[发明专利]一种测量微尺度下自然对流换热系数的方法及装置

说明书

本发明公开了一种测量微尺度下自然对流换热系数的方法及装置，在具有导电性能的微尺度导电细丝两端加载通阶跃电流，通过获取导电细丝两端阶跃电流的阶跃时刻对应的电压初始值，并实时记录至电压信号达到新稳态后的电压稳态值，并根据测量微尺度下自然对流换热系数的相关公式即可获取微尺度下自然对流换热系数。本发明所测得的微尺度下自然对流换热系数准确、应用范围广。

技术领域

本发明属于传热技术领域，即一种测量微尺度下自然对流换热系数的方法及装置。

技术背景

自然对流换热系数是评价流体与固体表面之间换热能力的基本参数，在涉及传热的工程领域有广泛的应用背景。

在过去的很多年中，人们对于大尺度自然对流的研究广泛关注，而对在各个领域中有着同样重要作用的微尺度自然对流传热的研究相对较少。而当热表面细小到微尺度甚至纳米尺度时，或者气体分子的平均自由程与热表面的几何尺寸处于同一量级时，热表面与周围流体之间发生热交换的形式可能发生改变。由于热表面的尺度很小，自然对流换热时其表面的热边界层很可能发生改变，故其流动形式与常规尺度下所发生自然对流的形式也将大有不同。最近几年来，随着纳米技术、材料工业、航空信息工业、现代毫微米制造技术、能源工程以及高集成电子器件、微加工技术和微电子机械在工程上的应用，大规模集成电路的精确化热设计和控制面临着挑战。

专利号CN102323293A公开一种纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置，在同一台设备上同时完成纳米流体导热系数的测量以及对流换热系数的测量。该方法从基本物理模型上没有考虑细丝向金属丝支架的导热，仅仅将通电热丝的散热全部归结为热丝与流体间的对流换热，适用于流体与热丝之间对流换热系数较大的情况。而当热丝处于低气压环境时，气体与热丝之间的对流换热系数变小，热丝与电极之间的导热将占据很大的比重。这使得上述方法无法适用于低气压下测量对流换热系数。

采用瞬态热丝法对流体进行热物性测量已经很成熟。如瞬态热丝法对固体、液体、气体的导热系数都是可以测量的，是现在国际导热系数应用领域内公认的最好的测试方法。但该方法无法测量热丝材料与流体之间的对流换热系数。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种在各气压下均能准确地得到微尺度下自然对流换热系数的方法及装置。

为了实现上述目的，本发明所设计的测量微尺度下自然对流换热系数的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)在具有导电性能的微尺度导电细丝两端利用高导电粘结剂使其粘接在金属热沉上，所述微尺度是指直径处于0.1微米到100微米之间；

2)向导电细丝加阶跃电流，并测得阶跃时刻导电细丝两端所对应的电压初始值U0；

3)待电压稳定后测得导电细丝两端的电压为U1；

4)根据下式获取所述微尺度下自然对流换热系数h：

进一步地，将步骤1)中的粘接好的导电细丝及金属热沉置于可调节压力的腔室内。即可用于测量微尺度下不同压力环境的自然对流换热系数。

一种测量微尺度下自然对流换热系数的装置，其特殊之处在于：包括具有导电性能的微尺度导电细丝，所述导电细丝两端利用高导电粘结剂连接在金属热沉上，所述金属热沉两端分别并联有DC直流电源和电压采集卡，所述DC直流电源用于施加阶跃电流以经过导电细丝，所述电压采集卡用于测量施加阶跃电流后，导电细丝两端的初始电压U0以及达到新稳态后的稳态电压值U1。

进一步地，所述导电细丝和金属热沉设置在可调节压力的真空腔内。模拟各种压力环境，从而得到在不同气压下微尺度导电细丝的对流换热系数。