CN109580706B - 一种用于快速测量接触热阻的实验装置 - Google Patents

一种用于快速测量接触热阻的实验装置 Download PDF

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Abstract

一种用于快速测量接触热阻的实验装置，涉及固体间接触接触热阻测试领域；包括冷源TEC、底盘、把手、下试件、上试件、热源加热片、压力传感器、支撑套筒、支撑杆、支撑片和连接杆；底盘水平放置在冷源TEC的上表面；把手设置在底盘上表面的边缘处；下试件固定安装在底盘上表面的中心处；上试件设置在下试件的顶部；热源加热片设置在上试件的顶部；压力传感器设置在热源加热片的顶部；支撑套筒设置在压力传感器的顶部；支撑片套装在支撑套筒定端外壁；支撑片的侧边通过支撑杆与底盘固定连接；连接杆依次穿过支撑片、支撑套筒，与压力传感器上表面接触；本发明实现了通过一个装置测量不同材料接触面或同一材料不同表面处理情况下的接触热阻。

Description

一种用于快速测量接触热阻的实验装置
技术领域
本发明涉及一种固体间接触接触热阻测试领域，特别是一种用于快速测量接触热阻的实验装置。
背景技术
航天电子产品在其研制和飞行过程中要经历苛刻的热环境，为保证产品能正常工作，需要对电子产品从元器件到热沉间的传热过程进行控制。热传导是航天电子产品在舱内最重要的传热方式，传导热阻主要由固体内部的导热热阻和固体界面间的接触热阻组成。不同产品或同一产品的不同部分相互接触时就会产生接触热阻，接触热阻是确定多层固体组合温度分布的重要参数，是研究固体间接触传热必须解决的关键问题之一。
接触热阻研究是一门实验性很强的学科领域，在实践过程中发现，它与接触材料种类，接触压力，接触面状态有关。到目前为止，还没有出现一种能够普遍使用的接触热阻计算数学模型，主要的研究方式还是实验研究。目前，西安分院在进行热设计时输入的接触热阻参数主要来源于单机热平衡试验数据的积累或参考其他科研单位的论文或报告。由于不同的材料及接触状态对接触热阻影响非常大，因此，如果不能准确模拟固体接触面的实际使用工况，接触热阻数据可能会产生较大的偏差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于快速测量接触热阻的实验装置，实现了通过一个装置测量不同材料接触面或同一材料不同表面处理情况下的接触热阻。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种用于快速测量接触热阻的实验装置，包括冷源TEC、底盘、把手、下试件、上试件、热源加热片、压力传感器、支撑套筒、支撑杆、支撑片和连接杆；其中，冷源TEC为水平放置的方形环状结构；底盘为圆盘结构；底盘水平同轴放置在冷源TEC的上表面；把手设置在底盘上表面的边缘处；下试件和上试件均为柱状结构；下试件沿轴向固定安装在底盘上表面的中心处；上试件同轴设置在下试件的顶部；热源加热片同轴设置在上试件的顶部；压力传感器设置在热源加热片的顶部；支撑套筒为中空筒状结构；支撑套筒同轴设置在压力传感器的顶部；支撑片同轴套装在支撑套筒定端外壁；支撑片的侧边通过支撑杆与底盘固定连接；连接杆为杆状结构；连接杆的轴向一端沿竖直方向依次穿过支撑片、支撑套筒，与压力传感器上表面接触。
在上述的一种用于快速测量接触热阻的实验装置，冷源TEC实现对下试件下表面制冷，制冷温度为-20℃～20℃；热源加热片实现对上试件的上表面加热，加热温度为20℃-150℃。
在上述的一种用于快速测量接触热阻的实验装置，所述下试件和上试件的直径均为20mm；轴向高度均为50mm。
在上述的一种用于快速测量接触热阻的实验装置，所述下试件的侧壁沿轴向均匀设置有6个凹槽；凹槽间距为8mm；每个凹槽内对应放置1个温度传感器；从下至上依次记为第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器。
