サブミクロンの水膜で局所的に測定された超高蒸発熱伝達

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22353 (2022) この記事を引用

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2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

薄膜蒸着は、高エネルギー密度のマイクロ/ナノデバイスに広く使用されている熱管理ソリューションです。 ただし、液体と蒸気の界面での蒸発速度の局所的な測定には限界があります。 機械学習された物理システムの代理によって解釈される局所測定を通じて得られた、水メニスカスのサブミクロン薄膜領域における蒸発熱伝達係数 (\(h_{\text {evap}}\)) の連続プロファイルを示します。 周波数領域熱反射率 (FDTR) は、マイクロメートルの横方向分解能を備えた非接触レーザーベースの方法であり、メニスカス蒸発の誘発と測定に使用されます。 次に、有限要素シミュレーションを使用してニューラル ネットワークをトレーニングし、FDTR データから \(h_{\text {evap}}\) プロファイルを抽出します。 基板の過熱が 20 K の場合、最大 \(h_{\text {evap}}\) は \(1.0_{-0.3}^{+0.5}\) MW/\(\text {m}^2\ )-K 膜厚 \(15_{-3}^{+29}\) nm。 この超高い \(h_{\text {evap}}\) 値は、バルク液体からの単相強制対流または蒸発の熱伝達係数より 2 桁大きくなります。 壁温度が一定であるという仮定の下で、\(h_{\text {evap}}\) とメニスカスの厚さのプロファイルは、熱伝達の 62% がメニスカスの端から 0.1 ～ 1 μm の領域から来ていることを示唆しています。 29% は次の 100 μm から来ます。

メニスカスに見られるような、ナノメートルおよびマイクロメートルの厚さの液体膜における増幅された蒸発速度の空間分解能は、長年の課題です1、2、3、4。 正確な測定には、サブミクロンの横方向の精度と、結果を解釈するためのモデリング フレームワークが必要です。 実験測定により、巨視的な拡張メニスカスにおける蒸発が調査されており、蒸発熱伝達係数はバルク値 0.001 ～ 0.1 MW/\(\text {m}^2\)-K5,6,7 となります。 理論は興味深いことに、メニスカスの薄膜領域における蒸発速度、ひいては熱伝達率が最大 3 桁増加することを示唆していますが、これらの予測はまだ検証されていません 8,9,10,11,12 、13．

薄い液体膜からの蒸発速度は、膜の熱抵抗と抑制された液体圧力との競合によって制御されます。 後者は、固体基板と液体膜の間の相互作用の強さを測定する分離圧力 \(P_d\) から生じます。 膜厚が薄いと、(i) 熱抵抗が減少し、液体と蒸気の界面での過熱が高くなり、蒸発が促進されます。(ii) \(P_d\) が増加して、蒸発が抑制されます8、9、10、14。 これらの競合する効果により、図 1a に概略的に示すように、蒸発熱伝達率の非単調なプロファイルが得られます。 このプロファイルを定量化すると、単相空冷/液体冷却では需要に対応できない高出力密度エレクトロニクスの管理に使用されるマイクロ/ナノ構造の熱ソリューションにおける熱伝達を増幅する経路が明らかになります15、16、17、18、19、20、21。 太陽熱発電 22、23、24 および脱塩プロセス 25、26 の効率も、高い質量流束を得るために薄い液体膜での蒸発を工学的に行うことによって改善されます。

液体薄膜蒸発の実験研究は、多くの場合、加熱された表面上のメニスカスに沿った温度プロファイルを抽出することによって行われます。 局所温度の測定には、空間分解能が 6 μm ～ 2 mm の赤外線カメラ 11、12、13 と熱電対 8、9、10、27 が使用されています。 報告されている熱流束および/または温度プロファイルは、メニスカスの端 (つまり、三相接触線) 付近での熱伝達の強化を示しています。 代替案として、Höhmann et al.28 は、空間解像度 1 μm のサーモクロミック液晶 (TLC) を使用しました。 しかし、TLC は寿命が限られており、測定の不確実性が高いという欠点があります 12,29。 非接触レーザーベースの方法も、液体と蒸気の相変化を研究するために使用されています。 パークら。 は、超高速ポンプ・プローブ分光法を使用して、薄い液体膜の蒸発を研究しました。 彼らは、ピコ秒ポンプ光パルスに対する時間依存の膜厚応答を取得しましたが、蒸発速度プロファイルは報告していません30。 時間領域の熱反射率は、Mehrvand と Putnam によって、水の流動沸騰中の単一気泡内のミクロ層の蒸発を研究するために使用されました 4。 時間領域の熱反射率と数値解析を組み合わせて、オクタン液膜の蒸発を研究しました31。 彼らは、メニスカスに沿った全体の熱伝達係数の変化を報告し、最大値 0.44 MW/\(\text {m}^2\)-K を得ました。 この値には液体の伝導熱抵抗が含まれます。 なぜなら、チェらは、 10 μm のレーザースポット直径にわたる平均値では、全体の熱伝達係数プロファイルはメニスカスエッジから 2 μm 未満の値を分解できません。 これらの進歩にもかかわらず、メニスカス全体にわたってマイクロスケールの分解能で蒸発熱伝達係数を分離することは実験的には得られていません。