CN101871902A - 一种热管用多孔材料极限热流密度的测试装置及测试方法 - Google Patents

一种热管用多孔材料极限热流密度的测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热管用多孔材料极限热流密度的测试装置及测试方法，该测试装置包括由绝热材料、不锈钢桶、测试块、冷凝管、传热块、加热器和热电偶组成；该方法通过增加加热器的功率，使多孔材料的热量逐渐增加，多孔材料的沸腾也加剧，直到传热极限的出现，通过各热电偶记录的数据可以推算出材料的极限热流密度。本发明的有益效果是：通过该装置和该方法可以比较不同的毛细结构在沸腾时的热阻和传热能力，测试结果稳定可靠，可以为热管的毛细芯结构设计提供帮助。

Description

一种热管用多孔材料极限热流密度的测试装置及测试方法
技术领域
本发明属于热管传热技术领域，具体涉及热管用多孔材料极限热流密度的测试装置及测试方法。
背景技术
随着电子产品向小型化、轻量化和多功能化方向发展，电子产品的散热问题也越来越突出。传统的散热方式有金属散热片和空气对流，但这些方式已逐渐不能满足电子产品散热的要求，亟需一种更强的散热方式。
热管在工作时，管内工质发生相变，工质的相变潜热经由热管被传走。通常，热管的热导率是纯铜的100～10000倍，并且热管可以有效的将狭窄空间的热量带走。热管属于被动传热，不需要外界动力支持，且工作时无噪音。根据热管毛细芯的结构，可以将热管分为槽道毛细芯热管、烧结毛细芯热管和丝网毛细芯热管，不同毛细结构有不同的特点：
1、槽道毛细芯由于具有较大的渗透率，工作液体在流过时压力损失小。
特别的是，它的价格很低廉，简单的槽道可以在制备热管包套或管壳时制取。然而，简单的槽道结构也有一些缺点：由于毛细半径大，它产生的毛细压力小；当热管处于局部过热、部分烧干的状态，粘性限会突然出现，导致热管温度快速上升，热管烧毁；
2、烧结金属毛细芯能产生很大的毛细压力，因此它具有很好的传液能力，金属粉末在热管内会产生类似于翅片的效果，提高热管的热导率。
同时，由于粘性极限的逐步出现，温度快速增加的现象很少出发生。
然而，由于过小的渗透率，工作液体在通过烧结毛细芯时会产生很大的压力损失；
3、丝网毛细芯的毛细压力居中，渗透率较小，所以工质会有很大的压力损失，同时它的热阻也很大，较低的热量就会达到传热极限。
热管的传热极限主要由热管毛细芯结构决定。为了提高热管的传热极限，需要调整毛细芯的结构设计。毛细芯结构除了3种基本结构，还有由以上3种基本结构组合而成的复合毛细芯结构(例如槽道结构和烧结结构组合)，不同的结构其传热能力也不同，同一种结构孔隙率和孔径不同也会引起传热能力很大的改变，另一方面，多孔结构材料的沸腾传热过程很复杂，目前还无法用理论来解释多孔材料的沸腾过程。因此，对于有不同参数的热管毛细芯，为了比较其传热极限，由于无法通过理论公式来预测，所以需要将其制成热管然后测试比较。采用本专利的测试装置则无需将毛细结构制成热管，只需将毛细结构与测试块烧结在一起，然后模仿热管工作条件进行测试，通过测试的传热极限比较各种毛细结构的优劣，从而得出最佳的毛细结构设计。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种热管用多孔结构材料极限热流密度的测试装置及测试方法，使用该装置可以直接测量热管毛细芯的极限传热热流密度，而不需将毛细芯制成热管再测试。
本发明的技术方案是：一种热管用多孔结构材料极限热流密度测试装置，该装置包括由绝热材料、不锈钢桶、测试块、冷凝管、传热块、加热器和热电偶组成；
其中，
所述不锈钢桶，上端设置有绝热玻璃盖，底部中心位置设有通孔；
所述测试块，用于安装被测样品，被测样品和所述测试块在还原气氛烧结成一体，减少被测样品测试时的接触热阻；所述测试块用螺栓和不锈钢桶连接；
所述冷凝管，安装于所述绝热玻璃盖上，用于冷凝不锈钢桶内蒸发的工质，保持桶内工质总量不变，同时冷凝管可以保证桶内压力与外界压力相同；
所述加热器，分别安装于所述不锈钢桶中和所述传热块上，用于加热桶中工质，排除工质内不饱和气体，以及加热所述传热块；
所述热电偶为至少三个，分别安装于所述不锈钢桶中和所述传热块上，用于采集传热块的传热热流密度；
所述传热块，与所述加热快固结，用于引导加热器的热流至被测试样品；
所述用绝热材料，设置于所述传热块的外侧，防止加热器和传热块的热量散失。
进一步，所述传热块和所述测试块的接触面涂抹导热硅脂，用于降低接触热阻；
进一步，所述测试块和冷凝管之间设有挡板，用于防止冷凝管内回流的液体滴落被测试样品表面。
所述加热块为铜块。
所述工质为水、乙醇或正戊烷。
