轴向旋转振荡热管试验装置及其使用方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010054352.0 (22)申请日 2020.01.17 (71)申请人 南京航空航天大学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 傅玉灿钱宁游国庆徐九华 姜帆李万杰 (74)专利代理机构 南京钟山专利代理有限公司 32252 代理人 张明浩 (51)Int.Cl. G01N 25/20(2006.01) G01N 21/84(2006.01) (54)发明名称 一种轴向旋转振荡热管试验装置及其使用 方法 (57)摘要 本发明涉及一种轴向旋。

2、转振荡热管试验装 置及其使用方法， 轴向旋转振荡热管试验装置将 轴向旋转振荡热管安装在可以调速的旋转机构 上即可在不同旋转速度下， 利用热电偶对所述振 荡热管蒸发段， 冷凝段和绝热段温度进行测量和 采集， 同时可对所述振荡热管内部气液两相流动 进行拍摄和记录， 来研究所述振荡热管在所述转 速下的传热性能和启动性能， 并借助所述气液两 相流动状态揭示转速对所述轴向旋转振荡传热 机制和启动机理的影响规律。 此外所述轴线旋转 振荡热管可采用透明材质板式或者透明材质管 式振荡热管， 且内部流道的水力直径和界面形状 可变， 以研究不同几何特征下旋转振荡热管的传 热性能等。 本发明还具备操作简便， 节约资。

3、源， 成 本低的优点。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 111060557 A 2020.04.24 CN 111060557 A 1.一种轴向旋转振荡热管试验装置， 其特征是： 包括旋转装置本体(1)、 旋转架(2)、 高 速摄影装置(3)、 加热装置(4)以及数据采集装置(5)， 所述的旋转装置本体(1)上安装有电 机及传动调速装置(11)， 所述的电机及传动调速装置(11)的电机轴与旋转架(2)传动连接， 能带动旋转架(2)按预定速度转动， 所述的旋转架(2)包括振荡热管固定端(21)和摄影装置 固定端(22)， 振荡热管(6)固定在振荡热管固定端(21)上， 高速摄影装置(。

4、3)固定在摄影装 置固定端(22)上， 旋转架(2)转动时， 能使振荡热管(6)绕电机轴所在直线为轴心偏心转动， 所述的振荡热管(6)由透明材料制作， 高速摄影装置(3)的摄像头正对着振荡热管(6)， 能拍 摄到振荡热管(6)内部工质运动的流形和运动状态， 所述的加热装置(4)包括电源(41)和电 阻丝(42)， 所述的电源(41)与电阻丝(42)连接， 电源(41)能控制电阻丝(42)的加热功率， 所 述的电阻丝(42)与振荡热管(6)的蒸发段接触配合， 用于对振荡热管(6)的蒸发段加热， 所 述的数据采集装置(5)包括信息采集和处理器(51)以及热电偶(52)， 所述的信息采集和处 理器(。

5、51)与热电偶(52)连接， 热电偶(52)连接在振荡热管(6)的蒸发段、 绝热段和冷凝段， 并以一定采样频率测量和采集振荡热管(6)蒸发段、 绝热段和冷凝段温度， 将温度信号传递 至信息采集和处理器(51)， 所述的高速摄影装置(3)能与信息采集和处理器(51)连接， 将采 集的视频信号传输至信息采集和处理器(51)。 2.根据权利要求1所述的一种轴向旋转振荡热管试验装置， 其特征是： 一种轴向旋转振 荡热管试验装置还设置有若干组电刷和导电滑环(7)， 所述的电刷和导电滑环(7)二者一个 固定在旋转装置本体(1)上， 一个固定在旋转架(2)上， 相应的电刷和导电滑环(7)滑动接触 配合， 所。

