СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОТОКА МИКРОКАПЕЛЬ ЖИДКОСТИ Российский патент 2024 года по МПК B01L3/00 

Изобретение относится к области капельной микрофлюидики, комбинаторной и аналитической химии, биотехнологии и фармацевтики и может быть использовано для бесконтактного дозирования и перемещения микрообьектов жидкости из микрорезервуаров, содержащих биологические, химические растворы в виде микрокапель жидкости для проведения химических реакций или других исследований. Кроме того, изобретение относится к области гидродинамики и теплообмена в двухфазных и дисперсных системах, а также охлаждения электронного оборудования. Изобретение позволяет упростить процесс дозирования микроколичеств жидкости 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. При дозировании и перемещении микроколичеств жидкости используется эффект левитации микрокапель жидкости, вызванный тепловым воздействием на резервуар с жидкостью-донором, а также эффект сверхинтенсивного испарения в области линии контакта газ – жидкость – подложка, что создает интенсивный поток пара в этой микрообласти со сверхтонкой пленкой жидкости.

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/м²К и более. Важной не решенной 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 поверхность нагрева, со слоем жидкости на этой поверхности, коагулируют, отскакивают, распространяются в различных направлениях. В общем генерация микрокапель соплами различной конструкции, из которых жидкость истекает под высоким давлением и затем распадается на капли за счет различных гидродинамических неустойчивостей, как правило, создает очень сложную картину, в большинстве случаев трудно поддающуюся теоретическому анализу, т.е. точному предсказанию. Наличие сопутствующего быстродвижущегося потока газа в таких устройствах облегчают распыл жидкости на капли, но еще более усложняют гидродинамическую картину течения. Прецизионные измерения теплообмена и испарения при взаимодействии капель с нагретой поверхностью, необходимые для проверки научных гипотез и теоретических моделей также практически неосуществимы в случае использования сопел. 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 за счет различных физических эффектов, таких как пьезоэффект, звук, ультразвук. Преимущество таких систем заключается 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 такие системы имеют крупные размеры, что может закрывать значительную часть поля зрения систем наблюдения и не позволять использовать современные высокоточные оптические методы исследований, например, такие как шлирен метод, высокоскоростную съемку, конфокальные системы и др.

Наиболее близкое техническое решение описано в статьях (D.P. Kirichenko, D.V. Zaitsev and O.A. Kabov. Levitation of liquid microdroplets above a solid surface subcooled to the leidenfrost temperature, MATEC Web of Conferences 72, 01046 (2016); Dmitry V. Zaitsev, Dmitry P. Kirichenko, Vladimir S. Ajaev and Oleg A. Kabov. Levitation and Self-Organization of Liquid Microdroplets over Dry Heated Substrates. PHYSICAL REVIEW LETTERS PRL 119, 094503 (2017) SEPTEMBER 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 впервые осуществлено исследование эффекта левитации монослоя микрокапель жидкости над твердой нагретой поверхностью. Авторы формировали в горизонтальном нагреваемом тонком слое жидкости 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 поверхности жидкости, соизмеримом с размером капли, формировался левитирующий монослой микрокапель. Под действием гравитации левитирующие микрокапли скатывались по мениску жидкости, существенно меняли свою траекторию движения, подпрыгивали, за счет сверхинтенсивного испарения в области линии контакта газ – жидкость – подложка и опускались на нагретую поверхность твердого тела в области сухого пятна. В работе авторов патента (K A Kunts, D V Zaitsev, and O A Kabov, Evaporation of levitating liquid microdroplets over a dry heated surface, Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing, 2119(2021) 012128, pp. 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, для исследования процесса испарения одиночных микрокапель или группы микрокапель сидящих на поверхности, а также для исследования процесса коагуляции микрокапель на нагретой поверхности, когда капли попадают одна на другую. 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, маловязкое силиконовое масло, т.е. жидкостей, хорошо смачивающих конструкционные материалы, сухое пятно будет неустойчивым, т.е. канавка треугольной формы может быть не достаточна для стабилизации сухого пятна. Жидкость может смачивать такую канавку, т.е. сухое пятно не будет формироваться.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности работы устройства за счет обеспечения устойчивости сухого пятна, расширение спектра используемых жидкостей, а также создание потока микрокапель жидкости различных размеров и различной плотности, в том числе и сильно разреженных вплоть до одиночных капель.

