本發(fā)明具體涉及一種內(nèi)置固流分層式均溫板、充液均溫系統(tǒng)及熱傳導(dǎo)預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、均溫板的工作原理基于封閉于板狀腔體中的作動流體(如去離子水)的蒸發(fā)與凝結(jié)循環(huán)。當(dāng)熱量作用于均溫板的一部分時，該區(qū)域的流體迅速蒸發(fā)，蒸汽在腔體內(nèi)擴散至較冷的區(qū)域后凝結(jié)，釋放出熱量，并再次轉(zhuǎn)化為液體，通過毛細結(jié)構(gòu)回流至熱源區(qū)域，形成持續(xù)的循環(huán)。這一過程使得熱量能夠迅速在整個均溫板上均勻分布，實現(xiàn)快速熱傳導(dǎo)及熱擴散。均溫板通常由金屬殼體(如銅或鋁合金)、毛細結(jié)構(gòu)及作動流體組成。金屬殼體提供強度和導(dǎo)熱性，毛細結(jié)構(gòu)則負責(zé)引導(dǎo)流體的回流。作動流體的選擇對均溫板的性能有重要影響，常見的選擇包括水，因其具有比熱容大、表面張力大、導(dǎo)熱系數(shù)高、沸點合適、低成本及環(huán)保性等優(yōu)點。常規(guī)均溫板的工作性能不穩(wěn)定，導(dǎo)熱系數(shù)隨板內(nèi)流體的流動狀態(tài)變化而發(fā)生較大波動，且未有定量化熱傳導(dǎo)的相關(guān)研究方式。并且常規(guī)均溫板需要重力驅(qū)動內(nèi)部流體進行回流，豎直狀態(tài)下常規(guī)均溫板的傳熱能力會受到極大的限制。并且常規(guī)均溫板存在于散熱器之間的接觸熱阻，這將會導(dǎo)致均溫板的散熱性能劇烈下降，實際應(yīng)用過程中可能燒毀工作元器件，產(chǎn)生大量的經(jīng)濟損失。同時均溫板在充液之前往往需要保證內(nèi)部處于真空狀態(tài)，實驗室常見的真空充液系統(tǒng)器械復(fù)雜，操作繁瑣，耗時費力，在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用較為困難。總之，傳統(tǒng)均溫板豎直放置存在回流性能不穩(wěn)定的問題，均溫板與散熱器之間存在未有量化考量接觸熱阻的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷，現(xiàn)提供一種內(nèi)置固流分層式均溫板、充液均溫系統(tǒng)及熱傳導(dǎo)預(yù)測方法，以解決上述問題。

2、一種內(nèi)置固流分層式均溫板，包括板殼體、吸液芯體和多個中空翅片，所述板殼體為t形殼體，所述板殼體水平設(shè)置，板殼體內(nèi)部形成有蒸發(fā)腔和冷凝腔，所述板殼體的大頭端處設(shè)置有輸入管，輸入管的一端與板殼體的蒸發(fā)腔相連通，輸入管的另一端為與熱源相配合的輸入端，板殼體內(nèi)水平設(shè)置有吸液芯體，吸液芯體由多個鏤空框單體排列形成，吸液芯體的上端面與板殼體的頂部內(nèi)壁之間形成有第一納液縫隙，吸液芯體的下端面與板殼體的底部內(nèi)壁之間形成有第二納液縫隙，第一納液縫隙、吸液芯體和第二納液縫隙之間填充有工作流體，板殼體的小頭端上均布有多個中空翅片，每個中空翅片與板殼體的內(nèi)部相連通，所述板殼體的大頭端處設(shè)置有輸出管，輸出管的一端與板殼體的冷凝腔相連通，輸出管的另一端為輸出端。

