CN106970105A - 一种热源布局可变的结构导热性能测试平台及其测试方法 - Google Patents

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    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Abstract

本发明公开了一种热源布局可变的结构导热性能测试平台及其测试方法。该平台包括真空罩、真空泵、支承部件、红外热像仪、布局可变的热源及其控制部分、热沉及其控制部分；其中真空泵通过管道与真空罩相连，热沉安装在真空罩的侧面，布局可变的热源安放在真空罩的底部，试件与热沉接触并安装在热源上，红外热像仪通过支承部件伸入真空罩之内，位于试件上方。该平台可以实现多种热源布局下拓扑结构导热性能测试试验，通过继电器控制可以模拟多种热源布局情况，同时采用半导体TEC制冷片作为热沉，可以实现热沉处温度的精确控制。

Description

一种热源布局可变的结构导热性能测试平台及其测试方法
技术领域
本发明涉及结构导热性能测试试验平台，尤其涉及一种热源布局可变的均热板导热性能测试平台及测试方法。
背景技术
随着优化设计思想的不断发展以及设计要求的日益严格，结构优化设计方法得到了很大的关注及研究。作为一种前沿的优化设计方法，拓扑优化方法主要应用于承力以及散热结构的优化设计，在目标函数以及约束条件下寻求最佳的材料分布。拓扑优化在结构设计中占有重要地位，其研究成果广泛应用于航空航天、汽车设计等领域并取得显著成效。
目前，在拓扑优化研究领域，主要的研究手段有有限元分析以及实验验证。
有限元分析是随着计算机技术的发展而发展起来的一项技术，在试验条件有限的情况下，利用计算机进行模拟，具有速度快、成本低等优点。但是其计算结果的准确性很大程度上取决于边界条件与实际工况的符合程度，这就对有限元分析结果的可靠性带来了一定的限制。
实验验证是通过相应的试验平台，最大程度地将实际工况以及边界条件模拟复现。其适用性较广，试验周期短，并且试验结果准确性和可靠性较高，是一种有效的实验方法。但是，现有试验平台采用的热源结构布局固定，无法满足多种热源结构下结构导热性能测试的需求，实验效率较低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种热源布局可变的结构导热性能测试平台及其测试方法。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种热源布局可变的结构导热性能测试平台，该测试平台包括真空罩、红外热像仪、热沉以及布局可变的热源，所述红外热像仪设置于真空罩内，热沉设置于真空罩上；所述热源包括加热片阵列，加热片阵列包括排布在真空罩内的多个可单独控制的加热片单元，所述加热片单元由至少一个加热片组成。
所述测试平台还包括热源控制器，热源控制器包括继电器母板以及用于对加热片单元进行开关控制的继电器，继电器母板包括与继电器相连的可编程控制器。通过所述热源及其控制器，可模拟多种热源布局情况。
所述加热片单元的排布方式包括矩阵形式。
所述热沉采用可控温半导体制冷片，所述加热片采用PTC恒温加热片。
所述测试平台还包括支承部件，支承部件包括设置于真空罩上方的支架、设置于支架上的二维移动平台以及设置于二维移动平台上的升降装置，红外热像仪与升降装置相连。
所述热源位于真空罩底部，红外热像仪位于所述热源上方，真空罩的上端采用盖板封闭。
上述热源布局可变的结构导热性能测试平台的测试方法，该测试方法包括以下步骤：
1)将试件放入真空罩内，使试件与所述热源接触；然后，将试件的一端通过导热介质与热沉相连；
2)调节红外热像仪的位置，使红外热像仪能拍摄到试件表面处的图像；
3)抽出真空罩中的空气；然后通过控制所述热源中对应加热片单元的开关调整所述热源至预定的布局形式；
4)待试件温度稳定后，利用红外热像仪拍摄试件表面的温度分布图像，根据图像得出试件的导热性能。
所述试件选自均热板。
所述测试方法还包括以下步骤：在调整所述热源的布局形式的同时，启动对于所述热沉的温度控制，利用构成该热沉的半导体制冷片使热沉在所述热源对试件加热的过程中保持在恒定的温度。
本发明的有益效果体现在：
本发明通过对加热片单元的控制，可以实现在不同热源布局情况下，对拓扑优化结构进行导热性能测试试验，试验受外界干扰因素影响小，试验效率得到显著提高。
