用于雾化的表面处理和涂布
阅读：207发布：2020-05-14
专利汇可以提供用于雾化的表面处理和涂布专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于雾化的 表面处理 和涂布。 雾化器 (12)，包含预成膜区域(27，54，66)和位于预成膜区域末端并构造成在液体 薄膜 中制造 流体 力 学 不稳定的唇部(29，71，67)，其中该唇部包含润湿(110，210，452，462)和非润湿表面(110，210，454，464)的交替图案，其中非润湿表面包含大于90度的与液体的 接触 角 ，且润湿表面包含小于90度的与液体的接触角。，下面是用于雾化的表面处理和涂布专利的具体信息内容。
1.雾化器(12)，包含：
包含构造成降低雾化液体的平均液滴尺寸的表面(110)的预成 膜区域(27，54，66)，其中该表面具有小于大约30度的与雾化液体 的有效接触角。
2.雾化器(12)，包含：
预成膜区域(27，54，66)；和
位于预成膜区域末端并构造成在液体薄膜中制造流体力学不稳 定的唇部(29，71，67)，其中该唇部包含润湿表面(110，210，452，462) 和非润湿表面(110，210，454，464)的交替图案，其中非润湿表面包 含大于90度的与液体的有效接触角，且润湿表面包含小于90度的与 液体的接触角。
3.前述权利要求任一项的雾化器(12)，其中该表面包含表面能 改性涂层(112)。
4.前述权利要求任一项的雾化器(12)，其中该表面能改性涂层 (112)包含陶瓷材料、亲水聚合材料、或包含前述材料中的至少一 种的组合；其中陶瓷材料包含氧化钛、氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧 化锆、氧化锌、钇稳定的氧化锆、铝酸镁尖晶石、氮化铝、氮化镓、 碳化硅、碳化钨钴铬、或包含上述至少一种的组合。
5.前述权利要求任一项的雾化器(12)，其中该表面包含结构化 图案，其中该结构化图案包含多个具有高度(h)、宽度(a)和间距 (b)的表面特征(120，212)，其中b比a的比率(b/a)小于或等于8， 且其中多个表面特征具有小于大约30度的与雾化液体的有效接触角。
6.权利要求2的雾化器(12)，其中润湿表面(452，462)和非 润湿表面(454，464)中的所选之一或两者包含结构化图案，其中该 结构化图案包含多个具有高度(h)、宽度(a)和间距(b)的表面 特征(120，212)，其中b比a的比率(b/a)小于或等于8；且其中多个 特征包含多个柱体和多个孔隙中的所选之一或两者，其中多个柱体突 起超出表面且多个孔隙位于表面上，且其中宽度(a)小于大约100 微米，且高宽比(h/a)大于大约0.25。
7.权利要求2的雾化器(12)，其中润湿表面(110，210)包含 表面能改性涂层(112)，其中该层包含陶瓷材料、亲水聚合物材料、 或包含前述材料中的至少一种的组合；其中陶瓷材料包含氧化钛、氧 化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锆、氧化锌、钇稳定的氧化锆、铝酸镁 尖晶石、氮化铝、氮化镓、碳化硅、碳化钨钴铬、或包含上述至少一 种的组合。
8.权利要求2的雾化器(12)，其中非润湿表面(110，112)包 含表面能改性层(112)，其中该层包含选自陶瓷、聚合材料、氟化 材料、金属间化合物和复合材料中的至少一种材料，其中陶瓷包含金 刚石类碳、氟化金刚石类碳、氧化钽、碳化钛、氮化钛、氮化铬、氮 化硼、碳化铬、碳化钼、碳氮化钛、化学镀镍(electroless nickel)、氮 化锆、二氧化硅、二氧化钛、或包含上述至少一种的组合；其中金属 间化合物包含铝化镍、铝化钛、或包含上述至少一种的组合，且其中 聚合材料包含聚四氟乙烯、氟代丙烯酸酯、fluoroeurathane、氟硅氧烷、 氟硅烷、改性碳酸酯、有机硅、或包含上述至少一种的组合。
9.权利要求2的雾化器(12)，其中润湿表面(452，462)包含 结构化图案，其中该结构化图案包含多个具有高度(h)、宽度(a) 和间距(b)的表面特征(120，212)，其中b比a的比率(b/a)小于或 等于8，且其中多个表面特征具有小于大约30度的与液体的有效接触 角。
10.权利要求2的雾化器(12)，其中非润湿表面(454，464)包 含结构化图案，其中该结构化图案包含多个具有高度(h)、宽度(a) 和间距(b)的表面特征(120，212)，其中b比a的比率(b/a)小于或 等于8，且其中多个表面特征具有大于大约120度的与雾化液体的有 效接触角。
技术领域
背景技术
[0002]雾化大致涉及通常通过使液体经过喷嘴，将本体液体 (bulk liquid)转化成喷雾或薄雾(即液滴的集合)。雾化器是用于 实现雾化的装置。雾化系统的常见实例可以包括：燃气轮机、汽化器 (carburetor)、喷枪(airbrush)、弥雾机(misters)、喷壶和类似物。在例如 内燃机中，细粒燃料雾化可能有助于有效燃烧。
[0003]现今的喷气雾化器从喷嘴口将液体在一个和多个预成膜 区域上铺展成薄膜。雾化器可以利用压力、空气流、静电、超声和其 它类似方法在本体液体薄膜(bulk liquid film)中制造不稳定以形成微 滴。使预成膜区域中的本体液体薄膜暴露在从喷嘴口两侧上进入该区 域的高速空气中。空气流可以在液体薄膜中制造流体力学不稳定并使 其解体成微滴。雾化器产生的平均液滴尺寸明显受到液体薄膜在其预 成膜区域中的均匀性和厚度的影响。在一些情况下，平均液滴尺寸可 以随薄膜厚度的平方根而变。因此，薄膜越薄，雾化(即液滴尺寸) 越细。现今的雾化器无法确保液体在预成膜区域中铺展成必要的薄 膜。这会在预成膜区域的表面上产生干斑，这造成不均匀的液体薄膜， 并因此造成更大更粗的微滴尺寸。
