多孔層的製作方法

2023-04-28 18:24:36

專利名稱：：多孔層的製作方法
技術領域：
：本發明涉及多孔層、沸騰表面包括安置於固體基底上的多孔表面層的熱交換裝置及在基底上形成多孔表面層的方法。
背景技術：
：本發明涉及發展新型的高效蒸發器。在製冷裝置、空調裝置及熱泵(通常稱為泵熱裝置)中，利用熱源(例如，空氣或水)與蒸發器中的沸騰製冷劑之間的小的溫差來運行是非常重要的。這些小的溫差有助於減少冷凝溫度與蒸發溫度之間的差異，這對於獲得高的系統能量效率是非常重要的，通常以性能係數(COP)來表示，對於加熱目的，性能係數定義為傳遞到暖側的熱量(ql)除以壓縮製冷劑蒸氣所需的做功的量(s)(COPl=ql/s);對於製冷目的，定義為從冷側吸收的熱量(q2)除以壓縮製冷劑蒸氣所需的做功的量(s)(COP2=q2/s)。蒸發器的導熱率由公式Q二hAAT決定，其中，h是導熱係數(HTC)，A是涉及導熱表面的面積，AT是表面與大量液體之間的溫差。為了獲得低的溫差，需要高的HTC或大的導熱表面積。因此，為了減少泵熱裝置的蒸發器中的溫差，可以使用某種類型的強化表面，該強化表面能提高氣泡成核，從而增加蒸發器的HTC。為了小型化的目的(蒸發器越小，就越省空間、越經濟)，改進方法也可以是減小蒸發器的必需尺寸，而不需提高溫差。強化表面不僅增加導熱係數，也可提高臨界熱通量(CHF)、減少沸騰初期的溫度過高(overshoot)。對於具有高的熱通量的應用而"i殳計冷卻方案時，比如核動力反應堆的電子元件與安全系統的冷卻，CHF是決定性的參數。沸騰初期的溫度過高的減少，在低的熱通量下產生了明顯較高的HTC，因此在許多應用(低的熱通量下的電子冷卻、泵熱技術等)中是令人滿意的。用於泡核沸騰的這種強化表面，在過去幾十年中受到相當大的關注，而且經常被認為是"高效泡核沸騰表面"。在過去幾十年中，已經完成了一些涉及與高效泡核沸騰表面相關的問題的研究。這些表面可通過機械方法或化學方法製造。機械方法包括表面變形技術，比如研磨處理或刻開口軋槽。化學方法進一步細分為兩個類型第一類為如電解及化學蝕刻的表面腐蝕技術，而第二類為在沸騰表面上塗覆選擇材料的多孔層。這種塗層可用許多種方式製作，如燒結、噴霧、塗裝、電鍍等。但是，卻很少關注通過納米結構化的表面修飾來產生高效泡核沸騰表面。用於增強沸騰中導熱的表面修飾的現有技術使用基於機械變形的方法或如向表面噴灑微粒的物理方法。由於機械技術的物理局限性，這些方法不能產生明確限定的納米結構化的表面，因而只限於產生限定較差的微米大小的特徵。因為許多已知技術已經限於微米等級的領域，沸騰研究的焦點已經主要是研究對於表面或增強結構的沸騰特徵的微米等級的影響。像表面粗糙程度、晶粒間界、納米微粒之間的空穴之類的納米等級特徵，而非加熱器表面的微米尺度的空穴，可能是造成在泡核沸騰開始時觀察到的晶核形成的能障降低的原因。因此，為了產生有效的沸騰表面，能夠控制蒸發器表面的微米與納米等級的特徵是重要的。美國專利4216826公開了管上的強化的沸騰表面，它是通過變形、壓制及對短的完整的管翅片進行滾花而機械製成的。因為該結構只能在圓形的幾何體上製造，應用領域局限於在管的外表面沸騰。機械處理也阻止了製造者製造該結構的納米特徵的可能性。美國專利3384154、33523577及3587730公開了強化的沸騰表面，它在商業上稱為"高通量，，表面，製造方法是將金屬微粒燒結到表面上，從而產生多孔塗層。這種製造技術只限於生產隨機大小的空穴且改變結構的納米大小的特徵的可能性有限。因此，結構不能很好地安排，製造者不可能製造納米等級的特徵以提高沸騰導熱。曰本專利2002228389涉及導熱提高方法，其中，進行表面處理，形成含有高度為10-1000nm的凹凸突起部分的沸騰導熱側。表面可由不同的金屬(如鋁)組成，使用CVD技術或濺射技術然後通過溼式蝕刻來製造。美國專利4780373涉及通過電沉積法製造的用於沸騰的導熱材料，密集的多孔層在其中形成，樹枝狀的細微的突出部分在多孔層表面上密集地形成。該層的平均厚度為50pin。產生的全部電流的大約15%用於運行泵熱裝置。熱源與蒸發液體的溫差每降低一度，運行系統所需的電流就會減少2-3%。所以，沸騰導熱領域需要強化的表面。本發明的目標是提供可用於提高沸騰導熱的表面及形成新型表面的方法。
