CN112394081A - 一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置，包括环形的侧板，侧板下端连接有样品，样品与侧板半合围形成工质容腔，侧板上部可拆卸地连接有第一透明绝热板，第一透明绝热板上端设有与工质容腔连通的加液孔，第一透明绝热板下端抵接于样品上端，第一透明绝热板与样品之间的间隙形成工质流道，第一透明绝热板与样品之间距离可以调节，样品设有加热装置和温度传感装置。能够观察到工质在不同尺寸的工质流道中的气液变化情况，满足更多实验需求。通过控制工质温度、加热热流和工质流道等参数，实现多边界条件耦合作用下对超临界压力流体在工质流道内对流传热及汽泡动力学特征的研究。

Description

一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置

技术领域

本发明涉及超薄均热板领域，特别是涉及一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置。

背景技术

临界热流密度是流动沸腾的传热极限，准确地预测临界热流密度值对均热板的设计具有重要意义。超薄均热板因具有结构紧凑、均温性好、换热面积大等优点被广泛应用在需小体积或需快速散高热的电子产品。

现有的均热板中预测临界热流密度的一些经验关系式都是基于自己实验数据拟合得到的，准确性强烈依赖于实验工况的相似性，无法推广到其他工况。所以，研究的方向在于通过可视化研究观察临界时两相的特性和汽泡行为，建立预测模型。传统的可视化装置采用一面金属和一面透明视窗压制的方式形成，给金属侧流道通电利用电阻的热效应给流体加热，并且在金属加热板外表面打孔嵌入热电偶获取流道内壁温度。这种装置存在流道间隙无法精确控制，加工困难，不方便拆装等问题。

现有技术公开了一种流体研究用可视化实验装置，包括流道组件，方体框架、两个相对的绝热板以及电加热板；两个绝热板之间的间隙形成流道，两个绝热板的朝向所述流道的板面上均设置有所述电加热板；方体框架上相对的两个侧壁上均开设有观察窗，且所述观察窗与两个所述绝热板之间的间隙相对。虽然该结构设计可以从侧面直观的观察气泡生长，但该装置中的两个绝热板的间隙不能调整，适应性不强，无法研究间隙效应对流动的影响。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置，实现多边界条件耦合作用下对超临界压力流体在工质流道内对流传热及汽泡动力学特征的研究，为研究工质流道中临界沸腾现象的机理提供实验条件。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置，包括环形的侧板，侧板下端连接有样品，样品与侧板半合围形成工质容腔，侧板上部可拆卸地连接有第一透明绝热板，第一透明绝热板上端设有与工质容腔连通的加液孔，第一透明绝热板下端抵接于样品上端，第一透明绝热板与样品之间的间隙形成工质流道，第一透明绝热板与样品之间距离可以调节，样品设有加热装置和温度传感装置。

进一步，第一透明绝热板与侧板螺纹连接。

进一步，侧板为第二透明绝热板，第二透明绝热板上部卡接有上盖，加液孔设于上盖，上盖中部设有通孔，第一透明绝热板与上盖之间设有调节套筒，调节套筒下端抵接于第一透明绝热板，调节套筒外侧壁螺纹连接于上盖通孔，调节套筒设有观察孔，观察孔与样品对应。

进一步，第二透明绝热板一侧设有光源和高速相机，光源和高速相机均朝向工质流道方向布置。

进一步，调节套筒与第一透明绝热板之间设有内密封圈，调节套筒与上盖之间设有外密封圈。

进一步，调节套筒内侧壁设有内阶梯结构，内阶梯结构设于内密封圈一侧，调节套筒外侧壁设有外阶梯结构，外阶梯结构设于外密封圈一侧。

进一步，加热装置包括铜块与加热棒，铜块上部设有铜块凹槽，样品卡接于铜块凹槽，加热棒镶嵌于铜块内。

进一步，温度传感装置包括热电偶，热电偶设于加热棒一侧，热电偶镶嵌于铜块内。

进一步，样品与铜块之间填充有高导热材料。

进一步，还包括耐热下底板，耐热下底板设有底板通孔与环形凹槽，铜块穿设于底板通孔，第二透明绝热板卡接于环形凹槽，耐热下底板下端连接有电木底座，铜块下端抵接于电木底座。

总的说来，本发明具有如下优点：

能够观察到工质在不同尺寸的工质流道中的气液变化情况，满足更多实验需求。通过控制工质温度、加热热流和工质流道等参数，实现多边界条件耦合作用下对超临界压力流体在工质流道内对流传热及汽泡动力学特征的研究。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图。

