Plif-piv可視化池式沸騰實驗裝置加熱器的制造方法
【專利摘要】本實用新型的目的在于提供PLIF-PIV可視化池式沸騰實驗裝置加熱器，主要包括加熱面基座、加熱面上蓋板、加熱面底部緊固塊、ITO玻璃、導電銅箔、絕熱圈、加熱面上蓋板密封圈、沸騰表面密封圈以及緊固螺絲。加熱面上蓋板和加熱面底部緊固塊由緊固螺絲固定在加熱面基座上，ITO玻璃夾在加熱面上蓋板和加熱面底部緊固塊之間，絕熱圈位于ITO玻璃的底部，導電銅箔與ITO玻璃緊密連接作為加熱電極，加熱面上蓋板密封圈位于加熱面上蓋板與加熱面基座之間，沸騰表面密封圈位于加熱面上蓋板與ITO玻璃之間。本實用新型可以滿足PLIF-PIV技術在光學可視化上面的要求，沸騰表面的熱流密度按照預定的分布形式進行設置，進而研究汽泡周圍的溫度場以及速度場的變化。
【專利說明】PLIF-PIV可視化池式沸騰實驗裝置加熱器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及的是一種實驗裝置，具體地說是沸騰實驗裝置。
【背景技術】
[0002]沸騰行為作為一種高效的換熱方式廣泛存在于多種換熱設備中，如微電子設備的冷卻器、空調(diào)以及核反應堆等。然而由于汽泡行為的復雜特性，對其研究尚不充分，因而在很大程度上限制了沸騰換熱的應用。汽泡周圍的溫度場和速度場對汽泡行為的研究有著重要的影響，由于尺度較小采用常規(guī)方法很難實現(xiàn)精確測量。而PLIF(平面誘導熒光)-PIV (平面粒子測速)技術則可以同時獲取液體內(nèi)平面內(nèi)的溫度場分布以及速度場分布，有利于對汽泡行為和沸騰行為的進一步研究。然而一般的沸騰加熱裝置由于沒有考慮到PLIF-PIV研究中的可視化需求，設計的加熱裝置很難滿足實驗的要求，同時由于密封以及熱流密度控制上的缺點，很難獲取較好的實驗結(jié)果。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本實用新型的目的在于提供用于研究汽泡周圍的溫度場以及速度場的變化的PLIF-PIV可視化池式沸騰實驗裝置加熱器。
[0004]本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0005]本實用新型PLIF-PIV可視化池式沸騰實驗裝置加熱器，其特征是:包括ITO玻璃、左加熱器單元、右加熱器單元；左加熱器單元包括加熱面上蓋板、加熱面基座、加熱面底部緊固塊、沸騰表面密封圈、絕熱圈、導電銅箔，加熱面基座和加熱面底部緊固塊的剖面均為由短剖面和長剖面構(gòu)成的L型，加熱面基座的長剖面和加熱面底部緊固塊的長剖面相固定，且加熱面基座的長剖面位于加熱面底部緊固塊長剖面的上方，加熱面基座的短剖面面向下方，加熱面上蓋板固定在加熱面基座的上方且相對于加熱面基座有伸出部分，加熱面上蓋板的伸出部分與加熱面底部緊固塊的短剖面相對，ITO玻璃的左端部安裝在加熱面上蓋板的伸出部分與加熱面底部緊固塊的短剖面之間，ITO玻璃的左端部與加熱面上蓋板的伸出部分之間安裝沸騰表面密封圈，ITO玻璃的左端部與加熱面底部緊固塊之間依次安裝導電銅箔、絕熱圈；右加熱器單元與左加熱器單元結(jié)構(gòu)相同，且右加熱器單元與ITO玻璃的裝配關系與左加熱器單元相同。
[0006]本實用新型還可以包括:
[0007]1、所述的ITO玻璃包括基板，基板的中部上鍍有ITO鍍膜，ITO鍍膜的左端和右端即分別與左加熱器單元和右加熱器單元的導電銅箔相連的部分設置導電膠帶。