Поставленная задача решается тем, что в способе создания потока микрокапель жидкости, при котором на подложку, нагреваемую с помощью нагревательного элемента, подают жидкость, в горизонтальном нагреваемом тонком слое жидкости формируют сухое пятно, которое формирует мениск жидкости и линию контакта газ – жидкость – твердое тело, обеспечивающих интенсивный поток пара, при этом для стабилизации сухого пятна на поверхности подложки формируют микроканавки, согласно изобретению, размер нагревательного элемента совпадает с областью нагрева жидкости и ограничивается микроканавкой для стабилизации мениска жидкости, а сухое пятно представляет собой отверстие для формирования вертикального потока микрокапель жидкости за счет силы тяжести.

На фиг. 1 и 2 представлен общий вид устройства для создания потока микрокапель жидкости, где:

1 - подложка;

2 - слой жидкости;

3 - отверстие;

4 - ограничительные стенки;

5 - дозатор жидкости;

6 - нагревательный элемент;

7 - тепло- и электроизоляция;

8 - микроканавка;

9 - линия контакта газ – жидкость – твердое тело;

10 - монослой левитирующих микрокапель;

11 - подпрыгивающие микрокапли;

12 -сверхинтенсивное испарение в области линии контакта;

13 - мениск жидкости;

14 - вертикальный поток микрокапель жидкости.

Фиг. 3 - Перелет микрокапель жидкости через линию контакта газ – жидкость – подложка на сухую поверхность: а) вод 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 8, подается жидкость из дозатора 5. Жидкость растекается по подложке 1 и останавливается микроканавкой 8, так что образуется тонкий слой жидкости 2. В центре подложки находится отверстие 3. Растекание жидкости ограничивается ограничительными стенками 4 и микроканавкой 8. Подложка 1 может иметь цилиндрическую, квадратную или прямоугольную форму. Микроканавка 8 и соответственно отверстие 3 также может иметь круглую, квадратную или прямоугольную форму. Отверстие 3 может иметь поперечный линейный размер порядка 1.5-5 мм. Слой жидкости 2 нагревается от нагревательного элемента 6. Нагревательный элемент снизу защищен тепло- и электроизоляцией 7. Включается нагревательный элемент 6, жидкость 2 нагревается и испаряется в атмосферу, окружающую устройство. За счет конденсации пара в воздушном пространстве над слоем жидкости 2 формируется левитирующий монослой микрокапель 10. Под действием гравитации часть левитирующих микрокапель скатывается вниз по мениску 13 и подпрыгивает за счет сверхинтенсивного испарения 12 в области линии контакта газ – жидкость – подложка 9. Микрокапли опускаются в отверстие 3 и формируют вертикальный поток микрокапель жидкости 14, который может быть использован для исследования взаимодействия капель с подложкой, а также для исследования коалесценции капель или их испарения в потоке или на подложке.

