專利名稱：一種微型換熱器的性能測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是用于一種微型換熱器的換熱性能測試裝置，是以氣體作為制冷劑使用時 微型換熱器的換熱性能測試方法。
背景技術(shù)：
微型換熱器具有體積小、單位體積換熱面積大、傳熱效率高、結(jié)構(gòu)超緊湊等優(yōu)點， 其特征尺寸100 μ m Imm之間，已廣泛應(yīng)用于微電子、航空航天、醫(yī)療、化學(xué)生物工程，以及 其他一些對換熱設(shè)備的尺寸和重量有特殊要求的場合。早在二十世紀(jì)八十年代，Tuckerman 和Pease等就提出“微型槽道換熱器”的概念，并在芯片背面采用微矩形結(jié)構(gòu)通道，通水冷 卻，較好地解決了熱障瓶頸，隨后很多學(xué)者致力于微型換熱器及其流動與傳熱機理的研究。 發(fā)現(xiàn)微通道中的換熱機理不同于宏觀(指尺寸> 1-2_)通道，其原因主要包括通道壁面粗 糙度的影響、通道界面形狀排列以及通道尺寸之比的影響等。目前對于微通道的傳熱理論 尚不成熟，還沒有統(tǒng)一的分析研究理論模式，包括摩阻分析和傳熱分析。因此通過實驗對微 型換熱器的換熱性能研究變得十分必要。國內(nèi)一些類似的實驗，比如壓力的測量多采用U型管水銀壓差計，或者采用三通 測量水柱的高度來計算壓力；溫度測量采用熱電偶；流量測量采用質(zhì)量稱重法。由于測試 段為微型換熱器，壓力，流量以及溫度值都將在小范圍內(nèi)變化，常規(guī)的測試儀器及測量方法 都將使數(shù)據(jù)誤差過大，這樣的研究將會變得沒有意義。故本發(fā)明將采用精密壓力表、精密流 量計以及溫度采集系統(tǒng)以確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性。本發(fā)明基于以下的測試方法電加熱器作為模擬熱源，通過調(diào)節(jié)加熱器的電壓和 電流值改變加熱功率，可根據(jù)要求模擬不同加熱條件下?lián)Q熱器的換熱性能。換熱器換熱性 能通過氣體的流量及溫度從而得到換熱效率。計算公式如下，η =Q1 = mcpATQ2 = Pt其中論一kg/s,Cp-氣體比熱容KJ/(Kg · κ)，δτ-進出口氣體的溫差(K)P-加熱功率(W)，t"實驗時間(S)通過進出口壓力差以及流量、溫度值可以進一步得到流動特性曲線圖(Re-f)以 及傳熱特性曲線圖(Re-Nu)。
4 n %pLM2AP=“
IMpRe = ~
MjNu = -^1~
M 體積流量，dn 當(dāng)量直徑

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，發(fā)明設(shè)計一種微型換熱器性能測試裝置。該裝 置只要測量的物理參數(shù)有氣體的進出口溫度和壓力，氣體的流量以及微型換熱器的進出 口及上下表面溫度。一種換熱器的性能測試裝置，其特征在于包含實驗工質(zhì)回路和電器控制單元兩 個部分；所述實驗工質(zhì)回路包括進氣管道，減壓閥，單向節(jié)流閥，流量計，壓力表，換熱器 以及溫度檢測系統(tǒng)；所述進氣管道的一端與減壓閥的進口連接，所述減壓閥的出口與單向 節(jié)流閥進口連接，所述單向節(jié)流閥的出口與流量計進口連接，流量計的出口與壓力表相連， 壓力表的另一端與換熱器的進氣口段連接，換熱器的出氣口段直接與大氣相通；所述換熱 器由測試片，進氣口，出氣口以及外殼構(gòu)成，測試片放置在外殼里；換熱器進氣口段和出氣 口段以及換熱器的上下表面安裝溫度傳感器，記錄四個測試點的溫度值；所述電器控制單元包括空氣開關(guān)，常開開關(guān)，常閉開關(guān)，電加熱器，中間繼電器， 