CN108872298B - 高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，包括：高热流密度发热器件、加热器、导热元件、绝热腔体、观测腔体、热沉、高速摄像机、温度测量装置以及计算机，高热流密度发热器件用于产生高热流密度；绝热腔体用于隔绝高热流密度发热器件与外界的热量交换；观测腔体用于观察热沉表面进行的池内沸腾传热；高速摄像机拍摄观测腔体内池内沸腾传热的图像并存储在计算机上；温度测量装置用于监测导热元件上的温度分布；计算机计算所述导热元件输出的热流密度，本公开提供的实验装置适用于各种高临界热流密度的微/纳结构表面池沸腾传热的规律及机理的实验研究，具有非常重要的学术和实用价值。
Description
技术领域
本公开涉及相变传热技术领域，尤其涉及一种高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置。
背景技术
池内沸腾传热是一种高效的相变传热技术，在发电、海水淡化、冶金、电子器件冷却、大功率激光器热管理、食品加工等工业、军事、航空航天、化工领域起着至关重要的作用。大量的理论和实验研究都表明，在常规传热表面增加微/纳米结构形成微/纳米结构表面，可以显著提高池内沸腾传热性能和换热效率，例如大幅增加传热系数(HTC)和临界热流密度(CHF)。常规传热表面在池内沸腾条件下的CHF约为140W cm-2，而微/纳米结构表面在池内沸腾条件下的CHF可超过300W cm-2。因此为了更好地探索微/纳尺度相变传热机理，研究并利用高性能的微/纳尺度相变传热技术，首先需要搭建适用于微/纳结构表面的高热流密度池内沸腾传热实验装置，其中最重要的是能产生高热流密度的发热器件，便于研究不同微/纳结构表面的临界热流密度值及临界热流的形成机理。
目前市场上现成的发热器件主要是加热棒、加热膜、陶瓷加热片等，其热流密度最大值一般为50W cm-2，极少数发热器件的热流密度能超过100W cm-2，全球最大的电加热器设计制造厂商的生产的特种加热器/>高阶陶瓷加热片的热流密度最高也只能到155W cm-2，无法直接满足微/纳结构表面池内沸腾传热的实验要求，并且价格昂贵。
为了解决这一问题，许多研究者在高导热金属，如铜块的内部钻特定尺寸的孔，再插入若干根加热棒构成高热流密度发热器件。由于机械加工精度的限制，加热棒与铜块上的钻孔难以紧密配合，它们之间将会存在一定间隙，即存在较大的接触热阻；即使在加热棒表面涂抹导热硅脂，由于加热棒在插入钻孔时容易造成加热棒前端表面的导热硅脂溢出，使得导热硅脂很难均匀填充在加热棒外壁与钻孔内壁之间，接触热阻依然较大。因此加热棒产生的热量不能有效传输至铜块的表面，较难形成高热流密度；而且在较高热流密度时，由于较大接触热阻的存在会导致热量堆积，加热棒表面的温度会过高，容易烧毁，可靠性较差。还有一种常见的方案是在高导热金属下部的外表面机械加工出一些螺纹，将电加热丝缠绕在螺纹的牙之间，对高导热金属进行加热构成高热流密度发热器件，由于电加热丝有一定刚度，在缠绕时与螺纹表面未必能完全紧密接触，因此也存在较大的接触热阻，同时电加热丝直接暴露在高导热金属的外部，存在一定的漏电安全隐患。
另一方面，一些研究者通过激光加热装置或电磁感应加热装置对金属块体进行加热，也可以形成高热流密度发热器件，虽然能达到高热流密度，但对设备要求高，系统搭建较复杂，花费较昂贵，也限制他们的实际使用。
因此设计和研制结构简单、成本低廉的高热流密度发热器件是搭建高热流密度的微/纳结构表面池内沸腾传热实验装置的核心和难点；此外，由于发热表面需要浸泡在液体工质(一般为蒸馏水)中，因此也要很好地考虑相应组件的密封和防水设计。