6、述的电源(41)通过一组电刷和导电滑环(7)与电阻丝(42)连接， 所述的信息采集和 处理器(51)通过另一组电刷和导电滑环(7)与热电偶(52)连接。 3.根据权利要求1所述的一种轴向旋转振荡热管试验装置， 其特征是： 所述的振荡热管 (6)为平板式振荡热管或管式振荡热管。 4.根据权利要求2所述的一种轴向旋转振荡热管试验装置， 其特征是： 所述的电机及传 动调速装置(11)的电机轴与旋转架(2)的中间位置固定连接， 振荡热管固定端(21)和摄影 装置固定端(22)对称地设置在旋转架(2)的两端。 5.根据权利要求1所述的一种轴向旋转振荡热管试验装置， 其特征是： 所述的信息采集 和处理器(。

7、51)为电脑。 6.如权利要求2所述的轴向旋转振荡热管试验装置的使用方法， 其特征是： 包括以下步 骤： 步骤一、 确定振荡热管(6)截面形状和几何尺寸， 确定研究的工质种类及其充液率， 将 振荡热管(6)抽真空至设定真空度， 按所需研究的充液率将所需的工质注入振荡热管(6) 中； 步骤二、 设定振荡热管(6)的加热温度以及转速， 将设定值输入电源(41)和电机及传动 调速装置(11)， 使电阻丝(42)以预定功率加热， 旋转架(2)以预定速度旋转； 步骤三、 开启电源(41)、 电机及传动调速装置(11)， 为振荡热管(6)提供热载荷和轴向 旋转运动， 同时开启高速摄影装置(3)， 拍摄振荡。

8、热管(6)在预定加热功率和轴向旋转运动 下内部两相流动状态； 热电偶(52)以一定采样频率测量和采集振荡热管(6)蒸发段、 绝热段 和冷凝段温度， 信息采集和处理器(51)接收高速摄影装置(3)和热电偶(52)的信息， 并计算 振荡热管(6)在不同温度和转速下的数据指标。 权利要求书 1/2 页 2 CN 111060557 A 2 7.根据权利要求6所述的轴向旋转振荡热管试验装置的使用方法， 其特征是： 信息采集 和处理器(51)计算振荡热管(6)的数据指标包括： 计算振荡热管(6)在预定加热功率和预定 转速下稳定传热时的蒸发段和冷凝段平均温度； 通过蒸发段和冷凝段平均温度计算蒸发段 和冷凝。

9、段温差； 通过加热功率和振荡热管(6)蒸发段加热面积计算加热的热流密度； 通过蒸 发段和冷凝段温差、 加热功率和热流密度分别计算振荡热管(6)在该试验条件下的热阻和 等效换热系数， 作为评价振荡热管(6)传热性能的指标； 结合通过高速摄影装置(3)拍摄的 振荡热管(6)传热过程中内部工质两相运动的慢动作， 分析振荡热管(6)的传热机制， 即确 定在所述试验条件下振荡热管(6)内部工质运动流形和运动模式； 考察振荡热管(6)在该试 验条件下， 蒸发段温度随热载荷作用时间的变化趋势直至蒸发段温度达到稳态， 结合高速 摄影装置(3)拍摄的振荡热管(6)传热过程中内部工质两相运动的慢动作， 分析在该试。

10、验条 件下振荡热管(6)的启动性能和启动机制。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111060557 A 3 一种轴向旋转振荡热管试验装置及其使用方法 技术领域 0001 本发明涉及振荡热管的技术领域， 具体而言， 涉及一种轴向旋转振荡热管试验装 置及其使用方法。 背景技术 0002 振荡热管是一种新型热管， 可由毛细管弯折而成， 结构简单且无需吸液芯。 振荡热 管与传统热管一样， 在传热的过程中， 分为三个部分， 热量输入的蒸发段， 绝热段， 热量输出 的冷凝段。 而结构是由单通道折弯成蛇形多弯头循环通道。 当蒸发段输入热量时， 局部工质 蒸发形成冷热端的温度差和压力差， 从而驱动气泡和液塞。