图2为本发明实施例的主视示意图。

图3为本发明实施例的剖视示意图。

图4为耐热下底板的立体结构示意图。

图5为上盖的俯视示意图。

图6为铜块的平面示意图。

附图标记说明：

1——耐热下底板，11——底板通孔，12——U型槽道，13——环形凹槽，14——排液孔；

2——上盖，21——加液孔，22——压力测量口，23——柔性热电偶口；

3——铜块，31——加热棒孔，32——热电偶孔；

4——调节套筒；

51——石英玻璃管，52——石英玻璃板；

61——热电偶，62——加热棒；

7——电木底座；

81——内密封圈，82——外密封圈，83——样品处密封圈，84——石英玻璃管密封圈；

9——样品。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

如图1～图3、图6所示，一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置，包括环形的侧板，侧板下端连接有样品9，样品9与侧板半合围形成工质容腔，侧板上部可拆卸地连接有第一透明绝热板，第一透明绝热板上端设有与工质容腔连通的加液孔21，第一透明绝热板下端抵接于样品9上端，第一透明绝热板与样品9之间的间隙形成工质流道，第一透明绝热板与样品9之间距离可以调节，样品9设有加热装置和温度传感装置。

具体地，加热装置用于为样品9加热，温度传感装置用于检测样品9的温度。加液孔21设有孔塞。使用时，打开孔塞，工质从加液孔21加进工质容腔，并流进第一透明绝热板与样品9之间的工质流道。加完工质后可以盖上孔塞，按照实验需求对工质容腔内部进行加压或减压操作。样品9优选为块状。工质在经过加热装置加热后的样品9上受热后发生气液变化。透过上方的第一透明绝热板，可以观察工质在狭窄的工质流道中受热后发生的气液两相热力学行为。由于第一透明绝热板与样品9之间距离可以调节，因此能够观察到工质在不同尺寸的工质流道中的气液变化情况，满足更多实验需求。通过控制工质温度、加热热流和工质流道等参数，实现多边界条件耦合作用下对超临界压力流体在工质流道内对流传热及汽泡动力学特征的研究。

通过将观测到的热力学行为与温度传感装置传回的温度信息相结合，可为研究工质流道中临界沸腾现象的机理提供实验条件，进而为设计超薄均热板提供了理论基础。

第一透明绝热板与侧板螺纹连接。

当第一透明绝热板旋紧与侧板的螺纹连接时，第一透明绝热板下端与样品9之间的间隙变小，工质流道变窄；当第一透明绝热板旋松与侧板的螺纹连接时，第一透明绝热板下端与样品9之间的间隙变大，工质流道变宽。因此，通过第一透明绝热板与侧板螺纹连接，能够有效调节工质流道的大小，能够满足不同的实验需求。样品9和第一透明绝热板间距的调节方式为螺纹副调节，使得样品9和第一透明绝热板的间距可以特别小，有利于帮助研究超薄均热板工作时的热力学过程。

侧板为第二透明绝热板，第二透明绝热板上部卡接有上盖2，加液孔21设于上盖2，上盖2中部设有通孔，第一透明绝热板与上盖2之间设有调节套筒4，调节套筒4下端抵接于第一透明绝热板，调节套筒4外侧壁螺纹连接于上盖2通孔，调节套筒4设有观察孔，观察孔与样品9对应。

如图5所示，具体地，上盖2由不锈钢制成，第一透明绝热板为石英玻璃板52，第二透明绝热板为石英玻璃管51。石英玻璃板52和石英玻璃管51具有超高的透光性，且承压能力强，耐温性好。上盖2设有环形槽道，用于安装环形的石英玻璃管51。上盖2与石英玻璃管51之间安装有石英玻璃管密封圈84。环形槽道的宽度略大于石英玻璃管51的厚度，以避免由于不锈钢上盖2与石英玻璃管51的热膨胀系数不同而将石英玻璃管51挤压损坏；不锈钢上盖2通孔内壁加工有用于与调节套筒4配合的螺纹，以便对石英玻璃板52与样品9间的间隙大小进行调整；上盖2上加工有22与柔性热电偶口23，用于安装压力传感器与柔性热电偶，以对实验装置进行功能扩展。

当旋紧或旋松调节套筒4与上盖2之间的螺纹连接时，可以有效调节石英玻璃板52与样品9间的间隙大小。透过调节套筒4的观察孔与石英玻璃板52，或者透过侧部的石英玻璃管51，可以从样品9上方和样品9侧部两个方向观察工质在狭窄的工质流道中的气液两相热力学行为，有利于对实验过程中的热力学现象进行全过程全方位的观察和记录。

第二透明绝热板一侧设有光源和高速相机，光源和高速相机均朝向工质流道方向布置。

光源可以提高工质流道的亮度，有利于得到更清楚的观察结果。高速相机对准工质流道进行拍摄，有利于从视频上进行后期分析。

调节套筒4与第一透明绝热板之间设有内密封圈81，调节套筒4与上盖2之间设有外密封圈82。

通过内密封圈81与外密封圈82的设置，能够较好地在工质容腔中形成一个相对封闭的空间，降低外界因素带来的温差，有利于减小测量误差，进而观察到更准确的气液两相热力学行为。

调节套筒4内侧壁设有内阶梯结构，内阶梯结构设于内密封圈81一侧，调节套筒4外侧壁设有外阶梯结构，外阶梯结构设于外密封圈82一侧。

内阶梯结构与外阶梯结构能够分别限制内密封圈81与外密封圈82在调节套筒4上移动，从而可以更好地保证调节套筒4与第一透明绝热板之间以及调节套筒4与上盖2之间的密封性。

