CN1877306A - 工作流体蒸发性能的量测系统及其量测方法 - Google Patents

工作流体蒸发性能的量测系统及其量测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种工作流体蒸发性能的量测系统及其量测方法，该量测系统包括一用于容纳待测工作流体的容器；一加热装置，用于加热蒸发所述待测工作流体；以及一信号检测系统，包括一激光源以及一荧光检测器。其中，所述激光源发出激光以激发待测工作流体的蒸汽产生荧光信号，然后通过所述荧光检测器来接收并检测分析该荧光信号，即可获得蒸汽的组成及其含量。本发明提供的量测系统利用激光诱导荧光量测法，即使工作流体各组分具有微量蒸发时，也能够灵敏地测量出该各组分及其含量，实现工作流体蒸发性能的测量。

Description

工作流体蒸发性能的量测系统及其量测方法
【技术领域】
本发明是关于热传导领域，特别涉及一种工作流体蒸发性能的量测系统及其量测方法。
【背景技术】
近年来，电子技术迅速发展，电子器件的高频、高速以及集成电路的密集及微型化，使得单位面积电子器件发热量剧增。而热管技术以其高效、紧凑及灵活可靠等特点，适合解决当前电子器件因性能提升所衍生的散热问题，逐渐成为当前电子器件的主流散热方式。
热管是一中空密封管体，通常包括管壳、紧靠管壳内壁的毛细吸液芯以及密封于管壳内的工作流体，其一端为蒸发端(受热端)，另一端为冷凝端(冷却端)，根据应用需要可于蒸发端与冷凝端之间布置绝缘段。工作时，热管于蒸发端藉由内部工作流体相变化吸收潜热，并透过蒸汽流迅速地将热量输送到远离热源区的冷凝端，从而造成前后两端温差小，又达到快速传送大量热能的目的。冷凝后的工作流体通过毛细吸液芯的毛细作用，将其输送回蒸发端，然后工作流体再次重复上述过程，达成热管的散热功能。因而，工作流体在整个传热过程充当传热媒介，是影响热管热传导性能高低至关重要的部分。
热管工作流体通常选用纯水或甲醇，其填充量需结合热管内壁的毛细吸液芯的毛细结构孔隙率大小而定，而且毛细结构孔隙率越大，工作流体填充量越大，热管热传效率越高，反之亦然。然而，这些液体导热系数较低，因而，为提高热管内工作流体的导热性能，通常在工作流体中混合高导热性材料，如粉末状Al2O3、Ag等。
现有技术提供一种热管及其工作流体。该热管包括管壳、毛细吸液芯以及充满毛细吸液芯的工作流体，其中工作流体为悬浮液，包括纯水、氨水、甲醇、丙酮或庚烷中任意一种纯液体以及悬浮于液体中的纳米碳球，该纳米碳球是由多层石墨层以球中球结构所组成的多面体碳簇，粒径范围为2～60纳米，其内部填充有高导热性金属。该热管利用高导热性纳米碳球，增大工作流体的导热系数，从而提高热管工作流体的导热能力。但是，这些纳米颗粒混合在工作流体中形成固液两相共存的混合溶液，当该混合溶液在蒸发端蒸发时，如果某些纳米颗粒不能与工作流体同时蒸发，则会局部集聚在该蒸发端，造成局部液体阻塞。因而，为正确衡量热管工作流体的导热性能，藉以改善热管热传导效率，应控制工作流体中纳米颗粒的添加量，而该添加量应考量工作流体中的蒸发性能，即纳米颗粒与工作流体同时蒸发的组成及含量，目前尚未有关于工作流体蒸汽成分测量的文献报导。
有鉴于此，提供一种灵敏度高的工作流体蒸发性能的量测系统及其测量方法实为必要。
【发明内容】
以下，将以实施例说明一种工作流体蒸发性能的量测系统。
以及通过实施例说明一种工作流体蒸发性能的量测方法。
为实现上述内容，提供一种工作流体蒸发性能的量测系统，其包括：一具有一开口的容器，用于容纳待测工作流体；一加热装置，其用于加热蒸发该待测工作流体；以及一信号检测系统，包括一激光源以及一荧光检测器；该激光源设在靠近容器开口的位置，用于激发待测工作流体的蒸汽产生荧光信号；所述荧光检测器以能接收所述荧光信号的方式设置。
其中，所述信号检测系统进一步包括一反射镜，设置在荧光信号到荧光检测器的光路中；以及进一步包括一滤光片，设置在所述反射镜到荧光检测器之间的光路中。
所述荧光检测器采用互补性氧化金属半导体感测器或电荷耦合感测器。
所述容器底部或侧壁开设有一往容器内鼓入载气的入气口。