3、作為優(yōu)選方案：板殼體包括窄幅板殼和寬幅板殼，所述窄幅板殼包括第一上板體、第一下板體和第一匚字形圍合板，第一上板體和第一下板體從上至下依次水平設(shè)置，第一匚字形圍合板設(shè)置在第一上板體和第一下板體之間，第一匚字形圍合板的上匚字形邊緣與第一上板體的一端和兩側(cè)固定連接，第一匚字形圍合板的下匚字形邊緣與第一下板體的一端和兩側(cè)固定連接，第一上板體、第一下板體和第一匚字形圍合板之間形成所述冷凝腔，第一匚字形圍合板的兩端、第一上板體的另一端和第一下板體的另一端圍合形成有與冷凝腔相連通的第一連接口；

4、所述寬幅板殼包括第二上板體、第二下板體和第二匚字形圍合板，第二上板體和第二下板體從上至下依次水平設(shè)置，第二匚字形圍合板設(shè)置在第二上板體和第二下板體之間，第二匚字形圍合板的上匚字形邊緣與第二上板體的一端和兩側(cè)固定連接，第二匚字形圍合板的下匚字形邊緣與第二下板體的一端和兩側(cè)固定連接，第二上板體、第二下板體和第二匚字形圍合板之間形成有所述蒸發(fā)腔，第二匚字形圍合板的兩端、第二上板體的另一端和第二下板體的另一端圍合形成有與蒸發(fā)腔相連通的第二連接口，窄幅板殼通過第一連接口與寬幅板殼的第二連接口相連通設(shè)置，窄幅板殼和寬幅板殼固定連接為一體。

5、作為優(yōu)選方案：板殼體的小頭端上傾斜設(shè)置有多個中空翅片，所述多個中空翅片包括多個上翅片和多個下翅片，多個上翅片沿窄幅板殼的長度方向均布在窄幅板殼的上端面上，每個上翅片傾斜設(shè)置，每個上翅片的一端與冷凝腔相連通，每個上翅片的另一端朝向輸出管傾斜設(shè)置；多個下翅片沿窄幅板殼的長度方向均布在窄幅板殼的上端面上，每個下翅片傾斜設(shè)置，每個下翅片的一端與冷凝腔相連通，每個下翅片的另一端朝向輸出管傾斜設(shè)置。

6、作為優(yōu)選方案：每個鏤空框單體包括中間框體和四個端部框體，所述中間框體包括第一支撐框體和兩個第一十字形支撐桿，第一支撐框體內(nèi)從上至下依次水平設(shè)置有兩個第一十字形支撐桿，每個第一十字形支撐桿的四個端部分別與第一支撐框體的內(nèi)壁固定連接，每個第一十字形支撐桿的中心處加工有第一中心孔，兩個第一十字形支撐桿的兩個第一中心孔同軸設(shè)置，第一支撐框體的一端外壁從上至下水平設(shè)置有四個端部框體中的兩個端部框體，第一支撐框體的另一端外壁從上至下水平設(shè)置有四個端部框體中的另兩個端部框體，每個端部框體包括第二支撐框體和第二十字形支撐桿，第二支撐框體內(nèi)設(shè)置有第二十字形支撐桿，第二十字形支撐桿的四個端部分別與第二支撐框體的內(nèi)壁固定連接，每個第二十字形支撐桿的中心處加工有第二中心孔。

7、作為優(yōu)選方案：工作流體為相變材料流體。

8、一種充液式均溫系統(tǒng)，利用上述所述的一種內(nèi)置固流分層式均溫板組成，包括內(nèi)置固流分層式均溫板、氣壓式手動真空泵、廢液桶、第一閥門、第二閥門、第三閥門和供料筒；

9、所述內(nèi)置固流分層式均溫板包括板殼體、吸液芯體和多個中空翅片，所述板殼體為t形殼體，所述板殼體水平設(shè)置，板殼體內(nèi)部形成有蒸發(fā)腔和冷凝腔，所述板殼體的大頭端處設(shè)置有輸入管，輸入管的一端與板殼體的蒸發(fā)腔相連通，輸入管的另一端為與熱源相配合的輸入端，板殼體內(nèi)水平設(shè)置有吸液芯體，吸液芯體由多個鏤空框單體排列形成，吸液芯體的上端面與板殼體的頂部內(nèi)壁之間形成有第一納液縫隙，吸液芯體的下端面與板殼體的底部內(nèi)壁之間形成有第二納液縫隙，第一納液縫隙、吸液芯體和第二納液縫隙之間填充有工作流體，板殼體的小頭端上均布有多個中空翅片，每個中空翅片與板殼體的內(nèi)部相連通，所述板殼體的大頭端處設(shè)置有輸出管，輸出管的一端與板殼體的冷凝腔相連通，輸出管的另一端為輸出端；