11、微观局部振荡和宏观单向循环流 动。 振荡热管具有体积小、 结构简单、 成本低； 传热性能好； 适应性好等优点。 在热管理中具 有巨大的应用潜力。 0003 针对高效磨削过程中， 产生的极大热量积聚在磨削弧区导致工件表面烧伤问题， 已有人提出将振荡热管技术运用到砂轮中， 利用其高导热性来强化弧区换热。 而目前对于 振荡热管的应用基本上处在静态条件下例如电池等电子器件当中， 而对于例如砂轮磨削加 工中的高转速下的强化换热应用之前， 需要对旋转条件下振荡热管的传热性能和振荡热管 在此工况下的启动性能进行充分研究， 分析不同转速、 不同物理及操作参数对其传热性能 和启动性能影响规律。 需要一种试验平台。

12、实现以上功能并提供在此平台上的研究方法。 发明内容 0004 针对上述问题， 本发明的目的是针对背景技术提出的问题， 提供一种能将振荡热 管进行轴向旋转， 并且可对不同轴向旋转速度、 不同工质、 不同蒸发端热流密度等参数进行 试验同时拍摄该振荡热管内部工质的运动状态， 通过测量的温度和拍摄的工质运动慢动作 视频分析这些参数对于旋转振荡热管传热性能和启动性能的影响规律和作用机理的轴向 旋转振荡热管试验装置及其使用方法。 0005 为实现上述技术目的， 本发明采取的技术方案为： 一种轴向旋转振荡热管试验装置， 其中： 包括旋转装置本体、 旋转架、 高速摄影装置、 加 热装置以及数据采集装置， 旋转。

13、装置本体上安装有电机及传动调速装置， 电机及传动调速 装置的电机轴与旋转架传动连接， 能带动旋转架按预定速度转动， 旋转架包括振荡热管固 定端和摄影装置固定端， 振荡热管固定在振荡热管固定端上， 高速摄影装置固定在摄影装 置固定端上， 旋转架转动时， 能使振荡热管绕电机轴所在直线为轴心偏心转动， 振荡热管由 透明材料制作， 高速摄影装置的摄像头正对着振荡热管， 能拍摄到振荡热管内部工质运动 的流形和运动状态， 加热装置包括电源和电阻丝， 电源与电阻丝连接， 电源能控制电阻丝的 加热功率， 电阻丝与振荡热管的蒸发段接触配合， 用于对振荡热管的蒸发段加热， 数据采集 装置包括信息采集和处理器以及热。

14、电偶， 信息采集和处理器与热电偶连接， 热电偶连接在 振荡热管的蒸发段、 绝热段和冷凝段， 并以一定采样频率测量和采集振荡热管蒸发段、 绝热 段和冷凝段温度， 将温度信号传递至信息采集和处理器， 高速摄影装置能与信息采集和处 说明书 1/5 页 4 CN 111060557 A 4 理器连接， 将采集的视频信号传输至信息采集和处理器。 0006 为优化上述技术方案， 采取的具体措施还包括： 上述的轴向旋转振荡热管试验装置还设置有若干组电刷和导电滑环， 电刷和导电滑环 二者一个固定在旋转装置本体上， 一个固定在旋转架上， 相应的电刷和导电滑环滑动接触 配合， 电源通过一组电刷和导电滑环与电阻丝连。

15、接， 信息采集和处理器通过另一组电刷和 导电滑环与热电偶连接。 0007 上述的振荡热管为平板式振荡热管或管式振荡热管。 0008 上述的电机及传动调速装置的电机轴与旋转架的中间位置固定连接， 振荡热管固 定端和摄影装置固定端对称地设置在旋转架的两端。 0009 上述的信息采集和处理器为电脑。 0010 轴向旋转振荡热管试验装置的使用方法， 其特征是： 包括以下步骤： 步骤一、 确定振荡热管截面形状和几何尺寸， 确定研究的工质种类及其充液率， 将振荡 热管抽真空至设定真空度， 按所需研究的充液率将所需的工质注入振荡热管中； 步骤二、 设定振荡热管的加热温度以及转速， 将设定值输入电源和电机及传。

