專利名稱：一種熱管用多孔材料極限熱流密度的測試裝置及測試方法
技術領域：
本發明屬于熱管傳熱技術領域，具體涉及熱管用多孔材料極限熱流密度的測試裝 置及測試方法。
背景技術：
隨著電子產品向小型化、輕量化和多功能化方向發展，電子產品的散熱問題也越 來越突出。傳統的散熱方式有金屬散熱片和空氣對流，但這些方式已逐漸不能滿足電子產 品散熱的要求，亟需一種更強的散熱方式。熱管在工作時，管內工質發生相變，工質的相變潛熱經由熱管被傳走。通常，熱管 的熱導率是純銅的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 于被動傳熱，不需要外界動力支持，且工作時無噪音。根據熱管毛細芯的結構，可以將熱管 分為槽道毛細芯熱管、燒結毛細芯熱管和絲網毛細芯熱管，不同毛細結構有不同的特點1、槽道毛細芯由于具有較大的滲透率，工作液體在流過時壓力損失小。特別的是，它的價格很低廉，簡單的槽道可以在制備熱管包套或管殼時制取。然 而，簡單的槽道結構也有一些缺點由于毛細半徑大，它產生的毛細壓力小；當熱管處于局 部過熱、部分燒干的狀態，粘性限會突然出現，導致熱管溫度快速上升，熱管燒毀；2、燒結金屬毛細芯能產生很大的毛細壓力，因此它具有很好的傳液能力，金屬粉 末在熱管內會產生類似于翅片的效果，提高熱管的熱導率。同時，由于粘性極限的逐步出現，溫度快速增加的現象很少出發生。然而，由于過小的滲透率，工作液體在通過燒結毛細芯時會產生很大的壓力損 失；3、絲網毛細芯的毛細壓力居中，滲透率較小，所以工質會有很大的壓力損失，同時 它的熱阻也很大，較低的熱量就會達到傳熱極限。熱管的傳熱極限主要由熱管毛細芯結構決定。為了提高熱管的傳熱極限，需要調 整毛細芯的結構設計。毛細芯結構除了 3種基本結構，還有由以上3種基本結構組合而成 的復合毛細芯結構(例如槽道結構和燒結結構組合)，不同的結構其傳熱能力也不同，同一 種結構孔隙率和孔徑不同也會引起傳熱能力很大的改變，另一方面，多孔結構材料的沸騰 傳熱過程很復雜，目前還無法用理論來解釋多孔材料的沸騰過程。因此，對于有不同參數的 熱管毛細芯，為了比較其傳熱極限，由于無法通過理論公式來預測，所以需要將其制成熱管 然后測試比較。采用本專利的測試裝置則無需將毛細結構制成熱管，只需將毛細結構與測 試塊燒結在一起，然后模仿熱管工作條件進行測試，通過測試的傳熱極限比較各種毛細結 構的優劣，從而得出最佳的毛細結構設計。
發明內容
為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種熱管用多孔結構材料極限熱流密 度的測試裝置及測試方法，使用該裝置可以直接測量熱管毛細芯的極限傳熱熱流密度，而不需將毛細芯制成熱管再測試。本發明的技術方案是一種熱管用多孔結構材料極限熱流密度測試裝置，該裝置 包括由絕熱材料、不銹鋼桶、測試塊、冷凝管、傳熱塊、加熱器和熱電偶組成；其中，所述不銹鋼桶，上端設置有絕熱玻璃蓋，底部中心位置設有通孔；所述測試塊，用于安裝被測樣品，被測樣品和所述測試塊在還原氣氛燒結成一體， 減少被測樣品測試時的接觸熱阻；所述測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蒸發的工質，保持桶 內工質總量不變，同時冷凝管可以保證桶內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，排 除工質內不飽和氣體，以及加熱所述傳熱塊；所述熱電偶為至少三個，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，用于引導加熱器的熱流至被測試樣品；所述用絕熱材料，設置于所述傳熱塊的外側，防止加熱器和傳熱塊的熱量散失。進一步，所述傳熱塊和所述測試塊的接觸面涂抹導熱硅脂，用于降低接觸熱阻；進一步，所述測試塊和冷凝管之間設有擋板，用于防止冷凝管內回流的液體滴落 被測試樣品表面。所述加熱塊為銅塊。所述工質為水、乙醇或正戊烷。所述絕熱材料為石棉。本發明另一目的提供一種熱管用多孔材料極限熱流密度的測試方法，具體包括以 下步驟步驟1.將待測試材料與測試塊于還原氣氛燒結成一體，備用；步驟2.