RU2816280C1 - Method of feeding microdroplets of liquid onto heated surface of solid body - Google Patents
Method of feeding microdroplets of liquid onto heated surface of solid body Download PDFInfo
- Publication number
- RU2816280C1 RU2816280C1 RU2023127290A RU2023127290A RU2816280C1 RU 2816280 C1 RU2816280 C1 RU 2816280C1 RU 2023127290 A RU2023127290 A RU 2023127290A RU 2023127290 A RU2023127290 A RU 2023127290A RU 2816280 C1 RU2816280 C1 RU 2816280C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid
- microdroplets
- dry spot
- heating element
- heated
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 73
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 11
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 abstract description 10
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 abstract description 10
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 8
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 6
- 238000005339 levitation Methods 0.000 abstract description 5
- 230000005484 gravity Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 9
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 8
- 230000005499 meniscus Effects 0.000 description 5
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 5
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 5
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 230000005486 microgravity Effects 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004581 coalescence Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229940066294 lung surfactant Drugs 0.000 description 1
- 239000003580 lung surfactant Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003075 superhydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 229910021642 ultra pure water Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012498 ultrapure water Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of droplet microfluidics, hydrodynamics and heat transfer in the field of two-phase and dispersed systems, as well as cooling of electronic equipment. The invention makes it possible to simplify the process of supplying microdroplets of liquid to a heated surface of a solid and make it controllable. In particular, the invention describes a new method for creating a flow of liquid microdroplets of various sizes and different densities, including highly rarefied ones down to single droplets, which, under the influence of super-intense evaporation in the area of the gas-liquid-solid contact line and gravity, can be directed towards the solid surface. When dispensing and moving microquantities of liquid, the effect of levitation of microdroplets of liquid, caused by the thermal effect on the reservoir with the donor liquid, is used.
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.The search for new methods for significantly intensifying heat transfer is one of the most pressing problems in the field of thermophysics and energy. The global goal is to intensify heat transfer in order to achieve heat transfer coefficients of the order of 100-300 kW/m2⋅K and more. An important unsolved problem remains the removal of high and ultra-high heat fluxes (more than 1 kW per 1 square cm) from various electronic components. In the article (Pukhovoy M.V., Bykovskaya E.A., 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) it is shown that one of the most effective methods of heat removal is spray and gas-spray cooling. In this cooling method, the heated surface is bombarded by a flow of microdroplets of liquid. Despite the relatively high efficiency of heat transfer, the experimental results give average values of heat transfer coefficients 1-2 orders of magnitude lower than predicted by theoretical models. This fact shows that spray and gas-spray cooling systems require further study and optimization. One problem is that in scientific experiments, droplet streams are typically generated using different nozzle designs. The disadvantage of these technical solutions is that, as a rule, it is impossible to create droplets smaller than 20-30 microns. A whole spectrum of droplet sizes is generated. In this case, the number of drops falling on the heat exchange surface per second is hundreds, thousands or more, depending on the flow rate of liquid and gas. Falling drops interact with the heating surface, with a layer of liquid on this surface, coagulate, rebound, and spread in various directions. In general, this creates a very complex picture that defies theoretical analysis. Precision measurements needed to test scientific hypotheses and theoretical models are also impractical. An example of one such work is (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). For cooling, a spray is used, directed at the heated element at a certain angle α (0-55 degrees), which is measured from the vertical.
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.There are commercial droplet generators on the market. They are based on the development of hydrodynamic instability in the falling jet by creating artificial vibrations. The advantage of such systems is that they generate individual droplets or droplets following in a train. The disadvantage of these technical solutions is that, as a rule, it is impossible to create droplets smaller than 20-30 microns. In addition, the cost of such systems is usually quite high. They are usually large in size, which can cover a significant part of the field of view and do not allow the use of modern high-precision optical research methods, for example, the Schlieren method, high-speed photography, etc.
