Способ подачи микрокапель жидкости на нагретую поверхность твердого тела Российский патент 2024 года по МПК F28C3/08 

Изобретение относится к области капельной микрофлюидики, гидродинамики и теплообмена в области двухфазных и дисперсных систем, а также охлаждения электронного оборудования. Изобретение позволяет упростить процесс подачи микрокапель жидкости на нагретую поверхность твердого тела и сделать его контролируемым. В частности, изобретение описывает новый способ создания потока микрокапель жидкости различных размеров и различной плотности, в том числе и сильно разреженных вплоть до одиночных капель, которые под действием сверхинтенсивного испарения в области линии контакта газ - жидкость - твердое тело и гравитации могут быть направлены на твердую поверхность. При дозировании и перемещении микроколичеств жидкости используется эффект левитации микрокапель жидкости, вызванный тепловым воздействием на резервуар с жидкостью - донором.

Поиск новых методов существенной интенсификации теплообмена является одной из наиболее актуальных проблем в области теплофизики и энергетики. Глобальной задачей является интенсификация теплообмена с целью достижения коэффициентов теплоотдачи порядка 100-300 кВт/м²⋅К и более. Важной нерешенной проблемой остается снятие высоких и сверхвысоких тепловых потоков (более 1 кВт с 1 квадратного см) с различных электронных компонентов. В статье (Pukhovoy M.V., Bykovskaya E.А., Kabov O.A. Extreme heat fluxes and heat transfer mechanisms during electronics spray and jet impingement cooling with boiling. Journal of Physics: Conference Series 1677 (2020) 012150, IOP Publishing, doi:10.1088/1742-6596/1677/1/012150) показано, что одним из наиболее эффективных способов отвода тепла является спрейное и газо-спрейное охлаждение. В данном способе охлаждения нагретая поверхность бомбардируется потоком микрокапель жидкости. Несмотря на относительно высокую эффективность теплообмена, результаты экспериментов дают средние значения коэффициентов теплоотдачи на 1-2 порядка ниже, чем предсказывают теоретические модели. Данный факт показывает, что спрейные и газо-спрейные системы охлаждения требуют дальнейшего изучения и оптимизации. Одна из проблем заключается в том, что в научных экспериментах потоки капель обычно генерируются с использованием сопел различной конструкции. Недостатком этих технических решений является то, что, как правило, невозможно создать капли размером менее 20-30 микрон. Генерируется целый спектр капель по размерам. При этом количество капель, падающих на поверхность теплообмена в секунду, составляет сотни, тысячи и более в зависимости от расхода жидкости и газа. Падающие капли взаимодействуют с поверхностью нагрева, со слоем жидкости на этой поверхности, коагулируют, отскакивают, распространяются в различных направлениях. В общем это создает очень сложную картину, не поддающуюся теоретическому анализу. Прецизионные измерения, необходимые для проверки научных гипотез и теоретических моделей, также практически неосуществимы. Примером одной из подобных работ является (Milan Visaria and Issam Mudawar, Theoretical and experimental study of the effects of spray inclination on two-phase spray cooling and critical heat flux, International Journal of Heat and Mass Transfer, 51, (2008) 2398-2410). Для охлаждения используется спрей, направляемый на нагреваемый элемент под некоторым углом α (0-55 град), который отсчитывается от вертикали.

На рынке существуют коммерческие генераторы капель. Они основаны на развитии гидродинамической неустойчивости в падающей струе с помощью создания искусственных вибраций. Преимущество таких систем заключатся в том, что они генерируют отдельные капли, либо капли, следующие цугом. Недостатком этих технических решений является то, что, как правило, невозможно создать капли размером менее 20-30 микрон. Кроме того, стоимость таких систем как правило достаточно высока. Обычно они имеют крупные размеры, что может закрывать значительную часть поля зрения и не позволять использовать современные высокоточные оптические методы исследований, например, такие как шлирен метод, высокоскоростную сьемку и др.

Наиболее близкое техническое решение описано в статьях (D.P. Kirichenko, D.V. Zaitsev, O.A. Kabov. Levitation of liquid microdroplets above a solid surface subcooled to the leidenfrost temperature, MATEC Web of Conferences 72, 01046 (2016); D.V. Zaitsev, D.P. Kirichenko, V.S. Ajaev, O.A. Kabov. Levitation and Self-Organization of Liquid Microdroplets over Dry Heated Substrates. Physical review letters, 119, 094503 (2017); Kabov O.A., Zaitsev D.V., Kirichenko D.P., Ajaev V.S. Interaction of levitating microdroplets with moist air flow in the contact line region // Nanoscale and microscale thermophysical engineering. - 2017. - 21(2), SI. - P. 60-69).