[0008]2、加熱面基座的上表面設置開設密封槽道，密封槽道里安裝加熱面上蓋板密封圈，加熱面基座短剖面的下表面開設加熱器密封槽道和加熱器螺孔。
[0009]3、加熱面上蓋板密封圈的材質(zhì)為丁晴橡膠；密封槽道經(jīng)過銑削加工為矩形槽道，其寬度為3mm，槽深為2mm ;加熱器密封槽道的寬度和深度都是5mm ;沸騰表面密封圈的材質(zhì)為硅膠；ΙΤ0玻璃的基板為厚度1.1mm的藍寶石玻璃；絕熱圈由環(huán)氧樹脂加工而成，厚度為2mm ;加熱面底部緊固塊短剖面與加熱面基座長剖面的縫隙尺寸為1mm。
[0010]本實用新型的優(yōu)勢在于:
[0011](I)采用ITO玻璃作為沸騰表面和加熱元件使得本實用新型具備了更好的可視化效果，且其表面熱流密度可以更好的進行控制，獲取較高的熱流密度從而可以極大擴展實驗參數(shù)的范圍。
[0012](2)獨立設計的PLIF-Piv沸騰實驗裝置具有較高的適用性，通過簡單的容器設計改變就可以分別研究各種壁面朝向條件下的沸騰汽泡行為。
[0013](3)本實用新型在很大程度上可以消除邊角部位的沸騰現(xiàn)象，給高速攝影拍攝汽泡圖像以及結(jié)合PLIF-PIV技術對汽泡周圍溫度場以及速度場的測量帶來方便。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型的剖視圖；
[0015]圖2a為本實用新型ITO玻璃結(jié)構(gòu)示意圖a，圖2b為本實用新型ITO玻璃結(jié)構(gòu)示意圖b。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖舉例對本實用新型做更詳細地描述:
[0017]結(jié)合圖1?2，本實用新型所涉及的PLIF-PIV可視化池式沸騰實驗裝置加熱器主要包括以下幾部分，加熱面基座1、加熱面上蓋板2、加熱面底部緊固塊3、ITO玻璃4、導電銅箔5、絕熱圈6、加熱面上蓋板密封圈7、沸騰表面密封圈8、緊固螺絲9、加熱器密封槽道10、密封槽道11以及加熱器螺孔12。沸騰表面為矩形，加熱面基座1、加熱面上蓋板2以及加熱面底部緊固塊3全部由不銹鋼加工而成。為了保證加工精度，加熱面上蓋板直接采用Imm厚度的不銹鋼板線切割加工。通過緊固螺絲9的緊固，將ITO玻璃4夾在這些結(jié)構(gòu)體中間，并通過沸騰表面密封圈8形成密封，避免了泄露的發(fā)生。
[0018]加熱面上蓋板密封圈7的材質(zhì)為丁晴橡膠，本加熱裝置主要針對常壓條件下的水沸騰而設計，而丁晴橡膠的耐溫可達到100攝氏度，因此可以滿足設計的要求。加熱面上蓋板密封圈7位于預先加工在加熱面基座I上的密封槽道11內(nèi)，可以固定在槽內(nèi)不發(fā)生位移并實現(xiàn)密封的作用。密封槽經(jīng)過銑削加工為矩形槽道，其寬度為3mm，槽深為2mm。此外，在加熱面基座的底部也設置有加熱器密封槽道10，槽道寬度和深度都是5mm，用于加熱器安裝到容器后的密封。
[0019]沸騰表面密封圈8由娃膠板裁剪而成,位于ITO玻璃4與加熱面上蓋板2之間。在這里雖然沸騰表面密封圈8處并沒有熱量產(chǎn)生，然而其緊靠加熱位置由于橫向?qū)岬淖饔脺囟容^高，因此采用耐溫高達200攝氏度以上的硅膠墊圈。硅膠墊圈的加工較為容易，而且成本較低。在這里沸騰表面密封圈8不僅起到了密封的作用，同時也為ITO玻璃4的熱變形提供了空間，從而有效保護了 ITO玻璃4不至于因為熱脹冷縮而發(fā)生破裂。