發明內容本發明的目標是提供熱交換裝置、多孔層及在基底上形成表面層的方法，該方法克服了現有技術的缺點。這可通過如獨立權利要求所述的熱交換裝置、多孔層及在基底上形成表面層的方法來實現。通過下面的詳述描述可知本發明的優點是明顯的。本發明的實施方式如從屬權利要求所述。定義這裡所用的術語"樹枝狀的"指以樹狀的複雜分支結構為特徵的肉眼可見形式。這裡所用的術語"表面"指與沸騰液體接觸的導熱裝置的部分。將具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒壁結構的表面層施加到導熱裝置的初始表面上，從而形成了強化的沸騰表面。初始的導熱表面可以是任意幾何形狀，如板狀、圓柱狀、球狀、鰭狀等，且具有任意的表面粗糙程度。這裡所用的術語"納米微粒"指在至少一個維度上大小為lnm-1(im的微粒。這裡所用的術語"具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒壁結構的表面層"指具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔的層，該孔也被稱為大孔，以使它們與壁結構中較小的微米-納米等級的空間清晰地區分開。這些大孔在垂直於基底表面的方向上相互連通，具有大於5-1000pm的直徑，其中，孔的直徑隨著離開基底的距離逐漸增加。這些孔由壁結構定形，壁結構由三維樹枝狀分布的納米微粒組成。該壁結構包括樹枝狀分支結構之間的不規則空間。表面層的厚度為5-1000jum。這裡所用的術語"退火"指為了在沉積的納米微粒之間獲得較大的接觸，在低於所用材料的熔化溫度下的熱處理過程，從而增加了結構的導熱性及機械穩定性。這裡所用的術語"沸騰"指在氣泡形成過程中的液體蒸發。圖1顯示通過電沉積方法製造的具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的微粒的壁結構的表面層的典型SEM顯微照片。圖2顯示通過在電解液中使用添加劑的電沉積方法製造的具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的微粒的壁結構的表面層的SEM顯微照片。圖3顯示從通過電沉積方法製造的基底表面刮下的納米微粒的TEM顯微照片。圖4顯示退火前(左側)與退火後(右側)的樹枝狀結構。圖5顯示作為沉積時間函數的具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的微粒的壁結構的表面層的各種特徵。圖6顯示強化表面與加工的參考面的沸騰曲線。圖7顯示導熱係數相對於熱通量的曲線，包括兩個表面的不確定性估計值。圖8顯示未退火的表面在5W/cm2、長時間沸騰測試過程中的退化及退火的表面在同樣的測試中的穩定性。圖9顯示具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的未退火的表面層在長時間沸騰測試之前(上圖)與之後(下圖)的SEM顯微照片。結構的退化清晰可見。圖IO示意性地顯示根據本實施方式的多孔層的實施方式。圖ll示意性地顯示形成多孔層的方法步驟。發明詳述本發明的多孔表面層包括多孔壁結構及被所述的多孔壁結構分隔並限定的規則隔開、規則形狀的微米大小的孔。大孔在表面層上規則地隔開，具有規則大小與規則形狀，而且它們在與基底表面垂直的總方向上相互連通，且大小隨著離開基底的距離逐漸增加。多孔壁結構包括一種合適的導熱材料的剛性的連續的分支結構。在實驗結果的解釋部分可以看出，多孔壁結構與大孔都可以提高表面層的沸騰行為，且它們的組合產生了相比現有技術的主要優點。具有規則隔開、規則形狀的大孔(大孔在與基底表面垂直的總方向上相互連通，且大小隨著離開基底的距離逐漸增加)及樹枝狀分布的納米微粒壁結構的表面層，可根據在Shin等人」&.Afoter.15,1610-1614(2003)及C/em.16,5460-5464(2004)中公開的方法形成。這樣的表面具有與納米等級的樹枝狀微粒組合的金屬多孔結構。但是，Shin等人得出以下結論這種表面的應用只是在如燃料電池、電池及化學傳感器的電化學裝置中的電極。由Shin等人公開的多孔壁結構在下文中被稱為樹枝狀分布的納米微粒的結構。在圖1的高放大倍率的SEM照片中清楚地顯示，所述壁結構具有明顯的微粒狀的構造，即，該結構由結合在一起成樹枝狀形式的納米等級的微粒組成。如圖9所示，該結構相對較弱，且當作為沸騰表面使用時，隨著時間降解。通過修改樹枝狀分布的納米微粒的結構而獲得的多孔壁結構在下文中被稱為連續的分支結構。圖4d公開了這類結構的一個例子，其中，可以看出，樹枝狀分布的納米微粒的微粒狀結構被改變，產生的結構基本上是連續的而且是非微粒狀的。圖4c與圖4d分別顯示了修改前與修改後的5000倍放大的多孔的壁結構的例子。從這些圖可以構通過如融合納米微粒成為連續分支的方式形成。