CN113108923B - 具有微槽群结构的辐射黑体腔及水槽式黑体辐射源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开具有微槽群结构的辐射黑体腔及水槽式黑体辐射源。辐射黑体腔，包括主体，主体的外壁分布有若干相互连通的流道，若干流道之间互不连续，至少一个以上的流道之间曲率、半径、直径互不相同。水槽式黑体辐射源，包括上述的辐射黑体腔，还包括水槽、红外测温器、铂电阻测温器。优化腔壁结构设计，设计特定截面形状和尺寸的腔体外壁，通过流道形状的变化对流体进行扰动，利用不连续通道产生的不同大小和方向的扰动对流体内部形成的扰流进行震荡，使流体与腔壁之间的热边界层在不同位置发生破坏，使热边界层没有充分发展即被破坏，在初始阶段厚度薄、热阻小的特点，有效地减少了固定存在的底层热阻，达到强化传热效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及计量、传感技术领域，特别涉及具有微槽群结构的辐射黑体腔及水槽式黑体辐射源。
背景技术
随着工业用红外测温，红外人体测温技术的发展，红外辐射测温设备和计量设备得到越来越多的研究和应用。水槽式黑体辐射源由于成本低、稳定性好，是目前使用最广泛的红外辐射测温设备的计量标准器。而黑体辐射腔作为红外辐射测温设备计量中的关键部分，如何快速将水槽内液体温度传递至黑体腔并维持稳定状态是计量设备的关键研究部分。与大尺度强化传热不同，小空间条件下的传热主要依赖层流条件下的分子扩散，而在液相下这种扩散变得异常缓慢。
为了增强传热，一般通过对流体进行扰动，破坏内部流体边界层的方式完成。其中，扰动措施包括对槽内结构进行改进，现有技术一般在槽内设置不同形状扰流片，通过破坏流体的正常流道对流体进行扰动，强化传热。此种方法结构简单，传热增强效果一般，同时制造复杂，可靠性较低。
因此，需要一种能够提高传递效率的辐射黑体腔。
实用新型内容
根据本实用新型的一个方面，提供了具有微槽群结构的辐射黑体腔，包括一具有开口的主体，主体的外壁分布有若干相互连通的流道，若干流道之间互不连续，至少一个以上的流道之间曲率、半径、直径互不相同。
本实用新型提供一种专门用于微流体传感的辐射黑体腔，采用若干曲率、半径、直径不同的微槽群结构流道连接而成，利用不连续通道产生的不同大小和方向的扰动对流体内部形成的扰流进行震荡，使流体与腔壁之间的热边界层在不同位置发生破坏，使热边界层没有充分发展即被破坏，在初始阶段厚度薄、热阻小的特点，有效地减少了固定存在的底层热阻，达到强化传热效果。
在一些实施方式中，主体的外壁布满若干凹槽，流道由一个凹槽或两个以上凹槽不间断连接构成。由此，流道可以由多个凹槽构成，为本实用新型的一个实施例。
在一些实施方式中，主体的外壁布满若干凸环，流道由相邻两个以上凸环构成。由此，流道可以由多个凸环构成，为本实用新型的一个实施例。
在一些实施方式中，主体的外壁布满若干凹槽、若干凸环，流道分布在若干凹槽、若干凸环之间。由此，流道可以由多个凹槽、多个凸环构成，为本实用新型的一个实施例。
在一些实施方式中，相邻的两个流道之间设有缺口，相邻的两个流道之间通过缺口相通。
由此，相邻的两个流道之间不仅能够通过交错的流道相通，也可以通过缺口相通。
在一些实施方式中，流道的底面设有凹凸部。由此，通过这些凹凸部能够阻止热边界层的形成、减少热边界层厚度。
在一些实施方式中，主体包括圆柱腔部以及锥形腔部，锥形腔部连通于圆柱腔部的一端，由此，保证黑体腔的热传导方向。
在一些实施方式中，开口位于圆柱腔部、锥形腔部的中轴线上。由此，保证黑体腔的热传导方向。
在一些实施方式中，主体还包括盖板部，盖板部设于圆柱腔部上远离的锥形腔部一端，开口位于盖板部上。由此，盖板部利于黑体腔的安装。
在一些实施方式中，若干流道分布在圆柱腔部、锥形腔部的外壁。由此，圆柱腔部、锥形腔部为本黑体腔的主要传导部位。