所述加热装置采用一在容器外部加热的恒温流动水浴装置或在容器内部加热的电加热器。
所述激光源波长范围采用紫外光波段或可见光波段。
以及，一种工作流体蒸发性能的量测方法，其包括以下步骤：
将待测工作流体盛入一具有开口的容器内；
利用一加热装置加热蒸发所述待测工作流体，以产生待测工作流体的蒸汽；
操作一激光源，向所述蒸汽中射入激光，激发所述蒸汽产生荧光信号；
通过一荧光检测器接收并检测分析蒸汽受激发所产生的荧光信号，获得待测工作流体蒸发性能相关数据。
而且，进一步设置一反射镜将激发的荧光信号反射进入荧光检测器；以及通过一滤光片对所述反射镜反射进入荧光检测器的光波进行过滤。
其中，所述荧光检测器采用互补性氧化金属半导体感测器或电荷耦合感测器。
所述工作流体加热蒸发的同时往容器内鼓入载气。
所述加热装置采用一在容器外部加热的恒温流动水浴装置或在容器内部加热的电加热器。
相对于现有技术，本实施例利用激光诱导荧光光谱技术，对工作流体蒸发性能进行检测分析，由于激光诱导荧光光谱具有较高灵敏度，能检测到低浓度组分，从而使本实施例的工作流体蒸发性能的量测系统即使工作流体各组分具有微量蒸发时，也能够灵敏地测量出该各组分及其含量，实现工作流体蒸发性能的测量，从而有利于衡量工作流体中填充物的填充量，提高工作流体整体性能。如应用于热管内热传流体时，通过该量测即可优选各组成及其含量，以充分发挥该流体中各组分的导热辅助效果。
【附图说明】
图1是本技术方案的实施例中工作流体蒸发性能的量测系统示意图。
图2是本技术方案的实施例中工作流体蒸发性能的量测方法流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本技术方案作进一步详细说明。
在叙述本实施例前，先说明本技术方案所应用的激光诱导荧光光谱技术(Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy，LIFS)原理：当短波(高能)光被某些物质吸收，该物质的原子即被激发到一个不稳定的高能状态，此时，原子就会趋于恢复到原来的能量状态，从而发射出另一种波长的光子。因而，对于特定的物质，其发出特定波长的光子，即形成特定的荧光光谱，因此，通过探测待测物激发出的荧光，即可鉴别待测物的组成及其浓度。本技术方案即利用该技术来测量工作流体蒸发性能，包括蒸汽的组成及其含量。
请参阅图1，为本技术方案的实施例所提供的工作流体蒸发性能的量测系统1，其包括：一容器10，用于容纳待测工作流体11；一加热装置20，用于加热蒸发待测工作流体11；以及一信号检测系统30，用于检测并记录待测工作流体11的蒸发气体经由激光激发而产生的荧光信号。所述待测工作流体11可采用包括纳米颗粒的纳米工作流体，而工作流体母液可选用纯水、甲醇、氨水、丙酮、庚烷等液体，纳米颗粒混合在这些母液中即可形成待测工作流体11。
所述容器10具有一开口12，以排出工作流体11蒸汽，可采用锥形瓶、烧瓶等容器，本实施例选用锥形瓶，然而并不限于这些结构，根据实际情况可采用不同形状和结构的容器。测量时，容器10内盛有待测工作流体11，其盛装容量以低于容器10体积的2/3为宜。另外，还可在容器10底部或侧壁等位置开设一入气口13，由其连通一载气装置，以便往容器内通入载气，同时也需于加热装置20对应位置开口。载气可采用氮气、氩气、氦气、氪气、氙气或其他惰性气体，本实施例采用氮气。载气用于吹洗容器10内的待测工作流体11，并将其蒸汽携带出容器10。
所述加热装置20可于所述容器10外部间接加热待测工作流体11；或者直接于容器11内部加热待测工作流体11，如往容器11内部置一电加热器，以对待测工作流体11直接加热。如图所示，本实施例采用间接加热的方式，并利用一在容器外部加热的恒温流动水浴装置20’对待测工作流体11进行加热，该流动水浴装置20’包括一恒温水浴槽21、一进水口22以及一排水口23。其中，进水口22可设在水浴槽21顶部位置，而排水口23可设在水浴槽21底部位置，以利于热水流动，提高加热效率。容器10可完全或部分置入水浴槽21内，且以水浴槽21内热水能覆盖工作流体11的整体为佳，使工作流体11可获得均匀加热的效果。
