專利名稱：多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程可視化觀測與瞬 態(tài)測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
多相體系微射流相變冷卻是借助高壓氣體或依賴液體本身的壓力通 過微型噴嘴將液體工質(zhì)霧化為微液滴群噴射到熱表面，依靠射流沖擊、強 對流以及液滴相變帶走大量熱量，因而具有冷卻溫度均勻和換熱系數(shù)高的 特點，可以滿足高熱流密度冷卻技術(shù)的需要，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝?強熱流冷卻方式。微射流相變冷卻是一種極為復雜的多相熱流體系統(tǒng)，過程涉及到傳熱 學與多相流體力學等。由于霧化噴射現(xiàn)象的復雜性、多變性、 一定程度上 的隨機性，以及眾多影響因素間的相互耦合，任何一個參數(shù)的改變都會引 起其它參數(shù)的變化等等，使得無論是實驗測量還是理論分析都有很大難 度，結(jié)果存在很大差異，甚至相互矛盾，從而使人們對其微觀機理的認識 還非常有限，對其中的現(xiàn)象還不能給出合理解釋與恰當描述，迫切需要進 行系統(tǒng)深入研究。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測 與測量系統(tǒng)，以對微射流變冷卻及其能質(zhì)傳遞過程進行可視化觀測與瞬態(tài)為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程可視化觀測與測量系統(tǒng)，其包括一模擬加熱器，連接一受熱元件，用以對該受熱元件進行加熱； 一噴霧腔，為一透明箱體，設置于模擬加熱器的上方，上述受熱元件的工作面置于該噴霧腔內(nèi)部；該箱體的一個面板為開關(guān)式，以直接對箱體內(nèi)部進行觀測，并可以對比分析封閉式與半開放式噴霧腔內(nèi)能質(zhì)傳遞現(xiàn)象與過程特性；至少一噴嘴，其噴口置于噴霧腔內(nèi)，與受熱元件的工作面相對設置； 至少一溫度測量傳感器，置于噴霧腔內(nèi)部，用以測量噴霧腔內(nèi)部的工 作溫度；至少一壓力測量傳感器，置于噴霧腔內(nèi)部，用以測量噴霧腔內(nèi)部的工 作壓力；一帶有顯微放大鏡的高速攝像系統(tǒng)，置于噴霧腔外部，用以觀察和拍 攝噴霧腔內(nèi)部的工作狀況；一液池，盛放冷卻工質(zhì)，該液池通過一高壓泵與噴嘴相連接； 由上述結(jié)構(gòu)，高壓泵將冷卻工質(zhì)送經(jīng)噴嘴噴射至受熱元件工作面上， 由溫度測量傳感器測量微射流相變冷卻過程中熱表面溫度分布、噴霧腔內(nèi) 及其進出口局部溫度變化規(guī)律，由壓力測量傳感器測量噴霧腔內(nèi)及其進口局部壓力的變化規(guī)律，同時由高倍數(shù)顯微放大攝影系統(tǒng)觀測與拍攝微射流 相變冷卻過程中能質(zhì)傳遞現(xiàn)象與過程特性。所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測量系統(tǒng)，其中，模 擬加熱器為電加熱器。所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測量系統(tǒng)，其中，噴 霧腔的箱體為玻璃制成。所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測量系統(tǒng)，其中，噴嘴的噴口距受熱元件上表面的距離為5-30mm可調(diào)節(jié)；噴嘴的噴射角度在 45度內(nèi)可調(diào)節(jié)。所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測量系統(tǒng)，其中，噴 霧腔通過一冷卻器連接一液池。所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測量系統(tǒng)，其中，高 壓泵與噴嘴之間連接有對冷卻工質(zhì)進行預熱的預熱器。所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測量系統(tǒng)，其中，噴 嘴與預熱器之間連接有調(diào)節(jié)閥、冷卻工質(zhì)流量監(jiān)控器以及過濾器。所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測量系統(tǒng)，其中，顯 微放大高速攝像系統(tǒng)連接至計算機。所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測量系統(tǒng)，其中，噴 霧腔的外部設有照明光源，在攝像時用于提供照明。所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測量系統(tǒng)，其中，噴 嘴上設有高度調(diào)節(jié)螺母，以調(diào)節(jié)噴嘴與受熱元件工作面間的距離。本發(fā)明提供的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測量系統(tǒng)，適用于大功率密度電子元器件熱管理的高效微射流相變冷卻過程中能質(zhì)傳 遞可視化觀測與瞬態(tài)測量。


