Сверхвысокая испарительная теплопередача, измеренная локально в субмикронных пленках воды.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 22353 (2022) Цитировать эту статью

956 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Тонкопленочное испарение — широко используемое решение для управления температурным режимом в микро/наноустройствах с высокой плотностью энергии. Однако локальные измерения скорости испарения на границе раздела жидкость-пар ограничены. Мы представляем непрерывный профиль коэффициента теплопередачи испарения (\(h_{\text {evap}}\)) в субмикронной тонкой пленочной области водного мениска, полученный посредством локальных измерений, интерпретированных машинным обучением-заменителем физической системы. Термоотражение в частотной области (FDTR), бесконтактный лазерный метод с микрометровым поперечным разрешением, используется для индукции и измерения испарения мениска. Затем нейронная сеть обучается с использованием моделирования методом конечных элементов для извлечения профиля \(h_{\text {evap}}\) из данных FDTR. При перегреве подложки 20 К максимальное значение \(h_{\text {evap}}\) составляет \(1,0_{-0,3}^{+0,5}\) МВт/\(\text {m}^2\ )-K при толщине пленки \(15_{-3}^{+29}\) нм. Это сверхвысокое значение \(h_{\text {evap}}\) на два порядка превышает коэффициент теплоотдачи при однофазной вынужденной конвекции или испарении из объемной жидкости. Наши профили \(h_{\text {evap}}\) и толщины мениска в предположении постоянной температуры стенки показывают, что 62% теплопередачи происходит из области, расположенной на расстоянии 0,1–1 мкм от края мениска, тогда как только 29% приходится на следующие 100 мкм.

Пространственное разрешение увеличенных скоростей испарения в жидких пленках нанометровой и микрометровой толщины, которые обнаруживаются в менисках, является давней проблемой1,2,3,4. Точные измерения требуют субмикронной боковой точности и системы моделирования для интерпретации результатов. Экспериментальными измерениями исследовано испарение в макроскопическом протяженном мениске, где коэффициент испарительной теплоотдачи принимает объемное значение 0,001–0,1 МВт/\(\text {m}^2\)-К5,6,7. Теория интригующе предполагает увеличение скорости испарения и, следовательно, скорости теплопередачи на три порядка в тонкопленочной области мениска, но эти предсказания еще не подтверждены8,9,10,11,12 ,13.

Скорость испарения из тонкой пленки жидкости контролируется конкуренцией между термическим сопротивлением пленки и подавляемым давлением жидкости. Последнее является результатом расклинивающего давления \(P_d\), которое измеряет силу взаимодействия между твердой подложкой и жидкой пленкой. Меньшая толщина пленки: (i) уменьшает термическое сопротивление, что приводит к более высокому перегреву на границе раздела жидкость-пар, что усиливает испарение, и (ii) увеличивает \(P_d\), что подавляет испарение8,9,10,14. Эти конкурирующие эффекты приводят к немонотонному профилю скорости теплопередачи испарения, как схематически показано на рис. 1а. Количественная оценка этого профиля позволит выявить пути усиления теплопередачи в микро/наноструктурных тепловых решениях, используемых для управления электроникой с высокой удельной мощностью, где однофазное воздушно-жидкостное охлаждение не может удовлетворить спрос15,16,17,18,19,20,21. Эффективность солнечной тепловой генерации22,23,24 и процессов опреснения25,26 также будет повышена за счет технического испарения в тонких пленках жидкости для получения высоких массовых потоков.

Экспериментальные исследования испарения тонких пленок жидкости часто проводятся путем извлечения профиля температуры вдоль мениска на нагретой поверхности. Для измерения локальных температур использовались инфракрасные камеры11,12,13 и термопары8,9,10,27 с пространственным разрешением от 6 мкм до 2 мм. Сообщаемые профили теплового потока и/или температуры демонстрируют повышенную теплопередачу вблизи края мениска (т.е. линии трехфазного контакта). В качестве альтернативы Хёманн и др.28 использовали термохромные жидкие кристаллы (ТСХ) с пространственным разрешением 1 мкм. Однако TLC имеют ограниченный срок службы и высокую неопределенность измерений12,29. Бесконтактные лазерные методы также использовались для изучения фазового перехода жидкость-пар. Парк и др. применил сверхбыструю спектроскопию накачки-зонда для изучения испарения тонкой пленки жидкости. Они получили зависящую от времени реакцию толщины пленки на пикосекундный оптический импульс накачки, но не сообщили о профиле скорости испарения30. Метод термоотражения во временной области использовался Мехрвандом и Патнэмом для изучения испарения микрослоев в одиночных пузырьках во время кипячения воды в потоке.4 Совсем недавно Che et al. объединенное термоотражение во временной области и численный анализ для изучения испарения октановой жидкой пленки31. Они сообщают об изменении общего коэффициента теплопередачи вдоль мениска, получая максимальное значение 0,44 МВт/\(\text {м}^2\)-К. В это значение входит проводящее тепловое сопротивление жидкости. Поскольку Че и др. в среднем по диаметру лазерного пятна 10 мкм, их общий профиль коэффициента теплопередачи не может разрешить значения, находящиеся на расстоянии менее 2 мкм от края мениска. Несмотря на эти достижения, экспериментально не было получено определение коэффициента испарительной теплопередачи с микромасштабным разрешением по всему мениску.