所述绝热材料为石棉。
本发明另一目的提供一种热管用多孔材料极限热流密度的测试方法，具体包括以下步骤：
步骤1.将待测试材料与测试块于还原气氛烧结成一体，备用；
步骤2.将步骤1中制得烧结块通过螺栓固定在不锈钢桶中底部的通孔上，然后通过冷凝管向不锈钢桶内加入工质，使工质液面与毛细芯表面高度相同，启动加热器对不锈钢桶内的工质加热，使工质处于沸腾状态，调节加热器的电压使工质的温度保持不变，恒温30分钟，排除工质内不饱和气体；
步骤3.启动传热块外侧的加热器进行加热，当系统达到准静态，记录数据，然后调高加热器的功率，等系统再一次达到准静态而后记录数据，每次调高加热器的功率均相同(即每次通过传热块的热流密度增幅相同)，当达到待测试材料极限传热，停止试验，以传热极限出现前最后记录的数据作为测试材料的极限传热计算数据；
步骤4.根据安装在所述传热块内的热电偶进行线性拟合可以得到传热块内的温度梯度，从而得到总热，通过安装在绝热材热电偶料和测试块的热电偶得到所散失的热，总热量减去通过绝热材料和测试块所散失的热量即为通过测试材料的热量。
本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明装置所测得的数据稳定，对相同的样品测试多次，获得的数据一致性较好。通过本装置也可以计算出多孔材料在不同热量输入下的热导率。
附图说明
图1是本发明的测试装置结构示意图。
图2是本发明的加热块、测试块以及多孔材料的组合示意图。
图3是多孔材料与光板的沸腾曲线，测试工质为水，热流密度的增幅为300kW/m2。
图4是多孔材料与光板的沸腾曲线，测试工质为水，热流密度的增幅为200kW/m2。
图5是多孔材料与光板的沸腾曲线，测试工质为正戊烷，热流密度的增幅为100kW/m2。
图6是不同厚度丝网材料的沸腾曲线，测试工质为水，热流密度的增幅为150kW/m2。
图中：
1.绝热材料        7.传热块
2.绝热玻璃盖      8.热电偶
3.挡板            9.测试块
4.加热器          10.螺丝
5.冷凝管
6.不锈钢桶
具体实施方式
下面根据实施例对本发明进一步详细说明。
如图1、图2所示为本发明一种热管用多孔结构材料极限热流密度的测试装置，该装置包括由绝热材料1、挡板3、加热器4、冷凝管5、不锈钢桶6、传热块7、热电偶8和测试块9组成；
不锈钢桶6上的设有透明的绝热玻璃盖2，冷凝管5通过绝热玻璃盖2上的通孔进入不锈钢桶6内，加热器4与2个热电偶9(分别T7、T8)安装在不锈钢桶6中，测试块9通过螺丝10固定在不锈钢桶6内侧底部的通孔上，测试块9上设有1个热电偶9(T6)，测试块9与冷凝管5之间设有挡板3，传热块7穿过通孔与测试快9固结，传热块7中间的不同位置安装有4个热电偶9(分别是T1、T2、T3、T4)，传热块7最外侧用绝热材料1包裹住，绝热材料1中设置有1个热电偶9(T5)；然后用密封胶将他们之间的孔隙封住以防漏气。
本发明的工作工程：
将60～80目球形铜粉与测试块9在还原气氛烧结成一体，再将它们经过丙酮、酒精和蒸馏水清洗以去除油脂或其他杂质，而后将二者通过螺丝11安装于不锈钢桶6的底部通孔上；
装置安装完测试其极限热流密度，通过冷凝管5向不锈钢桶6加入水，启动加热器4对不锈钢桶6内的水加热，使水处于沸腾状态，调节加热器4的电压使温度保持不变，恒温30分钟；
启动传热块7外侧的加热器4进行加热，当系统达到准静态，记录数据，然后调高加热器4的功率，等系统再一次达到准静态而后记录数据，使每次传热块热流密度的增幅为300kW/m2，当铜粉达极限传热，停止试验，以传热极限出现前最后记录的数据作为测试材料的极限传热计算数据，到并将它与表面无多孔材料的光板对比，结果如图3所示，可以看出，多孔材料的CHF是光板的2倍，同时其热导率也要比光板高。
如图4所示是本发明将-100目球形铜粉与测试块在还原气氛烧结，采用不同厚度的毛细芯，测试其极限热流密度，样品的清洗所用溶液顺序为丙酮、酒精和水。测试工质为水，每次传热块热流密度的增幅为200kW/m2。将它与表面无多孔材料的光板对比，结果。可以看出，厚度不同的毛细芯其极限热流密度相当，但薄的毛细芯热导率要比厚的毛细芯高很多。
如图5所示是本发明将60～80目球形铜粉与测试块在还原气氛烧结成一体，测试其极限热流密度，样品的清洗所用溶液顺序为丙酮、水和正戊烷。测试工质为正戊烷，每次传热块热流密度的增幅为100kW/m2。将它与表面无多孔材料的光板对比。
如图6所示是本发明将150目的丝网在还原气氛和测试块烧结成一体，丝网分别为1层、2层和3层，样品的清洗所用溶液顺序为丙酮、酒精和水。测试工质为水，每次传热块热流密度的增幅为150kW/m2。