圖1為本發(fā)明微射流相變能質(zhì)傳遞過程可視化觀測與瞬態(tài)測量系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明系統(tǒng)中平均傳熱系數(shù)隨單噴嘴流量變化示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有一模擬加熱器1以及受該模擬加熱器1加熱的受熱元件2。該受熱元件2的工作面置于一耐高溫高透明度材料(如玻璃)制成的可視化的噴霧腔3的內(nèi)部，噴霧腔的箱體的一個面板為開關(guān)式，以便對噴霧腔內(nèi)部的微射流相變能質(zhì)傳遞過程進行可視 化觀測，也可以打開該開關(guān)式面板用顯微放大高速攝像系統(tǒng)直接對內(nèi)部的 微射流相變能質(zhì)傳遞過程進行更為詳細的可視化觀測與拍攝，并可以對比分析封閉式與半開放式噴霧腔內(nèi)能質(zhì)傳遞現(xiàn)象與過程特性。該噴霧腔3內(nèi) 部的上方安裝有噴嘴4，該噴嘴4的噴口朝向受熱元件2的工作面，以將 冷卻工質(zhì)噴向該工作面上，噴嘴的噴射角度在45度范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)。該噴 口距離受熱元件2的工作面保持在5-30mm范圍內(nèi)，噴嘴4上設有高度可 調(diào)螺母IO，以用于調(diào)節(jié)噴嘴4與受熱元件2工作面之間的距離。為了觀察 和測量其傳遞過程的變化，在噴霧腔3內(nèi)部安裝有溫度測量傳感器14和 壓力測量傳感器15，其具體數(shù)量和在噴霧腔內(nèi)的位置可視具體要求設置多個。溫度傳感器14和壓力傳感器15分別與記錄儀連接，組成溫度測量系 統(tǒng)和壓力測量系統(tǒng)(此為公知技術(shù)，不作詳細描述)。溫度測量系統(tǒng)14用于測量分析熱表面、噴霧腔內(nèi)及其進、出口局部溫度；壓力測量系統(tǒng)15 用于測量噴嘴入口與噴霧腔內(nèi)的壓力。本發(fā)明的噴霧腔3的外部安裝有顯 微放大高速攝像系統(tǒng)和照明光源，該攝像系統(tǒng)由顯微放大鏡、高速攝像機 及與其連接的計算機組成，以從噴霧腔3外部進行^^^W視化觀測和拍 攝。上述內(nèi)容中，模擬加熱器1為電加熱，功率為100 2000W可調(diào)，功 率是用調(diào)壓器9進行調(diào)整的。受熱元件2為長20mm、寬10mm的矩形銅 表面，通過調(diào)節(jié)加熱器的功率可使受熱元件2的表面熱流密度在 50 1000W/cn^可調(diào)；單個噴嘴的噴射角度在45。范圍內(nèi)可任意調(diào)節(jié)。本發(fā)明的系統(tǒng)中，有一盛放冷卻工質(zhì)的液池7，該液池7通過一高壓 泵5與噴嘴4相連接，以將液池7內(nèi)的冷卻工質(zhì)由高壓泵5輸送至噴霧腔 3內(nèi)部的噴嘴4，并經(jīng)噴嘴4噴至受熱元件2的工作面上，以形成供排液 系統(tǒng)。該高壓泵5最高壓力為16公斤，流量最高可達80升/小時。冷卻工質(zhì)進入噴嘴4之前，還可以經(jīng)過預熱器6對冷卻工質(zhì)進行預熱， 以系統(tǒng)研究冷卻工質(zhì)溫度對冷卻效果的影響。冷卻器8連接噴霧腔3，用于冷卻從噴霧腔3出來的冷卻工質(zhì)，并再 進入液池7進行循環(huán)。在冷卻工質(zhì)流動的通道中，安裝有調(diào)節(jié)閥11，用于調(diào)節(jié)冷卻工質(zhì)的流 量，并通過流量測量系統(tǒng)16測量冷卻工質(zhì)的流量。為過濾冷卻工質(zhì)中的雜質(zhì)，噴嘴4上安裝有過濾器12本發(fā)明的系統(tǒng)在測量過程中，先使高壓泵與噴嘴及供排液系統(tǒng)開始正 常運行；然后接通模擬加熱器電源，使加熱系統(tǒng)開始加熱；采用快速瞬態(tài)溫度測量系統(tǒng)，實時測量與記錄微射流相變冷卻過程中熱表面溫度分布、 噴霧腔內(nèi)及其進出口局部溫度變化規(guī)律，采用壓力測量系統(tǒng)測量噴霧腔內(nèi) 及其進口局部壓力的變化規(guī)律，并采用流量測量系統(tǒng)測量冷卻工質(zhì)的流量；同時采用高倍數(shù)顯微放大攝影系統(tǒng)詳細觀測與拍攝微射流相變冷卻過 程中能質(zhì)傳遞現(xiàn)象與過程特性。在測量過程中，分別改變霧化介質(zhì)種類(純凈水、低沸點有機工質(zhì)) 及其進口溫度與壓力、體積流量、噴射霧滴直徑、噴射角度、噴嘴與熱表 面間距離及加熱面熱流密度等參數(shù)，系統(tǒng)研究各種因素對霧化噴射冷卻傳 熱過程特性與冷卻效果的影響規(guī)律。請參閱圖2，按照上述方法，圖2為加熱功率為145W時測試得到的 平均傳熱系數(shù)隨單個噴嘴流量的變化。由圖2可以看出，微射流相變冷卻 的換熱系數(shù)很高，且換熱系數(shù)隨流量的增大而增大。