В упомянутых выше работах было первые осуществлено исследование эффекта левитации монослоя микрокапель жидкости над твердой нагретой поверхностью Фиг. 3. Авторы формировали в горизонтальном нагреваемом тонком слое жидкости, находящемся в кювете, сухое пятно посредством импульса струи газа. Вокруг сухого пятна формировался мениск жидкости. За счет испарения жидкости и конденсации пара в воздушном пространстве на некотором расстоянии от кюветы формировался левитирующий монослой микрокапель. Под действием гравитации левитирующие капли скатывались по мениску, подпрыгивали за счет сверхинтенсивного испарения в области линии контакта газ - жидкость - подложка и опускались на нагретую поверхность твердого тела в центральной части сухого пятна. В работе авторов патента (K.A. Kunts, D.V. Zaitsev, O.A. Kabov, Evaporation of levitating liquid microdroplets over a dry heated surface, Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing, 2119(2021) 012128, P. 1-5, doi: 10.1088/1742-6596/2119/012128) для стабилизации сухого пятна использовалась канавка треугольного профиля.

Недостатком упомянутых технических решений является тот факт, что капли, опускающиеся на нагретую поверхность твердого тела в центральной части сухого пятна практически во всех случаях, не касаются твердой поверхности, а левитируют над ней из-за интенсивного испарения. Это связано с относительно высокой температурой подложки, как правило выше 60°С. Понизить температуру в представленной конструкции не представляется возможным, иначе устройство не будет обеспечивать испарение и формирование капель. Данная конструктивная особенность не позволяет использовать предложенное устройство для исследования взаимодействия микрокапель с поверхностью, а также для исследования процесса испарения одиночных микрокапель или группы микрокапель сидящих на поверхности. Кроме того, предложенные выше решения, были разработаны только для случая использования сверхчистой воды. В случае использования жидкостей с относительно низким поверхностным натяжением, такими как этиловый спирт, FC-72, т.е. жидкостей, хорошо смачивающих конструкционные материалы, сухое пятно будет неустойчивым, т.е. канавка треугольной формы, может быть недостаточна для стабилизации сухого пятна.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности работы устройства подачи капель на нагретую поверхность, за счет обеспечения устойчивости сухого пятна, расширения спектра используемых жидкостей, а также обеспечения процесса взаимодействия микрокапель жидкости с нагретой поверхность твердого тела.

Поставленная задача решается тем, что в способе подачи микрокапель жидкости на нагретую поверхность твердого тела, при котором на подложку, нагреваемую с помощью нагревательного элемента подают жидкость, в горизонтальном нагреваемом тонком слое жидкости формируют сухое пятно, при этом для стабилизации сухого пятна на поверхности подложки формируют микроканавки, согласно изобретению, нагревательный элемент разделяют на нагревательный элемент для жидкости и нагревательный элемент для сухого пятна, так что сухое пятно и слой жидкости имеют разные температуры и тепловые потоки, при этом нагревательные элементы разделяют с помощью тепловой развязки, а угол между плоскостью подложки и стороной микроканавки составляет от 45 до 180 градусов. Форма поперечного сечения микроканавки может быть треугольной, прямоугольной, и в форме «ласточкин хвост».

Для обеспечения устойчивости сухого пятна в случае пульсаций жидкости, давления, вибраций системы, отклонения системы от горизонтального положения, неоднородного или нестационарного тепловыделения на нагревательных элементах на поверхности подложки вокруг сухого пятна расположены микроканавки 7, ограничивающие область распространения жидкости. Микроканавка выполнена так, что ее ширина на много меньше размера сухого пятна, а угол между плоскостью подложки и стороной микроканавки находится в диапазоне от 45 до 180 град (Viktor Grishaev, A. Amirfazli, Sergey Chikov, Yuriy Lyulin, Oleg Kabov, Study of Edge Effect to Stop Liquid Spillage for Microgravity Application, Microgravity Sci. Technol. (2013) 25:27-33). Форма поперечного сечения микроканавки может быть треугольной, прямоугольной, и в форме «ласточкин хвост». Эффективность микроканавки зависит от величины угла между плоскостью подложки и стороной канавки, чем больше этот угол, тем эффективнее стабилизирующее действие микроканавки. Микроканавка удерживает жидкость от растекания используя эффект острой кромки. Впервые использование эффекта острой кромки в качестве барьера против растекания жидкости было предложено Гибсом [Gibbs, J.W. Scientific Papers, p. 326, 1906]. В дальнейшем эта идея была развита и проанализирована в работах [Fang,G., Amirfazli, A.:Understanding the edge effect in wetting: a thermodynamic approach. Langmuir (2012). doi:10.1021/la301623h], а также исследована экспериментально в работах [Oliver, J.F., Huh, C., Mason, S.G.: Resistance to spreading of liquids by sharp edges. J. Colloid Interface Sci. 59, 568-581 (1977); Bayramli, E., Mason, S.G.: Liquid spreading: edge effect for zero contact angle. J. Colloid Interface Sci. 66, 200-202 (1978); Yu, L.M.Y., Lu J.J., Chan, Y.W., Ng, A., Zhang, L., Hoorfar, M., Policova, Z., Grundke, K., Neumann, A.W.: Constrained sessile drop as a new configuration to measure low surface tension in lung surfactant systems. J. Appl. Physiol. 97, 704-715 (2004); Sheng, X., Zhang, J., Jiang, L.: Application of the restricting flow of solid edges in fabricating superhydrophobic surfaces. Langmuir 25, 9903-9907 (2009); Tóth, B.: Future experiments to measure liquid-gas phase change and heat transfer phenomena on the international space station. Microgravity Sci. Technol. (2011). doi:10.1007/s12217-011-9286-1].

