CN106596625A - 一种测量微尺度下自然对流换热系数的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量微尺度下自然对流换热系数的方法及装置，在具有导电性能的微尺度导电细丝两端加载通阶跃电流，通过获取导电细丝两端阶跃电流的阶跃时刻对应的电压初始值，并实时记录至电压信号达到新稳态后的电压稳态值，并根据测量微尺度下自然对流换热系数的相关公式即可获取微尺度下自然对流换热系数。本发明所测得的微尺度下自然对流换热系数准确、应用范围广。

Description

一种测量微尺度下自然对流换热系数的方法及装置

技术领域

本发明属于传热技术领域，即一种测量微尺度下自然对流换热系数的方法及装置。

技术背景

自然对流换热系数是评价流体与固体表面之间换热能力的基本参数，在涉及传热的工程领域有广泛的应用背景。

在过去的很多年中，人们对于大尺度自然对流的研究广泛关注，而对在各个领域中有着同样重要作用的微尺度自然对流传热的研究相对较少。而当热表面细小到微尺度甚至纳米尺度时，或者气体分子的平均自由程与热表面的几何尺寸处于同一量级时，热表面与周围流体之间发生热交换的形式可能发生改变。由于热表面的尺度很小，自然对流换热时其表面的热边界层很可能发生改变，故其流动形式与常规尺度下所发生自然对流的形式也将大有不同。最近几年来，随着纳米技术、材料工业、航空信息工业、现代毫微米制造技术、能源工程以及高集成电子器件、微加工技术和微电子机械在工程上的应用，大规模集成电路的精确化热设计和控制面临着挑战。

专利号CN102323293A公开一种纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置，在同一台设备上同时完成纳米流体导热系数的测量以及对流换热系数的测量。该方法从基本物理模型上没有考虑细丝向金属丝支架的导热，仅仅将通电热丝的散热全部归结为热丝与流体间的对流换热，适用于流体与热丝之间对流换热系数较大的情况。而当热丝处于低气压环境时，气体与热丝之间的对流换热系数变小，热丝与电极之间的导热将占据很大的比重。这使得上述方法无法适用于低气压下测量对流换热系数。

采用瞬态热丝法对流体进行热物性测量已经很成熟。如瞬态热丝法对固体、液体、气体的导热系数都是可以测量的，是现在国际导热系数应用领域内公认的最好的测试方法。但该方法无法测量热丝材料与流体之间的对流换热系数。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种在各气压下均能准确地得到微尺度下自然对流换热系数的方法及装置。

为了实现上述目的，本发明所设计的测量微尺度下自然对流换热系数的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)在具有导电性能的微尺度导电细丝两端利用高导电粘结剂使其粘接在金属热沉上，所述微尺度是指直径处于0.1微米到100微米之间；

2)向导电细丝加阶跃电流，并测得阶跃时刻导电细丝两端所对应的电压初始值U0；

3)待电压稳定后测得导电细丝两端的电压为U1；

4)根据下式获取所述微尺度下自然对流换热系数h：

进一步地，将步骤1)中的粘接好的导电细丝及金属热沉置于可调节压力的腔室内。即可用于测量微尺度下不同压力环境的自然对流换热系数。

一种测量微尺度下自然对流换热系数的装置，其特殊之处在于：包括具有导电性能的微尺度导电细丝，所述导电细丝两端利用高导电粘结剂连接在金属热沉上，所述金属热沉两端分别并联有DC直流电源和电压采集卡，所述DC直流电源用于施加阶跃电流以经过导电细丝，所述电压采集卡用于测量施加阶跃电流后，导电细丝两端的初始电压U0以及达到新稳态后的稳态电压值U1。

进一步地，所述导电细丝和金属热沉设置在可调节压力的真空腔内。模拟各种压力环境，从而得到在不同气压下微尺度导电细丝的对流换热系数。

更进一步地，所述金属热沉为紫铜电极，所述导电细丝两端通过银浆连接在紫铜电极上。银浆粘结导电细丝和紫铜电极，使得导电细丝和紫铜电极之间能够连接导电。具体为银浆粘结导电细丝和紫铜电极，待一段时间银浆结块成型以后，导电细丝和紫铜电极之间便粘在一起，能够联通导电。

再进一步地，还包括数据收集计算机，所述数据收集计算机与电压采集卡连接。

再进一步地，所述真空腔上设置航空插头，所述紫铜电极两端分别通过航空插头与电压采集卡和DC直流电源并联连接，航空插头上带有密封圈，可以对真空腔室进行气体密封，保证真空腔室内部的低气压环境。此外，航空插头可以连接导线，即导线可以经由航空插头，连接真空腔室内部的紫铜电极以及外部大气环境下的其它电路

