CN103646589B - 一种用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法，具体按照以下步骤实施：测量不加导热管散热器时热源和环境的温度；测量加入导热管散热器后热源和环境的温度；根据公式准确地测量导热管型散热器散热效率，并且可以清晰地展现出导热管型散热器散热机理以及影响导热管散热器散热效率的影响因素，由此让学生深刻理解导热管散热机理，有效提高大学热学教学水平。

Description

一种用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法

技术领域

本发明属于物理测量技术领域，具体涉及一种用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法。

背景技术

导热管技术自从1964年发明以来，就受到人们极大的关注，1970年前几年时间发表这类论文近千篇。到目前为止，导热管技术已经广泛应用于空间核电源、航空航天飞行器、电子仪器散热、太阳能发电、高效化学反应器等。近年来高效微型热管技术、高温大型热管技术、高效热管反应设备技术、各种高效热管换热技术都在高速发展。但是国内院校尚未见有关导热管研究的实验内容。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于导热管型散热器散热效率研究的实验仪，解决了现有热学教学过程中不能测量导热管散热器散热效率影响因素的问题,并给出表示导热管散热效率的表示公式，有效定量计算导热管的散热效率。

本发明所采用的技术方案是:一种用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法，采用一种用于导热管型散热器散热效率研究的实验仪，包括主控电源箱和实验支架，实验支架上自下而上依次设置有热源、固定铜块和导热管散热器，固定铜块上插有热源温度测温传感器，导热管散热器包括传热器、U型导热管，导热管的闭口端插入传热器中，导热管的开口端插有第一散热器，第一散热器的一侧安装有风扇，主控电源箱包括第一电源、第二电源、第三电源和第四电源四个电源，第一电源依次连接有加热开关、电流显示屏和热源，第一电源还连接有加热电流调节；第二电源上分别连接有第一温度变送器和第二温度变送器，第一温度变送器分别连接有热源温度测温传感器和热源温度显示屏，第二温度变送器分别连接有环境温度测温传感器和环境温度显示屏，热源温度显示屏和环境温度显示屏均连接至第三电源，第四电源依次连接有风扇开关和风扇；

具体按照如下步骤实施：

步骤1、调节热源的电流为0.1A时，对热源加热，加热约15-25分钟，使热源温度恒定，分别记下热源和环境的温度值T₁和T₂，此值为不加任何导热管散热器，热源自然散热的温度值；

步骤2、将导热管散热器安装在实验支架上；将风扇与电源接通，为风扇供电；调节热源的电流为0.1A时，加热15-25分钟，使热源温度再次稳定，分别记下此时热源和环境的温度值T₁'和T₂；

根据傅里叶传导公式

$\frac{\mathrm{\Δ}Q}{\mathrm{\Δ}t}=\mathrm{\λ}\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{h}S$

其中，θ₁为热源温度，θ₂为第一散热器末端温度，即环境空气温度，S是传热样品的传热表面积，h是传热样品的厚度，λ是传热样品的导热系数；

当空气中温度恒定和热源功率恒定的情况下，即θ₂＝常数，θ₁-θ₂为热源温度和环境温度差，θ₁'为加导热管散热器后热源(1)的温度，θ₁-θ₁'为加导热管散热器后热源温度和不加导热管散热器时热源的温度差，则加导热管散热器后的散热效率为：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_1^{\′}}{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}\×100\%$

根据上述公式算出加风扇后导热管散热器散热效率为 $\mathrm{\η}=\frac{T_1-T_1^{\′}}{T_1-T_2}\×100\%;$

其中，T₁即未加导热管散热器时的热源温度值θ₁对应的热源温度显示屏显示的温度值，T₁'即加导热管散热器后的热源温度值θ₁对应的热源温度显示屏显示的温度值，T₂环境空气温度θ₂对应的环境温度显示屏显示的温度；

步骤3、将上述的导热管散热器卸下来，将其他导热管散热器换到实验支架上，重复步骤2，根据上述公式计算出其他导热管散热效率。

本发明的特点还在于，

第一电源为可变直流电源，其电压量程为0-64V，电流量程为0-2A；第二电源为直流稳压电源，其电压为24V；第三电源为直流稳压电源，其电压为5V；第四电源为直流稳压电源，其电压为12V。

实验支架上设置有热源固定孔，热源固定在热源固定孔内。

固定铜块上设置有热源温度测温传感器插孔，热源温度测温传感器插孔内插有热源温度测温传感器。

实验支架上还设置有第四电源插座和第一电源连接插座。

热源和固定铜块之间以及固定铜块和传热器之间设置有硅胶。

导热管散热器通过导热管散热器固定支架固定在实验支架上。

实验支架上设置有支撑脚。

本发明的有益效果是：该发明一种用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法可以准确地测量导热管型散热器散热效率，可以清晰地展现出导热管型散热器散热机理以及影响导热管散热器散热效率的影响因素，并且给出表示导热管散热器散热效率的计算公式。该发明物理设计思路清晰，物理意义明确，通过该实验，学生可以更深刻地理解热传导原理及导热管散热器散热机理，有效提高大学热学教学水平。