將步驟1中制得燒結塊通過螺栓固定在不銹鋼桶中底部的通孔上，然后通 過冷凝管向不銹鋼桶內加入工質，使工質液面與毛細芯表面高度相同，啟動加熱器對不銹 鋼桶內的工質加熱，使工質處于沸騰狀態，調節加熱器的電壓使工質的溫度保持不變，恒溫 30分鐘，排除工質內不飽和氣體；步驟3.啟動傳熱塊外側的加熱器進行加熱，當系統達到準靜態，記錄數據，然后 調高加熱器的功率，等系統再一次達到準靜態而后記錄數據，每次調高加熱器的功率均相 同(即每次通過傳熱塊的熱流密度增幅相同)，當達到待測試材料極限傳熱，停止試驗，以 傳熱極限出現前最后記錄的數據作為測試材料的極限傳熱計算數據；步驟4.根據安裝在所述傳熱塊內的熱電偶進行線性擬合可以得到傳熱塊內的溫 度梯度，從而得到總熱，通過安裝在絕熱材熱電偶料和測試塊的熱電偶得到所散失的熱，總 熱量減去通過絕熱材料和測試塊所散失的熱量即為通過測試材料的熱量。本發明的有益效果是由于采用上述技術方案，本發明裝置所測得的數據穩定，對 相同的樣品測試多次，獲得的數據一致性較好。通過本裝置也可以計算出多孔材料在不同 熱量輸入下的熱導率。
圖1是本發明的測試裝置結構示意圖。圖2是本發明的加熱塊、測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，測試工質為水，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，測試工質為水，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，測試工質為正戊烷，熱流密度的增幅為 100kW/m2。圖6是不同厚度絲網材料的沸騰曲線，測試工質為水，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.測試塊4.加熱器10.螺絲5.冷凝管6.不銹鋼桶
具體實施例方式下面根據實施例對本發明進一步詳細說明。如圖1、圖2所示為本發明一種熱管用多孔結構材料極限熱流密度的測試裝置，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和測試 塊9組成；不銹鋼桶6上的設有透明的絕熱玻璃蓋2，冷凝管5通過絕熱玻璃蓋2上的通孔 進入不銹鋼桶6內，加熱器4與2個熱電偶9 (分別T7、T8)安裝在不銹鋼桶6中，測試塊9 通過螺絲10固定在不銹鋼桶6內側底部的通孔上，測試塊9上設有1個熱電偶9 (Τ6)，測試 塊9與冷凝管5之間設有擋板3，傳熱塊7穿過通孔與測試快9固結，傳熱塊7中間的不同 位置安裝有4個熱電偶9 (分別是Τ1、Τ2、Τ3、Τ4)，傳熱塊7最外側用絕熱材料1包裹住，絕 熱材料1中設置有1個熱電偶9(Τ5)；然后用密封膠將他們之間的孔隙封住以防漏氣。本發明的工作工程將60 80目球形銅粉與測試塊9在還原氣氛燒結成一體，再將它們經過丙酮、酒精和蒸餾水清洗以去除油脂或其他雜質，而后將二者通過螺絲11安裝于不銹鋼桶6的底部 通孔上；裝置安裝完測試其極限熱流密度，通過冷凝管5向不銹鋼桶6加入水，啟動加熱器 4對不銹鋼桶6內的水加熱，使水處于沸騰狀態，調節加熱器4的電壓使溫度保持不變，恒溫 30分鐘；啟動傳熱塊7外側的加熱器4進行加熱，當系統達到準靜態，記錄數據，然后調高 加熱器4的功率，等系統再一次達到準靜態而后記錄數據，使每次傳熱塊熱流密度的增幅 為300kW/m2，當銅粉達極限傳熱，停止試驗，以傳熱極限出現前最后記錄的數據作為測試材 料的極限傳熱計算數據，到并將它與表面無多孔材料的光板對比，結果如圖3所示，可以看出，多孔材料的CHF是光板的2倍，同時其熱導率也要比光板高。如圖4所示是本發 明將-100目球形銅粉與測試塊在還原氣氛燒結，采用不同厚度 的毛細芯，測試其極限熱流密度，樣品的清洗所用溶液順序為丙酮、酒精和水。測試工質為 水，每次傳熱塊熱流密度的增幅為200kW/m2。將它與表面無多孔材料的光板對比，結果。可 以看出，厚度不同的毛細芯其極限熱流密度相當，但薄的毛細芯熱導率要比厚的毛細芯高 很多。如圖5所示是本發明將60 80目球形銅粉與測試塊在還原氣氛燒結成一體，測 試其極限熱流密度，樣品的清洗所用溶液順序為丙酮、水和正戊烷。測試工質為正戊烷，每 次傳熱塊熱流密度的增幅為100kW/m2。將它與表面無多孔材料的光板對比。如圖6所示是本發明將150目的絲網在還原氣氛和測試塊燒結成一體，絲網分別 為1層、2層和3層，樣品的清洗所用溶液順序為丙酮、酒精和水。測試工質為水，每次傳熱 塊熱流密度的增幅為150kW/m2。