再进一步地，所述真空腔上设置有电阻真空计，用于测量真空腔室内实际的气压值。

再进一步地，所述真空腔通过连接管道与真空泵连接，所述连接管道上还设置有压力控制阀。用于调节真空腔内的压力。

再进一步地，所述真空腔顶部为可拆卸的上盖，所述上盖与真空腔之间设置有橡皮密封圈。上盖的设置可方便真空腔内部件的安装拆卸与调试。

本发明的优点在于：提供一种简单快捷的微尺度下自然对流换热系数测量的方法及装置。考虑细丝沿其两端的导热，在同一套装置上能够测量不同微尺度导电细丝材料与周围气体间的自然对流换热系数，而且可以通过更换导电细丝的材料、改变周围气体的压力以及改变通过热丝的电流值大小方便地获取不同压力、不同微尺度导电细丝表面温度下气体与不同材料间的自然对流换热系数，不仅设备简单，测量精度高，而且可靠性好，测量适用范围广，实现获取准确的微尺度下自然对流换热系数。

附图说明

图1为本发明一种微尺度下自然对流换热系数的装置结构示意图。

图中：1-压力控制阀，2-连接管道，3-真空泵，4-真空腔，5-导电细丝，6-航空插头，7-金属热沉，8-连接导线，9-电阻真空计，10-银浆，11-电压采集卡，12-数据收集计算机，13-DC直流电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

一种测量微尺度下自然对流换热系数的方法，包括以下步骤：

1)在具有导电性能的微尺度导电细丝两端利用高导电粘结剂使其粘接在金属热沉上，所述微尺度是指直径处于0.1微米到100微米之间；

2)向导电细丝加阶跃电流，并测得阶跃时刻导电细丝两端所对应的电压初始值U0；

3)待电压稳定后测得导电细丝两端的电压为U1；

4)根据下式获取所述微尺度下自然对流换热系数h：

其中，h为测量得到的微尺度下自然对流换热系数，U1为所述电压采集卡记录达到新稳态后的电压稳态值，U0为所述电压采集卡获取所述阶跃电流的阶跃时刻对应的电压初始值，δ为导电细丝材料的电阻温度系数，Q为所述热丝通以阶跃电流峰值达到新稳态后的焦耳发热功率，L为热丝的长度，S为热丝横截面的周长，A为热丝横截面的面积，K为热丝材料的热导率。

为了得到不同压力下导电细丝的微尺度下自然对流换热系数，可将上述步骤1)中的粘接好的导电细丝及金属热沉置于可调节压力的腔室内。

如图所示的测量微尺度下自然对流换热系数的装置，包括具有导电性能的微尺度导电细丝5，导电细丝5两端利用高导电粘结剂连接在金属热沉7上，本设计中金属热沉7为紫铜电极，金属热沉7两端分别并联有DC直流电源13和电压采集11卡，DC直流电源13用于施加阶跃电流以经过导电细丝5，电压采集卡11用于测量施加阶跃电流后，导电细丝5两端的初始电压U0以及达到新稳态后的稳态电压值U1。导电细丝5和紫铜电极7设置在可调节压力的真空腔4内。真空腔4内的压力最低能达到5Pa以下。导电细丝5两端通过银浆10连接在紫铜电极7上。银浆10粘结导电细丝5和紫铜电极7，使得导电细丝5和紫铜电极7之间能够连接导电。具体为银浆10粘结导电细丝5和紫铜电极7，待一段时间银浆10结块成型以后，导电细丝5和紫铜电极7之间便粘在一起，能够联通导电。

为方便数据的采集，本装置还设置有数据收集计算机12，数据收集计算机1212与电压采集卡11连接，电压采集卡11采集所述导电细丝5两端的实时电压值，并将采集的电压实时数据记录在所述数据采集计算机中。真空腔4上设置航空插头6，航空插头6上带有密封圈，可以对真空腔4室进行气体密封，保证真空腔4室内部的低气压环境。此外，航空插头6可以连接导线，即导线可以经由航空插头6，连接真空腔4室内部的紫铜电极7以及外部大气环境下的其它电路。紫铜电极7两端分别通过航空插头6与电压采集卡11和DC直流电源13并联连接。

其中，本装置的真空腔4上设置有电阻真空计9，用于测量真空腔4室内实际的气压值。真空腔4通过连接管道2与真空泵3连接，连接管道2上还设置有压力控制阀1。为方便装置内各部件的安装，真空腔4顶部为可拆卸的上盖，上盖中有一深为0.3mm的小槽，小槽中放置有橡皮密封圈，橡皮密封圈的作用为保证所述真空腔4在真空环境下上盖处不发生漏气。

紫铜电极7的导热性能优良，作为热沉结构能够保证其在导电细丝5通电加热过程中保持接近于室温的温度，优先选择体积尽量大的紫铜电极7，本装置中体积规格一般应大于1cm*1cm*5cm。本装置中具有导电性质的导电细丝5选用横截面直径为微米、纳米级别的。

阶跃电流的峰值不能设置太大，需保证所述导电细丝5材料在通电过程中不发生变性或者熔断的基础上进行设置，所以，本装置中DC直流电源13的峰值一般在15mA～90mA；采集数据的时刻要大于所述DC直流电源13工作的时刻；