附图说明

图1是本发明的用于导热管型散热器散热效率研究的实验仪的实验支架部分的结构示意图；

图2是本发明的用于导热管型散热器散热效率研究的实验仪的主控电源箱的结构示意图；

图3是本发明的用于导热管型散热器散热效率研究的实验仪的主控电源箱的正面结构图；

图4是本发明的用于导热管型散热器散热效率研究的实验仪的主控电源箱的背面结构图；

图5是本发明的用于导热管型散热器散热效率研究的实验仪的线路连接图。

图中，1.热源，2.固定铜块，3.传热器，4.导热管散热器固定支架，5.导热管，6.第一散热器，7.实验支架，8.第四电源插座，9.风扇电源连接插座，10.第一电源连接插座，11.风扇开关,12.加热开关，13.加热电流调节，14.热源温度显示屏，15.环境温度显示屏，16.电流显示屏，17.主控电源箱，18.风扇电源输出端口，19.热源温度测温传感器信号输入接口，20.环境温度测温传感器信号输入接口，21.热源加热电流输出接口，22.总电源开关23.环境温度测温传感器，24.热源温度测温传感器，25.220V交流电源，26.风扇，27.第一电源，28.第二电源，29.第三电源，30.第四电源，31.导热管散热器32.第一温度变送器，33.第二温度变送器34.热源温度测温传感器插孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法，采用一种用于导热管型散热器散热效率研究的实验仪，，包括主控电源箱17和实验支架7，如图1所示，实验支架7上自下而上依次设置有热源1、固定铜块2和导热管散热器31，固定铜块2上插有热源温度测温传感器24，导热管散热器31包括传热器3、U型导热管5，U型导热管5的闭口端插入传热器3中，U型导热管5的开口端插有第一散热器6，第一散热器6的一侧安装有风扇26。如图2所示，主控电源箱17包括第一电源27、第二电源28、第三电源29和第四电源30四个独立的电源，第一电源27依次连接有加热开关12、电流显示屏16和热源1，所述第一电源27还连接有加热电流调节13；第二电源28上分别连接有第一温度变送器32和第二温度变送器33，第一温度变送器32分别连接有热源温度测温传感器24和热源温度显示屏14，第二温度变送器33分别连接有环境温度测温传感器23和环境温度显示屏15，热源温度显示屏14和环境温度显示屏15均连接至第三电源28，第四电源30依次连接有风扇开关11和风扇26，具体按照如下步骤实施：

步骤1、调节热源1的电流为0.1A时，对热源1加热，加热约15-25分钟，使热源1温度恒定，分别记下热源1和环境的温度值T₁和T₂，此值为不加任何导热管散热器，热源自然散热的温度值；

步骤2、将导热管散热器31安装在实验支架7上；将风扇与电源接通，为风扇26供电；调节热源1的电流为0.1A时，加热15-25分钟，使热源温度再次稳定，分别记下此时热源1和环境的温度值T₁'和T₂；

根据傅里叶传导公式

$\frac{\mathrm{\Δ}Q}{\mathrm{\Δ}t}=\mathrm{\λ}\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{h}S---\left(1\right)$

其中，θ₁为热源温度，θ₂为第一散热器末端温度，即环境空气温度，S是传热样品的传热表面积，h是传热样品的厚度，λ是传热样品的导热系数；

当空气中温度恒定和热源功率恒定的情况下，即θ₂＝常数，θ₁-θ₂为热源温度和环境温度差，θ₁'为加导热管散热器后热源1的温度，θ₁-θ₁'为加导热管散热器后热源温度和不加导热管散热器时热源的温度差，则加导热管散热器31后的散热效率为：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_1^{\′}}{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}\×100\%---\left(2\right)$

根据上述公式算出加风扇后导热管散热器31散热效率为 $\mathrm{\η}=\frac{T_1-T_1^{\′}}{T_1-T_2}\×100\%;$

其中，T₁即未加导热管散热器时的热源温度值θ₁对应的热源温度显示屏14显示的温度值，T₁'即加导热管散热器后的热源温度值θ₁对应的热源温度显示屏14显示的温度值，T₂环境空气温度θ₂对应的环境温度显示屏15显示的温度；

