高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置制造方法及图纸

本公开提供一种高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，包括：高热流密度发热器件、加热器、导热元件、绝热腔体、观测腔体、热沉、高速摄像机、温度测量装置以及计算机，高热流密度发热器件用于产生高热流密度；绝热腔体用于隔绝高热流密度发热器件与外界的热量交换；观测腔体用于观察热沉表面进行的池内沸腾传热；高速摄像机拍摄观测腔体内池内沸腾传热的图像并存储在计算机上；温度测量装置用于监测导热元件上的温度分布；计算机计算所述导热元件输出的热流密度，本公开提供的实验装置适用于各种高临界热流密度的微/纳结构表面池沸腾传热的规律及机理的实验研究，具有非常重要的学术和实用价值。

Experimental device for boiling heat transfer in a pool with Micro-Nanostructure surface with high heat flux

The invention provides an experimental device for boiling heat transfer in a pool on a surface of micro-nano structure with high heat flux density, including a high heat flux density heating device, a heater, a heat conducting element, an adiabatic cavity, an observation cavity, a heat sink, a high speed camera, a temperature measuring device and a computer, and a high heat flux heating device for generating high heat flux. Density; Insulation chamber is used to isolate heat exchange between high heat flux heating device and the outside world; Observation chamber is used to observe boiling heat transfer in the pool on the surface of heat sink; High-speed camera takes images of boiling heat transfer in the pool and stores them on the computer; Temperature measuring device is used to monitor the temperature on the heat conducting element. Distribution; The computer calculates the heat flux output of the heat conducting element, and the experimental device provided in this disclosure is suitable for experimental study of the law and mechanism of pool boiling heat transfer on micro/nanostructure surfaces with various high critical heat flux densities. It has very important academic and practical value.

