CN114295399A - 一种均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，包括真空腔环境室、试样及热源模块、温控模块、可视化模块、真空模块、恒温供水模块、水位控制模块、数据采集系统，真空模块维持真空腔环境室的真空度，温控模块调节真空腔环境室内的水温和蒸汽温度，试样及热源模块向真空腔环境室提供热源输入和支撑试样，恒温供水模块向真空腔环境室供水，水位控制模块调节真空腔环境室的液位高度，可视化模块观察真空腔环境室的试样，数据采集系统监测和记录试验数据。本发明可实现不同工况下的均热板内真空纯饱和蒸汽环境，并结合可视化模块设计直观获得蒸发器表面气泡特征和相界面演化情况。

Description

一种均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置

技术领域

本发明涉及热管强化换热技术领域，尤其涉及一种均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置。

背景技术

随着航天科技、电子信息和人工智能等行业的蓬勃发展，高功率、集成化的电子及光电元件(如固态激光光源、大功率发光二极管、以及高性能图形处理单元)对高效冷却换热装置提出了严峻的挑战，一些元件局部产生的热流密度甚至高达1kW/cm²以上，如何在狭窄空间内实现这些高热流元件热量的快速消除已然成为制约设备高性能可靠运行的关键。目前，利用流体汽化潜热的相变冷却技术逐渐受到重视。

基于平板热管的概念，真空腔均热板作为一种前景广阔的高效被动式相变冷却设备而被广泛关注，其利用布满内腔壁的毛细结构实现了工质的蒸发-扩散-凝结-毛细输送的自循环运行，热源热量随工质循环被快速沿二维扩散转移至冷凝表面。由于蒸发器上的最大热流密度远高于冷凝器表面，其良好的换热性能是保证均热板连续可靠运行而无干化的最关键因素。因此，蒸发器设计方面的创新和优化对不断提升其最大散热能力至关重要。

然而，基于多孔毛细结构的蒸发器内涉及了毛细流动、固相导热、固-液热传递和薄液膜蒸发等复杂物理过程的耦合，难以通过理论对其散热性能的评估和预测。而现有的沸腾换热实验和常压环境薄膜蒸发实验装置设计均无法实现均热板蒸发器在不同运行工况下的传热性能测试与流动特性的可视化研究。此外，对均热板直接进行测试虽可准确测试其换热性能，但均热板制造工艺流程复杂、成本高且周期长，难以低成本且高效地实现大量蒸发器设计方案的性能测试。

因此，本领域的技术人员致力于提供一种均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，营造不同工况下的均热板内真空纯饱和蒸汽环境，并结合可视化模块设计直观地获得蒸发器表面气泡特征。

发明内容

有鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种均热板蒸发器散热性能的可视化装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种均热板蒸发器散热性能的可视化装置，包括真空腔环境室、试样及热源模块、温控模块、可视化模块、真空模块、恒温供水模块、水位控制模块、数据采集系统，所述真空模块被配置为维持所述真空腔环境室的真空度，所述温控模块被配置为调节所述真空腔环境室内的水温和蒸汽温度，所述试样及热源模块被配置为向所述真空腔环境室提供热源输入和支撑试样，所述恒温供水模块被配置为向所述真空腔环境室供水，所述水位控制模块被配置为调节所述真空腔环境室的液位高度，所述可视化模块被配置为观察所述真空腔环境室的试样，所述数据采集系统被配置为监测和记录试验数据。

进一步地，所述真空腔环境室包括腔体和端盖，所述腔体和端盖之间设有O型密封圈，所述腔体的外表面覆有保温材料。

进一步地，所述试样及热源模块包括热源盒、试样盒、第二升降滑台，所述第二升降滑台与所述腔体的内壁垂直连接，所述热源盒和所述试样盒通过螺栓连接，所述热源盒设于所述第二升降滑台上；所述热源盒内部填充有硬质聚氨酯泡沫，泡沫内部嵌入有紫铜块；所述试样盒包括基座、盖板，所述基座上设有溢流口，所述盖板设有注水口，被测试的试样置于所述基座的中心。

