热沉加热模块及复合相变传热实验设备制造技术

本公开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；本公开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

【技术实现步骤摘要】
热沉加热模块及复合相变传热实验设备
本公开涉及相变传热
，尤其涉及一种热沉加热模块及复合相变传热实验设备。
技术介绍
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，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。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)技术方案根据本公开的一个方面，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。在本公开的一些实施例中，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，所述导热元件的材料包含：铜、铝、银、不锈钢、铜合金或铝合金中的至少一种。在本公开的一些实施例中，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。在本公开的一些实施例中，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。在本公开的一些实施例中，所述高导热界面材料包含：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。根据本公开的另一个方面，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：本公开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。在本公开的一些实施例中，所述储液模块的材料为石英玻璃、硼硅玻璃或钢化玻璃。在本公开的一些实施例中，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。在本公开的一些实施例中，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，包含：硅酸铝陶瓷纤维棉、硅胶、纳米气凝胶棉或石英棉；以及刚性绝热部件，包覆在所述柔性绝热部件外侧，包含：聚四氟乙烯、陶瓷或环氧玻璃纤维。在本公开的一些实施例中，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。在本公开的一些实施例中，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。在本公开的一些实施例中，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，本公开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，本公开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)本公开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为本公开实施例提供的热沉加热模块、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热沉加热模块，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。

【技术特征摘要】
1.一种热沉加热模块，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。2.根据权利要求1所述的热沉加热模块，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。3.根据权利要求2所述的热沉加热模块，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，所述导热元件的材料包含：铜、铝、银、不锈钢、铜合金或铝合金中的至少一种。4.根据权利要求2所述的热沉加热模块，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，所述高导热界面材料包含：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，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：周文斌，胡学功，何雨，
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