CN107677698B - 一种液态金属对流换热系数检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种液态金属对流换热系数检测装置，包括：由对流换热器(2)、换热器(3)、蠕动泵(5)和净化器(6)依次连接组成的液态金属循环回路；所述对流换热器(2)相互对立的两面分别与热源(1)和真空腔均热器(14)贴合；所述热源(1)设有温度采集模块(7)和功率计(8)；所述净化器(6)中的净化剂包括液态金属(11)、偏硅酸溶液(12)和植物油(13)；该发明采用蠕动泵(5)来驱动液态金属；所述蠕动泵(5)采用非接触式的驱动方式，有效解决了液态金属对传统泵叶轮的腐蚀问题。
Description
技术领域
本发明涉及热力交换技术，具体涉及一种液态金属对流换热系数检测装置。
背景技术
液态金属是由一种或多种低熔点金属组成的具有独特热物理性质的合金。液态金属不仅能在高性能服务器、台式机、工控机、笔记本电脑以及通讯基站的芯片热管理中获得广泛应用，而且还将在诸多关键领域扮演不可或缺的角色，如：先进能源领域(工业余热利用、太阳能热发电、聚焦光电池冷却、燃料电池等)、航空热控领域(卫星、热防护)、光电器件领域(如投影仪、功率电子设备等)、LED照明领域以及近年来发展迅速的微/纳电子机械系统、生物芯片以及电动汽车等。
液态金属散热技术是近年来热管理领域取得的突破性创新成果。由于液体金属具有远高于水、空气及许多非金属介质的热导率(为水的数十倍，空气的数千倍)，采用液态金属的散热器相对传统水冷可实现更加高效的热量输运及极限散热能力。同时，金属的高电导特性使其可采用无任何运动部件的电磁泵驱动。因此，驱动效率更高，能耗更低，且无噪音。除此之外，液态金属不易蒸发，不易泄漏，安全无毒，物化性质稳定，极易回收，是一种非常安全合适的流动工质，可保证散热系统的高效，长期，稳定运行。
总体而言，液态金属最大的优势在于其对流换热系数远高于传统冷却介质。但是，液态金属的对流换热系数的检测却是一个难点，传统的水冷对流换热系数测试平台并不适用。因为：(1)因为液态金属的对叶轮存在严重的腐蚀问题，传统的涡轮泵不能用于驱动液态金属；(2)液态金属氧化问题。液态金属与空气接触后会形成氧化层会严重影响液态金属的流动特性和传热特性，导致极大的测试误差；(3)对流换热板温度的检测精确度问题，液态金属换热系数高，会导致对流换热板沿流程方向呈现较大的温度不均匀度。因为对流换热板的温度检测为多点测试取平均值的方法，因此对流换热板本身温度不均匀会导致对流换热板温度的检测误差大，严重影响实验测试精度。
为解决上述问题，本发明提出了一种液态金属对流换热系数检测装置；该装置有效解决了液态金属非接触式驱动问题、液态金属氧化问题，以及对流换热板温度测试精确度问题，可以准确高效测试液态金属对流换热系数。
发明内容
因为液态金属对流换热系数远高于传统介质，因此对流换热板内沿液态金属流程的温度不均匀度非常显著。而对流换热器的温度不均匀度会导致多点测试取平均值得到的对流换热板温度数据误差很大，该误差会严重影响到测试计算出的对流换热系数的准确度。为解决此问题，如果只采用真空腔均热板，会因为接触热阻过大导致对流换热器和真空腔均热器换热困难，难以解决对流换热板均热问题，测量误差非常大；若只采用低熔点镓铟锡合金热界面材料，仍然是难以实现优异的对流换热板均热效果。因此，本发明提出了真空腔均热器与低熔点镓铟锡合金热界面材料结合的结构，保证了对流换热板温度均匀度并提高了对流换热系数测试结果的准确度。
