CN102374878A

CN102374878A - 一种冷板性能测试装置

Info

Publication number: CN102374878A
Application number: CN2011102208369A
Authority: CN
Inventors: 张佳卉; 周丽; 李欣; 刘建峰; 李云龙; 赵春伟; 石军; 赵自勤
Original assignee: China North Vehicle Research Institute
Current assignee: China North Vehicle Research Institute
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2031-07-26
Also published as: CN102374878B

Abstract

本发明提供的一种冷板性能测试装置，其特征在于包括通过管路依次串联在一起的温度计(4)、压力计(5)、流量计(6)、过滤器(7)、散热器(8)、流量阀(10)、水泵(11)、水箱(13)和冷板(1)；风扇(9)通过支架与散热器(8)固定在一起；电加热器(12)通过螺纹连接安装在水箱(13)侧壁上；发热电阻模块(2)和壁温传感器(3)通过螺栓固定在冷板(1)表面；控制单元(14)与发热电阻模块(2)、壁温传感器(3)、温度计(4)、压力计(5)、流量计(6)、风扇(9)、水泵(11)、电加热器(12)通过导线连接起来构成装置的控制部分；该装置测量范围宽，测量误差较小，测量精度高。

Description

一种冷板性能测试装置

技术领域

本发明涉及机械电子工程领域中的装置，具体地讲，涉及测试装置。

背景技术

随着电子技术的飞速发展，电子设备和电子元器件的小型化，使得设备的体积功率密度越来越大，造成设备的热耗散功率不断增长，特别是在车载电子设备中尤为突出。如果电子器件的热耗散不能及时散去，将对电子器件的性能产生很大影响，甚至造成破坏性损伤，使整个器件失效。在电子设备的常见故障中，由于电子设备的温度过高而导致设备不能正常工作的高达50％～60％。因此，开发高效、可靠的散热元件即电子冷板显得尤为重要。

为解决电子设备和电子元器件的热耗散问题，从而使其工作在稳定的环境温度下，市场对水冷板的需求会越来越广，冷板性能测试也必将不可回避。

现有的冷板测试装置都是针对某块冷板而在试验台上临时搭建的简易系统，水泵为单级离心泵导致测量范围较小，冷板表面热源加载时难以保证与实际电器元件具有相同的热流密度，冷板表面热源向周围环境自然散热的保温措施做的不够好，同时由于冷板与发热电阻模块之间涂抹导热硅胶厚度不均匀，导致测量误差大，过滤器精度较低，导致系统内洁净度差而影响了测量精度。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种冷板性能测试装置，该装置的测量范围宽，测量误差较小，且具有较高的测量精度。

本发明提供的一种冷板性能测试装置，其改进之处在于包括通过管路依次串联在一起的温度计、压力计、流量计、过滤器、散热器、流量阀、水泵、水箱和冷板；风扇通过支架与散热器固定在一起；电加热器通过螺纹连接安装在水箱侧壁上；发热电阻模块和壁温传感器通过螺栓固定在冷板表面；控制单元与发热电阻模块、壁温传感器、温度计、压力计、流量计、风扇、水泵、电加热器通过导线连接起来构成装置的控制部分。

本发明提供的第一优选的冷板性能测试装置，所述发热电阻模块包括导热硅脂、电阻和四聚氟乙烯保温材料。

本发明提供的第二优选的冷板性能测试装置，所述电阻为贴片式发热电阻。

本发明提供的第三优选的冷板性能测试装置，所述四聚氟乙烯保温材料覆盖在电阻与冷板接触面除外的电阻周围，其厚度为10-20mm。

本发明提供的第四优选的冷板性能测试装置，所述贴片式发热电阻的发热功率与电器元件热耗散功率相同。

本发明提供的第五优选的冷板性能测试装置，所述贴片式发热电阻的冷板接触面积与电器元件与冷板的接触面积相同。

本发明提供的第六优选的冷板性能测试装置，所述导热硅脂的厚度为0.3-0.5mm。

装置中发热电阻模块具体构造如下：导热硅脂、电阻和四聚氟乙烯保温材料。

导热硅脂是由高导热性的硅树脂和氮化硼组成的固态复合材料，厚度均匀(0.3～0.5mm)，可直接粘贴，有效填充了冷板与电子元件间的空隙；电阻为贴片式发热电阻，其发热功率与电器元件热耗散功率相同，其与冷板接触面积应与电器元件与冷板的接触面积相同，以具有相同的热流密度；四聚氟乙烯保温材料具有良好的保温效果，覆盖在电阻的周围(电阻与冷板接触面除外)，其厚度为10-20mm。