10、輸入管的輸入端通過第一連接通道與第一閥門與廢液桶相連通，廢液桶通過第二連接通道與氣壓式手動真空泵相連接，供料筒通過第三連接通道與第一連接通道相連通，第三連接通道上設(shè)置有第一閥門，第二閥門和第三閥門均設(shè)置在第一連接通道上，第二閥門處于廢液桶和第三連接通道之間，第三閥門處于第三連接通道和內(nèi)置固流分層式均溫板之間。

11、一種內(nèi)置固流分層式均溫板的熱傳導(dǎo)預(yù)測方法，通過上述一種內(nèi)置固流分層式均溫板實現(xiàn)，所述均溫板熱傳導(dǎo)預(yù)測方法為通過獲取板殼體、吸液芯體、多個中空翅片和工作流體之間的相關(guān)數(shù)據(jù)完成內(nèi)置固流分層式均溫板中蒸發(fā)腔與工作流體之間的熱對流效率hl,e的計算過程、蒸發(fā)腔內(nèi)壁和工作流體ql,e之間的熱傳遞效率的計算過程、蒸發(fā)腔的熱阻re的計算過程以及冷凝腔工作蒸汽與外界換熱的熱阻的計算過程，得出內(nèi)置固流分層式均溫板內(nèi)部的多位置熱傳導(dǎo)性能的定量化預(yù)測結(jié)論；

12、建造形成內(nèi)置固流分層式均溫板后，根據(jù)工作流體的nusselt數(shù)、reynolds數(shù)、prandtl數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和動力粘度以及工作流體和吸液芯體之間接觸的表面積、周長計算得出均溫板中蒸發(fā)腔與工作流體之間的熱對流效率hl,e，計算過程為：

13、

14、

15、

16、

17、上式中，hl,e是蒸發(fā)腔內(nèi)工作流體的熱對流效率w·(m2·℃)-1；nul,e，rel,e和prl,e分別是工作流體的nusselt數(shù)，reynolds數(shù)和prandtl數(shù)；kl,e，μl,e分別是工作流體的導(dǎo)熱系數(shù)w·(m·℃)-1和動力粘度pa·s；gl,e是工作流體通過蒸發(fā)腔的質(zhì)量通量kg·s-1；de為工作流體在蒸發(fā)腔內(nèi)表面的水力直徑m；al和cl分別是工作流體與吸液芯體接觸表面積m2和周長m，de為蒸發(fā)段的水力直徑，通過上述計算得出蒸發(fā)腔內(nèi)工作流體的熱對流效率hl,e；

18、根據(jù)計算得出的蒸發(fā)腔內(nèi)工作流體的熱對流效率hl,e，再對蒸發(fā)腔內(nèi)壁和工作流體ql,e之間的熱傳遞效率進行計算，計算過程為：

19、

20、ql,e＝hl,eal,e(twall-in,e-tl,evap)?(6)

21、上式中，al,e為工作流體傳熱總面積m2，awall,e為蒸發(fā)腔側(cè)壁的總面積m2；kal是鋁的導(dǎo)熱系數(shù)w(m·℃)-1；twall,e是蒸發(fā)腔的壁厚m；tl,evap，twall-out,e和twall-in,e分別是工作液體的蒸發(fā)溫度℃、蒸發(fā)腔外壁面的溫度℃以及蒸發(fā)腔內(nèi)壁面的溫度℃；

22、蒸發(fā)腔的熱阻re的計算過程為：

23、

24、在公式(1)中，蒸發(fā)腔內(nèi)工作流體的熱對流效率hl,e受水力直徑de的主導(dǎo)影響，隨著工作流體的熱對流效率hl,e和換熱表面積al,e的增大，在公式(7)中，蒸發(fā)腔的熱阻re得到大幅度的減?。?/p>

