同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置与流程

本公开涉及微流体管理及相变传热技术领域，尤其涉及一种同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置。

背景技术

毛细压力驱动的液体流动和气液相变现象普遍存在于自然界和工业过程中，在许多应用中表现出非常重要的作用，比如海水脱盐和淡水纯化、微流体管理、高效的热质传递，尤其是高功率密度电子器件冷却。被动式的两相传热器件，如热管、毛细微槽蒸发器、蒸汽腔等，能有效解决制约当今电子工业发展的热管理瓶颈问题，具有毛细结构的部件是这些器件的核心部件，其毛细性能决定了两相传热器件的最大取热能力。在评价毛细结构的毛细性能时，毛细压力δpcap和渗透率k是两个最重要的独立参数，毛细压力反映了驱动液体在毛细结构中流动的动力大小，渗透率反映了液体在毛细结构中流动时受到的阻力大小，毛细性能参数s1可以表达为两者的乘积，即s1＝k·δpcap。

目前主要有两种毛细结构，一种是传统的烧结金属粉末形成的多孔毛细结构，另一种是开放式微通道毛细结构，也包括对微通道表面修饰微米结构或纳米结构而形成的基于开放式微通道的复合结构，可以统称为开放式微通道基毛细结构。通常在计算毛细结构的毛细性能参数时，除了测量其他参数以外，还需要知道毛细结构的渗透率。对于烧结金属粉末多孔毛细结构，可以用blake-kozeny方程计算其渗透率。

然而在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，对于开放式微通道基毛细结构，通常利用强迫液体流动法测量渗透率，该方法的实验装置涉及的主要部件有高压气瓶、过滤器、内含加热器的蓄水池、密封测试腔、进出水管道、压力传感器、精密天平等，测试装置和流程较为复杂，耗时较多。缺乏一种能同时测量开放式微通道基毛细结构的毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本公开提供一种同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置，以缓解现有技术中缺乏一种能同时测量开放式微通道基毛细结构的毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供一种同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法，包括：

步骤a：获取被测物体的几何尺寸，计算被测物体的孔隙率；

步骤b：固定被测物体，使被测物体的底端没入液体工质的液面以下；

步骤c：获取液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度，得到润湿速度；

步骤d：根据液体工质的物理性质参数、被测物体的孔隙率及液体工质在被测物体内不同时间对应的润湿高度、润湿速度计算所述被测物体的毛细压力、渗透率和毛细性能参数。

在本公开的一些实施例中，所述步骤a中：若被测物体为开放式微通道基毛细结构，通过下式计算被测物体的孔隙率ε：

其中，a1为开放式微通道基毛细结构中微通道横截面积，a2为肋片的横截面积。

在本公开的一些实施例中，所述步骤d包括：

步骤d1：通过下式计算所述被测物体的毛细压力δpcap：

δpcap＝ρgheq

其中，ρ为液体工质的密度，g为重力加速度，heq为液体工质在被测物体内毛细升高过程中的最终平衡高度；

步骤d2：计算被测物体的第一毛细性能参数s1，包括：

步骤d2a：若不考虑液体工质毛细升高初期的重力效应：通过下式计算所述被测物体的第一毛细性能参数s1：

步骤d2b：若考虑液体工质毛细升高初期的重力效应：通过下式计算所述被测物体的第一毛细性能参数s1：

其中，v＝dh/dt为液体工质的润湿速度，ε为被测物体的孔隙率，μ为液体工质的黏度，h为t时刻液体工质的润湿高度，k为被测物体的渗透率；

步骤d3：利用下式计算被测物体的渗透率k：

k＝s1/δpcap

步骤d4：通过下式计算所述被测物体的第二毛细性能参数s2：

s2＝s1/2σ

其中，σ为液体工质的表面张力。

在本公开的一些实施例中，其中：所述步骤d2a中：将多个h²和t的数据点拟合得到液体工质在被测物体内毛细升高过程中润湿高度的平方h²随时间t变化的函数关系曲线及曲线斜率k1，利用被测物体的孔隙率ε、液体工质的黏度μ和斜率k1计算得出被测物体的毛细性能参数所述步骤d2b中：根据多个不同时间t对应的润湿高度h的数据点得到多个润湿速度v的数据点，再拟合多个v和1/h的数据点得到液体工质在被测物体内毛细升高过程中润湿速度v随润湿高度倒数1/h变化的函数关系曲线及曲线斜率k2，利用被测物体的孔隙率ε、液体工质的黏度μ和斜率k2计算得出被测物体的毛细性能参数s1＝k2εμ。