16、动调速装 置， 使电阻丝以预定功率加热， 旋转架以预定速度旋转； 步骤三、 开启电源、 电机及传动调速装置， 为振荡热管提供热载荷和轴向旋转运动， 同 时开启高速摄影装置， 拍摄振荡热管在预定加热功率和轴向旋转运动下内部两相流动状 态； 热电偶以一定采样频率测量和采集振荡热管蒸发段、 绝热段和冷凝段温度， 信息采集和 处理器接收高速摄影装置和热电偶的信息， 并计算振荡热管在不同温度和转速下的数据指 标。 0011 信息采集和处理器计算振荡热管的数据指标包括： 计算振荡热管在预定加热功率 和预定转速下稳定传热时的蒸发段和冷凝段平均温度； 通过蒸发段和冷凝段平均温度计算 蒸发段和冷凝段温差； 通过。

17、加热功率和振荡热管蒸发段加热面积计算加热的热流密度； 通 过蒸发段和冷凝段温差、 加热功率和热流密度分别计算振荡热管在该试验条件下的热阻和 等效换热系数， 作为评价振荡热管传热性能的指标； 结合通过高速摄影装置拍摄的振荡热 管传热过程中内部工质两相运动的慢动作， 分析振荡热管的传热机制， 即确定在所述试验 条件下振荡热管内部工质运动流形和运动模式； 考察振荡热管在该试验条件下， 蒸发段温 度随热载荷作用时间的变化趋势直至蒸发段温度达到稳态， 结合高速摄影装置拍摄的振荡 热管传热过程中内部工质两相运动的慢动作， 分析在该试验条件下振荡热管的启动性能和 启动机制。 0012 本发明的技术效果是： 。

18、（1） 本发明中轴向旋转振荡热管试验平台， 可实现振荡热管的轴向旋转运动， 以解决轴 向旋转振荡热管研究中的关键技术问题。 并且可以控制所述旋转装置的转速， 研究不同转 速的影响规律。 此外， 本发明通过导电滑环， 可以实现旋转条件下对振荡热管的蒸发段可控 加热功能， 并且将热电偶测得的温度信号引出实现温度的采集存储和处理， 用以评价轴向 旋转振荡热管的传热性能和启动性能。 0013 （2） 本发明能够在轴向旋转振荡热管运行过程中通过与之相对共同旋转的高速摄 影装置可以实现对所述轴向旋转振荡热管内部工质两相运动的慢动作影像拍摄， 进而能够 对内部工质运动的流形和运动状态开展深入的分析， 以次结。

19、合所述采集到的温度揭示轴向 说明书 2/5 页 5 CN 111060557 A 5 旋转振荡热管的传热机理和启动机理。 0014 （3） 操作简便， 可多次注液使用， 成本低。 板式振荡热管是通过螺栓紧固在基体上， 失效后拆卸， 烘干内部工质后再次注液使用。 节约资源， 降低成本。 附图说明 0015 图1是本发明的整体结构示意图； 图2是旋转架、 高速摄影装置和板式单回路振荡热管的安装示意图； 图3是试验测温曲线； 图4是实施例中计算的热阻随转速变化曲线图。 0016 其中， 附图标记为： 旋转装置本体1、 电机及传动调速装置11、 旋转架2、 振荡热管固 定端21、 摄影装置固定端22、。

20、 高速摄影装置3、 加热装置4、 电源41、 电阻丝42、 数据采集装置 5、 信息采集和处理器51、 热电偶52、 振荡热管6、 电刷和导电滑环7。 具体实施方式 0017 以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。 0018 本实施例的一种轴向旋转振荡热管试验装置， 其中： 包括旋转装置本体1、 旋转架 2、 高速摄影装置3、 加热装置4以及数据采集装置5， 旋转装置本体1上安装有电机及传动调 速装置11， 电机及传动调速装置11的电机轴与旋转架2传动连接， 能带动旋转架2按预定速 度转动， 旋转架2包括振荡热管固定端21和摄影装置固定端22， 振荡热管6固定在振荡热管 固定端21上，。