[0004]因此，需要改进本体液体薄膜的均匀性并引发进一步的流 体力学不稳定以增强雾化。
发明内容
[0005]本文公开了具有构造成促进液体雾化的表面的雾化器。在 一个实施方案中，该雾化器包括包含构造成降低雾化液体的平均液滴 尺寸的表面的预成膜区域，其中该表面具有小于大约30度的与雾化 液体的有效接触角。
[0006]在另一实施方案中，雾化器包括预成膜区域；和位于预成 膜区域末端并构造成在液体薄膜中制造流体力学不稳定的唇部，其中 该唇部包含润湿和非润湿表面的交替图案，其中非润湿表面包含大于 90度的与液体的接触角，且润湿表面包含小于90度的与液体的接触 角。
[0007]在再一实施方案中，将雾化器构造成将液体薄膜转化成喷 雾，并包括用于将液体喷入加压流道(flow path)的喷嘴；在喷嘴下游 的包含构造成降低液体平均液滴尺寸的表面的预成膜区域，其中该表 面具有小于大约30度的与液体的有效接触角；和位于预成膜区域下 游并构造成在液体薄膜中制造流体力学不稳定的唇部，其中该唇部包 含润湿和非润湿表面的交替图案，其中非润湿表面包含大于90度的 与液体的接触角，且润湿表面包含小于90度的与液体的接触角。
附图说明
[0009]现在参照附图，其中类似元件的标号类似。
[0010]图1是燃烧器系统中使用的现今预成膜雾化器的截面示意 图；
[0011]图2是标示出涂层的制品表面的示例性实施方案的截面示 意图；
[0012]图3是标示出结构(texture)的制品表面的示例性实施方 案的截面示意图；
[0013]图4是显示Wenzel液滴状态与Cassie液滴状态之间的区 别的截面示意图；
[0014]图5是对于各种高宽比(aspect ratio)，作为相对间距的函 数的有效接触角的曲线图，其中特征(features)是突起；
[0015]图6是图1的雾化器，突出标示了用于设置混杂结构区域 (hybrid texture region)的合适区域；
[0016]图7显示不同的混杂区块(hybrid patch)构造的示例性实 施方案；
[0017]图8是作为b/a比率的函数的有效接触角的曲线图；
[0018]图9显示了亲水Wenzel态表面特征的示例性实施方案；
[0020]图11是对于亲水/超亲水表面，作为相对间距(b/a比率) 的函数的有效接触角的曲线图。附图标记说明
10 燃气轮机燃料喷射器
12 雾化器
14 外壁
16 导向外旋流器
18 内旋流器
20 导向燃料喷射器
22 输入侧
24 出料侧
26 主体
27 排料喷嘴内表面
28 排料喷嘴
29 喷嘴唇部
30 旋流器输入侧
32 旋流器出口侧
40 喷气导向分流器
42 上游部分
44 下游部分
46 前缘
48 上游部分直径
49 对称轴
50 内表面
52 后缘
54 中点
56 直径
58 后缘直径
60 异型壁
62 顶点
64 收敛段
66 发散段
67 壁唇部
70 后缘
71 唇部
80 燃烧区
90 导向燃料回路
100 基底
110 表面
112 表面能改性涂层
114 标称接触角
116 参照液体
120 表面特征
121 高度h
124 宽度a
126 间距b
200 微滴
210 表面
212 表面特征
220 宽度a
240 间距b
450 混杂表面区块
452 亲水表面结构
454 疏水表面结构
460 混杂表面区块
462 亲水结构区域
464 疏水结构区域
400 工业燃气轮机
410 Can-环形燃烧系统
412 燃烧器套管
414 Cover组装件
416 燃料喷嘴组装件
418 导流套筒
420 外壁
422 过渡管(Transition duct)
424 径向法兰
430 燃烧器内衬
10 燃气轮机燃料喷射器
12 雾化器
14 外壁
16 导向外旋流器
18 内旋流器
20 导向燃料喷射器
22 输入侧
24 出料侧
26 主体
27 排料喷嘴内表面
28 排料喷嘴
29 喷嘴唇部
30 旋流器输入侧
32 旋流器出口侧
40 喷气导向分流器
42 上游部分
44 下游部分
46 前缘
48 上游部分直径
49 对称轴
50 内表面
52 后缘
54 中点
56 直径
58 后缘直径
60 异型壁
62 顶点
64 收敛段
66 发散段
67 壁唇部
70 后缘
71 唇部
80 燃烧区
90 导向燃料回路
100 基底
110 表面
112 表面能改性涂层
114 标称接触角
116 参照液体
120 表面特征
121 高度h
124 宽度a
126 间距b
200 微滴
210 表面
212 表面特征
220 宽度a
240 间距b
450 混杂表面区块
452 亲水表面结构
454 疏水表面结构
460 混杂表面区块
462 亲水结构区域
464 疏水结构区域
400 工业燃气轮机
410 Can-环形燃烧系统
412 燃烧器套管
414 Cover组装件
416 燃料喷嘴组装件
418 导流套筒
420 外壁
422 过渡管(Transition duct)
424 径向法兰
430 燃烧器内衬
具体实施方式
[0021]笼统参照附图且具体参照图1，要理解的是，图解仅用于 描述本文公开的制品的具体实施方案而不是要受其限制。图1是燃气 轮机燃烧器系统的示例性雾化器的示意性截面图。在本文中将参照在 燃烧器系统中使用表面处理和涂布。但是，要理解的是，本文中公开 的表面处理可有利地用在任何雾化系统中以改进雾化器性能。要求流 体雾化的系统的实例包括，但不限于，农业、食品制备、涂漆、洗涤 等。本文所述的亲水或超亲水表面处理的使用可以在与没有这些表面 处理的现今雾化器相比时产生更均匀、更薄的本体液体薄膜，其可以 产生更细的微滴尺寸，即降低液体的平均液滴尺寸。此外，在选择性 区域，如各种预成膜雾化器区域的唇部中使用混杂的疏水-亲水区域可 以引发流体力学不稳定，从而实现液体薄膜的有效解体和改进的雾 化。