根据本公开的另一个方面，还提供一种同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的装置，用于同时测量被测物的毛细压力、渗透率和毛细性能参数，包括：储液模块，用于盛放液体工质；固定模块，用于固定被测物体，并使所述被测物体的底端没入所述液体工质的液面以下；润湿高度获取模块，用于获取液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度；以及计算模块，与所述润湿高度获取模块电连接，并执行如下操作：步骤a：根据被测物体的几何尺寸，计算被测物体的孔隙率；步骤b：根据液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度，得到润湿速度；步骤c：根据液体工质的物理性质参数、被测物体的孔隙率及液体工质在被测物体内不同时间对应的润湿高度、润湿速度计算所述被测物体的毛细压力、渗透率和毛细性能参数。

在本公开的一些实施例中，所述被测物体为开放式微通道基毛细结构，包括开放式微通道毛细结构及对微通道表面修饰微米结构或纳米结构而形成的基于开放式微通道的复合结构。

在本公开的一些实施例中，其中：所述开放式微通道基毛细结构中微通道的横截面为矩形、梯形、三角形或圆弧形；所述开放式微通道基毛细结构的材料为金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物、有机高分子材料中的至少一种。

在本公开的一些实施例中，还包括：测量模块，用于测量所述被测物体的几何尺寸。

在本公开的一些实施例中，所述液体工质为已知密度ρ、黏度μ和表面张力σ的液体；其中，所述液体工质为：蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。

在本公开的一些实施例中，所述润湿高度获取模块包括：标尺或已知尺寸的参照物；以及润湿情况记录仪，所述润湿情况记录仪为高速摄影仪或红外热成像仪中的至少一种。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置具有以下有益效果：

本公开提供的同时测量开放式微通道基毛细结构的毛细压力、渗透率和毛细性能的方法及装置通过获取液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度，即可根据液体工质的物理性质参数、被测物体的孔隙率及液体工质在被测物体内不同时间对应的润湿高度、润湿速度代入本公开提供的理论公式计算得到所述被测物体的毛细压力、渗透率和毛细性能参数。测量方法及装置具有简捷、便利、易实现、低成本、可大规模拓展等优势，能够快速、简便地实现开放式微通道基毛细结构的毛细性能的综合评价，具有重要的科学价值和工程应用意义。

附图说明

图1为本公开实施例提供的同时测量开放式微通道基毛细结构的毛细压力、渗透率和毛细性能的方法的步骤图。

图2为本公开实施例中开放式微通道基毛细结构的断面示意图。

图3为本公开实施例中被测物体为铜微通道毛细结构、液体工质为蒸馏水时，液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间t对应的润湿高度h的示意图。

图4为本公开实施例中被测物体为铜微通道毛细结构、液体工质为蒸馏水时，液体工质在被测物体内毛细升高过程中润湿高度的平方h²随时间t变化的函数关系曲线示意图。

图5为本公开实施例中被测物体为铜微通道毛细结构、液体工质为蒸馏水时，液体工质在被测物体内毛细升高过程中润湿速度v随润湿高度倒数1/h变化的函数关系曲线示意图。

图6为本公开实施例提供的同时测量开放式微通道基毛细结构的毛细压力、渗透率和毛细性能的装置的示意图，其中局部放大图为液体工质在开放式微通道基毛细结构润湿情况的正视图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-被测物体；

20-储液模块；

21-液体工质；

30-固定模块；

41-标尺；

42-润湿情况记录仪；

50-计算模块；

60-测量模块。

具体实施方式

本公开实施例提供的同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置通过获取液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度，即可根据液体工质的物理性质参数、被测物体的孔隙率及液体工质在被测物体内不同时间对应的润湿高度、润湿速度代入理论公式计算得到所述被测物体的毛细压力、渗透率和毛细性能参数，具有简捷、便利、易实现、低成本、可大规模拓展等优势，能够快速、简便地实现开放式微通道基毛细结构的毛细性能的综合评价，具有重要的科学价值和工程应用意义。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