进一步地，所述紫铜块包括上级结构和下级结构，所述下级结构的截面大于所述上级结构的截面，所述上级结构内设置有热电偶，所述下级结构内设置有电加热棒。

进一步地，所述温控模块包括温控仪、水温测量元件、紫铜热沉和隔热支撑，所述紫铜热沉带有电加热圈，所述隔热支撑分离所述紫铜热沉和所述真空环境室腔体，所述温控仪分别与所述水温测量元件、所述紫铜热沉电连接。

进一步地，所述可视化模块包括高清摄像机、环形光源、真空观察窗、防雾膜，所述高清摄像机、所述环形光源的轴心分别与试样的中心对齐，所述真空观察窗的内壁贴有所述防雾膜。

进一步地，所述真空模块包括真空阀、旋片真空泵、电动阀和水环真空泵，所述旋片真空泵经所述真空阀与所述端盖连接，所述水环真空泵经所述电动阀与所述腔体连接。

进一步地，所述恒温供水模块包括第一针阀、蠕动泵、恒温水槽、第二针阀，所述第二针阀连接所述恒温水槽的出水口和所述真空腔环境室，所述第一针阀连接所述蠕动泵和所述试样盒，所述蠕动泵还与所述恒温水槽连接。

进一步地，所述水位控制模块包括第三针阀、真空桶、第四针阀、第五针阀，所述第三针阀与所述真空桶、所述水环真空泵抽气口连接，所述第四针阀、所述第五针阀分别与所述真空腔环境室和所述真空桶连接。

进一步地，所述数据采集系统包括数据采集仪、电脑，所述数据采集仪与所述电脑电连接。

本发明至少具有如下有益技术效果：

1、本发明提供的均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，可营造不同工况下的均热板内真空纯饱和蒸汽环境，进而实现在近似真实工作条件下的蒸发器散热性能测试，并结合了可视化模块设计而能够更直观的获得蒸发器表面气泡特征和干化时相界面演化情况，巧妙的紫铜热源设计能够满足低热流到超高热流大范围热源条件下的测试需求，同时还可实现试样水平和垂直放置两种条件下的测试，具有低成本、效率高、范围宽和结果准的优势。

2、本发明提供的均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，能够有效地模拟均热板内40～100℃范围的真空饱和蒸汽条件，在1W/cm²～800W/cm²的大热流范围内实现各种蒸发器散热能力的快速精准测量，以及对表面气泡特征和干化过程中的相界面演化进行可视化研究。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的水平放置蒸发器的散热性能可视化测试装置示意图；

图2是本发明实施例提供的垂直放置蒸发器的散热性能可视化测试装置示意图；

图3是本发明实施例提供的试样及热源模块组装示意图。

图中，

1-腔体，2-铂电阻数显温度计，3-绝压变送器，4-第一升降滑台，5-高清摄像机，6-环形光源，7-水平真空观察窗，8-水平防雾膜，9-真空阀，10-旋片真空泵，11-O型密封圈，12-第一针阀，13-蠕动泵，14-恒温水槽，15-第二针阀，16-航空插头，17-电动阀，18-水环真空泵，19-第三针阀，20-真空桶，21-第四针阀，22-第五针阀，23-可调稳压直流电源，24-温控仪，25-垂直真空观察窗，26-垂直防雾膜，27-试样及热源模块，28-第二升降滑台，29-水温测量元件，30-电加热圈，31-紫铜热沉，32-隔热支撑，33-数据采集仪，34-电脑，35-第一三脚架，36-第二三脚架，37-紧固螺栓，38-基座，39-溢流口，40-盖板，41-注水口，42-试样，43-预紧螺孔，44-热界面材料，45-热电偶，46-紫铜块，47-电加热棒，48-聚氨酯泡沫保温层，49-热源盒，50-硅胶垫片，51-试样盒，52-真空腔环境室，53-端盖，54-可视化模块。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明提供了一种均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，图1所示为蒸发器水平放置的均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，图2所示为蒸发器垂直放置的均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置。本发明提供的可视化测试装置包括真空腔环境室52、试样及热源模块27、温控模块、可视化模块54、真空模块、恒温供水模块、水位控制模块、数据采集系统。