[0022]对于燃烧用途，如在涡轮机中，改进的雾化对燃烧性能可 能具有显著影响。一般而言，喷气雾化器性能的衡量标准是产生具有 给定平均液滴尺寸的喷雾所需的气-液比和空气侧压降。通常，该压降 是整个燃烧系统的压降的一大部分，且对于具有细滴尺寸的喷雾，气 -液质流比等于或大于1.0。在工业燃气轮机或飞机发动机中，燃烧器 压降会损害(即附加损失)系统燃料效率。因此，降低具有所需品质 的喷雾所需的雾化器压降或气-液比的能力代表系统级燃料效率益处。 与未涂布的雾化器相比，在雾化器的喷雾制造表面上使用亲油和疏油 或亲水和疏水涂层降低雾化液体的平均液滴尺寸可以有利地改进给 定压降或气-液比下的喷雾品质。此外，主要经由压力涡旋雾化(即在 预成膜唇部)产生喷雾的雾化器的液体润湿部分也可获益于疏水或疏 油表面，它们能对给定平均液滴尺寸实现较低的液体供给压力。这种 降低的压力可能代表将燃料供应给雾化系统所需的泵功的节省。
[0023]此外，所公开的疏水或疏油表面可以在制造中提供降低的 公差和精密度的潜在益处。尽管有制造缺陷，如工具加工痕迹、完美 同心度的缺乏、计量孔中的失圆状况、和通常造成喷雾中的条痕 (streak)和燃料薄膜厚度不均匀的其它迹象的其它缺陷，该表面处 理可能有利于预成膜区域上的更均匀液体薄膜厚度和分布，以产生更 均匀的喷雾。再进一步，本文公开的表面处理也可用于调节喷雾空间 分布以更好适应燃烧系统的几何构造。例如，现今的喷嘴根据具体类 型产生实心或中空的轴对称的圆锥喷雾。在将这种均匀分布喷入环形 燃烧室时，与从耐久性角度看合意的程度相比，可能会有更多燃料靠 近内壁和外壁。所公开的在预成膜器上的表面处理的分布可用于再分 布液体喷雾，调节质量通量以使液体燃料在下游燃烧器容积(volume) 中更均匀分布。在环形燃烧室中，这可以使用椭圆锥体而非圆形锥体 实现，其中椭圆的长轴圆周取向以匹配环形容积。
[0024]图1显示了燃烧器系统的燃气轮机燃料喷射器10的示例 性实施方案。该燃气轮机燃料喷射器10可以包含雾化器12。雾化器 12可以包括外壁14、导向(pilot)外旋流器16、导向内旋流器18和 导向燃料喷射器20。该雾化器12具有对称轴49，并通常是具有环形 截面轮廓的圆柱形。
[0025]导向燃料喷射器20沿着对称轴49并位于雾化器12内以 使燃料喷射器与雾化器基本同轴。燃料喷射器20将燃料喷入该导向 器(pilot)并包括输入侧22、出料侧24和延伸在它们之间的主体26。 出料侧24包括收敛的排料喷嘴28，其将燃料流(未显示)从燃料喷 射器20中导出。
[0026]导向内旋流器18是环形的并围绕导向燃料喷射器20的圆 周安置。导向内旋流器18包括输入侧30和出口侧32。内部导向空气 流(未显示)进入导向内旋流器输入侧30并在经导向内旋流器出口 侧32离开之前加速。
[0027]基线喷气导向分流器40位于导向内旋流器18下游。基线 喷气导向分流器40包括上游部分42和从上游部分42延伸出的下游 部分44。上游部分42包括前缘46并具有从前缘46到喷气导向分流 器下游部分44恒定的直径48。上游部分42也包括基本平行并紧邻导 向内旋流器18的内表面50。本文所用的术语“上游”和“下游”旨在相 对于经过该系统的流体(即燃料)流动描述部件在燃烧器系统中的位 置。
[0028]基线喷气导向分流器下游部分44从上游部分42延伸到分 流器40的后缘52。下游部分44朝雾化器对称轴49收敛以便在下游 部分44的中点54处，下游部分44具有小于上游部分直径48的直径 56。下游部分44从下游部分中点54向外发散以使后缘直径58大于 下游部分中点直径56，但小于上游部分直径48。
[0029]导向外旋流器16基本垂直地从基线喷气导向分流器40延 伸出来并连到异型壁(contoured wall)60上。异型壁60连到雾化器 外壁14上。导向外旋流器16是环形的并围绕基线喷气导向分流器40 的圆周安置。异型壁60包括位于异型壁60的收敛段64与异型壁60 的发散段66之间的顶点62。分流器下游部分44朝异型壁发散段66 发散。异型壁60也包括从异型壁发散段66延伸出的后缘70。后缘 70基本垂直于雾化器对称轴49并与燃烧区80相邻。
[0030]在运行中，导向燃料回路90将燃料通过导向燃料喷射器 20喷入燃烧器系统10。同时，空气流进入导向旋流器入口30并从导 向旋流器出口侧32向外加速。导向空气流基本平行于雾化器对称轴 49流动并撞击空气分流器40，其将该导向空气流以涡旋运动导向离 开导向燃料喷射器20的燃料。该导向空气流不会使导向燃料喷射器 20的喷雾图案(未显示)崩溃，而是使燃料稳定和雾化。
[0031]随着本体液体(在这种情况下是燃料)离开导向燃料喷射 器20，部分燃料在雾化器12表面上铺展成薄膜。该平表面，例如该 导向分流器或喷嘴唇部的内表面可以收集燃料薄膜并且有时被称作 “预成膜”表面。在本文中将使用这类一般技术。该表面的平面产生低 压再循环区域，其将燃料从排料喷嘴28吸引到该平表面上。这种“预 成膜”能够形成燃料薄层。通过首先使燃料在预成膜表面上铺展成薄 膜层，增强燃料的雾化。但是，现今的雾化器预成膜表面不能促进薄 膜在整个表面上的均匀分布，或本体液体随其沿表面向下游(即远离 喷嘴)流动而变薄。这会造成不均匀的薄膜厚度，从而造成所得喷雾 中的条痕或间隙和造成较厚的本体薄膜，这又造成较粗的微滴尺寸和 低效雾化。通过使用亲水或超亲水表面处理增强预成膜表面的润湿 性，可以在表面上形成更薄更均匀的燃料薄膜，这可以通过更细的平 均微滴尺寸导致更好的雾化。另外，通过用混杂疏水-亲水表面处理该 预成膜表面的唇部区域，可以引发流体力学不稳定，以实现更容易的 薄膜解体和更细微滴形成。
