서브미크론 수막에서 국부적으로 측정된 초고증발 열 전달

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22353(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

박막 증발은 에너지 밀도가 높은 마이크로/나노 장치에 널리 사용되는 열 관리 솔루션입니다. 그러나 액체-증기 경계면에서의 증발 속도를 국지적으로 측정하는 것은 제한적입니다. 우리는 물리적 시스템의 기계 학습 대체물에 의해 해석된 국소 측정을 통해 얻은 물 메니스커스의 서브미크론 박막 영역에서 증발 열 전달 계수(\(h_{\text {evap}}\))의 연속 프로파일을 제시합니다. 마이크로미터 측면 분해능을 갖춘 비접촉 레이저 기반 방법인 주파수 영역 열반사율(FDTR)은 반월판 증발을 유도하고 측정하는 데 사용됩니다. 그런 다음 유한 요소 시뮬레이션을 사용하여 신경망을 훈련하여 FDTR 데이터에서 \(h_{\text {evap}}\) 프로필을 추출합니다. 기판 과열도가 20K인 경우 최대 \(h_{\text {evap}}\)는 \(1.0_{-0.3}^{+0.5}\) MW/\(\text {m}^2\입니다. )-K는 필름 두께 \(15_{-3}^{+29}\)nm에서 발생합니다. 이 매우 높은 \(h_{\text {evap}}\) 값은 벌크 액체의 단상 강제 대류 또는 증발에 대한 열 전달 계수보다 2배 더 큽니다. 일정한 벽 온도를 가정할 때 \(h_{\text {evap}}\) 및 메니스커스 두께 프로파일은 열 전달의 62%가 메니스커스 가장자리에서 0.1–1 μm 떨어진 영역에서 발생하는 것을 나타냅니다. 29%는 다음 100μm에서 나옵니다.

반월판에서 발견되는 나노미터 및 마이크로미터 두께의 액체 필름에서 증폭된 증발 속도의 공간 분해능은 오랜 과제입니다1,2,3,4. 정확한 측정을 위해서는 미크론 미만의 측면 정밀도와 결과를 해석하기 위한 모델링 프레임워크가 필요합니다. 실험적 측정에서는 증발 열 전달 계수가 0.001–0.1 MW/\(\text {m}^2\)-K5,6,7의 벌크 값을 취하는 거시적 확장 메니스커스에서 증발을 조사했습니다. 이론은 흥미롭게도 메니스커스의 박막 영역에서 증발 속도, 즉 열 전달 속도의 최대 3배 향상을 제안하지만 이러한 예측은 아직 검증되지 않았습니다8,9,10,11,12 ,13.

얇은 액체 필름의 증발 속도는 필름 열 저항과 억제된 액체 압력 간의 경쟁에 의해 제어됩니다. 후자는 고체 기판과 액체 필름 사이의 상호 작용 강도를 측정하는 분리 압력 \(P_d\)으로 인해 발생합니다. 필름 두께가 얇을수록: (i) 열 저항이 감소하여 액체-증기 경계면에서 더 높은 과열이 발생하여 증발이 향상되고 (ii) \(P_d\)가 증가하여 증발이 억제됩니다8,9,10,14. 이러한 경쟁 효과로 인해 그림 1a에 개략적으로 표시된 것처럼 증발 열 전달 속도에 대한 비단조적인 프로파일이 생성됩니다. 이 프로필을 정량화하면 단상 공기/액체 냉각이 수요를 충족할 수 없는 고전력 밀도 전자 장치를 관리하는 데 사용되는 마이크로/나노구조 열 솔루션에서 열 전달을 증폭시키는 경로가 드러납니다15,16,17,18,19,20,21. 태양열 발전22,23,24 및 담수화 공정25,26의 효율성은 높은 질량 플럭스를 얻기 위해 얇은 액체 필름의 증발을 엔지니어링함으로써 향상될 것입니다.

실험적인 얇은 액체 필름 증발 연구는 종종 가열된 표면의 메니스커스를 따라 온도 프로파일을 추출하여 수행됩니다. 6μm에서 2mm까지의 공간 분해능을 갖춘 적외선 카메라11,12,13 및 열전대8,9,10,27가 지역 온도를 측정하는 데 사용되었습니다. 보고된 열 유속 및/또는 온도 프로파일은 메니스커스 가장자리(즉, 3상 접촉 선) 근처에서 향상된 열 전달을 보여줍니다. 대안으로 Höhmann et al.28은 1μm 공간 분해능을 가진 열변색 액정(TLC)을 사용했습니다. 그러나 TLC는 수명이 제한적이고 측정 불확실성이 높습니다12,29. 비접촉 레이저 기반 방법도 액체-증기 상 변화를 연구하는 데 사용되었습니다. Park et al. 얇은 액체막의 증발을 연구하기 위해 초고속 펌프-프로브 분광학을 사용했습니다. 그들은 피코초 펌프 광 펄스에 대한 시간에 따른 막 두께 반응을 얻었지만 증발 속도 프로파일은 보고하지 않았습니다. Mehrvand와 Putnam은 시간 영역 열반사율을 사용하여 물이 끓는 동안 단일 기포의 미세층 증발을 연구했습니다.4 최근에는 Che et al. 옥탄 액체 필름의 증발을 연구하기 위해 시간 영역 열 반사율과 수치 분석을 결합했습니다. 그들은 메니스커스를 따라 전체 열 전달 계수의 변화를 보고하여 0.44 MW/\(\text {m}^2\)-K의 최대값을 얻습니다. 이 값에는 액체의 전도성 열 저항이 포함됩니다. 왜냐하면 Che et al. 레이저 스폿 직경이 10μm 이상인 경우 전체 열 전달 계수 프로파일은 메니스커스 가장자리에서 2μm 미만인 값을 확인할 수 없습니다. 이러한 발전에도 불구하고 전체 메니스커스에 걸쳐 미세한 분해능으로 증발 열 전달 계수를 분리하는 것은 실험적으로 얻어지지 않았습니다.