CN115389552A - 单一热源多工位同步测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为单一热源多工位同步测试装置及方法，涉及一种多通道导热系数测试装置及方法，该装置包括：设置在基板上的热源；与热源相连接的至少两个导热通道，每个导热通道完全相同，且分别在导热通道的相同位置上设置有完全相同的测试模块，所述至少两个测试模块可以同时对至少两个待测样本进行同步测试，从而获取所述待测样本的导热系数。该装置能实现多个待测样本的热导率一次测量完成，保证了待测样本各性能参数的性能一致，减少测量导致的变量，便于数据的对比分析，系统的集成度高，测试时间短，准确率和效率高，同时节约成本。

Description

单一热源多工位同步测试装置及方法

技术领域

本发明属于材料导热系数测试技术领域，特别涉及一种多工位同时对多个材料的导热系数进行测试的装置及方法。

背景技术

在满足电子产品小型化的要求下，为提高电子产品的散热性能，产品设计人员通常需要开发新型导热功能材料用于产品结构设计，并同时具有良好的导热性能。导热系数是材料的一个重要热性能参数，用于表征材料的导热能力大小。在材料的应用过程中，很多地方都涉及到热量的传递问题，因此导热系数的准确测量成为一个非常重要的课题。稳态法是经典的材料导热系数测定方法，其原理是利用稳定传热过程中，传热速率等于散热速率的平衡状态，根据傅里叶一维稳态热传导模型，由通过试样的热流密度、两侧温差和厚度，计算得到导热系数。

但是现有技术中，测试装置只有单一热源和单一测试通道，面对需要分别对不同样本进行测试的情况，无法保证测试环境完全一致。即使采用同一测试装置，在前后几分钟分别用于测试，其环境、电参数也难以保证完全一致，从而导致测试效率低、误差大。此外，由于同时只能对一个样本进行测试，因此导致设备投资成本高，测试时间长效率低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明旨在提供一种多通道材料导热系数测试的装置及方法，能够同时对多个待测材料样本进行测试，从而可以尽最大限度降低测试过程的误差，减少变量，从而提升测试数据的准确性及效率

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明的第一方面提出一种一种多通道导热系数测试装置，包括：设置在基板上的热源；与热源相连接的至少两个导热通道，每个导热通道完全相同，且分别在导热通道的相同位置上设置有完全相同的测试模块，所述至少两个测试模块可以同时对至少两个待测样本进行同步测试，从而获取所述待测样本的导热系数。

优选地，每个所述测试模块包括：位于待测样本下方的加热盘和位于待测样本上方的冷却盘，所述加热盘、待测样本、冷却盘依次堆叠在导热通道上且相互紧密贴合；用于检测加热盘和冷却盘上预设的温度测试点的温度的温度检测单元；和/或设置在冷却盘上方的冷却单元；和/或压力器，用于施加压力；和/或隔热罩，用于防止热量散失。

优选地，所述热源是电加热热源；和/或所述热源是正方形铜板；和/或所述导热通道所用材料是铜；和/或所述加热盘和冷却盘所用材料是铜；和/或所述待测样本、加热盘和冷却盘具有相同的横截面积；和/或所述冷却单元是冷却水管；和/或所述压力器是施压旋钮螺栓；和/或所述温度检测单元是热电隅；和/或在加热盘和冷却盘上预设3-6组温度测试点。

优选地，根据已知的加热盘和冷却盘材料的导热系数，使用热传导定律傅里叶公式求出待测样本的热流量Q，结合待测样本两端的温度差，再次使用热传导定律傅里叶公式计算待测样本的导热系数。

优选地，每组温度感测点分别是位于同一平面的多个点，通过对每组点检测温度取平均值的方式获取该平面的温度。

为解决上述技术问题，本发明的第二方面提出一种导热系数测试方法，该方法包括下述步骤：在基板上设置热源、以及至少两个与同一热源相连接的导热通道，并分别在所述至少两个导热通道的相同位置上设置测试模块，其中所述至少两个导热通道完全相同，且所述多个测试模块完全相同；分别在至少两个测试模块中放置待测样本，使用所述至少两个测试模块同时对所述至少两个待测样本进行同步测试，从而获取所述待测样本的导热系数。

优选地，每个所述测试模块包括：位于待测样本下方的加热盘和位于待测样本上方的冷却盘；用于检测加热盘和冷却盘上预设的温度测试点的温度的温度检测单元；和/或设置在冷却盘上方的冷却单元；和/或压力器，用于施加压力；和/或隔热罩，用于防止热量散失。