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，以缓解现有技术中的实验装置难以形成较高的热流密度，并且实验装置搭建复杂，费用高昂的技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，包括：高热流密度发热器件，用于产生高热流密度，包括：加热器，用于产生热量；以及导热元件，用于传导热量并增大热流密度；绝热腔体，罩设在所述高热流密度发热器件外侧，用于隔绝所述高热流密度发热器件与外界的热量交换，其上设置有用于导热元件伸出的通孔；观测腔体，设置在所述绝热腔体的上方，与所述绝热腔体密封连接，其内盛放液体工质，用于进行池内沸腾传热；热沉，该热沉放置于所述观测腔体内且没入所述液体工质的液面以下，其正面设置有微纳尺度结构，其背面与所述导热元件伸出所述绝热腔体的部分连接；高速摄像机，其镜头朝向所述观测腔体设置，用于拍摄所述观测腔体内池内沸腾传热的图像；温度测量装置，用于监测所述导热元件上的温度分布；以及计算机，分别与所述高速摄像机和所述温度测量装置连接，用于存储所述高速摄像机拍摄的图像，并计算所述导热元件输出的热流密度。
在本公开的一些实施例中，所述导热元件沿其轴线方向依次分为：热源连接段，其外表面贴设所述加热器，用于传递所述加热器的热量至传热段；以及传热段，与所述热源连接段连接，其端部与热沉的背面连接，所述传热段的横截面面积小于所述热源连接段的横截面面积，用于传递所述热源连接段的热量至所述热沉并增大热流密度。
在本公开的一些实施例中，其中：所述热源连接段为长方体，所述传热段为直柱体；所述热源连接段的边长介于5mm至100mm之间；所述导热元件的材料为铜、铝、银、不锈钢或铜合金、铝合金；所述传热段的横截面是圆形、长方形或三角形；所述传热段的横截面为圆形时，该圆形的直径介于5mm至100mm之间，所述传热段的横截面为长方形或三角形时，该长方形或三角形的边长介于5mm至100mm之间；所述热源连接段与所述传热段一体设置，或所述热源连接段和所述传热段分体设置并通过螺纹连接。
在本公开的一些实施例中，还包括：密封元件，设置于所述观测腔体与所述绝热腔体的连接处，以及所述绝热腔体与所述传热段的连接处，用于避免液体工质泄漏。
在本公开的一些实施例中，其中：当所述传热段的横截面为圆形时，所述绝热腔体与所述传热段的连接处的所述密封元件包括：密封圈，套设在所述传热段外侧；以及压盖，压设在所述密封圈上；其中，所述密封圈为硅胶圈或硅胶垫，所述压盖材料为聚四氟乙烯、环氧玻璃纤维或不锈钢；当所述传热段的横截面为非圆形时，所述绝热腔体与所述传热段的连接处的所述密封元件为防水密封硅胶；所述观测腔体与所述绝热腔体的连接处的所述密封元件为防水密封硅胶或硅胶垫。
在本公开的一些实施例中，其中：温度测量装置，包括：N根热电偶，间隔设置在所述传热段内，N≥2；以及温度采集仪，分别与N根所述热电偶电连接，用于监测N根热电偶的温度分布；该高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置还包括：温控装置，用于控制液体工质的温度，包括：辅助加热器，用于提高液体工质的温度；热电偶，用于监测液体工质的温度；以及温控仪，分别与所述辅助加热器和所述热电偶连接，其根据热电偶的监测结果调节辅助加热器的加热功率以维持调节液体工质处于设定温度。
在本公开的一些实施例中，加热器包括：片状加热器，其贴设在所述热源连接段的表面；以及稳流稳压电源装置，与所述片状加热器连接，用于控制所述片状加热器的加热功率。
在本公开的一些实施例中，所述导热元件和片状加热器表面之间均匀涂抹高导热界面材料；其中，所述高导热界面材料为高纯银胶、高导热硅脂、高导热硅胶或液态金属。
在本公开的一些实施例中，其中：所述观测腔体的材料为石英玻璃、硼硅玻璃或钢化玻璃；所述绝热腔体的材料为聚四氟乙烯、陶瓷或环氧玻璃纤维；所述绝热腔体与高热流密度发热器件之间填充有硅酸铝陶瓷纤维棉、纳米气凝胶棉或石英棉。
在本公开的一些实施例中，其中：所述传热段与所述热沉一体设置；或所述传热段与所述热沉的背面通过焊料焊接或通过高导热界面材料连接。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)导热元件分为热源连接段和传热段，热源连接段为长方体，传热段为直柱体，其下部长方体各侧面和底面经过抛光处理，可无空隙地贴合片状加热器，其二者之间是平面与平面接触，两者的平面粗糙度很低，且两者之间还可以进一步均匀涂抹高导热的界面材料，如高纯银胶，固化后片状加热器可紧密而牢固地固定在导热元件上，形成优异的热接触，最大程度降低接触热阻，远远优于加热棒与铜块钻孔之间的曲面接触；