【技术实现步骤摘要】
高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置
本公开涉及相变传热
，尤其涉及一种高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置。
技术介绍
池内沸腾传热是一种高效的相变传热技术，在发电、海水淡化、冶金、电子器件冷却、大功率激光器热管理、食品加工等工业、军事、航空航天、化工领域起着至关重要的作用。大量的理论和实验研究都表明，在常规传热表面增加微/纳米结构形成微/纳米结构表面，可以显著提高池内沸腾传热性能和换热效率，例如大幅增加传热系数(HTC)和临界热流密度(CHF)。常规传热表面在池内沸腾条件下的CHF约为140Wcm-2，而微/纳米结构表面在池内沸腾条件下的CHF可超过300Wcm-2。因此为了更好地探索微/纳尺度相变传热机理，研究并利用高性能的微/纳尺度相变传热技术，首先需要搭建适用于微/纳结构表面的高热流密度池内沸腾传热实验装置，其中最重要的是能产生高热流密度的发热器件，便于研究不同微/纳结构表面的临界热流密度值及临界热流的形成机理。目前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50Wcm-2，极少数发热器件的热流密度能超过100Wcm-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155Wcm-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。为了解决这一问题，许多研究者在高导热金属，如铜块的内部钻特定尺寸的孔，再插入若干根加热棒构成高热流密度发热器件。由于机械加工精度的限制，加热棒与铜块上的钻孔难以紧密配合，它们之间将会存在一定间隙，即存在较大的接触热阻；即使在加热棒表面涂抹导热硅脂，由于加热棒在插入钻孔时容易造成加热棒前端表面的导热硅脂溢出，使得导热硅脂很难均匀填充在加热棒外壁与钻孔内壁之间，接触热阻依然较大。因此加热棒产生的热量不能有效传输至铜块的表面，较难形成高热流密度；而且在较高热流密度时，由于较大接触热阻的存在会导致热量堆积，加热棒表面的温度会过高，容易烧毁，可靠性较差。还有一种常见的方案是在高导热金属下部的外表面机械加工出一些螺纹，将电加热丝缠绕在螺纹的牙之间，对高导热金属进行加热构成高热流密度发热器件，由于电加热丝有一定刚度，在缠绕时与螺纹表面未必能完全紧密接触，因此也存在较大的接触热阻，同时电加热丝直接暴露在高导热金属的外部，存在一定的漏电安全隐患。另一方面，一些研究者通过激光加热装置或电磁感应加热装置对金属块体进行加热，也可以形成高热流密度发热器件，虽然能达到高热流密度，但对设备要求高，系统搭建较复杂，花费较昂贵，也限制他们的实际使用。因此设计和研制结构简单、成本低廉的高热流密度发热器件是搭建高热流密度的微/纳结构表面池内沸腾传热实验装置的核心和难点；此外，由于发热表面需要浸泡在液体工质(一般为蒸馏水)中，因此也要很好地考虑相应组件的密封和防水设计。公开内容(一)要解决的技术问题基于上述技术问题，本公开提供一种高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，以缓解现有技术中的实验装置难以形成较高的热流密度，并且实验装置搭建复杂，费用高昂的技术问题。(二)技术方案本公开提供一种高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，包括：高热流密度发热器件，用于产生高热流密度，包括：加热器，用于产生热量；以及导热元件，用于传导热量并增大热流密度；绝热腔体，罩设在所述高热流密度发热器件外侧，用于隔绝所述高热流密度发热器件与外界的热量交换，其上设置有用于导热元件伸出的通孔；观测腔体，设置在所述绝热腔体的上方，与所述绝热腔体密封连接，其内盛放液体工质，用于进行池内沸腾传热；热沉，该热沉放置于所述观测腔体内且没入所述液体工质的液面以下，其正面设置有微纳尺度结构，其背面与所述导热元件伸出所述绝热腔体的部分连接；高速摄像机，其镜头朝向所述观测腔体设置，用于拍摄所述观测腔体内池内沸腾传热的图像；温度测量装置，用于监测所述导热元件上的温度分布；以及计算机，分别与所述高速摄像机和所述温度测量装置连接，用于存储所述高速摄像机拍摄的图像，并计算所述导热元件输出的热流密度。在本公开的一些实施例中，所述导热元件沿其轴线方向依次分为：热源连接段，其外表面贴设所述加热器，用于传递所述加热器的热量至传热段；以及传热段，与所述热源连接段连接，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。在本公开的一些实施例中，其中：所述热源连接段为长方体，所述传热段为直柱体；所述热源连接段的边长介于5mm至100mm之间；所述导热元件的材料为铜、铝、银、不锈钢或铜合金、铝合金；所述传热段的横截面是圆形、长方形或三角形；所述传热段的横截面为圆形时，该圆形的直径介于5mm至100mm之间，所述传热段的横截面为长方形或三角形时，该长方形或三角形的边长介于5mm至100mm之间；所述热源连接段与所述传热段一体设置，或所述热源连接段和所述传热段分体设置并通过螺纹连接。在本公开的一些实施例中，还包括：密封元件，设置于所述观测腔体与所述绝热腔体的连接处，以及所述绝热腔体与所述传热段的连接处，用于避免液体工质泄漏。在本公开的一些实施例中，其中：当所述传热段的横截面为圆形时，所述绝热腔体与所述传热段的连接处的所述密封元件包括：密封圈，套设在所述传热段外侧；以及压盖，压设在所述密封圈上；其中，所述密封圈为硅胶圈或硅胶垫，所述压盖材料为聚四氟乙烯、环氧玻璃纤维或不锈钢；当所述传热段的横截面为非圆形时，所述绝热腔体与所述传热段的连接处的所述密封元件为防水密封硅胶；所述观测腔体与所述绝热腔体的连接处的所述密封元件为防水密封硅胶或硅胶垫。在本公开的一些实施例中，其中：温度测量装置，包括：N根热电偶，间隔设置在所述传热段内，N≥2；以及温度采集仪，分别与N根所述热电偶电连接，用于监测N根热电偶的温度分布；该高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置还包括：温控装置，用于控制液体工质的温度，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调节液体工质处于设定温度。在本公开的一些实施例中，加热器包括：片状加热器，其贴设在所述热源连接段的表面；以及稳流稳压电源装置，与所述片状加热器连接，用于控制所述片状加热器的加热功率。在本公开的一些实施例中，所述导热元件和片状加热器表面之间均匀涂抹高导热界面材料；其中，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。在本公开的一些实施例中，其中：所述观测腔体的材料为石英玻璃、硼硅玻璃或钢化玻璃；所述绝热腔体的材料为聚四氟乙烯、陶瓷或环氧玻璃纤维；所述绝热腔体与高热流密度发热器件之间填充有硅酸铝陶瓷纤维棉、纳米气凝胶棉或石英棉。在本公开的一些实施例中，其中：所述传热段与所述热沉一体设置；或所述传热段与所述热沉的背面通过焊料焊接或通过高导热界面材料连接。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)导热元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，包括：高热流密度发热器件，用于产生高热流密度，包括：加热器，用于产生热量；以及导热元件，用于传导热量并增大热流密度；绝热腔体，罩设在所述高热流密度发热器件外侧，用于隔绝所述高热流密度发热器件与外界的热量交换，其上设置有用于导热元件伸出的通孔；观测腔体，设置在所述绝热腔体的上方，与所述绝热腔体密封连接，其内盛放液体工质，用于进行池内沸腾传热；热沉，该热沉放置于所述观测腔体内且没入所述液体工质的液面以下，其正面设置有微纳尺度结构，其背面与所述导热元件伸出所述绝热腔体的部分连接；高速摄像机，其镜头朝向所述观测腔体设置，用于拍摄所述观测腔体内池内沸腾传热的图像；温度测量装置，用于监测所述导热元件上的温度分布；以及计算机，分别与所述高速摄像机和所述温度测量装置连接，用于存储所述高速摄像机拍摄的图像，并计算所述导热元件输出的热流密度。

