CN110286665A - 相变温控组件热控性能测试方法 - Google Patents
相变温控组件热控性能测试方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出的一种相变温控组件热控性能的测试方法,旨在提供一种能够定量给出其具体指标参数,降低测试成本和工作量,进行全面、量化评价的方法。本发明通过下述技术方案予以实现:选择合适的集中热源或分布热源安装在相变温控组件上,并在其表面布置温度传感器;利用环境试验箱建立试验环境,用环境试验箱模拟组件的工作环境,使热源工作,对相变温控组件做基础热性能测试和循环特性性能测试;数据采集设备根据采集到的温度数据绘制曲线,对曲线进行分析,定量给出相变温控组件的热控性能参数,完成相变温控组件的热控性能测试,并评判其是否满足要求,做出结论。
Description
技术领域
本发明涉及一种相变温控组件的热控性能测试方法,尤其是适用于对相变温控组件全生命周期的热性能进行测试和分析的方法。
背景技术
航天器工作环境极端恶劣,若其长时间在极端的温度环境下工作会引起电子设备失效。因此运用先进的热控技术保证航天器的结构部件、仪器设备在空间环境下处于一个合适的温度范围,使航天器在各种可能的情况下均能够正常工作,对航天领域具有重要意义。其中热控技术是保证航天器正常工作的重要技术,相变温控技术作为一种新兴的被动热控技术,具有设备性能可靠、质量轻、不耗能等优点,非常符合航空航天设备的特殊要求。它利用相变材料(Phase Change Material,PCM)相变过程潜热大、温度变化小的特点,吸收控温对象的热量,降低其温升速率,延长正常工作时间,提升其可靠性。
相变温控组件是将特定的相变材料和相关制品以某种制造技术封装在金属腔体内得到的装置,是实现相变温控技术应用的具体实物。该装置在外部环境温度剧烈变化时,可以给火箭通信设备、卫星光学成像设备、空间站天线、月球车(火星车)电池等设备营造舒适的微气候。由于这些设备通常对温度波动性或工作温度区间有很高的要求,而相变温控组件又特别有利于实现对发热设备的恒温或温度区间控制,因此可以有效的保障设备正常工作。在国外,相变温控组件的应用较早,如美国NASA火星探测器的电池,阿波罗月球车上的月球通讯中继单元、低地球轨道卫星空间大平面相控阵天线的热控系统都应用到了相变温控组件,国内对相变温控组件的研究较晚,但目前在工程上已经开始了初步应用。
对相变温控组件开展热控性能测试是必要的。一方面,用于检验相变温控组件是否满足设计指标要求;另一方面,相变温控组件的使用往往并不是一次性的,尤其是在空间站、卫星、月球车等航天器中,其使用有一定年限。多次重复使用或是长期贮存后的相变温控组件热控性能会发生变化,需要通过测试分析其性能的变化情况,评判其是否可以继续使用。
相变温控组件的热控性能测试不同于相变材料的物性测试,前者是指对制造完成的装置所体现出来的温控性能进行测试,目前尚无种通用的方法或手段进行系统性的指导,后者则是指对材料自身的物理属性参数进行测试,可通过成熟的差热分析法(DTA)、差示扫描量热法(DSC)和热重分析法(TGA)等方法进行。热控性能测试考核的是指相变温控组件对某一发热单元/模块的控温能力,判断其是否满足设计指标或发生性能退化,以评估其是否通过检验或是否可以在设备上继续使用。其具体指标应包括相变材料相变温区、控温温度、控温时长、相变储热量、热响应温差。相变材料的物理属性只是相变温控组件热控性能的影响因素之一,相变温控组件的材料、结构尺寸、布置形式、制备工艺等都会对热控性能产生影响。
当前工程上在测试相变温控组件的热控性能时,通常是将相变温控组件安装在真实的发热单元/模块上,让发热单元/模块处于工作状态,测试工作状态下发热单元/模块上的器件温度,以发热单元/模块是否可以正常工作来判断相变温控组件是否满足温控要求。这种简单定性的方法的不足之处和缺陷在于:
