CN115616030B - 一种导热系数的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导热系数的测量方法，准备与换热结构的外形尺寸相同的辅助工件，确定辅助工件的导热系数；在辅助工件和换热结构上布置热源及典型测温点，测得辅助工件的测温点温度；建立辅助工件的有限元模型，输入边界条件参数和导热系数，根据有限元模型输出的辅助工件的测温点温度逐步修正边界条件参数，待用；根据测试条件建立换热结构的有限元模型，将边界条件参数以及初步预测的等效导热系数输入换热结构的有限元模型并进行仿真计算，获得换热结构的测温点温度；修正等效导热系数，直到有限元计算得到的测温点温度与换热结构的测温点温度相同或者误差小于预定值，该等效导热系数即为整体换热结构的等效导热系数，所述测量方法准确高效。
Description
技术领域
本发明涉及热设计技术领域，特别是涉及一种导热系数的测量方法，可以用于测量复合热结构的等效导热系数和新材料的导热系数。
背景技术
电子产品的高速发展，芯片热流密度不断增大，靠空气强制对流换热的传统风冷散热方式已远远不能满足现代电子产品电子元器件的散热需求，因此，寻求最优的散热方法和方式始终为研发人员努力的目标，进行新的导热系数高的结构设计和采用导热系数高新材料或者复合材料是实现有效散热的可行途径。
近年来，均热板作为一种良好的散热结构已经广泛应用于服务器等电子产品及军工领域，其优势为通常用于需小体积或需快速散高热的产品，对热源的传导效果更均匀，具有良好的竞争优势。
技术发展上，将来如何进一步降低均热板之热阻值，增强其热传导效果。生产制作上提高生产合格率，并寻找减少整体散热解决方案之成本，皆为产业发展之方向。产品应用上，未来为解决其他可能之散热应用，新的均热板解决方案正陆续被开发中。
虽然均热板是一种好的散热方式和结构，但是属于复合结构，结构中往往涉及多种材料，结构和制造工序相对复杂。对于任何换热产品而言，结构或者产品整体的导热系数是热设计的关键参数，即换热效果是用户最关心的问题。而结构整体的导热系数往往不能准确获得。即便换热产品中各材料的导热系数已知，对于结构复杂，材料多样的均热板或者其他换热结构，用单纯的材料的导热系数或者通过简单的数学比例换算或者不同材料在结构中的比例来定义该换热产品的整体导热系数都是不合理的。我们定义换热产品整体的导热系数为“等效导热系数”。对于均热板等换热结构件的性能指标，主要是通过评判整体结构所能达到导热系数值，即等效导热系数，进行评价。等效导热系数是评价换热结构整体换热效果最合理的方式，另外，结构的等效导热系数除了与结构有关外，仍与结构的加工工艺及使用环境等相关，对于外形结构尺寸以及材料分布完全相同的两种换热结构若选用不同的连接方式，由于接触热阻的不同，其等效导热系数也不同。总之，获得换热产品或结构的等效导热系数才是最有意义的，只有输入准确的换热结构的等效导热系数，热设计工程师才能进行整体换热系统的合理设计。
材料的导热系数不仅与材料的物质种类有关，而且与它的微观结构、填料含量等有密切联系。目前，在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。导热系数的测定方法发展到现在已经有了许多种，它们有不同的适用领域、测量范围、精度、准确度和试样尺寸要求等，不同方法对同一样品的测量结果可能会有较大的差别，因此选择合适的测试方法是首要的。