根據一個實施方式，提供了具有帶有安置於固體基底上的多孔表面層的沸騰表面的熱交換裝置，該多孔表面層包括限定和分隔大孔的多孔壁結構，大孔在垂直於基底表面的總方向上相互連通，具有大於5pm、小於1000pm的直徑，其中，孔的直徑隨著離開基底的距離逐漸增加，其中，多孔性壁結構是連續性的分支結構。根據一個實施方式，基底及多孔表面層由相同或不同的金屬材料組成。所述金屬材料例如可以選自鐵、鎳、鈷、銅、鉻、金、鎂、錳、鋁、銀、鈦、鉑、錫、鋅及其任意合金。例如，沸騰表面可以安置於板式熱交換器中、管殼式熱交換器的管內或管外、電子冷卻器的熱表面上、熱導管的蒸發側、製冷裝置中、空調裝置及泵熱裝置中、熱虹吸器中、高效蒸發器中、水冷式內燃機中的冷卻管道中，等等。例如，沸騰表面可以設置為與流體接觸，所述流體選自水、氨、二氧化碳、醇類、烴類、納米流體及如氟代烷烴、氟氯烴化合物的面代烴。熱交換裝置例如可以是液池沸騰型或流動沸騰型，或其組合。根據另一實施方式，提供了包括限定和分隔大孔的多孔壁結構的多孔表面層，大孔在垂直於基底表面的總方向上相互連通，具有大於5pm、小於1000|im的直徑，其中，孔的直徑隨著離開基底的距離逐漸增加，其中，多孔性的壁結構是連續性的分支結構。根據一個實施方式，多孔表面層由金屬材料組成，所述金屬材料例如選自鐵、鎳、鈷、銅、鉻、金、鎂、錳、鋁、銀、鈦、柏、錫、鋅及其任意合金。根據一個實施方式(圖11),提供了一種在基底上形成表面層的方法，包括以下步驟沉積(圖11步驟b)包括限定和分隔大孔的多孔壁結構的表面層，大孔在垂直於基底表面的總方向上相互連通，具有大於5jam、小於1000pm的直徑，其中，孔的直徑隨著離開基底的距離逐漸增加，其中，多孔性的壁結構由樹枝狀分布的納米樣t粒組成，和改變(圖U步驟c)多孔性的壁結構成為連續性的分支結構。根據一個實施方式，改變多孔性的壁結構的步驟包括在高於100。C且低於沉積材料的熔點的溫度下、在非氧化氣氛中將表面層退火(圖11退火)。退火時間主要取決於退火溫度及所需的退火程度，因而基本上可為大於幾秒直至幾天之間的任何值。退火時間例如可以是大於l秒、1分、1小時或1天，及低於10秒、10分、10小時或5天。根據一個實施方式，改變多孔性的壁結構的步驟包括在多孔壁結構的表面上控制沉積薄固體層(圖11沉積)。薄固體層可以具有例如大於lnm、10nm或100nm及小於500nm、1|am或10pm的厚度。根據一個實施方式，薄固體層的沉積通過電沉積或氣相沉積來進行。根據一個實施方式，所述方法包括在表面層沉積步驟之前，在基底表面上控制沉積lnm-lOiam的固體層的步驟(圖ll步驟z)。根據一個實施方式，通過產生限定大孔的氣泡的控制的電沉積過程來進行表面層的沉積，從而使材料沉積在基底上，以形成具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層。根據一個實施方式，通過產生限定大孔的氣泡的控制的氣相沉積過程來進行表面層的沉積，從而使材料沉積在基底上，以形成具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層。根據一個實施方式，沉積材料是諸如鐵、鎳、鈷、銅、鉻、金、鎂、錳、鋁、銀、鈦、柏、錫、鋅及其任意合金的金屬材料。一種形成新型的具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層的方法的實施方式包括以下步驟a)在電解溶液中提供基底，該電解溶液含有將要沉積於基底上的金屬離子；b)進行產生氣泡的控制的電沉積過程，從而使材料沉積在基底上，以形成具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層；且c)在100。C至所選材料的熔點之間的溫度下、在非氧化氣氛中，將產生的具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層退火。在以上方法中，在步驟a)和b)之間，和/或步驟b)和c)之間，和/或步驟c)之後，或取代步驟c)，可能加入步驟z):z)進行不產生氣泡的控制的沉積過程，從而使材料沉積，以在基底上或多孔結構上形成沉積材料的薄固體層。步驟z)的沉積過程，可以是不產生氣泡的如氣相沉積或電沉積的沉積過程。通過工藝過程參數的合適選擇來控制氣泡的產生。在產生氣泡的控制的電沉積過程之前或之後，低電流密度(<0.5A/cm2)可應用於步驟z)，進行薄的精細塗層的沉積。這種低電流密度沉積將進一步提高沉積表面層與基底之間的粘連，也將增強沉積表面層結構自身的穩定性。