CN110167219A

CN110167219A - 一种热源模拟装置及其制备方法

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Publication number: CN110167219A
Application number: CN201910450092.6A
Authority: CN
Inventors: 佘阳梓; 余凡; 刘雅婧
Original assignee: Suzhou Industrial Park Institute of Services Outsourcing
Current assignee: Suzhou Industrial Park Institute of Services Outsourcing
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2019-08-23
Anticipated expiration: 2039-05-28
Also published as: CN110167219B

Abstract

本发明公开了一种热源模拟装置及其制备方法。该热源模拟装置包括热源主体和基座；基座用于封装热源主体；热源主体包括薄膜电阻片、聚酰亚胺绝缘涂层、热电偶涂层、铜导线柱；薄膜电阻片用于模拟热源的热沉面；铜导线柱焊接在薄膜电阻片的一侧，用于连接直流电源，以使得直流电源为薄膜电阻片加热；聚酰亚胺绝缘涂层设置在薄膜电阻片远离铜导线柱的一侧上，用于绝缘并传导热量；热电偶涂层设置在聚酰亚胺绝缘涂层远离薄膜电阻片的一侧上，用于测量薄膜电阻片的温度。该热源模拟装置能够在满足高热流密度和高热沉面温度的实验需要的同时，降低了热源模拟装置的体积和生产成本，简化了热源模拟装置的制作工艺。

Description

一种热源模拟装置及其制备方法

技术领域

本发明实施例涉及热工测量技术领域，尤其涉及一种热源模拟装置及其制备方法。

背景技术

随着高功率激光技术、电子元器件高度集成与微型化等技术的发展，设备的功率随着性能的提高而增大，单位面积上所产生的热量也越来越高，因此高热流密度的散热问题显得越来越重要。喷雾冷却技术以其较小的表面温差、无沸腾滞后性、良好的换热性能等优点被认为是当前最有前途的冷却方法之一。喷雾冷却技术是多种传热机制的耦合和叠加，属于复杂的多相流问题，通常通过换热实验对其进行研究。

由于高热流密度的热源的性能是影响换热实验结果的重要因素，因此在换热实验中，首先需要模拟热源。现有的热源模拟装置可以通过加热电源加热铂丝或铂片来实现，然而，由于铂是贵价金属，会导致热源模拟装置的成本较高，不适合用作大热沉面的模拟热源。另外，加热电源一般用铜导线连接，而铂金属和铜导线的连接比较困难，不适合热源模拟装置的推广和普及。

发明内容

本发明提供一种热源模拟装置及其制备方法，能够在满足高热流密度和高热沉面温度的实验需要的同时，降低了热源模拟装置的体积和生产成本，简化了热源模拟装置的制作工艺。

第一方面，本发明实施例提供了一种热源模拟装置，包括：热源主体和基座；

基座用于封装热源主体；热源主体包括：薄膜电阻片、聚酰亚胺绝缘涂层、热电偶涂层、铜导线柱；

其中，薄膜电阻片用于模拟热源的热沉面；

铜导线柱焊接在薄膜电阻片的一侧，用于连接直流电源，以使得直流电源为薄膜电阻片加热；

聚酰亚胺绝缘涂层设置在薄膜电阻片远离铜导线柱的一侧上，用于绝缘并传导热量；

热电偶涂层设置在聚酰亚胺绝缘涂层远离薄膜电阻片的一侧上，用于测量薄膜电阻片的温度。

可选的，薄膜电阻片的厚度为0.05mm至0.1mm。

可选的，薄膜电阻片的材料为铁铬铝合金、铝镍铁合金、镍铬合金中的任意一种；薄膜电阻片的电阻率大于或者等于1.0×10^-6Ω·m；薄膜电阻片的电阻值为800mΩ至1000mΩ。