真空腔环境室52包括腔体1和端盖53，腔体1为外覆保温材料的不锈钢真空腔，内部空间为φ200mm×300mm，腔体1和端盖53之间通过O型密封圈11密封。腔体1内壁垂直固定了第二升降滑台28用作试样及热源模块27的支撑及位置调节；腔体1底部和侧壁开设了水和蒸汽的进出口，所有管道和阀门连接均采用了卡套或KF法兰真空密封接口。真空腔环境室52内部所有温度信号及电气线路均通过侧壁上的航空插头16与外界连接，避免了线路夹层漏气现象。端盖53上设有铂电阻数显温度计2和绝压变送器3实时监测腔内蒸汽环境温度和压力参数，这些温度和压力信号同时被数据采集系统记录。

如图3所示，试样及热源模块27采用自下而上布置方式，包括热源盒49和试样盒51，两者通过紧固螺栓37连接。热源盒49内部紧密填充了具有隔水隔热效果的硬质聚氨酯泡沫保温层48，泡沫内部嵌入紫铜块46作为试样42的接触热源，热源面积为10mm×10mm。紫铜块46为具有两级结构的方形直棱柱，上级结构自与试样42接触面起轴心处间隔设有热电偶45以测量棱柱内温度梯度，下级结构截面积变大以保证均匀嵌入5根32V 160W陶瓷电加热棒47，电加热棒47输入功率由可调稳压直流电源23调控。试样盒51由基座38、盖板40组成，其中基座38由耐高温玻璃纤维板加工而成，盖板40由透明亚克力制成，试样42为面积30mm×30mm的基底与毛细芯复合或一体化结构。基座38上设有与试样42上表面平齐的溢流口39，溢流口39的高度可通过增减具有背胶的0.3mm厚硅胶垫片50调节，既防止试样42测试时被周围环形槽道内的液体淹没，又保证毛细芯能够自发吸收到液体。试样42被盖板40通过硅胶垫片50和预紧螺孔43经螺栓产生的机械力压紧在基座38中心，使其与恰好贯穿基座38的紫铜块46上表面经热界面材料44紧密贴合。盖板40对称设有注水口41，饱和水经此流入试样42周围的环形槽道。

紫铜块46以及试样42截面形状不限于方形，也可以为圆形、三角形等，两者截面积也可以视实际情况所需而设计。

温控模块由温控仪24、水温测量元件29、紫铜热沉31和隔热支撑32组成，紫铜热沉31的内部带有电加热圈30。温控仪24通过检测水温测量元件29输入的水温信号，经固态继电器控制嵌入紫铜热沉31的电加热圈30的通电时长，从而保证真空腔环境室52底部蓄水池温度保持在设定温度，以保证蒸汽空间温度和压力。隔热支撑32将紫铜热沉31与腔体1分离，防止不锈钢腔体1与紫铜热沉31直接导热而产生壁温超过水饱和温度的不利情况。