优选地，还包括：所述热源是电加热热源；和/或所述热源是正方形铜板；和/或所述导热通道所用材料是铜；和/或所述加热盘和冷却盘所用材料是铜；和/或所述待测样本、加热盘和冷却盘具有相同的横截面积；和/或所述冷却单元是冷却水管；和/或所述压力器是施压旋钮螺栓；和/或所述温度检测单元是热电隅；和/或在加热盘和冷却盘上预设3-6组温度测试点。

优选地，还包括：所述分别在至少两个测试模块中放置待测样本，使用所述至少两个测试模块同步测试所述待测样本的导热系数，具体为：将待测样本放置在加热盘和冷却盘之间的待测腔体内，使得所述导热通道、加热盘、待测样本、冷却盘相互紧密贴合；控制热源产生热量，检测加热盘和冷却盘上预先设置的多组温度测试点的温度；根据已知的加热盘和冷却盘材料的导热系数，使用热传导定律傅里叶公式求出待测样本的热流量Q，结合待测样本两端的温度差，再次使用热传导定律傅里叶公式计算待测样本的导热系数。

优选地，还包括：检测加热盘上预设的温度测试点的温度，如果加热盘的温度与预设的温度设定值一致时，才检测加热盘和冷却盘上预先设置的多组温度测试点的温度。

(三)有益效果

本发明可同时测试多个待测样本的热导率，通过将多个相同设置的测试模块放在多个导热通道的相同位置上，可以认为所述多个待测样本的测量环境完全一致，多个待测样本的热导率一次测量完成，保证了待测样本各性能参数的性能一致，减少测量导致的变量，便于数据的对比分析，系统的集成度高，测试时间短，准确率和效率高，同时节约成本。

附图说明

图1是根据本发明的多通道材料导热系数测试装置的一个实施例的主要结构示意图；

图2是根据本发明的一个通道上的测试模块的一个实施例的分解示意图；

图3是根据本发明的多通道材料导热系数测试方法的一个实施例的主要流程图。

各个附图标记：1基板，2热源，3第一导热通道，4第二导热通道，5第一测试模块，6第二测试模块，7加热盘，8待测样本，9冷却盘，10冷却单元，11压力器，12隔热材料。

具体实施方式

在对于具体实施例的介绍过程中，对结构、性能、效果或者其他特征的细节描述是为了使本领域的技术人员对实施例能够充分理解。但是，并不排除本领域技术人员可以在特定情况下，以不含有上述结构、性能、效果或者其他特征的技术方案来实施本发明。

附图中的框图可以表示的功能实体，包括但不限于可以是物理上独立的实体、也可以是多个物理实体组合实现该功能，或者，在一个或多个硬件结构或集成电路结构中具有实现这些功能的物理实体部分，或者在不同网络和/或处理单元装置和/或微控制器装置中具有实现这些功能的物理实体部分。

各附图中相同的附图标记表示相同或类似的元件、组件或部分，因而下文中可能省略了对相同或类似的元件、组件或部分的重复描述。还应理解，虽然本文中可能使用第一、第二、第三等表示编号的定语来描述各种器件、元件、组件或部分，但是这些器件、元件、组件或部分不应受这些定语的限制。也就是说，这些定语仅是用来将一者与另一者区分。例如，第一器件亦可称为第二器件，但不偏离本发明实质的技术方案。此外，术语“和/或”、“及/或”是指包括所列出项目中的任一个或多个的所有组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或数量或位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

【实施例1】

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的实现作进一步的详细说明。

这里将结合图1所示本发明的多通道材料导热系数测试装置的一个实施例的主要结构进行说明。

如图1所示，所述多通道材料导热系数测试装置包括设置在基板1上的热源2、与热源2相连接的至少两个导热通道(图中仅示例性的示出第一导热通道3和第二导热通道4)、以及分别设置在导热通道相同位置上的多个测试模块(图中仅示例性的示出第一测试模块5和第二测试模块6)。

所述热源产生热量，所述热源与所述多个导热通道连接，用于对每个测试模块中的测试样本一端进行恒定功率的加热。

所述热源为正方形热源，通过对所述正方形热源表面做刻线分区域验证得到，每个区域的发热温度一致，故可利用多个外边缘连接多个导热通道同时进行测试。在实际应用中，可以根据测试样本大小决定测试通道数量，输入功率稳定不变，可同时测试多组样本，减少变量，提升测试数据准确性，也能提高测试效率。