图1为本公开实施例提供的同时测量开放式微通道基毛细结构的毛细压力、渗透率和毛细性能的方法的步骤图。

根据本公开的一个方面，如图1所示，提供一种同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法，如图1所示，包括：

步骤a：获取被测物体1的几何尺寸，计算被测物体1的孔隙率；

步骤b：固定被测物体1，使被测物体1的底端没入液体工质21的液面以下；

步骤c：获取液体工质21在被测物体1内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度，得到润湿速度；以及

步骤d：根据液体工质21的物理性质参数、被测物体1的孔隙率及液体工质21在被测物体1内不同时间对应的润湿高度、润湿速度计算被测物体1的毛细压力、渗透率和毛细性能参数。

实际应用时，在获取被测物体1的几何尺寸前，需对被测物体1进行清洗，去除油脂油污及杂质。

图2为本公开实施例中开放式微通道基毛细结构的断面示意图，a1为开放式微通道基毛细结构中微通道横截面积，a2为肋片的横截面积。

在本公开的一些实施例中，步骤a中：若被测物体1为开放式微通道基毛细结构，通过下式计算被测物体1的孔隙率ε：

其中，如图2所示，a1为开放式微通道基毛细结构中微通道横截面积，a2为肋片的横截面积。

在本公开的一些实施例中，步骤d包括：

步骤d1：通过下式计算所述被测物体的毛细压力δpcap：

δpcap＝ρgheq

其中，ρ为液体工质的密度，g为重力加速度，heq为液体工质在被测物体内毛细升高过程中的最终平衡高度；

步骤d2：计算被测物体的第一毛细性能参数s1，包括：

步骤d2a：若不考虑液体工质毛细升高初期的重力效应：通过下式计算所述被测物体的第一毛细性能参数s1：

步骤d2b：若考虑液体工质毛细升高初期的重力效应：通过下式计算所述被测物体的第一毛细性能参数s1：

其中，v＝dh/dt为液体工质的润湿速度，ε为被测物体的孔隙率，μ为液体工质的黏度，h为t时刻液体工质的润湿高度，k为被测物体的渗透率；

步骤d3：利用下式计算被测物体的渗透率k：

k＝s1/δpcap

步骤d4：通过下式计算所述被测物体的第二毛细性能参数s2：

s2＝s1/2σ

其中，σ为液体工质的表面张力。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，获取液体工质21在被测物体1内毛细升高过程中，多个与不同时间t对应的润湿高度h的数据点，其中：

步骤d2a中：如图4所示，将多个h²和t的数据点拟合得到液体工质21在被测物体1内毛细升高过程中润湿高度的平方h²随时间t变化的函数关系曲线及曲线斜率k1，利用被测物体1的孔隙率ε、液体工质21的黏度μ和斜率k1计算得出被测物体的毛细性能参数

步骤d2b中：如图5所示，根据多个不同时间t对应的润湿高度h的数据点得到多个润湿速度v的数据点，再拟合多个v和1/h的数据点得到液体工质在被测物体内毛细升高过程中润湿速度v随润湿高度倒数1/h变化的函数关系曲线及曲线斜率k2，利用被测物体的孔隙率ε、液体工质的黏度μ和斜率k2计算得出被测物体的毛细性能参数s1＝k2εμ。

图6为本公开实施例提供的同时测量开放式微通道基毛细结构的毛细压力、渗透率和毛细性能的装置的示意图，其中局部放大图为液体工质在开放式微通道基毛细结构润湿情况的正视图。

