CN111323453A

CN111323453A - 一种测量微尺度下不同表面粗糙度对流换热系数的方法及装置

Info

Publication number: CN111323453A
Application number: CN202010216571.4A
Authority: CN
Inventors: 岳亚楠; 邓书港; 高建树; 李忠成; 吴昊; 方宇欣; 顾家馨
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2020-06-23

Abstract

本发明公开了一种测量微尺度下不同表面粗糙度对流换热系数的方法和装置，通过DC直流电流源向导电细丝通以阶跃电流，以电加热的形式在导电细丝上建立稳定的温度梯度，导电细丝上会因为温差产生热电压，使用四电极法测量出初始电压和稳定电压并根据相关公式便可以计算出自然对流换热系数。同时，带有喷洒装置的腔室可以用来改变材料表面粗糙度，进一步测得不同表面粗糙度下的自然对流换热系数。本发明的方法使用的数据是导电细丝上的电压，电压测量不受材料粗糙度的限制。所以本发明可以测量不同材料粗糙度时的对流换热系数，具有设备简单、测量精度高、可靠性好、适用范围广等优点。

Description

一种测量微尺度下不同表面粗糙度对流换热系数的方法及装置

技术领域

本发明涉及传热领域，具体涉及一种测量微尺度下不同表面粗糙度对流换热系数的方法及装置。

背景技术

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，在涉及传热工程领域有着广泛的应用背景。不同的情况下，传热强度会发生成倍甚至成千倍的变化，比如换热尺度会对固流间的换热能力产生很大的影响：在微尺度下材料与流体之间的对流换热机理发生改变，宏观流体力学和传热学中的连续性介质假设和热交换定律等将不再适用，使得微尺度下对流换热系数比宏观尺度下的值大若干个数量级。随着现代毫微米制造、微加工、高集成度微电子器件等技术的高速发展，人们越来越注重微观尺度下的各类研究，准确获取微尺度下材料的对流换热系数对电子器件的热管理分析和微制造等技术具有重要的意义。

本申请发明人在实施本发明的过程中，发现现有技术的方法，至少存在如下技术问题：

专利号CN106596625公开了一种测量微尺度下自然对流换热系数的方法。该方法利用在导电细丝两端加载一定的电流，测量在通电初始时电细丝两端的电压初始值以及电压信号达到稳定后的电压稳态值，然后根据测量微观尺度下自然对流换热系数的相关公式计算得到微尺度下材料和流体间的自然对流换热系数。该方法中的两电极连接在导电细丝的两端，施加电流时，电极也处在电回路中，电极的电阻会产生焦耳热，此时两电极之间的电压值不能准确的反应细丝材料两端的电压，从而使得测量结果不够准确。

专利号CN109709140公开了一种微尺度下局部对流换热系数的测量方法及装置，该发明利用红外成像仪获得电加热下的导电细丝温度分布图，进而计算得到局部的对流换热系数。不过当材料的表面粗糙度发生改变时，材料的发射率将会发生变化，利用红外成像仪的方法将不再适用。

由此可知，现有技术中的方法存在测量结果不准确的技术问题。

发明内容

本发明提出一种测量微尺度下不同表面粗糙度对流换热系数的方法及装置，用于解决或者至少部分解决现有技术中的方法存在的测量结果不准确的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种测量微尺度下不同表面粗糙度对流换热系数的方法，包括：

步骤S1：采用导电粘结剂将微尺度导电细丝两端粘接于金属热沉上，所述微尺度导电丝的直径为10微米到100微米；

步骤S2：采用导电粘结剂将连接电源的第一电极、第四电极粘接在导电细丝的两端，采用导电粘结剂将连接电压表的第二电极、第三电极用粘接在导电细丝的中间段，其中，四个电极将导电细丝分成三段，两端中的第一段对应第一电极和第二电极，中间段对应第二电极和第三电极，两端中的第二段对应第二电极和第三电极；