Поверхность жидкости вблизи острой кромки микроканавки составляет с поверхностью подложки равновесный контактный угол смачивания θ, как показано на фиг. 2. Этот угол определяется взаимодействием молекул газа, жидкости и твердого тела. Для того чтобы жидкость могла преодолеть острую кромку твердого тела, контактный угол должен достигнуть соответствующего критического угла θc=α+θ, где α - угол между плоскостью подложки и стороной микроканавки. При достижении жидкостью положения, когда контактный угол смачивания достигает критического угла θc, жидкость закрепляется на краю твердого тела (кромки микроканавки), т.е. смачивает ее. Таким образом, контактный угол с поверхностью твердого тела может быть увеличен при помощи острой кромки. Чем больше угол между плоскостью подложки и стороной канавки, тем она эффективнее, но стоимость изготовления такой канавки может существенно возрасти. Микроканавки выполняют эксимерным лазером, электроэрозионным методом или другим способом. Ширина микроканавки может составлять 20-100 микрон. Сухое пятно создается автоматически при подаче жидкости в кювету 14 посредством насоса или дозатора 8. Кроме того сухое пятно в этом случае имеет правильную круглую, квадратную или прямоугольную форму, что упрощает исследования. Микроканавка 7 и тепловая развязка 6 могут выполняться одна над другой, т.е. на одном расстоянии от центра устройства, для минимизации расстояния от мениска жидкости до исследуемой поверхности. В итоге предложенная система позволяет обеспечить подачу микрокапель жидкости на нагретую поверхность твердого тела в непрерывном режиме в течение длительного времени.

На основе проведенных авторами патента исследований диаметр микрокапель жидкости может составлять от 2 до 50 микрон. Количество капель и их размер регулируется мощностью нагревателя 5, а также размером кюветы 14. Чем больше размер кюветы, тем большее число капель может содержать формирующийся монослой и тем большее количество капель может перелетать на сухую поверхность. Чем больше мощность нагревателя 5, т.е. тепловой поток, подаваемый в слой жидкости 2, тем капли большего диаметра могут удерживаться пара - газовым потоком. Исследования показали, что микрокапли падают на поверхность сухого пятна на расстоянии 50-300 микрон и более от линии контакта газ - жидкость - твердое тело. Чем меньше размер капель, тем больше это расстояние. Поэтому канавку рекомендуется делать на самом краю зоны обогрева нагревателя 5. Если зона канавки 7 и тепловой развязки 6 не будет превышать 20-50 микрон, то все капли будут опускаться в зону сухого пятна с хорошо контролируемым нагревом.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства для подачи микрокапель жидкости на нагретую поверхность твердого тела, где:

1 - подложка;

2 - слой жидкости;

3 - сухое пятно;

4 - нагревательный элемент сухого пятна;

5 - нагревательный элемент жидкости;

6 - тепловая развязка (заполнена воздухом);

7 - микроканавка;

8 - дозатор жидкости;

9 - тепло- и электроизоляция;

10 - линия контакта газ - жидкость - твердое тело;

11- монослой левитирующих микрокапель;

12- подпрыгивающие микрокапли;

13- капли, падающие на исследуемую поверхность;

14 - кювета (показана только одна ограничительная стенка);

15 - мениск жидкости.

