專利名稱：一種熱管用多孔材料極限熱流密度的測(cè)試裝置及測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱管傳熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及熱管用多孔材料極限熱流密度的測(cè)試裝 置及測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
隨著電子產(chǎn)品向小型化、輕量化和多功能化方向發(fā)展，電子產(chǎn)品的散熱問(wèn)題也越 來(lái)越突出。傳統(tǒng)的散熱方式有金屬散熱片和空氣對(duì)流，但這些方式已逐漸不能滿足電子產(chǎn) 品散熱的要求，亟需一種更強(qiáng)的散熱方式。熱管在工作時(shí)，管內(nèi)工質(zhì)發(fā)生相變，工質(zhì)的相變潛熱經(jīng)由熱管被傳走。通常，熱管 的熱導(dǎo)率是純銅的100 10000倍，并且熱管可以有效的將狹窄空間的熱量帶走。熱管屬 于被動(dòng)傳熱，不需要外界動(dòng)力支持，且工作時(shí)無(wú)噪音。根據(jù)熱管毛細(xì)芯的結(jié)構(gòu)，可以將熱管 分為槽道毛細(xì)芯熱管、燒結(jié)毛細(xì)芯熱管和絲網(wǎng)毛細(xì)芯熱管，不同毛細(xì)結(jié)構(gòu)有不同的特點(diǎn)1、槽道毛細(xì)芯由于具有較大的滲透率，工作液體在流過(guò)時(shí)壓力損失小。特別的是，它的價(jià)格很低廉，簡(jiǎn)單的槽道可以在制備熱管包套或管殼時(shí)制取。然 而，簡(jiǎn)單的槽道結(jié)構(gòu)也有一些缺點(diǎn)由于毛細(xì)半徑大，它產(chǎn)生的毛細(xì)壓力?。划?dāng)熱管處于局 部過(guò)熱、部分燒干的狀態(tài)，粘性限會(huì)突然出現(xiàn)，導(dǎo)致熱管溫度快速上升，熱管燒毀；2、燒結(jié)金屬毛細(xì)芯能產(chǎn)生很大的毛細(xì)壓力，因此它具有很好的傳液能力，金屬粉 末在熱管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生類似于翅片的效果，提高熱管的熱導(dǎo)率。同時(shí)，由于粘性極限的逐步出現(xiàn)，溫度快速增加的現(xiàn)象很少出發(fā)生。然而，由于過(guò)小的滲透率，工作液體在通過(guò)燒結(jié)毛細(xì)芯時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的壓力損 失；3、絲網(wǎng)毛細(xì)芯的毛細(xì)壓力居中，滲透率較小，所以工質(zhì)會(huì)有很大的壓力損失，同時(shí) 它的熱阻也很大，較低的熱量就會(huì)達(dá)到傳熱極限。熱管的傳熱極限主要由熱管毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)決定。為了提高熱管的傳熱極限，需要調(diào) 整毛細(xì)芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)除了 3種基本結(jié)構(gòu)，還有由以上3種基本結(jié)構(gòu)組合而成 的復(fù)合毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)(例如槽道結(jié)構(gòu)和燒結(jié)結(jié)構(gòu)組合)，不同的結(jié)構(gòu)其傳熱能力也不同，同一 種結(jié)構(gòu)孔隙率和孔徑不同也會(huì)引起傳熱能力很大的改變，另一方面，多孔結(jié)構(gòu)材料的沸騰 傳熱過(guò)程很復(fù)雜，目前還無(wú)法用理論來(lái)解釋多孔材料的沸騰過(guò)程。