在一个特定实施方式中，所述热源为正方形铜板。

在一个特定实施方式中，所述热源为50*50mm的正方形铜板。

所述多个导热通道完全相同(放置方向可以不同)，所述多个测试模块完全相同且设置在各个导热通道的相同位置上，通电热源发热，在经过一段时候后，可以认为所述多个导热通道上同样位置的各种参数，例如点温度等参数是一样的。

在一个特定实施方式中，所述导热通道为铜板或者铜片。

本发明通过将多个测试模块放置于多条导热通道上的相同的位置，可以认为这些测试模块的测量环境完全一致，可以同时对多个被测物体进行测试，减少了测量导致的变量，同时多个通道测试更为准确，可以尽最大限度降低测试过程的误差，减少变量，从而提升测试数据的准确性及测试效率。

图2是根据本发明的设置在一个导热通道上的测试模块的分解示意图。

如图2所示，以设置在第一导热通道3上的第一测试模块5为例，依次将第一导热通道3、加热盘7、待测样本8、冷却盘9按顺序堆叠排布，并使其相互紧密贴合，使得待测样本8夹在设置的加热盘7和冷却盘9之间。可以直接设置固定该加热盘7。

为保证必要的测量精度，所述待测样本8、加热盘7和冷却盘9具有相同的横截面积，并且该横截面积尺寸远大于待测样本的厚度。

在一个特定实施方式中，所述加热盘7和冷却盘9是铜块。由于铜具有高导热性能，加热铜块后温度更均匀，热惯性小，使得导热系数测量模块的测试结果更加精确。

在一个特定实施方式中，所述冷却盘9可与一冷却单元10相连接，如此在热源和冷却单元之间形成一温度梯度场。

在一个特定实施方式中，所述冷却单元是冷却水管。

在一个特定实施方式中，为减少界面热阻，加热盘7、冷却盘9与待测样本的接触表面、以及第一导热通道与加热盘的接触表面均应抛光，使接触面平整光滑。

在一个特定实施方式中，在所述冷却单元10上方设置压力器11，用以施加一标准压力至冷却装置，从而使得测试样本被压力器11产生的力压紧在冷却盘9和加热盘7之间的测试腔间。

在一个特定实施方式中，所述压力器11是施压旋钮螺栓。

在一个特定实施方式中，利用隔热材料12将所述加热盘7、待测样本8、冷却盘9、冷却单元12、压力器与周围大气环境进行隔热处理，防止热量散失，使热量尽量沿第一导热通道3、加热盘7、待测样本8、冷却盘9、冷却单元12的顺序传递。

在一个特定实施方式中，还对隔热材料形成的隔热罩内的空间抽真空，进一步避免热量散失。

这主要是基于导热系数不随温度变化的前提下，即导热系数与温度无关。由此可见，保持热流恒定不变，具有良好的绝热条件以及保持待测样本与测试装置工作表面完全接触。

由此，测试样本在单位时间内垂直通过截面单位面积的热流量从下部加热盘流至上部冷却盘，在待测材料内由高温区向低温区传热，热量沿垂直于测试样本平面的方向上传导。

所述多通道材料导热系数测试装置包括温度检测单元，用于检测加热盘7和冷却盘9上预先设置的温度测试点的温度，以便用于测定被测样本材料两侧面上的温度差。

以在加热盘7和冷却盘9的垂直方向分别布置有两组温度测试点为例，如图2所示，

在加热盘的上表面上设置温度感测点D2，在加热盘距离待测样本的下表面S1距离处设置温度感测点D1，使用温度检测单元可以检测出温度感测点D1、D2的温度T1、T2。同样，在冷却盘下表面设置温度感测点D3，在冷却盘距离待测样本的上表面S2距离处设置温度感测点D4，使用温度检测单元可以检测出温度感测点D3、D4的温度T3、T4。

所述加热盘的上表面温度即待测样本的下表面温度T_Up，所述冷却盘的下表面温度即为待测样本的上表面温度T_low。

所述温度感测点的个数和位置也可以按照设计需求定义，例如也可以全部设置在加热盘和冷却盘内部，处于距离待测样本不同深度。

在一个特定实施方式中，所述每组温度感测点分别是位于同一平面的多个点，通过对每组点检测温度取平均值的方式获取T1-T4。

在一个特定实施方式中，所述各温度感测点是设置在加热盘和冷却盘上的圆孔。可以采用直径小于圆孔直径的热电隅插入温度测试圆孔D1-D4中，热电偶后端接入数据采集仪以测量圆孔底部温度。