可选的，聚酰亚胺绝缘涂层的厚度为20μm至25μm。

可选的，热电偶涂层的厚度为2μm至10μm。

可选的，热电偶涂层的材料为K型热电偶涂层或者T型热电偶涂层。

可选的，基座的材料为聚四氟乙烯。

第二方面，本发明实施例还提供了一种热源模拟装置的制备方法，包括：制备热源主体，并将热源主体封装在基座中；其中，制备热源主体的方法包括：

在薄膜电阻片的一侧焊接铜导线柱；

在薄膜电阻片远离铜导线柱的一侧上喷涂一层聚酰亚胺绝缘涂层；

采用磁控溅射法，在聚酰亚胺绝缘涂层远离薄膜电阻片的一侧上喷涂一层热电偶涂层。

可选的，在薄膜电阻片的一侧焊接铜导线柱的方法包括：

对薄膜电阻片和铜导线柱进行酸洗，去除薄膜电阻片和铜导线表面的氧化层；

采用乙炔-氧焊，在薄膜电阻片的焊接区域融少量焊条材料并铺匀，待焊条材料稍凝固后，将铜导线柱焊接在薄膜电阻片上。

可选的，焊条材料为含银量大于或者等于30％的银焊条。

本发明提供一种热源模拟装置及其制备方法，热源模拟装置包括热源主体和基座；基座用于封装热源主体；热源主体包括薄膜电阻片、聚酰亚胺绝缘涂层、热电偶涂层、铜导线柱。通过焊接在薄膜电阻片的一侧的铜导线柱连接直流电源，以使得直流电源为薄膜电阻片加热，并设置热电偶涂层测量薄膜电阻片的温度，从而达到让薄膜电阻片模拟热源的热沉面的目的，满足高热流密度和高热沉面温度的实验需要。另外，薄膜电阻片无需使用贵价金属，降低了热源模拟装置的体积和生产成本，简化了热源模拟装置的制作工艺。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种热源模拟装置的剖面结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种热源模拟装置的制备方法的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种热源模拟装置的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

同时，附图和实施例的描述是说明性的而不是限制性的。贯穿说明书的同样的附图标记表示同样的元件。另外，出于理解和易于描述，附图中可能夸大了一些结构、区域等的大小。另外，除非明确地描述为相反，否则词语“包括”和诸如“包含”或“具有”的变形将被理解为暗示包含该元件，但不排除任意其它元件。并且，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一个”、“一种”和“该()”也意图包括复数形式。

当可以不同地实施某个实施例时，具体的工艺顺序可以与所描述的顺序不同地执行。例如，两个连续描述的工艺可以基本上在同一时间执行或者按与所描述顺序相反的顺序来执行。

下面，对热源模拟装置、热源模拟装置的制备方法及其技术效果进行详细描述。

图1示出了本发明实施例提供的一种热源模拟装置的剖面结构示意图。该热源模拟装置包括：热源主体10和基座20。

基座20用于封装热源主体10，热源主体10包括：薄膜电阻片11、聚酰亚胺绝缘涂层12、热电偶涂层13、铜导线柱14。

其中，薄膜电阻片11用于模拟热源的热沉面。

具体的，薄膜电阻片11又可以称为电加热片，薄膜电阻片11的厚度为0.05mm至0.1mm。若薄膜电阻片11的厚度过大，在直流电源加热薄膜电阻片11时需要更大的电流，导致对直流电源的要求过高；若薄膜电阻片11的厚度过小，则增加了薄膜电阻片11的制作工艺难度，从而导致热源模拟装置的生产成本提高。

可选的，薄膜电阻片11的材料包括但不限于铁铬铝合金、铝镍铁合金、镍铬合金中的任意一种。薄膜电阻片的电阻率大于或者等于1.0×10^-6Ω·m。根据薄膜电阻片11的几何尺寸的不同，薄膜电阻片11的电阻值会有轻微变化，通常薄膜电阻片11的电阻值为800mΩ至1000mΩ。

另外，薄膜电阻片11的几何尺寸可以根据实际换热实验对热沉面大小的需求来选择。

铜导线柱14焊接在薄膜电阻片11的一侧，用于连接直流电源，以使得直流电源为薄膜电阻片11加热。

可选的，铜导线柱14的个数可以为多个。铜导线柱14可以均匀分布在薄膜电阻片11的一侧，以保证薄膜电阻片11受热均匀。示例性的，如图1所示，铜导线柱14设置在薄膜电阻片11的左右两端。

需要说明的是，薄膜电阻片11的阻值小，为了达到较大的热流密度，需要较大的加热电流，因此热源和直流电源相连的导线直径要较粗。预先在薄膜电阻片11上焊接好铜导线柱14，可以在接入电路时方便快捷。另外，薄膜电阻片11本身可耐高温，而铜导线柱14的存在保证在电流过载的情况下，热源不会烧毁。