21、 高速摄影装置3固定在摄影装置固定端22上， 旋转架2转动时， 能使振荡热管6 绕电机轴所在直线为轴心偏心转动， 振荡热管6由透明材料制作， 高速摄影装置3的摄像头 正对着振荡热管6， 能拍摄到振荡热管6内部工质运动的流形和运动状态， 加热装置4包括电 源41和电阻丝42， 电源41与电阻丝42连接， 电源41能控制电阻丝42的加热功率， 电阻丝42与 振荡热管6的蒸发段接触配合， 用于对振荡热管6的蒸发段加热， 数据采集装置5包括信息采 集和处理器51以及热电偶52， 信息采集和处理器51与热电偶52连接， 热电偶52连接在振荡 热管6的蒸发段、 绝热段和冷凝段， 并以一定采样频率测量和采集。

22、振荡热管6蒸发段、 绝热段 和冷凝段温度， 将温度信号传递至信息采集和处理器51， 高速摄影装置3能与信息采集和处 理器51连接， 将采集的视频信号传输至信息采集和处理器51。 0019 轴向旋转振荡热管试验装置还设置有若干组电刷和导电滑环7， 电刷和导电滑环7 二者一个固定在旋转装置本体1上， 一个固定在旋转架2上， 相应的电刷和导电滑环7滑动接 触配合， 电源41通过一组电刷和导电滑环7与电阻丝42连接， 信息采集和处理器51通过另一 组电刷和导电滑环7与热电偶52连接。 0020 振荡热管6为平板式振荡热管或管式振荡热管。 0021 电机及传动调速装置11的电机轴与旋转架2的中间位置固定。

23、连接， 振荡热管固定 端21和摄影装置固定端22对称地设置在旋转架2的两端。 0022 信息采集和处理器51为电脑。 0023 轴向旋转振荡热管试验装置的使用方法， 其特征是： 包括以下步骤： 步骤一、 确定振荡热管6截面形状和几何尺寸， 确定研究的工质种类及其充液率， 将振 荡热管6抽真空至设定真空度， 按所需研究的充液率将所需的工质注入振荡热管6中； 说明书 3/5 页 6 CN 111060557 A 6 步骤二、 设定振荡热管6的加热温度以及转速， 将设定值输入电源41和电机及传动调速 装置11， 使电阻丝42以预定功率加热， 旋转架2以预定速度旋转； 步骤三、 开启电源41、 电机及。

24、传动调速装置11， 为振荡热管6提供热载荷和轴向旋转运 动， 同时开启高速摄影装置3， 拍摄振荡热管6在预定加热功率和轴向旋转运动下内部两相 流动状态； 热电偶52以一定采样频率测量和采集振荡热管6蒸发段、 绝热段和冷凝段温度， 信息采集和处理器51接收高速摄影装置3和热电偶52的信息， 并计算振荡热管6在不同温度 和转速下的数据指标。 0024 信息采集和处理器51计算振荡热管6的数据指标包括： 计算振荡热管6在预定加热 功率和预定转速下稳定传热时的蒸发段和冷凝段平均温度； 通过蒸发段和冷凝段平均温度 计算蒸发段和冷凝段温差； 通过加热功率和振荡热管6蒸发段加热面积计算加热的热流密 度； 通。

25、过蒸发段和冷凝段温差、 加热功率和热流密度分别计算振荡热管6在该试验条件下的 热阻和等效换热系数， 作为评价振荡热管6传热性能的指标； 结合通过高速摄影装置3拍摄 的振荡热管6传热过程中内部工质两相运动的慢动作， 分析振荡热管6的传热机制， 即确定 在所述试验条件下振荡热管6内部工质运动流形和运动模式； 考察振荡热管6在该试验条件 下， 蒸发段温度随热载荷作用时间的变化趋势直至蒸发段温度达到稳态， 结合高速摄影装 置3拍摄的振荡热管6传热过程中内部工质两相运动的慢动作， 分析在该试验条件下振荡热 管6的启动性能和启动机制。 0025 本发明涉及的轴向旋转振荡热管试验平台的制作方法可以包括以下步。