因此，對(duì)于有不同參數(shù)的 熱管毛細(xì)芯，為了比較其傳熱極限，由于無(wú)法通過(guò)理論公式來(lái)預(yù)測(cè)，所以需要將其制成熱管 然后測(cè)試比較。采用本專利的測(cè)試裝置則無(wú)需將毛細(xì)結(jié)構(gòu)制成熱管，只需將毛細(xì)結(jié)構(gòu)與測(cè) 試塊燒結(jié)在一起，然后模仿熱管工作條件進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)試的傳熱極限比較各種毛細(xì)結(jié) 構(gòu)的優(yōu)劣，從而得出最佳的毛細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種熱管用多孔結(jié)構(gòu)材料極限熱流密 度的測(cè)試裝置及測(cè)試方法，使用該裝置可以直接測(cè)量熱管毛細(xì)芯的極限傳熱熱流密度，而不需將毛細(xì)芯制成熱管再測(cè)試。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種熱管用多孔結(jié)構(gòu)材料極限熱流密度測(cè)試裝置，該裝置 包括由絕熱材料、不銹鋼桶、測(cè)試塊、冷凝管、傳熱塊、加熱器和熱電偶組成；其中，所述不銹鋼桶，上端設(shè)置有絕熱玻璃蓋，底部中心位置設(shè)有通孔；所述測(cè)試塊，用于安裝被測(cè)樣品，被測(cè)樣品和所述測(cè)試塊在還原氣氛燒結(jié)成一體， 減少被測(cè)樣品測(cè)試時(shí)的接觸熱阻；所述測(cè)試塊用螺栓和不銹鋼桶連接；所述冷凝管，安裝于所述絕熱玻璃蓋上，用于冷凝不銹鋼桶內(nèi)蒸發(fā)的工質(zhì)，保持桶 內(nèi)工質(zhì)總量不變，同時(shí)冷凝管可以保證桶內(nèi)壓力與外界壓力相同；所述加熱器，分別安裝于所述不銹鋼桶中和所述傳熱塊上，用于加熱桶中工質(zhì)，排 除工質(zhì)內(nèi)不飽和氣體，以及加熱所述傳熱塊；所述熱電偶為至少三個(gè)，分別安裝于所述不銹鋼桶中和所述傳熱塊上，用于采集 傳熱塊的傳熱熱流密度；所述傳熱塊，與所述加熱快固結(jié)，用于引導(dǎo)加熱器的熱流至被測(cè)試樣品；所述用絕熱材料，設(shè)置于所述傳熱塊的外側(cè)，防止加熱器和傳熱塊的熱量散失。進(jìn)一步，所述傳熱塊和所述測(cè)試塊的接觸面涂抹導(dǎo)熱硅脂，用于降低接觸熱阻；進(jìn)一步，所述測(cè)試塊和冷凝管之間設(shè)有擋板，用于防止冷凝管內(nèi)回流的液體滴落 被測(cè)試樣品表面。所述加熱塊為銅塊。所述工質(zhì)為水、乙醇或正戊烷。所述絕熱材料為石棉。本發(fā)明另一目的提供一種熱管用多孔材料極限熱流密度的測(cè)試方法，具體包括以 下步驟步驟1.將待測(cè)試材料與測(cè)試塊于還原氣氛燒結(jié)成一體，備用；步驟2.將步驟1中制得燒結(jié)塊通過(guò)螺栓固定在不銹鋼桶中底部的通孔上，然后通 過(guò)冷凝管向不銹鋼桶內(nèi)加入工質(zhì)，使工質(zhì)液面與毛細(xì)芯表面高度相同，啟動(dòng)加熱器對(duì)不銹 鋼桶內(nèi)的工質(zhì)加熱，使工質(zhì)處于沸騰狀態(tài)，調(diào)節(jié)加熱器的電壓使工質(zhì)的溫度保持不變，恒溫 30分鐘，排除工質(zhì)內(nèi)不飽和氣體；步驟3.啟動(dòng)傳熱塊外側(cè)的加熱器進(jìn)行加熱，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)，記錄數(shù)據(jù)，然后 調(diào)高加熱器的功率，等系統(tǒng)再一次達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)而后記錄數(shù)據(jù)，每次調(diào)高加熱器的功率均相 同(即每次通過(guò)傳熱塊的熱流密度增幅相同)，當(dāng)達(dá)到待測(cè)試材料極限傳熱，停止試驗(yàn)，以 傳熱極限出現(xiàn)前最后記錄的數(shù)據(jù)作為測(cè)試材料的極限傳熱計(jì)算數(shù)據(jù)；步驟4.