步骤S3：采用DC直流电源向导电细丝通以阶跃电流，并记录阶跃时刻第二电极与第三电极节点间的电压初始值U0；

步骤S4：当电加热达到稳态后，测量得到电压稳定值U1；

步骤S5：分析与导电细丝表面粗糙度相关的参数，并获得相关的参数与表面粗糙度的对应关系，根据相关的参数与对应关系得到不同表面粗糙度的细丝；

步骤S6：根据得到的不同表面粗糙度的细丝和下列公式计算微观尺度下导电细丝的自然对流换热系数h：

其中，h为测量得到的微尺度下自然对流换热系数，U1为所述电压表记录的电压稳态值，U0为所述电压表获取的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。

在一种实施方式中，S5中与导电细丝表面粗糙度相关的参数包括：表面喷洒盐水的时间和盐水的浓度。

在一种实施方式中，当相关的参数为喷洒盐水的时间时，S5具体包括：

步骤S5.1：将材料置于预设腔室内并喷洒一定浓度的生理盐水一段时间，然后测量材料的表面粗糙度；

步骤S5.2：根据不同喷洒时间下的材料表面粗糙度，绘制出在一定盐水浓度下的材料表面粗糙度-喷洒时间关系图，得到的细丝表面粗糙度和喷洒时间之间的对应关系；

步骤S5.3：根据获得的对应关系，通过控制喷洒时间，获得不同表面粗糙度的细丝。

基于同样的发明构思，本发明第二方面提供了一种应用于测量微尺度下不同材料粗糙度时自然对流换热系数的方法的装置，该装置包括：

导电细丝，导电细丝为具有导电性能的微尺度导电细丝；

金属热沉，所述导电细丝两端利用导电粘结剂连接于金属热沉上；

DC直流电源，用以给导电细丝施加一个阶跃电流；

四个电极，其中，第一电极和第四电极用以连接DC直流电源，分别用导电粘结剂连接在导电细丝的两端，第二电极和第三电极用以连接电压表，分别用导电粘结剂连接在导电细丝的中间段；

电压表，用以测量第二电极和第三电极之间的电压值；

腔室，用以放置导电细丝和四电极测量系统。

在一种实施方式中，所述金属热沉为紫铜电极，所述连接DC直流电源的两个电极以及导电细丝两端一同通过导电粘结剂连接在紫铜电极上。

在一种实施方式中，所述装置还包括数据收集计算机，所述数据收集计算机与电压表连接。

在一种实施方式中，所述腔室内设有雾化喷洒装置，用以将生理盐水进行雾化。

在一种实施方式中，所述腔室内安装有干燥装置。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

本发明提供了一种测量微尺度下不同表面粗糙度时自然对流换热系数的方法，可以通过更换不同材料和直径的导电细丝，或者可以用喷洒盐水的方法来改变材料表面粗糙度，预先得到喷洒时间和表面粗糙度的关系就可以通过控制喷洒时间得到不同表面粗糙度的导电细丝，从而研究在不同材料、不同材料尺度以及不同表面粗糙度下材料的自然对流换热系数；且本测量方法用到了避免电极电阻影响的四电极法，通电后测量回路中的两电极不会产生焦耳热，消除了电极电阻对于电压测量的影响，同时四电极法可以测量不同表面粗糙度下的对流换热系数而不受粗糙度的影响，不仅设备简单，测量精度高，而且可靠性好，测量使用范围广，实现获取微尺度下不同材料粗糙度时自然对流换热系数的准确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种测量微尺度下不同表面粗糙度对流换热系数的方法流程示意图；

图2为本发明实施例中一种测量微尺度下不同材料粗糙度时自然对流换热系数的装置的结构示意图，包括：第一电极1、第二电极2、第三电极3、第四电极4、导电细丝5、金属热沉6、导线7、DC直流电源8、电压表9、计算机10、腔室11、雾化喷头12、干燥装置13；

图3为本发明实施例中四电极法测自然对流换热系数的电路连接图；

图4为本发明实施例中四电极法测量电路的电阻网络图，图中的R₁₂代表电极1、电极2之间细丝段的电阻，R₂₃代表电极2、电极3之间细丝段的电阻，R₃₄代表电极3、电极4之间细丝段的电阻，R_c代表电极的电阻；