(2)通过绝热腔体和柔性耐高温隔热材料(硅酸铝陶瓷纤维棉、纳米气凝胶棉或石英棉)对发热器件的四周和底部进行绝热处理，只露出导热元件上部传热段的上端面，作为高热流密度发热表面，由于发热器件的四周和底部被很好地绝热，最终多块片状加热器产生的热流将从顶面输出，产生高热流密度；
(3)本公开提供的高热流密度发热器件相比现有的发热器件具有结构简单紧凑、装配便捷及成本低廉等优点，并且经过实际试验检测，在配套实验元件处于安全、可耐受温度的条件下，最高热流密度可达近5000Wcm-2，完全能满足各种微/纳尺度相变传热的实验要求。
(4)高热流密度发热器件在密封元件配合下实现防水密封，在高热流密度发热器件的发热表面上直接制备生成微/纳结构或将具有微/纳结构表面的热沉固定在发热器件的发热表面上，实验装置适用于各种高临界热流密度的微/纳结构表面池沸腾传热的规律及机理的实验研究，具有非常重要的学术和实用价值。
附图说明
图1为本公开实施例提供的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置的结构示意图。
图2为图1所示高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置中导热元件的结构示意图。
图3为图1所示高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置中导热元件的另一种结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
11-片状加热器；
12-稳流稳压电源装置；
20-导热元件；
21-热源连接段；
22-传热段；
30-绝热腔体；
40-观测腔体；
41-液体工质；
50-热沉；
60-高速摄像机；
71-密封圈；
72-压盖；
81-热电偶(温度测量装置)；
82-温度采集仪；
91-辅助加热器；
92-热电偶(温控装置)；
93-温控仪；
100-计算机。
具体实施方式
本公开实施例提供的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置相比现有的发热器件具有结构简单紧凑、装配便捷及成本低廉等优点，并且经过实际试验检测，在配套实验元件处于安全、可耐受温度的条件下，最高热流密度可达近5000Wcm-2，完全能满足各种微/纳尺度相变传热的实验要求。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
图1为本公开实施例提供的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置的结构示意图。
本公开提供一种高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，如图1所示，包括：高热流密度发热器件、绝热腔体、观测腔体、热沉、高速摄像机、温度测量装置以及计算机；高热流密度发热器件用于产生高热流密度，其包括加热器以及导热元件20，绝热腔体30罩设在高热流密度发热器件外侧，用于隔绝高热流密度发热器件与外界的热量交换，其上设置有用于导热元件20伸出的通孔；观测腔体40设置在绝热腔体30的上方，与绝热腔体30密封连接，其内盛放液体工质，用于进行池内沸腾传热；热沉50放置于观测腔体40内且没入液体工质41的液面以下，其正面设置有微纳尺度结构，其背面与导热元件20伸出绝热腔体30的部分连接；高速摄像机60的镜头朝向观测腔体40设置，用于拍摄观测腔体40内池内沸腾传热的图像；温度测量装置用于监测导热元件20上的温度分布；计算机分别与高速摄像机60和温度测量装置连接，用于存储高速摄像机60拍摄的图像，并计算导热元件20输出的热流密度，本公开实施例提供的高热流密度发热器件相比现有的发热器件具有结构简单紧凑、装配便捷及成本低廉等优点，并且经过实际试验检测，在配套实验元件处于安全、可耐受温度的条件下，最高热流密度可达近5000Wcm-2，完全能满足各种微/纳尺度相变传热的实验要求。