该冷板性能测试装置，利用热平衡法设计，采用与实际电器元件热流密度一致的发热电阻作为冷板的热源加载模块，为减小冷板与发热电阻模块之间的接触热阻，中间粘贴高导热性的硅树脂和氮化硼组成的复合材料(导热硅脂)；模拟热源的热量通过冷板壁面传给冷却介质，冷却介质在水泵驱动下完成循环，同时通过散热器释放吸收的热量来达到系统能量平衡。测试过程中通过监测冷板表面温度和冷却液进、出口温度、压力、流量等信号来评估冷板性能。

各部件作用及型号见下表1；

表1 各部件作用及型号

序号	名称	功能	选型参数
				2	发热电阻模块	给冷板提供热源	PTC贴片电阻
3	壁温传感器	测量冷板表面温度	贴片式
				4	温度计	测量冷却介质温度	Pt100
5	压力计	测量冷却介质压力	陶瓷电容式压力传感器

[0019]

6	流量计	测量冷却介质流量	涡轮式
				7	过滤器	清除系统杂质、净化系统	精度30～40μ
8	散热器	散去冷板加载的热量	铜管铝片式
				9	风扇	强化散热器散去冷板加载的热量	轴流风扇
10	流量阀	调节系统冷却介质流量	不锈钢闸阀
				11	水泵	冷却介质循环的动力源	多级离心泵
12	电加热器	将冷却介质加热到指定温度	不锈钢电加热器
				13	水箱	储存冷却介质	开式水箱
14	控制单元	信号采集、汇总和发布指令	单片机

利用热平衡法设计出冷板性能的测试装置，采用与实际电器元件热流密度一致的发热电阻作为冷板的热源加载模块；冷板与发热电阻模块之间粘贴导热性能好的硅树脂和氮化硼组成的复合材料，来减小其接触热阻。

冷板性能测试装置基于热平衡原理，通过加载与实际热流密度完全一致的热源模块，采用常规的温度、压力、流量、电压和电流等测试手段，最终可以对水冷板的性能进行准确的测试和评估，其经济和社会效益必将随着水冷板需求的扩大而不断增加。

与现有技术相比，本发明提供的一种冷板性能测试装置具有以下优点；

1、为增大其测试范围和保持一定测量精度，选用了不锈钢多级离心泵，压头高、流量大，冷却介质流量范围广，提高了系统冷却介质的流量范围，这样可满足不同冷板的测试要求；

2、选用高精度的过滤器，装置内部相对洁净，以提高温度计、压力计和流量计的测量精度；

3、冷板与发热电阻模块之间粘贴导热性能好的硅树脂和氮化硼组成的复合材料，减小了接触热阻；

4、PTC贴片电阻外包四聚氟乙烯保温材料，大幅减少了发热电阻模块的热损失；

5、考虑到冷板和发热电阻模块之间的空气缝隙对测量结果影响较大，粘贴了导热性能好的硅树脂和氮化硼组成的复合材料，从而消除了缝隙的不利影响；为使发热电阻模块的热量绝大部分通过与冷板接触的底面导出，其四周和顶部覆盖了四聚氟乙烯保温材料，使热损失降到最低；

6、发热电阻模块在具体设计时，除了与电器元件具有相同的发热量外，其与冷板接触的底面积也应保持相等，这样才具有同样的热流密度，使测量结果更为精确。

附图说明

图1是：本发明提供的一种冷板性能测试装置的原理图；

图2是：本发明提供的一种冷板性能测试装置的具体实施方式原理图；

图3是：本发明中导热硅脂、电阻、四聚氟乙烯保温材料的位置关系图；

图中：1.冷板；2.发热电阻模块；3.壁温传感器；4.温度计；5.压力计；6.流量计；7.过滤器；8.散热器；9.风扇；10.流量阀；11.水泵；12.电加热器；13.水箱；14.控制单元；15.导热硅脂；16.电阻；17.四聚氟乙烯保温材料。

具体实施方式

以下通过附图及实施例对本发明做进一步更详细的说明。

实施例1

本实施例的冷板性能测试装置，包括通过管路依次串联在一起的温度计4、压力计5、流量计6、过滤器7、散热器8、流量阀10、水泵11、水箱13和冷板1；风扇9通过支架与散热器8固定在一起；电加热器12通过螺纹连接安装在水箱13侧壁上；发热电阻模块2和壁温传感器3通过螺栓固定在冷板1表面；控制单元14与发热电阻模块2、壁温传感器3、温度计4、压力计5、流量计6、风扇9、水泵11、电加热器12通过导线连接起来构成装置的控制部分。