图5为本发明实施例中细丝的截面示意图；

图6为本发明实施例中盐粒生长曲线示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于针对现有技术的问题，提供能够准确测量微尺度下不同材料粗糙度时自然对流换热系数的方法和装置，该方法原理简单、操作方便、测量结果精准。

为了实现上述目的，本发明的主要构思如下：

通过DC直流电流源向导电细丝通以阶跃电流，以电加热的形式在导电细丝上建立稳定的温度梯度，导电细丝上会因为温差产生热电压，使用四电极法测量出初始电压和稳定电压并根据相关公式便可以计算出自然对流换热系数。同时，带有喷洒装置的腔室可以用来改变材料表面粗糙度，进一步测得不同表面粗糙度下的自然对流换热系数。

本发明中使用的四电极法将连接电源的电极和测量电压的电极区别开来，可以有效避免电极电阻产热带来的影响，同时本发明还涉及改变材料表面粗糙度时的对流换热系数测量。本发明的方法使用的数据是导电细丝上的电压，电压测量不受材料粗糙度的限制。所以本发明可以测量不同材料粗糙度时的对流换热系数，具有设备简单、测量精度高、可靠性好、适用范围广等优点。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供了一种测量微尺度下不同表面粗糙度对流换热系数的方法，请参见图1，该方法包括：

步骤S4：当电加热达到稳态后，测量得到电压稳定值U1；

具体来说，由四个电极将导电细丝分成三段分别对应1、2、3、4四个电极节点，电压表测量的为第二电极2、第三电极3之间导电细丝段的电压值。电压表测量的电压是由于2、3电极之间存在温差而出现的热电压，而1、4电极处于电回路中会产生焦耳热，1、4电极两点的温度不是导电细丝产生的真实温度。本发明通过采集2、3电极间的热电压，电流未通过2、3电极，避免了电极电阻的引入，从而消除电极生热带来的影响，故而可以提高测量的准确性。

在具体的实施过程中，可以将将粘接好的导电细丝和四电极测量系统(由四个电极、导线、电压表、直流电源等构成)放置于可以改变材料表面粗糙度的腔室内，腔室上方装有雾化喷头，可以将生理盐水雾化，雾化的生理盐水液滴附着在导电细丝表面，干燥之后形成盐粒从而改变细丝表面粗糙度，并且通过控制喷洒盐水的时长，可以得到不同表面粗糙度的细丝材料。材料表面粗糙度的变化主要和喷淋液滴在细丝表面的沉积有关，液滴在固体表面沉积速率的计算公式为：

其中，Ω是计算域的体积，Ntol是颗粒数目，Abm是壁面表面积，Ndep是沉积颗粒数目，使用摩擦速度uτ作无量纲化。从雾化喷淋开始，雾化的盐水液滴将朝着细丝表面移动并沉积附着。随着喷淋时间的增加，环境中的雾化液滴增多，积聚在细丝表面的液滴也会增多，不过沉积速度会越来越慢，盐粒的生长曲线形式如图6所示。

将材料置于腔室内并喷洒一定浓度的生理盐水一段时间，然后测量其表面粗糙度，由不同喷洒时间下的材料表面粗糙度，即可绘制出在一定盐水浓度下的材料表面粗糙度-喷洒时间关系图。根据得到的细丝表面粗糙度和喷洒时间之间的函数关系，然后通过控制喷洒时间，即可获得不同表面粗糙度的细丝，通过所述四电极法测量获得微尺度对流换热系数，便可以获得微尺度下不同表面粗糙。

本发明具有如下优点：1.提出了一种利用四电极测量微尺度材料自然对流换热系数的方法，四电极法可以消除电极电阻对测量的影响；2.可以测量不同材料，并且材料的直径可以进行控制改变，同时电加热的功率也可调，从而研究在不同尺度，不同温度水平下材料的自然对流换热系数；3.提出了一种可以通过喷洒生理盐水从而改变材料表面粗糙度的装置，预先测出喷洒时间和表面粗糙度之间的关系，进一步可以测得材料在不同表面粗糙度时的自然对流换热系数；4.测量方法和设备简单，测量精度高，而且可靠性好，测量使用范围广，实现微尺度下不同材料粗糙度时对流换热系数的有效测量。