进一步的，通过设置不同的热源布局以及热沉的温度，可以精确地模拟实际工况以及边界条件，实现真实条件下结构导热性能与有限元计算结果的对比。
附图说明
图1是实施例中所述试验平台的结构示意图；其中，真空罩1、真空泵2、支承部件3、红外热像仪4、布局可变的热源5、热沉6。
图2是实施例中所述试验平台的热沉控制电路框图。
图3是实施例中所述试验平台的热源控制电路框图。
图4是实施例中所述试验平台的热源加热片阵列产生多种热源布局的示意图；其中(a)均布热源、(b)中心点热源、(c)局部热源、(d)任意形状热源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
参见图1，热源布局可变的结构导热性能测试试验平台包括真空罩1、真空泵2、支承部件3、红外热像仪4、布局可变的热源5及其控制部分、热沉6及控制部分。其中真空罩1罩壳材料采用有机玻璃，热沉6安装在真空罩1侧面上，布局可变的热源5安放在真空罩1的底部，真空泵2与真空罩1之间通过管道连接，通过对真空罩1内抽真空，主要作用是减小空气流动造成的对流换热对试验结果的影响。支承部件3由铝型材支架、直线导轨以及手动升降装置组成，位于真空罩1上方，利用直线导轨组成二维移动平台，将手动升降装置连接在二维移动平台上，将二维移动平台固定在铝型材支架上，红外热像仪4固定在手动升降装置上，并伸入真空罩1内(位于所述热源上方)，通过支承部件3可以实现红外热像仪4的三轴移动。红外热像仪4上方设置有电木盖板，将真空罩1封闭。调节红外热像仪4时，先通过电木盖板上的锁紧螺丝将电木盖板与升降装置固连，然后轻微提起电木盖板与红外热像仪4，水平移动电木盖板与红外热像仪4的位置，确定位置后放下电木盖板与红外热像仪4，使电木盖板与真空罩1上端开口处的密封圈接触，完成真空罩的密封，之后松开电木盖板上的锁紧螺丝，调节升降装置来单独控制红外热像仪4的垂直方向位置。
试验平台采用半导体TEC制冷片作为热沉6，控制部分中的热沉控制器与该TEC制冷片相连，利用对热沉温度的精确控制，实现恒定的散热条件。布局可变的热源5及其控制部分包括开关电源、PTC恒温加热片阵列、热源控制器以及相应的上位机软件，通过改变阵列中不同加热片的工作状态，实现任意形式的热源布局，构造多种不同的加热条件。红外热像仪4用于试验样件(简称试件)表面温度场的采集，与上位机(PC机)相连，可以在电脑上直观地显示样件表面的温度云图，便于与理论结果进行比较分析。
如图2所示，所述热沉控制器的内部连接关系为：PID温度控制器与DS18B20温度传感器以及半导体TEC制冷片相连，采用负反馈调节机制，温度传感器采集热沉6处的温度信号，PID温度控制器根据采集到的温度信号，再结合热沉处设定的温度值及其内部的PID算法(温度显示以及PID设置由上位机完成)，可以实时输出电压信号控制TEC制冷片，从而实现对热沉处温度的精确控制。
如图3所示，所述的热源控制器的内部连接关系为：热源控制器中继电器子板上的继电器直接与PTC恒温加热片相连，继电器子板与继电器母板(主要包括与继电器相连的可编程控制器)相连，上位机(PC机)通过串口通信向继电器母板发送断开与闭合指令，继电器母板根据接收的通断指令实时控制子板上继电器的通断从而控制PTC恒温加热片的工作与否。
如图4所示，所述布局可变的热源5由一个PTC恒温加热片阵列构成，通过控制阵列中各个加热片的工作状态可以实现多种热源布局形式。
为了对拓扑优化结构的导热性能进行试验，本发明的工作过程如下：
试验中采用镶嵌拓扑结构高导热材料的低导热材料方形均热板为试件，步骤如下：1)将试件放入真空罩1内，置于布局可变的热源5的上方，并保证试件与该热源的良好接触，试件上的散热端通过导热脂与真空罩1上的热沉6(一侧位于真空罩内,另一侧位于真空罩外)相连。2)利用支承部件3调节红外热像仪4的位置，使红外热像仪4能拍摄到试件完整表面的图像。3)开启真空泵2，抽出真空罩1中的空气。4)启动所述热源以及热沉6，通过上位机控制所述热源的布局以及热沉6处的温度(通常为0-5摄氏度)，分别进行试件的加热以及散热。5)通过红外热像仪4观测到试件温度稳定后，拍摄试件表面的温度分布，并将所拍摄图像传回上位机，通过图像中试件各点温度，可以计算出试件表面的平均温度、温度方差以及散热弱度等导热性能参数，并将这些参数与有限元计算结果进行对比，以证明有限元计算的可靠性与初始设计的有效性，可以应用在半导体电路(特别是集成电路)散热结构优化拓扑设计中，显著的提高了优化设计效率。