Для обеспечения устойчивости мениска в случае пульсаций жидкости, изменения давления, вибраций системы, отклонения системы от горизонтального положения, нестационарного тепловыделения на нагревательном элементе на поверхности подложки вокруг отверстия, расположена микроканавка 8, ограничивающая область распространения жидкости. Микроканавка выполнена так, что ее ширина на много меньше размера отверстия. Исследования авторов патента показывают, что угол между плоскостью подложки и стороной микроканавки должен 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 Гиббсом [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 канавки составляет с поверхностью подложки равновесный контактный угол смачивания θ, как показано на фиг. 2. Этот угол отражает взаимодействие жидкости и поверхности твердого тела. Для того чтобы жидкость могла преодолеть острую кромку твёрдого тела, контактный угол должен достигнуть соответствующего критического угла:

θc=α+θ (1),

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. На фиг. 2 пунктиром показан треугольной профиль канавки. Таким образом, контактный угол с поверхностью твердого тела, при котором жидкость будет его смачивать, 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. Канавки выполняют эксимерным лазером, электроэрозионным методом или другим способом. Ширина канавки может составлять 20-100 микрон.

Вертикальный поток микрокапель жидкости создается автоматически при подаче жидкости в кювету посредством насоса или дозатора через патрубок 5, а также посредством включения нагревателя. Размер и форма потока микрокапель жидкости определяется формой отверстия 3. т.е. потока микрокапель может иметь форму плоской струи, форму кольца или форму круга, что дает дополнительные возможности для исследований. В первом случае форма отверстия должна представлять собой прямоугольник с меньшей стороной порядка 0.5 мм. Во втором случае форма отверстия должна представлять собой круг диаметром равным размеру внешнего размера требуемого кольца. В третьем случае форма отверстия должна представлять собой круг малого размера, т.е. порядка 0.5-1 мм. Предложенная система позволяет обеспечить вертикальный поток микрокапель жидкости в непрерывном режиме в течении 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 6, а также размером кюветы. Чем больше размер кюветы, тем большее число капель может содержать формирующаяся струя. Чем больше мощность нагревателя, т.е. тепловой поток, подаваемый в слой жидкости, тем капли большего диаметра могут удерживаться парогазовым потоком. Исследования показали, что микрокапли попадают в область отверстия 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 максимально малой ширины и максимально близко к отверстию.

Ниже устройства, формирующего вертикальный поток микрокапель жидкости, можно расположить различные сменные подложки и необходимые средства измерения. Необходимо отметить, что предложенное устройство позволяет проводить исследования с каплями жидкости в гораздо более широком диапазоне, чем это было возможно в прототипе, где капли просто подавались на нагретую поверхность. Например, подложки могут иметь различную температуру, шероховатость, морфологию, форму, смачиваемость. Также они могут быть сделаны из различных материалов, могут представлять собой различные жидкости, эмульсии, суспензии, что не может быть достигнуто с использованием прототипа.

Изобретение относится к области капельной микрофлюидики, комбинаторной и аналитической химии, биотехнологии и фармацевтики. Способ создания потока микрокапель жидкости, при котором на подложку, нагреваемую с помощью нагревательного элемента, подают жидкость, в горизонтальном нагреваемом тонком слое жидкости формируют сухое пятно, которое формирует мениск жидкости и линию контакта газ – жидкость – твердое тело, обеспечивающих интенсивный поток пара, при этом для стабилизации сухого пятна на поверхности подложки формируют микроканавки, при этом размер нагревательного элемента совпадает с областью нагрева жидкости и ограничивается микроканавкой для стабилизации мениска жидкости, а сухое пятно представляет собой отверстие для формирования вертикального потока микрокапель жидкости за счет силы тяжести. Технический результат - повышение эффективности работы устройства. 3 ил.

Способ создания потока микрокапель жидкости, при котором на подложку, нагреваемую с помощью нагревательного элемента, подают жидкость, в горизонтальном нагреваемом тонком слое жидкости формируют сухое пятно, которое формирует мениск жидкости и линию контакта газ – жидкость – твердое тело, обеспечивающих интенсивный поток пара, при этом для стабилизации сухого пятна на поверхности подложки формируют микроканавки, отличающийся тем, что размер нагревательного элемента совпадает с областью нагрева жидкости и ограничивается микроканавкой для стабилизации мениска жидкости, а сухое пятно представляет собой отверстие для формирования вертикального потока микрокапель жидкости за счет силы тяжести.