如图1和2所示，根据试样42摆放情况不同，可视化模块54布置位置随之变化。可视化模块54包括高清摄像机5、环形光源6、真空观察窗、防雾膜。真空观察窗分为水平真空观察窗7和垂直真空观察窗25，防雾膜分为水平防雾膜8和垂直防雾膜26。如图1所示，试样42水平放置时，高清摄相机5与环形光源6均由连接杆分别固定在第一升降滑台4上，两者轴心与试样42中心对齐，高清摄相机5的镜头可贯穿环形光源6内孔，使其尽可能贴近水平真空观察窗7以避免光源干扰，水平真空观察窗7内壁贴覆水平防雾膜8，保证凝结液滴不在内窗滞留悬挂，影响观察。如图2所示，当试样42垂直放置时，高清摄相机5与环形光源6则分别由第一三脚架35和第二三脚架36支撑，两者轴心与试样42中心对齐，高清摄相机5的镜头可贯穿环形光源6内孔，使其尽可能贴近垂直真空观察窗25以避免光源干扰，垂直真空观察窗25内壁贴覆垂直防雾膜26，保证凝结液滴不在内窗滞留悬挂，影响观察。真空观察窗尺寸均不应小于环形光源6的外径，以保证真空腔环境室52内光照充分。

真空模块包括真空阀9、旋片真空泵10、电动阀17和水环真空泵18，旋片真空泵10经真空阀9与端盖53上预留的接口连接，实现在实验前排除干燥的真空腔环境室52内的不凝气体。水环真空泵18经电动阀17与真空腔环境室52内的蒸汽侧连通，电动阀17由铂电阻温度计2和绝压变送器3信号进行实时控制，以维持真空腔环境室52内蒸汽环境压力稳定处于饱和压力附近。

恒温供水模块包括第一针阀12、蠕动泵13、恒温水槽14和第二针阀15，恒温水槽14具有制冷机，可实现0～100℃水温控制，在实验前期对去离子水进行长时间沸腾脱气处理，之后利用制冷模式使水温快速降至所需温度，极大地保证了蒸汽氛围和试样测试用水需求。第二针阀15与恒温水槽14出水口连接，实验开始前，经旋片真空泵10排除不凝气体，真空腔环境室52内绝对压力降至1Pa以内，此时开启第二针阀15，依靠腔内负压驱动恒温水槽14内热水进入真空腔环境室52，之后由腔内温控模块进行水温调节。第一针阀12将蠕动泵13和腔内试样盒51的注水口41连接，在腔内蒸汽环境稳定在设定范围内时，提供热源功率并开启第一针阀12和设定好流量的蠕动泵13，将恒温水槽14内的热水输送至试样盒51，蠕动泵13供水量应始终保持溢流口39处有液体缓缓流出即可。

水位控制模块包括第三针阀19、真空桶20、第四针阀21和第五针阀22，第四针阀21、第五针阀22分别连接真空腔环境室52和真空桶20，真空桶20经第三针阀19与水环真空泵18抽气口连接，依靠水环真空泵18的作用始终保持真空桶20内压力小于真空腔环境室52，以保证压力驱动真空腔环境室52内的水可以经第四针阀21和第五针阀22流出。当试样42垂直放置时，第四针阀21的位置应高于垂直真空观察窗25的下底面一定距离且不高于第二升降滑台28工作平面，以保证试样42垂直放置时水位稳定在高清摄像机5的最佳观察视角中；此外应提前调节第二升降滑台28使得垂直的试样42底部低于该稳定水位线2～3mm，从而保证试样42能够自发毛细吸水换热。第五针阀22位于真空腔环境室52的底部，第五针阀22在测试结束后用于水的排放。

数据采集系统包括数据采集仪33和电脑34，数据采集仪33接收和处理温度、压力测量元件电信号，并将该信号导入电脑端软件中记录和分析；电脑34在处理数据采集仪33信号的同时，需对高清摄像机5的图像数据进行分析处理，还需要对电动阀17进行程序化控制。