本发明提供一种液态金属对流换热系数检测装置，包括：由对流换热器(2)、换热器(3)、蠕动泵(5)和净化器(6)依次连接组成的液态金属循环回路；所述对流换热器(2)相互对立的两面分别与热源(1)和真空腔均热器(14)贴合。
所述热源(1)设有温度采集模块(7)和功率计(8)；所述温度采集模块(7)采集测试装置中的温度数据，所述功率计(8)记录热源(1)输出的发热功率。
所述热源(1)为电加热热源；所述功率计(8)与电源(9)连接，电源(9)为热源(1)提供输入电能。
所述净化器(6)中的净化剂包括液态金属(11)、偏硅酸溶液(12)和植物油(13)，因为密度不同且不相容，植物油(13)、偏硅酸溶液(12)和液态金属(11)可稳定呈现分层状态。
所述偏硅酸溶液(12)可除去液态金属(11)被空气氧化的氧化物；所述偏硅酸溶液(12)的摩尔浓度为0.1mol/L；常规的酸碱类物质都难于解决液态金属氧化问题，因为都会与液态金属中活泼金属发生反应，影响液态金属的传热属性。目前尚未有文献公开安全稳定的液态金属除氧化材料，但实验发现，偏硅酸溶液与液态金属相容性非常好，不与液态金属反应，且能与液态金属氧化物反应生成安全无毒稳定的盐类，可有效解决液态金属氧化问题。
所述植物油(13)可以隔绝液态金属(11)与空气接触，避免液态金属(11)的持续氧化。所述植物油(13)可以隔绝偏硅酸溶液(12)与空气接触，避免偏硅酸溶液(12)的挥发。
所述对流换热器(2)、换热器(3)、蠕动泵(5)、净化器(6)通过液态金属管道(10)连接。
所述热源(1)、对流换热器(2)和真空腔均热器(14)分别为板式；所述对流换热器(2)为一金属平板，其内设有液态金属流道。
所述换热器(3)与散热器(4)贴合；散热器(4)将换热器(3)中的热量散发至环境空气，所述换热器(3)内设有液态金属流道。
所述蠕动泵(5)包括：设有主轴和挤压辊的转动挤压部(51)，设有上盖和底座的限位部(52)，软管(53)和驱动器(54)；所述驱动器(54)设置在所述限位部(52)的底座上，驱动器(54)的输出轴穿过所述底座与转动挤压部(51)的主轴连接；所述主轴上设置有所述挤压辊，所述挤压辊上搭设有所述软管(53)，所述软管(53)通过限位部(52)的底座固定位置，所述限位部(52)的上盖扣设在软管(53)的上方，所述上盖与所述底座接触连接，并通过锁定机构(55)固定；蠕动泵(5)启动时，所述驱动器(54)的输出轴带动所述转动挤压部(51)转动；所述转动挤压部(51)通过挤压辊挤压推动所述软管(53)，实现流体的抽注，从而驱动液态金属在环路中循环流动。采用上述结构，流体通过软管导流，不会接触泵体，因此，不会侵蚀蠕动泵，降低蠕动泵的故障率，减少维修费用，同时也不会污染流体，使流体保持较好的纯度。
所述真空腔均热器(14)内工质为丙酮；所述真空腔均热器(14)与对流换热器(2)的贴合面涂抹有镓铟锡合金层，按质量百分比计，所述镓铟锡合金各组分的量为镓65％，铟23％，锡11％，硫酸亚锡1％。所述镓铟锡合金在常温下呈现液态，粘度远大于已知的镓基低熔点合金，方便涂抹，同时硫酸亚锡的存在使得低熔点镓铟锡合金应用在金属材质真空腔均热器(14)与对流换热器(2)接触面时无电化学腐蚀效应。因为低熔点镓铟锡合金远高于传统导热界面材料，能有效降低真空腔均热板(14)和对流换热器(2)接触界面的接触热阻，使真空腔均热板(14)和对流换热器(2)间热量传输效率更高，因此具有更好的对流换热板均温效果。
所述对流换热器(2)和换热器(3)材质为T2紫铜。
所述液态金属(11)为镓铟锡锌铋铝合金，按质量百分比计，各组分的量分别为镓63％，铟21％，锡10％，锌2％，铋3％，铝1％；所述的镓铟锡锌铋铝合金熔点为负5摄氏度，热容为530J/Kg/K。
