КЛАСС ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ ПУЗЫРЬКОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ Российский патент 2003 года по МПК G02F1/315 

В известных [1] пузырьковых оптических переключателях используется эффект полного внутреннего отражения светового луча от поверхности парового пузырька, индуцируемого микронагревателем. При использовании обычных жидкостей термокапиллярные (ТК) течения, направленные в холодную область, запирают приток жидкости к нагревателю, и его поверхность под пузырьком пересыхает, после чего, из-за низкой теплопроводности пара потери энергии за счет рассеивания тепла подложкой существенно повышаются.

Для устранения эффекта пересыхания поверхности нагревателя предлагается добавлять в используемые в переключателях жидкости небольшое количество положительно тензоактивной (ПТА) компоненты, летучесть которой немного ниже, чем у основной жидкости Положительно тензоактивными называют вещества, с ростом концентрации которых повышается поверхностное натяжение раствора и смеси [2] . В этом случае ТК эффект подавляется концентрационно-капиллярными (КК) течениями направленными в наиболее горячую область [2], которые препятствуют пересыханию подложки.

Фиг.1 иллюстрирует разницу между случаем обычной жидкости и жидкостью из предлагаемого класса. На фиг.1а показана область переключателя, в которой происходит рост пузырька. Здесь: 1 - рабочая жидкость, 2 - корпус переключателя, 3 - микронагреватель, 4 - пузырек пара, 5 - та часть этой области, в которой протекают процессы, определяющие интенсивность испарения жидкости [3] . Основные отличия этих процессов, для случаев обычной жидкости и жидкости из предлагаемого класса отражены на фиг.1б и 1в, соответственно. Стрелками 6 показан процесс испарения жидкости, соприкасающейся с нагревателем. Стрелки на свободной поверхности жидкости определяют направление действия капиллярных сил, порождающих течения. Тепловой поток, идущий на рост пузырька, и поток, определяющий потери энергии в подложке, обозначены стрелками Q⁺ и Q^-. Их суммарная длина пропорциональна мощности, выделяемой нагревателем.

В случае обычной жидкости, фиг.1б, по мере роста пузырька испарение и ТК течения приводят к пересыханию поверхности нагревателя, который оказывается теплоизолированным паром со стороны жидкости, и значительная доля энергии теряется, рассеиваясь подложкой.

При добавлении ПТА компоненты, температура кипения которой выше, чем у основной жидкости, происходит следующее. Преобладающее испарение основной жидкости в горячей области приводит к повышению в ней концентрации ПТА компоненты, что вызывает КК течения, препятствующие осушению нагревателя. На фиг.1в доля паров ПТА компоненты показана зачернением стрелок.

При правильном выборе мощности микронагревателя его поверхность, за исключением небольшого, наиболее горячего центрального участка, оказывается покрытой жидкой пленкой. Непрерывный процесс испарения ПТА компоненты и ее конденсации на стенках пузырька исключает обеднение объема жидкости этой компонентой при длительном нагреве. Так как тепловой поток, уносимый испаряющейся жидкостью, может во много раз превышать кондуктивный поток [4] от нагревателя в корпус переключателя, эффективность работы нагревателя заметно повышается.

В подтверждение сказанного приведем данные эксперимента, схема которого показана на фиг.2. Газовый пузырек 4 индуцируется нагревателем 3 (в виде медного стержня, обвитого нихромовой проволокой, через которую пропускается ток) в закрытом стеклом 8 слое жидкости. Процесс роста пузырька регистрируется видеокамерой через микроскоп МБС-10. Для этого также используется осветитель 9.

В опытах сравнивали процесс роста пузырька с момента включения нагревателя в случае чистого этанола (верхний ряд) и при добавлении в этанол 5% объемной доли бутанола. Эта смесь, учитывая свойства этанола и бутанола (σ=22.8 и 24.6 мН/ м, температура кипения Т_С=78,3 и 117,7^oС, соответственно [5]), относится к предлагаемому классу жидкостей.

На фиг.3 представлены кадры видеозаписи пузырька на 20, 30, 40, 60 и 80 с с момента включения нагревателя. Верхний ряд - чистый этанол, средний - смесь с бутанолом. В случае смеси, дополнительно показаны два кадра (41 и 42 с), на которых отчетливо видна струйка жидкости S, порождаемая КК эффектом.

На фиг. 4 приведен график зависимости диаметра пузырька от времени с момента включения нагревателя в случае чистого этанола (а) и смеси (б), при прочих равных условиях. Рост пузырька происходил в квазистационарном режиме - характерное время выхода нагревателя на стационарную температуру (~100 с) примерно на два порядка больше времени реакции пузырька на изменение потока Q⁺. Об этом можно судить, например, по крутизне спада зависимости (б), который наблюдается в момент достижения нагревателем некоторой критической температуры T*, при которой он пересыхает. В однокомпонентной жидкости, в отличие от смеси, пузырек растет заметно медленней, при этом граница смачивания последовательно отступает по мере повышения температуры нагревателя. В рассмотренном эксперименте мощность нагревателя подбирали такой, чтобы его стационарная температура превышала Т*, благодаря чему и наблюдался спад эффективности работы нагревателя при его пересыхании.

Учитывая, что полезный тепловой поток Q⁺ пропорционален объему V парового пузырька, форма которого близка к полусфере диаметром D, по данным фиг.4 оценим отношение этих потоков:

На фиг.5 показана зависимость отношения потока Q₁ ⁺ (смесь) к потоку Q₂ ⁺ (однокомпонентная жидкость) от времени с момента включения нагревателя. Из графика следует, что в рассмотренном случае, добавив ПТА компоненту и поддерживая оптимальную температуру нагревателя, можно повысить эффективность процесса роста пузырька в 3,5 раза по сравнению с чистой жидкостью.

Таким образом, применяя жидкости, в состав которых входит положительно тензоактивная компонента, и не внося никаких изменений в конструкцию известных пузырьковых переключателей, можно существенно повысить их КПД.

Источники информации
1. Thermo-capillary optical switch. Makoto Sato, Makoto Horie, Nobuaki Kitano, Katsuya Ohtomo, Hiroaki Okano. Hitachi Cable Review, No. 2 (August 2001), pp.19-24.

2. Безуглый Б.А. Капиллярная конвекция, управляемая тепловым действием света, и ее применение в способах регистрации информации. Автореф. дис. канд. ф.-м.н., М, МГУ, 1983, 18 с.

3. Influence ofmicroscale concentration gradients in nucleate boliling heat transfer of binary mixtures. J. Kern and P. Stephan. Multiphase Science and Technology, V. 12, 3-4 (2002).

4. Тепловые трубы. Перевод с английского и немецкого. Под ред. Э.Э. Шпильрайна, М.: Мир, 1972.

5. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина, М., Атомиздат, 1976.

Изобретение относится к жидкостям, используемым в пузырьковых оптических переключателях. Сущность: жидкость для пузырьковых оптических переключателей включает положительно тензоактивную компоненту, летучесть которой ниже летучести основной компоненты жидкости. Технический результат изобретения заключается в повышении КПД пузырьковых оптических переключателей. 5 ил.

Жидкость для пузырьковых оптических переключателей, отличающаяся тем, что она включает положительно тензоактивную компоненту, летучесть которой ниже летучести основной компоненты жидкости.