝缘层表面的接触角，通过电源组件进行电场调控，以实现对液体电介质6在疏水绝缘层表面的润湿性，可提高汽泡脱离频率，抑制最大临界热流密度(chf)的到来，延迟汽泡合并带来的传热恶化，使得传热过程尽量保持在高效的核态沸腾模阶段，强化传热效率；并且随着外加电压的增加，液体电介质6在疏水绝缘层表面的接触角从大于90°的初始接触角逐渐减少，甚至可调控到完全铺展(接触角接近于0)，调控范围大，可克服接触角饱和的困扰；另外，该主动式强化传热装置使用液体电介质6取代了介电润湿(ewod)体系中的极性导电液体作为传热工质，可避免介电击穿和离子渗透等导致器件失效的风险，并回避了绝缘封装的挑战，提高了装置的可靠性，易于推广应用。

另外，采用图2所示的主动式强化传热装置进行润湿性调制实验，具体通过电源组件施加不同的电压考察液体电介质6在疏水绝缘层表面的接触角的变化，所得结果如图5所示。由图5可知，施加电压后，液体电介质6在疏水绝缘层表面的接触角发生了明显的变化，接触角随着施加电压的增大而减小。由实验结果可知，利用电场对壁面润湿性快速连续调节的特性，可以依据传热效率的需求，实时调控沸腾传热曲线，最优化传热过程。

本发明还提供了一种主动式强化传热方法，包括以下步骤：采用以上任一种主动式强化传热装置，将传热板与热源接触，当进入核沸腾传热阶段时，通过电源组件向电极施加电压。其中，核沸腾传热阶段为传热板(或传热壁面)表面汽泡汇聚脱附到表面汽泡生成速度大于脱附速度而形成气膜的阶段；在实际操作过程中，可根据具体使用环境，在未启动装置时预先观察何时进入沸腾传热阶段，再确定施加电压的时间。以上主动式强化传热方法，通过电源组件对电极施加电压，以形成电场来调控传热工质液体电介质在加热壁面的润湿性，从而实现对沸腾传热过程的实时主动调控，以及加速起沸和推迟最大临界热流密度，实现强化出传热；且该方法对液体电介质在加热壁面上的接触角调制范围大，可克服接触角饱和的困扰；使用液体电介质作为传热工质，可避免介电击穿和离子渗透等导致器件失效的风险，并回避了绝缘封装的挑战，装置的可靠性高，且结构简单，节约成本。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所述权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。