專利名稱：微尺度爆發(fā)沸騰過程的可視化觀測與瞬態(tài)測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種觀察和測量液體工質(zhì)急速爆發(fā)沸騰的系統(tǒng)，具體地說，涉及一種微尺度爆發(fā)沸騰過程的可視化觀測與瞬態(tài)測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微尺度超急速爆發(fā)沸騰是在瞬態(tài)高熱流作用下引發(fā)的一種超常沸騰現(xiàn)象，它的主要特征在于液體快速加熱至高度過熱，從而導(dǎo)致急速爆發(fā)式的汽泡核化與增長，常見于各類冶金、化工、核反應(yīng)堆等過程中。最先對超急速爆發(fā)沸騰傳熱進(jìn)行研究是為了解決在核反應(yīng)堆、冶金、液化天然氣等工業(yè)中常發(fā)生與其緊密相關(guān)的事故，如核反應(yīng)堆的冷卻水系統(tǒng)失效時(shí)熔化的核燃料棒與冷卻水瞬間接觸而導(dǎo)致蒸汽爆炸，從而出現(xiàn)嚴(yán)重的核安全事故。近年來，隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的飛速發(fā)展，超急速爆發(fā)沸騰過程得到了進(jìn)一步廣泛應(yīng)用金屬材料的激光融敷、貴重物品與微電子器件表面的激光清洗、激光醫(yī)療手術(shù)、噴墨打印機(jī)、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)等。正逐步發(fā)展的激光清洗(steam laser cleaning)方法就是利用激光作用下固體表面液膜超急速爆發(fā)沸騰所產(chǎn)生的巨大力量克服固體表面上微/納米粒子與表面的強(qiáng)吸附作用而達(dá)到清洗的效果。采用微通道內(nèi)急速沸騰傳熱產(chǎn)生的高壓氣體驅(qū)動微機(jī)械系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)無閥驅(qū)動，且機(jī)構(gòu)簡單，適于微型化，給微機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來革命性的變化。一些基于傳熱學(xué)原理的微傳感器、微驅(qū)動器、微泵以及其它微流體機(jī)械相繼問世，并在電子、通訊、能源、醫(yī)學(xué)、國防、航空航天、航海等領(lǐng)域有極為廣闊的應(yīng)用前景。
微尺度超急速爆發(fā)沸騰，無論是對高新技術(shù)的成功利用還是對災(zāi)難性事故的預(yù)防與控制，都迫切需要對其進(jìn)行更深入系統(tǒng)的研究，以更好地利用或防止超急速爆發(fā)沸騰現(xiàn)象的發(fā)生。但由于傳遞過程中超常現(xiàn)象的出現(xiàn)，使常規(guī)測量技術(shù)與經(jīng)典理論面臨著巨大的挑戰(zhàn)，從而使人們對其微觀機(jī)理的認(rèn)識還非常有限，對其中的超?，F(xiàn)象還不能給出合理的解釋與恰當(dāng)?shù)拿枋?，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果還不能較好地用于指導(dǎo)實(shí)踐等等。迫切需要探索和發(fā)展能揭示其超常沸騰過程的實(shí)驗(yàn)與測量技術(shù)以及相關(guān)理論描述，為實(shí)際應(yīng)用和高科技發(fā)展服務(wù)，這也將使沸騰傳熱的研究進(jìn)入一個(gè)新的階段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微尺度爆發(fā)沸騰過程的可視化觀測與瞬態(tài)測量系統(tǒng)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的微尺度爆發(fā)沸騰過程的可視化觀測與瞬態(tài)測量系統(tǒng)，其組成為一脈沖激光器，受一激光控制器的控制，以產(chǎn)生一脈沖激光束和觸發(fā)信號；一鉑薄膜試件，為在石英玻璃柱的上端面上鍍有一層鉑金而成，浸沒于一盛放有液體工質(zhì)的液池內(nèi)，并與激光束為同一軸線，石英玻璃柱的兩側(cè)各引出一導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集記錄儀相連接；一高速攝影儀，鏡頭對準(zhǔn)鉑薄膜試件表面及其上方發(fā)生爆發(fā)沸騰區(qū)域；一高頻壓電式壓力傳感器(NCS-1)與數(shù)據(jù)采集記錄儀相連接，該傳感器的傳感頭置于液體工質(zhì)內(nèi)；由上述裝置，在激光控制器上預(yù)置脈沖激光器的輸出參數(shù)，脈沖激光器輸出激光的同時(shí)，向數(shù)據(jù)采集記錄儀和高速攝影儀同時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號，數(shù)據(jù)采集記錄儀提前進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；激光束照射在鉑薄膜試件表面，通過鉑薄膜試件受熱對液體工質(zhì)加熱以產(chǎn)生爆發(fā)沸騰，高速攝影儀對爆發(fā)沸騰過程進(jìn)行拍攝。
