УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКА МИКРОКАПЕЛЬ ЖИДКОСТИ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОТНОСТИ МИКРОКАПЕЛЬ Российский патент 2024 года по МПК B67C3/30 

Изобретение относится к области гидродинамики и теплообмена в двухфазных и дисперсных системах, а также охлаждения электронного оборудования. Кроме того, изобретение относится к области капельной микрофлюидики, комбинаторной и аналитической химии, биотехнологии и фармацевтики и может быть использовано для бесконтактного дозирования и перемещения микрообъектов жидкости из микрорезервуаров, содержащих биологические, химические растворы в виде микрокапель жидкости для проведения химических реакций или других исследований. Изобретение позволяет упростить процесс дозирования микроколичеств жидкости и сделать его контролируемым. В частности, изобретение описывает новое устройство для формирования потока микрокапель жидкости различных размеров и заданной 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 облегчает распыл жидкости на капли, но еще более усложняет 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 (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. К ним относится, например Monosize Droplet Generator MDG100. Преимущество таких систем заключатся в том, что они генерируют отдельные моно-размерные капли, либо капли, следующие цугом. Недостатком этих технических решений является то, что, как правило, невозможно создать капли размером менее 20-50 микрон. Кроме того, стоимость таких систем, как правило, достаточно высока. На рынке существуют также коммерческие генераторы аэрозоля. Однако в этом случае генерируется громадное количество субмикрометровых частиц порядка 2 -200 нм, что не соответствует стандартам спрейного охлаждения.

Наиболее близкое техническое решение описано в статьях (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 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 достаточно интенсивное испарение жидкости и формирование микрокапель. Данная конструктивная особенность не позволяет использовать предложенное устройство для исследования взаимодействия микрокапель с твердой 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. Недостатком является и то, что устройство имеет единственный параметр для управления монослоем микрокапель, это температура подложки, т.е. фактически подводимое к ней количество тепла.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности работы устройства, за счет создания потока микрокапель жидкости с варьируемым диаметром микрокапель и варьируемой плотностью микрокапель в потоке.

Поставленная задача решается тем, что устройство для формирования потока микрокапель жидкости с возможностью изменения плотности микрокапель содержит теплопроводную подложку с острой кромкой, при этом подложка выполнена квадратной формы, в центре теплопроводной подложки выполнен охлаждаемый канал квадратной формы для формирования вертикального потока микрокапель жидкости за счет силы тяжести и естественной конвекции с водяным охладителем, установленным заподлицо в стенки охлаждаемого канала, водяной охладитель содержит патрубок для подачи охлаждающей воды, при этом острая кромка теплопроводной подложки расположена вокруг охлаждаемого канала с возможностью ограничения области распространения жидкости, при этом под теплопроводной подложкой расположен нагревательный элемент, состоящий из восьми независимых секций одинакового размера, которые ограничены острой кромкой теплопроводной подложки с углом, отсчитываемым от вертикали до 60 градусов, для стабилизации мениска жидкости, при этом нагревательный элемент с боковых сторон и снизу защищен тепло- и электроизоляцией и стенками, выполненными с возможностью ограничения растекания жидкости.

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

1 - теплопроводная подложка;

2 - слой жидкости;

3 - канал для микрокапель квадратной формы;

4 - ограничительные стенки;

5 - дозатор жидкости;

6 - нагревательный элемент;

7 - тепло и электроизоляция;

8 - острая кромка;

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;

15 - водяной охладитель;

16 - патрубок для подачи охлаждающей воды;

17 - конвективный опускной поток воздуха;

18 - секция нагревательного элемента квадратной формы;

19 - линия, разделяющая секцию нагревательного элемента на две части;

20 - необогреваемые угловые зоны подложки.

Способ осуществляется следующим образом.

На подложку 1, которая содержит острую кромку 8 подается жидкость из дозатора 5. Жидкость растекается по подложке 1 и останавливается острой кромкой 8, так что образуется тонкий слой жидкости 2. В центре подложки находится канал для микрокапель 3 квадратной формы (вид сверху, фиг. 2). Растекание жидкости ограничивается ограничительными стенками 4 и острой кромкой 8. Подложка 1 имеет квадратную форму (фиг. 2). Канал для микрокапель 3 может иметь поперечный линейный размер порядка 2 - 5 мм. Слой жидкости 2 нагревается от нагревательного элемента 6. Нагревательный элемент с боковых сторон и снизу защищен тепло и электроизоляцией 7 и ограничительными стенками 4. 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 канал 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. Канал для микрокапель 3 содержит водяной охладитель 15 заделанный заподлицо в стенки канала. Охлаждающая вода поступает в охладитель 15 через патрубок 16. Благодаря охлаждению стенок канала 3, температура воздуха в канале понижается, что инициирует его опускное течение сначала в пограничном слое 17 около стенки, а затем и во всем канале. Возникающая естественная конвекция способствует формированию вертикального потока микрокапель жидкости за счет силы тяжести и затягивает в канал 3 капли самого малого размера. Нагревательный элемент 6 состоит из четырех одинаковых секций квадратной формы 18, работающих независимо (фиг. 2). Каждая секция квадратной формы 18 нагревательного элемента разделена еще на две одинаковых части 19, работающих независимо. Угловые зоны 20 подложки 1 являются не обогреваемыми.