发热电阻模块2包括导热硅脂、电阻和四聚氟乙烯保温材料。

电阻为贴片式发热电阻；四聚氟乙烯保温材料覆盖在电阻与冷板接触面除外的电阻周围，其厚度为10mm。

贴片式发热电阻的发热功率与电器元件热耗散功率相同。

贴片式发热电阻的冷板接触面积与电器元件与冷板的接触面积相同，导热硅脂的厚度为0.3mm。

首先，启动水泵11，调节流量阀10，至系统流量达到冷板设计流量为止，开启电加热器12和发热电阻2，当冷板进口冷却液温度达到设计温度时，关闭电加热器12；

其次，开启风扇9，对被冷板加热的冷却液进行冷却，通过风扇的启、停使冷板进口冷却液温度始终控制在设计点附近；

再次，检测冷板出口冷却液温度、流量及压力；检测冷板表面温度、发热电阻的输入电压和电流等信号；

最后，根据热平衡方程，计算出冷板的换热性能；根据冷板进、出口冷却液压力，计算出冷板的阻力性能。热平衡方程如公式(1)所示：

Q＝C_PM(T₂-T₁) (1)

Q--------------换热量(kW)；

C_P-------------定压比热(kJ/kg℃)；

M-------------质量流量(kg)；

T2------------冷板出口温度(K)；

T1------------冷板进口温度(K)；

根据测定的发热电阻电压和电流信号，计算出输入功率P，如公式(2)所示：

P＝UI (2)

P---------------输入功率(kW)；

U--------------输入电压(V)；

I---------------输入电流(A)；

由公式(1)和公式(2)，推倒出测试装置的热平衡误差d＝|P-Q|/P，当d≤5％时，测试符合要求，否则需重新测试。

冷板阻力计算如公式(3)所示：

ΔP＝P₁-P₂ (3)

ΔP-----------冷板阻力(pa)；

P₁--------------冷板进口压力(pa)；

P₂--------------冷板出口压力(pa)；

具体原理图见图2：

序号	名称	选型参数	替代部件
				1	流量计	涡轮式	电磁式
2	散热器	铜管铝片式	管带式、板翅式
				3	风扇	轴流风扇	离心式、混流式
4	流量阀	不锈钢闸阀	球阀等可调开度的阀门

[0062] 实施例2

本实施例的冷板性能测试装置基本同实施例1，唯有不同之处在于四聚氟乙烯保温材料覆盖在电阻与冷板接触面除外的电阻周围，其厚度为20mm。

导热硅脂的厚度为0.5mm。

实施例3

本实施例的冷板性能测试装置基本同实施例1，唯有不同之处在于四聚氟乙烯保温材料覆盖在电阻与冷板接触面除外的电阻周围，其厚度为15mm。

导热硅脂的厚度为0.4mm。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种冷板性能测试装置，其特征在于包括通过管路依次串联在一起的温度计(4)、压力计(5)、流量计(6)、过滤器(7)、散热器(8)、流量阀(10)、水泵(11)、水箱(13)和冷板(1)；风扇(9)通过支架与散热器(8)固定在一起；电加热器(12)通过螺纹连接安装在水箱(13)侧壁上；发热电阻模块(2)和壁温传感器(3)通过螺栓固定在冷板(1)表面；控制单元(14)与发热电阻模块(2)、壁温传感器(3)、温度计(4)、压力计(5)、流量计(6)、风扇(9)、水泵(11)、电加热器(12)通过导线连接起来构成装置的控制部分。

2.根据权利要求1所述的冷板性能测试装置，其特征在于所述发热电阻模块(2)包括导热硅脂、电阻和四聚氟乙烯保温材料。

3.根据权利要求2所述的冷板性能测试装置，其特征在于所述电阻为贴片式发热电阻。

4.根据权利要求2所述的冷板性能测试装置，其特征在于所述四聚氟乙烯保温材料覆盖在电阻与冷板接触面除外的电阻周围，其厚度为10-20mm。

5.根据权利要求4所述的冷板性能测试装置，其特征在于所述贴片式发热电阻的发热功率与电器元件热耗散功率相同。

6.根据权利要求1所述的冷板性能测试装置，其特征在于所述贴片式发热电阻的冷板接触面积与电器元件与冷板的接触面积相同。

7.根据权利要求3所述的冷板性能测试装置，其特征在于所述导热硅脂的厚度为0.3-0.5mm。