1)测试项不全面。当前对相变温控组件的测试,仅停留在交付检验或装机验证时考核相变温控组件是否满足发热单元/模块的温控要求,局限于当前状态下的相变温控组件热性能,而相变温控组件往往并不是一次性使用的,在多次使用后,其性能会发生变化,这种方式无法得出多次使用后的相变温控组件性能。
2)指标涵盖不足,不能量化揭示组件的具体性能参数。相变温控组件的热控性能参数包括某一单元/模块热耗在某一环境下的相变温区、控温温度、控温时长、相变储热量、热响应温差。当前工程上用真机实测,以发热单元/模块能否正常工作来判断相变温控组件的方法,由于发热单元/模块的工作时长、工作方式都是被规定的,因此该方式只能获得发热单元/模块工作时间段内的温度参数,无法得到相变温控组件完整的热控性能参数。
3)不能揭示组件不满足要求或失效的原因。以真机发热单元/模块是否可以正常工作作为检测指标,只能定性地判断相变温控组件是否满足热控要求,不能展示相变温控组件在该阶段内的具体工作状态及其参数的变化情况,因此一旦相变温控组件不满足热控要求时,并不知道是哪些参数的原因导致的,不能揭示组件不满足要求或失效的原因。
4)耗时长,效率低。用真机发热单元/模块测试时,只能用固定的功率使相变温控组件内相变材料融化,耗费时间长,效率低。对于批量生产的相变温控组件而言,如果每一个组件都采用真机发热单元/模块进行测试,用真机使组件内相变材料反复融化来模拟组件多次使用后的效果,将需要大量的时间及配套资源,很难实施。
5)成本高。采用真机发热单元/模块进行测试,成本较高。因为采用真机发热单元/模块时,必然还有一批附属软硬件设备来支撑发热单元/模块的工作,而且,一旦相变温控组件的性能不达标,极有可能导致发热单元/模块损坏,造成较大的经济损失,给项目进度也会造成影响。
发明内容
本发明的目的是针对相变温控组件全生命周期的热控性能,在尚无一种通用的技术测试方法,且现今工程上定性判断其温控性能方式存在诸多不足的情况下,提供一种能够系统、全面、量化地考察相变温控组件的热控性能,大幅度降低测试成本和工作量的测试方法。
本发明提出相变温控组件热控性能测试应包括基础热性能测试与循环特性性能测试两方面,两者缺一不可,共同组成相变温控组件全生命周期的热控性能测试。基础性能测试用于考核加工制备完成的相变温控组件是否满足设计指标,循环特性性能测试则用于考核多次重复使用或是长期贮存后相变温控组件的热控性能。
为了实现上述目的,一种相变温控组件热控性能测试方法,具有如下技术特征:首先根据相变温控组件的实际应用场合,选择集中热源或分布热源,将其安装在相变温控组件上;然后根据相变温控组件的结构形式,在其表面布置温度传感器,在热源附近设置至少1个反映热控温度的监控点,同时在靠近相变温控组件内埋的相变材料的位置,设置至少2个反映热控时长的监控点;再利用环境试验箱建立试验环境,同时相变温控组件通过连接数据采集设备和串联数据处理模块,完成测试平台搭建;相变温控组件热控性能测试分为两个步骤进行测试,首先使热源按规定条件开始工作,数据采集设备对来自温度传感器的温度数据进行采集,对相变温控组件做基础热性能测试;其次,热源与环境模拟试验箱联合工作,将相变温控组件内的相变材料一次融化和凝固作为一个循环,待相变温控组件完成规定的循环次数后,热源按规定条件工作,数据采集设备采集来自温度传感器的温度数据,对相变温控组件做循环特性的性能测试;根据采集到的温度数据绘制出各监控点的温度时间曲线,数据处理模块对监控点温度时间曲线进行分析处理,定量给出相变温控组件的热控性能参数,完成相变温控组件的热控性能参数测试。
本发明相比现有技术具有如下有益效果。
1)测试指标全面。本发明布置的温度监控点位置及数量具有很强的针对性,采用接触式测温,测试结果稳定,误差小,测试数据精确。通过对测试数据进行处理,定量分析,可获得相变温控组件全面的热控性能指标参数,包括相变材料相变温区、控温温度、控温时长、相变储热量、热响应温差等。并根据其与设计指标的对比,定量地判断其是否达到了设计要求。