[0020]ITO玻璃4的制備在本實用新型中至關重要，本實用新型采用成本較低且可靠性較高的紫外顯影蝕刻法對其進行制備。ITO玻璃4的基板14為厚度1.1mm的藍寶石玻璃，具有較高的導熱系數(shù)，可以有效降低內(nèi)外板溫差。ITO玻璃4邊緣部位的ITO鍍膜通過蝕刻技術去除掉,露出基板14，這樣可以消除邊角部位的加熱，如圖2所示。
[0021]在準備好蝕刻完畢加工成型的ITO玻璃4之后，裁剪合適大小的導電膠帶15貼于ITO玻璃4具有ITO鍍膜13的一面，將其壓緊并從另外一面確認沒有形成空隙，保證導電膠帶與ITO鍍膜之間的良好接觸。本設計中ITO玻璃4的電極由導電銅箔5制成，首先裁剪合適大小的紫銅箔，根據(jù)圖1中的形狀進行彎折，注意彎折過程中不要反復從而折斷銅箔或降低其導電性能。
[0022]本實用新型中所涉及的絕熱圈6位于作為加熱表面的ITO玻璃4的底部，既起到了對加熱面基座的絕熱作用，也作為與加熱面基座I之間的絕緣材料。本實用新型中絕熱圈6由環(huán)氧樹脂加工而成，厚度為2_，首先將整塊環(huán)氧樹脂板加工成與ITO玻璃4大小相同的矩形板，進一步將其中心掏空，使其成為中空矩形，以便于從底部對沸騰表面上的汽泡行為進行觀察，同時提供激光片光從底部照射沸騰區(qū)域的光路。
[0023]整個加熱器通過緊固螺絲9固定在一起，各個部件壓緊形成本實用新型中所述的加熱器。加熱面底部緊固塊3與加熱面基座I側(cè)面的縫隙尺寸均大約1_，既保證了裝配時所需的余量，也確保了導電銅箔5與整個金屬結(jié)構(gòu)部件(如加熱面基座1、加熱面底部緊固塊3)之間的絕緣。
[0024]本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0025]主要包括加熱面基座、加熱面上蓋板、加熱面底部緊固塊、ITO玻璃、導電銅箔、絕熱圈、加熱面上蓋板密封圈、沸騰表面密封圈以及緊固螺絲。加熱面上蓋板和加熱面底部緊固塊由緊固螺絲固定在加熱面基座上，ITO玻璃夾在加熱面上蓋板和加熱面底部緊固塊之間，絕熱圈位于ITO玻璃的底部，導電銅箔與ITO玻璃緊密連接作為加熱電極，加熱面上蓋板密封圈位于加熱面上蓋板與加熱面基座之間，沸騰表面密封圈位于加熱面上蓋板與ITO玻璃之間。
[0026]ITO玻璃作為沸騰表面，由金剛石筆加工成矩形，通過化學蝕刻的方法將ITO鍍膜加工成所需的形狀，進而控制熱流密度在沸騰表面上的分布形式。
[0027]加熱面基座和加熱面底部緊固塊為主要的結(jié)構(gòu)部件，由不銹鋼加工而成，加熱面上蓋板由Imm厚的不銹鋼板線切割加工而成。
[0028]絕熱圈是環(huán)氧樹脂絕熱圈，形狀為中空矩形。。
[0029]導電銅箔與ITO玻璃之間通過導電膠帶連接，即將導電膠帶粘貼到ITO鍍膜上，利用加熱面底部緊固塊緊壓導電銅箔將二者緊密連接。
[0030]ITO鍍膜的化學蝕刻通過紫外顯影蝕刻法完成，即首先使用激光打印機將所需蝕刻的形狀打印到菲林紙上，將打印好的菲林紙緊密貼到涂有感光藍油ITO鍍膜上，采用紫外線燈對感光藍油進行曝光，曝光完成后使用顯影液進行顯影，隨后將ITO玻璃放置到稀鹽酸與雙氧水的混合溶液中對ITO鍍膜進行蝕刻，蝕刻完成后使用脫膜液進行脫膜，即可得到加工好的ITO玻璃。
[0031]加熱面密封圈位于加熱面基座上加工的密封槽中，經(jīng)過緊固螺絲固定之后加熱面上蓋板與加熱面基座緊密連接，中間無縫隙。
