CN209069854U - 热沉加热模块及复合相变传热实验设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种热沉加热模块及复合相变传热实验设备，该热沉加热模块包括：稳流稳压电源装置以及片状加热器；片状加热器与稳流稳压电源装置电连接，片状加热器和热沉的背面焊接或通过高导热界面材料连接；本实用新型提供的热沉加热模块及复合相变传热实验设备能产生低、中、高及超高的热流密度，经过理论和实际实验检测，热沉加热模块在配套实验元件处于安全、可耐受温度的条件下，最高能产生近5000Wcm^‑2的热流密度，不仅远高于现有的发热器件，且具有结构简单紧凑、装配便捷及成本低廉等优点。

Description

热沉加热模块及复合相变传热实验设备

技术领域

本实用新型涉及相变传热技术领域，尤其涉及一种热沉加热模块及复合相变传热实验设备。

背景技术

在平面衬底上加工结构尺寸为几十到几百微米的开放式微通道后，可以形成开放式微通道取热热沉，当其竖直或以一定倾斜角度插入液体工质后，开放式微通道自身结构形成的毛细压力会驱动液体工质在其内部流动，并在微通道内形成较厚液膜区域和薄液膜区域，当开放式微通道取热热沉背部有热流输入时，微通道会发生薄液膜区域内的高强度蒸发传热和较厚液膜区域内的核态沸腾传热两种相变传热模式，是一种高效的复合相变传热技术，其具有很高的换热系数和临界热流密度，能有效解决制约当今电子工业发展的热管理瓶颈问题。当对开放式微通道表面修饰微米结构或纳米结构而形成的基于开放式微通道的复合结构后，其换热系数和临界热流密度会进一步大幅度提高，具有巨大的应用前景。可以将开放式微通道取热热沉和修饰微米结构或纳米结构而形成的基于开放式微通道的复合结构取热热沉统称为开放式微通道基取热热沉。

为了更好地探索开放式微通道基取热热沉复合相变传热的机理，研究并利用高性能的微/纳尺度相变传热技术，需要一种适用于开放式微通道基取热热沉复合相变传热研究的实验装置。该实验装置需要产生超高热流密度，用于研究开放式微通道基取热热沉的临界热流现象，而市场上现成的发热器件主要是加热棒、加热膜、陶瓷加热片等，其热流密度最大值一般为50W cm^-2，极少数发热器件的热流密度能超过100W cm^-2，全球最大的电加热器设计制造厂商的生产的特种加热器高阶陶瓷加热片的热流密度最高也只能到155W cm^-2，无法直接满足微/纳结构表面池内沸腾传热的实验要求，并且价格昂贵，因此实验装置中需要设计能产生超高热流密度的发热模块；实验装置还需要能进行开放式微通道基取热热沉不同倾斜角度下复合相变传热特性的研究，用于揭示倾斜角度对传热特性的影响规律；此外，该实验装置还要能够对开放式微通道基取热热沉内液体工质的润湿和流动特性以及气泡动力学行为进行可视化研究，便于揭示复合相变强化传热的机理。然而，目前还缺乏一种能同时实现以上功能的用于开放式微通道基取热热沉复合相变传热的实验装置。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本实用新型提供一种热沉加热模块及复合相变传热实验设备，以缓解现有的实验装置无法产生超高热流密度，且无法进行热沉在不同倾斜角度下的复合相变传热特性研究，并且无法对液体工质的润湿和流动特性以及气泡动力学行为进行可视化研究的技术问题。

(二)技术方案

根据本实用新型的一个方面，提供一种热沉加热模块，包括：稳流稳压电源装置；以及片状加热器，与所述稳流稳压电源装置电连接，所述片状加热器和热沉的背面焊接或通过高导热界面材料连接。

在本实用新型的一些实施例中，该热沉加热模块还包括：导热元件，与所述片状加热器连接，用于传递热量并增大热流密度，其沿轴线方向依次分为：热源连接段，其外表面贴设所述片状加热器，用于传递所述片状加热器的热量至传热段；以及传热段，与所述热源连接段一体设置，其端部与热沉的背面连接，所述传热段的横截面面积小于所述热源连接段的横截面面积，用于传递所述热源连接段的热量至所述热沉并增大热流密度。