如熱蒸發沉積材料的原子或分子薄層的其它方法也可以實現進一步增強表面結構的粘連與穩定性的目的。術語"材料，，包括在本發明的範圍內有用的金屬及類似材料。其它方法也可以形成具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層，如包括以下步驟的氣相沉積a)為氣相沉積提供基底；b)進行控制的沉積過程，從而使材料沉積在基底上，以形成具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層；和c)在100。C至所選材料的熔點之間的溫度下、在非氧化氣氛中，將產生的具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層退火。表面層可以在沉積之後退火，退火持續時間為l分鐘-5天，優選1-24小時。本發明進一步涉及一種新型的沉積在表面上的具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層，其特徵在於，該表面層是通過以上公開的任一種方法形成的。基於該層的凸起頂面積，產生的規則隔開、規則形狀的微米大小的孔密度為1-1000孑L/mm2。另外，本發明涉及具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層，其中，表面層在沉積後，在100°C與沉積材料的熔點之間的溫度下退火。本發明涉及具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層，其中，沉積金屬選自單一金屬或任意金屬組合，包括鐵、鎳、鈷、銅、鉻、金、鋁、銀、鈦、鉑、錫及鋅及其合金。但是，只要能獲得預期的性質，任意金屬或其組合都可用於本發明。本發明涉及具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層，其中，大量材料沉積於選擇的基底上，所述材料為單一金屬或任意金屬組合，包括鐵、鎳、鈷、銅、鉻、金、鉛、銀、鈦、鉬、錫及鋅，及其合金。但是，只要能獲得預期的性質，任意金屬或其組合都可用於本發明。本發明涉及以上公開的具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層，其中，使用合適的沉積方法，優選電沉積或氣相沉積。根據以上的新方法形成的新型的具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層，可用於沸騰領域，應用於所有類型的熱交換器，如板式熱交換器、管殼式熱交換器的內管和/或外管、電子冷卻器的熱表面、熱導管的蒸發側、製冷裝置、空調裝置及泵熱裝置、熱虹吸器、高效蒸發器。它也可應用於增強水冷式內燃機中的冷卻管道的沸騰導熱，等等。根據以上的新方法形成的新型的表面層優選用於增強沸騰導熱。在沸騰過程中，與具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層接觸的液體可以選自水、氨水、二氧化碳、醇類、烴類、納米流體及如氟代烷烴、氟氯烴化合物的卣代烴。但是，只要能獲得預期的性質，任意液體或其組合都可用於本發明。接觸液體的具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層的沸騰，包括停滯液體池，即所謂的表面上液體的液池沸騰，及液體在表面上流動，即所謂的表面上液體的流動沸騰。以上公開的具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構的表面層也可以安置於導熱裝置中。通過退火加強了微粒之間的結合，從而增加了結構的穩定性及導熱性。另外，通過退火可以定製納米尺度的形態，以產生在沉積特徵大小與孔徑方面最優化的結構，在具體應用中產生最好的導熱性能。退火及其定製結構的可能性使得本發明的結構特徵完全不同於現有技術。在SEM圖中這種不同是明顯的，即，在納米等級的區域中增加了分支與粒徑。另外，退火後，結構的導電性與導熱性應該高於公開的現有技術，因為消除/減少了表面的氧化層且納米微粒的互連性增加且納米微粒的晶界效應減少。相比現有的沸騰表面的製造方法，新方法非常具有成本優勢。實驗結果圖4中可以看出互連性的改變與晶界的改變。沸騰測試顯示結構的機械穩定性隨著退火而提高，這在圖8與圖9的實驗測試中顯示。在沸騰過程中的結構退化隨時間損害導熱能力。所以，圖8中溫差增加。圖9的SEM顯微照片也可見地證實了結構的退化。在本發明中，在電極定位過程中，電極之間的距離在1-100mm之間變化，可使用1-10A/cm2的電流密度。