TWI752345B

TWI752345B - 具有石墨烯的熱傳增強裝置

Info

Publication number: TWI752345B
Application number: TW108131159A
Authority: TW
Inventors: 楊建裕; 蘇清源; 黃承俊; 張博崴
Original assignee: 國立中央大學
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2022-01-11
Also published as: TW202108964A

Abstract

一種具有石墨烯的熱傳增強裝置，包括一基底，所述基底包含一加熱表面，一石墨烯層均勻披覆在所述加熱表面上，所述石墨烯層包含一石墨烯表面，一工作流體和該石墨烯表面接觸，該工作流體和該石墨烯表面可以進行熱交換。

Description

具有石墨烯的熱傳增強裝置

本發明關於一種熱傳增強裝置，尤其是指一種具有石墨烯表面的的熱傳增強裝置。

隨著半導體產業的進步和快速發展，各種電子器件逐漸變得越來越輕薄，功能和操作也逐漸增多。因此，面臨著如何在狹窄空間中消除快速計算中產生的熱量的問題。隨著各種電子器件的熱密度逐漸增加，散熱技術也從早期的自然單相對流和強制對流開始，改進各種類型的散熱片，以及近期兩相蒸發傳熱的應用。兩相蒸發換熱可分為兩部分：沸騰傳熱和強制對流換熱。在低流量和乾燥度低的情況下，主要是基於沸騰傳熱。沸騰傳熱的性能以熱通量和壁過熱來表徵，沸騰傳熱達到極限的臨界熱通量(CHF)時，加熱表面將充滿蒸氣，導致溫度急劇升高。溫度的急劇上升導致嚴重的材料降解。在某些情況下，導致系統的熱熔化。

為了提高傳熱係數，可以透過增加表面積的方式，大多數研究使用鰭片結構，微通道和微槽。然而，微通道幾何參數對沸騰性能沒有影響，區域增強(area augmentation)在增強傳熱方面起著重要作用。另外，多孔表面可以有效地提高核沸騰傳熱係數和臨界熱通量(CHF)，多孔表面可以增加成核位點的密度，增加橫向毛細吸力，並幫助流體通過多孔表面到相變界面，由於成核位點的密度增加，可以產生許多氣泡以通過相變帶走大量的熱量，保持較低的過熱溫度，並增加沸騰的傳熱係數，在許多成核孔中，孔徑較大的成核孔，氣泡在較低的過熱度下產生，因此初始過熱較少，多孔表面與通道相互連接的表面可以增加毛細吸力，這將有助於液體流動提供更快，它會導致改變薄膜沸騰的臨界熱通量延遲，因此臨界熱通量值會增加，但是，傳統的多孔表面較厚，會增加氣泡脫離路徑，阻礙氣泡分離，導致傳熱性能以及加熱表面的臨界熱通量(CHF)值降低。

因此，為解決上述問題，本發明提出一種具有石墨烯表面的池沸騰與流動沸騰的熱傳增強裝置，在沸騰過程可達到提高熱交換器的熱傳係數(HTC)並延遲臨界熱通量(CHF)，進而增強熱交換器的沸騰傳熱性能。

本發明解決的技術問題為提出了一種具有石墨烯表面的熱傳增強裝置，利用石墨烯是一種疏水表面，通過調節與工作流體的親疏水性來有利於催化工作流體/石墨烯介面上的蒸發效應，使池沸騰與流動沸騰增強，作為沸騰過程的界面表面顯示出巨大的潛力。此外，石墨烯為單原子層結構，其垂直基材方向的熱阻可忽略，且也是一種物理化學上非常穩定的結構，這使得它與其他材料或酸鹼溶液或各種溶劑間的反應性降低。因此有別無過去商用或文獻上的高分子塗層，可以達到高穩定且長時效的功能。

本發明提出一種具有石墨烯的熱傳增強裝置，包括一基底，該基底包含一加熱表面，一石墨烯層均勻披覆在該加熱表面上，該石墨烯層包含一石墨烯表面，一工作流體和該石墨烯表面接觸，該工作流體和該石墨烯表面可以進行熱交換。