在本实用新型的一些实施例中，其中：所述热源连接段为长方体，所述传热段为直柱体；所述片状加热器贴设在所述热源连接段的至少一个表面上；其中，所述导热元件为：铜导热元件、铝导热元件、银导热元件、不锈钢导热元件、铜合金导热元件或铝合金导热元件中的至少一种。

在本实用新型的一些实施例中，所述片状加热器与所述导热元件之间均匀涂抹高导热界面材料。

在本实用新型的一些实施例中，其中：所述导热元件和所述热沉一体设置；或，所述导热元件和所述热沉焊接连接，或通过高导热界面材料连接。

在本实用新型的一些实施例中，所述高导热界面材料为：高纯银胶、高导热硅脂、高导热硅胶或液态金属中的至少一种。

根据本实用新型的另一个方面，还提供一种复合相变传热实验设备，用于开放式微通道基取热热沉的复合相变传热实验，包括：本实用新型提供的热沉加热模块；储液模块，用于盛放液体工质；热沉固定模块，用于固定热沉，使所述热沉的底端没入所述液体工质的液面下，并使所述热沉的换热表面与竖直平面呈N°夹角，其中0≤N≤90；图像获取模块，用于获取热沉内液体工质的润湿和流动特性以及气泡动力学行为的图像；温度测量模块，与所述热沉或所述热沉加热模块连接，用于获取热沉的输入热流密度和换热表面的温度；以及数据处理模块，分别与所述热沉加热模块、所述图像获取模块和所述温度测量模块连接，用于记录、分析和存储实验图像和数据。

在本实用新型的一些实施例中，所述储液模块的材料为透明材质。

在本实用新型的一些实施例中，还包括：热沉绝热模块，其包覆在所述热沉加热模块的外侧和所述热沉的背面和侧面上，用于减小热沉背面及侧面的热损失；以及液体工质温控模块，与所述储液模块连接，用于控制所述液体工质的温度。

在本实用新型的一些实施例中，其中：所述热沉绝热模块包括：柔性绝热部件，包覆在所述热沉加热模块外侧；以及刚性绝热部件，包覆在所述柔性绝热部件外侧。

在本实用新型的一些实施例中，所述液体工质温控模块包括：辅助加热器，用于提高液体工质的温度；热电偶，用于监测液体工质的温度；以及温控仪，分别与所述辅助加热器和所述热电偶连接，其根据热电偶的监测结果调节辅助加热器的加热功率以维持液体工质处于设定温度。

在本实用新型的一些实施例中，所述图像获取模块包括：标尺，临近所述热沉的换热表面设置；以及高速动态显微仪，相对所述热沉的换热表面和所述标尺设置，其中，所述高速动态显微仪为高速摄影仪、粒子成像测速系统或红外热成像仪中的至少一种。

在本实用新型的一些实施例中，所述温度测量模块包括：M根热电偶，设置在所述热沉或所述热沉加热模块的传热段上，其中M≥2；以及数据采集仪，分别与M根所述热电偶电连接，用于监测M根所述热电偶的温度分布。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型提供的热沉加热模块及复合相变传热实验设备具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)热沉加热模块能产生低、中、高及超高的热流密度，通过导热元件的热源连接段吸收片状加热器发出的热量并传递至传热段，由于传热段的横截面积小于热源连接段，因此传热段的热流密度输出面(即传热段与热沉连接面)能够进一步提高热流密度，经过理论和实际实验检测，热沉加热模块在配套实验元件处于安全、可耐受温度的条件下，最高能产生近5000Wcm^-2的热流密度，不仅远高于现有的发热器件，且具有结构简单紧凑、装配便捷及成本低廉等优点；

(2)热沉固定模块能使开放式微通道基取热热沉与竖直方向倾斜不同的角度，再结合图像获取模块等，本实用新型提供的复合相变传热实验设备能够实现不同倾斜角度下开放式微通道基取热热沉复合相变传热特性及临界热流现象的研究，同时也能对热沉内液体工质的润湿和流动特性以及气泡动力学行为进行可视化研究；

(3)本实用新型提供的复合相变传热实验设备具有简单、易实现、低成本、拓展性高等优势，能够实现开放式微通道基取热热沉复合相变传热特性的全面研究，有利于揭示复合相变强化传热的机理和进一步提高复合相变传热性能，具有重要的科学和工程意义。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的热沉加热模块、热沉及热沉绝热模块的结构配置的剖面示意图。