調(diào)壓器，電流表，電壓表，溫度顯示儀表，計時器；測試片放置在電加熱器上，電加熱器串聯(lián) 有電流表，并聯(lián)電壓表；電路上設(shè)有空氣開關(guān)，中間繼電器，常開開關(guān)，常閉開關(guān)，溫度顯示 儀表和計時器；空氣開關(guān)作為總開關(guān)，測試片放置在電加熱器上，電加熱器兩端的調(diào)壓器改變電 壓表和電流表值，從而調(diào)節(jié)電加熱器的功率；常開開關(guān)閉合，中間繼電器的一個觸點將調(diào)壓 器接通，并實現(xiàn)中間繼電器的自鎖；中間繼電器的另外一個觸點用于控制調(diào)壓器的工作，常 閉開關(guān)用于電路的停止；溫度傳感器分別安置在換熱器進氣口段和出氣口段以及換熱器的 上下表面以及測試片的上下表面，通過導(dǎo)線連接到溫度顯示儀表上，從而記錄四個測試點 的溫度；控制單元中的計時器用來記錄實驗操作時間。本裝置已經(jīng)用于氮氣及空氣通過微管道換熱器流動及傳熱研究中，通過測試表 明，微型換熱面積的增大，換熱效果得到明顯加強；隨著當(dāng)量直徑的減小，換熱效果加強，與 之前利用仿真軟件所作的模擬結(jié)果相同，說明本測試裝置的合理性。


圖1 測試實驗平臺的工作原理圖1.氣瓶；2.進氣管道；3.減壓閥；4.單向節(jié)流閥；5.精密流量計；6.精密壓力表； 7.進氣口段；8.微型換熱器；9.出氣口段；10.電加熱器；11.調(diào)壓器；12.中間繼電器； 13.溫度顯示儀表；14.計時器。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明包括兩個回路，即實驗工質(zhì)回路和電器控制單元。其實驗原理 如下氮氣(N2)經(jīng)氣源進氣管道2以及減壓閥3和單向節(jié)流閥4進入流量計5，由精密流量 計流出后進入裝有精密壓力表6的進氣口段7，進入微型換熱器8，再由出氣口段9流出后 直接進入大氣。各個部件的功能為精密流量計5能測出進入微型換熱器的氣體體積流量， 精密壓力表能夠測量氣體進入微型換熱器前的壓力水平，被測微型換熱器8的壓力降即為精密壓力表6的表壓示值。電氣控制單元中，K型熱電偶分別安裝在實驗段的進出氣口段， 以及微型換熱器測試片的上下表面，通過導(dǎo)線與溫度顯示儀表相連，記錄溫度數(shù)據(jù)。具有過 載保護的空氣開關(guān)DZ47為電源總開關(guān)，接通綠色指示燈，溫度顯示儀表13及計時器14。調(diào) 壓器上通過的為大電流，而開關(guān)上流經(jīng)的為小電流，為此利用調(diào)壓器的觸點可以保證電器 控制單元的安全性。按下常開開關(guān)SB1，中間繼電器12接通，并實現(xiàn)了自鎖的功能，中間繼 電器的另外一個觸點使得調(diào)壓器11工作，這時電加熱器10開始工作，通過調(diào)壓器11改變 電壓表和電流表值，從而調(diào)節(jié)電加熱器的加熱功率。本發(fā)明中，管路連接以硬管為主，軟管為輔。進氣管道與減壓閥的左端，減壓閥的 右端與單向節(jié)流閥左端，精密壓力表的右端與微型換熱器的進氣口段，微型換熱器的出氣 口段均采用硬度較高軟管連接，減少泄壓；單向節(jié)流閥的右端與精密流量計的左端，精密流 量計的右端與壓力表的左端均采用硬管螺紋連接，便于日后檢查及維修。為了提高實驗操 作的方便性，實驗臺操作界面上安置氣動雙接頭，航空插頭以及插座。氣動雙接頭將氣源進 氣管道與實驗工質(zhì)回路以及換熱器進氣口和換熱器相連接；K型熱電偶則是通過航空插頭 連接到溫度顯示儀表上；電加熱器通過插座與電源相接，安裝簡單，操作方便，避免冗長導(dǎo) 線。