其中脈沖激光器的光束波長為1.06μm，脈沖寬度為800ns～5μs可調(diào)，光斑直徑為0.2～10mm可調(diào)，功率密度為10-～10000MW/m2可調(diào)。
其中液體工質(zhì)為對波長1.06μm的激光幾乎不吸收的透明液體工質(zhì)，如丙酮或乙醇。
其中鉑薄膜試件上的鉑金厚度約為0.5μm。
其中液池的周圍有一照明光源，該照明光源的照明區(qū)域?yàn)殂K薄膜試件表面及其上方發(fā)生爆發(fā)沸騰的部分。
其中石英玻璃柱的兩側(cè)涂有銀漿以引出導(dǎo)線。
其中高速攝影儀的鏡頭上設(shè)有高倍數(shù)顯微放大鏡。
其中高頻數(shù)據(jù)采集記錄儀的數(shù)據(jù)輸入至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和儲存。
本發(fā)明采用的鉑薄膜試件既是測溫元件又是液體工質(zhì)的加熱元件，以最大限度保證系統(tǒng)內(nèi)部不出現(xiàn)相互干擾，并保證測溫過程的瞬時(shí)和準(zhǔn)確性。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。
圖2為本發(fā)明的鉑薄膜試件示意圖。
圖3為本發(fā)明以丙酮為工質(zhì)時(shí)的爆發(fā)式池沸騰動態(tài)過程照片。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
請結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明主要由脈沖激光加熱系統(tǒng)、瞬態(tài)溫度測量系統(tǒng)、瞬態(tài)壓力測量系統(tǒng)和高速顯微放大攝影觀測分析系統(tǒng)組成。
其中脈沖激光加熱系統(tǒng)是由激光控制器1控制脈沖激光器2的輸出功率，將激光束2A照射到鉑薄膜試件3的表面。
本發(fā)明采用的脈沖激光器2的波長為1.06μm，脈沖寬度為800ns～5μs可調(diào)，光斑直徑為0.2～10mm可調(diào)，功率密度為10-～10000MW/m2可調(diào)，通過控制器控制開關(guān)電源來調(diào)節(jié)其輸出參數(shù)。
鉑薄膜試件3是在石英玻璃柱的上端面上鍍有一層厚度約為0.5μm的鉑金而成(如圖2所示)，石英玻璃柱的兩側(cè)涂有銀漿作為導(dǎo)線引線。
高頻數(shù)據(jù)采集記錄儀5的最高采集速率為500MS/s；高頻壓力傳感器6的頻率大于1兆赫。
鉑薄膜試件3浸沒于盛有液體工質(zhì)的液池4內(nèi)；溫度測量系統(tǒng)由鉑薄膜試件3、高頻數(shù)據(jù)采集記錄儀5、計(jì)算機(jī)6組成；壓力測量系統(tǒng)由高頻壓力傳感器7、高頻數(shù)據(jù)采集記錄儀5、計(jì)算機(jī)6組成；顯微觀察攝影系統(tǒng)由帶有高倍數(shù)顯微放大鏡的超高速攝影儀8與照明光源9組成。
實(shí)驗(yàn)測量過程中，鉑薄膜試件浸沒于盛有實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的液池內(nèi)，或試件表面覆蓋有一層薄液膜，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)丙酮、乙醇等透明液體工質(zhì)對波長為1.06μm的激光能量幾乎不吸收，激光束穿過液體工質(zhì)直接照射到鉑薄膜試件的表面，部分能量用于加熱鉑薄膜試件，鉑薄膜試件受熱升溫后對液體工質(zhì)加熱產(chǎn)生爆發(fā)沸騰；同時(shí)鉑薄膜試件又是一個(gè)電阻測溫元件，并與溫度測量、記錄及分析系統(tǒng)相連對爆發(fā)沸騰過程中的溫度變化進(jìn)行測量。所以實(shí)驗(yàn)測量過程中鉑薄膜試件既是測溫元件又是液體工質(zhì)的加熱元件，以最大限度保證系統(tǒng)內(nèi)部不出現(xiàn)相互干擾，并保證測溫過程的瞬時(shí)和準(zhǔn)確性。
實(shí)驗(yàn)測量過程中，先在激光控制器上設(shè)置好脈沖激光加熱器的輸出參數(shù)，通過控制器來控制激光器的輸出參數(shù)，在脈沖激光加熱器輸出激光的同時(shí)，向溫度與壓力數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)及超高速顯微放大攝影系統(tǒng)同時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號，溫度與壓力數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)提前進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，超高速顯微放大攝影系統(tǒng)對爆發(fā)沸騰過程進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地高速拍攝。
本發(fā)明可廣泛用于常溫環(huán)境下超急速沸騰(池沸騰、薄液膜等)的溫度測量與汽泡生長變化動力學(xué)過程的可視化觀測。
權(quán)利要求