图2为本实用新型实施例提供的另一种热沉加热模块、热沉及热沉绝热模块的结构配置的剖面示意图。

图3为本实用新型实施例的复合相变传热实验设备的结构示意图。

图4为本实用新型实施例的复合相变传热实验设备的另一种结构示意图。

【附图中本实用新型实施例主要元件符号说明】

1-热沉；

10-稳流稳压电源装置；

20-片状加热器；

30-导热元件；

31-热源连接段；

32-传热段；

40-储液模块；

41-液体工质；

50-热沉固定模块；

60-图像获取模块；

61-标尺；

62-高速动态显微仪；

70-数据处理模块；

80-热沉绝热模块；

81-柔性绝热部件；

82-刚性绝热部件；

90-液体工质温控模块；

91-辅助加热器；

92-热电偶；

93-温控仪；

100-温度测量模块；

110-热电偶；

120-数据采集仪。

具体实施方式

本实用新型实施例提供的热沉加热模块及复合相变传热实验设备通过设计导热元件，从而使热沉加热模块能够产生近5000Wcm^-2的热流密度，不仅远高于现有的发热器件，且具有结构简单紧凑、装配便捷及成本低廉等优点。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

根据本实用新型的一个方面，提供一种热沉加热模块，用于产生0至50Wcm^-2的热流密度，如图1所示，包括：稳流稳压电源装置10和片状加热器20；片状加热器20与稳流稳压电源装置10电连接，片状加热器20和热沉1的背面焊接或通过高导热界面材料连接。

在本实用新型的一些实施例中，片状加热器20为加热膜或加热片中的一种。

在本实用新型的一些实施例中，如图2所示，该热沉加热模块还包括：导热元件30，其与片状加热器20连接，用于传递热量并增大热流密度，从而产生0至5000Wcm^-2之间的热流密度。

在本实用新型的一些实施例中，如图2所示，导热元件30沿轴线方向依次分为：热源连接段31和传热段32，热源连接段31的外表面贴设片状加热器20，用于传递片状加热器20的热量至传热段32；传热段32与热源连接段31一体设置，其端部与热沉1的背面连接，传热段32的横截面面积小于热源连接段31的横截面面积，用于传递热源连接段31的热量至热沉1并增大热流密度，热沉加热模块能产生低(不大于50Wcm^-2)、中、高及超高(50至5000Wcm^-2)的热流密度，通过导热元件30的热源连接段31吸收片状加热器20发出的热量并传递至传热段32，由于传热段32的横截面积小于热源连接段31，因此传热段32的热流密度输出面(即传热段32与热沉1连接面)能够进一步提高热流密度，经过理论和实际实验检测，热沉加热模块在配套实验元件处于安全、可耐受温度的条件下，最高能产生近5000Wcm^-2的热流密度，不仅远高于现有的发热器件，且具有结构简单紧凑、装配便捷及成本低廉等优点。

在本实用新型的一些实施例中，其中：热源连接段31为长方体，传热段32为直柱体；片状加热器20贴设在热源连接段31的至少一个表面上；其中，导热元件30的为：铜导热元件、铝导热元件、银导热元件、不锈钢导热元件、铜合金导热元件或铝合金导热元件中的至少一种。