[0032]使用图1的燃气轮机液态燃料喷射器10作为确定用于形 成本体液体薄膜的预成膜表面的实例。在一个示例性实施方案中，该 液体薄膜可以先在排料喷嘴28的内表面27和喷嘴唇部29上形成。 随着将更多燃料喷入燃烧区80，该燃料可以向下游运行并形成通常在 分流器下游部分44的中点54处开始的薄膜并向后缘70的唇部71延 伸。同样地，随着继续通过喷射器20加入燃料，其可以进一步铺展 到异型壁60的发散段66上，朝壁唇部67前进。该平表面区域中， 如在排料喷嘴28的内表面27、导向分流器40的中点54到后缘70、 和异型壁上向外的发散段66上的亲水表面处理可以通过降低燃料的 平均液滴尺寸来提高燃料薄膜均匀性和薄膜厚度。此外，关键区域中 亲水和疏水(即混杂)表面处理的组合可以制造表面流体力学不稳定 以显著改进雾化器性能。对于混杂表面处理而言，这类关键区域的实 例可以包括喷嘴唇部29、导向分流器40的后缘唇部71和异型壁唇部 67。这类处理可以随后产生更细和更均匀的喷雾。
[0033]通过观察在表面与位于该表面上的给定液体的液滴之间 发生的相互作用的性质，确定固体表面的“液体润湿性”或“润湿性”。 对液体具有高润湿性的表面容易使液滴铺展在该表面的相对较宽的 面积上(由此“润湿”该表面)。在极端情况下，液体在该表面上铺展 成薄膜。另一方面，在该表面对液体具有低润湿性的情况下，液体往 往仍是形状良好的球形液滴(“非润湿”表面)。在极端情况下，液体 在该表面上形成球形液滴，其在最小干扰下容易从表面上滚落。
[0034]液体能够润湿固体表面的程度在决定液体和固体将如何 相互作用方面起到重要作用。例如，所谓的“亲水”和“超亲水”材料在 水存在下具有相对较高的润湿性，以造成水在固体表面上的高“成片” 程度。亲水和超亲水表面是润湿表面的实例。高润湿度造成相对较大 的液体-固体接触面积，并在这两种表面之间的显著相互作用有益的应 用中是合意的，例如在雾化器中形成均匀的超细本体液体薄膜。表面 的液体润湿性的一种公认衡量标准是在该表面和表面-微滴接触点处 参照液体微滴表面的切线之间形成的静态接触角的值。该接触角的低 数值意味着参照液体在表面上的高润湿性。参照液体可以是任何相关 液体。在许多应用中，参照液体是水。在另一些应用中，参照液体是 含有至少一种烃，例如油、石油、汽油、有机溶剂和类似物的液体。 由于润湿性部分取决于参照液体的表面张力，给定表面可以对不同液 体具有不同润湿性(因此形成不同的接触角)。
[0035]术语“亲水”通常用于描述与水产生小于大约90度标称接 触角的表面。“超亲水”通常用于描述与水产生小于大约10度标称接触 角的表面。同样地，术语“疏水”通常用于描述与水产生大于大约90 度标称接触角的表面。“超疏水”通常用于描述与水产生大于大约150 度标称接触角的表面。疏水和超疏水表面因此是非润湿表面的实例。
[0036]在一个示例性实施方案中，雾化器可以包含预成膜区域， 其包含构造成降低雾化液体平均液滴尺寸的表面，其中该表面具有小 于大约30度的与雾化液体的有效接触角。在另一示例性实施方案中， 雾化器可以具有位于预成膜区域下游并构造成在液体薄膜中制造流 体力学不稳定的唇部，其中该唇部包含润湿和非润湿表面的交替图 案，其中非润湿表面包含大于90度的与液体的接触角，且润湿表面 包含小于90度的与液体的接触角。在再一示例性实施方案中，雾化 器可以包括第一实施方案中所述的预成膜区域表面以及第二实施方 案中所述的唇部混杂润湿/非润湿表面。
[0037]现在参看图2，在一个示例性实施方案中，雾化器的基底 100可以具有表面110。表面110可以是上述任何表面，其中预成膜 是合意的，如旋流器的内表面，异型壁或排料喷嘴。表面110可以包 含用于改变该表面的表面能的表面能改性涂层112。在某些情况下， 表面能改性涂层112可以包含位于雾化器基底100的表面110上的涂 层。表面110可以包含金属、合金、塑料、陶瓷或其任何组合中的至 少一种。表面110可以呈薄膜、片材或本体(bulk)形状。涂层112可 以是表面110的组成部分，或涂层112可以包含通过本领域中已知的 多种技术置于或沉积到表面110上的层。
[0038]表面能改性涂层112可以包含至少一种选自亲水涂层，如 陶瓷、复合材料及其各种组合的材料。合适的亲水陶瓷的实例包括， 但不限于，无机氧化物、碳化物、氮化物、硼化物及其组合。这类陶 瓷材料包括钛、硅、铝、镁、锆、锌、钇稳定化氧化锆、铝酸镁尖晶 石和氧化锌；铝和镓氮化物；硅和钨碳化物、钴铬碳化物(silicon and tungsten carbide cobalt chromium carbide)；其组合，和其它类似陶瓷。 可以基于所需接触角、所用制造技术和制品的最终用途选择表面材 料。涂层材料及其涂施方法，如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉 积(PVD)等是本领域中已知的，并且特别可用在严酷环境中。
[0039]表面110可以包含具有足以产生最多大约90度的标称接 触角的标称润湿性的涂层112。为了更好理解，“标称接触角”114是指 在参照液体液滴116位于平整光滑(＜1纳米表面粗糙度)表面上时测 得的静态接触角。这种标称接触角114是该表面的主要构成材料的“标 称润湿性”的衡量标准。