Claims (7)

1.一种热管用多孔结构材料极限热流密度测试装置，其特征在于，该装置包括由绝热材料(1)、加热器(4)、冷凝管(5)不锈钢桶(6)、测试块(7)、热电偶(8)和传热块(9)组成；
其中，
所述不锈钢桶(6)，上端设置有绝热玻璃盖(2)，底部中心位置设有通孔；
所述测试块，用于安装被测样品，被测样品和所述测试块(7)在还原气氛烧结成一体，减少被测样品测试时的接触热阻；所述测试块(7)通过螺栓(10)和不锈钢桶(6)连接；
所述冷凝管(5)，安装于所述绝热玻璃盖(2)上，用于冷凝所述不锈钢桶(6)内蒸发的工质，保持桶内工质总量不变，同时所述冷凝管(5)可以保证桶内压力与外界压力相同；
所述加热器(4)，分别安装于所述不锈钢桶(6)中和所述传热块(7)上，用于加热不锈钢桶(6)中工质，排除工质内不饱和气体，以及加热所述传热块(7)；
所述热电偶(8)为至少三个，分别安装于所述不锈钢桶(6)中、所述传热块(7)上和所述测试块(9)中，用于采集传热块的传热热流密度；
所述传热块(7)，与所述加热快(7)固结，用于引导加热器的热流至被测试样品；
所述用绝热材料(1)，设置于所述传热块(7)的外侧，用于防止所述加热器(4)和所述传热块(7)的热量散失。
2.根据权利要求1所述热管用多孔结构材料极限热流密度测试装置，其特征在于，所述传热块(7)和所述测试块(9)的接触面涂抹导热硅脂，用于降低接触热阻。
3.根据权利要求1所述热管用多孔结构材料极限热流密度测试装置，其特征在于，所述测试块(9)和所述冷凝管(5)之间设有挡板(3)，用于防止冷凝管内回流的液体滴落被测试样品表面。
4.根据权利要求1所述热管用多孔结构材料极限热流密度测试装置，其特征在于，所述加热块(7)为铜块。
5.根据权利要求1所述热管用多孔结构材料极限热流密度测试装置，其特征在于，所述绝热材料(1)为石棉。
6.根据权利要求1所述热管用多孔结构材料极限热流密度测试装置的测试方法，具体包括以下步骤：
步骤1.将待测试材料与测试块于还原气氛烧结成一体，备用；
步骤2.将步骤1中制得烧结块通过螺栓固定在不锈钢桶中底部的通孔上，然后通过冷凝管向不锈钢桶内加入工质，使工质液面与毛细芯表面高度相同，启动加热器对不锈钢桶内的工质加热，使工质处于沸腾状态，调节加热器的电压使工质的温度保持不变，恒温30分钟，排除工质内不饱和气体；
步骤3.启动传热块外侧的加热器进行加热，当系统达到准静态，记录数据，然后调高加热器的功率，等系统再一次达到准静态而后记录数据，每次调高加热器的功率均相同，当达到待测试材料极限传热，停止试验，以传热极限出现前最后记录的数据作为测试材料的极限传热计算数据；
步骤4.根据安装在所述传热块内的热电偶进行线性拟合可以得到传热块内的温度梯度，从而得到总热，通过安装在绝热材热电偶料和测试块的热电偶得到所散失的热，总热量减去通过绝热材料和测试块所散失的热量即为通过测试材料的热量。
7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述工质为水、乙醇或正戊烷。
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