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).The closest technical solution is described in the articles (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.The above-mentioned works were the first to study the effect of levitation of a monolayer of microdroplets of liquid over a solid heated surface. FIG. 3. The authors formed a dry spot in a horizontal heated thin layer of liquid located in a cuvette using a gas jet pulse. A meniscus of liquid formed around the dry spot. Due to the evaporation of liquid and condensation of steam in the air space at some distance from the cuvette, a levitating monolayer of microdrops was formed. Under the influence of gravity, levitating drops rolled down the meniscus, bounced due to super-intense evaporation in the area of the gas-liquid-substrate contact line, and fell onto the heated surface of the solid in the central part of the dry spot. In the work of the patent authors (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) a triangular profile groove was used to stabilize the dry spot.
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.The disadvantage of the mentioned technical solutions is the fact that drops falling onto the heated surface of a solid body in the central part of a dry spot in almost all cases do not touch the solid surface, but levitate above it due to intense evaporation. This is due to the relatively high temperature of the substrate, usually above 60°C. It is not possible to lower the temperature in the presented design, otherwise the device will not provide evaporation and droplet formation. This design feature does not allow the proposed device to be used to study the interaction of microdroplets with a surface, as well as to study the process of evaporation of single microdroplets or a group of microdroplets sitting on a surface. In addition, the solutions proposed above were developed only for the case of using ultrapure water. In the case of using liquids with relatively low surface tension, such as ethyl alcohol, FC-72, i.e. liquids that wet structural materials well, a dry spot will be unstable, i.e. triangular groove may not be sufficient to stabilize the dry spot.
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.The objective of the claimed invention is to increase the efficiency of the device for supplying drops to a heated surface by ensuring the stability of the dry spot, expanding the range of liquids used, as well as ensuring the process of interaction of microdroplets of liquid with the heated surface of a solid.
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».The problem is solved by the fact that in a method of supplying microdroplets of liquid to a heated surface of a solid body, in which liquid is supplied to a substrate heated by a heating element, a dry spot is formed in a horizontal heated thin layer of liquid, and microgrooves are formed on the surface of the substrate to stabilize the dry spot,according to the invention, a heating element divided into a liquid heating element and a dry spot heating element, so that the dry spot and the liquid layer have different temperatures and heat flows, and the heating elements are separated by thermal decoupling, and the angle between the substrate plane and the microgroove side is from 45 to 180 degrees. The cross-sectional shape of the microgroove can be triangular, rectangular, or dovetail.
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].To ensure the stability of the dry spot in the event of liquid pulsations, pressure, vibrations of the system, deviation of the system from the horizontal position, non-uniform or non-stationary heat release on the heating elements, microgrooves 7 are located on the surface of the substrate around the dry spot, limiting the area of liquid distribution. Microgroove completed so that its width is much smaller than the size of the dry spot, and the angle between the substrate plane and the side of the microgroove is in the range from 45 to 180 degrees (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). The cross-sectional shape of the microgroove can be triangular, rectangular, or dovetail. The effectiveness of a microgroove depends on the angle between the plane of the substrate and the side of the groove; the larger this angle, the more effective the stabilizing effect of the microgroove. The microgroove keeps liquid from spreading using a sharp edge effect. The use of the sharp edge effect as a barrier against liquid spreading was first proposed by Gibbs [Gibbs, J.W. Scientific Papers, p. 326, 1906]. This idea was later developed and analyzed in the works [Fang, G., Amirfazli, A.: Understanding the edge effect in wetting: a thermodynamic approach. Langmuir (2012). doi:10.1021/la301623h], and also studied experimentally in [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.The liquid surface near the sharp edge of the microgroove forms an equilibrium contact angle θ with the substrate surface, as shown in Fig. 2 . This angle is determined by the interaction of gas, liquid and solid molecules. In order for the liquid to overcome the sharp edge of the solid, the contact angle must reach the corresponding critical angle θc=α+θ, where α is the angle between the plane of the substrate and the side of the microgroove. When the liquid reaches a position where the contact wetting angle reaches the critical angle θc, the liquid is fixed on the edge of the solid body (edge of the microgroove), i.e. wets it. Thus, the contact angle with a solid surface can be increased by using a sharp edge. The greater the angle between the plane of the substrate and the side of the groove, the more efficient it is, but the cost of manufacturing such a groove can increase significantly. Microgrooves are made using an excimer laser, electrical discharge method or other method. The microgroove width can be 20-100 microns. A dry spot is created automatically when liquid is supplied to the cuvette 14 by means of a pump or dispenser 8. In addition, the dry spot in this case has a regular round, square or rectangular shape, which simplifies research. The microgroove 7 and thermal decoupling 6 can be made one above the other, i.e. at the same distance from the center of the device, to minimize the distance from the liquid meniscus to the surface under study. As a result, the proposed system makes it possible to supply microdroplets of liquid onto the heated surface of a solid body in a continuous mode for a long time.