[0040]在另一实施方案中，表面110可以如图3中所示包含多个 表面特征120。特征120的尺寸、形状和取向对表面110的润湿性具 有强的影响，并在本文公开的示例性实施方案中，选择这些参数以使 表面110具有足以与水产生小于标称接触角114的有效接触角的有效 润湿性(即，结构化(textured)表面的润湿性)。多个表面特征120 可以有效地将具有亲水涂层的表面变成具有超亲水润湿性的表面。
[0041]如上所述，可以选择特征120的尺寸、形状和取向以使表 面110表现出超亲水润湿性。该选择基于液体与固体表面的相互作用 的物理学。液滴通常以许多平衡态中的任一种留在结构化表面上。在 图4(a)中所示的“Cassie”状态中，液滴200位于结构化表面210的 表面特征(在这种情况下为柱体212)上，将空气泡截留在柱体之间。 在图4(b)中所示的“Wenzel”状态中，液滴200润湿整个表面210， 用液体填满峰212之间的空间。通常可以考虑其它平衡状态作为纯 Cassie和纯Wenzel性状(behavior)之间的中间状态，其中液滴仅部 分填充表面粗糙特征之间的空间。本文所用的术语“非-Wenzel”是指未 表现出纯Wenzel状态性状的任何状态；因此，术语“非-Wenzel”包括 纯Cassie状态性状和没有表现出纯Wenzel性状的任何中间状态。
[0042]液滴在该表面上呈现的具体状态取决于固体/液体/蒸气体 系的总能量，该总能量又随固体的表面粗糙特征的几何特征-如尺 寸、形状和取向而变。例如，在Cassie状态造成比Wenzel状态低的 能量的情况下，撞击的液滴将一般始终表现出Cassie状态性状。但是， 即使在Wenzel状态提供较低能量的情况下，仍可能由于这两种状态 之间存在能量垒而保持非-Wenzel状态性状，以致要求输入能量以实 现从“亚稳的”非-Wenzel状态到最终较低能量Wenzel状态的转化。表 面几何与能量之间的关系的理解能将表面设计成提供所需润湿性特 征，包括液体在固体表面上表现出的接触角和润湿状态性状类型。
[0043]结构化表面上的有效接触角(θ*)通过用于Wenzel液滴 (w)的公式(1)和用于Cassie液滴(c)的公式(2)与标称接触角 (θ)相关联：(1)cos(θw*)＝r cos(θ)
(2)cos(θc*)＝fSL cos(θ)-fLA
其中“r”是结构参数(texture parameter)并且是指该表面的接触面 积除以投影面积。对于正方柱体的正方阵列，r通过下列公式给出：
(3)r＝1+4(h/a)/(1+b/a)2
其中“a”是柱体宽度，“b”是柱体之间的边到边间距，且“h”是柱高。 fSL和fLA的公式如下给出
(4)fSL＝1/(1+b/a)2；且
(5)fLA＝1-1/(1+b/a)2
通过上述公式可以看出，结构化表面上的有效接触角受到如结构 特征尺寸、间距和高宽比之类参数的强烈影响。将表面结构化以制造 Wenzel状态微滴对于形成超亲水表面是关键的。图5是显示Wenzel 液滴的有效接触角θw*与结构参数r之间的关系的图。在该图中，针 对标称接触角为50度、60度和70度的表面，绘制该表面的表面积(通 过r，实际表面积与投影表面积的比率测得)和与水形成的有效接触 角之间的关系。可以看出，r参数是表面几何，包括如b/a和h/a等参 数的函数，且特定函数的性质将取决于该表面的构造。该图表明，在 Wenzel液滴的情况下，当亲水表面(即标称接触角小于90度的表面) 结构化以具有表面特征时，可以实现有效接触角的显著降低(低至0 度)。随着该表面特征的结构变密(变粗糙)，r的值提高且有效接 触角有利地降低。因此，当制品具有现有的亲水表面(如多数金属表 面)或该表面已经被亲水表面涂层涂布时，可以通过选择结构参数(r) (其通过实现Wenzel状态来产生所需的低或0有效接触角)来适当 地将该表面结构化。
(2)cos(θc*)＝fSL cos(θ)-fLA
其中“r”是结构参数(texture parameter)并且是指该表面的接触面 积除以投影面积。对于正方柱体的正方阵列，r通过下列公式给出：
(3)r＝1+4(h/a)/(1+b/a)2
其中“a”是柱体宽度，“b”是柱体之间的边到边间距，且“h”是柱高。 fSL和fLA的公式如下给出
(4)fSL＝1/(1+b/a)2；且
(5)fLA＝1-1/(1+b/a)2
通过上述公式可以看出，结构化表面上的有效接触角受到如结构 特征尺寸、间距和高宽比之类参数的强烈影响。将表面结构化以制造 Wenzel状态微滴对于形成超亲水表面是关键的。图5是显示Wenzel 液滴的有效接触角θw*与结构参数r之间的关系的图。在该图中，针 对标称接触角为50度、60度和70度的表面，绘制该表面的表面积(通 过r，实际表面积与投影表面积的比率测得)和与水形成的有效接触 角之间的关系。可以看出，r参数是表面几何，包括如b/a和h/a等参 数的函数，且特定函数的性质将取决于该表面的构造。该图表明，在 Wenzel液滴的情况下，当亲水表面(即标称接触角小于90度的表面) 结构化以具有表面特征时，可以实现有效接触角的显著降低(低至0 度)。随着该表面特征的结构变密(变粗糙)，r的值提高且有效接 触角有利地降低。因此，当制品具有现有的亲水表面(如多数金属表 面)或该表面已经被亲水表面涂层涂布时，可以通过选择结构参数(r) (其通过实现Wenzel状态来产生所需的低或0有效接触角)来适当 地将该表面结构化。