進一步，其中該加熱表面具有複數個凹穴。

進一步，其中部分該些凹穴為活性凹穴，其餘該些凹穴為非活性凹穴。

進一步，其中該些活性凹穴中包括不凝結氣體。

進一步，其中該工作流體和該石墨烯表面具有一接觸角，該些活性凹穴具有一腔頂角，其中該腔頂角小於該接觸角。

進一步，其中該些活性凹穴的數量大於該些非活性凹穴的數量。

進一步，其中該接觸角對於水為大於75度。

進一步，還包括一沸騰汽泡位於該工作流體和該石墨烯層間。

進一步，還包括一沸騰汽泡位於該些活性凹穴中的該工作流體和該石墨烯層間。

進一步，其中該石墨烯層為氟化石墨烯。

進一步，其中該工作流體為非極性流體。

1:具有石墨烯的熱傳增強裝置

11:基底

111:加熱表面

13:石墨烯層

131:石墨烯表面

15:工作流體

16:凹穴

161:活性凹穴

162:非活性凹穴

19:不凝結氣體

17:沸騰汽泡

θ₁、θ₂:腔頂角

Cu-plain:未披覆石墨烯的加熱表面

Graphene:披覆石墨烯的加熱表面

F-Graphene:披覆氟化改質石墨烯的加熱表面

圖1為本發明一實施方式之具有石墨烯的熱傳增強裝置的示意圖。

圖2為本發明一實施方式之具有石墨烯的熱傳增強裝置具有沸騰汽泡的示意圖。

圖3為本發明另一實施方式之具有石墨烯的熱傳增強裝置的示意圖。

圖4為本發明另一實施方式之具有石墨烯的熱傳增強裝置具有沸騰汽泡的示意圖。

圖5為本發明具有石墨烯的熱傳增強裝置不同表面披覆材料的表面粗糙度和接觸角比較圖。

圖6為本發明具有石墨烯的熱傳增強裝置不同表面披覆材料的熱傳係數比較圖。

以下將結合具體實施例對本發明內容進一步的詳細描述，接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。然而，關於實施例中之說明僅為闡釋本發明之技術內容及其目的功效，圖中的尺寸、比例皆為說明目的，而非用以直接限制本發明。

在本發明中，石墨烯可以通過化學氣相沉積法(CVD)、電化學剝離法、還原氧化石墨烯法、液相剝離法等或其它方法製備。CVD方法使用氬氣，氫氣和甲烷三種氣體，過程分四個階段進行。加熱過程的第一階段，首先獲得氬氣和氫氣，其流速和流動穩定性可以開始加熱到 1060°。第二階段是高溫退火過程，它促進氬氣和氫氣流動的第一階段，並將腔室中的壓力控制在760托。高溫退火過程使內部原子或空位獲得能量並移動，達到原子排列並釋放內部殘餘應力。第三階段是生長過程，保持第二階段的運行和獲取碳源甲烷，並保持室壓力和氬氣和氫氣流量。最後階段是冷卻過程，關閉氬氣流量閥和真空泵吸入閥，並通過自然冷卻至室溫將樣品從腔室中取出。

在本發明中，氧化石墨烯是指在石墨烯的表面和邊界連接有含氧官能團(基團)的一種二維碳材料；還原氧化石墨烯是指(通過化學或熱處理等方法)不完全去除氧化石墨烯中的含氧官能團(基團)後得到的一種二維碳材料；功能化石墨烯是指在石墨烯中含有異質原子/分子(如氫、氟、含氧基團等表面修飾成鍵，氮、硼等元素替位摻雜，異質原子/分子插層等)的一種二維碳材料。

在本發明中，在其它實施方式中，氟化石墨烯是指改質的石墨烯，可以利用具有氟原子鍵結的前驅物，其形態可以包括含氟高分子聚合物，例如但不限於、Teflon®AF1600、Cytop®CTL-809M、全氟磺酸溶液(Nafion®)、鹽類和溶劑(hydrofluoric acid(HF)、ClF3、BF3-etherate、diethylaminosulfur trifluoride(DAST)、hexafluorophosphoric acid等。具有氟原子鍵結的前驅物與氧化石墨烯溶液進行混和，在施加能量之下，上述能量例如但不限於加熱、微波、光照等，使前趨物中的氟原子獲得能量，形成高能量的氟活性離子並置換氧化石墨烯上的氧原子而形成氟化石墨烯。