[0032]為了克服已有技術的不足，本實用新型所設計的加熱器可以獨立安裝在任意池式沸騰容器內(nèi)部，通過設置不同的安裝位置，加熱表面可以為水平放置、垂直放置或者傾斜放置，基于此通過實驗研究不同表面朝向?qū)Ψ序v汽泡行為的影響。
[0033]本實用新型中所述的表面沸騰加熱裝置的加熱面采用ITO玻璃，同時作為加熱源和沸騰表面。加熱電源采用直流電源，配合控制系統(tǒng)可以對加熱功率實現(xiàn)精確控制。相比于以往常用的電阻式加熱器向沸騰表面導熱的加熱方式和輻射加熱方式而言，由于ITO鍍膜與玻璃表面緊密連接，二者之間熱阻較小，因此可以達到較高的熱流密度，有利于實驗參數(shù)范圍的擴展。另一方面，相比于直流電加熱金屬板(或管)的加熱方式，ITO玻璃的未鍍膜側(cè)并沒有通電，即達到了良好的絕緣效果，進而避免了加入PLIF或者PIV所用的示蹤粒子之后所引起的工質(zhì)導電率的改變而帶來的電解現(xiàn)象，從而消除了其他因素對實驗的影響。
[0034]ITO玻璃沸騰表面的ITO鍍膜采用紫外顯影蝕刻法對其進行精細加工，使其表面的導電介質(zhì)達到預定的分布。由于導電介質(zhì)的形狀是影響直流電加熱中熱流密度分布的主要原因之一，因此在可控的ITO鍍膜分布下可以實現(xiàn)對熱流密度分布的精確控制，達到同時實現(xiàn)高熱流密度加熱且保護加熱裝置表面的目的。此外，由于邊角部位的傳熱惡化情況，傳統(tǒng)加熱器并不能對其進行很好的控制，因此很大一部分汽泡在邊角密封部位處產(chǎn)生，由此既對傳熱的分析產(chǎn)生了較大的影響，也對中心處汽泡的拍攝造成了一定的困難。而在熱流密度可控的情況下，以上影響都可以最大限度地避免。
[0035]ITO玻璃沸騰表面相比于金屬沸騰表面而言可視化效果更好，其對可見光的透射率可以達到85%以上，因此既可以從沸騰表面底部對沸騰汽泡行為進行觀察。此外也可以直接使用激光片光源從底部照射沸騰表面，進而結(jié)合PLIF-PIV技術獲取汽泡周圍的溫度場和速度場信息。
[0036]導電銅箔與ITO鍍膜之間采用導電膠帶進行連接，導電膠帶使沸騰表面密封面處沒有與沸騰工質(zhì)直接接觸的部位處于同一電勢，不會產(chǎn)生額外的熱量，這樣既實現(xiàn)了對沸騰表面密封圈的保護，也降低了邊緣部位產(chǎn)生汽泡的可能性。通過分析可知，ITO鍍膜的方阻為10-15歐姆，實驗所涉及的電阻相對金屬介質(zhì)較大，因此加熱過程中所需的電流不大，采用導電膠帶完全可以滿足設計要求。相比于其他設計中采用鍍銀的方法對ITO電極部位的處理，本實用新型中采用的方法工藝更加簡單，且成本更低。
[0037]在對沸騰表面固定的過程中，本實用新型設計了加熱面上蓋板對其進行固定。沒有直接采用銑削加工成型的主要原因有以下兩點，其一是由于該部位處的厚度不能太大，否則將影響到側(cè)面觀察汽泡行為，而在深度較大的情況下銑床的加工精度以及表面光潔度難以得到保證。其二是由于此處為密封面且厚度較小，因此會在承受應力的情況下發(fā)生一定的形變，采用加熱面上蓋板的設計則可以非常方便的對此密封面進行替換。
[0038]加熱面上蓋板密封圈位于加熱面基座內(nèi)的密封槽內(nèi)，這樣在使用緊固螺絲對加熱板密封圈和加熱面基座進行固定之后二者之間將緊密配合且無縫隙，由此可以更好的保證光學可視化的要求。
