[发明专利]具有图案化浸润性表面的冷凝管制备方法

说明书

本发明公开了属于换热设备技术领域的一种具有图案化浸润性表面的冷凝管制备方法，该方法包括以下步骤：丝网贴附金属管外表面、丝网与金属管热扩散焊、丝网掩膜下金属管选择性腐蚀与疏水化处理、丝网从金属管上剥离。该方法充分利用了丝网柔韧性、廉价性、三维结构特征以及掩膜加工功能，巧妙地结合扩散焊和选择性化学腐蚀等工艺，可在外观形貌为曲面、材质为金属的基底上低廉、大面积制备图案化浸润性表面，扩充了非硅微加工方法。构建的浸润性图案化表面冷凝管，可实现持续、高效滴状冷凝，有利于冷凝器小型化、减少金属消耗、降低换热设备投资成本，是冷凝换热器领域的革新技术与关键技术。

技术领域

本发明属于换热设备技术领域，涉及一种具有图案化浸润性表面的冷凝管制备方法。

背景技术

换热器性能提升与小型化技术可降低金属消耗量、减少系统设备投资、缩短投资成本回收周期，具有重要的工业应用和经济价值。对于冷凝换热，80年前即发现滴状冷凝传热系数远远高于膜状冷凝传热系数。得益于内表面微纳加工技术的发展，滴状冷凝传热得到了广泛的科学研究。然而基于滴状冷凝传热模式的冷凝器并未真正投入实际工业生产中，主要原因是滴状冷凝持久性存在瓶颈。滴状冷凝换热进行一段时间后，由于表面结构稳定性等因素，冷凝模式转换为膜状冷凝，传热迅速恶化，达不到换热器原有的设计负荷。具有亲疏水相间的图案化浸润性换热表面则是改善滴状冷凝持久性的一个发展方向。现有图案化浸润性表面构造技术应用于换热器仍然面临诸多矛盾，具体情况总结如下：(1)现有图案化浸润性表面构造常借助于MEMS等微加工技术，该技术加工精细，但效率较低、成本较高，并不适合换热器大面积与大规模应用的环境。(2)现有图案化浸润性表面构造技术所用基底常为硅、玻璃、PDMS等非金属表面，而换热器材质常为导热性能优良的金属材质，存在加工技术与加工材质不匹配的问题。(3)电火花等少数非硅微加工技术，虽然适合金属基底并且成本可接受，但很难在曲面上加工，而管束状冷凝器在工业中十分普遍，管子外壁面常为曲面。综上所述，在冷凝管外壁构建图案化浸润性表面是一项艰巨的挑战，更是滴状冷凝换热器实际应用于工业生产的前沿关键技术。

发明内容

本发明巧妙地结合丝网功能材料与热扩散焊技术，充分利用了丝网柔韧性、廉价性、三维结构特征以及掩膜加工功能，提出了一种具有图案化浸润性表面的冷凝管制备方法。该方法适合管束换热器加工基底材质为金属、外观形貌为曲面以及大面积、大规模应用的特征。制备的新型冷凝管外壁图案化浸润性表面可保证冷凝以持续滴状模式进行，有利于冷凝液滴的快速脱落、提升冷凝换热性能，是滴状冷凝换热器实际应用于工业生产的前沿关键技术。

具有图案化浸润性表面的冷凝管制备方法，主要包括以下四个步骤：丝网贴附金属管外表面、丝网与金属管热扩散焊、丝网掩膜下金属管选择性腐蚀与疏水化处理、丝网从金属管上剥离。

所述丝网贴附金属管外表面的步骤中，丝网起始端平行于管子中轴线焊接在金属管外表面一条母线上，丝网在金属管周向上缠绕一圈，丝网末端与合适的配重相连，配重的拉应力保证丝网紧密地贴附在金属管外表面。结果，丝网上笔直的纬丝被经丝架空不与管壁接触，弯曲穿过纬丝的经丝则沿圆周方向周期性地接触金属管外表面。

所述丝网与金属管热扩散焊的步骤，其特征在于：贴附丝网的金属管，在烧结炉中升温到焊接温度，保温一定时间后冷却到室温。焊接温度介于丝网材料熔化温度与软化温度之间，同时也介于金属管材料熔化温度与软化温度之间。丝网与金属管热扩散焊完成后，周期性地接触金属管外表面的丝网经丝，在焊接温度下与金属管发生原子热扩散，从而周期性地焊接在一起，在金属管壁上形成阵列焊点。

所述丝网掩膜下金属管选择性腐蚀与疏水化处理的步骤，其特征在于：焊接有丝网的金属管浸没在化学溶液中，阵列焊点避免了覆盖管壁区域的腐蚀和疏水化；丝网经丝、纬丝围成的孔洞则允许化学溶液渗入，对管壁其余区域进行腐蚀和疏水化，产生超疏水纳米结构。所采用的化学溶液同时含腐蚀试剂和疏水有机高分子成分：腐蚀试剂对应金属管材质选用，腐蚀金属管壁产生纳米结构，提升表面粗糙度；疏水有机高分子，在纳米结构上自组装，实现表面超疏水性。