步骤3、将上述的导热管散热器卸下来，将其他导热管散热器换到实验支架7上，重复步骤2，根据上述公式计算出其他导热管散热效率。

实验支架7上设置有热源固定孔，热源1固定在热源固定孔内；实验支架7上表面设置有第四电源插座8，风扇26跟第四电源插座8通过导线相连接，实验支架7下表面设置有与风扇电源连接插座9，风扇电源连接插座9的一端与第四电源插座8相连接，另一端与第四电源30相连接，其目的是为了使实验支架7表面清洁，实验支架7下表面设置有第一电源连接插座10，第一电源连接插座10通过导线分别跟热源1和第一电源10连接。

固定铜块2上设置有热源温度测温传感器插孔34，热源温度测温传感器插孔34内插有热源温度测温传感器24；实验支架7上还设置有第四电源插座8和第一电源连接插座10。热源1和固定铜块2之间以及固定铜块2和传热器3之间设置有硅胶，以使他们之间热接触良好。导热管散热器31通过导热管散热器固定支架4固定在实验支架7上。实验支架7上设置有支撑脚，为了使其更加稳固，支撑脚设计为倒T型圆柱；导热管散热器31为台式电脑CPU导热管散热器；热源温度测温传感器24和环境温度测温传感器23为Pt100型温度传感器。

如图3所示，主控电源箱17的正面设置有风扇开关11，加热开关12，加热电流调节13。如图4主控电源箱17的背面设置有风扇电源输出端口18，热源温度测温传感器信号输入接口19，环境温度测温传感器信号输入接口20，热源加热电流输出接口21，机箱220V交流电源25和总电源开关22。

如图5所示，风扇电源输出端口18、热源温度测温传感器信号输入接口19、环境温度测温传感器信号输入接口20和热源加热电流输出接口21分别通过导线与风扇电源连接插座9、热源温度测温传感器插孔34、环境温度测温传感器23、第一电源连接插座10相连接；机箱220V交流电源25接入220V交流电，经过总电源开关22输入到第一电源27、第二电源28、第三电源29和第四电源30。

在使用时，本方法按照以下步骤实施：

步骤1、将热源温度测温传感器24，涂抹导热硅胶后插入固定铜块2的中，准备测量热源1的温度θ₁，这时候近似1和2的温度相等，因为固定铜块2是导热非常快的，环境温度测温传感器23放置在空气中测环境温度。将热源加热电流输出接口21与热源电源插座10接通。220V交流电源25与220V50Hz交流电接通，准备完毕。

步骤2、打开主控电源开关22，再打开加热开关12，调节加热电流调节13至0.1A对热源1加热，加热15-25分钟，使热源温度显示屏14所显示热源1的温度恒定，记下热源温度显示屏14和环境温度显示屏15的温度值T₁和T₂。此值为不加任何散热器，热源自然散热的温度值。

步骤3、将导热管散热器31按图1安装在实验支架7上，用导热管固定支架4把导热管散热器31固定在实验支架7上，使传热器3与固定铜块2对齐、接触良好；将风扇的电源线按图1插入第四电源插座8中，风扇电源输出端口18与风扇电源连接插座9用导线接通，为第四电源插座8所接风扇供电。

步骤4、一切准备就绪再打开电源总电源开关22、风扇开关11和加热开关12，调节加热电流调节13至0.1A，加热约15分钟，使热源温度显示屏再次稳定，记下这时热源温度显示屏14和环境温度显示屏15的温度值T₁'和T₂。根据公式(2)可以算出加风扇后散热效率为 $\mathrm{\η}=\frac{T_1-T_1^{\′}}{T_1-T_2}\×100\%.$

步骤5、将上述的导热管散热器31卸下来，将与第三步相同但预制漏气的第二导热管散热器换到实验支架上7上，重复步骤3，再次测出预制漏气导热管的稳定温度T₁”和T₂。根据公式(2)可以计算出漏气导热管散热效率由两次实验结果可以看出漏气导致工作物质不能循环造成导热效率极大的降低。

步骤6、将工作物质为丙酮的导热管散热器31装在实验支架7上，再按照步骤3测量其散热效率。最后，提高加热电流至0.2-0.5A，重复步骤2和步骤3，测量在热源温度高于丙酮沸点的情况下导热管散热效率的变化，由此研究导热管工作物质和其工作点对导热管性能的影响。

该方法的优点是，将难以测量不规则导热管散热器散热散热体功率的问题，应用热传导理论转化为铜块2的传热问题，而且可以精确定量计算，并给出计算公式(2)。该方法热学概念清晰，便于测量和处理，将此方法应用到热学教学中非常有利于学生对热学概念的理解和提高。同时，通过该方法测量导热管散热器的散热效率，也可以使学生深刻理解导热管散热器的工作机理及影响因素，为将来工作中解决热学问题打下良好的基础。

Claims (9)