本发明中，真空阀9、第一针阀12、第二针阀15、第三针阀19、第四针阀21、第五针阀22与各自两端的元件通过管道连接。

真空腔环境室52通过旋片真空泵10排除密闭空间不凝气体，然后通过温控模块调节腔内水温和蒸汽环境温度，并结合水环真空泵18维持设定的纯蒸汽真空压力条件，为试样42营造无不凝气体的真空纯饱和蒸汽测试环境；试样及热源模块27通过紫铜块46内电加热棒47和热电偶45分别调节和测量输入功率；恒温供水模块通过恒温水槽14为真空腔环境室52提供蒸汽氛围用水，并结合蠕动泵13为试样42中相变传热过程提供饱和水；水位控制模块借助于水环真空泵18始终保持真空桶20的真空度远高于真空腔环境室52，通过调节第五针阀22和侧壁第四针阀21控制腔内液位在设计高度范围内；可视化模块54通过高清摄像机5和环形光源6观察真空观察窗后的试样42的表面，实现试样42表面气泡及相界面变化过程的图像捕捉和记录；数据采集系统通过数据采集仪33和电脑34监测记录温度、压力数据。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，其特征在于，包括真空腔环境室、试样及热源模块、温控模块、可视化模块、真空模块、恒温供水模块、水位控制模块、数据采集系统，所述真空模块被配置为维持所述真空腔环境室的真空度，所述温控模块被配置为调节所述真空腔环境室内的水温和蒸汽温度，所述试样及热源模块被配置为向所述真空腔环境室提供热源输入和支撑试样，所述恒温供水模块被配置为向所述真空腔环境室供水，所述水位控制模块被配置为调节所述真空腔环境室的液位高度，所述可视化模块被配置为观察所述真空腔环境室的试样，所述数据采集系统被配置为监测和记录试验数据。

2.如权利要求1所述的均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，其特征在于，所述真空腔环境室包括腔体和端盖，所述腔体和端盖之间设有O型密封圈，所述腔体的外表面覆有保温材料。

3.如权利要求2所述的均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，其特征在于，所述试样及热源模块包括热源盒、试样盒、第二升降滑台，所述第二升降滑台与所述腔体的内壁垂直连接，所述热源盒和所述试样盒通过螺栓连接，所述热源盒设于所述第二升降滑台上；所述热源盒内部填充有硬质聚氨酯泡沫，泡沫内部嵌入有紫铜块；所述试样盒包括基座、盖板，所述基座上设有溢流口，所述盖板设有注水口，被测试的试样置于所述基座的中心。

4.如权利要求3所述的均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，其特征在于，所述紫铜块包括上级结构和下级结构，所述下级结构的截面大于所述上级结构的截面，所述上级结构内设置有热电偶，所述下级结构内设置有电加热棒。

5.如权利要求2所述的均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，其特征在于，所述温控模块包括温控仪、水温测量元件、紫铜热沉和隔热支撑，所述紫铜热沉带有电加热圈，所述隔热支撑分离所述紫铜热沉和所述真空环境室腔体，所述温控仪分别与所述水温测量元件、所述紫铜热沉电连接。

6.如权利要求5所述的均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，其特征在于，所述可视化模块包括高清摄像机、环形光源、真空观察窗、防雾膜，所述高清摄像机、所述环形光源的轴心分别与试样的中心对齐，所述真空观察窗的内壁贴有所述防雾膜。

7.如权利要求2所述的均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，其特征在于，所述真空模块包括真空阀、旋片真空泵、电动阀和水环真空泵，所述旋片真空泵经所述真空阀与所述端盖连接，所述水环真空泵经所述电动阀与所述腔体连接。

8.如权利要求2所述的均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，其特征在于，所述恒温供水模块包括第一针阀、蠕动泵、恒温水槽、第二针阀，所述第二针阀连接所述恒温水槽的出水口和所述真空腔环境室，所述第一针阀连接所述蠕动泵和所述试样盒，所述蠕动泵还与所述恒温水槽连接。

9.如权利要求7所述的均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，其特征在于，所述水位控制模块包括第三针阀、真空桶、第四针阀、第五针阀，所述第三针阀与所述真空桶、所述水环真空泵抽气口连接，所述第四针阀、所述第五针阀分别与所述真空腔环境室和所述真空桶连接。

10.如权利要求2所述的均热板蒸发器散热性能的可视化测试装置，其特征在于，所述数据采集系统包括数据采集仪、电脑，所述数据采集仪与所述电脑电连接。

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