在本实用新型的一些实施例中，片状加热器20与导热元件30之间均匀涂抹高导热界面材料。

在本实用新型的一些实施例中，导热元件30和热沉1一体设置；

在本实用新型的一些实施例中，导热元件30和热沉1分体设置，其二者焊接连接，或通过高导热界面材料连接。

在本实用新型的一些实施例中，高导热界面材料为：高纯银胶、高导热硅脂、高导热硅胶或液态金属中的至少一种。

根据本实用新型的再一个方面，如图3至图4所示，还提供一种复合相变传热实验设备，用于开放式微通道基取热热沉的复合相变传热实验，包括：本实用新型实施例提供的热沉加热模块、储液模块40、热沉固定模块50、图像获取模块60、数据处理模块70以及温度测量模块100；储液模块40用于盛放液体工质41；热沉固定模块50用于固定热沉1，使热沉1的底端没入液体工质41的液面下，并使热沉1的换热表面与竖直平面呈N°夹角，其中0≤N≤90；图像获取模块60用于获取热沉1内液体工质41的润湿和流动特性以及气泡动力学行为的图像；温度测量模块100与热沉1或热沉加热模块连接，用于获取热沉1的输入热流密度和换热表面的温度；数据处理模块70分别与热沉加热模块、图像获取模块60和温度测量模块100连接，用于记录、分析和存储实验图像和数据，热沉固定模块50能使开放式微通道基取热热沉与竖直方向倾斜不同的角度，再结合图像获取模块60等，本实用新型实施例提供的复合相变传热实验设备能够实现不同倾斜角度下开放式微通道基取热热沉复合相变传热特性及临界热流现象的研究，同时也能对热沉1内液体工质的润湿和流动特性以及气泡动力学行为进行可视化研究。

本实用新型实施例提供的复合相变传热实验设备具有简单、易实现、低成本、拓展性高等优势，能够实现开放式微通道基取热热沉复合相变传热特性的全面研究，有利于揭示复合相变强化传热的机理和进一步提高复合相变传热性能，具有重要的科学和工程意义

在本实用新型的一些实施例中，储液模块40的材料为透明材质，例如：石英玻璃、硼硅玻璃或钢化玻璃。

在本实用新型的一些实施例中，如图1至图4所示，该复合相变传热实验设备还包括：热沉绝热模块80，其包覆在热沉加热模块的外侧和热沉1的背面和侧面上，用于减小热沉1背面及侧面的热损失。

在本实用新型的一些实施例中，如图3至图4所示，该复合相变传热实验设备还包括：液体工质温控模块90，与储液模块40连接，用于控制液体工质41的温度。

在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，当该复合相变传热实验设备用于进行不大于50Wcm^-2的热流密度复合相变传热实验时，热沉绝热模块80为刚性绝热部件82，包含：聚四氟乙烯、陶瓷或环氧玻璃纤维。

在本实用新型的一些实施例中，如图2所示，当该复合相变传热实验设备用于进行50至5000Wcm^-2之间的热流密度复合相变传热实验时，热沉绝热模块80包括：柔性绝热部件81以及刚性绝热部件82，柔性绝热部件81包覆在热沉加热模块外侧，包含：硅酸铝陶瓷纤维棉、硅胶、纳米气凝胶棉或石英棉；刚性绝热部件82，包覆在柔性绝热部件81外侧，包含：聚四氟乙烯、陶瓷或环氧玻璃纤维。

在本实用新型的一些实施例中，如图3至图4所示，液体工质温控模块90包括：辅助加热器91、热电偶92以及温控仪93，辅助加热器91用于提高液体工质41的温度；热电偶92用于监测液体工质41的温度；温控仪93分别与辅助加热器91和热电偶92连接，其根据热电偶92的监测结果调节辅助加热器91的加热功率以维持液体工质41处于设定温度。

在本实用新型的一些实施例中，如图3至图4所示，图像获取模块60包括：标尺61以及高速动态显微仪62；标尺61临近热沉1的换热表面设置，用于标识液体工质41毛细升高的高度；高速动态显微仪62相对热沉1的换热表面和标尺61设置，用于拍摄热沉1内液体工质41的润湿和流动特性以及气泡动力学行为的图像，其中，高速动态显微仪62为高速摄影仪、粒子成像测速系统或红外热成像仪中的至少一种。

在本实用新型的一些实施例中，如图1至图4所示，温度测量模块100包括：M根热电偶110以及数据采集仪120；M根热电偶110设置在热沉1或传热段32上，其中M≥2；数据采集仪120分别与M根热电偶110电连接，用于监测M根热电偶110的温度分布。

如图1所示，当该复合相变传热实验设备用于进行0至50Wcm^-2的热流密度复合相变传热实验时，M根热电偶110分别设置在热沉1内，用于监测热沉1上的温度分布。

如图2所示，当该复合相变传热实验设备用于进行0至5000Wcm^-2之间的热流密度复合相变传热实验时，M根热电偶110分别设置在导热元件30的传热段32内，用于监测导热元件30中传热段32上的温度分布，进而计算得出热沉1的输入热流密度和换热表面的温度。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型实施例提供的热沉加热模块及复合相变传热实验设备有了清楚的认识。