[0039]絕熱圈位于作為加熱表面的ITO玻璃的底部，既實現(xiàn)了與加熱面基座之間的絕熱，也作為加熱面與加熱面基座之間的絕緣材料。本實用新型中絕熱圈由環(huán)氧樹脂加工而成，這種材料容易加工，且具有較高的絕緣系數(shù)和較低的導熱性，加工成中空矩形則保證了加熱面底部的可視化要求。
【權(quán)利要求】
1.PLIF-PIV可視化池式沸騰實驗裝置加熱器，其特征是:包括ITO玻璃、左加熱器單元、右加熱器單元；左加熱器單元包括加熱面上蓋板、加熱面基座、加熱面底部緊固塊、沸騰表面密封圈、絕熱圈、導電銅箔，加熱面基座和加熱面底部緊固塊的剖面均為由短剖面和長剖面構(gòu)成的L型，加熱面基座的長剖面和加熱面底部緊固塊的長剖面相固定，且加熱面基座的長剖面位于加熱面底部緊固塊長剖面的上方，加熱面基座的短剖面面向下方，加熱面上蓋板固定在加熱面基座的上方且相對于加熱面基座有伸出部分，加熱面上蓋板的伸出部分與加熱面底部緊固塊的短剖面相對，ITO玻璃的左端部安裝在加熱面上蓋板的伸出部分與加熱面底部緊固塊的短剖面之間，ITO玻璃的左端部與加熱面上蓋板的伸出部分之間安裝沸騰表面密封圈，ITO玻璃的左端部與加熱面底部緊固塊之間依次安裝導電銅箔、絕熱圈；右加熱器單元與左加熱器單元結(jié)構(gòu)相同，且右加熱器單元與ITO玻璃的裝配關系與左加熱器單元相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PLIF-PIV可視化池式沸騰實驗裝置加熱器，其特征是:所述的ITO玻璃包括基板，基板的中部上鍍有ITO鍍膜，ITO鍍膜的左端和右端即分別與左加熱器單元和右加熱器單元的導電銅箔相連的部分設置導電膠帶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的PLIF-PIV可視化池式沸騰實驗裝置加熱器，其特征是:加熱面基座的上表面設置開設密封槽道，密封槽道里安裝加熱面上蓋板密封圈，加熱面基座短剖面的下表面開設加熱器密封槽道和加熱器螺孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的PLIF-PIV可視化池式沸騰實驗裝置加熱器，其特征是:加熱面上蓋板密封圈的材質(zhì)為丁晴橡膠；密封槽道經(jīng)過銑削加工為矩形槽道，其寬度為3_，槽深為2_ ;加熱器密封槽道的寬度和深度都是5_ ;沸騰表面密封圈的材質(zhì)為硅膠；ITO玻璃的基板為厚度1.1mm的藍寶石玻璃；絕熱圈由環(huán)氧樹脂加工而成，厚度為2_ ;力口熱面底部緊固塊短剖面與加熱面基座長剖面的縫隙尺寸為1mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的PLIF-PIV可視化池式沸騰實驗裝置加熱器，其特征是:加熱面上蓋板密封圈的材質(zhì)為丁晴橡膠；密封槽道經(jīng)過銑削加工為矩形槽道，其寬度為3_，槽深為2_ ;加熱器密封槽道的寬度和深度都是5_ ;沸騰表面密封圈的材質(zhì)為硅膠；ΙΤ0玻璃的基板為厚度1.1mm的藍寶石玻璃；絕熱圈由環(huán)氧樹脂加工而成，厚度為2mm ;加熱面底部緊固塊短剖面與加熱面基座長剖面的縫隙尺寸為1mm。
【文檔編號】G01N25/00GK203929688SQ201420350913
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】譚思超, 李少丹, 王嘯宇 申請人:哈爾濱工程大學