根据本实用新型的一个方面，提供了水槽式黑体辐射源，包括上述的辐射黑体腔，还包括水槽、红外测温器、铂电阻测温器，水槽内可容纳有传导液，辐射黑体腔置于水槽中，辐射黑体腔的最顶端处于传导液的水平面，铂电阻测温器的一端通过开口插入辐射黑体腔的腔体内，铂电阻测温器的另一端插入传导液中，红外测温器置于水槽外并位于辐射黑体腔的开口上方。
本实用新型还提供一种应用上述黑体腔的水槽式黑体辐射源，通过上述黑体腔的特征，能够强化本水槽式黑体辐射源传热效果。
在一些实施方式中，红外测温器位于辐射黑体腔的中轴线上。由此，保证红外测温器在黑体腔的热传导方向上。
本实用新型的有益效果的具体体现为：优化腔壁结构设计，设计特定截面形状和尺寸的腔体外壁，通过流道形状的变化对流体进行扰动，增加换热面积、破坏热边界层、降低传热热阻，强化传热。此种方法结构简单，制造成本较低，其中腔体外壁设计对强化传热效果具有关键因素。
附图说明
图1为本实用新型一实施方式的辐射黑体腔的立体结构示意图。
图2为图1所示辐射黑体腔的剖面结构示意图。
图3为图2中A局部的放大结构示意图。
图4为应用图1所示辐射黑体腔的水槽式黑体辐射源的剖面结构示意图。
图5为本实用新型二实施方式的具有微槽群结构的辐射黑体腔的剖面结构示意图。
图6为本实用新型三实施方式的具有微槽群结构的辐射黑体腔的剖面结构示意图。
图7为本实用新型四实施方式的具有微槽群结构的辐射黑体腔的立体结构示意图。
图8为辐射黑体腔的平壁处边界层分布结构示意图。
图中标号：1-主体、11-开口、12-流道、13-凸环、14-凹槽、15-缺口、1a-圆柱腔部、1b-锥形腔部、1c-盖板部、2-水槽、3-红外测温器、4-铂电阻测温器、5-传导液。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。
实施例一
图1-3示意性地显示了根据本实用新型的一种实施方式的具有微槽群结构的辐射黑体腔，包括一具有开口11的主体1，主体1的外壁分布有若干相互连通的流道12，若干流道12之间互不连续，至少一个以上的流道12之间曲率、半径、直径互不相同。为了达到强化传热效果，一般为选择紫铜或导热性能好的材料为主体1材料。若干流道12之间为纵横交错的；但若干流道12之间始终相通，两个流道12之间可以直接相通，也可以通过其他流道12间接相通，也可以一个流道12与多个流道12相通，且流道12之间的大小不一，同一流道12的不同位置的口径也可以不同。
本实用新型提供一种专门用于微流体传感的辐射黑体腔。本实用新型采用若干曲率、半径、直径不同的微槽群结构流道12连接而成，利用不连续通道产生的不同大小和方向的扰动对流体内部形成的扰流进行震荡，使流体与腔壁之间的热边界层在不同位置发生破坏，使热边界层没有充分发展即被破坏，在初始阶段厚度薄、热阻小的特点，有效地减少了固定存在的底层热阻，达到强化传热效果。
微流道内换热强度最大出现在入口段，并随着边界层厚度的增加而降低。所以可以采用此现象，人为地破坏边界层，在边界层中断并从新发展的过程中强化换热。而层流入口段长度有如下公式：
其中，lt表示入口段长度，de表示微通道的水力直径，Pr表示普朗特准则，Re为雷诺数。因此边界层破坏装置的设置间距不大于lt。
结合图2，主体1的外壁布满若干凹槽14；凹槽14的设置方向是不规则的，其可以是横向、竖向、斜向；凹槽14的槽径、截面形状、长度也是随机；若干凹槽14的分布可以有呈规律变化、也可以无规律变化。流道12由一个凹槽14或两个以上凹槽14之间构成，流道12之间相互连通且互不连续。流道12可以多个凹槽14之间构成，为本实用新型的一个实施例。
固液边界存在的热边界层是影响热传导的关键环节，为了提高传热效率和提高温度均匀性，就要阻止热边界层的形成、减少热边界层厚度，所以可以通过间断性微槽道阻止热边界层的形成和发展。为减少尖端所形成的微小空腔，以减少粘滞流体。微型凹槽14横截面形状为半圆形型或U型，且其深度一般为2～4mm；微型凹槽14长度一般不能超过上述公式计算出来的热边界层充分发展阶段所需要的入口段长度lt，以破坏热边界层的发展阶段，使边界层重新生成，减少边界层厚度。微型凹槽14的曲率由黑体腔主体1尺寸结构决定，凹槽14间距一般为15mm以上。