權(quán)利要求
1、一種多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程可視化觀測與測量系統(tǒng)，其包括一模擬加熱器，連接一受熱元件，用以對該受熱元件進行加熱；一噴霧腔，為一透明箱體，設置于模擬加熱器的上方，上述受熱元件的工作面置于該噴霧腔內(nèi)部；該箱體的一個面板為開關(guān)式，以直接對箱體內(nèi)部進行觀測，并可以對比分析封閉式與半開放式噴霧腔內(nèi)能質(zhì)傳遞現(xiàn)象與過程特性；至少一噴嘴，其噴口置于噴霧腔內(nèi)，與受熱元件的工作面相對設置；至少一溫度測量傳感器，置于噴霧腔內(nèi)部，用以測量噴霧腔內(nèi)部的工作溫度；至少一壓力測量傳感器，置于噴霧腔內(nèi)部，用以測量噴霧腔內(nèi)部的工作壓力；一帶有顯微放大鏡的高速攝像系統(tǒng)，置于噴霧腔外部，用以觀察和拍攝噴霧腔內(nèi)部的工作狀況；一液池，盛放冷卻工質(zhì)，該液池通過一高壓泵與噴嘴相連接；由上述結(jié)構(gòu)，高壓泵將冷卻工質(zhì)送經(jīng)噴嘴噴射至受熱元件工作面上，由溫度測量傳感器測量微射流相變冷卻過程中熱表面溫度分布、噴霧腔內(nèi)及其進出口局部溫度變化規(guī)律，由壓力測量傳感器測量噴霧腔內(nèi)及其進口局部壓力的變化規(guī)律，同時由高倍數(shù)顯微放大攝影系統(tǒng)觀測與拍攝微射流相變冷卻過程中能質(zhì)傳遞現(xiàn)象與過程特性。
2、 如權(quán)利要求1所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測 量系統(tǒng)，其中，模擬加熱器為電加熱器。
3、 如權(quán)利要求1所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測 量系統(tǒng)，其中，噴霧腔的箱體為玻璃制成。
4、 如權(quán)利要求1所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測 量系統(tǒng)，其中，噴嘴的噴口距受熱元件上表面的距離為5-30mm可調(diào)節(jié)； 噴嘴的噴射角度在45度內(nèi)可調(diào)節(jié)。
5、 如權(quán)利要求1所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測 量系統(tǒng)，其中，噴霧腔通過一冷卻器連接一液池。
6、 如權(quán)利要求1所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測 量系統(tǒng)，其中，高壓泵與噴嘴之間連接有對冷卻工質(zhì)進行預熱的預熱器。
7、 如權(quán)利要求6所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測 量系統(tǒng)，其中，噴嘴與預熱器之間連接有調(diào)節(jié)閥、冷卻工質(zhì)流量監(jiān)控器以 及過濾器。
8、 如權(quán)利要求6所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測 量系統(tǒng)，其中，顯微放大高速攝像系統(tǒng)連接至計算機。
9、 如權(quán)利要求1所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測與測 量系統(tǒng)，其中，噴霧腔的外部設有照明光源，在攝像時用于提供照明。
10、 如權(quán)利要求1或4所述的多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程觀測 與測量系統(tǒng)，其中，噴嘴上設有高度調(diào)節(jié)螺母，以調(diào)節(jié)噴嘴與受熱元件工 作面間的距離。
全文摘要
一種多相體系微射流相變能質(zhì)傳遞過程可視化觀測與測量系統(tǒng)，包括模擬加熱器，連接一受熱元件，對該受熱元件進行加熱；噴霧腔，為一透明箱體，設置于模擬加熱器的上方，上述受熱元件的工作面置于該噴霧腔內(nèi)部；噴嘴的噴口置于噴霧腔內(nèi)，與受熱元件的工作面相對設置；溫度測量傳感器置于噴霧腔內(nèi)部，測量噴霧腔內(nèi)部的工作溫度；壓力測量傳感器置于噴霧腔內(nèi)部，測量噴霧腔內(nèi)部的工作壓力；帶有顯微放大鏡的高速攝像系統(tǒng)置于噴霧腔外部，觀察和拍攝噴霧腔內(nèi)部的工作狀況；液池用于盛放冷卻工質(zhì)，該液池通過一高壓泵與噴嘴相連接。本發(fā)明適用于大功率密度電子元器件熱管理的高效微射流相變冷卻過程中能質(zhì)傳遞可視化觀測與瞬態(tài)測量。
文檔編號G01N21/84GK101324533SQ20071011887
公開日2008年12月17日 申請日期2007年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月13日
發(fā)明者淮秀蘭, 磊 王, 軍 蔡, 陶毓伽 申請人:中國科學院工程熱物理研究所