在本發明中，製備氟化石墨烯的方法，可以包括下列步驟：(a)提供一含氟高分子聚合物的反應前驅物，該反應前驅物包含氟原子鍵結的含氟高分子聚合物；(b)提供二甲基甲酰胺(DMF)溶液和石墨烯前驅物，例如但不限於氧化石墨烯溶液，在燒杯中混合上述含氟高分子聚合物、二甲基甲酰胺溶液和石墨烯前驅物得到一混合液體；(c)提供一能量以供其產生氟化反應，產生氟化石墨烯混合溶液；(d)接著，將上述氟化石墨烯混合溶液倒入離心管中，得到氟化石墨烯薄片聚集在離心管底部，然後除去上部溶液，得到氟化石墨烯薄片。上述步驟得到氟化石墨烯薄片後，可以接著在離心管中加入丙酮，將試管放入超音波清洗機中，將所述氟化石墨烯薄片洗滌10分鐘，進行一第二次離心處理，使得該氟化石墨烯薄片再聚集在該離心管底部，然後除去上部溶液得到一清洗後氟化石墨烯薄片。接下來，用不同目的所需之分散溶劑作為分散與劑置換丙酮(10mL)，得到氟化石墨烯溶液。在另一實施方式中，上述氟化石墨烯薄片的製備方法也可以利用CVD製備的石墨烯薄片，再接續使用含氟蒸氣或液體或固體前驅物，於施加能量下，形成具活性之氟素物質，而與CVD製備的石墨烯薄片反應而形成氟化石墨烯薄片，上述的能量，例如但不限於加熱、微波、光照等。例如，可選擇蒸氣的固態、液態或氣態之前驅物，與CVD製備的石墨烯薄片密封於鐵氟龍容器，施加一定的溫度給予能量形成具活性之氟素物質。

請參考圖1所示，為本發明一實施方式之具有石墨烯的熱傳增強裝置1的示意圖，包括：具有一基底11，基底11可以例如但不限於銅等，基底11包含一加熱表面111具有一基底表面能。一石墨烯層13均勻披覆在加熱表面111上，石墨烯層13包含一石墨烯表面131具有一石墨烯表面能，一工作流體15和石墨烯表面131接觸，其中石墨烯表面能小於基底表面能，石墨烯表面131和工作流體15形成一疏水介面。

工作流體15可以為低表面張力流體或高表面張力流體。在本實施方式中，工作流體15可以使用水或冷媒，冷媒例如但不限於R-141b、R245fa等，工作流體15具有液相及氣相相互轉換性。在本實施方式中，石墨烯層13和工作流體15直接接觸。基底11的加熱表面111上披覆石墨烯層13可以修飾加熱表面111的表面能，提高工作流體15和加熱表面111的接觸角，產生高疏水性表面。

如圖2所示，為具有石墨烯的熱傳增強裝置1具有沸騰汽泡17的示意圖。基底11可以例如但不限於銅等。在沸騰時，加熱表面111增加溫度，熱量由加熱表面111經由石墨烯層13進入工作流體15中，使和石墨烯層13接觸的工作流體15由液相轉換成氣相，並在石墨烯層13的部分表面會形成沸騰汽泡17。石墨烯層13部分表面扮演著沸騰汽泡17成核的作用，隨著溫度增加由一開始的小氣泡增加蒸汽壓逐漸聚合成大氣泡，當外界壓力和大氣泡蒸汽壓相等時，大氣泡會上升到工作流體15表面破裂並放出水蒸汽。石墨烯可以促進氣泡脫附速率與氣泡尺寸，因此可形成氣泡成核，增強熱傳。

如圖3所示，為本發明具有石墨烯的熱傳增強裝置1之加熱表面111放大的示意圖，工作流體15和石墨烯層13直接接觸，其中加熱表面111包括複數個凹穴16，凹穴16可以包含一活性凹穴161及/或一非活性凹穴162。加熱表面111上均勻披覆石墨烯層13可以修飾加熱表面111的表面能，提高工作流體15和加熱表面111的接觸角，產生高疏水性表面。同時增加活性凹穴161數量，並提高沸騰熱傳性能。上述凹穴16可以包括人工或自然所造成。

在加熱表面211上的凹穴16，其中部分凹穴16能夠作為有效的成核點，即活性凹穴161，包括一不凝結氣體19被困於活性凹穴161中。考慮最初乾燥的表面充滿工作流體15，非活性凹穴162具有一腔頂角θ₂，其中工作流體15和石墨烯表面131具有一接觸角，其中腔頂角θ₂大於該接觸角，亦即，工作流體15和石墨烯表面131表面接觸角小於腔頂角θ₂，則不凝結氣體19不會被困在凹穴中，該非活性凹穴162不能成為活性成核引用。反之，活性凹穴161具有一腔頂角θ₁，其中腔頂角θ₁小於該接觸角，亦即，工作流體15和石墨烯表面131表面接觸角大於腔頂角θ₁，則表面張力將抵抗工作流體15的進一步滲透並將不凝結氣體19捕獲在腔體中。因此，較小的腔頂角θ₁更容易捕獲不凝結氣體19。疏水表面增加了工作流體15和石墨烯表面131表面接觸角，即便是大的孔也能輕易形成閉孔而形成核點，因此整體的氣泡成核密度，使活性凹穴161的數量增加，活性凹穴161將不凝結氣體19捕獲在其中。因此，這種現象產生並增加了活性成核位數，這有利於提高傳熱係數。