25、工作流體產(chǎn)生的蒸汽流動所引起的熱阻rv的計算過程為：

26、對n-s方程進行簡化計算：

27、

28、積分之后，蒸汽的速度uv,m·s-1和質(zhì)量流量mv′，kg·s-1通過下述方程(13)和(14)求解，具體為：

29、

30、

31、上式中，u為蒸汽流動的速度m·s-1，uy，ux，uz分別是蒸汽在x、y、z方向上的流動速度m·s-1；

32、μ是蒸汽的動力粘度pa·s，p是蒸汽壓力pa，y是蒸汽腔高度m，tv是蒸汽厚度m，ρv是蒸汽密度kg·m-3，w是蒸汽腔的寬度m；

33、根據(jù)clausius-clapeyron飽和氣體方程，蒸汽流動所引起的熱阻rv通過下述方程得到：

34、

35、δtv＝tv,e-tv,c?(12)

36、其中δtv是蒸汽在蒸汽腔蒸發(fā)腔和冷凝腔的溫差℃，tv,e、tv,c分別是蒸汽在蒸發(fā)腔和冷凝腔的溫度℃；

37、在公式(9)中，在板殼體長度固定的前提下，蒸汽的厚度越小，蒸汽的流動速度uv越大，對應(yīng)蒸汽從蒸發(fā)腔至冷凝腔的時間越短，而吸液芯體限制了蒸汽的厚度，促使蒸汽流動速度快，同時，冷凝腔與蒸發(fā)腔相連通設(shè)置，從而確保蒸發(fā)腔與冷凝腔內(nèi)蒸汽的溫差δtv小，吸液芯體的結(jié)構(gòu)利于減小均溫板的蒸汽流動熱阻rv；

38、計算冷凝腔工作蒸汽與外界換熱的熱阻過程，具體為：

39、工作流體在吸收熱量后，變成氣態(tài)工質(zhì)，向冷凝腔運輸熱量，隨后通過中空翅片將熱量傳遞到外界，蒸汽工作流體在冷凝腔的熱對流為：

40、

41、

42、

43、上式中，hv,c是冷凝腔內(nèi)工作流體蒸汽的熱對流效率w·(m2·℃)-1；nuv,c?rev,c,和prv,c分別是工作流體蒸汽的nusselt數(shù)，reynolds數(shù)和prandtl數(shù)；kv,c，μv,c分別是工作流體蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)w·(m·℃)-1和動力粘度pa·s；gv,c是工作流體蒸汽通過蒸發(fā)腔的質(zhì)量通量kg·s-1；dc為工作流體蒸汽在冷凝腔內(nèi)表面的水力直徑m；av和cv分別是工作流體蒸汽與中空翅片相接觸總表面積m2和總周長m；

44、蒸發(fā)腔的內(nèi)壁面和外壁面qwall,c，蒸發(fā)腔內(nèi)壁和工作流體ql,c之間的熱傳遞通過以下公式計算：

45、

46、ql,c＝hl,cal,c(twall-in,c-tl,cond)?(17)

47、上式中：av,c和awall,c分別是工作流體蒸汽傳熱區(qū)域和蒸發(fā)腔側(cè)壁的面積m2；kal是鋁的導(dǎo)熱系數(shù)w(m·℃)-1；twall,c是冷凝腔的壁厚m；tv,cond，twall-out,c和twall-in,c分別是工作液體蒸汽的冷凝溫度℃，冷凝腔外壁面的溫度℃以及冷凝腔內(nèi)壁面的溫度℃；

48、冷凝腔與外界空氣之間傳熱qwall,c為：

49、qwall,c＝hair,cac(tair,out-tair,in)?(18)

50、其中，hair,c是冷凝腔與空氣的熱對流效率w(m2·℃)-1，ac是冷凝腔外表面的表面積m2；tair,out和tair,in分別是冷凝腔進風(fēng)溫度和出風(fēng)溫度；

