プール沸騰熱伝達実験は、熱伝達係数（HTC）のハイブリッド湿潤性パターンの影響を観察するために実施しました。調査のパラメータは、インターラインの数および修飾湿潤性表面のパターンの向きです。
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方法論記事
ハイブリッド湿潤性パターンを持つ円筒面上のプール沸騰熱伝達の強化
* These authors contributed equally
この記事について
サマリー
要約
この研究では、インターラインの数とハイブリッドウェッタブルパターンの向きの影響を調査するために、プール沸騰熱伝達実験が行われました。ハイブリッドウェッタブルパターンは、マスクされた疎水性の円筒形銅表面に超親水性SiO2をコーティングすることによって作製されました。脱イオン(DI)水を作動流体として使用して、直径25 mm、長さ40 mmのさまざまな表面処理銅シリンダーでプール沸騰熱伝達研究を行いました。実験結果から、インターラインの数とハイブリッドウェッタブルパターンの向きが、壁面の過熱度とHTCに影響を与えていることが示されました。インターラインの数を増やすことにより、プレーンサーフェスと比較した場合のHTCが強化されました。電荷結合素子(CCD)カメラから得られた画像は、他の部品と比較してインターライン上により多くの気泡が形成されていることを示しました。最下部が疎水性であるハイブリッドウェッタブルパターンは、最高の熱伝達係数(HTC)をもたらしました。実験結果から、表面の気泡のダイナミクスが核の沸騰を決定する重要な因子であることが示されました。
概要
10-10 5 W / cm 2の範囲で冷却提供高い熱フラックス維持システムは、エレクトロニクス、防衛、航空電子工学、および核のデバイス開発の新興分野で必要とされます。空気と従来の冷却は、自由及び強制対流の両方の条件のために低い熱伝達係数（HTC）をこれらの用途には不十分です。千W / cm 2と1 -例えば、プール沸騰のような相変化ベースの冷却技術は、沸騰する流れ、10のオーダーの高い熱流束を除去するのに十分です。二相熱伝達プロセスが等温であるため、冷却装置の温度は、その表面にわたってほぼ一定です。 、表面に沿った温度の無視できる変化に、デバイスの熱衝撃をなくすことができます。しかし、伝熱沸騰における主要な制限パラメータは、温度の異常上昇を引き起こす臨界熱流束（CHF）であり、2 。
過去数十年で、広範な研究は、表面改質、ナノ流体、及び表面コーティング3、4、5、6、7、8、9、10、11を用いてCHFを改善するために行われています。様々な方法の中で、表面コーティングは、表面の面積の大幅な増加にCHFを改善するための最良の方法であることが見出されています。表面コーティングは、一般的にフィンアクション、気孔率の影響、及び表面湿潤性12によって熱伝達を増加させます。表面濡れ性は、熱伝達を沸騰で重要な役割を果たしています。これまでの研究では、低熱流束条件で、疎水性表面が原因の早期核に、より良いHTCを示していることを示しています。しかし、時より高い熱流束は、形成される気泡の剥離は、表面に向かって水の低親和性に遅いです。これは、下のCHF 3でバブル合体し、結果につながります。一方、親水性の表面が形成されるため、気泡の高速剥離の、より高いCHFを生成し、それは、気泡核生成13における遅延に起因する低熱流束に低いHTCを与えます。
ハイブリッド構造は、疎水性および親水性14、15、16の複合効果による全熱流束のための伝熱を沸騰著しい向上を示します。スーら。マスクされた銅表面上に超親水Siナノ粒子をコーティングすることにより不均質湿潤性表面を生成しました。彼らは、コーティング時間を変えることによって、異なる濡れ性比を達成しました。沸騰の開始は時間に比べ異種表面に早く発生しました実質的に壁を低減omogeneous表面は、17を過熱しました。ジョーら。親水性、疎水性、および異種湿潤表面に核沸騰熱伝達の研究を行いました。異種湿潤表面は、親水性表面上の疎水性パターン化されたドットから構成されていました。彼らは、親水性表面と比較して高いのHTCと異質表面に同じCHFを得ました。伝熱沸騰の改善が直接表面上及び沸騰条件18時のドットの数に依存します。
本研究では、軸ハイブリッド湿潤性パターンは、浸漬コーティング技術を用いて、円筒状の銅表面上に作製しました。プール沸騰熱伝達の研究は、インターラインの数のハイブリッド湿潤性パターンの向きの効果を決定するために行きました。沸騰熱流束、HTC、およびバブルダイナミクスは、すべてのコーティングされた基板と、私たちのために分析しました。銅基板に比べて再。
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プロトコル
修飾された表面の調製
- 手動＃2,000エメリーを用いて15分間、試験片（40 mmの長さ（L）と中空銅シリンダー、25 mmの外径（D 0）、および18 mmの内径（D i）を ）磨きます紙。 DI水に続いてアセトンでそれを濯ぐことにより研磨面を清掃してください。
- 120℃の一定温度で2時間オーブンで研磨試験片を置き。
- 次の手順を使用して超親水たSiO 2ナノ粒子溶液を準備します。
- テトラエトキシシランと、DI水の4モル比：1を混合して溶液Aを調製。 37％の2滴の溶液Aに濃HClを加え、2時間撹拌しました。
- エタノール及び脱イオン水の3モル比：1を混合して溶液Bを作ります。