[0044]现在回到图3，可以以许多方式表征表面特征120的尺寸。 在如图3中所示的一些实施方案中，多个特征120中的至少一部分从 雾化器基底100上突起。此外，在一些实施方案中，多个特征中的至 少一部分是位于雾化器基底100中的多个空穴(未显示)。表面特征 120包含高度(h)121，其代表突起特征120的高度，或在空穴的情 况下，代表空穴延伸到雾化器基底100中的深度。表面特征120进一 步包含宽度(a)124。宽度的精确性质将取决于该特征的形状，但是 指在该特征自然接触置于制品表面上的液滴的位置处的特征宽度。表 面特征120的宽度、间距和高度参数可能对在表面110上观察到的润 湿性状具有显著影响。
[0045]多种特征形状适合用作表面特征120。在一些实施方案中， 至少一部分表面特征120具有选自立方体、矩形棱柱、锥体、圆柱体、 棱锥、梯形棱柱和半球或其它球形部分的形状。无论该特征是突起， 如柱脚(pedestal)，还是空穴，如凹槽或孔隙，这些形状都是合适的。 例如，在具体实施方案中，至少一部分特征包含纳米线，它们是具有 仅限于几十纳米或更小的横向尺寸和不受限的纵向尺寸的结构。制造 各种材料的纳米线的方法是本领域中公知的，并包括，例如，化学气 相沉积到基底上。纳米线可以直接生长在制品100上，或可以在单独 基底上生长，从该基底上移除(例如，使用超声)，置于溶剂中，并 通过将该溶剂置于制品表面上并使溶剂干燥来转移到制品100上。
[0046]特征取向是根据本发明的实施方案的表面润湿性的设计 中的另一设计考量。特征取向的一个重要方面是特征的间距。参照图 3，在一些实施方案中，特征120以用间距(b)126表征的间隔关系 布置。间距126是指两个最紧邻特征的边缘之间的距离。
[0047]在一些实施方案中，所有多个特征120都处于非无规分布。 在一些情况下，特征120具有基本相同的h、a和/或b的各自值(“有 序阵列”)，尽管这不是一般要求。例如，多个特征120可以是例如 表现出尺寸、形状和/或取向的无规分布的特征，如纳米线的集合。此 外，在某些实施方案中，多个特征的特征在于，h、a、b或其任何组 合的多峰分布(例如双峰或三峰分布)。这类分布可以有利地在遇到 一定范围的液滴尺寸的环境中提供增强的润湿性。因此通过将这些参 数的分布性计入考虑，最好地进行h、a和b对润湿性的影响的评测。 使用代表概率分布的变量进行分析的技术，如蒙特卡罗模拟法是本领 域中公知的。这类技术可用于设计本文公开的制品中所用的特征120。
[0048]根据雾化器的用途，制品表面110可以是由金属，如包含 选自铁、钛、铜、锆、铝和镍的元素的金属构成的材料。在某些实施 方案中，该材料基本完全是金属的。在另一些实施方案中，该材料包 含陶瓷，如以氧化钛、二氧化硅和氧化锆为代表的氧化物。在本发明 的实施方案中可能使用其它温和至极亲水的材料，如某些聚合材料。
[0049]上述表面特征参数的具体范围和组合可以提供一种方案， 其中可以驱使表面110的有效润湿性产生与参照液体的液滴的小于大 约10度的有效接触角，在一些情况下，可以将该有效接触角降至接 近0。在雾化器的预成膜区域表面上具有这种低接触角可以在该表面 上提供超薄本体液体薄膜的形成，其与现今的在预成膜区域中制造流 体力学不稳定的技术一起将产生更细的平均液滴尺寸和增强的雾化。
[0050]在一个示例性实施方案中，表面110可以包含具有平均特 征尺寸a和平均特征间距b的多个表面特征120。比率b/a表明特征 间距，且随着这些特征更密集，表面110的接触面积提高(即结构参 数(r)提高)，从而为液体提供更多接触面积。但是，在一些情况下， 部分由于制造方法中的限制，特征可以多么密地间隔开具有实际下 限。此外，在某些用途中，表面特征120在一起间隔太密会造成液体 微滴悬浮在特征之间而不润湿特征120之间的区域的情况。这种状况 会降低有效润湿面积。如果(a)改变但间距(b)恒定，特征宽度改 变，但特征间隙不变。但是，这可能取决于如何定义(b)；其是从 特征边到边还是从特征中心到中心。
[0051]表面特征120的高宽比(h/a)也在决定表面110的有效润 湿性性状方面起到一定作用。通常，例如至少大约1，且在一些实施 方案中至少大约4的高的高宽比是合意的，因为随着高宽比提高，表 面积提高。在例如在燃气轮机中存在的一些高温雾化应用中，合意地 确定高的高宽比(h/a至少大约4)特征的尺寸和间距以产生大约0.5 至大约6的b/a。参数值的这种组合提供使超薄均匀薄膜在雾化器表 面上的涂布最大化的表面。
[0052]如上所述，除了在雾化器的预成膜区域中具有润湿(例如 亲水或甚至超亲水)表面外，在润湿/非润湿(例如亲水-疏水或“混杂”) 区域的组合位于雾化器内的关键位置时，可以实现进一步优点。图6 显示了图1的燃烧器系统和雾化器。已经圈出和用箭头指出混杂区块 (patches)的示例性位置。在此实施方案中，混杂区块可以位于喷嘴 唇部29、导向分流器40的后缘唇部71和异型壁唇部67。为方便起 见，这些位置将通常被称作雾化唇部。图7显示了不同混杂区块构造 的实例。已经发现，除了为雾化器设计的那些(如高速空气)外，混 杂构造的使用可以将流体力学不稳定引入本体液体薄膜中。该表面引 发的不稳定可以与空气流引发的不稳定联合作用以改进雾化品质。在 一个示例性实施方案中，可以使用疏水(或超疏水)和亲水(或超亲 水)结构的交替图案制造表面引发的不稳定。例如，如图7中所示， 混杂区块450可以具有亲水结构452和疏水结构454的垂直或水平取 向的交替条带。在另一实施方案中，混杂区块460可以形成与亲水结 构区域462交叉的疏水区域464的格栅图案。例如，“亲-疏”表面的交 替区块可以使用与光刻中所用的那些类似的掩蔽技术进行。这类方法 是本领域技术人员公知的，其中使用化学品蚀刻该表面上的所需润湿 或非润湿图案，同时该表面的其余部分被抗蚀掩模(resistive mask) 保护。这种相同方法不仅可用于在两个步骤中制造混合区块，还掩蔽 不需要涂布处理的表面区域。制造混杂表面的另一方法是使用微接触 印刷。