該過程不需要高純度的銅或其它的類型表面。另外，電沉積前，可接受寬範圍的表面粗糙程度(從具有5nmRMS的光滑表面到具有大的表面粗糙程度的常規加工面)，這在現有技術中沒有確定。為了控制孔徑，在電沉積過程中使用0.1-10巴的寬範圍的壓力。在陽極與陰極的不同位置處進行電沉積。在現有技術中，應該使用朝上的陰極(基底，表面)與朝下的陽極相距2cm的水平平行排列。本發明中，所有類型的平行排列是可能的水平地帶有朝上的或朝下的陰極，垂直地，或以任意角度，該系統的電極之間的距離為1-100mm。其優點是我們可以將該結構應用於帶有任意電極排列的任意幾何形狀。通過改變方向，可能改變結構的形態及在一定的排列時使用較低的電流密度。這為在許多不同的應用中使用並定製結構提供了可能性。具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒的壁結構表面層的導熱性能通過退火過程明顯增強，因為導熱取決於樹枝狀結構的導熱性。已經實驗證明退火過程提高了結構的導熱能力及機械穩定性。在沸騰條件下結構的機械穩定性對於本發明的可用性是一個重要的特徵。實驗測試已經顯示在長時間的沸騰測試中，未退火的表面退化，而退火的表面不退化。圖8顯示使用4巴的飽和壓力和5W/cm2的熱通量，未退火的表面在較長時間的沸騰過程中退化的例子。由於未退火的結構在沸騰過程中崩潰，其作為強化表面的效力減弱，溫差隨著時間加大。在長時間沸騰後的目視檢查證實結構已經明顯地退化。已經製造了8個不同的具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的銅納米微粒壁結構的表面層，並測試了其沸騰導熱能力。在4巴的壓力和0，1-10W/cm2的熱通量下，在々包和的R134a的池中進行測試。已經討論了結構的高沸騰性能的可能原因。研究得到的主要結論是確認影響結構的產生及其特徵的重要變量是，如電沉積中的表面朝向、電解液的壓力及溫度、最終的在還原性氣氛下表面的熱處理。已經表明該結構顯示出極好的沸騰特徵，在1W/cm2和10W/cm2的熱通量時溫差分別低於0.3。C和1.5°C,且具有80小時以上的穩定性能。在500。C退火處理5小時，增加了樹枝狀分支的粒度並提高了顆粒之間的連通性。這些對於結構的微米及亞微米等級的改變已表明是退火後結構的導熱能力提高的原因。已經把結構作為強化沸騰表面的適宜性歸因於其高的孔隙率(~94%)、樹枝狀形成的且異常大的表面積、及高密度的良好配置的蒸氣逸出通道(50-1500/mm2)。已表明電解液添加劑對於沉積材料的形態及物理性質如亮度、光滑度、硬度及延展性具有巨大的影響。本發明的電解液添加劑在宏觀等級((im等級)與微觀等級(nm等級)上改變了結構的形態，在下面的沸騰測試中產生了不同的性能。例如，由圖2可見，加入極少量的HC1，結構的三維互連性極大地改變，並且納米等級的分支的大小急劇地減小。在圖3中可見從通過電沉積過程產生的基底表面上刮下的納米微粒粉末的TEM顯微照片。已經進行了實驗測量的不確定性分析，其中，目標是評估報告的導熱係數測量的不確定性。使用了描述實驗中不確定性的Kline與McClintock1953,"DescribingUncertaintiesinSingleSampleExperiments",MechanicalEngineering,75,pp.3-8.的方法。導熱係數(HTC)是以下4個自變量的函數通過加熱器的電流(/)、加熱器的電阻(A)、沸騰表面的直徑(d)及表面與大量測試液體之間的溫差(zir)。表1顯示了每個變量的不確定性。表1tableseeoriginaldocumentpage17由於強化表面在這裡顯示的熱通量範圍內以小的溫差沸騰，溫度測量的精確性對計算的HTC具有重要的影響，見表2。所以，在低熱通量下的測量，即，導致小的zir與較好的性能表面(在小」7T的導熱)，具有最大的總體不確定性。數據記錄器中的電壓測量的解析度相當於0.008。C,最大誤差相當於士0.06。C，在可用範圍內的函數誤差(從電壓轉換為溫度)低於士O.OOl。C。在熱穩定條件下，實驗設置中的所有溫度都在士0.04。C之內，在校準過程中的標準差低於O.OOl°C。通過廣泛的校準，且考慮測量溫差，已經評估溫差(Ar)的不確定性區間為±0.1。C(機率20:1)。由於在表面下方2mm處測量溫度，已經利用傅立葉傳導定律與銅的400Wm"K"熱傳導率修正了在測量點與表面之間產生的溫度下降。熱電偶的確切位置的不確定性士O.lmm是誤差分析的因素，在高熱通量(10W/cm2)下產生了額外的±0.025。