[发明专利]一种基于毛细作用力的强化沸腾传热实验装置及实验方法

说明书

本发明属于薄液膜沸腾相变传热技术领域，具体涉及一种基于毛细作用力的强化沸腾传热实验装置及实验方法。包括蛇形冷凝管、数显压力表、辅助加热棒、冷凝盖板、蒸发腔体、蒸发底座、蒸发底座盖板、可分离式加热块和旋转支架。该装置可用于测试不同多孔结构在垂直及不同角度下的沸腾传热，还可测试不同真空度下的沸腾传热，也可测试不同工质的沸腾传热等。该装置设计巧妙，具有高密封性，可抽真空保压测试，并且可用于垂直及多角度实验以及多工质测试等。

技术领域

本发明涉及薄液膜沸腾相变传热技术领域，具体涉及一种基于毛细作用力的强化沸腾传热实验装置及实验方法。

背景技术

从手机到电脑再到服务器，热流密度从每平方厘米几瓦到几百瓦甚至上千瓦不等。如目前主流的刀片式服务器单片CPU的峰值热流密度高达80-200W/cm²，而空气的最大散热能力约为37w/cm²，对此类高集成度、高热流密度、高性能的电子设备，热量集中问题厄待解决。通常对于高热流密度的电子设备均配备相应的散热模组，其包含热管或均温板（VC）、翅片、界面材料、风扇等。其中热管和均温板作为高导热元件，其性能优劣对散热模组的散热能力影响至关重要。热管通常由管壳，吸液芯和工质组成。其中吸液芯通常为铜粉或铜网烧结多孔结构，工质包含水，乙醇等。热管的工作原理为相变传热，具有高的等效导热率，优异的等温性和较强的环境适应性等特点被广泛应用。均温板相当于多根热管并排连接，可实现二维导热，传输热量可显著提升。但是，热管和均热板的传热能力也会受到各种因素的限制，存在传热极限。根据Cotter热管理论，热管存在毛细极限、沸腾极限、携带极限等。其中毛细极限为热管最大传热量的主要限制因素。毛细极限指热管由于吸液芯结构为工作介质循环提供的毛细压力的限制而导致的传热极限，简单而言即为吸液芯毛细作用力带回的液体量小于热源位置的液体蒸发量。

热管的最大传热功率通过测试得出，其包含水平测试和逆重力测试，逆重力测试即为热源在上，冷凝在下，该种测试方法更能真实得出热管的传热能力。热管在逆重力工作时，工质在热源位置相变为蒸汽带走热量，蒸汽因内部压差向冷凝段流动并在冷凝段凝结释放热量变为液体，后在吸液芯毛细作用下回到上方蒸发段。为提升热管性能，通过改善多孔介质内毛细驱动的沸腾性能来提升热管或均热板的临界热流密度已受到研究学者的广泛关注。吸液芯的热性能可以通过临界热通量(CHF)、核沸腾起始点(ONB)和传热系数(HTC)来表征。在CHF测试时，毛细作用力起主要作用，而毛细力与有效毛细半径成反比。然而，孔径的减小会导致渗透率的降低和液体流动阻力的增加，而降低CHF或 HTC。多孔吸液芯结构的较高毛细力和较大渗透率之间的矛盾问题是限制热管传热极限的主要因素。

因此，探究不同多孔结构在垂直及不同角度下以及不同工质的沸腾传热机理，对于强化多孔介质的沸腾换热、提升吸液芯的传热性能，对于解决高功率电子系统的高效热管理问题具有重要意义。然而，该方面研究在换热领域较为缺少。

发明内容

解决的技术问题：针对现有技术中缺少一种研究不同多孔结构在垂直及不同角度下以及不同工质的沸腾传热机理的实验装置，本发明提供一种基于毛细作用力的强化沸腾传热实验装置及实验方法，可以补充不同吸液芯结构在垂直及不同角度、不同真空度、不同工质的沸腾强化传热研究。

技术方案：一种基于毛细作用力的强化沸腾传热实验装置，包括蛇形冷凝管、数显压力表、辅助加热棒、冷凝盖板、蒸发腔体、蒸发底座、蒸发底座盖板、可分离式加热块和旋转支架，

所述蒸发腔体包括前观察窗、右观察窗、左观察窗和腔体本体，所述腔体本体为顶端开口、四周和底端密闭的立方体，右观察窗和左观察窗相对设于腔体本体的两个侧面，前观察窗设于腔体本体的剩余一个侧面，腔体本体的剩余另一个侧面设有蒸发底座安装方形开孔、辅助加热棒安装孔和排水螺纹孔，其中蒸发底座安装方形开孔设于腔体本体的剩余另一个侧面的上部，辅助加热棒安装孔和排水螺纹孔依次设于蒸发底座安装方形开孔底部，辅助加热棒安装孔用于连接辅助加热棒，排水螺纹孔活动密封连接，用于排水；