26、骤： 步骤S1： 预先准备旋转装置本体1、 需要研究的振荡热管6、 旋转架2、 电刷和导电滑环7、 电源41及其导线、 信息采集和处理器51及其信号线、 电阻丝42及导线、 热电偶52和高速摄影 装置3； 步骤S2： 将高速摄影装置3安装在与之相配的旋转架2的摄影装置固定端22； 将热电偶 52， 电阻丝42和导线安装在振荡热管6上。 在振荡热管6蒸发段做绝热措施。 0026 步骤S3： 将导电滑环安装在旋转架2上， 并将滑环各通道导线与信号线与振荡热管 6上电阻丝42导线和热电偶52相连接。 至此轴向旋转振荡热管装置装配完毕。 0027 步骤S4： 将轴向旋转振荡热管装置安装在旋转装置本体1。

27、上， 并将固定在旋转装置 本体1上的电刷与滑环配合， 保证各通道连通并彼此独立。 0028 步骤S5： 将通过滑环和电刷引出的电阻丝42导线和热电偶52信号线分别与电源41 和信息采集和处理器51连接， 以来为振荡热管提供热载荷并采集和记录温度信号。 0029 振荡热管6选用等效水力直径为3mm流道， 构成单回路闭合振荡热管。 振荡热管总 长100mm， 蒸发段、 冷凝段和绝热段分别长30、 30和40mm。 通过将Ni-Cr电阻丝缠绕在振荡热 管蒸发段外侧以提供热载荷。 在振荡热管的蒸发段、 冷凝段和绝热段分别粘贴K型热电偶以 采集相应的温度信号。 0030 真空系统通过抽真空注液装置与振荡。

28、热管连接并抽真空， 当振荡热管6管内的真 空度低于预设气压值 （例如1.010-2Pa） 时， 停止抽真空。 0031 选用蒸馏水为管内工质， 通过注液装置向振荡热管管内注入预设充液率的蒸馏水 （例如充液率55%） ， 注入工质结束之后将振荡热管密封， 使得板式振荡热管内部振荡热管流 道与外界隔绝。 0032 高速旋转运动下测温及加热功能通过分体式导电滑环实现。 将电阻丝42通过导电 说明书 4/5 页 7 CN 111060557 A 7 滑环和电刷与电源41连接， 热电偶52过导电滑环和电刷与信息采集和处理器51连接， 在板 式振荡热管蒸发段做绝缘处理之后， 实现旋转过程中加热和测温功能。。

29、 冷端采用涡旋管高 压冷风冷却。 0033 通过电机及传动调速装置11使旋转振荡热管在0-1500 r/min转速下变化工作。 对 于该转速下的旋转振荡热管， 加载5-40 W的加热功率， 得到相应条件下的蒸发段温度和Te 和冷凝段温度Tc。 通过蒸发段温度随着加热功率作用时间的曲线来评价轴向旋转振荡热管 的启动性能， 如图3所示。 0034根据不同蒸发段输入功率P计算振荡热管热阻， 得到热阻-转速曲线和变 化规律， 用于评价其传热性能。 完成后再次调节电机转速， 再次重复传热性能试验， 记录温 度， 如图4所示。 0035 通过试验中高速摄影装置可以观测出旋转条件下振荡热管内部两相流动状态，。

30、 揭 示传热机理。 在旋转条件下， 振荡热管内部气塞和液塞状态呈现出单向流动的塞状流， 在此 流形下， 振荡热管展现出优异的传热性能。 0036 以上仅是本发明的优选实施方式， 本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例， 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。 应当指出， 对于本技术领域的 普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰， 应视为本发明的保护 范围。 说明书 5/5 页 8 CN 111060557 A 8 图1 说明书附图 1/3 页 9 CN 111060557 A 9 图2 说明书附图 2/3 页 10 CN 111060557 A 10 图3 图4 说明书附图 3/3 页 11 CN 111060557 A 11 。