[發明專利]具有圖案化浸潤性表面的冷凝管制備方法

有效

• 申請號: 201711093682.5
• 申請日: 2017-11-08
• 公開（公告）號: CN107931970B
• 公開（公告）日: 2019-06-11
• 發明（設計）人: 謝劍;徐進良;李享;尚煒
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: B23P15/00
• 分類號: B23P15/00;B23P15/26;F28B9/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

本發明公開了屬于換熱設備技術領域的一種具有圖案化浸潤性表面的冷凝管制備方法，該方法包括以下步驟：絲網貼附金屬管外表面、絲網與金屬管熱擴散焊、絲網掩膜下金屬管選擇性腐蝕與疏水化處理、絲網從金屬管上剝離。該方法充分利用了絲網柔韌性、廉價性、三維結構特征以及掩膜加工功能，巧妙地結合擴散焊和選擇性化學腐蝕等工藝，可在外觀形貌為曲面、材質為金屬的基底上低廉、大面積制備圖案化浸潤性表面，擴充了非硅微加工方法。構建的浸潤性圖案化表面冷凝管，可實現持續、高效滴狀冷凝，有利于冷凝器小型化、減少金屬消耗、降低換熱設備投資成本，是冷凝換熱器領域的革新技術與關鍵技術。

技術領域

本發明屬于換熱設備技術領域，涉及一種具有圖案化浸潤性表面的冷凝管制備方法。

背景技術

換熱器性能提升與小型化技術可降低金屬消耗量、減少系統設備投資、縮短投資成本回收周期，具有重要的工業應用和經濟價值。對于冷凝換熱，80年前即發現滴狀冷凝傳熱系數遠遠高于膜狀冷凝傳熱系數。得益于內表面微納加工技術的發展，滴狀冷凝傳熱得到了廣泛的科學研究。然而基于滴狀冷凝傳熱模式的冷凝器并未真正投入實際工業生產中，主要原因是滴狀冷凝持久性存在瓶頸。滴狀冷凝換熱進行一段時間后，由于表面結構穩定性等因素，冷凝模式轉換為膜狀冷凝，傳熱迅速惡化，達不到換熱器原有的設計負荷。具有親疏水相間的圖案化浸潤性換熱表面則是改善滴狀冷凝持久性的一個發展方向。現有圖案化浸潤性表面構造技術應用于換熱器仍然面臨諸多矛盾，具體情況總結如下：(1)現有圖案化浸潤性表面構造常借助于MEMS等微加工技術，該技術加工精細，但效率較低、成本較高，并不適合換熱器大面積與大規模應用的環境。(2)現有圖案化浸潤性表面構造技術所用基底常為硅、玻璃、PDMS等非金屬表面，而換熱器材質常為導熱性能優良的金屬材質，存在加工技術與加工材質不匹配的問題。(3)電火花等少數非硅微加工技術，雖然適合金屬基底并且成本可接受，但很難在曲面上加工，而管束狀冷凝器在工業中十分普遍，管子外壁面常為曲面。綜上所述，在冷凝管外壁構建圖案化浸潤性表面是一項艱巨的挑戰，更是滴狀冷凝換熱器實際應用于工業生產的前沿關鍵技術。

發明內容

本發明巧妙地結合絲網功能材料與熱擴散焊技術，充分利用了絲網柔韌性、廉價性、三維結構特征以及掩膜加工功能，提出了一種具有圖案化浸潤性表面的冷凝管制備方法。該方法適合管束換熱器加工基底材質為金屬、外觀形貌為曲面以及大面積、大規模應用的特征。制備的新型冷凝管外壁圖案化浸潤性表面可保證冷凝以持續滴狀模式進行，有利于冷凝液滴的快速脫落、提升冷凝換熱性能，是滴狀冷凝換熱器實際應用于工業生產的前沿關鍵技術。

具有圖案化浸潤性表面的冷凝管制備方法，主要包括以下四個步驟：絲網貼附金屬管外表面、絲網與金屬管熱擴散焊、絲網掩膜下金屬管選擇性腐蝕與疏水化處理、絲網從金屬管上剝離。

所述絲網貼附金屬管外表面的步驟中，絲網起始端平行于管子中軸線焊接在金屬管外表面一條母線上，絲網在金屬管周向上纏繞一圈，絲網末端與合適的配重相連，配重的拉應力保證絲網緊密地貼附在金屬管外表面。結果，絲網上筆直的緯絲被經絲架空不與管壁接觸，彎曲穿過緯絲的經絲則沿圓周方向周期性地接觸金屬管外表面。

所述絲網與金屬管熱擴散焊的步驟，其特征在于：貼附絲網的金屬管，在燒結爐中升溫到焊接溫度，保溫一定時間后冷卻到室溫。焊接溫度介于絲網材料熔化溫度與軟化溫度之間，同時也介于金屬管材料熔化溫度與軟化溫度之間。絲網與金屬管熱擴散焊完成后，周期性地接觸金屬管外表面的絲網經絲，在焊接溫度下與金屬管發生原子熱擴散，從而周期性地焊接在一起，在金屬管壁上形成陣列焊點。

所述絲網掩膜下金屬管選擇性腐蝕與疏水化處理的步驟，其特征在于：焊接有絲網的金屬管浸沒在化學溶液中，陣列焊點避免了覆蓋管壁區域的腐蝕和疏水化；絲網經絲、緯絲圍成的孔洞則允許化學溶液滲入，對管壁其余區域進行腐蝕和疏水化，產生超疏水納米結構。所采用的化學溶液同時含腐蝕試劑和疏水有機高分子成分：腐蝕試劑對應金屬管材質選用，腐蝕金屬管壁產生納米結構，提升表面粗糙度；疏水有機高分子，在納米結構上自組裝，實現表面超疏水性。