自清洁防结冰复合表面装置的制作方法

1.本发明涉及自清洁表面装置技术领域，尤其是一种自清洁防结冰复合表面装置。


背景技术：

2.表面维护是现代工业科技发展的重要方向之一，具有多功能、低维护成本等特点的自清洁复合表面也存在着相当大的实用性，在航天、能源、建筑、化工等技术领域都有着很广泛的应用。随着现代技术的发展，出现诸多的现代建筑和装置，除了对其内部功能的完善外，其中对于建筑和装置的外表面维护也是一项技术发展的重要课题。对于表面的研究是希望能够提高表面的实用性的同时，尽量减小对表面的维护成本，最好能够实现表面的自我维护。一般的表面在长时间使用过后容易积累灰尘，影响外观，而对于一些特定的功能表面，比如太阳能板，表面积累灰尘会使自身的产能降低。在寒冷环境中，表面的灰尘还容易招致水汽在表面附着，造成壁面的破化，需要定时清洁，这无疑会增加维护的成本。特别是当表面处于极端环境中时，还会存在一定的维护风险。


技术实现要素：

3.针对现有技术的缺陷，本发明提供一种自清洁防结冰复合表面装置，提高表面自清洁能力，避免灰尘累积和表面结冰。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.一种自清洁防结冰复合表面装置，包括底座和密封盖，所述底座的上表面设有若干锥形实体，所述密封盖上设有若干密封口，所述密封口用于穿过所述锥形实体；所述密封盖和所述底座连接，所述锥形实体由所述密封口伸出至所述密封盖的表面外；锥形实体表面设有亲水涂层，所述密封盖的表面设有疏水层。
6.其进一步技术方案为：
7.所述锥形实体的结构包括柱段和锥段，所述柱段的一端与所述底座连接，另一端与所述锥段连接，所述锥段为具有内凹形侧面的锥形旋转体，所述锥形实体由所述密封口伸出至所述密封盖的表面外的结构为所述锥段。
8.所述内凹形侧面的位于所述锥段顶点处的切线与锥段中心轴线之间的夹角α＝10
°
。
9.所述底座与所述密封盖之间设有缓冲垫片，所述缓冲垫片上设有供所述锥形实体通过的通孔。
10.所述缓冲垫片呈波纹状。
11.所述密封口与所述锥形实体之间的接触面上设有密封圈。
12.所述锥形实体均匀密布。
13.本发明的有益效果如下：
14.本发明能实现表面在湿润环境中表面的自我清洁，同时在寒冷环境中有效防止水汽在表面集结凝固对表面破坏，减少维护成本，安装方便，没有复杂的机械结构，具有良好
的机械稳定性，安装完成后不需要外部能源，具有良好的应用前景。
15.本发明的密封盖和底座相结合的结构能够实现使自清洁表面与功能锥体分离，使得复合结构在加工和维护清理时更加方便，在表面损坏时只需要替换相应零件，具有维修成本低的优点。本发明的锥形实体与密封盖表面需要分别进行亲水和疏水性处理，分离的设计能够使得表面处理方便实行，提高复合表面的可用性。
16.本发明锥形实体的锥段的侧面设置成内凹形，跟常规圆锥形结构相比，具有更高的传输效率，有利于凝结水滴的快速流动，进一步提高防结冰性能。
附图说明
17.图1为本发明的立体结构示意图。
18.图2为本发明的爆炸结构示意图。
19.图3为本发明锥形实体的结构示意图。
20.图4为本发明锥形实体的不同内凹程度锥段的分子动力学模型示意图。
21.图5本发明的锥形实体的锥段内凹程度与水滴运输平均速度之间的关系图。
22.图中：1、底座；2、密封盖；3、锥形实体；4、密封口；5、缓冲垫片；6、密封圈；7、螺栓；31、柱段；32、锥段。
具体实施方式
23.以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
24.在干旱的环境中，一些生物结构具有雾气收集能力，例如仙人掌茎上的圆锥形刺和具有纺锤形突起和节结构的蜘蛛丝。水汽通过这些圆锥结构捕获之后，能够自发向锥体截面半径较大的部位移动，合并成大水珠，实现水汽的收集。相比于其他水滴定向移动的策略，这种结构导致水滴的定向移动更加高效，并且不需要外部能源的介入。受此结构的启发，本实施例的自清洁防结冰复合表面装置采用具有仿生结构的复合表面，能够在潮湿环境下自动收集水分。
25.本实施例的自清洁防结冰复合表面装置，如图1和图2所示，包括底座1和密封盖2，底座1的上表面设有若干锥形实体3，密封盖2上设有若干密封口4，密封口4用于穿过锥形实体3；密封盖2和底座1连接，锥形实体3由密封口4伸出至密封盖2的表面外；密封盖2的表面上设有疏水层，锥形实体3表面设有亲水涂层。