在上述的一种用于快速测量接触热阻的实验装置，所述上试件的侧壁沿轴向均匀设置有6个凹槽；凹槽间距为8mm；每个凹槽内对应放置1个温度传感器；从下至上依次记为第七温度传感器、第八温度传感器、第九温度传感器、第十温度传感器、第十一温度传感器和第十二温度传感器。
在上述的一种用于快速测量接触热阻的实验装置，所述温度传感器采用A级4线制铂电阻温度传感器，温度传感器的测量温度范围为-150℃～200℃；压力传感器的测量范围为0-100kg；标定后测量精度为0.5％·FS。
在上述的一种用于快速测量接触热阻的实验装置，所述实验装置的测量过程为：
冷源TEC对下试件下表面制冷；热源加热片对上试件的上表面加热；同时通过连接杆沿轴向向下方向施加压力；测量12个温度传感器的温度；计算出上试件下表面温度tT与下试件上表面温度tB的温度差Δt；并根据温度差Δt计算上试件与下试件的接触热阻R。
在上述的一种用于快速测量接触热阻的实验装置，连接杆沿轴向向下方向施加压力范围为2-10MPa。
在上述的一种用于快速测量接触热阻的实验装置，温度差Δt的计算方法为：
建立二位坐标系；其中，横坐标为轴向高度、纵坐标为温度的，坐标原点为冷源TEC中心；
上试件下表面温度tT的计算方法为：
通过第七温度传感器、第八温度传感器、第九温度传感器、第十温度传感器、第十一温度传感器和第十二温度传感器测量得到上试件沿轴向6个位置的温度；将6个温度在二位坐标系中拟合为一条直线；并根据拟合直线找到上试件下表面对应轴向高度的温度，记为tT；
下试件上表面温度tB的计算方法为：
通过第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器测量得到下试件沿轴向6个位置的温度；将6个温度在二位坐标系中拟合为一条直线；并根据拟合直线找到下试件上表面对应轴向高度的温度，记为tB；
温度差Δt的计算方法为：
Δt＝tT-tB。
在上述的一种用于快速测量接触热阻的实验装置，接触热阻R的计算方法为：
Figure BDA0001903512380000031
式中，λB为下试件的热导率；
λT为上试件的热导率；
δ为测温点之间的距离；
t5为第五温度传感器对应的拟合温度；
t6为第六温度传感器对应的拟合温度；
t7为第七温度传感器对应的拟合温度；
t8为第八温度传感器对应的拟合温度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用了冷源TEC、底盘、把手、下试件、上试件、热源加热片、压力传感器、支撑套筒、支撑杆、支撑片和连接杆的结构，实现了测量不同材料接触面或同一材料不同表面处理情况下的接触热阻；
(2)本发明测量时，通过对热源和热沉的控温使系统温度能够快速的稳定，并且可通过控制热源与热沉的温差控制通过固体界面的热量，从而使系统更接近实际的接触环境；
(3)本发明试验装置中加压控制装置设置在真空罐外部，在测量不同压力下接触热阻时可以直接调整施压装置而不用打开真空罐，避免了抽真空的时间。
附图说明
图1为本发明试验装置示意图；
图2为本发明温度传感器测量温度拟合直线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供一种用于快速测量接触热阻的实验装置，实现了通过一个装置测量不同材料接触面或同一材料不同表面处理情况下的接触热阻。
测量方案设计
接触热阻测量原理如下：当两个固体试件在一定压力下相互接触并有热量传递时，由于试件处于真空条件下时，没有对流换热，辐射换热量也很少，因而近似认为加热器产生的热量全部通过接触界面，并沿试件轴向传递，虽然在接触面附近的区域，由于接触面积的收缩，导致局部热流是三维的，但热量离开接触面之后，热流又会沿轴向传递，从宏观上看，可认为热量在试件中是按照试件轴向方向来传递的。