所述液态金属(11)中添加质量分数为0.01％的镓酸锌粉末；镓酸锌能够强化低温时液态金属的过冷度，使液态金属在低温时不易结晶，因此可测定更低温度范围内的液态金属对流换热系数。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
(1)本发明通过采用蠕动泵来驱动液态金属，可以实现非接触式的驱动方式，有效解决了液态金属对传统泵叶轮的腐蚀问题；
(2)净化器内设置三层液体结构，既解决了液态金属与空气接触的氧化问题，又可以实时的除去循环系统中液态金属在其它部位和空气接触产生的氧化物。
(3)真空腔均温器与对流换热器间的贴合面涂抹低熔点合金热界面材料解决了对流换热板温度均匀性的问题，保证了实验测试精度。
附图说明
图1为本发明一种液态金属对流换热系数检测装置结构示意图；
图2为本发明蠕动泵5的结构示意图；
附图标记：1：热源；2：对流换热器；3：换热器；4：散热器；5：蠕动泵；6：净化器；7：温度采集模块；8：功率计；9：电源；10：液态金属管道；11：液态金属；12：偏硅酸溶液；13：植物油；14：真空腔均热器；51：转动挤压部；52：限位部；53：软管；54：驱动器；55：锁定机构。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例进一步描述本发明。
实施例1
实施例1展示了本发明的液态金属对流换热系数检测装置的一种典型应用。图1为液态金属对流换热系数检测装置结构示意图。
如图1所示，
本实施例中液态金属对流换热系数检测装置，包括：由对流换热器2、换热器3、蠕动泵5和净化器6依次连接组成的液态金属循环回路；所述对流换热器2相互独立的两面分别与电加热热源1和板式真空腔均热器14贴合；所述热源1设有温度采集模块7和功率计8。所述净化器6中的净化剂包括液态金属11、偏硅酸溶液12和植物油13。
蠕动泵5启动后，驱动液态金属11按净化器6→对流换热器2→换热器3→蠕动泵5→净化器6的顺序经液态金属管道10循环流动。
所述对流换热器2为一金属平板，其内设有液态金属流道。
所述换热器3内设有液态金属流道，述换热器3和散热器4紧密贴合，将换热器3中的热量散发至环境空气。
在净化器6内，液态金属11依次通过植物油13，偏硅酸溶液12净化，最后纯净的液态金属11在底层从出口流出。
实施例2，如图2所示为蠕动泵5的结构示意图；所述蠕动泵5，包括：设有主轴和挤压辊的转动挤压部51，设有上盖和底座的限位部52，软管53和驱动器54；所述驱动器54设置在所述限位部52的底座上，驱动器54的输出轴穿过所述底座与转动挤压部51的主轴连接；所述主轴上设置有所述挤压辊，所述挤压辊上搭设有所述软管53，所述软管53通过限位部52的底座固定位置，所述限位部52的上盖扣设在软管53的上方，所述上盖与所述底座接触连接，并通过锁定机构55固定；蠕动泵5启动时，所述驱动器54的输出轴带动所述转动挤压部51转动；所述转动挤压部51通过挤压辊挤压推动所述软管53，实现流体的抽注，从而驱动液态金属在环路中循环流动。采用上述结构，流体通过软管导流，不会接触泵体，因此，不会侵蚀蠕动泵，降低蠕动泵的故障率，减少维修费用，同时也不会污染流体，使流体保持较好的纯度。
实施例3，所述液态金属11为镓铟锡锌铋铝合金，按质量百分比计，各组分的量分别为镓63％，铟21％，锡10％，锌2％，铋3％，铝1％。通过差式扫描量热仪(德国耐驰：DSC200F3)测试得知，所述的镓铟锡锌铋铝合金熔点为负5摄氏度，低于目前公知的低熔点合金；所述的镓铟锡锌铋铝合金热容为530J/Kg/K，高于目前公知的低熔点合金。所述液态金属11中添加质量分数为0.01％的镓酸锌粉末，镓酸锌能够强化低温时液态金属的过冷度，使液态金属在低温时不易结晶，因此可测得更低温度范围内的液态金属对流换热系数。