图2为图1所示高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置中导热元件的结构示意图。图2(a)为导热元件的结构示意图。图2(b)为导热元件与片状加热器装配示意图。
在本公开的一些实施例中，如图2所示，包括：加热器以及导热元件，加热器用于产生热量，导热元件20用于传导热量并增大热流密度。
在本公开的一些实施例中，导热元件20沿其轴线方向依次分为：热源连接段21和传热段22，热源连接段21的外表面贴设加热器，用于传递加热器的热量至传热段22；传热段22与热源连接段21连接，其端部与热沉50的背面连接，传热段22的横截面面积小于热源连接段21的横截面面积，用于传递热源连接段21的热量至热沉50并增大热流密度，导热元件20分为热源连接段21和传热段22，热源连接段21为长方体，传热段22为直柱体，其下部长方体各侧面和底面经过抛光处理，可无空隙地贴合片状加热器11，其二者之间是平面与平面接触，两者的平面粗糙度很低，且两者之间还可以进一步均匀涂抹高导热的界面材料，如高纯银胶，固化后片状加热器可紧密而牢固地固定在导热元件20上，形成优异的热接触，最大程度降低接触热阻，远远优于加热棒与铜块钻孔之间的曲面接触。
在本公开的一些实施例中，加热器包括：片状加热器11以及稳流稳压电源装置12；片状加热器11贴设在热源连接段21的表面；稳流稳压电源装置12与片状加热器11连接，用于控制片状加热器11的加热功率。
在本公开的一些实施例中，其中：热源连接段21为长方体，传热段22为直柱体；热源连接段21的边长介于5mm至100mm之间；导热元件20的材料为铜、铝、银、不锈钢或铜合金、铝合金；传热段22的横截面是圆形、长方形或三角形；传热段22的横截面为圆形时，该圆形的直径介于5mm至100mm之间，传热段22的横截面为长方形或三角形时，该长方形或三角形的边长介于5mm至100mm之间。
在本公开的一些实施例中，热源连接段21与传热段22一体设置，或热源连接段21和传热段22分体设置并通过螺纹连接。
在本公开的一些实施例中，该高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置还包括：密封元件，设置于观测腔体40与绝热腔体30的连接处，以及绝热腔体30与传热段22的连接处，用于避免液体工质泄漏。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，当传热段22的横截面为圆形时，绝热腔体30与传热段22的连接处的密封元件包括：密封圈71和压盖72，密封圈71套设在传热段22外侧；压盖72压设在密封圈71上，其中密封圈71为硅胶圈或硅胶垫，压盖72材料为聚四氟乙烯、环氧玻璃纤维或不锈钢；
在本公开的一些实施例中，当传热段22的横截面为非圆形时，绝热腔体30与传热段22的连接处的密封元件为防水密封硅胶。
在本公开的一些实施例中，观测腔体40与绝热腔体30的连接处的密封元件为防水密封硅胶或硅胶垫
在本公开的一些实施例中，如图1所示，温度测量装置用于监测导热元件20上的温度分布，包括：N根热电偶81以及温度采集仪，N根热电偶间隔设置在传热段22内，N≥2；温度采集仪82分别与N根热电偶81电连接，用于监测N根热电偶81的温度分布。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，该高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置还包括温控装置，用于控制液体工质41的温度，包括：辅助加热器91、热电偶92以及温控仪93，辅助加热器91用于提高液体工质41的温度；热电偶92用于监测液体工质41的温度；温控仪93分别与辅助加热器91和热电偶92连接，其根据热电偶92的监测结果调节辅助加热器91的加热功率以维持调节液体工质41处于设定的温度。
在本公开的一些实施例中，计算机分别与高速摄像机60和温度采集仪82连接，用于存储高速摄像机60拍摄的图像，并计算传热段22输出的热流密度。
在本公开中，导热元件20和片状加热器11表面之间均匀涂抹高导热界面材料；其中，高导热界面材料为高纯银胶、高导热硅脂、高导热硅胶或液态金属。