【技术特征摘要】
1.一种高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，包括：高热流密度发热器件，用于产生高热流密度，包括：加热器，用于产生热量；以及导热元件，用于传导热量并增大热流密度；绝热腔体，罩设在所述高热流密度发热器件外侧，用于隔绝所述高热流密度发热器件与外界的热量交换，其上设置有用于导热元件伸出的通孔；观测腔体，设置在所述绝热腔体的上方，与所述绝热腔体密封连接，其内盛放液体工质，用于进行池内沸腾传热；热沉，该热沉放置于所述观测腔体内且没入所述液体工质的液面以下，其正面设置有微纳尺度结构，其背面与所述导热元件伸出所述绝热腔体的部分连接；高速摄像机，其镜头朝向所述观测腔体设置，用于拍摄所述观测腔体内池内沸腾传热的图像；温度测量装置，用于监测所述导热元件上的温度分布；以及计算机，分别与所述高速摄像机和所述温度测量装置连接，用于存储所述高速摄像机拍摄的图像，并计算所述导热元件输出的热流密度。2.根据权利要求1所述的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，所述导热元件沿其轴线方向依次分为：热源连接段，其外表面贴设所述加热器，用于传递所述加热器的热量至传热段；以及传热段，与所述热源连接段连接，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所述的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，其中：所述热源连接段为长方体，所述传热段为直柱体；所述热源连接段的边长介于5mm至100mm之间；所述导热元件的材料为铜、铝、银、不锈钢或铜合金、铝合金；所述传热段的横截面是圆形、长方形或三角形；所述传热段的横截面为圆形时，该圆形的直径介于5mm至100mm之间，所述传热段的横截面为长方形或三角形时，该长方形或三角形的边长介于5mm至100mm之间；所述热源连接段与所述传热段一体设置，或所述热源连接段和所述传热段分体设置并通过螺纹连接。4.根据权利要求2所述的高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，还包括：密封元件，设置于所述观测腔体与所述绝热腔体的连接处，以及所述绝热腔体与所述传热段的连接处，用于避免液体工质泄漏。...

【专利技术属性】
技术研发人员：周文斌，胡学功，毛兰，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11