- 溶液Bの80 mLに溶液Aを1mLを混合し、2時間撹拌しました。
- 調製ソルに対するSiO 2ナノ粒子（40-nmの直径）の32グラムを追加1時間ションと攪拌。
- 5mm /分の速度でディップコーティング装置を用いて調製した溶液中に試験片を浸し。 1時間120℃のオーブンでコーティングされた試験片を保ちます。
- 次の手順を使用して（ 図1に示すように）軸方向に沿って異なる方向を有する2、4、8 interlinedハイブリッドパターンを準備します。
- 0°方位で2インター表面のための適切な配向（とインターラインの必要数に応じて絶縁テープを用いて被覆されていないれるべき領域をマスク中央インターラインを調整し、超親水性領域（被覆されるべき領域）上面側が、一方、90°の向きのために、1つのトップでのインター及び下部に別のものを調整し、180°の配向のために、底部に超親水性領域を調整し、中央にインターライン同様に、調整異なるOで4,8 interlined面の位置図1に示すようにrientation）。
- 5mm /分の遅い速度で高い浸漬速度と立ち上がりでディップコーティング装置、ディップを使用して調製した溶液中にマスクされた試験片を浸し。 1時間120℃のオーブンでコーティングされた試験片を保ちます。
- 正しい向きで中間ラインの必要数を取得するためにマスクされた領域から絶縁テープを外します。
図1.各種Interlined表面の選択。 （a）は、異なる配向を有する種々 interlined面の概略。すべての条件で1：プレーン銅表面と超親水性表面の面積比は1です。 （b）は、方位選択基準。 （C）2インター0°の角度配向面の等角図。配向は、ベースラインとコーティングとの間の角度として選択されます上面側から第一の親水性パターンの中心線とは、時計方向に測定されます。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
2.実験方法
- 絶縁テープを使用して、コーティングされた試験片の各円形の基部に一方のガラス管を固定します。
- インターラインの必要な位置に係るシリコンペーストを使用して（ 図2に示すように）水平方向に140〜X 140〜X 160 mmの室に、このアセンブリを固定します。
- 550-W、18 mmの直径、及び試験片の穴に円周領域にサーマルペーストの薄膜40 mmの長カートリッジヒーターを配置。
- 直流（DC）電源ユニットにカートリッジヒーターを接続します。
- 図に示すように、5mmから7mmで交互の深さ8等間隔1 mmの穴に置きT型熱電対3データロガーに接続します。
- 抵抗温度検出器（RTD）、還流冷却器、及び上部カバーに設けられたスペースに補助ヒータを挿入して固定します。沸騰室の上にそれらを修正。
- プール沸騰チャンバ内のDI水1400ミリリットルを埋めます。
- 5℃に維持された冷却室に還流冷却器を接続します。
- 実験前に、激しく補助ヒーターを用いて30分間、プール沸騰チャンバ内のDI水を沸騰。
- 補助ヒータを使用して、飽和沸騰条件でDI水を保ちます。続いて、電源をオンにし、0.1 Aの初期電流を与えます
- 定常状態に到達するために2分間待ってください。次いで、0.3 A.単位で電流を増加させます
- データロガーを使用して、各電源入力での温度を記録します。 4 Aの最大電流に到達するまで実験を継続します。一方、バブルダイナミクスFを記録又は試験片に焦点を当てているプール沸騰室の前方に配置されたCCDカメラを用いて、各電源入力。
プール沸騰商工会議所の図2の回路図。ガラス管は、シリコンペーストと中空銅シリンダの両側に接続されています。これは、シリコンペーストでプール沸騰チャンバに固定されています。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
3.熱電対の配置図。 8つの熱電対は、直径20mmで試験片の代わりに、円周方向に直径1mmの穴の内部に配置されています。代替直径1mmの穴の深さは5mmでそれぞれ7ミリメートルに固定されています。/files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg」ターゲット= 『_空白』>この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
3.データ削減
- 次式19を用いて、熱入力（Q）を計算します
Q = I V（1）
注：IとVはそれぞれ、アンペアでの入力電流とボルトで電圧です。 - 式19を使用して、2つの側面からの熱損失（Q 損失 ） を推定します。
（2）
注：kは、銅の熱伝導率です。 T 7ミリメートルとT 5mmで 、それぞれ、7ミリメートルと5ミリメートルの深さでの温度の平均値です。 ΔX（2ミリメートル）の深さとの差です。そして
試験Pの断面積であります IECE。 - 下記式19を用いて熱流束（Q「」を）決定します。
（3）
注：A =πD O lは試験片の周方向の領域です。 - 次の式19を使用して（壁面過熱を計算します。
（4）
注：T mは、T 7ミリメートルとT 5ミリメートルの平均は、で試験片の試験片、R 0（12.5 mm）の試験片の外半径r M（10mM）を半径の長さであります図4に示すように穴を測定し、T SATは DI水の飽和温度です。 - 以下の式19を使用して、HTC（α）を計算します。