Для обеспечения устойчивости мениска в случае пульсаций жидкости, изменения атмосферного давления, вибраций системы, небольшого отклонения системы от горизонтального положения, нестационарного тепловыделения на нагревательном элементе на поверхности подложки вокруг канал для микрокапель 3, расположена острая кромка 8, ограничивающая область распространения жидкости. Исследования авторов патента показывают, что угол α между вертикалью и плоскостью острой кромки должен находится в диапазоне от 0 до 60 градусов в зависимости от толщины теплопроводной подложки 1, что необходимо для стабилизации мениска жидкости [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]. Таким образом, форма острой кромки может быть прямоугольной (α=0) или в форме «ножа» (α>0). Чем больше угол α, тем эффективнее стабилизирующее действие острой кромки (фиг. 3). 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 составляет с поверхностью подложки равновесный контактный угол смачивания θe, как показано на фиг. 3. Этот угол отражает молекулярное взаимодействие жидкости, газовой фазы и поверхности твердого тела. Для того чтобы жидкость могла преодолеть острую кромку твердого тела, контактный угол θ должен достигнуть соответствующего критического угла

θc=α+π/2+θ (1)

где α- угол между вертикалью и плоскостью острой кромки. При достижении жидкостью положения, когда контактный угол смачивания достигает критического угла θ=θc, жидкость смачивает острую кромку, т.е. может попасть в канал для микрокапель 3, что будет нарушать работу устройства. Таким образом, контактный угол смачивания с поверхностью теплопроводной подложки 1, при котором жидкость будет его смачивать, может быть увеличен при помощи острой кромки в форме «ножа» (α>0). Чем больше угол α тем острая кромка эффективнее, но это приводит к более сложной форме канала для микрокапель 3, а также может снижать интенсивность испарения в области линии контакта 9 (фиг. 1).

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 типом нагрева и размером канала для микрокапель 3. т.е. поток микрокапель может иметь форму плоской струи (если включен один из больших нагревателей), форму квадратного кольца (включены все нагреватели и размер канала 3 имеет достаточно большие размеры) или форму близкую к кругу (включен один малый нагреватель). Варьирование размера и формы потока микрокапель жидкости дает дополнительные возможности для исследований взаимодействия микрокапель с поверхностью. Предложенная система позволяет обеспечить вертикальный поток микрокапель жидкости в непрерывном режиме в течении длительного времени. Кроме исследовательских целей, вертикальный поток микрокапель жидкости может использоваться в различных технологических процессах.

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 пара - газовым потоком. Исследования показали, что микрокапли попадают в область канала для микрокапель квадратной формы на расстоянии 50-300 микрон и более от линии контакта газ - жидкость - твердое тело. Чем меньше размер капель, тем больше это расстояние. Предложенное устройство для формирования потока микрокапель жидкости имеет возможность также варьировать плотность микрокапель в потоке посредством подключения различного количества нагревателей. Всего имеется 8 нагревателей, которые могут быть включены все вместе либо только один из них. За счет этого мощность нагрева, подаваемая на испарение, может изменяться в 8 раз. При этом плотность микрокапель в потоке также изменяется в 8 раз.

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, структуру, форму, смачиваемость. Подложки могут быть сделаны из различных материалов и быть ориентированы под некоторым углом к потоку микрокапель жидкости, что важно для моделирования взаимодействия капельных потоков с оребренными поверхностями, широко использующимися в различных отраслях техники. Поток микрокапель жидкости может взаимодействовать с различными жидкостями, эмульсиями, суспензиями, что не может быть достигнуто с использованием прототипа.

Изобретение относится к области капельной микрофлюидики, гидродинамики и теплообмена в области двухфазных и дисперсных систем, а также охлаждения электронного оборудования. В частности, изобретение описывает новое устройство для формирования потока микрокапель жидкости различных размеров и заданной 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. 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. В предложенном устройстве подложки могут иметь различную температуру, шероховатость, морфологию, структуру, форму, смачиваемость, могут быть сделаны из различных материалов и быть ориентированы под некоторым углом к потоку микрокапель жидкости. Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности работы устройства, за счет создания потока микрокапель жидкости с варьируемым диаметром микрокапель и варьируемой плотностью микрокапель в потоке. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для формирования потока микрокапель жидкости заданной плотности за счет формирования в горизонтальном нагреваемом тонком слое жидкости сухого пятна, вокруг которого формируется мениск, и линии контакта газ-жидкость-твердое тело, содержащее подложку, нагревательный элемент, согласно изобретению, нагревательный элемент состоит из восьми независимых секций одинакового размера, которые ограничиваются острой кромкой с углом, отсчитываемым от вертикали, от 0 до 60 градусов для стабилизации мениска жидкости, сухое пятно представляет собой охлаждаемый канал квадратной формы для формирования вертикального потока микрокапель жидкости за счет силы тяжести и естественной конвекции. Обеспечивается упрощение процесса дозирования микроколичества жидкости и сделать его контролируемым. 3 ил.

Устройство для формирования потока микрокапель жидкости с возможностью изменения плотности микрокапель содержит теплопроводную подложку с острой кромкой, при этом подложка выполнена квадратной формы, в центре теплопроводной подложки выполнен охлаждаемый канал квадратной формы для формирования вертикального потока микрокапель жидкости за счет силы тяжести и естественной конвекции с водяным охладителем, установленным заподлицо в стенки охлаждаемого канала, водяной охладитель содержит патрубок для подачи охлаждающей воды, при этом острая кромка теплопроводной подложки расположена вокруг охлаждаемого канала с возможностью ограничения области распространения жидкости, при этом под теплопроводной подложкой расположен нагревательный элемент, состоящий из восьми независимых секций одинакового размера, которые ограничены острой кромкой теплопроводной подложки с углом, отсчитываемым от вертикали до 60 градусов, для стабилизации мениска жидкости, при этом нагревательный элемент с боковых сторон и снизу защищен тепло и электроизоляцией и стенками, выполненными с возможностью ограничения растекания жидкости.