在一个特定实施方式中，所述温度检测单元是数字式温度传感器。

在一个特定实施方式中，所述多通道材料导热系数测试装置还包括与热源和每一个测试模块相连接的温度控制单元。所述温度控制装置将来自加热盘的温度检测单元输出的温度信号与来自温度设定装置的温度设定电平相比较，以产生一温度控制信号给热源，以调节热源发出的功率大小，直到加热盘的温度与温度设定值一致时保持在保温状态。

用已知大小的恒定功率的热源加热到稳态后，测出热源和散热上下边缘上各自平均布置的两组温度测试点的温差，求出稳态热流。根据已知加热计量单元和冷却单元材料的导热系数，以及在垂直于测试样本表面方向上的形成温度的梯度分布测试点D2D3，运用热传导定律傅里叶公式求出测试样本的热流量Q以及测试样本两端的温度差ΔT，计算测试样本的导热系数。

根据傅利叶公式：Q＝-kA(T_low-T_Up)/ΔD，

其中Q为通过待测样本的热通量值，A为待测样本横截面面积，ΔD为热量流过待测样本的距离，即待测样本的厚度，T_low为待测样本的上表面温度，T_Up为待测样本的下表面温度。因此，要测得待测样本的导热系数k值，需要先确定通过待测样本的热通量Q值及其上下表面温度差：ΔT＝即下表面温度T_Up及上表面温度T_low的差值。

由于绝热材料组成的隔热罩不能传递热量，因此，热量只能够从热源向冷却装置传递，且传递过程中没有热量散失。因此求得热传递通道内的任何一个热通量，例如流过加热盘内D1、D2点的热通量、或流过冷却盘内D3、D4点的热通量，即可得知待测样本的热通量。由于加热盘或冷却盘所用材料的导热系数kl为已知值，则根据傅利叶公式，可得流过加热盘或冷却盘的热通量值Q，也即通过待测样本的热通量值。

进一步的，根据通过待测样本的热通量值Q、待测样本横截面面积A、待测样本的厚度D、前述测得的待测样本的上下表面温度代入所述傅里叶公式即可求得待测样本的导热系数。

本领域技术人员可以理解，热源并不限于电加热，其他能够提供足够热量的方式均可适用，另外，冷却单元也不限于冷却水管，液氮等其他冷却方式也可适用本发明，铜块、铜板也可用其他金属代替，其目的仅在于根据现有已知导热系数材料来测得热通量及待测样本的上下表面温度。

【实施例2】

图3是根据本发明的多通道材料导热系数测试装置进行测试的方法的一个实施例的主要流程图。该方法包括下述步骤：

S1：在基板上设置至少两个与同一热源相连接的导热通道，并分别在所述至少两个导热通道的相同位置上设置测试模块，其中所述至少两个导热通道的配置完全相同，且所述多个测试模块的配置完全相同；

S2：分别在至少两个测试模块中放置待测样本，使用所述至少两个测试模块同步测试所述待测样本的导热系数。

其中所述步骤S2具体为：

S21：将待测样本放置在加热盘和冷却盘之间的待测腔体内，使用压力器使得所述导热通道、加热盘、待测样本、冷却盘相互紧密贴合；

S22：控制热源产生热量，检测加热盘上预设的温度测试点的温度，如果加热盘的温度与预设的温度设定值一致时保持在保温状态，检测加热盘和冷却盘上预先设置的多组温度测试点的温度。

其中在加热盘的上表面上设置温度感测点D2，在加热盘距离待测样本的下表面S1距离处设置温度感测点D1，使用温度检测单元可以检测出温度感测点D1、D2的温度T1、T2。同样，在冷却盘下表面设置温度感测点D3，在冷却盘距离待测样本的上表面S2距离处设置温度感测点D4，使用温度检测单元可以检测出温度感测点D3、D4的温度T3、T4。

所述加热盘的上表面温度即待测样本的下表面温度T_Up，所述冷却盘的下表面温度即为待测样本的上表面温度T_low。

S23：根据傅利叶公式：Q＝-kA(T_low-T_Up)/ΔD，由于加热盘或冷却盘所用材料的导热系数kl为已知值，可得流过加热盘或者冷却盘内温度感测点间的热通量Q，也即通过待测样本的热通量值。

S24：同样根据傅利叶公式：Q＝-kA(T_low-T_Up)/ΔD，计算待测样本的导热系数k。

其中Q为通过待测样本的热通量值，A为待测样本横截面面积，ΔD为热量流过待测样本的距离，即待测样本的厚度，T_low为待测样本的上表面温度，T_Up为待测样本的下表面温度。因此，要测得待测样本的导热系数k值，需要先确定通过待测样本的热通量Q值及其上下表面温度差：ΔT＝即下表面温度T_Up及上表面温度T_low的差值。