如图1所示为试验装置示意图，由图可知，一种用于快速测量接触热阻的实验装置，包括冷源TEC1、底盘2、把手3、下试件4、上试件5、热源加热片6、压力传感器7、支撑套筒8、支撑杆9、支撑片10和连接杆11；其中，冷源TEC1为水平放置的方形环状结构；底盘2为圆盘结构；底盘2水平同轴放置在冷源TEC1的上表面；把手3设置在底盘2上表面的边缘处；下试件4和上试件5均为柱状结构；下试件4沿轴向固定安装在底盘2上表面的中心处；上试件5同轴设置在下试件4的顶部；热源加热片6同轴设置在上试件5的顶部；压力传感器7设置在热源加热片6的顶部；支撑套筒8为中空筒状结构；支撑套筒8同轴设置在压力传感器7的顶部；支撑片10同轴套装在支撑套筒8定端外壁；支撑片10的侧边通过支撑杆9与底盘2固定连接；连接杆11为杆状结构；连接杆11的轴向一端沿竖直方向依次穿过支撑片10、支撑套筒8，与压力传感器7上表面接触。
其中，冷源TEC1实现对下试件4下表面制冷，制冷温度为-20℃～20℃；热源加热片6实现对上试件5的上表面加热，加热温度为20℃-150℃。下试件4和上试件5的直径均为20mm；轴向高度均为50mm。
下试件4的侧壁沿轴向均匀设置有6个凹槽；凹槽间距为8mm；每个凹槽内对应放置1个温度传感器；从下至上依次记为第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器。上试件5的侧壁沿轴向均匀设置有6个凹槽；凹槽间距为8mm；每个凹槽内对应放置1个温度传感器；从下至上依次记为第七温度传感器、第八温度传感器、第九温度传感器、第十温度传感器、第十一温度传感器和第十二温度传感器。
每个温度传感器采用A级4线制铂电阻温度传感器，温度传感器的测量温度范围为-150℃～200℃；压力传感器7的测量范围为0-100kg；标定后测量精度为0.5％·FS。
实验装置的测量过程为：
冷源TEC1对下试件4下表面制冷；热源加热片6对上试件5的上表面加热；同时通过连接杆11沿轴向向下方向施加压力；连接杆11沿轴向向下方向施加压力范围为2-10MPa。测量12个温度传感器的温度；计算出上试件5下表面温度tT与下试件4上表面温度tB的温度差Δt；并根据温度差Δt计算上试件5与下试件4的接触热阻R。
温度差Δt的计算方法为：
如图2所示为温度传感器测量温度拟合直线示意图，由图可知，建立二位坐标系；其中，横坐标为轴向高度、纵坐标为温度的，坐标原点为冷源TEC1中心；两个试样都采用圆柱形试件，每个试件上有6个孔用于安装温度传感器，两个试件组成一对，每个测温孔之间的距离为8mm，一共有12个测温点，其中上下两端的测温点也用于反馈控制热源的加热量与冷源的制冷量。忽略对流和辐射传热的影响，将图1中的导热近似认为是一维导热，因而可以将上面试件的6个测温点的温度值拟合为一条直线，外推得到上面试件下表面的温度tT。同理可以通过拟合外推得到下面试件上表面温度tB，最后可以得到上下表面的温差tT-tB＝Δt。
上试件5下表面温度tT的计算方法为：
通过第七温度传感器、第八温度传感器、第九温度传感器、第十温度传感器、第十一温度传感器和第十二温度传感器测量得到上试件5沿轴向6个位置的温度；将6个温度在二位坐标系中拟合为一条直线；并根据拟合直线找到上试件5下表面对应轴向高度的温度，记为tT；
下试件4上表面温度tB的计算方法为：
通过第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器测量得到下试件4沿轴向6个位置的温度；将6个温度在二位坐标系中拟合为一条直线；并根据拟合直线找到下试件4上表面对应轴向高度的温度，记为tB；
温度差Δt的计算方法为：
Δt＝tT-tB。
接触热阻R的计算方法为：
Figure BDA0001903512380000071
式中，λB为下试件4的热导率；
λT为上试件5的热导率；
δ为测温点之间的距离；
t5为第五温度传感器对应的拟合温度；
t6为第六温度传感器对应的拟合温度；
t7为第七温度传感器对应的拟合温度；