本發(fā)明中微型換熱器測試段由測試片，進氣口，出氣口以及外殼構(gòu)成，實驗測試片 放置在外殼里，以保證測試片具有可替換性。外殼及進出氣口均采用鋁制分體式模具通過 熱壓成型，材料選用PP。外殼及進出口采用子母口密封在外殼上加工母口，進出口上加工 子口，在保證密封的同時節(jié)約不少空間。進出口與外殼采用螺紋連接，外殼與加熱器同樣采 用螺紋連接。為確保塑料制件螺紋接連的可靠性，制品上的內(nèi)螺紋直接通過模具成型得到。本發(fā)明中采用溫度采集系統(tǒng)對溫度進行處理，基于VB開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過模 擬數(shù)字轉(zhuǎn)換采集卡(A/D卡)將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，在VB中用文本格式(CSV格式)的 文件對實驗數(shù)據(jù)進行記錄，或畫圖得到實時試驗數(shù)據(jù)。通過VB中的時鐘，可以根據(jù)測試需 要設(shè)定采集頻率。所開發(fā)的系統(tǒng)具有精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點，保證了實驗數(shù)據(jù)的可靠性。設(shè) 備打開后，點擊A/D采集，系統(tǒng)將顯示所采集的溫度。點擊停止及關(guān)閉設(shè)備后則數(shù)據(jù)采集結(jié) 束ο為了更好地實現(xiàn)實驗段的連接和保溫，本發(fā)明還設(shè)計了實驗段外殼以及實驗工質(zhì) 進出口段。外殼及進出口段均采用分體式鋁制模具成型加工方法，將模具用電爐預(yù)熱，在凹 模中加入聚丙烯(PP)材料，粒料在70°c開始變軟，持續(xù)加熱，接近玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度時，將凸 模壓入，用螺栓緊固，將多余的PP料擠出，冷卻之后就可以得到塑料制件。實驗測試片外為 聚丙烯(PP)材料外殼，導(dǎo)熱率為0. 22W/mK，保溫效果良好，測試片置于其內(nèi)，制件壁厚2mm。 實驗進氣出口段設(shè)計為喇叭口狀，以減小氣阻，同時保證進出口氣體溫度測量的可靠性。塑 料制件的設(shè)計主要是為了使得微型換熱器測試片具有可替換性，測試的時候只要改變微型 換熱器測試片，就可以在此基礎(chǔ)上進行不同結(jié)構(gòu)，不同材質(zhì)換熱器性能的研究，使得實驗裝 置具有通用性。各個塑料制件之間件采用子母口密封，方便簡單，密封效果好。本性能測試裝置的操作步驟如下實驗前，調(diào)節(jié)減壓閥使實驗段工質(zhì)發(fā)生變化之 后，工作一段時間，驅(qū)除系統(tǒng)管道內(nèi)的氣體，并調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，必須使系統(tǒng)穩(wěn)定一段時 間，約10-20分鐘。為保證加熱器的壽命，加熱器工作之前，將調(diào)壓器調(diào)節(jié)在阻值最小處，接 通后，慢慢調(diào)節(jié)調(diào)壓器的阻值，從而改變加熱功率。實驗時，加熱與冷卻同時進行，實驗段達到平衡狀態(tài)，保持10-15分鐘溫度不變后，測試結(jié)束。更換實驗段測試片時候，首先將系統(tǒng) 工質(zhì)放空，從外殼里小心取下實驗段，更換完畢后注意密封，并設(shè)定到與之前設(shè)定的實驗條 件相同時開始下一組對比實驗。實驗測試時，實驗段的數(shù)據(jù)都是認為在穩(wěn)定的情況下讀取。 