圖4所示，為本發具有石墨烯的熱傳增強裝置1產生沸騰汽泡17的成核示意圖，基底11可以例如但不限於銅等。在沸騰時，加熱表面111增加溫度，和石墨烯層13接觸的工作流體15會由液相轉換成氣相。預先捕獲的可冷凝的氣體19由一開始的小氣泡增加蒸汽壓逐漸聚合成大氣泡的沸騰汽泡17。沸騰汽泡17的曲率半徑由一開始的無限大，再逐漸由大變小，之後再由小變大。通過改變加熱表面111的表面能，改變工作流體15和石墨烯層13的接觸角是促進沸騰性能的關鍵因素。增加沸騰汽泡17半徑會導致所需蒸氣過熱度降低並因此增加傳熱性能。通過塗覆非潤濕材料薄膜，在沸騰表面上的成核特性會得到改善，因為增加的接觸角會引起更多的活性凹穴161，從而促進更多和更大的氣泡，從而實現更高的傳熱係數。

石墨烯層13表面扮演著沸騰汽泡17成核的作用，隨著溫度增加由一開始的小氣泡增加蒸汽壓逐漸聚合成大氣泡，當外界壓力和大氣泡蒸汽壓相等時，大氣泡會上升到工作流體15表面破裂並放出水蒸氣。沸騰汽泡7通常由具有預先捕獲的不凝結氣體19的凹穴16產生，不凝結氣體19被捕獲在活性凹穴161中。上述均勻披覆係指石墨烯層13的披覆並不密封住下面的凹穴16。

石墨烯為非極性表面，本研究可以使用氟化改質的石墨烯(Fluorinated Graphene)，氟是元素週期表上電負度最高的元素。當與碳原子形成鍵結後，造成電子密度分佈不對稱，形成一種高極性表面性質用以提升接觸角。本研究之氟化石墨烯接觸角可大於石墨烯接觸角，增加和工作流體的接觸角，進而提升更高的熱傳性能。

在本發明實施方式中，加熱表面111上披覆有石墨烯層13，披覆的方式可以包括：噴塗、電泳沉積、刮刀成膜、旋轉塗佈等。不管是何種方式，只要能在加熱表面111上披覆有石墨烯層13即為依本發明精神請求項所欲保護的專利範圍。

請參考圖5所示，為本發明沸騰之工作流體15分別對加熱表面111(Cu-plain)、對披覆有石墨烯層13(Graphene)、對披覆有氟化改質的石墨烯層13(F-Graphene)的表面粗糙度和的接觸角測量比較圖。加熱表面111無披覆石墨烯層的表面平均粗糙度約為205.8奈米、披覆有石墨烯層13(Graphene)的表面平均粗糙度約為259.8奈米、披覆有氟化改質的石墨烯層13(F-Graphene)的表面平均粗糙度約為232.8奈米。對水的接觸角分別為54.4°、77.2°、99.8°。對R-141b的接觸角分別為14.1°、19.8°以及29.2°。

就沸騰來說，加熱表面111上披覆有石墨烯層13可以提高接觸角，所以披覆有石墨烯層13對沸騰有增益。沸騰是藉由活性凹穴161產生氣泡成核，小凹穴不容易被冷媒液體淹沒而覆蓋，優先成為氣泡反應核點，故當接觸角小，大凹穴較容易被液體淹沒，所以不易形成成核點。但是披覆有石墨烯層13做表面改質後，接觸角增大，即便大凹穴也不易被淹沒而形成氣泡成核位置，藉此提升沸騰性能。

請參考圖6，工作流體15用冷媒R-141b在1大氣壓下進行沸騰試驗。獲得成核沸騰數據直至達到CHF。數據表示為與熱通量(kW/m²)和熱傳係數(kW/m² K)相關的典型沸騰曲線。加熱表面111、211無披覆石墨烯層的斜率最低、披覆有氟化改質的石墨烯層13(F-Graphene)的斜率大於披覆有石墨烯層13(graphene)的斜率。

加熱表面111為一粗糙之表面，粗糙表面為具有複數個凹穴16結構，凹穴16並不限V型、U型或各種凹型孔洞，或多孔隙凹穴，不限於此形貌再於其表面上披覆石墨烯。只要能達到使凹穴16內的腔頂角小於石墨烯和流體間的接觸角就是本發明所欲保護的範圍。