[0053]疏水结构454、464的条带与亲水条带452、462相比是润 湿性低的区域。疏水材料具有相对较低的液体润湿性以利于形成与表 面110具有最小接触面积的液滴。超疏水材料具有甚至更低的水润湿 性，以产生在一些情况下可能看似推斥撞击该表面的任何水的表面。 紧邻亲水区域的疏水区域的性质在雾化器唇部在本体液体薄膜中制 造表面不稳定，因为该薄膜正是在此处开始由于薄膜上的空气流而解 体成微滴。通过在此区域中使用混杂表面，这种不稳定性增强了总体 流体力学不稳定性，这在雾化中是合意的并产生更细的微滴尺寸。预 成膜唇部的边缘是用于在液体片刚要解体成丝线(ligament)和液滴 之前制造流体力学不稳定和使该液体片变薄的合适位置。
[0054]疏水表面的区域可以就像上述亲水表面那样具有包含多 个特征的结构。但是，该表面特征的形状和参数更适合提供具有比制 造该表面用的材料固有的标称润湿性低的有效润湿性的表面。由此设 计和制造的表面对水和油具有所选润湿性以在燃烧器系统10的雾化 器唇部区域中制造表面不稳定。在一个实施方案中，与水的标称接触 角大于大约100度，尤其大于大约120度，更尤其大于大约150度。
[0055]在示例性实施方案中，疏水表面454，464的区域包含对 水和油具有高接触角(低润湿性)并还容易使液滴滚落的表面结构。 通过与基于应用环境的适当材料选择结合地适当选择b/a和h/a，可以 将表面设计成使撞击该表面的液滴将表现出与易滚落性状结合的疏 水和抗油性质。相应地，该表面特征包含高度(h)、宽度(a)和间 距(b)以使比率b/a小于大约4且比率h/a小于大约10。在一个示例 性实施方案中，参数a小于大约25微米，尤其小于大约10微米，更 尤其小于大约2微米。在一些实施方案中，b/a可以为大约0.3至大约 10，尤其是大约0.5至大约2；且h/a可以为大约0.5至大约5，尤其 是大约0.5至大约1。
[0056]可以通过许多方法制造和为雾化器基底100提供亲水表面 110的表面特征和混杂构造区块450、460的表面特征。在一些实施方 案中，可以直接在表面110上制造表面特征。在另一些实施方案中， 可以单独制造表面特征并随后置于基底100上。可以通过逐个添附特 征来将表面特征置于基底100上，或可以将特征置于片材、箔或其它 合适的介质上，然后将该介质添附到基底100上。在任一情况下的添 附可以通过任何适当的方法实现，例如但不限于，焊接、铜焊、机械 添附或经环氧或其它粘合剂粘贴、热喷涂和类似方法。
[0057]表面特征的安置可以通过将材料置于制品表面上，通过从 该表面上移除材料，或沉积和移除的组合实现。许多方法在本领域中 已知用于添加或从表面上除去材料。例如，如果选择适当的介质/工具 和表面材料，通过如研磨、喷砂(grit blasting)、喷丸(shot peening) 处理之类的机械操作使表面简单粗糙化可能是合适的。这类操作将通 常造成在该表面上分布着无规取向的特征，而特征的尺寸级将极大取 决于用于材料移除操作的介质和/或工具的尺寸。可以使用表面的一般 粗糙化促进增强的润湿，从而制造表面特征。但是，本发明的某些实 施方案要求控制具体参数，如表面特征的相对间距和高宽比以提供改 进或降低的润湿性能。通过使用传统描述的粗糙化方法，如喷砂，许 多参数范围及其组合非常难实现或不可能实现。
[0058]光刻法常用于在可蚀刻表面，包括金属表面上制造表面特 征。可以通过这些方法提供特征的有序阵列；可通过这些技术获得的 特征尺寸的下限受到所用的特定光刻法的分辨率的限制。但是，由于 “掏蚀(undercut)”趋势，即侧向以及垂直蚀刻的趋势，光刻和其它 蚀刻方法通常不是非常适用于在一些金属表面上形成高的高宽比的 特征。
[0059]电镀法也常用于在表面上添加特征。可以以图案化阵列掩 蔽导电表面以暴露出要在其上安置特征的区域，并可以通过电镀在这 些暴露出的区域上建立特征。这种方法能够制造具有比通过蚀刻技术 通常实现的那些更高的高宽比的特征。在具体实施方案中，使用具有 良好受控孔径的阳极化氧化铝(AAO)模板实现掩蔽。材料透过孔隙 电镀到基底上，然后选择性除去AAO模板；这种方法在本领域中常 用于制造高高宽比特征，如纳米杆。可以使用通常已知的加工法沉积 金属和金属氧化物的纳米杆，并且可以进一步加工(例如通过渗碳作 用)这些材料以形成各种陶瓷材料，如碳化物。如下文更详细描述的 那样，可以在特征上施加涂层或其它表面改性技术以提供甚至更好的 润湿性。
[0060]微机械加工技术，如激光微机械加工(例如常用于硅和不 锈钢)和蚀刻技术(例如，常用于硅的那些)也是合适的方法。这类 技术可用于形成空穴(如在激光钻孔中)以及突起特征。在多个表面 特征包括空穴的情况下，在一些实施方案中，该制品可以包含多孔材 料，如阳极化金属氧化物。阳极化氧化铝是在一些实施方案中可能适 用的多孔材料的具体实例。阳极化氧化铝通常包含柱形孔隙，并且可 以通过阳极化法、使用本领域公知用于将金属层转化成多孔金属氧化 物层的工艺控制，精密控制孔隙参数，如直径和高宽比。
[0061]铜焊技术可用于将表面特征添附到制品中。在这种方法 中，可以在制品基底表面上沉积涂料混合物，其中涂料混合物可以包 含铜焊材料和提供结构的材料。然后可以将铜焊材料加热以使提供结 构的材料粘合到制品表面上。在另一方法中，可以通过热喷雾或冷喷 雾法添加表面特征。例如，可以将粒子(纳米级至微米级)和粘合剂 的混合物沉积到制品基底表面上以形成亲水或疏水表面。可以在粒子 不熔融的情况下沉积该混合物以确保该表面的适当结构。
[0062]简言之，可以使用本领域中公知的任何许多沉积法或材料 移除法为表面提供特征。如上所述，表面特征可以直接施加到基底100 上，或施加到随后添附到基底100上的基底上。