在本公开中，其中：观测腔体40的材料为石英玻璃、硼硅玻璃或钢化玻璃；绝热腔体30的材料为聚四氟乙烯、陶瓷或环氧玻璃纤维；绝热腔体30与高热流密度发热器件之间填充有硅酸铝陶瓷纤维棉、纳米气凝胶棉或石英棉，通过绝热腔体30和柔性耐高温隔热材料(硅酸铝陶瓷纤维棉、纳米气凝胶棉或石英棉)对发热器件的四周和底部进行绝热处理，只露出导热元件上部传热段的上端面，作为高热流密度发热表面，由于发热器件的四周和底部被很好地绝热，最终多块片状加热器11产生的热流将从顶面输出，产生高热流密度。
在本公开的一些实施例中，其中：传热段22与热沉50一体设置(即在传热段22的热流输出端面上设置微纳尺度开放式通道)；或传热段22与热沉50的背面通过焊料焊接或通过高导热界面材料连接，在高热流密度发热器件的发热表面上直接制备生成微/纳结构或将具有微/纳结构表面的热沉固定在发热器件的发热表面上，实验装置适用于各种高临界热流密度的微/纳结构表面池沸腾传热的规律及机理的实验研究，具有非常重要的学术和实用价值。
以下以具体实施例验证本公开实施例提供的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置的有效性：
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种高热流密度的微/纳结构表面池内沸腾传热实验装置，导热元件20为铜材质，热源连接段21为立方体、传热段22为圆柱体的一体式元件，立方体边长10～50mm，圆柱体直径为5～20mm，该元件是一体成型加工而成，避免了多个零件组装而引起的接触热阻等缺点。片状加热器11选用市面上常见的陶瓷加热片，最大热流密度约为50Wcm-2，导热元件20采用铜材质，将多块陶瓷加热片装配至热源连接段21的各个侧面，抛光铜表面和陶瓷加热片表面之间均匀涂抹高纯银胶，固化后可紧密而牢固地贴合，形成优异的热接触，构成高热流密度发热器件。
在高热流密度发热器件周围和底部包裹硅酸铝陶瓷纤维绝热棉后，置于聚四氟乙烯绝热腔体30内，聚四氟乙烯热导率为0.25W m-1K-1，具有很好的绝热性和耐温性，硅酸铝陶瓷纤维绝热棉可以耐温至1000℃左右。聚四氟乙烯绝热腔体30的顶部中心设有通孔，通孔直径等于导热元件20的传热段22圆柱体的直径，聚四氟乙烯绝热腔体30上方设置圆形的观测腔体40，腔壁材料为石英玻璃，石英玻璃有很好的透光性，可结合高速摄像机60对微/纳结构表面的沸腾传热行为进行可视化研究，石英玻璃也有高红外透过率，方便利用红外热成像仪对腔内实验对象进行红外测温。导热元件20上部的圆柱体穿过通孔伸入观测腔体40内，石英腔体外壁与聚四氟乙烯绝热腔体30接触处涂抹防水硅胶。在导热元件20上部的传热段22的圆柱体高于聚四氟乙烯绝热腔体30顶部的部分依次套入氟橡胶密封圈71和聚四氟乙烯压盖72，通过螺丝挤压实现防水密封。最终导热元件20传热段的上端面露出，作为高热流密度发热表面，将表面具有微细尺度通道阵列结构的铜热沉置于导热元件20的高热流密度发热表面上，它们之间涂抹高纯银胶，保持紧密而牢固贴合的同时，形成优异的热接触，则导热元件20上端面上的热沉的微细尺度通道阵列结构作为微米结构换热表面，随后往观测腔体40内注入液体工质41去离子水。
铜导热元件20上部圆柱体部分间隔一定距离安装有三根外径0.5mm的k型铠装热电偶81，与数据采集仪82连接，作为温度测量装置，监测导热元件20上的温度分布，用于计算发热面的热流密度。稳流稳压电源装置12与陶瓷加热片电连接，用于控制输入的加热功率。温控装置包括辅助加热器91、热电偶92与温控仪93，用于控制观测腔体40内的液体工质41去离子水处于饱和温度。
在安装好实验平台后，开启温控装置将液体工质41加热并维持在饱和温度，在预沸腾一段时间后，即可开启稳流稳压电源装置12，使陶瓷加热片产生一定的加热功率，在四周和底部绝热的条件下，热流几乎全都从铜导热元件20的顶面输出，通过铜导热元件上的热电偶81测得温度T1～T3，记录稳态的平均温度值，即可根据一维热输运方程计算高热流密度发热器件的发热表面的热流密度，进行不同热流密度下的池沸腾传热实验。
实施例2