所述的微尺度下自然对流换热系数的装置的工作过程如下：

通过所述的真空泵3以及压力控制阀1获取真空腔4所需的压力环境；

获取DC直流电源13输出的阶跃电流峰值，获取阶跃电流的阶跃时刻；

通过电压采集卡11获取所述阶跃电流发生阶跃时刻对应的电压初始值，并实时记录至电压信号达到新稳态后的电压稳态值。

测量开始时，取横截面直径为微米或者纳米级别的导电细丝5横跨在两个紫铜电极7之间，热丝与紫铜电极7的接触位置用银浆10粘住，此时注意将银浆10的边缘与紫铜电极7的边缘粘平齐。按照图一依次连接相应的管道和设备。工作时，启动真空泵3，将真空腔4内的真空抽至所需压力值，将DC直流电源13的阶跃电流峰值设置为所需的数值。打开电压采集卡11进行电压数据收集，将DC直流电源13的信号输出，待电压采集卡11显示的电压数据达到新的稳态时，关闭DC直流电源13的阶跃电流信号输出，停止电压采集卡11的数据采集，一般从DC直流电源13开始阶跃的时刻到达新稳态时刻相距的时间为3至4秒。基于电压采集卡11所采集的数据，提取阶跃电流发生阶跃时所对应的电压初始值，并提取电压信号达到新稳态后的电压稳态值；

将提取的电压值以及导电细丝5材料的相关参数代入下式求解，即可获得准确的对流换热系数h的实验结果

本发明的有益效果是：提供一种简单快捷的微尺度下自然对流换热系数测量的装置和方法。考虑细丝向金属丝支架的传热，在同一套装置上能够测量不同微尺度热丝材料与周围气体间的自然对流换热系数，而且可以通过更换热丝的材料、改变周围气体的压力以及改变通过热丝的电流值大小方便地获取不同压力、不同微尺度表面温度下气体与不同材料间的自然对流换热系数，不仅设备简单，测量精度高，而且可靠性好，测量适用范围广，实现获取准确的微尺度下自然对流换热系数。

Claims (10)

1.一种测量微尺度下自然对流换热系数的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在具有导电性能的微尺度导电细丝两端利用高导电粘结剂使其粘接在金属热沉上，所述微尺度是指直径处于0.1微米到100微米之间；

2)向导电细丝加阶跃电流，并测得阶跃时刻导电细丝两端所对应的电压初始值U0；

3)待电压稳定后测得导电细丝两端的电压为U1；

4)根据下式获取所述微尺度下自然对流换热系数h：

$\frac{U_1-U_0}{U_0\mathrm{\δ}}=\frac{Q}{hLS}-\frac{2Q}{{\mathrm{hL}}^{2}S\sqrt{\frac{hS}{KA}}}\tanh \left(\frac{L}{2}\sqrt{\frac{hS}{KA}}\right).$

2.根据权利要求1所述的测量微尺度下自然对流换热系数的方法，其特征在于：将步骤1)中的粘接好的导电细丝及金属热沉置于可调节压力的腔室内。

3.一种测量微尺度下自然对流换热系数的装置，其特征在于：包括具有导电性能的微尺度导电细丝，所述导电细丝两端利用高导电粘结剂连接在金属热沉上，所述金属热沉两端分别并联有DC直流电源和电压采集卡，所述DC直流电源用于施加阶跃电流以经过导电细丝，所述电压采集卡用于测量施加阶跃电流后，导电细丝两端的初始电压U0以及达到新稳态后的稳态电压值U1。

4.根据权利要求1所述的测量微尺度下自然对流换热系数的装置，其特征在于：所述导电细丝和金属热沉设置在可调节压力的真空腔内。

5.根据权利要求2所述的测量微尺度下自然对流换热系数的装置，其特征在于：所述金属热沉为紫铜电极，所述导电细丝两端通过银浆连接在紫铜电极上。

6.根据权利要求3所述的测量微尺度下自然对流换热系数的装置，其特征在于：还包括数据收集计算机，所述数据收集计算机与电压采集卡连接。

7.根据权利要求4所述的测量微尺度下自然对流换热系数的装置，其特征在于：所述真空腔上设置航空插头，所述紫铜电极两端分别通过航空插头与电压采集卡和DC直流电源并联连接，所述航空插头与所述真空腔连接处设置有橡皮密封圈。

8.根据权利要求5所述的测量微尺度下自然对流换热系数的装置，其特征在于：所述真空腔上设置有电阻真空计。

9.根据权利要求6所述的测量微尺度下自然对流换热系数的装置，其特征在于：所述真空腔通过连接管道与真空泵连接，所述连接管道上还设置有压力控制阀。

10.根据权利要求7所述的测量微尺度下自然对流换热系数的装置，其特征在于：所述真空腔顶部为可拆卸的上盖，所述上盖与真空腔之间设置有橡皮密封圈。