根據(jù)安裝在所述傳熱塊內(nèi)的熱電偶進(jìn)行線性擬合可以得到傳熱塊內(nèi)的溫 度梯度，從而得到總熱，通過(guò)安裝在絕熱材熱電偶料和測(cè)試塊的熱電偶得到所散失的熱，總 熱量減去通過(guò)絕熱材料和測(cè)試塊所散失的熱量即為通過(guò)測(cè)試材料的熱量。本發(fā)明的有益效果是由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明裝置所測(cè)得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，對(duì) 相同的樣品測(cè)試多次，獲得的數(shù)據(jù)一致性較好。通過(guò)本裝置也可以計(jì)算出多孔材料在不同 熱量輸入下的熱導(dǎo)率。


圖1是本發(fā)明的測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的加熱塊、測(cè)試塊以及多孔材料的組合示意圖。圖3是多孔材料與光板的沸騰曲線，測(cè)試工質(zhì)為水，熱流密度的增幅為300kW/m2。圖4是多孔材料與光板的沸騰曲線，測(cè)試工質(zhì)為水，熱流密度的增幅為200kW/m2。圖5是多孔材料與光板的沸騰曲線，測(cè)試工質(zhì)為正戊烷，熱流密度的增幅為 100kW/m2。圖6是不同厚度絲網(wǎng)材料的沸騰曲線，測(cè)試工質(zhì)為水，熱流密度的增幅為150kW/
2m 。圖中1.絕熱材料7.傳熱塊2.絕熱玻璃蓋8.熱電偶3.擋板9.測(cè)試塊4.加熱器10.螺絲5.冷凝管6.不銹鋼桶
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1、圖2所示為本發(fā)明一種熱管用多孔結(jié)構(gòu)材料極限熱流密度的測(cè)試裝置，該 裝置包括由絕熱材料1、擋板3、加熱器4、冷凝管5、不銹鋼桶6、傳熱塊7、熱電偶8和測(cè)試 塊9組成；不銹鋼桶6上的設(shè)有透明的絕熱玻璃蓋2，冷凝管5通過(guò)絕熱玻璃蓋2上的通孔 進(jìn)入不銹鋼桶6內(nèi)，加熱器4與2個(gè)熱電偶9 (分別T7、T8)安裝在不銹鋼桶6中，測(cè)試塊9 通過(guò)螺絲10固定在不銹鋼桶6內(nèi)側(cè)底部的通孔上，測(cè)試塊9上設(shè)有1個(gè)熱電偶9 (Τ6)，測(cè)試 塊9與冷凝管5之間設(shè)有擋板3，傳熱塊7穿過(guò)通孔與測(cè)試快9固結(jié)，傳熱塊7中間的不同 位置安裝有4個(gè)熱電偶9 (分別是Τ1、Τ2、Τ3、Τ4)，傳熱塊7最外側(cè)用絕熱材料1包裹住，絕 熱材料1中設(shè)置有1個(gè)熱電偶9(Τ5)；然后用密封膠將他們之間的孔隙封住以防漏氣。本發(fā)明的工作工程將60 80目球形銅粉與測(cè)試塊9在還原氣氛燒結(jié)成一體，再將它們經(jīng)過(guò)丙酮、酒精和蒸餾水清洗以去除油脂或其他雜質(zhì)，而后將二者通過(guò)螺絲11安裝于不銹鋼桶6的底部 通孔上；裝置安裝完測(cè)試其極限熱流密度，通過(guò)冷凝管5向不銹鋼桶6加入水，啟動(dòng)加熱器 4對(duì)不銹鋼桶6內(nèi)的水加熱，使水處于沸騰狀態(tài)，調(diào)節(jié)加熱器4的電壓使溫度保持不變，恒溫 30分鐘；啟動(dòng)傳熱塊7外側(cè)的加熱器4進(jìn)行加熱，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)，記錄數(shù)據(jù)，然后調(diào)高 加熱器4的功率，等系統(tǒng)再一次達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)而后記錄數(shù)據(jù)，使每次傳熱塊熱流密度的增幅 為300kW/m2，當(dāng)銅粉達(dá)極限傳熱，停止試驗(yàn)，以傳熱極限出現(xiàn)前最后記錄的數(shù)據(jù)作為測(cè)試材 料的極限傳熱計(jì)算數(shù)據(jù)，到并將它與表面無(wú)多孔材料的光板對(duì)比，結(jié)果如圖3所示，可以看出，多孔材料的CHF是光板的2倍，同時(shí)其熱導(dǎo)率也要比光板高。