[發明專利]諧波探測技術測量液體導熱系數和熱擴散率的方法及裝置

有效

• 申請號: 200710064386.2
• 申請日: 2007-03-14
• 公開（公告）號: CN101266220A
• 公開（公告）日: 2008-09-17
• 發明（設計）人: 唐大偉;王照亮;鄭興華
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N25/18
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 周國城

技術領域：

本發明涉及一種利用交流加熱和諧波探測技術測量液體導熱系數和熱擴散率的方法及裝置，特別是應用于納米流體、液態金屬等導電和非導電液體熱物性參數測試的方法及裝置。

背景技術：

納米顆粒功能流體(納米懸浮液)和液態金屬等作為一種強化換熱工質在微型加熱、冷卻設備和微型反應器中逐漸得到應用。上述特殊流體的熱參數的準確測量和描述對于上述設備的熱設計及熱控制具有重要作用。目前一般采用瞬態熱線法(THW)，準穩態法，穩態法和短熱線法等測量液體的導熱系數，一般采用直流電加熱，利用信號的時域特性測量。由于熱線自身的熱容以及可能引起液體的自然對流作用，可能使實際的測試系統偏離理論模型。并且在采用直流電加熱情況下，如果測試時間大于3s-6s，熱線和液體之間的溫差可能引起液體的自然對流，因此必須控制測量時間。2005年Vadasz比較了熱線法和瞬態熱帶法，認為采用瞬態熱線法(THW)測試的納米流體導熱系數偏高可能是熱波對流造成的。基于諧波探測的3ω測量技術雖然已經提出了十幾年，但目前未見利用該方法測量納米流體、液態金屬等液體導熱系數的研究報導。分析該測量方法特點發現，該方法可實現液體內部的熱量傳遞，微型加熱膜(線)通過微弱交流信號加熱介質，由加熱線的1ω、2ω和3ω諧波得到溫度波動信號。利用交流鎖相放大技術可以克服瞬態熱線法(THW)很難得到高精度快速信號響應的問題。采用很小的時間常數就可以快速探測到穩定的三次諧波，包含與流體熱參數有關的豐富信息。在頻域內，通過增大加熱頻率可以減小熱作用深度，進而減弱對流產生的干擾。

發明內容：

本發明解決現有液體導熱系數測試方法在時域內測量易引起液體自然對流以及允許的測試短和絕緣困難等的技術缺陷，提供一種基于諧波探測技術的測量方法及其裝置。此方法允許測試時間長、能有效減弱液體自然對流影響、易于絕緣，可用于納米流體、液態金屬等導電和非導電液體導熱系數和熱擴散率等多個熱參數同時測量。

本發明的技術方案是：

一種諧波探測技術測量液體導熱系數和熱擴散率的方法，其步驟依次為：①把微型金屬加熱絲兩端采用壓焊工藝分別固定在兩金屬支架上；②在加熱絲和金屬支架表面沉積絕緣層，然后固定在儲液容器內部；③把儲液容器放置于恒溫真空腔內，在儲液容器內部充灌測試液體并啟動TEC加熱系統加熱到要求溫度；④開啟真空泵，恒溫真空腔的真空度滿足要求后關閉真空泵；⑤把加熱絲與采用模塊化設計的諧波探測系統接通，測試不同頻率下加熱絲兩端的諧波；⑥根據測試原理擬合液體的導熱系數和熱擴散系數。

所述的交流加熱和諧波探測技術測量液體導熱系數和熱擴散率的方法，其所述微型金屬加熱絲采用含有直流分量的周期交流加熱。

所述的交流加熱和諧波探測技術測量液體導熱系數和熱擴散率的方法，其所述微型加熱絲的直徑在5～50μm范圍內，加熱絲的總長度在2～100mm范圍內；表面絕緣層11的厚度在0.1～10μm范圍內，絕緣層11的導熱系數與加熱絲的導熱系數接近，大于60Wm^-1K^-1；加熱絲兩端固定的金屬支架直徑在0.5～5mm范圍內。

一種根據權利要求1所述的方法使用的裝置，其包括

一微型交流加熱/溫度探測器，所述微型交流加熱/溫度探測器表面整體沉積一層導熱絕緣膜，形成耐腐蝕的絕緣層；

一儲液容器，一真空腔，儲液容器置于真空腔內，儲液容器側及下外表面由保溫層包覆，儲液容器與保溫層之間有間距，保溫層底部由大金屬支架支撐；

微型交流加熱/溫度探測器位于儲液容器內；

TEC連續加熱和冷卻模塊位于儲液容器與保溫層之間的間距內，布于儲液容器外側面，使儲液容器內待測液體的溫度從-10℃到200℃之間變化；

一諧波分離電路模塊和一諧波探測電路模塊，通過電壓引線與微型交流加熱/溫度探測器一端連接，所述諧波分離電路將特定的1ω、2ω和3ω諧波相互分離，使鎖相放大器能夠探測到不同諧波的幅值和相位。

所述的裝置，其所述微型交流加熱/溫度探測器，包括微型加熱絲、金屬支架、導熱絕緣膜，其中，加熱絲兩端分別固定在兩金屬支架上，兩金屬支架的自由端，接有電源引線和電壓引線，其電壓引線接諧波探測系統，加熱絲和兩金屬支架表面覆有導熱絕緣層，加熱絲中間設有兩個諧波測量點；微型加熱絲的直徑在5～50μm范圍內，表面絕緣層的厚度在0.1～10μm范圍內，加熱絲的總長度在2～100mm范圍內；兩個諧波測量點間距在2～80mm范圍內，加熱絲兩端固定的金屬支架直徑在0.5～5mm范圍內，兩個金屬支架之間的距離在2～80mm范圍內。