实施例二

基于同样的发明构思，本实施例提供了一种应用于测量微尺度下不同表面粗糙度对流换热系数的方法的测量装置，请参见图2～图5，该装置包括：

导电细丝5，导电细丝为具有导电性能的微尺度导电细丝；

金属热沉6，所述导电细丝两端利用导电粘结剂连接于金属热沉上；

DC直流电源8，用以给导电细丝施加一个阶跃电流；

四个电极1、2、3和4，其中，第一电极和第四电极用以连接DC直流电源，分别用导电粘结剂连接在导电细丝的两端，第二电极和第三电极用以连接电压表，分别用导电粘结剂连接在导电细丝的中间段；

电压表9，用以测量第二电极和第三电极之间的电压值；

腔室11，用以放置导电细丝和四电极测量系统。

在具体的实施过程中，测量中间段导电细丝电压的两个电极也用导电粘结剂粘接在细丝上，加热电流不通过2、3电极，不会产生焦耳热，从而避免电极电阻对电压测量的影响。

具体地，雾化液滴附着在导电细丝上干燥后将形成盐颗粒，从而可以改变导电细丝的表面粗糙度。

在一种实施方式中，所述腔室内安装有干燥装置。

具体地，腔室内安装有干燥装置，可以使测量环境在雾化喷洒之后回到原环境的湿度状态。

腔室为用以改变导电细丝表面粗糙度的装置，其带有雾化和干燥装置的腔室，所述的DC直流电源用于施加阶跃电流以经过导电细丝，所述电压采集装置用于测量中间段导电细丝两端的初始电压U0以及施加阶跃电流后达到新稳态后的稳态电压值U1。

下面通过一个具体的实施例对采用本发明的装置进行换热系数测量的方法进行描述：

1)利用导电粘结剂将具有导电性能的微尺度导电细丝5的两端和连接DC直流电源8的电极1、电极4一并粘接在金属热沉6上，所述微尺度是指直径处于10微米到100微米之间；

2)使用导电粘结剂将连接电压表9的电极2、电极3粘接在导电细丝的中间段，四个电极将导电细丝分为三段分别对应1、2、3、4四个电极节点；

3)电压表9通过连线接到计算机10上，从而实现数据采集、储存以及后续的处理过程，连接好的电路图如图3所示；

4)使用DC直流电源7给导电细丝6施加一个阶跃电流，通过电压表8以及计算机9记录下阶跃时刻电极2和电极3之间的电压初始值U0；

5)带电压稳定后记录下电极2和电极3之间的电压稳定值U1；

6)根据对流换热系数计算公式计算出微观尺度下导电细丝的自然对流换热系数h：

根据电阻网络图4，测压回路测量的是电极2和电极3之间即R23段的电压值，电流不流经测压回路中的两个电极，所以在测压回路中电极电阻不会产生焦耳热，从而避免了对热电压测量值的影响。根据公式，当所取细丝材料和材料的尺寸改变时，材料的电阻温度系数δ、细丝的长度L、横截面的周长S、横截面积A以及热导率k都会发生改变，所以该方法还可以用来测量不同材料、不同尺度下的对流换热系数。

7)为了得到该材料在不同表面粗糙度下的微尺度下自然对流换热系数，可将上述步骤中粘接好的导电细丝及金属热沉置于可改变导电细丝表面粗糙度的腔室内。

8)根据预先得到的喷洒时间和材料表面粗糙度之间的关系，通过控制喷洒时长来得到不同表面粗糙度的细丝，细丝的截面如图5所示。

9)获得不同表面粗糙度的细丝后，测量其自然对流换热系数的方法同之前的步骤。

如图2所示的测量微尺度下不同表面粗糙度时自然对流换热系数的装置，包括：第一电极1、第二电极2、第三电极3、第四电极4、导电细丝5、金属热沉6、导线7、DC直流电源8、电压表9、计算机10、腔室11、雾化喷头12、干燥装置13。导电粘结剂用于将电极和导电细丝之间连接并导电，其中连接到DC直流电源7的电极1和电极4分别和导电细丝的两端一同粘接在金属热沉6上，连接电压表9的电极2和电极3用粘结剂连接到导电细丝的中间段。