综上所述，本实用新型提供的热沉加热模块及复合相变传热实验设备能产生低、中、高及超高的热流密度，通过导热元件的热源连接段吸收片状加热器发出的热量并传递至传热段，由于传热段的横截面积小于热源连接段，因此传热段的热流密度输出面(即传热段与热沉连接面)能够进一步提高热流密度，在配套实验元件处于安全、可耐受温度的条件下，能产生远高于现有的发热器件的热流密度，且具有结构简单紧凑、装配便捷及成本低廉等优点。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本实用新型的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本实用新型实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，应当理解，为了精简本实用新型并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热沉加热模块，其特征在于，包括：

稳流稳压电源装置；以及

片状加热器，与所述稳流稳压电源装置电连接，所述片状加热器和热沉的背面焊接或通过高导热界面材料连接。

2.根据权利要求1所述的热沉加热模块，其特征在于，还包括：导热元件，与所述片状加热器连接，用于传递热量并增大热流密度，其沿轴线方向依次分为：

热源连接段，其外表面贴设所述片状加热器，用于传递所述片状加热器的热量至传热段；以及

传热段，与所述热源连接段一体设置，其端部与热沉的背面连接，所述传热段的横截面面积小于所述热源连接段的横截面面积，用于传递所述热源连接段的热量至所述热沉并增大热流密度。

3.根据权利要求2所述的热沉加热模块，其特征在于，其中：

所述热源连接段为长方体，所述传热段为直柱体；

所述片状加热器贴设在所述热源连接段的至少一个表面上；

其中，所述导热元件为：铜导热元件、铝导热元件、银导热元件、不锈钢导热元件、铜合金导热元件或铝合金导热元件中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的热沉加热模块，其特征在于，所述片状加热器与所述导热元件之间均匀涂抹高导热界面材料。

5.根据权利要求2所述的热沉加热模块，其特征在于，其中：

所述导热元件和所述热沉一体设置；

或，所述导热元件和所述热沉焊接连接，或通过高导热界面材料连接。

6.根据权利要求1、4或5所述的热沉加热模块，其特征在于，所述高导热界面材料为：高纯银胶、高导热硅脂、高导热硅胶或液态金属中的至少一种。

7.一种复合相变传热实验设备，其特征在于，用于开放式微通道基取热热沉的复合相变传热实验，包括：

如上述权利要求1至6中任一项所述的热沉加热模块；

储液模块，用于盛放液体工质；

热沉固定模块，用于固定热沉，使所述热沉的底端没入所述液体工质的液面下，并使所述热沉的换热表面与竖直平面呈N°夹角，其中0≤N≤90：

图像获取模块，用于获取热沉内液体工质的润湿和流动特性以及气泡动力学行为的图像；

温度测量模块，与所述热沉或所述热沉加热模块连接，用于获取热沉的输入热流密度和换热表面的温度；以及

数据处理模块，分别与所述热沉加热模块、所述图像获取模块和所述温度测量模块连接，用于记录、分析和存储实验图像和数据。

8.根据权利要求7所述的复合相变传热实验设备，其特征在于，所述储液模块为透明材质。

9.根据权利要求7所述的复合相变传热实验设备，其特征在于，还包括：

热沉绝热模块，其包覆在所述热沉加热模块的外侧和所述热沉的背面和侧面上，用于减小热沉背面及侧面的热损失；以及

液体工质温控模块，与所述储液模块连接，用于控制所述液体工质的温度。

10.根据权利要求9所述的复合相变传热实验设备，其特征在于，其中：

所述热沉绝热模块包括：

柔性绝热部件，包覆在所述热沉加热模块外侧；以及

刚性绝热部件，包覆在所述柔性绝热部件外侧；

所述液体工质温控模块包括：

辅助加热器，用于提高液体工质的温度；

热电偶，用于监测液体工质的温度；以及

温控仪，分别与所述辅助加热器和所述热电偶连接，其根据热电偶的监测结果调节辅助加热器的加热功率以维持液体工质处于设定温度；

所述图像获取模块包括：

标尺，临近所述热沉的换热表面设置；以及

高速动态显微仪，相对所述热沉的换热表面和所述标尺设置，其中，所述高速动态显微仪为高速摄影仪、粒子成像测速系统或红外热成像仪中的至少一种；

所述温度测量模块包括：

M根热电偶，设置在所述热沉或所述热沉加热模块的传热段上，其中M≥2；以及

数据采集仪，分别与M根所述热电偶电连接，用于监测M根所述热电偶的温度分布。