1.一種微尺度爆發(fā)沸騰過程的可視化觀測與瞬態(tài)測量系統(tǒng)，其組成為一脈沖激光器，受一激光控制器的控制，以產(chǎn)生一脈沖激光束和觸發(fā)信號；一鉑薄膜試件，為在石英玻璃柱的上端面上鍍有一層鉑金而成，置于一盛放有液體工質(zhì)的液池內(nèi)，并與激光束為同一軸線，石英玻璃柱的兩側(cè)各引出一導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集記錄儀相連接；一高速攝影儀，鏡頭對準(zhǔn)鉑薄膜試件表面及其上方發(fā)生爆發(fā)沸騰區(qū)域；一高頻壓電式壓力傳感器(NCS-1)與數(shù)據(jù)采集記錄儀相連接，該傳感器的傳感頭置于液體工質(zhì)內(nèi)；由上述裝置，在激光控制器上預(yù)置脈沖激光器的輸出參數(shù)，脈沖激光器輸出激光的同時(shí)，向數(shù)據(jù)采集記錄儀和高速攝影儀同時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號，數(shù)據(jù)采集記錄儀提前進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；激光束照射在鉑薄膜試件的表面，鉑薄膜試件受熱升溫對液體工質(zhì)加熱產(chǎn)生爆發(fā)沸騰，高速攝影儀對爆發(fā)沸騰過程進(jìn)行拍攝。
2.權(quán)利要求1的微尺度爆發(fā)沸騰過程可視化觀測與瞬態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述脈沖激光器的光束波長為1.06μm，脈沖寬度為800ns～5μs可調(diào)，光斑直徑為0.2～10mm可調(diào)，功率密度為10～10000MW/m2可調(diào)。
3.權(quán)利要求1的微尺度爆發(fā)沸騰過程的可視化觀測與瞬態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述液體工質(zhì)為對波長1.06μm的激光幾乎不吸收的透明液體工質(zhì)。
4.權(quán)利要求1或3的微尺度爆發(fā)沸騰過程的可視化觀測與瞬態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述液體工質(zhì)為丙酮或乙醇等。
5.權(quán)利要求1的微尺度爆發(fā)沸騰過程的可視化觀測與瞬態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述鉑薄膜試件上的鉑金厚度約為0.5μm。
6.權(quán)利要求1的微尺度爆發(fā)沸騰過程的可視化觀測與瞬態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述液池周圍設(shè)有一照明光源，該照明光源的照明區(qū)域?yàn)殂K薄膜試件表面及其上方發(fā)生爆發(fā)沸騰的部分。
7.權(quán)利要求1的微尺度爆發(fā)沸騰過程的可視化觀測與瞬態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述石英玻璃柱的兩側(cè)涂有銀漿以引出導(dǎo)線。
8.權(quán)利要求1的微尺度爆發(fā)沸騰過程的可視化觀測與瞬態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述高速攝影儀的鏡頭上設(shè)有高倍數(shù)顯微放大鏡。
9.權(quán)利要求1的微尺度爆發(fā)沸騰過程的可視化觀測與瞬態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述高頻數(shù)據(jù)采集記錄儀的數(shù)據(jù)輸入至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和儲存。
全文摘要
一種微尺度爆發(fā)沸騰過程的可視化觀測與瞬態(tài)測量系統(tǒng)，組成為一脈沖激光器，產(chǎn)生一脈沖激光束和觸發(fā)信號；一鉑薄膜試件，為在石英玻璃柱的上端面上鍍有一層鉑金而成，置于一盛放有液體工質(zhì)的液池內(nèi)，并與激光束為同一軸線，石英玻璃柱兩側(cè)各引出一導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集記錄儀相連接；一高速攝影儀，鏡頭對準(zhǔn)鉑薄膜試件表面及其上方區(qū)域；一高頻壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集記錄儀相連接，該傳感器的傳感頭置于液體工質(zhì)內(nèi)。脈沖激光器輸出激光的同時(shí)，向數(shù)據(jù)采集記錄儀和高速攝影儀同時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號，數(shù)據(jù)采集記錄儀提前進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；激光束照射在鉑薄膜試件表面，鉑薄膜試件受熱升溫對液體工質(zhì)加熱產(chǎn)生爆發(fā)沸騰，高速攝影儀對爆發(fā)沸騰過程進(jìn)行拍攝。
文檔編號G01N25/02GK1995985SQ20051013076
公開日2007年7月11日 申請日期2005年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月28日
發(fā)明者淮秀蘭, 陶毓伽, 李志剛, 尹鐵男 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所