2)效率高,通用性强。本发明根据相变温控组件的实际应用场合,选择集中热源或分布热源,将其安装在相变温控组件上,集中热源和分布热源均采用模拟热源制作;通过模拟热源,可以加大发热功率,加快试验时间进程,尤其有利于缩短循环特性测试时间;其成本也远远低于真机;相比于现有技术只能用真机固定的功率使其融化,耗费时间短,测试效率高强。同时针对不同的相变温控组件,对多个相变温控组件进行性能测试,只需将热源位置、数量、测试功率、测试时间做相应调整即可进行测试,操作简便,通用性强。
3)具有普适性。本发明从基础热性能与循环特性热性能两方面来评价相变温控组件的热性能,并通过对测试数据的分析给出相变温控组件的具体性能指标参数,实现对其热性能全面、量化的评价,能够实现覆盖相变温控组件的全生命周期测试,具有普适性。可以帮助设计人员在当前还没有一个系统的方法来评价相变温控组件热性能的情况下,全面、深入地掌握相变温控组件的热控性能,有效地弥补现有手段不能具体、量化地得到相变温控组件性能指标的不足。
附图说明
图1是本发明相变温控组件测试监控点布置示意图。
图2是相变温控组件热控性能测试方法示意图。
图3是图1典型的相变温控组件测试曲线。
具体实施方式
参阅图1图2。根据本发明,首先根据相变温控组件的实际应用场合,选择集中热源或分布热源,将其安装在相变温控组件上;然后根据相变温控组件的结构形式,在其表面布置温度传感器,在热源附近设置至少1个反映热控温度的监控点,同时在靠近相变温控组件内埋的相变材料的位置,设置至少2个反映热控时长的监控点;再利用环境试验箱建立试验环境,同时相变温控组件通过连接数据采集设备和串联数据处理模块,完成测试平台搭建;相变温控组件热控性能测试分为两个步骤进行测试,首先使热源按规定条件开始工作,数据采集设备对来自温度传感器的温度数据进行采集,对相变温控组件做基础热性能测试;其次,热源与环境模拟试验箱联合工作,将相变温控组件内的相变材料一次融化和凝固作为一个循环,待相变温控组件完成规定的循环次数后,热源按规定条件工作,数据采集设备采集来自温度传感器的温度数据,对相变温控组件做循环特性的性能测试;根据采集到的温度数据绘制出各监控点的温度时间曲线,数据处理模块对监控点温度时间曲线进行分析处理,定量给出相变温控组件的热控性能参数,完成相变温控组件的热控性能参数测试。
实施例具体实施方式如下:
如图1所示,在相变温控组件上安装热源,热源可根据相变温控组件的实际使用情况,选择集中热源或是分布布置热源。一般而言,相变温控组件属于定制产品,是针对某一特定发热单元/模块在某个环境下工作进行研制的,因此在测试其热性能时,所施加的热源总功率应与发热单元/模块保持一致,热源与组件接触面处的热流密度也应保持一致。将安装好热源的相变温控组件置于试验环境模拟箱中。试验环境应能满足模拟实际工作环境的要求,如在有限空间自然对流与大空间自然对流环境下结果是有区别的。大部分航天器设备的使用环境仅有热传导与热辐射,因此试验时要防止气流扰动对温度数据产生影响。
如图2所示,将反映控温温度的监控点应布置在热源附近,数量至少为1个(在可选的实施例中,可以在热源1、热源2的附近各布置1个反映控温温度的监控点),反映控温时长的监控点布置在远离热源,同时又靠近内埋相变材料处的位置,数量至少为2个,且这两个监控点应间隔一定距离。
按图1所示连接温度数据采集装置,准备进行测试。基础热性能测试:使热源按规定条件开始工作,采集整个工作过程中的温度数据;循环特性热性能测试:通过热源与环境模拟试验箱联合工作,使相变温控组件内相变材料反复融化和凝固,将一次融化和凝固作为一个循环,待组件完成规定的循环次数后,再次使热源按规定条件开始工作,采集整个工作过程中的温度数据。数据处理模块根据采集到的温度数据,绘制出各监控点的温升曲线,通常,最简单的3监控点测试模型的温升曲线如图3所示。从图3曲线的数值与变化趋势上可以得出相变材料相变温区、控温温度、控温时长、相变储热量、热响应温差等一系列信息。