结合图3，流道12的底部分布有若干不规则的凹凸部。凹凸部能够将一个流道12进行划分，分为多个微槽，通过这些凹凸部能够阻止热边界层的形成、减少热边界层厚度。
结合图2，主体1包括圆柱腔部1a以及锥形腔部1b，锥形腔部1b连通于圆柱腔部1a的上端，保证黑体腔的热传导方向。
结合图2，开口11位于圆柱腔部1a、锥形腔部1b的共同中轴线上。保证黑体腔的热传导方向。
结合图2，主体1还包括盖板部1c，盖板部1c设于圆柱腔部1a上远离的锥形腔部1b一端，即，盖板部1c设于圆柱腔部1a的下端，开口11位于盖板部1c上。盖板部1c利于黑体腔的安装。
结合图2，若干流道12分布在圆柱腔部1a、锥形腔部1b的外壁。圆柱腔部1a、锥形腔部1b为本黑体腔的主要传导部位。
当然，主体1也可以是圆锥形、半圆柱或“柱+圆锥顶型”的结构。上述的主体1包括圆柱腔部1a以及锥形腔部1b仅是一个较优的实施例，任何形状的主体1均能用于本实施例中。
本实施例的应用，将本辐射黑体腔应用至水槽式黑体辐射源中，其具体如下:
结合图4，水槽式黑体辐射源，包括上述的辐射黑体腔，还包括水槽2、红外测温器3、铂电阻测温器4，水槽2内可容纳有传导液5，辐射黑体腔置于水槽2中，辐射黑体腔的最顶端处于传导液5的水平面，铂电阻测温器4的一端通过开口11插入辐射黑体腔的腔体内，铂电阻测温器4的另一端插入传导液5中，红外测温器3置于水槽2外并位于辐射黑体腔的开口11上方。
本实用新型还提供一种应用上述黑体腔的水槽式黑体辐射源，通过上述黑体腔的特征，能够强化本水槽式黑体辐射源传热效果。
结合图4，红外测温器3位于辐射黑体腔的中轴线上。保证红外测温器3在黑体腔的热传导方向上。
结合图8，当流体沿着流道壁面流动时，由于流体的粘性作用，使壁面附近流体流速降低，随着流体沿平壁流动，壁面上层流边界层厚度不断增加。在层流边界层中，沿垂直壁面方向的热量传递主要靠导热，换热热阻主要集中在层流底层，也即边界层处。从流动起始端开始，沿着流动方向，边界层厚度不断增加，并由层流边界层转变为湍流边界层，从而进入充分发展阶段。随着热边界层由入口段至充分发展段，其厚度逐渐增加至趋于稳定，局部对流换热系数和从入口段起的平均对流换热系数的沿程变化随着层流边界层的厚度而降低，并在充分发展后趋于一定。因此如何降低热边界层厚度是提高换热效果的关键环节。
本黑体腔在边界层未进入充分发展阶段时设置热边界层破坏装置，即在每个通道在流道上设置凹凸部等障碍物，这样在流动长度上，每条微流道相当于被分割成几条独立的微流道。在这些独立微流道的入口处，热边界层得到重新发展，形成一个个新的入口效应，从而有效的增强传热性能。同时由于外壁为环形通道，在流道内因障碍物扰动导致的不同速度产生的不同大小和方向的离心力可对流体内部进行扰动，促进流体的混合和强化换热。
与普通的黑体腔相比，微槽群结构黑体腔主要特点在于单位体积内的换热面积很大，相应的单位体积换热系数高达几十到几百MW/(m3K)，比普通黑体腔要高1～2个数量级。微流道的水力半径非常小，内部的流体流动和换热与常规大小的管道内的换热有很大的不同，设置扰动装置后，流体流程增加，增加了流体与壁面之间的接触时间，增加换热效果。由于微流道的换热比表面积大，单位体积换热系数高，接触时间长，所以换热效果与温度均匀性远高于常规表面黑体腔。
采用本发明设计的黑体腔，其可以大幅提高壁面温度分布均匀性，降低不同位置间的温差，提高温度测量的准确性和可靠性。同时其温度稳定性和控温精度也得到一定的提升。
实施例二
本实施例二与实施例一大致相同，若干流道12分布在圆柱腔部1a、锥形腔部1b的外壁。其区别在于，若干流道12的构成。具体如下：
结合图5，主体1的外壁布满若干凸环13，流道12由相邻两个以上凸环13之间构成。流道12可以多个凸环13之间构成，为本实用新型的一个实施例。
实施例三
本实施例三与实施例一或实施二大致相同，若干流道12分布在圆柱腔部1a、锥形腔部1b的外壁。其区别在于，若干流道12的构成。具体如下：