目前导热系数的测定方法分为稳态法和非稳态法两大类。稳态热流法，其测试原理是将一定厚度的样品置于上下两个平板间，对样品施加一定的热流量和压力，使用热流传感器测量通过样品的热流、测试样品的厚度、热板/冷板间的温度梯度，然后得出不同厚度下对应的热阻数据作拟合得出样品的导热系数。但是该方法需将待测试件加工制造成厚度5~10mm的标准圆柱试件，直径随设备变动，对不能进行破坏的或者结构件测试十分不便；瞬态平面热源法(TPS)是目前研究材料导热性能的方法中最方便、精确的一种，由热线法改进而来，该方法采用一个由热阻性材料镍制成的包覆有绝缘材料（聚酰亚胺，云母等）并带自加热功能的瞬间热平面探头（Hot Disk探头）。Hot Disk探头放置于样品中，测试时在探头上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升。由于镍的热电阻系数—温度和电阻的关系呈线性关系，即可通过了解电阻的变化获得热量的损失，从而反映样品的导热性能。然后测量探头本身和与探头相隔一定距离的圆球面上的温度随时间上升的关系，通过数学模型拟合同时得到样品的导热系数和热扩散系数。但是该方法适用于测均质材料的导热系数，不适合用于测各向异性材料（如石墨片），对复合高导热系数结构导热系数超过500W/m·K无法进行测量。
对于均热板、复杂结构、导热系数极高的换热产品或者新材料的等效导热系数测试，上述两种方法都有相应的局限性，甚至采用上述方法无法实现等效导热系数的测量。另外，对于复杂结构的换热产品即便通过各种方法获得其等效导热系数，但是由于材料不同、结构不同、或者结构相同但材料不同或者材料占比不同，不同情况的测试方法没有通用性。不同产品需单独测量，并且多次测量，才能获得相对准确的测试结果。
对于换热产品，如何准确获得其等效导热系数是关键，如果无法获得准确的等效导热系数，就无法合理设计保证产品制造后能满足所需的换热要求。由于材料和结构原因，材料或者结构本身的导热系数无法测量，若能提供一种方法能够测得材料或者结构的等效导热系数，具有工程应用价值，这将为复合换热结构或者新材料的热设计提供理论支持和数据积累。因此，发明一种能够准确获得换热结构和新材料等效导热系数的通用方法势在必行。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种复合热结构的等效导热系数和新材料的导热系数的测量方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种导热系数的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
步骤1，准备与待测产品的外形尺寸相同的纯材料的辅助工件，所述辅助工件的材料已知；
步骤2，确定辅助工件的导热系数；
步骤3，在所述辅助工件上布置热源及典型测温点，测得辅助工件的测温点温度，作为温度场真实测定，在所述待测产品上布置相同的热源及典型测温点，测得待测产品的测温点温度，作为温度场真实测定；
步骤4，根据步骤3的测试条件建立辅助工件的有限元模型，输入边界条件参数和步骤2中的导热系数，根据有限元模型输出的辅助工件的测温点位置的温度逐步修正边界条件参数，直至有限元模型输出的测温点温度与步骤3得到辅助工件的测温点温度的相同或者误差小于预定值，此时得到确定的辅助工件的有限元模型的边界条件参数，待用；
步骤5，根据步骤3的测试条件建立待测产品的有限元模型，将步骤4获得的边界条件参数以及初步预测的等效导热系数输入待测产品的有限元模型并进行仿真计算，得到仿真的温度场，获得待测产品的测温点温度；
步骤6，对比步骤3得到的待测产品的测温点温度与步骤5的有限元模型计算获得的温度场对应的测温点温度，得到仿真的温度场，修正步骤5的待测产品的有限元模型的等效导热系数，直到有限元计算得到的测温点温度与步骤3得到的待测产品的测温点温度相同或者误差小于预定值，该等效导热系数即为整体待测产品的导热系数或等效导热系数。
在上述技术方案中，所述待测产品为新材料或者复合材料的换热结构。
在上述技术方案中，所述步骤1中，所述辅助工件的材料与所述换热结构的一种材料相同。
在上述技术方案中，所述步骤2中，通过导热系数测定试验测定所述辅助工件的导热系数，或者根据材料厂家提供的材料的导热系数确定所述辅助工件的导热系数。
在上述技术方案中，所述步骤4的边界条件参数包括接触热阻、对流换热系数、热源位置和材料特性。