本发明可同时测试多个待测样本的热导率，通过将多个相同设置的测试模块放在多个导热通道的相同位置上，可以认为所述多个待测样本的测量环境完全一致，多个待测样本的热导率在变温过程中一次测量完成，保证了待测样本各性能参数的性能一致，减少测量导致的变量，便于数据的对比分析，系统的集成度高，测试时间短，准确率和效率高，同时节约成本。

Claims (11)

1.一种多通道导热系数测试装置，其特征在于，包括：

设置在基板上的热源；

与热源相连接的至少两个导热通道，每个导热通道完全相同，且分别在导热通道的相同位置上设置有完全相同的测试模块，所述至少两个测试模块可以同时对至少两个待测样本进行同步测试，从而获取所述待测样本的导热系数。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每个所述测试模块包括：

位于待测样本下方的加热盘和位于待测样本上方的冷却盘，所述加热盘、待测样本、冷却盘依次堆叠在导热通道上且相互紧密贴合；

用于检测加热盘和冷却盘上预设的温度测试点的温度的温度检测单元；

和/或

设置在冷却盘上方的冷却单元；

和/或

压力器，用于施加压力；

和/或

隔热罩，用于防止热量散失。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：

所述热源是电加热热源；

和/或

所述热源是正方形铜板；

和/或

所述导热通道所用材料是铜；

和/或

所述加热盘和冷却盘所用材料是铜；

和/或

所述待测样本、加热盘和冷却盘具有相同的横截面积；

和/或

所述冷却单元是冷却水管；

和/或

所述压力器是施压旋钮螺栓；

和/或

所述温度检测单元是热电隅；

和/或

在加热盘和冷却盘上预设3-6组温度测试点。

4.如权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于：

根据已知的加热盘和冷却盘材料的导热系数，使用热传导定律傅里叶公式求出待测样本的热流量Q，结合待测样本两端的温度差，再次使用热传导定律傅里叶公式计算待测样本的导热系数。

5.如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：

每组温度感测点分别是位于同一平面的多个点，通过对每组点检测温度取平均值的方式获取该平面的温度。

6.一种导热系数测试方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

在基板上设置热源、以及至少两个与同一热源相连接的导热通道，并分别在所述至少两个导热通道的相同位置上设置测试模块，其中所述至少两个导热通道完全相同，且所述多个测试模块完全相同；

分别在至少两个测试模块中放置待测样本，使用所述至少两个测试模块同时对所述至少两个待测样本进行同步测试，从而获取所述待测样本的导热系数。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，每个所述测试模块包括：

位于待测样本下方的加热盘和位于待测样本上方的冷却盘；

用于检测加热盘和冷却盘上预设的温度测试点的温度的温度检测单元；

和/或

设置在冷却盘上方的冷却单元；

和/或

压力器，用于施加压力；

和/或

隔热罩，用于防止热量散失。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，还包括：

所述热源是电加热热源；

和/或

所述热源是正方形铜板；

和/或

所述导热通道所用材料是铜；

和/或

所述加热盘和冷却盘所用材料是铜；

和/或

所述待测样本、加热盘和冷却盘具有相同的横截面积；

和/或

所述冷却单元是冷却水管；

和/或

所述压力器是施压旋钮螺栓；

和/或

所述温度检测单元是热电隅；

和/或

在加热盘和冷却盘上预设3-6组温度测试点。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，还包括：

所述分别在至少两个测试模块中放置待测样本，使用所述至少两个测试模块同步测试所述待测样本的导热系数，具体为：

将待测样本放置在加热盘和冷却盘之间的待测腔体内，使得所述导热通道、加热盘、待测样本、冷却盘相互紧密贴合；

控制热源产生热量，检测加热盘和冷却盘上预先设置的多组温度测试点的温度；

根据已知的加热盘和冷却盘材料的导热系数，使用热传导定律傅里叶公式求出待测样本的热流量Q，结合待测样本两端的温度差，再次使用热传导定律傅里叶公式计算待测样本的导热系数。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

检测加热盘上预设的温度测试点的温度，如果加热盘的温度与预设的温度设定值一致时，才检测加热盘和冷却盘上预先设置的多组温度测试点的温度。

11.如权利要求8-10任一项所述的方法，其特征在于：

每组温度感测点分别是位于同一平面的多个点，通过对每组点检测温度取平均值的方式获取该平面的温度。

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