1.一种用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法，其特征在于，采用一种用于导热管型散热器散热效率研究的实验仪，包括主控电源箱(17)和实验支架(7)，所述的实验支架(7)上自下而上依次设置有热源(1)、固定铜块(2)和导热管散热器(31)，所述固定铜块(2)上插有热源温度测温传感器(24)，所述的导热管散热器(31)包括传热器(3)、U型导热管(5)，所述的U型导热管(5)的闭口端插入传热器(3)中，所述U型导热管(5)的开口端插有第一散热器(6)，所述第一散热器(6)的一侧安装有风扇(26)，所述的主控电源箱(17)包括第一电源(27)、第二电源(28)、第三电源(29)和第四电源(30)四个电源，所述的第一电源(27)依次连接有加热开关(12)、电流显示屏(16)和热源(1)，所述第一电源(27)还连接有加热电流调节(13)；所述的第二电源(28)上分别连接有第一温度变送器(32)和第二温度变送器(33)，所述的第一温度变送器(32)分别连接有热源温度测温传感器(24)和热源温度显示屏(14)，所述第二温度变送器(33)分别连接有环境温度测温传感器(23)和环境温度显示屏(15)，热源温度显示屏(14)和环境温度显示屏(15)均连接至第三电源(29)，所述第四电源(30)依次连接有风扇开关(11)和风扇(26)；

具体按照如下步骤实施：

步骤1、调节热源(1)的电流为0.1A时，对热源(1)加热，加热15-25分钟，使热源(1)温度恒定，分别记下热源(1)和环境的温度值T₁和T₂，此时，T₁和T₂为不加任何导热管散热器，热源自然散热的温度值；

步骤2、将导热管散热器(31)安装在实验支架(7)上；将风扇与电源接通，为风扇(26)供电；调节热源(1)的电流为0.1A时，加热15-25分钟，使热源温度再次稳定，分别记下此时热源(1)和环境的温度值T′₁和T₂；

根据傅里叶传导公式

$\frac{\mathrm{\Δ}Q}{\mathrm{\Δ}t}=\mathrm{\λ}\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{h}S$

其中，是传热速率，在此即单位时间散热器的散热量，θ₁为热源温度，θ₂为第一散热器末端温度，即环境空气温度，S是传热样品的传热表面积，h是传热样品的厚度，λ是传热样品的导热系数；

当空气中温度恒定和热源功率恒定的情况下，即θ₂＝常数，θ₁-θ₂为热源温度和环境温度差，θ′₁为加导热管散热器后热源(1)的温度，θ₁-θ′₁为加导热管散热器后热源温度和不加导热管散热器时热源的温度差，则加导热管散热器(31)后的散热效率为：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_1^{\′}}{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}\×100\%$

根据上述公式算出加风扇后导热管散热器(31)散热效率为 $\mathrm{\η}=\frac{T_1-T_1^{\′}}{T_1-T_2}\×100\%;$

其中，T₁即未加导热管散热器时的热源温度值θ₁对应的热源温度显示屏(14)显示的温度值，T′₁即加导热管散热器后的热源温度值θ′₁对应的热源温度显示屏(14)显示的温度值，T₂即环境空气温度θ₂对应的环境温度显示屏(15)显示的温度；

步骤3、将上述的导热管散热器卸下来，将其他导热管散热器换到实验支架(7)上，重复步骤2，根据公式计算出其他导热管散热效率。

2.根据权利要求1所述的用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法，其特征在于，所述第一电源(27)为可变直流电源，其电压量程为0-64V，电流量程为0-2A；所述第二电源(28)为直流稳压电源，其电压为24V；所述第三电源(29)为直流稳压电源，其电压为5V；所述第四电源(30)为直流稳压电源，其电压为12V。

3.根据权利要求1所述的用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法，其特征在于，所述的实验支架(7)上设置有热源固定孔，所述的热源(1)固定在热源固定孔内。

4.根据权利要求1所述的用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法，其特征在于，所述的固定铜块(2)上设置有热源温度测温传感器插孔(34)，所述热源温度测温传感器插孔(34)内插有热源温度测温传感器(24)。

5.根据权利要求1所述的用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法，其特征在于，所述实验支架(7)上还设置有第四电源插座(8)和第一电源连接插座(10)。

6.根据权利要求1所述的用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法，其特征在于，所述的热源(1)和固定铜块(2)之间以及固定铜块(2)和传热器(3)之间设置有硅胶。

7.根据权利要求1所述的用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法，其特征在于，所述的导热管散热器(31)通过导热管散热器固定支架(4)固定在实验支架(7)上。

8.根据权利要求1所述的用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法，其特征在于，所述的实验支架(7)上设置有支撑脚。

9.根据权利要求1所述的用于展示导热管散热器散热效率影响因素的方法，其特征在于，所述的导热管散热器(31)为台式电脑CPU导热管散热器；所述的热源温度测温传感器(24)和环境温度测温传感器(23)为Pt100型温度传感器，所述第一温度变送器(32)和第二温度变送器(33)为SBWZ温度变送器。