根据本公开的一个方面，提供一种同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的装置，如图6所示，包括：储液模块20，用于盛放液体工质21；固定模块30，用于固定被测物体1，并使被测物体1的底端没入液体工质21的液面以下；润湿高度获取模块，用于获取液体工质21在被测物体1内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度；以及计算模块50，与润湿高度获取模块电连接，并执行如下操作：步骤a：根据被测物体的几何尺寸，计算被测物体的孔隙率；步骤b：根据液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度，得到润湿速度；步骤c：根据液体工质的物理性质参数、被测物体的孔隙率及液体工质在被测物体内不同时间对应的润湿高度、润湿速度计算所述被测物体的毛细压力、渗透率和毛细性能参数，本公开实施例提供的同时测量开放式微通道基毛细结构的毛细压力、渗透率和毛细性能的装置通过获取液体工质21在被测物体内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度，即可根据液体工质21的物理性质参数(如密度ρ、黏度μ和表面张力σ)、被测物体1的孔隙率及液体工质21在被测物体内不同时间对应的润湿高度、润湿速度代入本公开实施例提供的理论公式计算得到被测物体1的毛细压力、渗透率和毛细性能参数，无需额外的强迫液体流动的装置来测量渗透率；该测量方法及装置具有简捷、便利、易实现、低成本、可大规模拓展等优势，能够快速、简便地实现开放式微通道基毛细结构的毛细性能的综合评价，具有重要的科学价值和工程应用意义。

在本公开的一些实施例中，被测物体1为开放式微通道基毛细结构，包括：开放式微通道毛细结构及对微通道表面修饰微米结构或纳米结构而形成的基于开放式微通道的复合结构。

在本公开的一些实施例中，开放式微通道基毛细结构中微通道的横截面为矩形、梯形、三角形或圆弧形。

在本公开的一些实施例中，开放式微通道基毛细结构的材料为金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物、有机高分子材料中的至少一种。

在本公开的一些实施例中，该同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的装置还包括：测量模块60，用于测量被测物体1的几何尺寸，进而计算得到被测物体1的孔隙率。

在本公开的一些实施例中，液体工质21为已知密度ρ、黏度μ和表面张力σ的液体；其中，液体工质21为：蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。

在本公开的一些实施例中，如图1所示，润湿高度获取模块包括：标尺41或已知尺寸的参照物；以及润湿情况记录仪42，润湿情况记录仪42为高速摄影仪或红外热成像仪中的至少一种。

以下以一具体实施例，验证本公开实施例提供的同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置的有效性：

被测物体1为铜质微通道毛细结构，液体工质21为蒸馏水。

步骤1：利用本公开实施例提供的同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数装置，获取蒸馏水在铜质微通道毛细结构内毛细升高过程中，多个不同时间t对应的润湿高度h的数据点，如图3所示。

步骤2a：若不考虑蒸馏水在铜质微通道毛细结构内毛细升高初期的重力效应，则拟合多个h²和t的数据点得到蒸馏水在铜质微通道毛细结构内毛细升高过程中润湿高度的平方h²随时间t变化的函数关系曲线，如图4所示，可以看出曲线的线性度很好，与理论公式相符，其线性拟合的斜率为k1，再利用铜质微通道毛细结构的孔隙率ε、蒸馏水的黏度μ和斜率k1计算得出铜质微通道毛细结构的毛细性能参数

步骤2b：若考虑蒸馏水在铜质微通道毛细结构内毛细升高初期的重力效应，由多个与不同时间t对应的润湿高度h的数据点得到多个润湿速度v的数据点，拟合多个v和1/h的数据点得到蒸馏水在铜质微通道毛细结构内毛细升高过程中润湿速度v随润湿高度倒数1/h变化的函数关系曲线，如图5所示，可以看出曲线的线性度很好，与理论公式相符，其线性拟合得到斜率k2，再利用铜质微通道毛细结构的孔隙率ε、蒸馏水的黏度u和斜率k2计算得出铜质微通道毛细结构的毛细性能参数s1＝k·δpcap＝k2εμ＝6.52×10^-7n。

步骤3：通过蒸馏水的密度ρ，重力加速度g和蒸馏水在铜质微通道毛细结构内毛细升高过程中的最终平衡高度heq＝20.3mm，计算得到铜质微通道毛细结构的毛细压力δpcap＝ρgheq＝198pa。

步骤4：通过毛细性能参数s1和铜质微通道毛细结构的毛细压力δpcap计算铜质微通道毛细结构的渗透率k＝s1/δpcap＝3.2×10^-9m²。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供的同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置通过获取液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度，即可根据液体工质的物理性质参数、被测物体的孔隙率及液体工质在被测物体内不同时间对应的润湿高度、润湿速度代入本公开实施例提供的理论公式计算得到被测物体的毛细压力、渗透率和毛细性能参数。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。