图3中,数据处理模块以时间t/s为横坐标、以热控温度T/℃为纵坐标,建立直角坐标系绘制曲线,监控点1、监控点2、监控点3构成了最简单的3监控点测试模型的温升曲线。其中,坐标点(t1,T1)和坐标点(t2,T2)分别是通过相变温控组件上远离热源同时又靠近内埋相变材料处的两个监控点在全程中温差变小直至恒定处和由恒定到逐渐增大处确定的,[T1,T2]为相变材料的相变温区,t2时刻对应的温差T2ˊ-T2则反映了热响应温差。数据T3,t3分别为控温温度与控温时长参数,t3用于判断相变温控组件是否满足某一发热元件/模块的许用温度或是在满足许用温度的要求下的热控时长;t4,t5是热源处监控点两个相邻阶段温度变化斜率交点的横坐标,[t4,t5]为相变温控组件开始发生相变与完成相变的时间段,该时间段长度乘以热源发热功率则得到相变储热量参数;给出测试结论。数据处理模块根据分析得到的数据给出相变温控组件的性能参数。
以上所述为本发明较佳实施例,应该注意的是上述实施例对本发明进行说明,然而本发明并不局限于此,并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种相变温控组件热控性能测试方法,具有如下技术特征:首先根据相变温控组件的实际应用场合,选择集中热源或分布热源,将其安装在相变温控组件上;然后根据相变温控组件的结构形式,在热源附近设置至少1个反映热控温度的监控点,同时在靠近相变温控组件内埋的相变材料的位置,设置至少2个反映热控时长的监控点;再利用环境试验箱建立试验环境,同时相变温控组件通过连接数据采集设备和数据处理模块,完成测试平台搭建;相变温控组件热控性能测试分为两个步骤进行测试,首先使热源按规定条件开始工作,数据采集设备对来自温度传感器的温度数据进行采集,对相变温控组件做基础热性能测试;其次,热源与环境模拟试验箱联合工作,将相变温控组件内的相变材料一次融化和凝固作为一个循环,待相变温控组件完成规定的循环次数后,热源按规定条件工作,数据采集设备采集来自温度传感器的温度数据,对相变温控组件做循环特性的性能测试;根据采集到的温度数据绘制出各监控点的温度时间曲线,数据处理模块对监控点温度时间曲线进行分析处理,定量给出相变温控组件的热控性能参数,完成相变温控组件的热控性能参数测试。
2.如权利要求1所述的相变温控组件热控性能测试方法,其特征在于:在相变温控组件上安装热源,测试时热源的总功率与发热单元/模块保持一致,热源与组件接触面处的热流密度也保持一致。
3.如权利要求1所述的相变温控组件热控性能测试方法,其特征在于:相变温控组件上温度监控点的总数量不少于3个;其中,热源附近反映控温温度的监控点数量至少为1个;远离热源同时又靠近内埋相变材料位置处反映控温时长的监控点数量至少为2个,且这两个监控点间隔一定距离。
4.如权利要求1所述的相变温控组件热控性能测试方法,其特征在于:相变温控组件热控性能测试包括基础热性能测试与循环特性性能测试两个方面,循环特性测试时使相变温控组件内相变材料反复融化和凝固,以一次融化和凝固作为一个循环,相变温控组件按照要求完成规定的循环次数。
5.如权利要求1所述的相变温控组件热控性能测试方法,其特征在于:数据处理模块在进行数据处理时,以时间t/s为横坐标、以热控温度T/℃为纵坐标,建立直角坐标系绘制曲线,监控点1、监控点2、监控点3构成了最简单的3监控点测试模型的温升曲线。
6.如权利要求5所述的相变温控组件热控性能测试方法,其特征在于:坐标点(t1,T1)和坐标点(t2,T2)分别是通过相变温控组件上远离热源同时又靠近内埋相变材料处的两个监控点在全程中温差变小直至恒定处和由恒定到逐渐增大处确定的,[T1,T2]为相变材料的相变温区,t2时刻对应的温差T2ˊ-T2则反映了热响应温差。
7.如权利要求5所述的相变温控组件热控性能测试方法,其特征在于:数据T3,t3是根据发热元件/模块的许用温度确定的,t3用于判断相变温控组件是否满足某一发热元件/模块的许用温度或是在满足许用温度的要求下的热控时长。
8.如权利要求5所述的相变温控组件热控性能测试方法,其特征在于:t4,t5是热源处监控点两个相邻阶段温度变化斜率交点的横坐标,并且[t4,t5]为相变温控组件开始发生相变与完成相变的时间段,该时间段长度乘以热源发热功率则得到相变储热量参数。
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