工質(zhì)的壓力及流量在一段時間之內(nèi)，有一定小幅度的波動，實驗時可以進行微調(diào)，使得壓力 流量波動保持在2. 0%以下，實驗段溫度傳感器的壓力信號波動處于0-10V，則認為穩(wěn)定， 數(shù)據(jù)是有效的。 本性能測試裝置的功效為通過測量微型換熱器8中的氣體流量，壓力降，進出氣 口段溫度以及微型換熱器壁面溫度，根據(jù)以上物理量推算出摩擦系數(shù)f、雷諾數(shù)Re、努謝爾 特數(shù)Nu等數(shù)值，并繪制流動特性曲線圖(Re-f)，傳熱特性曲線圖(Re-Nu)，從而獲得已知流 量下微型換熱器8的流動及傳熱特性，改變不同的測試實驗段，可以找到換熱器最佳設(shè)計 參數(shù)。
權(quán)利要求
1. 一種換熱器的性能測試裝置，其特征在于包含實驗工質(zhì)回路和電器控制單元兩個 部分；所述實驗工質(zhì)回路包括進氣管道，減壓閥，單向節(jié)流閥，流量計，壓力表，換熱器以 及溫度檢測系統(tǒng)；所述進氣管道的一端與減壓閥的進口連接，所述減壓閥的出口與單向節(jié) 流閥進口連接，所述單向節(jié)流閥的出口與流量計進口連接，流量計的出口與壓力表相連，壓 力表的另一端與換熱器的進氣口段連接，換熱器的出氣口段直接與大氣相通；所述換熱器 由測試片，進氣口，出氣口以及外殼構(gòu)成，測試片放置在外殼里；換熱器進氣口段和出氣口 段以及換熱器的上下表面安裝溫度傳感器，記錄四個測試點的溫度值；所述電器控制單元包括空氣開關(guān)，常開開關(guān)，常閉開關(guān)，電加熱器，中間繼電器，調(diào)壓 器，電流表，電壓表，溫度顯示儀表，計時器；測試片放置在電加熱器上，電加熱器串聯(lián)有電 流表，并聯(lián)電壓表；電路上設(shè)有空氣開關(guān)，中間繼電器，常開開關(guān)，常閉開關(guān)，溫度顯示儀表 和計時器；空氣開關(guān)作為總開關(guān)，測試片放置在電加熱器上，電加熱器兩端的調(diào)壓器改變電壓表 和電流表值，從而調(diào)節(jié)電加熱器的功率；常開開關(guān)閉合，中間繼電器的一個觸點將調(diào)壓器接 通，并實現(xiàn)中間繼電器的自鎖；中間繼電器的另外一個觸點用于控制調(diào)壓器的工作，常閉開 關(guān)用于電路的停止；溫度傳感器分別安置在換熱器進氣口段和出氣口段以及換熱器的上下 表面以及測試片的上下表面，通過導(dǎo)線連接到溫度顯示儀表上，從而記錄四個測試點的溫 度；控制單元中的計時器用來記錄實驗操作時間。
全文摘要
一種微型換熱器的性能測試裝置屬于換熱器領(lǐng)域。本裝置包含實驗工質(zhì)回路和電器控制單元兩個部分；實驗工質(zhì)回路包括進氣管道，減壓閥，單向節(jié)流閥，流量計，壓力表，換熱器以及溫度檢測系統(tǒng)；進氣管道的一端與減壓閥的進口連接，減壓閥的出口與單向節(jié)流閥進口連接，單向節(jié)流閥的出口與流量計進口連接，流量計的出口與壓力表相連，壓力表的另一端與換熱器的進氣口段連接，換熱器的出氣口段直接與大氣相通；換熱器由測試片，進氣口，出氣口以及外殼構(gòu)成；換熱器進氣口段和出氣口段以及換熱器的上下表面安裝溫度傳感器，記錄四個測試點的溫度值；測試表明，微型換熱面積的增大，換熱效果得到明顯加強；隨著當(dāng)量直徑的減小，換熱效果加強。
文檔編號G01M10/00GK102121910SQ20101059692
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者吳大鳴, 莊儉, 張亞軍, 蔣金云 申請人:北京化工大學(xué)