聚酰亚胺绝缘涂层12设置在薄膜电阻片11远离铜导线柱14的一侧上，用于绝缘并传导热量。

可选的，聚酰亚胺绝缘涂层12的厚度为20μm至25μm。

热电偶涂层13设置在聚酰亚胺绝缘涂层12远离薄膜电阻片11的一侧上，用于测量薄膜电阻片11的温度。

可选的，热电偶涂层13的厚度为2μm至10μm。

热电偶涂层的材料为K型热电偶涂层或者T型热电偶涂层。其中，K型热电偶又可以称为镍铬-镍硅热电偶，是目前用量最大的廉金属热电偶，其正极(KP)的名义化学成分为：Ni：Cr＝90：10，负极(KN)的名义化学成分为：Ni：Si＝97：3，其使用温度为-200至1300℃。K型热电偶具有线性度好、热电动势较大、灵敏度高、稳定性和均匀性较好、抗氧化性能强、价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。T型热电偶又可以称为铜-铜镍热电偶，也是一种极佳的测量低温的廉金属的热电偶，其正极(TP)是纯铜，负极(TN)为铜镍合金，其使用温度为-200至350℃。T型热电偶具有线性度好、热电动势较大、灵敏度较高、稳定性和均匀性较好、价格便宜等优点,特别在-200至0℃的温区内使用，稳定性更好，年稳定性可小于±3μV。

需要说明的是，从图1中可以看出，基座20包裹热源主体10的四周和靠近铜导线柱14的一侧，仅留靠近热电偶涂层13的一侧进行换热实验研究。基座20的材料可以为聚四氟乙烯。

可选的，基座20包裹热源主体10靠近铜导线柱14的一侧时，与铜导线柱14对应的位置可以挖空，也可以不挖空。当基座20与铜导线柱14对应的位置挖空时，便于铜导线柱14与直流电源相连。

上述热源模拟装置在工作时，直接将直流电源与铜导线柱14连接，并调节电流即可。通常电流达到20A～50A时，热流密度可达到10²W/cm²以上。从而使得热源模拟装置适用于高热流密度的换热实验研究，例如，以星载雷达为例，其中一些大功率元件(如微波功率管、大规模集成电路芯片)的热流密度可达50W/cm²，将来可达200W/cm²甚至更高。又例如机载定向能武器在发射瞬间的几秒内产生兆瓦级的热量，导致其表面产生极大的热载荷和极高的热流密度，数量级可达10²乃至10³W/cm²。另外，由于薄膜电阻片11的材料为铁铬铝合金、铝镍铁合金、镍铬合金中的任意一种，这些材料的成本低廉，无需使用贵价金属，降低了热源模拟装置的体积和生产成本。

本发明实施例提供一种热源模拟装置，包括热源主体和基座；基座用于封装热源主体；热源主体包括薄膜电阻片、聚酰亚胺绝缘涂层、热电偶涂层、铜导线柱；薄膜电阻片用于模拟热源的热沉面；铜导线柱焊接在薄膜电阻片的一侧，用于连接直流电源，以使得直流电源为薄膜电阻片加热；聚酰亚胺绝缘涂层设置在薄膜电阻片远离铜导线柱的一侧上，用于绝缘并传导热量；热电偶涂层设置在聚酰亚胺绝缘涂层远离薄膜电阻片的一侧上，用于测量薄膜电阻片的温度。通过焊接在薄膜电阻片的一侧的铜导线柱连接直流电源，以使得直流电源为薄膜电阻片加热，并设置热电偶涂层测量薄膜电阻片的温度，从而达到让薄膜电阻片模拟热源的热沉面的目的，满足高热流密度和高热沉面温度的实验需要。另外，薄膜电阻片无需使用贵价金属，降低了热源模拟装置的体积和生产成本，简化了热源模拟装置的制作工艺。

图2示出了本发明实施例提供的一种热源模拟装置的制备方法的流程示意图，该方法适用于上述实施例描述的热源模拟装置，该方法包括如下步骤：

S101、制备热源主体。

S102、将热源主体封装在基座中。

其中，基座的材料为聚四氟乙烯。

具体的，图3示出了本发明实施例提供的另一种热源模拟装置的制备方法的流程示意图，从图3中可知，步骤S101可以包括步骤S101a-S101c：

S101a、在薄膜电阻片的一侧焊接铜导线柱。

具体的，在薄膜电阻片的一侧焊接铜导线柱的方法可以包括：对薄膜电阻片和铜导线柱进行酸洗，去除薄膜电阻片和铜导线表面的氧化层；采用乙炔-氧焊，在薄膜电阻片的焊接区域融少量焊条材料并铺匀，待焊条材料稍凝固后，将铜导线柱焊接在薄膜电阻片上。