C的溫差(AD不確定性，在低熱通量(lW/cm2)下為士0.025。C。表2顯示了對於兩個不同的表面(參考表面與強化表面)在高及低熱通量下(分別為10W/cn^與1W/cm2)、4巴下的誤差分析的結果。使用有限元解算器(FEMLAB3.0)和Incropem與DeWitt,FundamentalsofHeatandMassTransfer,Wiley，pp.545-551,Chap.9的自然對流相關性計算通過特氟綸絕緣體的熱量損失。表2底端顯示相對熱量損失。這項工作中顯示的HTC未對量化的熱量損失進行校正。兩個選擇的測試表面的總體結合不確定性也包括在圖7中。表2tableseeoriginaldocumentpage18強化表面及其製造Li，S.,2004"SurfaceEngineeringforEnergyApplications",MasterThesis,RoyalInstituteofTechnology,Stockholm及Shin等人，"NanoporousStructuresPreparedbyanElectrochemicalDepositionProcess"AdvancedMaterials,15,(19)，pp.1610-1614提及了電沉積過程的基本原理、結構的製造及各種參數的影響。為了製造一種測試表面，使用了下面的方法使用磨光的銅圓柱體作為陰極，銅板作為陽極。將兩個電極表面以20mm的距離平行固定在電解液中。電解液為1.5M的硫酸(H2S04)溶液與各種濃度的硫酸銅(CuS04)溶液。在沉積過程中，使用精密DC電源(Thurlby-ThandarTSX3510),提供恆定DC電流。在室溫的、穩定的電解液中在不需攪拌或鼓N2氣泡的條件下進行沉積。公認電沉積是建立及改變三維結構的合適的方法，見Xiao等人2004，"TuningtheArchitectureofMesostructuresbyElectrodeposition",J.Am.Chem.Soc.126,pp.2316-2317。通常抑制電沉積過程中氬的釋放，因為它導致低的電流效率並降低沉積金屬層的密度。陰極上的氫氣泡釋放正好是導致預期的規則隔開、規則形狀的微米大小的多孔結構(這裡也稱為大孔)形成的因素。圖1顯示微米大小的多孔結構及樹枝狀的亞結構的SEM與TEM圖像，其中，SEM圖像標記為A-C，TEM圖像標記為D。樹枝狀分支的具體分析表明分支包括納米大小的1-1000nm之間的顆粒。在沉積過程中，樹枝狀的銅結構的生長在一定位置被氬氣泡阻止，因此氫氣泡作為沉積過程中的動態遮蔽模板發揮功能。氫氣泡離開表面、升起並合併成較大的氣泡，結果沉積的銅結構的孔徑隨著離開表面的距離而增大，這從各種沉積時間製造的結構的SEM圖像可清楚地看出。沉積過程可描述為氫離開表面釋放並合併與金屬在表面的沉積之間的竟爭。在低電流密度(<2A/cm2)時，氫氣泡的頻率與成核密度低，產生了沒有任何孔的緻密的樹枝狀的結構，但是，在SEM圖像中只能看見其中氫氣泡模板的痕跡。在提高的電流密度(^3A/cm2)時，氣泡群、頻率及合併增加到一定的程度，以至於氣泡在陰極上產生了持久的空間，從而作為遮蔽模板發揮功能，產生預期的結構。阻止銅沉積的膜電解在非常高的電流密度下發生，這是一種類似於膜沸騰的現象。已經發現了一些不同的參數影響電沉積過程及納米與微米等級的樹枝狀結構的特徵。最重要的是沉積時間、電流密度及碌u酸與碌u酸銅的摩爾濃度。如圖5所示，在1.5MH2S04與0.4MCuS04下，厚度、孔徑及沉積量幾乎是沉積時間的線性函數。陰極的朝向也影響氫釋放與銅沉積的動力學。所有液池沸騰的結果與討論都是基於其中陰極處於面朝上的0。水平位置的電化學沉積過程，但已發現陰極處於任何位置沉積也能發生。陰極處於垂直的90。角，結果與0。時幾乎相同。但是，陰極處於面朝下的180。位置時，氫氣泡不易離開，卻合併最終形成遮蓋整個表面的大氣泡。因此，在大約25秒沉積後，銅沉積完全被阻斷。該結構類似於在0°與90。時製造的結構，但由於生長只持續了25秒，結構的厚度受限。另外，由於氣泡結合併停留在180°沉積表面上，需要較小的電流密度來產生多孔結構。由於可以在任何方向的表面上製造結構，可以將具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒壁結構的表面層施加到許多不同的幾何形狀上，該幾何形狀可以是感興趣的導熱應用，如板狀熱交換器、管內或管外、翅片等。不同的電解液添加劑、溫度及壓力也是可變參數，結果可改變樹枝狀的形成及結構的孔徑與孔的形狀。