如圖4所示是本發(fā) 明將-100目球形銅粉與測(cè)試塊在還原氣氛燒結(jié)，采用不同厚度 的毛細(xì)芯，測(cè)試其極限熱流密度，樣品的清洗所用溶液順序?yàn)楸?、酒精和水。測(cè)試工質(zhì)為 水，每次傳熱塊熱流密度的增幅為200kW/m2。將它與表面無(wú)多孔材料的光板對(duì)比，結(jié)果。可 以看出，厚度不同的毛細(xì)芯其極限熱流密度相當(dāng)，但薄的毛細(xì)芯熱導(dǎo)率要比厚的毛細(xì)芯高 很多。如圖5所示是本發(fā)明將60 80目球形銅粉與測(cè)試塊在還原氣氛燒結(jié)成一體，測(cè) 試其極限熱流密度，樣品的清洗所用溶液順序?yàn)楸?、水和正戊烷。測(cè)試工質(zhì)為正戊烷，每 次傳熱塊熱流密度的增幅為100kW/m2。將它與表面無(wú)多孔材料的光板對(duì)比。如圖6所示是本發(fā)明將150目的絲網(wǎng)在還原氣氛和測(cè)試塊燒結(jié)成一體，絲網(wǎng)分別 為1層、2層和3層，樣品的清洗所用溶液順序?yàn)楸?、酒精和水。測(cè)試工質(zhì)為水，每次傳熱 塊熱流密度的增幅為150kW/m2。
權(quán)利要求
一種熱管用多孔結(jié)構(gòu)材料極限熱流密度測(cè)試裝置，其特征在于，該裝置包括由絕熱材料(1)、加熱器(4)、冷凝管(5)不銹鋼桶(6)、測(cè)試塊(7)、熱電偶(8)和傳熱塊(9)組成；其中，所述不銹鋼桶(6)，上端設(shè)置有絕熱玻璃蓋(2)，底部中心位置設(shè)有通孔；所述測(cè)試塊，用于安裝被測(cè)樣品，被測(cè)樣品和所述測(cè)試塊(7)在還原氣氛燒結(jié)成一體，減少被測(cè)樣品測(cè)試時(shí)的接觸熱阻；所述測(cè)試塊(7)通過(guò)螺栓(10)和不銹鋼桶(6)連接；所述冷凝管(5)，安裝于所述絕熱玻璃蓋(2)上，用于冷凝所述不銹鋼桶(6)內(nèi)蒸發(fā)的工質(zhì)，保持桶內(nèi)工質(zhì)總量不變，同時(shí)所述冷凝管(5)可以保證桶內(nèi)壓力與外界壓力相同；所述加熱器(4)，分別安裝于所述不銹鋼桶(6)中和所述傳熱塊(7)上，用于加熱不銹鋼桶(6)中工質(zhì)，排除工質(zhì)內(nèi)不飽和氣體，以及加熱所述傳熱塊(7)；所述熱電偶(8)為至少三個(gè)，分別安裝于所述不銹鋼桶(6)中、所述傳熱塊(7)上和所述測(cè)試塊(9)中，用于采集傳熱塊的傳熱熱流密度；所述傳熱塊(7)，與所述加熱快(7)固結(jié)，用于引導(dǎo)加熱器的熱流至被測(cè)試樣品；所述用絕熱材料(1)，設(shè)置于所述傳熱塊(7)的外側(cè)，用于防止所述加熱器(4)和所述傳熱塊(7)的熱量散失。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述熱管用多孔結(jié)構(gòu)材料極限熱流密度測(cè)試裝置，其特征在于，所 述傳熱塊(7)和所述測(cè)試塊(9)的接觸面涂抹導(dǎo)熱硅脂，用于降低接觸熱阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述熱管用多孔結(jié)構(gòu)材料極限熱流密度測(cè)試裝置，其特征在于，所 述測(cè)試塊(9)和所述冷凝管(5)之間設(shè)有擋板(3)，用于防止冷凝管內(nèi)回流的液體滴落被測(cè) 