t8为第八温度传感器对应的拟合温度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种用于快速测量接触热阻的实验装置，其特征在于：包括冷源TEC(1)、底盘(2)、把手(3)、下试件(4)、上试件(5)、热源加热片(6)、压力传感器(7)、支撑套筒(8)、支撑杆(9)、支撑片(10)和连接杆(11)；其中，冷源TEC(1)为水平放置的方形环状结构；底盘(2)为圆盘结构；底盘(2)水平同轴放置在冷源TEC(1)的上表面；把手(3)设置在底盘(2)上表面的边缘处；下试件(4)和上试件(5)均为柱状结构；下试件(4)沿轴向固定安装在底盘(2)上表面的中心处；上试件(5)同轴设置在下试件(4)的顶部；热源加热片(6)同轴设置在上试件(5)的顶部；压力传感器(7)设置在热源加热片(6)的顶部；支撑套筒(8)为中空筒状结构；支撑套筒(8)同轴设置在压力传感器(7)的顶部；支撑片(10)同轴套装在支撑套筒(8)定端外壁；支撑片(10)的侧边通过支撑杆(9)与底盘(2)固定连接；连接杆(11)为杆状结构；连接杆(11)的轴向一端沿竖直方向依次穿过支撑片(10)、支撑套筒(8)，与压力传感器(7)上表面接触；
冷源TEC(1)实现对下试件(4)下表面制冷，制冷温度为-20℃～20℃；热源加热片(6)实现对上试件(5)的上表面加热，加热温度为20℃-150℃；
所述下试件(4)和上试件(5)的直径均为20mm；轴向高度均为50mm；
所述下试件(4)的侧壁沿轴向均匀设置有6个凹槽；凹槽间距为8mm；每个凹槽内对应放置1个温度传感器；从下至上依次记为第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器；
所述上试件(5)的侧壁沿轴向均匀设置有6个凹槽；凹槽间距为8mm；每个凹槽内对应放置1个温度传感器；从下至上依次记为第七温度传感器、第八温度传感器、第九温度传感器、第十温度传感器、第十一温度传感器和第十二温度传感器；
所述温度传感器采用A级4线制铂电阻温度传感器，温度传感器的测量温度范围为-150℃～200℃；压力传感器(7)的测量范围为0-100kg；标定后测量精度为0.5％FS；
所述实验装置的测量过程为：
冷源TEC(1)对下试件(4)下表面制冷；热源加热片(6)对上试件(5)的上表面加热；同时通过连接杆(11)沿轴向向下方向施加压力；测量12个温度传感器的温度；计算出上试件(5)下表面温度tT与下试件(4)上表面温度tB的温度差Δt；并根据温度差Δt计算上试件(5)与下试件(4)的接触热阻R；
连接杆(11)沿轴向向下方向施加压力范围为2-10Mpa；
温度差Δt的计算方法为：
建立二位坐标系；其中，横坐标为轴向高度、纵坐标为温度的，坐标原点为冷源TEC(1)中心；
上试件(5)下表面温度tT的计算方法为：
通过第七温度传感器、第八温度传感器、第九温度传感器、第十温度传感器、第十一温度传感器和第十二温度传感器测量得到上试件(5)沿轴向6个位置的温度；将6个温度在二位坐标系中拟合为一条直线；并根据拟合直线找到上试件(5)下表面对应轴向高度的温度，记为tT；
下试件(4)上表面温度tB的计算方法为：
通过第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器测量得到下试件(4)沿轴向6个位置的温度；将6个温度在二位坐标系中拟合为一条直线；并根据拟合直线找到下试件(4)上表面对应轴向高度的温度，记为tB；
温度差Δt的计算方法为：
Δt＝tT-tB。
2.根据权利要求1所述的一种用于快速测量接触热阻的实验装置，其特征在于：接触热阻R的计算方法为：
Figure FDA0003222724870000031
式中，λB为下试件(4)的热导率；
λT为上试件(5)的热导率；
δ为测温点之间的距离；
t5为第五温度传感器对应的拟合温度；
t6为第六温度传感器对应的拟合温度；
t7为第七温度传感器对应的拟合温度；
t8为第八温度传感器对应的拟合温度。
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