具体为:四个电极将导电细丝5分成三段分别对应1、2、3、4四个电极节点，导电细丝的两端连接有DC直流电源和金属热沉，能够导电和导热。由于电压表9测得的为电极2和电极3之间细丝段的电压，电流没有流过中间的两个电极，避免了电极电阻生热，所以消除了电极产生焦耳热对电压测量产生影响。为了方便数据的采集、储存和处理，本装置还设置有电压表9并和计算机10连接。电压表10采集所述导电细丝中间段的实时电压值，并将采集的电压实时数据记录在所述数据采集计算机中，通过记录的数据可以得到电压初始值和电压稳定值。

其中，本装置的腔室11上设置有雾化喷头12，用于将生理盐水雾化并喷洒在导电细丝表面，而干燥装置13的作用则是在进行雾化喷淋处理后，使腔室内的适度恢复到喷洒之前的环境湿度。具体为溶液通过相应的管道到达雾化装置12处，在雾化喷头将液体雾化为细小的液滴充满腔室内环境。干燥装置13上开有小孔，可以吸收喷洒时腔室内增加的水分，消除环境湿度变化对实验的影响。雾化的生理盐水液滴会落在导电细丝表面，待干燥后将会形成盐颗粒附着在导电细丝上，以此来改变导电细丝表面粗糙度，可以控制喷洒来控制材料表面粗糙度。

在经过一段时间的生理盐水喷洒处理之后，得到了具有一定粗糙度的导电细丝如图5所示。要测量导电细丝在此表面粗糙度时的自然对流换热系数，也是通过DC直流电源8给导电细丝5施加一个阶跃电流，记录下阶跃时刻电极2和电极3之间导电细丝段的电压初始值U0以及电压稳定后的电压稳定值U1，然后根据下列计算公式计算出微尺度下导电细丝在此粗糙度时的自然对流换热系数h：

公式中，h为测量得到的微尺度下自然对流换热系数，U1为所述电压表记录达到新稳态后的电压稳态值，U0为所述电压表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。由此可见，当所取细丝材料和材料的尺寸改变时，材料的电阻温度系数δ、细丝的长度L、横截面的周长S、横截面积A以及热导率k都会发生改变，所以该方法还可以用来测量不同材料、不同尺度下的对流换热系数。

本发明的有益效果是：提供一种简单快捷的微尺度下材料在不同表面粗糙度时的自然对流换热系数测量方法和装置。在同一套装置上能够测量微尺度下不同材料、不同材料尺寸以及不同表面粗糙度时的自然对流换热系数。测量电路采用的四电极法可以消除电极电阻产热带来的影响。同时材料的表面粗糙度可以由盐水的喷洒时长来进行控制，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材料在不同表面粗糙度时的自然对流换热系数。

本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种测量微尺度下不同表面粗糙度对流换热系数的方法，其特征在于，包括：

步骤S4：当电加热达到稳态后，测量得到电压稳定值U1；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S5中与导电细丝表面粗糙度相关的参数包括：表面喷洒盐水的时间和盐水的浓度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当相关的参数为喷洒盐水的时间时，S5具体包括：

4.一种应用于权利要求1所述方法的测量装置，其特征在于，该装置包括：

导电细丝，导电细丝为具有导电性能的微尺度导电细丝；

DC直流电源，用以给导电细丝施加一个阶跃电流；

电压表，用以测量第二电极和第三电极之间的电压值；

腔室，用以放置导电细丝和四电极测量系统。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述金属热沉为紫铜电极，所述连接DC直流电源的两个电极以及导电细丝两端一同通过导电粘结剂连接在紫铜电极上。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括数据收集计算机，所述数据收集计算机与电压表连接。

7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述腔室内设有雾化喷洒装置，用以将生理盐水进行雾化。

8.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述腔室内安装有干燥装置。