加热装置包括铜块3与加热棒62，铜块3上部设有铜块凹槽，样品9卡接于铜块凹槽，加热棒62镶嵌于铜块3内。

加热棒62镶嵌于铜块3内，使得加热棒62与铜块3接触面更多，加热效率更高，能够在短时间内提升铜块3的温度。通过将样品9卡接于铜块凹槽内，使得铜块3对样品9的底部与侧部同时进行热传递，传热效率更高。

如图2、图6所示，本实施例中，铜块3水平间隔布置有3个加热棒孔31，加热棒62的数量为3根，3根加热棒62分别插接于铜块3水平排列的3个加热棒孔31中。水平排列的3个加热棒孔31相对于铜块3底边尺寸均匀分布，以增加铜块3加温的均匀性。加热棒62与铜块3的接触面上涂有高导热材料，以提高加热棒62到铜块3的热传递效率。

样品9与铜块3之间填充有高导热材料，以提高铜块3到样品9的热传递效率。

温度传感装置包括热电偶61，热电偶61设于加热棒62一侧，热电偶61镶嵌于铜块3内。

具体地，铜块3竖直间隔布置有3个热电偶孔32，热电偶61数量为3个，3个热电偶61分别插接于铜块3竖直排列的3个热电偶孔32中。竖直排列的3个热电偶孔32以相同的间距间隔分布，以便于在利用热电偶61测得温度值后，通过传热微分方程求出铜块3上的温度分布。热电偶61与铜块3的接触面上涂有高导热材料，以减少温度测量误差。采用铜块3作为导热器件，一方面可以均匀加热所产生的热量，另一方面可以通过插入铜块3中的热电偶61测试反应真实热流变化。

如图4所示，本实施例还包括耐热下底板1，耐热下底板1设有底板通孔11与环形凹槽13，铜块3穿设于底板通孔11，第二透明绝热板卡接于环形凹槽13，耐热下底板1下端连接有电木底座7，铜块3下端抵接于电木底座7。

具体地，电木底座7侧部开有与铜块3水平排列的3个加热棒孔31相对应的3个通孔，以便于加热棒62从3个通孔中分别经过并置入铜块3中。耐热下底板1与样品9之间设有样品处密封圈83。

耐热下底板1与铜块3过盈配合，耐热下底板1与不锈钢上盖2之间用环形均布的6个螺栓紧固件拉紧，以便压合不锈钢上盖2、石英玻璃管51和耐热下底板1及3个零件间的橡胶密封圈。

耐热下底板1选用的材料为具有低的导热系数以及高的热稳定性的PTFE，以防止铜块3的热量散失，保证在较高的实验温度下，整个实验装置也具有较高的稳定性。耐热下底板1的顶面设有U型槽道12，并在U型槽道12的中部设有通往耐热下底板1外部的排液孔14，以便于在实验完毕后排除工质。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置，其特征在于：包括环形的侧板，侧板下端连接有样品，样品与侧板半合围形成工质容腔，侧板上部可拆卸地连接有第一透明绝热板，第一透明绝热板上端设有与工质容腔连通的加液孔，第一透明绝热板下端抵接于样品上端，第一透明绝热板与样品之间的间隙形成工质流道，第一透明绝热板与样品之间距离可以调节，样品设有加热装置和温度传感装置。

2.按照权利要求1所述的一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置，其特征在于：第一透明绝热板与侧板螺纹连接。

3.按照权利要求2所述的一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置，其特征在于：侧板为第二透明绝热板，第二透明绝热板上部卡接有上盖，加液孔设于上盖，上盖中部设有通孔，第一透明绝热板与上盖之间设有调节套筒，调节套筒下端抵接于第一透明绝热板，调节套筒外侧壁螺纹连接于上盖通孔，调节套筒设有观察孔，观察孔与样品对应。

4.按照权利要求3所述的一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置，其特征在于：第二透明绝热板一侧设有光源和高速相机，光源和高速相机均朝向工质流道方向布置。

5.按照权利要求3所述的一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置，其特征在于：调节套筒与第一透明绝热板之间设有内密封圈，调节套筒与上盖之间设有外密封圈。

6.按照权利要求5所述的一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置，其特征在于：调节套筒内侧壁设有内阶梯结构，内阶梯结构设于内密封圈一侧，调节套筒外侧壁设有外阶梯结构，外阶梯结构设于外密封圈一侧。

7.按照权利要求3所述的一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置，其特征在于：加热装置包括铜块与加热棒，铜块上部设有铜块凹槽，样品卡接于铜块凹槽，加热棒镶嵌于铜块内。

8.按照权利要求7所述的一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置，其特征在于：温度传感装置包括热电偶，热电偶设于加热棒一侧，热电偶镶嵌于铜块内。

9.按照权利要求7所述的一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置，其特征在于：样品与铜块之间填充有高导热材料。

10.按照权利要求7所述的一种用于超薄均热板临界热流密度研究的可视化实验装置，其特征在于：还包括耐热下底板，耐热下底板设有底板通孔与环形凹槽，铜块穿设于底板通孔，第二透明绝热板卡接于环形凹槽，耐热下底板下端连接有电木底座，铜块下端抵接于电木底座。

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