試樣品表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述熱管用多孔結(jié)構(gòu)材料極限熱流密度測(cè)試裝置，其特征在于，所 述加熱塊(7)為銅塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述熱管用多孔結(jié)構(gòu)材料極限熱流密度測(cè)試裝置，其特征在于，所 述絕熱材料(1)為石棉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述熱管用多孔結(jié)構(gòu)材料極限熱流密度測(cè)試裝置的測(cè)試方法，具體 包括以下步驟步驟1.將待測(cè)試材料與測(cè)試塊于還原氣氛燒結(jié)成一體，備用； 步驟2.將步驟1中制得燒結(jié)塊通過(guò)螺栓固定在不銹鋼桶中底部的通孔上，然后通過(guò) 冷凝管向不銹鋼桶內(nèi)加入工質(zhì)，使工質(zhì)液面與毛細(xì)芯表面高度相同，啟動(dòng)加熱器對(duì)不銹鋼 桶內(nèi)的工質(zhì)加熱，使工質(zhì)處于沸騰狀態(tài)，調(diào)節(jié)加熱器的電壓使工質(zhì)的溫度保持不變，恒溫30 分鐘，排除工質(zhì)內(nèi)不飽和氣體；步驟3.啟動(dòng)傳熱塊外側(cè)的加熱器進(jìn)行加熱，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)，記錄數(shù)據(jù)，然后調(diào)高 加熱器的功率，等系統(tǒng)再一次達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)而后記錄數(shù)據(jù)，每次調(diào)高加熱器的功率均相同，當(dāng) 達(dá)到待測(cè)試材料極限傳熱，停止試驗(yàn)，以傳熱極限出現(xiàn)前最后記錄的數(shù)據(jù)作為測(cè)試材料的 極限傳熱計(jì)算數(shù)據(jù)；步驟4.根據(jù)安裝在所述傳熱塊內(nèi)的熱電偶進(jìn)行線性擬合可以得到傳熱塊內(nèi)的溫度梯 度，從而得到總熱，通過(guò)安裝在絕熱材熱電偶料和測(cè)試塊的熱電偶得到所散失的熱，總熱量 減去通過(guò)絕熱材料和測(cè)試塊所散失的熱量即為通過(guò)測(cè)試材料的熱量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測(cè)試方法，其特征在于，所述工質(zhì)為水、乙醇或正戊烷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱管用多孔材料極限熱流密度的測(cè)試裝置及測(cè)試方法，該測(cè)試裝置包括由絕熱材料、不銹鋼桶、測(cè)試塊、冷凝管、傳熱塊、加熱器和熱電偶組成；該方法通過(guò)增加加熱器的功率，使多孔材料的熱量逐漸增加，多孔材料的沸騰也加劇，直到傳熱極限的出現(xiàn)，通過(guò)各熱電偶記錄的數(shù)據(jù)可以推算出材料的極限熱流密度。本發(fā)明的有益效果是通過(guò)該裝置和該方法可以比較不同的毛細(xì)結(jié)構(gòu)在沸騰時(shí)的熱阻和傳熱能力，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定可靠，可以為熱管的毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供幫助。
文檔編號(hào)G01N25/20GK101871902SQ201010188608
公開(kāi)日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
發(fā)明者何東升, 何新波, 曲選輝, 李平, 胡偉華, 郭俊國(guó), 顏丞銘 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)