通過略述的方法產生的樹枝狀表面是相當脆的。退火過程穩定了結構，進一步增強了在大部分條件下的沸騰導熱。在退火過程中，將表面放置於烘箱中，在其中它暴露於高溫氫氣中。所示的退火處理在500。C下進行5小時，不包括烘箱的預熱與冷卻時間。在退火處理之後，微米大小的多孔結構保持完整(孔徑、厚度及孔密度)，但由於樹枝狀分支粒度的生長，結構的亞微米相關的特徵改變。圖4顯示退火之前(A與C)與退火之後(B與D)的表面。由於顆粒在退火處理過程中生長，整個結構的互連性與穩定性也增加，這很容易通過目視證實。在退火後的樹枝狀分布的納米微粒的最終粒度為1-2000nm。觀察到，結構上的擦痕或凹痕形式的表面粗糙程度導致各種不規則性。因此，為了保證高的重現性，全部銅圓柱體在控制條件下製備。首先用逐漸增加微粒度的旋轉砂紙將表面磨光，最後一步，在轉盤上用金剛石研膏(1nm)將表面磨光。產生的表面粗糙程度測為大約5nm<RMS<10nm(Talystep)。為了去除灰塵與有機化合物，電沉積前在超聲丙酮浴中處理該表面。表3tableseeoriginaldocumentpage21表3顯示7個已經測試的表面的一些結構特徵的概要。圖6顯示包括參考表面在內的8個不同表面的沸騰曲線。為了進一步說明不同結構的沸騰特徵，圖7顯示導熱係數相對於熱通量的曲線。圖7也顯示兩個選擇的表面的不確定性限度。從圖6可見，參考表面嚴格遵循由Cooper"HeatFlowRatesinSaturatedNucleatePoolBoiling-AWideRangingExaminationUsingReducedProperties",y^va"c&s1//(^rra似/w，AcademicPress,Orlando,pp.203-205提出的著名的相關性(4巴:120(im退火(120|um-a)的表面及220|am-a表面在直至7W/cm2時表現好於其未退火的對應物，而在7W/cm2之上則是未退火的表面表現稍好。在低熱通量時，退火的表面120lum-a與220lum-a表現異常好，在1W/cm"時具有大約0.3。C的表面過熱。這與在同樣的熱通量下表面過熱為4.4。C的參考表面相比較，HTC提高了超過16倍。在10W/cr^的高熱通量下，120pm未退火的表面具有1.4。C的表面過熱，而參考表面記錄為9.4。C,HTC提高了幾乎7倍。表明結構的非常有效的導熱能力由以下結構特徵引起合適的蒸氣逸出通道從圖l及圖4的頂視圖看出，結構的孔被認為在沸騰過程中作為蒸氣逸出通道發揮作用。由於在電沉積過程中由上升的氫氣泡模板形成了孔，留下了逐漸增長的及相互貫通的孔的痕跡，形成從底到頂穿透整個結構的通道。這個特徵，與高的孔密度(在80、120及220iam的不同結構高度時分別為470、150及100/mm2)—起，確保在結構內部的蒸發過程中產生的蒸氣能以低阻力從樹枝狀結構快速地釋放。在結構的生產過程與其本身沸騰現象之間的有趣的相似性是顯著的。離開的氫氣泡尋求最低阻力的路徑，從而產生低阻抗蒸氣逸出通道。80pm-a結構的SEM圖像顯示樹枝狀粒度的增加已經背離了結構中的許多小的表面孔的形狀，因而，與相同厚度的未退火的結構相比，增加了蒸氣及液體流動的阻力。因此，80pm-a表面比其未退火的對應物表現差。80iam-a結構的這一現象證實了蒸氣逸出通道對於有效的大量轉運是重要的。高的孔隙率通過比較測量的結構密度與銅的密度而計算出的結構的異常高的孔隙率，促進了液體的流入及蒸氣的流出。圖8顯示在5W/cin2T幾乎20小時長的沸騰測試的結果。表面的過熱的穩定性，記錄到只增加了0.05。C,這在重新開始時逆轉，表明在結構內部沒有較大的蒸氣幹區(drypatch)形成，但通過多孔結構的液體供應是有效的。否則，乾燥蒸氣區會長大並在表面產生局部乾燥點。長時間的沸騰測試也顯示了結構的耐用性。樹枝狀分枝的形成從圖l及圖4可見，結構的特徵為具有異常大的表面積，這能促進對於多孔表面具有高蒸發速率的薄液體膜的大量形成。另外，結構中形成具有鋸齒狀橫截面的樹枝狀分枝，可以產生長的三相線，它由氣-液界面與樹枝狀分支交叉形成，在突起的微結構中作為重要的沸騰增強機構。退火表面相比未退火表面的沸騰特徵，似乎表明表面不規則性對於由微米至亞微米等級的微粒形成的樹枝狀分支具有影響。從圖l及圖4可見，未退火結構的樹枝狀分支具有較大的表面積，這可以解釋甚至在較高熱通量下HTC的持續增加，如圖7所見。在較低的熱通量下，納米及微米等級的顆粒提高的互連性導致退火結構的導熱性提高，這可以解釋退火結構比未退火結構性能提高的原因。在退火的表面中，較厚的結構比較薄的結構表現更好，但是對於未退火的結構，厚度超過120ium的結構的性能會逐漸降低。