[0063]施加性质决定特征安置在制品上的程度。比所需厚的不均 匀薄膜层造成燃烧器低效和提高的燃料消耗和成本。如本文公开的具 有构造成促进液体雾化的表面的雾化器可以改进喷雾的均匀性和微 滴尺寸和提高燃烧器系统的效率。上述实施方案显示出优于包含这类 表面的现有雾化系统和涡轮部件的显著优势。此外，这些雾化表面可 以改进燃料蒸发器的性能。这些装置产生燃料蒸气，其随后可以与惰 性气体或水蒸汽混合以使燃料可以在用于气态燃料喷射的预混器中 燃烧。在不开发辅助喷雾燃烧能力的情况下，燃料蒸发器可能变成现 有的干燥低排放燃烧器系统中消耗液态燃料的重要装置。本文公开的 表面处理和涂布提供的改进的雾化可以降低输入燃料蒸发器的所需 热输入和改进蒸发器效率。
[0065]经由光刻法为硅基底提供宽度(a)大约3微米并具有各 种柱体间距(b/a比率)和高宽比(h/a)的正矩形棱柱。然后将基底 放在带有一小瓶液态氟硅烷(FS)的室中，并将该室抽空以使液体蒸 发和从气相冷凝到硅基底上，由此在表面上制造亲水薄膜。作为b/a 比率的函数记录有效Wenzel状态接触角。图8图示了改变b/a比率以 降低有效接触角的趋势。具有50、60和70度的标称接触角(CAn) 的三个表面分别用矩形柱体表面特征结构化。如图8中所示，随着各 柱体之间的相对间距降低，有效接触角降低(低至大约0度)。此外， 对于相同间距，提高高宽比会造成接触角降低，因为其在能量上有利 于润湿更多面积。带有正方柱脚的硅片的测量表明，对于一定范围的 b/a，接触角低至0度。这些结果显示在下表1中，其中表面特征参数 (高度、宽度和间距)产生大约0度的有效接触角。表1
a (微米) b (微米) 高宽比 (h/a) 有效接触角 (度) 3 1 3.3 0 3 1.5 3.3 0 3 2 3.3 0 3 3 3.3 0 3 4.5 3.3 0 3 6 3.3 0 15 5 1.6 0 15 7.5 1.6 0 15 15 1.6 0 15 11.3 1.6 0
a (微米) b (微米) 高宽比 (h/a) 有效接触角 (度) 3 1 3.3 0 3 1.5 3.3 0 3 2 3.3 0 3 3 3.3 0 3 4.5 3.3 0 3 6 3.3 0 15 5 1.6 0 15 7.5 1.6 0 15 15 1.6 0 15 11.3 1.6 0
[0066]图9进一步显示了构造成形成Wenzel状态液滴并产生上 表中所示的低有效接触角的柱体表面特征的实例。顶部实例显示了具 有锥体顶面的柱体特征。中间实例显示了具有升高的锥体顶面的柱体 特征，其中这些特征具有比顶部实例大的高度，且锥体形状不覆盖整 个特征。最后，底部实例显示了具有半球顶面的柱体特征。
[0067]图10显示了油滴在具有不同b/a比率的硅柱上的照片。图 10列出油在不同表面特征参数上的标称接触角。所用油是可购自 Exxon Mobil的发动机润滑油terasitic GT该表面在性质上是大致 疏油的。通过测定在液滴将从表面上滚落之前所需的与水平面的倾斜 角，测量易滚落性。需要几乎垂直倾斜的液滴高度粘着在表面上，而 表现出易滚落性的液滴将需要极小倾斜角就从表面上滚落。区域5和 6是油滴从柱体上滚落的唯一区域。油滴的体积为2和4微升。为了 比较，用类似体积的水滴测试相同特征。以水作为参照液体，微滴从 区域5至10上滚落。基于涂有FS的平滑硅片上的滚落数据(date)， 计算粘着参数为0.029牛顿/米(N/m)。使用测角器测试参数并基于 下列公式计算：ρVgsinθ＝μl，其中ρ是液体密度，V是液滴体积，g 是重力，θ是接触角，μ是粘着参数(pinning parameter)，l是接触 线长度。对于水，粘着参数为大约0.013N/m。从该数据中可以看出， 与疏水表面相比，疏油表面应用将需要不同的表面特征设计。实施例2
[0068]图11是有效接触角(度数)vs.表面特征的相对间距(间 距(b)除以宽度(a))的曲线图。该图显示了可用在雾化器的预成 膜和/或唇部区域中的多种亲水/超亲水表面。表面特征是从表面上突 起的柱体并具有大约3微米的宽度(a)。从该图中看出，当柱体特 征的相对间距从大约4提高至大约10时，该表面的有效接触角从大 约25度提高至大约40度。当特征的相对间距更近(例如小于大约4 的b/a)时，表面的有效接触角为大约0度或完全润湿。
[0069]本文公开的范围是包含端点和可组合的(例如，“最多大 约25重量％，或更具体地大约5重量％至大约20重量％”的范围包括 “大约5重量％至大约25重量％”的范围的端点和所有中间值，等等)。 “组合”包括掺合物、混合物、合金、反应产物等。此外，术语“第一”、 “第二”等在本文中不是指任何次序、量或重要性，而是用于将一要素 与另一要素区分开，术语“一种”在本文中不是指数量的限制，而是表 示存在至少一个所述项目。与数量联用的修饰语“大约”包括所示量并 具有视情况而定的含义(例如，包括与特定量的测量相关的误差度)。 本文所用的后缀“(s)”旨在包括其所修饰的术语的单数和复数，由此 包括一个或多个该术语(例如着色剂(s)包括一种或多种着色剂)。 说明书通篇中提到的“一个实施方案”、“另一实施方案”、“一实施方案” 等意味着联系该实施方案描述的特定要素(例如特征(feature)、结 构和/或特征(characteristics))包括在本文所述的至少一个实施方案 中，并且可以存在或不存在于其它实施方案中。此外，要理解的是， 所述要素可以以任何合适的方式结合在各种实施方案中。
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