PLOAD / 55387 / 55387eq5.jpg」/>（5）
壁面温度解析の図4の回路図。壁温度を測定した平均温度と知られている円筒形の熱抵抗を用いて計算されます。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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結果
プール沸騰熱伝達実験は、概略、図5に示す実験装置を用いたハイブリッド湿潤性円筒面で行いました。インターラインの数及びプール沸騰の性能上のハイブリッド湿潤性パターンの配向の影響を調査しながら、プール沸騰実験手順は、プロトコルセクションのステップ2で説明したが正常に行われました。壁過熱に対する熱流束および熱流束対HTC：異なる処理した表面のプール沸騰性能をグラフで表現しました。
以下equatiに示すように、実験を検証するために、普通の銅表面のプール沸騰実験熱伝達の結果は、1994年20でコーンウェルヒューストンによって予測理論的な相関と比較しましたに：
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ディスカッション
この調査の主な目的は、プロトコルのセクションで説明されているように、ハイブリッド湿潤性表面を導入することにより、原子炉、ボイラー、ヒートパイプなどの高放熱用途向けのプール沸騰ヒートシンクを開発することでした。これらの表面は、均質な濡れ性表面(親水性および疎水性)よりも優れたプール沸騰性能を生み出すことができます。沸騰熱伝達性能の向上は、活性核形成部位の増加と、形成された気泡が表面から剥離しやすいためです。本研究では、間線の数とハイブリッド湿潤性パターンの向きがプールの沸騰性能に及ぼす影響について検討しました。インターラインの最大数は、使用された手動準備方法のため、8に制限されました。位置のわずかなずれが誤った結果につながるため、間線の正確な位置決めはすべての実験にとって非常に重要です。さらに、最大印加入力電流は、カートリッジヒーターの寿命に重要な役割を果たします。この研究では、安全上の理由から、最大入力電流を 4 A に制限しています。この制限により、プール沸騰熱伝達の研究は、より低い熱流束条件に対してのみ実施されました。現在の実験セットアップを使用してCHFを決定することは不可能です。
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開示事項
著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。
謝辞
著者は、科学技術省、MOST(プロジェクト番号:MOST 104-2218-E-002 -004、MOST 105-2218-E-002-019、MOST 105-2221-E-002 -107 -MY3、MOST 102-2221-E-002 -133 -MY3、およびMOST 102-2221-E-002 -088 -MY3)からの資金援助に感謝します。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 脱イオン水 | |||
| シリカナノ粉末 40nm | UniRegion Bio-Tech | 60676860 | |
| エタノール | エコーケミカル | 64175 | |
| 塩酸 | 昭和化学 | ||
| テトラエトキシシラン | 昭和化学工業(株) | 78104 | |
| アセトン | ユニオンワード | 67641 | |
| カートリッジヒーター | チョンシュンヒーター&インストゥルメント株式会社 | ||
| パイレックスガラス | 自動車用ガラスサービス , 台湾 | ||
| 普通強化ガラス | 自動車用ガラスサービス , 台湾 | ||
| サーマルペースト | エレクトロルーブ | EG-30 | |
| 絶縁テープ | Chuan Chi Trading Co. Ltd | プトンテープ | |
| サンド | ペーパーChuan Chi Trading Co. Ltd | #2000 | |
| 炉 | Chung Chuan | Hong Sen HS-101 | |
| 電子スケール | A&D株式会社Ltd | GX400 | |
| 超音波洗浄機 | Bransonic | Bransonic 3510 | |
| マグネットスターラー | イエローライン | MST D S1 | |
| データロガー | 横河 | MX-100CCD | |
| カメラ | JVC | LY35862-001A | |
| シリコンペースト | Permatex | 599BR | |
| 電源 | Gwinstek | GPR-20H50D | |
| テフロンテープ | Chuan Chi Trading Co. Ltd | CS170000 | |
| 接触角ゴニオメーター | Sindatek | モデル 100SB | |
| 補助ヒーター | Chuan Chi Trading Co. Ltd T | ||
| 型熱電対 | Chuan Chi Trading Co. Ltd | ||
| 還流コンデンサー | Chuan Chi Trading Co. Ltd | ||
| グラスファイバー | 専門のプラスチック、台湾 |
参考文献
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