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.Based on research conducted by the authors of the patent, the diameter of microdroplets of liquid can range from 2 to 50 microns. The number of droplets and their size are controlled by the power of the heater 5, as well as the size of the cuvette 14. The larger the size of the cuvette, the greater the number of droplets that the forming monolayer can contain and the greater the number of droplets that can fly to a dry surface. The greater the power of the heater 5, i.e. the heat flow supplied to the liquid layer 2, the larger the diameter droplets can be retained by the vapor - gas flow. Research has shown that microdrops fall onto the surface of a dry spot at a distance of 50-300 microns or more from the gas-liquid-solid contact line. The smaller the droplets, the greater this distance. Therefore, it is recommended to make the groove at the very edge of the heating zone of the heater 5. If the zone of groove 7 and thermal decoupling 6 does not exceed 20-50 microns, then all drops will fall into the dry spot zone with well-controlled heating.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства для подачи микрокапель жидкости на нагретую поверхность твердого тела, где:In fig. Figure 1 shows a general view of a device for supplying microdroplets of liquid onto a heated surface of a solid, where:
1 - подложка;1 - substrate;
2 - слой жидкости;2 - liquid layer;
3 - сухое пятно;3 - dry spot;
4 - нагревательный элемент сухого пятна;4 - dry spot heating element;
5 - нагревательный элемент жидкости;5 - liquid heating element;
6 - тепловая развязка (заполнена воздухом);6 - thermal decoupling (filled with air);
7 - микроканавка;7 - microgroove;
8 - дозатор жидкости;8 - liquid dispenser;
9 - тепло- и электроизоляция;9 - thermal and electrical insulation;
10 - линия контакта газ - жидкость - твердое тело;10 - contact line gas - liquid - solid;
11- монослой левитирующих микрокапель;11- monolayer of levitating microdroplets;
12- подпрыгивающие микрокапли;12- bouncing microdrops;
13- капли, падающие на исследуемую поверхность;13- drops falling on the surface under study;
14 - кювета (показана только одна ограничительная стенка);14 - cuvette (only one limiting wall is shown);
15 - мениск жидкости.15 - meniscus of liquid.
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.). In fig. Figure 3 shows the transfer of microdroplets of liquid through the contact line gas - liquid - substrate onto a dry surface: a) side view; b) top view. Photo taken from the work (Kabov OA, Zaitsev DV, Kirichenko DP, Ajaev VS 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.The method is carried out as follows.
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.Liquid is supplied to the substrate 1, which contains a microgroove 7, from a dispenser 8. The liquid spreads over the substrate 1 and is stopped by the microgroove 7, so that a thin layer of liquid 2 is formed. A dry spot 3 is formed in the center of the substrate. The spreading of the liquid is also limited by the restrictive walls of the cuvette 14. Substrate 1 can be round, square or rectangular. The microgroove 7 and, accordingly, the dry spot 3 can also have a cylindrical, square or rectangular shape. The dry spot 3 may have a transverse linear size of the order of 1.5-5 mm. The dry spot 3 and the liquid layer 2 are heated by heating elements 4 and 5, respectively, so that they have different temperatures and heat flows. The heating elements are separated by thermal decoupler 6 (filled with air) to minimize the mutual influence of the heaters. Heating elements 4 and 5 are protected from below by thermal and electrical insulation 9. Heating element 5 is turned on, liquid 2 is heated and evaporates into the atmosphere surrounding the device. Due to the condensation of steam in the air space above the liquid layer 2, a levitating monolayer of microdroplets 11 is formed. Under the influence of gravity, part of the levitating microdroplets 12 rolls down along the meniscus 15 and bounces due to super-intense evaporation in the area of the gas-liquid-substrate 10 contact line. Microdroplets 13 fall to heated surface of a solid in the central part of a dry spot and can be used to study the interaction of droplets with the substrate, coalescence of droplets, or their evaporation.