可选的，焊条材料为含银量大于或者等于30％的银焊条。

其中，薄膜电阻片的厚度为0.05mm至0.1mm。薄膜电阻片的材料为铁铬铝合金、铝镍铁合金、镍铬合金中的任意一种；薄膜电阻片的电阻率大于或者等于1.0×10^-6Ω·m；薄膜电阻片的电阻值为800mΩ至1000mΩ。

S101b、在薄膜电阻片远离铜导线柱的一侧上喷涂一层聚酰亚胺绝缘涂层。

其中，聚酰亚胺绝缘涂层的厚度为20μm至25μm。

S101c、采用磁控溅射法，在聚酰亚胺绝缘涂层远离薄膜电阻片的一侧上喷涂一层热电偶涂层。

其中，热电偶涂层的厚度为2μm至10μm。热电偶涂层的材料为K型热电偶涂层或者T型热电偶涂层。

本发明实施例提供一种热源模拟装置的制备方法，包括制备热源主体，并将热源主体封装在基座中；其中，制备热源主体的方法包括：在薄膜电阻片的一侧焊接铜导线柱；在薄膜电阻片远离铜导线柱的一侧上喷涂一层聚酰亚胺绝缘涂层；采用磁控溅射法，在聚酰亚胺绝缘涂层远离薄膜电阻片的一侧上喷涂一层热电偶涂层。该制备方法工艺简单，制备的热源模拟装置体积小巧、成本低廉，适用于各种场合。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种热源模拟装置，其特征在于，包括：热源主体和基座；

所述基座用于封装所述热源主体；所述热源主体包括：薄膜电阻片、聚酰亚胺绝缘涂层、热电偶涂层、铜导线柱；

其中，所述薄膜电阻片用于模拟热源的热沉面；

所述铜导线柱焊接在所述薄膜电阻片的一侧，用于连接直流电源，以使得所述直流电源为所述薄膜电阻片加热；

所述聚酰亚胺绝缘涂层设置在所述薄膜电阻片远离所述铜导线柱的一侧上，用于绝缘并传导热量；

所述热电偶涂层设置在所述聚酰亚胺绝缘涂层远离所述薄膜电阻片的一侧上，用于测量所述薄膜电阻片的温度。

2.根据权利要求1所述的热源模拟装置，其特征在于，所述薄膜电阻片的厚度为0.05mm至0.1mm。

3.根据权利要求1或2所述的热源模拟装置，其特征在于，所述薄膜电阻片的材料为铁铬铝合金、铝镍铁合金、镍铬合金中的任意一种；所述薄膜电阻片的电阻率大于或者等于1.0×10^-6Ω·m；所述薄膜电阻片的电阻值为800mΩ至1000mΩ。

4.根据权利要求1所述的热源模拟装置，其特征在于，所述聚酰亚胺绝缘涂层的厚度为20μm至25μm。

5.根据权利要求1所述的热源模拟装置，其特征在于，所述热电偶涂层的厚度为2μm至10μm。

6.根据权利要求1或5所述的热源模拟装置，其特征在于，所述热电偶涂层的材料为K型热电偶涂层或者T型热电偶涂层。

7.根据权利要求1所述的热源模拟装置，其特征在于，所述基座的材料为聚四氟乙烯。

8.一种热源模拟装置的制备方法，其特征在于，包括：制备热源主体，并将所述热源主体封装在基座中；其中，所述制备所述热源主体的方法包括：

在薄膜电阻片的一侧焊接铜导线柱；

在所述薄膜电阻片远离所述铜导线柱的一侧上喷涂一层聚酰亚胺绝缘涂层；

采用磁控溅射法，在所述聚酰亚胺绝缘涂层远离所述薄膜电阻片的一侧上喷涂一层热电偶涂层。

9.根据权利要求8所述的热源模拟装置的制备方法，其特征在于，所述在薄膜电阻片的一侧焊接铜导线柱的方法包括：

对所述薄膜电阻片和所述铜导线柱进行酸洗，去除所述薄膜电阻片和所述铜导线表面的氧化层；

采用乙炔-氧焊，在所述薄膜电阻片的焊接区域融少量焊条材料并铺匀，待焊条材料稍凝固后，将所述铜导线柱焊接在所述薄膜电阻片上。

10.根据权利要求9所述的热源模拟装置的制备方法，其特征在于，所述焊条材料为含银量大于或者等于30％的银焊条。