26.如图3所示，锥形实体3的结构包括柱段31和锥段32，柱段31的一端与底座1连接，另一端与锥段32连接，锥段32为具有内凹形侧面的锥形旋转体，锥形实体3由密封口4伸出至密封盖2的表面外的结构为锥段32。
27.柱段31作为底座可通过焊接固定于底座1。
28.亲水涂层主要设置在锥段32表面。
29.疏水层、亲水涂层通过表面处理工艺实现，亲水涂层方便水滴自动在亲水的锥段32表面收集，从而提高集水效果。特别在寒冷环境中由于表面亲水性较强，水汽会更加容易凝结在锥体实体3上，避免了对表面的损坏。疏水层方便水滴滑落到密封盖2表面时便于排水。并且在寒冷环境中疏水层能减少水滴在表面的附着。
30.如图4所示，内凹形侧面的位于锥段32顶点处的切线与锥段32中心轴线之间的夹
角为α，优选地，α＝10
°
。
31.锥段32的侧面设置成内凹形，有利于水滴快速地定向移动。
32.具体地，锥形实体3可成阵列状密布于底座1的上表面。避免大量水滴在密封盖2表面聚集形成大面积冰层对表面造成损坏。
33.底座1与密封盖2之间设有缓冲垫片5，缓冲垫片5上设有供锥形实体3通过的通孔。
34.缓冲垫片5呈波纹状，波纹状的结构一方面能够填满底座1与密封盖2之间的间隙，避免了对结构内部的刚性碰撞，另一方面使表面在受撞击时与底座1之间有一定的缓冲能距离，提高复合表面整体抗撞击能力。
35.密封口4与锥形实体3之间的接触面上设有密封圈6。密封圈6起密封和缓冲作用。
36.底座1和密封盖2之间通过紧固件如螺栓7等进行定位和加固。
37.本实施例的工作原理如下：
38.通过表面亲水处理过后的锥形实体3从环境中自发收集水汽，等到收集到的水汽凝结成一个足够大的水滴时，由于锥形实体3的结构使得水滴内部产生一定的压力差促使水滴能够向锥形实体根部定向移动。水滴在锥形实体3上定向移动原理如图3所示，当水汽在锥段32表面上聚集并达到一定规格后，形成水滴附着在锥段表面，图3中粗实线为水滴在锥面的外轮廓投影，由于锥段存在一定的结构梯度，水滴外轮廓在靠近锥体顶部投影面的半径r
tip
会小于靠近锥体根部处投影面的半径r
root
。水滴的内部的压强可根据拉普拉斯方程计算，δp≈γ(1/r
tip
‑
1/r
root
)，其中，γ为液体的表面张力。由公式可知，水滴轮廓在靠近锥体顶部的压强会大于靠近锥体根部处的压强，使得附着在锥体表面上的水滴内部会存在压强差梯度，从而推动水滴从实体尖端到根部的定向移动。
39.本实施例锥形实体3的锥段32侧面设置成内凹形，通过分子动力学模拟证实相比于常规的圆锥体模型，内凹形表面具有更高的传输效率，使水滴运动更快。
40.以图4所示的分子动力学模型进行模拟，图中圆球代表水滴，其半径为r0。锥段32的侧面在截面上呈内凹圆弧。α如上所述是内凹圆弧位于锥段32顶点处的切线与锥段32中心z轴的夹角，α表征锥段32侧面的内凹程度。α越小，从截面上看内凹圆弧的半径越小，即内凹程度越大。α＝45
°
时，内凹圆弧的半径为无穷大，即内凹程度趋于0，转化为常规圆锥。
41.本实验模型中锥段32的底面与上述切线间夹角也为α。为了定量比较，在锥段32高度h相同时，分析水滴在α＝10
°
、α＝25
°
、α＝45
°
三种情况下的表面运动的平均速度。结果如图5所示，当α越小，水滴运动速度越快。水滴在α＝10
°
的速度比在α＝45
°
快了近3倍。
42.由于本实施例的密封盖2表面具有疏水性，水滴在密封盖2表面难以维持平衡，在重力的作用下从表面滑落，同时带离表面上的灰尘杂质，实现自清洁的功能。为了提高排水效率，具体实施时将复合表面成一定角度放置，确保收集在密封盖2疏水表面上的水滴能够在重力的影响下自发从表面上滑移，以实现排水功能。在寒冷的环境中，表面的损坏主要由于水汽在表面的聚集形成大块的或者大面积冰层造成表面的破裂。对于本实施例的复合表面，由于本身结构存在自清洁功能，能够减小表面水滴的附着能力，同时，由于阵列锥形实体3结构的存在，可以有效避免水滴在密封盖2壁面上的聚集成大型的冰层，同时锥形实体3对表面也有一定的加固功能。
43.本实施例的自清洁防结冰复合表面装置，不需要接入外部能源就可以实现自清洁和防结冰的功能。