Claims (4)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2816280C1 true RU2816280C1 (en) | 2024-03-28 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2640887C1 (en) * | 2016-12-30 | 2018-01-12 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Flat efficient condenser-separator for microgravitation and transport applications |
| RU2649170C1 (en) * | 2016-12-30 | 2018-03-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Method of electronic equipment cooling using combined film and drop liquid flows |
| RU2706325C1 (en) * | 2018-12-25 | 2019-11-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Method of cooling electronic equipment with film and droplet flows of liquid using finning |
| CN210689272U (en) * | 2019-07-02 | 2020-06-05 | 汶川县神州锆业科技有限公司 | Water cooling pipe for dust remover |
| RU2760884C1 (en) * | 2020-12-29 | 2021-12-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Two-phase, hybrid, single-component electronic equipment cooling system |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2640887C1 (en) * | 2016-12-30 | 2018-01-12 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Flat efficient condenser-separator for microgravitation and transport applications |
| RU2649170C1 (en) * | 2016-12-30 | 2018-03-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Method of electronic equipment cooling using combined film and drop liquid flows |
| RU2706325C1 (en) * | 2018-12-25 | 2019-11-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Method of cooling electronic equipment with film and droplet flows of liquid using finning |
| CN210689272U (en) * | 2019-07-02 | 2020-06-05 | 汶川县神州锆业科技有限公司 | Water cooling pipe for dust remover |
| RU2760884C1 (en) * | 2020-12-29 | 2021-12-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Two-phase, hybrid, single-component electronic equipment cooling system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kim | Spray cooling heat transfer: The state of the art | |
| Wang et al. | Investigation of a spray cooling system with two nozzles for space application | |
| Zaitsev et al. | Levitation and self-organization of liquid microdroplets over dry heated substrates | |
| Kim et al. | Evaporative spray cooling of plain and microporous coated surfaces | |
| Misyura et al. | Interaction of two drops at different temperatures: The role of thermocapillary convection and surfactant | |
| Karwa et al. | Experimental study of non-boiling heat transfer from a horizontal surface by water sprays | |
| Mori et al. | Critical heat flux enhancement by a two-layer structured honeycomb porous plate in a saturated pool boiling of water | |
| Amon et al. | Microelectromechanical system-based evaporative thermal management of high heat flux electronics | |
| Koukoravas et al. | Spatially-selective cooling by liquid jet impinging orthogonally on a wettability-patterned surface | |
| Hsieh et al. | Spray cooling heat transfer on microstructured thin film enhanced surfaces | |
| Günay et al. | Droplet evaporation dynamics on microstructured biphilic, hydrophobic, and smooth surfaces | |
| Misyura et al. | Water evaporation on structured surfaces with different wettability | |
| Ni et al. | Experimental and computational investigation on synergistic enhancement spray cooling using micropillars and capillary-driven wicking hybrid structures | |
| RU2816280C1 (en) | Method of feeding microdroplets of liquid onto heated surface of solid body | |
| Zhang et al. | Elevating Leidenfrost temperature by orderly droplet stream impingement boiling | |
| Azarkish et al. | Water evaporation phenomena on micro and nanostructured surfaces | |
| RU2822382C1 (en) | Method of creating stream of liquid microdroplets | |
| Feoktistov et al. | Biphilic heat exchange surfaces for drip irrigation cooling systems | |
| Nampoothiri et al. | Generation of micron-sized droplet streams by high frequency electric fields | |
| Hirokawa et al. | Experiments on heat transfer characteristics of shear-driven liquid film in co-current gas flow | |
| RU2824439C9 (en) | Device for forming stream of liquid microdroplets with possibility of changing microdroplet density | |
| Sahu et al. | Effect of liquid splattering on thermal performance of jets and sprays over plain and pillared surfaces | |
| RU2824439C1 (en) | Device for forming stream of liquid microdroplets with possibility of changing microdroplet density | |
| Fedorets et al. | Droplets jump at the cluster coalescence with the locally heated liquid layer | |
| Zaitsev et al. | Micro-droplet cluster dynamics in a heated layer of liquid at dry spots formation |