51、所以，冷凝腔熱阻rc,℃·w-1為：

52、

53、在公式(13)中，蒸發(fā)腔內(nèi)工作流體的熱對流效率hv,c受水力直徑dc的影響很大；均溫板內(nèi)冷凝腔與中空翅片相配合確保工作流體處于增加大量換熱表面積av,c的狀態(tài)，工作流體蒸汽與中空翅片相接觸總周長得到延伸，增大了工作流體蒸汽的熱對流效率hv,c，在中空翅片相配合下，twall,c增加，通過公式(19)得出，蒸發(fā)腔的熱阻rc的最終計算值得到減小。

54、本發(fā)明的有益效果在于：

55、一、本發(fā)明中的內(nèi)置固流分層式均溫板通過板殼體、吸液芯體、多個中空翅片和工作流體之間相互配合實現(xiàn)自分區(qū)的固流擴展接觸面積的熱管理過程，優(yōu)化熱量的分配和利用，顯著提升了均溫板與外界的換熱能力。中空翅片的結(jié)構(gòu)以及設(shè)置位置不僅增加了表面積，吸液芯體和多個中空翅片相配合擴展了與工作流體的均勻且細化的接觸面積，在有效面積內(nèi)延伸了工作流體的流動路徑，能夠確保均溫板在更短的時間內(nèi)實現(xiàn)更高效的熱交換過程。同時中空翅片具有較強的換熱性能，均溫板內(nèi)部的蒸發(fā)和冷凝循環(huán)速度得以大幅提升，能夠適配不同工況下使用，確保持續(xù)的穩(wěn)定性和高效性。

56、二、本發(fā)明中充液式均溫系統(tǒng)通過內(nèi)置固流分層式均溫板、氣壓式手動真空泵、廢液桶、第一閥門、第二閥門、第三閥門和供料筒之間相互配合完成了持續(xù)有效充液過程，能夠確保工作人員在操作過程中的便利性，統(tǒng)一充液操作規(guī)范，降低工作人員憑借經(jīng)驗影響操作工序質(zhì)量，確保充液操作的持續(xù)有效且工序處理過程流暢，降低充液系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)繁冗的弊端，簡易性結(jié)構(gòu)特性凸顯，利于降低操作難度的同時，還利于降低了操作失誤的概率。

57、三、本發(fā)明中的內(nèi)置固流分層式均溫板的熱傳導(dǎo)預(yù)測方法為基于內(nèi)置固流分層式均溫板實現(xiàn)的熱傳導(dǎo)預(yù)測方法，本熱傳導(dǎo)預(yù)測方法通過從內(nèi)置固流分層式均溫板獲取的尺寸或其他相關(guān)數(shù)據(jù)完成內(nèi)置固流分層式均溫板中蒸發(fā)腔與工作流體之間的熱對流效率hl,e的計算過程、蒸發(fā)腔內(nèi)壁和工作流體ql,e之間的熱傳遞效率的計算過程、蒸發(fā)腔的熱阻re的計算過程以及冷凝腔工作蒸汽與外界換熱的熱阻計算過程，各個部位和環(huán)節(jié)的計算過程為內(nèi)置固流分層式均溫板中重要且典型部位，從而能夠全面反映內(nèi)置固流分層式均溫板的熱傳導(dǎo)性能，定量化得出內(nèi)置固流分層式均溫板的熱傳導(dǎo)性能的優(yōu)劣，整個計算過程合理且細節(jié)計算考慮周全，適合對已建造完成的內(nèi)置固流分層式均溫板進行定量化熱傳導(dǎo)性能的評估提供全面且有效的數(shù)據(jù)支持。

58、四、本發(fā)明的工作原理為通過相變循環(huán)流動來完成其傳熱過程，熱量的傳遞始于熱源與蒸發(fā)段的接觸面，熱源釋放的熱量通過接觸面?zhèn)鬟f進入均溫板的內(nèi)部。從而決定了后續(xù)熱量傳遞的效率的提高，在傳遞過程中，使得工作流體吸收熱量并轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，氣態(tài)的工作流體隨后進入冷凝段，從而逐步釋放出之前吸收的熱量，能夠確保熱量在冷凝段通過與外殼的換熱過程擴散到外界環(huán)境中，從而完成整個傳熱循環(huán)。