這種表現可能與過熱的熱邊界層的厚度相關。結構超過熱邊界層厚度的額外的高度增加了結構內部蒸氣及液體流動的流體阻力，並因此抑制了結構的導熱性能。過熱的熱邊界層的厚度是結構的導熱率的函數。因此，具有提高的導熱性的退火結構，隨著厚度增加，甚至在超過120pm之後，仍顯示更好的性能。權利要求1.具有沸騰表面的熱交換裝置，該沸騰表面包括安置於固體基底上的多孔表面層，該多孔表面層包括限定並分隔大孔的多孔壁結構，大孔在垂直於基底表面的總方向上相互連通，具有大於5μm、小於1000μm的直徑，其中，孔的直徑隨著離開基底的距離逐漸增加，其中，多孔壁結構是連續性的分支結構。2.根據權利要求1的熱交換裝置，其中，所述基底及多孔表面層由相同或不同的金屬材料組成。3.根據權利要求2的熱交換裝置，其中，所述金屬材料選自鐵、鎳、鈷、銅、鉻、金、鎂、錳、鋁、銀、鈦、柏、錫、鋅及其任意合金。4.根據權利要求1的熱交換裝置，其中，所述沸騰表面安置於板式熱交換器中、管殼式熱交換器的管內或管外、電子冷卻器的熱表面上、熱導管的蒸發側、製冷裝置中、空調裝置及泵熱裝置中、熱虹吸器中、高效蒸發器中、水冷式內燃機中的冷卻管道中，等等。5.根據權利要求1的熱交換裝置，其中，所述沸騰表面設置為與流體接觸，所述流體選自水、氨、二氧化碳、醇類、烴類、納米流體及卣代烴如氟代烷烴、氟氯烴化合物。6.根據權利要求1的熱交換裝置，其中，所述熱交換裝置是液池沸騰型或流動沸騰型，或其組合。7.—種多孔表面層，其包括限定並分隔大孔的多孔壁結構，大孔在垂直於基底表面的總方向上相互連通，具有大於5jum、小於1000pm的直徑，其中，孔的直徑隨著離開基底的距離逐漸增加，其中，多孔性壁結構是連續性的分支結構。8.根據權利要求7的多孔表面層，其中，所述多孔表面層由金屬材衝十組成。9.根據權利要求8的多孔表面層，其中，所述金屬材料選自鐵、鎳、鈷、銅、鉻、金、鎂、錳、鋁、銀、鈦、柏、錫、鋅及其任意合金。10.在基底上形成表面層的方法，包括以下步驟沉積包括限定和分隔大孔的多孔壁結構的表面層，大孔在垂直於基底表面的總方向上相互連通，具有大於5ium、小於1000pm的直徑，其中，孔的直徑隨著離開基底的距離逐漸增加，其中，多孔性壁結構由樹枝狀分布的納米^f鼓粒組成，和改變該多孔性壁結構成為連續性的分支結構。11.根據權利要求10的方法，其中，改變多孔性壁結構的步驟包括在高於100°c且低於沉積材料的熔點的溫度下、在非氧化氣氛中將表面層退火。12.根據權利要求ll的方法，其中，退火時間超過l分鐘且少於5天。13.根據權利要求ll的方法，其中，退火時間超過l小時且少於24小時。14.根據權利要求10-13中的任一項的方法，其中，改變多孔性壁結構的步驟包括在多孔性壁結構的表面上控制沉積1nm-10pm的固體層。15.根據權利要求14的方法，其中，薄固體層的沉積通過電沉積或氣相沉積來進行。16.根據權利要求10-14中的任一項的方法，包括在表面層沉積步驟之前，在基底表面上控制沉積lnm-10iim的固體層的步驟。17.根據權利要求16的方法，其中，通過電沉積或氣相沉積來進行薄固體層的沉積。18.根據權利要求10-17中的任一項的方法，其中，通過產生限定大孔的氣泡的控制電沉積過程來進行表面層的沉積，從而使材料沉積在基底上，以形成具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒壁結構的表面層。19.根據權利要求10-17中的任一項的方法，其中，通過產生限定大孔的氣泡的控制氣相沉積過程來進行表面層的沉積，從而使材料沉積在基底上，以形成具有規則隔開、規則形狀的微米大小的孔及樹枝狀分布的納米微粒壁結構的表面層。20.根據權利要求10-19中的任一項的方法，其中，沉積材料是金屬，如鐵、鎳、鈷、銅、鉻、金、鎂、錳、鋁、銀、鈦、柏、錫、鋅及其任意合金。全文摘要本發明涉及具有沸騰表面的熱交換裝置，沸騰表面包括安置於固體基底上的多孔表面層，該多孔表面層包括限定並分隔大孔的多孔壁結構，大孔在與基底表面垂直的總方向上相互連通，具有大於5μm、小於1000μm的直徑，其中，孔的直徑隨著離開基底的距離逐漸增加，其中，多孔壁結構是連續性的分支結構。文檔編號C23C14/16GK101421579SQ200780013060公開日2009年4月29日申請日期2007年3月2日優先權日2006年3月3日發明者布約爾恩·帕爾姆,李尚華,理察·弗伯格,穆罕米特·託普拉克,馬穆恩·穆罕默德申請人:理察·弗伯格;布約爾恩·帕爾姆;李尚華;馬穆恩·穆罕默德;穆罕米特·託普拉克