所述真空腔均热板14与对流换热器2贴合，使对流换热器2的温度均匀性更优。所述的真空腔均热板14和对流换热器2之间涂抹填充一薄层镓铟锡合金，按质量百分比计，所述镓铟锡合金各组分的量为镓65％，铟23％，锡11％，硫酸亚锡1％。
实施例4，在实验过程中，测试装置中设置三处测温点，分别为对流换热器2进口Tin、对流换热器2出口Tout、对流换热器2底板Tcold plate。实验研究对流换热器2内的对流换热过程，对流换热系数的计算式为：
其中，h为对流换热系数，Q为热源1的发热量，A为对流换热器2内换热面积，Tcold plate为对流换热器2温度，
为液态金属11在对流换热器2内平均温度，可计算为(Tin+Tout)/2。通过式(1)可准确获得液态金属在对流换热板内的对流换热系数。
利用本实施例中装置实际实验表明，常规流动情况下(流速0.1m/s，水力直径6mm)，液态金属对流换热系数为20000W/(m2·℃)，比水高约一个量级，传热能力极其优异。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种液态金属对流换热系数检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：由对流换热器(2)、换热器(3)、蠕动泵(5)和净化器(6)依次连接组成的液态金属循环回路；所述对流换热器(2)相互对立的两面分别与热源(1)和真空腔均热器(14)贴合；所述热源(1)设有温度采集模块(7)和功率计(8)；所述净化器(6)中的净化剂包括液态金属(11)、偏硅酸溶液(12)和植物油(13)。
2.如权利要求1所述的液态金属对流换热系数检测装置，其特征在于，所述对流换热器(2)、换热器(3)、蠕动泵(5)、净化器(6)通过液态金属管道(10)连接。
3.如权利要求1所述的液态金属对流换热系数检测装置，其特征在于，所述热源(1)、对流换热器(2)和真空腔均热器(14)均为板式；所述对流换热器(2)为一金属平板，其内设有液态金属流道。
4.如权利要求1所述的液态金属对流换热系数检测装置，其特征在于，所述换热器(3)与散热器(4)贴合；所述换热器(3)内设有液态金属流道。
5.如权利要求1所述的液态金属对流换热系数检测装置，其特征在于，所述热源(1)为电加热热源；所述功率计(8)与电源(9)连接。
6.如权利要求1所述的液态金属对流换热系数检测装置，其特征在于，所述真空腔均热器(14)内工质为丙酮；所述真空腔均热器(14)与对流换热器(2)的贴合面涂抹有镓铟锡合金层，按质量百分比计，所述镓铟锡合金各组分的量为镓65％，铟23％，锡11％，硫酸亚锡1％。
7.如权利要求1所述的液态金属对流换热系数检测装置，其特征在于，所述对流换热器(2)和换热器(3)材质为T2紫铜。
8.如权利要求1所述的液态金属对流换热系数检测装置，其特征在于，所述液态金属(11)为熔点为负5摄氏度，比热容为530J/kg/K的镓铟锡锌铋铝合金。
9.如权利要求8所述的液态金属对流换热系数检测装置，其特征在于，所述 镓铟锡锌铋铝合金，按质量百分比计，各组分的量分别为镓63％，铟21％，锡10％，锌2％，铋3％，铝1％。
10.如权利要求1所述的液态金属对流换热系数检测装置，其特征在于，所述液态金属(11)中添加质量分数为0.01％的镓酸锌粉末。
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