所述信号检测系统30包括一激光源31以及一荧光检测器32。其中，激光源31可发出激光，波长范围可采用紫外光波段或可见光波段，其靠近于容器10的开口12上方设置，使激光源31发出的激光能照射到待测工作流体11的蒸汽110，以激发待测工作流体11的蒸汽110产生荧光信号112。
荧光检测器32可采用互补性氧化金属半导体感测器(ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor，CMOS)或电荷耦合感测器(Charge CoupledDevice，CCD)，而且，互补性氧化金属半导体感测器可设有一光敏二极管(Photo Diode，PD)，电荷耦合感测器则设有一光电倍增管(PhotomultiplierTube，PMT)，优选为电荷耦合感测器。荧光检测器32可相对于容器10的开口12设置，用以检测并记录经由激光源31激发蒸汽110而产生的荧光信号112。
优选的，在容器10的开口12正上方设置一反射镜34，通过其将蒸汽110产生的荧光信号112反射到荧光检测器32中，从而能将荧光检测器32设置在蒸汽110侧上方。如此可避免当荧光检测器32相对于容器10的开口12设置时，工作流体11的蒸汽110上升而干扰荧光检测器32的检测。另外，优选的，在荧光信号112反射进入荧光检测器32的光路中设置一滤光片33，其能过滤适当范围内的波长，用以减少激光散射光或环境光线对蒸汽110产生的荧光信号112检测的影响。优选的，还可在信号112到荧光检测器32的光路中增设一可立体微调的聚焦镜片35，用以收集更大立体弧度角的荧光光源来增加蒸汽110产生的荧光信号112，从而提高检测精度，该聚焦镜片35最好设在经滤光片33过滤后的荧光信号112进入荧光检测器32的光路中。
请参阅图2，为本技术方案的实施例提供的工作流体蒸发性能的量测方法流程图。该量测方法包括以下步骤：(1)将待测工作流体盛入一具有开口的容器内；(2)利用一加热装置加热蒸发所述待测工作流体，以产生待测工作流体的蒸汽；(3)操作一激光源，向所述蒸汽中射入激光，激发所述蒸汽产生荧光信号；(4)通过一荧光检测器接收并检测分析蒸汽受激发所产生的荧光信号，即可获得待测工作流体蒸发性能相关数据。下面结合图1详细说明上述量测方法。
步骤(1)：将待测工作流体11盛入一具有开口12的容器10内。该开口12用以排出工作流体11蒸汽110。该容器10内盛装待测工作流体11的容量应低于容器10体积的2/3。另外，还可在容器10底部或侧壁等位置开设一入气口13，由其连通一载气装置，以便往容器内通入载气，载气可采用氮气、氩气、氦气等惰性气体。载气用于吹洗容器10内的待测工作流体11，并在工作流体蒸发时，将蒸汽110携带出容器10。
步骤(2)：利用一加热装置20加热蒸发所述待测工作流体11，以产生待测工作流体11的蒸汽110。该步骤可采用直接或间接两种方式加热待测工作流体11，加热温度根据待测工作流体11的沸点而定，通常介于20℃～100℃，如氨水沸点为33℃，丙酮沸点为56.5℃，甲醇沸点为64.7℃，且以40℃～70℃为佳。直接加热方式即直接在容器10内部加热待测工作流体11，例如往容器10内部置一加热棒，以对待测工作流体11直接加热；间接加热方式即在容器10外部间接加热待测工作流体11。本实施例采用间接加热方式，例如用一恒温流动水浴装置20’对待测工作流体11进行加热，使得待测工作流体11蒸发形成蒸汽，然后经开口12逸出容器10，形成蒸汽110。
步骤(3)：操作一激光源31往蒸汽110射入激光，激发蒸汽110产生荧光信号112。