На фиг. 3 показан перелет микрокапель жидкости через линию контакта газ - жидкость - подложка на сухую поверхность: а) вид сбоку; б) вид сверху. Фотография взята из работы (Kabov O.A., Zaitsev D.V., Kirichenko D.P., Ajaev V.S. Interaction of levitating microdroplets with moist air flow in the contact line region // Nanoscale and microscale thermophysical engineering. - 2017. - 21(2), SI. - P. 60-69.).

Способ осуществляется следующим образом.

На подложку 1, которая содержит микроканавку 7 подается жидкость из дозатора 8. Жидкость растекается по подложке 1 и останавливается микроканавкой 7, так что образуется тонкий слой жидкости 2. В центре подложки формируется сухое пятно 3. Растекание жидкости также ограничивается ограничительными стенками кюветы 14. Подложка 1 может иметь круглую, квадратную или прямоугольную форму. Микроканавка 7 и соответственно сухое пятно 3 также может иметь цилиндрическую, квадратную или прямоугольную форму. Сухое пятно 3 может иметь поперечный линейный размер порядка 1.5-5 мм. Сухое пятно 3 и слой жидкости 2 нагреваются от нагревательных элементов 4 и 5, соответственно, так что имеют разные температуры и тепловые потоки. Нагревательные элементы разделены тепловой развязкой 6 (заполнена воздухом), чтобы минимизировать взаимное влияние нагревателей. Нагревательные элементы 4 и 5 снизу защищены тепло- и электроизоляцией 9. Включается нагревательный элемент 5, жидкость 2 нагревается и испаряется в атмосферу, окружающую устройство. За счет конденсации пара в воздушном пространстве над слоем жидкости 2 формируется левитирующий монослой микрокапель 11. Под действием гравитации часть левитирующих микрокапель 12 скатывается вниз по мениску 15 и подпрыгивает за счет сверхинтенсивного испарения в области линии контакта газ - жидкость - подложка 10. Микрокапли 13 опускаются на нагретую поверхность твердого тела в центральной части сухого пятна и могут быть использованы для исследования взаимодействия капель с подложкой, коалесценции капель или их испарения.

Изобретение относится к области капельной микрофлюидики, гидродинамики и теплообмена в области двухфазных и дисперсных систем, а также охлаждения электронного оборудования. Изобретение позволяет упростить процесс подачи микрокапель жидкости на нагретую поверхность твердого тела и сделать его контролируемым. В частности, изобретение описывает новый способ создания потока микрокапель жидкости различных размеров и различной плотности, в том числе и сильно разреженных вплоть до одиночных капель, которые под действием сверхинтенсивного испарения в области линии контакта газ - жидкость - твердое тело и гравитации могут быть направлены на твердую поверхность. При дозировании и перемещении микроколичеств жидкости используется эффект левитации микрокапель жидкости, вызванный тепловым воздействием на резервуар с жидкостью-донором. Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности работы устройства подачи капель на нагретую поверхность, за счет обеспечения устойчивости сухого пятна, расширения спектра используемых жидкостей, а также обеспечения процесса взаимодействия микрокапель жидкости с нагретой поверхностью твердого тела. Поставленная задача решается тем, что в способе подачи микрокапель жидкости на нагретую поверхность твердого тела, при котором на подложку, нагреваемую с помощью нагревательного элемента, подают жидкость, в горизонтальном нагреваемом тонком слое жидкости формируют сухое пятно, при этом для стабилизации сухого пятна на поверхности подложки формируют микроканавки, согласно изобретению, нагревательный элемент разделяют на нагревательный элемент для жидкости и нагревательный элемент для сухого пятна, так что сухое пятно и слой жидкости имеют разные температуры и тепловые потоки, при этом нагревательные элементы разделяют с помощью тепловой развязки, а угол между плоскостью подложки и стороной микроканавки составляет от 45 до 180 градусов. Форма поперечного сечения микроканавки может быть треугольной, прямоугольной и в форме «ласточкин хвост». 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ подачи микрокапель жидкости на нагретую поверхность твердого тела, при котором на подложку, нагреваемую с помощью нагревательного элемента, подают жидкость, в горизонтальном нагреваемом тонком слое жидкости формируют сухое пятно, при этом для стабилизации сухого пятна на поверхности подложки формируют микроканавки, отличающийся тем, что нагревательный элемент разделяют на нагревательный элемент для жидкости и нагревательный элемент для сухого пятна, так что сухое пятно и слой жидкости имеют разные температуры и тепловые потоки, при этом нагревательные элементы разделяют с помощью тепловой развязки, а угол между плоскостью подложки и стороной микроканавки составляет от 45 до 180 градусов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что микроканавка имеет профиль треугольной формы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что микроканавка имеет профиль прямоугольной формы.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что микроканавка имеет профиль в форме «ласточкин хвост».