Claims (10)

1.一种热源布局可变的结构导热性能测试平台，其特征在于：该测试平台包括真空罩(1)、红外热像仪(4)、热沉(6)以及布局可变的热源(5)，所述红外热像仪(4)设置于真空罩(1)内，热沉(6)设置于真空罩(1)上；所述热源包括加热片阵列，加热片阵列包括排布在真空罩(1)内的多个可单独控制的加热片单元，所述加热片单元由至少一个加热片组成。
2.根据权利要求1所述一种热源布局可变的结构导热性能测试平台，其特征在于：所述测试平台还包括热源控制器，热源控制器包括继电器母板以及用于对加热片单元进行开关控制的继电器，继电器母板包括与继电器相连的可编程控制器。
3.根据权利要求1所述一种热源布局可变的结构导热性能测试平台，其特征在于：所述加热片单元的排布方式包括矩阵形式。
4.根据权利要求1所述一种热源布局可变的结构导热性能测试平台，其特征在于：所述热沉(1)采用可控温半导体制冷片，所述加热片采用PTC恒温加热片。
5.根据权利要求1所述一种热源布局可变的结构导热性能测试平台，其特征在于：所述测试平台还包括支承部件(3)，支承部件(3)包括设置于真空罩(1)上方的支架、设置于支架上的二维移动平台以及设置于二维移动平台上的升降装置，红外热像仪(4)与升降装置相连。
6.根据权利要求5所述一种热源布局可变的结构导热性能测试平台，其特征在于：所述热源位于真空罩(1)底部，红外热像仪(4)位于所述热源上方，真空罩(1)的上端采用盖板封闭。
7.一种如权利要求1所述的热源布局可变的结构导热性能测试平台的测试方法，其特征在于：该测试方法包括以下步骤：
1)将试件放入真空罩(1)内，使试件与所述热源接触；然后，将试件的一端通过导热介质与热沉(6)相连；
2)调节红外热像仪(4)的位置，使红外热像仪(4)能拍摄到试件表面处的图像；
3)抽出真空罩(1)中的空气；然后通过控制所述热源中对应加热片单元的开关调整所述热源至预定的布局形式；
4)待试件温度稳定后，利用红外热像仪拍摄试件表面的温度分布图像，根据图像得出试件的导热性能。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述试件选自均热板。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述测试方法还包括以下步骤：在调整所述热源的布局形式的同时，启动对于所述热沉(6)的温度控制，利用构成该热沉的半导体制冷片使热沉在所述热源对试件加热的过程中保持在恒定的温度。
10.一种如权利要求1所述的热源布局可变的结构导热性能测试平台在半导体电路散热结构优化拓扑设计中的应用。
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