步骤(4)：利用一荧光检测器32接收并检测分析蒸汽110所产生的荧光信号112，即可获得待测工作流体11蒸发性能相关数据。荧光检测器32可采用互补性氧化金属半导体感测器或电荷耦合感测器，优选为电荷耦合感测器，并具有一光电倍增管，其可同时感测到多个组分被激发而产生的特定信号。还可采用一反射镜34，通过其将蒸汽110产生的荧光信号112反射到荧光检测器32中，以利于荧光检测器32对信号112进行检测；以及采用滤光片33来过滤适当范围内的波长，用以减少激光散射光对蒸汽110产生的荧光信号112检测的影响，该滤光片33最好位于荧光信号反射进入荧光检测器32的光路中。优选的，还可利用一可立体微调的聚焦镜片35，收集更大立体弧度角的荧光来增加蒸汽110产生的荧光信号112，从而提高检测精度。荧光检测器32通过对检测到的荧光信号112进行分析，可获得待测工作流体11的蒸发性能相关数据，包括蒸汽110的组成及其含量。
本实施例提供的工作流体蒸发性能的量测系统及测量方法并不限于量测纳米工作流体，还可量测其它填充材料的工作流体，如填充高导热性金属或其氧化物粉体的工作流体；或者无填充材料的工作流体，如纯液体工作流体或不同种类液体相混合而成的工作流体。总之，只要工作流体中包括一种或多种组分，皆可采用本实施例的量测系统对其蒸发性能进行检测分析。以纳米工作流体为例，由于纳米颗粒为纳米级尺寸，蒸发时，气态工作流体在液汽界面能将其带离母液，因而蒸汽110包括气态母液以及纳米颗粒，如利用载气时还包括载气；在激光的激发下，蒸汽110中的各组分分别发出特定荧光信号，该特定荧光信号被荧光检测器32感应并检测，再通过荧光光谱分析，可得出各组分在蒸汽中的含量，即实现纳米工作流体蒸发性能的测量。由于激光诱导荧光光谱具有较高的灵敏度，能检测到低浓度组分，使本实施例的工作流体蒸发性能的量测系统1即使工作流体各组分具有微量蒸发时，也能够灵敏地测量出该各组分的含量，从而有利于衡量工作流体中填充物的含量，以充分发挥工作流体各组分的导热辅助效果。

Claims (13)

1.一种工作流体蒸发性能的量测系统，其包括：一具有一开口的容器，用于容纳待测工作流体；一加热装置，用于加热蒸发所述待测工作流体；以及一信号检测系统，包括一激光源以及一荧光检测器；所述激光源设在靠近容器开口的位置，用于激发待测工作流体的蒸汽产生荧光信号；所述荧光检测器以能接收所述荧光信号的方式设置。
2.如权利要求1所述的工作流体蒸发性能的量测系统，其特征在于：所述信号检测系统进一步包括一设置在荧光信号到滤光片的光路中的反射镜。
3.如权利要求2所述的工作流体蒸发性能的量测系统，其特征在于：所述信号检测系统进一步包括一设置在所述反射镜到荧光检测器之间光路中的滤光片。
4.如权利要求1所述的工作流体蒸发性能的量测系统，其特征在于：所述荧光检测器采用互补性氧化金属半导体感测器或电荷耦合感测器。
5.如权利要求1所述的工作流体蒸发性能的量测系统，其特征在于：所述容器底部或侧壁开设有一往容器内鼓入载气的入气口。
6.如权利要求1所述的工作流体蒸发性能的量测系统，其特征在于：所述加热装置采用一在容器外部加热的恒温流动水浴装置。
7.如权利要求1所述的工作流体蒸发性能的量测系统，其特征在于：所述加热装置采用一在容器内部加热的电加热器。
8.如权利要求1至7任一项所述的工作流体蒸发性能的量测系统，其特征在于：所述激光源波长范围采用紫外光波段或可见光波段。
9.一种工作流体蒸发性能的量测方法，其包括：
将待测工作流体盛入一具有开口的容器内；
利用一加热装置加热蒸发所述待测工作流体，以产生待测工作流体的蒸汽；
操作一激光源，向所述蒸汽中射入激光，激发所述蒸汽产生荧光信号；
通过一荧光检测器接收并检测分析蒸汽受激发所产生的荧光信号，获得待测工作流体蒸发性能相关数据。
10.如权利要求9所述的工作流体蒸发性能的量测方法，其特征在于：进一步通过一反射镜将激发的荧光信号反射进入荧光检测器。
11.如权利要求10所述的工作流体蒸发性能的量测方法，其特征在于：进一步通过一滤光片对所述反射镜反射进入荧光检测器的光波进行过滤。
12.如权利要求9所述的工作流体蒸发性能的量测方法，其特征在于：所述荧光检测器采用互补性氧化金属半导体感测器或电荷耦合感测器。
13.如权利要求9至12任一项所述的工作流体蒸发性能的量测方法，其特征在于：在待测工作流体加热蒸发的同时往容器内鼓入载气。
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