在本实施例中，导热元件20为铝材质，热源连接段21为立方体、传热段22为圆柱体的一体式元件，立方体边长10～40mm，圆柱体直径为5～20mm，片状加热器11选用市面上常见的铝壳加热片，将多块铝壳加热片装配至热源连接段21的各个侧面，抛光铝表面和铝壳加热片表面之间均匀涂抹高导热硅脂，固化后可紧密而牢固地贴合，形成优异的热接触，构成高热流密度发热器件。最终导热元件20上部传热段22的圆柱体的上端面作为高热流密度发热表面，将石墨烯纳米涂层直接沉积在导热元件20传热段22的上端面，绝热腔体30选择陶瓷材料，在高热流密度发热器件周围和底部包裹纳米气凝胶绝热棉，本实施例其他部分同实施例1。则导热元件20传热段22的上端面上的石墨烯纳米涂层作为纳米结构换热表面，本实施例的实验装置可以进行纳米结构表面的池沸腾传热实验。
实施例3
如图3所示，本实施例中，导热元件20为铜材质，热源连接段21为立方体、传热段22为长方体的一体式元件，立方体边长10～50mm，长方体横截面边长10mm，高20mm，用线切割在导热元件20上部长方体的上端面直接加工微细尺度通道结构阵列；片状加热器11选用市面上常见的陶瓷加热片，将多块陶瓷加热片装配至热源连接段21的各个侧面，抛光铜表面和铝壳加热片表面之间设置高导热硅胶垫，固化后可紧密而牢固地贴合，形成优异的热接触，构成高热流密度发热器件。
环氧玻璃纤维绝热腔体30的顶部中心设有方孔，方孔尺寸与导热元件20传热段22的长方体横截面边长相匹配，环氧玻璃纤维绝热腔体30上方设置圆形的全角度观测腔体40，腔壁材料为硼硅玻璃，其具有很好的透光性，可结合高速摄像机60对微/纳结构表面的相变传热行为进行可视化研究。导热元件20传热段22的长方体穿过通孔伸入观测腔体40内，硼硅玻璃腔体与聚四氟乙烯绝热腔体之间设置有硅胶垫片，通过不锈钢压板和螺栓的配合，挤压硅胶垫片实现防水密封。在导热元件20传热段22的长方体与环氧玻璃纤维绝热腔体30接触的部分涂抹防水密封硅胶实现防水密封。最终导热元件20传热段的长方体的上端面露出，作为高热流密度发热表面，由于发热表面上具有微细尺度通道阵列结构，因此可直接进行该种微米结构的池沸腾传热实验。
实施例4
在本实施例中，将表面具有微细尺度通道阵列结构的铜热沉表面沉积一层石墨烯纳米薄膜，形成微纳复合结构表面，将该微纳复合结构表面热沉置于导热元件20的高热流密度发热表面作为换热表面，它们之间通过锡基焊料焊接，保持紧密而牢固贴合的同时，形成优异的热接触。则导热元件20传热段22的圆柱体的上端面上的微纳复合结构表面可以作为换热表面，本实施例其他部分同实施例1。本实施例提供的实验装置可以进行微纳复合结构表面的池沸腾传热实验。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置通过设置导热元件，增大热流密度，相比现有的发热器件具有结构简单紧凑、装配便捷及成本低廉等优点，并且经过实际试验检测，在配套实验元件处于安全、可耐受温度的条件下，最高热流密度可达近5000Wcm-2，完全能满足各种微/纳尺度相变传热的实验要求。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，包括：
高热流密度发热器件，用于产生高热流密度，包括：
加热器，用于产生热量；以及
导热元件，用于传导热量并增大热流密度；
绝热腔体，罩设在所述高热流密度发热器件外侧，用于隔绝所述高热流密度发热器件与外界的热量交换，其上设置有用于导热元件伸出的通孔；
观测腔体，设置在所述绝热腔体的上方，与所述绝热腔体密封连接，其内盛放液体工质，用于进行池内沸腾传热；
热沉，该热沉放置于所述观测腔体内且没入所述液体工质的液面以下，其正面设置有微纳尺度结构，其背面与所述导热元件伸出所述绝热腔体的部分连接；
高速摄像机，其镜头朝向所述观测腔体设置，用于拍摄所述观测腔体内池内沸腾传热的图像；
温度测量装置，用于监测所述导热元件上的温度分布；以及
计算机，分别与所述高速摄像机和所述温度测量装置连接，用于存储所述高速摄像机拍摄的图像，并计算所述导热元件输出的热流密度；
其中，所述导热元件沿其轴线方向依次分为：
热源连接段，其外表面贴设所述加热器，用于传递所述加热器的热量至传热段；以及