權利要求
一種熱管用多孔結構材料極限熱流密度測試裝置，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)，上端設置有絕熱玻璃蓋(2)，底部中心位置設有通孔；所述測試塊，用于安裝被測樣品，被測樣品和所述測試塊(7)在還原氣氛燒結成一體，減少被測樣品測試時的接觸熱阻；所述測試塊(7)通過螺栓(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)內蒸發的工質，保持桶內工質總量不變，同時所述冷凝管(5)可以保證桶內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，排除工質內不飽和氣體，以及加熱所述傳熱塊(7)；所述熱電偶(8)為至少三個，分別安裝于所述不銹鋼桶(6)中、所述傳熱塊(7)上和所述測試塊(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，用于引導加熱器的熱流至被測試樣品；所述用絕熱材料(1)，設置于所述傳熱塊(7)的外側，用于防止所述加熱器(4)和所述傳熱塊(7)的熱量散失。
2.根據權利要求1所述熱管用多孔結構材料極限熱流密度測試裝置，其特征在于，所 述傳熱塊(7)和所述測試塊(9)的接觸面涂抹導熱硅脂，用于降低接觸熱阻。
3.根據權利要求1所述熱管用多孔結構材料極限熱流密度測試裝置，其特征在于，所 述測試塊(9)和所述冷凝管(5)之間設有擋板(3)，用于防止冷凝管內回流的液體滴落被測 試樣品表面。
4.根據權利要求1所述熱管用多孔結構材料極限熱流密度測試裝置，其特征在于，所 述加熱塊(7)為銅塊。
5.根據權利要求1所述熱管用多孔結構材料極限熱流密度測試裝置，其特征在于，所 述絕熱材料(1)為石棉。
6.根據權利要求1所述熱管用多孔結構材料極限熱流密度測試裝置的測試方法，具體 包括以下步驟步驟1.將待測試材料與測試塊于還原氣氛燒結成一體，備用； 步驟2.將步驟1中制得燒結塊通過螺栓固定在不銹鋼桶中底部的通孔上，然后通過 冷凝管向不銹鋼桶內加入工質，使工質液面與毛細芯表面高度相同，啟動加熱器對不銹鋼 桶內的工質加熱，使工質處于沸騰狀態，調節加熱器的電壓使工質的溫度保持不變，恒溫30 分鐘，排除工質內不飽和氣體；步驟3.啟動傳熱塊外側的加熱器進行加熱，當系統達到準靜態，記錄數據，然后調高 加熱器的功率，等系統再一次達到準靜態而后記錄數據，每次調高加熱器的功率均相同，當 達到待測試材料極限傳熱，停止試驗，以傳熱極限出現前最后記錄的數據作為測試材料的 極限傳熱計算數據；步驟4.根據安裝在所述傳熱塊內的熱電偶進行線性擬合可以得到傳熱塊內的溫度梯 度，從而得到總熱，通過安裝在絕熱材熱電偶料和測試塊的熱電偶得到所散失的熱，總熱量 減去通過絕熱材料和測試塊所散失的熱量即為通過測試材料的熱量。
7.根據權利要求6所述的測試方法，其特征在于，所述工質為水、乙醇或正戊烷。
全文摘要
本發明涉及一種熱管用多孔材料極限熱流密度的測試裝置及測試方法，該測試裝置包括由絕熱材料、不銹鋼桶、測試塊、冷凝管、傳熱塊、加熱器和熱電偶組成；該方法通過增加加熱器的功率，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，通過各熱電偶記錄的數據可以推算出材料的極限熱流密度。本發明的有益效果是通過該裝置和該方法可以比較不同的毛細結構在沸騰時的熱阻和傳熱能力，測試結果穩定可靠，可以為熱管的毛細芯結構設計提供幫助。
文檔編號G01N25/20GK101871902SQ201010188608
公開日2010年10月27日 申請日期2010年5月24日 優先權日2010年5月24日
發明者何東升, 何新波, 曲選輝, 李平, 胡偉華, 郭俊國, 顏丞銘 申請人:北京科技大學