结合图6，主体1的外壁布满若干凹槽14、若干凸环13，流道12分布在若干凹槽14、若干凸环13之间；流道12之间相互连通且互不连续。流道12可以多个凹槽14、多个凸环13之间构成，为本实用新型的一个实施例。
实施例四
本实施例四与实施例一大致相同，若干流道12分布在圆柱腔部1a、锥形腔部1b的外壁。其区别在于，若干流道12的构成。具体如下：
结合图7，相邻的流道12之间设有缺口15，流道12之间可以通过流道12相同，相邻的流道12之间也通过缺口15相通。主体1的外壁布满若干凸环13，流道12分布在若干凸环13之间；缺口15位于其中一部分或所有的凸环13上，且同一个凸环13上能够具有多个缺口15，凸环13之间通过缺口15相通；从而形成流道12之间相互连通且互不连续。流道12可以由多个凸环13之间构成，且通过多个缺口14相通。为本实用新型的一个实施例。
若干缺口15的在凸环上位置可以是有规律的，也可以是随机的，若干缺口15之间大小、形状也是相同或不同。
该实施例亦可以应用在实施例二和实施例三中，只需将缺口15设置在凹槽14上即可。
本通过优化腔壁结构设计，设计特定截面形状和尺寸的腔体外壁，通过流道形状的变化对流体进行扰动，增加换热面积、破坏热边界层、降低传热热阻，强化传热。此种方法结构简单，制造成本较低，其中腔体外壁设计对强化传热效果具有关键因素。
以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
Claims (11)
1.具有微槽群结构的辐射黑体腔，包括一具有开口(11)的主体(1)，其特征在于，所述主体(1)的外壁分布有若干相互连通的流道(12)，若干所述流道(12)之间互不连续，至少两个以上的所述流道(12)之间曲率、半径、直径互不相同。
2.根据权利要求1所述的具有微槽群结构的辐射黑体腔，其特征在于，所述主体(1)的外壁布满若干凹槽(14)，所述流道(12)由一个凹槽(14)或两个以上凹槽(14)构成。
3.根据权利要求1所述的具有微槽群结构的辐射黑体腔，其特征在于，所述主体(1)的外壁布满若干凸环(13)，所述流道(12)由相邻两个以上凸环(13)构成。
4.根据权利要求1所述的具有微槽群结构的辐射黑体腔，其特征在于，所述主体(1)的外壁布满若干凹槽(14)、若干凸环(13)，所述流道(12)分布在若干凹槽(14)、若干凸环(13)之间。
5.根据权利要求1所述的具有微槽群结构的辐射黑体腔，其特征在于，相邻的两个所述流道(12)之间设有缺口(15)，相邻的两个所述流道(12)之间通过缺口(15)相通。
6.根据权利要求2-5任一所述的具有微槽群结构的辐射黑体腔，其特征在于，所述流道(12)的底面设有凹凸部。
7.根据权利要求6所述的具有微槽群结构的辐射黑体腔，其特征在于，所述主体(1)包括圆柱腔部(1a)以及锥形腔部(1b)，所述锥形腔部(1b)连通于所述圆柱腔部(1a)的一端。
8.根据权利要求7所述的具有微槽群结构的辐射黑体腔，其特征在于，所述开口(11)位于圆柱腔部(1a)、锥形腔部(1b)的中轴线上。
9.根据权利要求7或8所述的具有微槽群结构的辐射黑体腔，其特征在于，所述主体(1)还包括盖板部(1c)，所述盖板部(1c)设于圆柱腔部(1a)上远离的锥形腔部(1b)一端，所述开口(11)位于盖板部(1c)上。
10.根据权利要求9所述的具有微槽群结构的辐射黑体腔，其特征在于，若干所述流道(12)分布在圆柱腔部(1a)、锥形腔部(1b)的外壁。
11.水槽式黑体辐射源，包括权利要求6所述的辐射黑体腔，其特征在于，还包括水槽(2)、红外测温器(3)、铂电阻测温器(4)，所述水槽(2)内可容纳有传导液(5)，所述辐射黑体腔置于所述水槽(2)中，所述辐射黑体腔的最顶端处于传导液(5)的水平面，所述铂电阻测温器(4)的一端通过开口(11)插入辐射黑体腔的腔体内，所述铂电阻测温器(4)的另一端插入传导液(5)中，所述红外测温器(3)置于水槽(2)外并位于辐射黑体腔的开口(11)上方。
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