传热段，与所述热源连接段连接，其端部与热沉的背面连接，所述传热段的横截面面积小于所述热源连接段的横截面面积，用于传递所述热源连接段的热量至所述热沉并增大热流密度；
所述加热器包括片状加热器，所述片状加热器贴设在所述热源连接段表面；
其中，所述热源连接段为长方体，所述传热段为直柱体，所述热源连接段各侧面和底面经过抛光处理，能够无空隙地贴合所述片状加热器，所述热源连接段和所述片状加热器之间是平面与平面接触。
2.根据权利要求1所述的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，其中：
所述热源连接段的边长介于5mm和100mm之间；
所述导热元件的材料为铜、铝、银、不锈钢、铜合金或铝合金；
所述传热段的横截面是圆形、长方形或三角形；
所述传热段的横截面为圆形时，该圆形的直径介于5mm和100mm之间，所述传热段的横截面为长方形或三角形时，该长方形或三角形的边长介于5mm和100mm之间；
所述热源连接段与所述传热段一体设置，或所述热源连接段和所述传热段分体设置并通过螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，还包括：
密封元件，设置于所述观测腔体与所述绝热腔体的连接处，以及所述绝热腔体与所述传热段的连接处，用于避免液体工质泄漏。
4.根据权利要求3所述的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，其中：
当所述传热段的横截面为圆形时，所述绝热腔体与所述传热段的连接处的所述密封元件包括：
密封圈，套设在所述传热段外侧；以及
压盖，压设在所述密封圈上；
其中，所述密封圈为硅胶圈或硅胶垫，所述压盖材料为聚四氟乙烯、环氧玻璃纤维或不锈钢；
当所述传热段的横截面为非圆形时，所述绝热腔体与所述传热段的连接处的所述密封元件为防水密封硅胶；
所述观测腔体与所述绝热腔体的连接处的所述密封元件为防水密封硅胶或硅胶垫。
5.根据权利要求1所述的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，其中：
温度测量装置，包括：
N根热电偶，间隔设置在所述传热段内，N≥2；以及
温度采集仪，分别与N根所述热电偶电连接，用于监测N根热电偶的温度分布；
该高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置还包括：温控装置，用于控制液体工质的温度，包括：
辅助加热器，用于提高液体工质的温度；
热电偶，用于监测液体工质的温度；以及
温控仪，分别与所述辅助加热器和所述热电偶连接，其根据热电偶的监测结果调节辅助加热器的加热功率以维持调节液体工质处于设定温度。
6.根据权利要求1所述的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，加热器包括：
稳流稳压电源装置，与所述片状加热器连接，用于控制所述片状加热器的加热功率。
7.根据权利要求1所述的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，所述导热元件和片状加热器表面之间均匀涂抹高导热界面材料；
其中，所述高导热界面材料为高纯银胶、高导热硅脂、高导热硅胶或液态金属。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，其中：
所述观测腔体的材料为石英玻璃、硼硅玻璃或钢化玻璃；
所述绝热腔体的材料为聚四氟乙烯、陶瓷或环氧玻璃纤维；
所述绝热腔体与高热流密度发热器件之间填充有硅酸铝陶瓷纤维棉、纳米气凝胶棉或石英棉。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，其中：
所述传热段与所述热沉一体设置；或
所述传热段与所述热沉的背面通过焊料焊接或通过高导热界面材料连接。
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| GR01 | Patent grant | ||
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