在上述技术方案中，所述步骤3中，在所述辅助工件和待测产品上布置冷源，所述热源和所述冷源布置在所述辅助工件的相对两端，当步骤3中布置有冷源时，所述步骤4中的边界条件还包括冷源位置和冷却温度。
在上述技术方案中，所述步骤4和步骤5中误差的预定值为3-8%，优选为5%。
在上述技术方案中，所述步骤4和步骤5的有限元模型在FLOEFD、FloTHERM或ICEPAK中建立。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明方法为试验和有限元计算相结合，能更准确、有效、快速的给出不同产品、不同结构的等效导热系数；
（2）如果材料的导热系数已知，通过本发明的方法能够验证出该导热系数的准确性；
（3）本发明的方法与结构无关、与材料无关、能准确获得、通用性强、方法简单、可操作性强，能有效获得各种材料组合的换热结构或者复合材料的等效导热系数。
附图说明
图1所示为本发明的测定方法流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例以复合材料的换热结构作为待测试产品为例进行说明，待测试产品也可以为其他形式的产品。
实施例1
一种导热系数的测量方法，所述导热系数为新材料或者复合材料的换热结构的导热系数，所述测量方法包括以下步骤：如图1所示，
步骤1，首先确定换热结构类型，准备与换热结构的外形尺寸相同的辅助工件，确定换热结构中的材料种类，优选的，所述辅助工件的材料与所述换热结构的一种材料相同，比如换热结构为铝铜合金，辅助工件的材质可选用铝材质；
步骤2，通过导热系数测定试验测定所述辅助工件的导热系数，或者根据材料厂家提供的材料的导热系数确定所述辅助工件的导热系数；
步骤3，在所述辅助工件上布置热源及典型测温点，测得辅助工件的测温点温度，在所述换热结构上布置相同的热源及典型测温点，测得换热结构的测温点温度，得到相应的温度场数据；
步骤4，根据步骤3的测试条件建立辅助工件的有限元模型，输入边界条件（接触热阻、对流换热系数、热源位置、材料特性）和步骤2中的导热系数等参数，根据有限元模型输出的辅助工件的测温点位置的温度逐步修正边界条件，直至有限元模型输出的测温点温度与步骤3得到的测温点温度的误差为预定值，此时得到确定的辅助工件的有限元模型的边界条件参数，待用；
步骤5，根据步骤3的测试条件建立换热结构的有限元模型，将步骤4获得的边界条件参数以及等效换热系数输入换热结构的有限元模型并进行仿真计算，获得换热结构的测温点温度；
步骤6，对比步骤3得到的换热结构的测温点温度与步骤5得到的有限元模型计算获得的温度场对应的测温点温度，修正步骤5的换热结构的有限元模型的等效导热系数，直到有限元计算得到的测温点温度与步骤3得到的换热结构的测温点温度相同或者误差小于预定值该等效导热系数即为整体换热结构的等效导热系数。
为了更好的控制加热温度，所述步骤3中，在所述辅助工件上布置冷源，所述热源和所述冷源布置在所述辅助工件的相对两端，当步骤3中布置有冷源时，所述步骤4中的边界条件还包括冷源位置和冷却温度。
实施例2
本实施例中测定均热板的导热系数，所述导热系数的测量方法，包括以下步骤：
步骤1，准备导热系数待测定的均热板一个，外形尺寸与均热板相同的纯铝件一个，纯铝件作为辅助工件；
步骤2，利用高温胶带将陶瓷加热片固定在纯铝件的一端，中间放置导热硅脂进行传热，工件表面均匀分布测温点，每一个测温点的位置固定一个热电偶以测试该测温点的温度数据，并将组装好的工件使用保温棉进行包裹；
步骤3，对陶瓷加热片设定一定的功率，本实施例中设定为30W，启动加热系统并进行记录各个测温点的温度数据；
步骤4，测试组件的温度变化趋于稳定后，记录测试时间并关闭加热系统；
步骤5，按照步骤2-步骤4的方法，测试均热板各个测温点的温度数据；
步骤6，在仿真软件中建立测试结构的数据模型，条件设定与实际工况相同，即功率30W，测温点均匀分布，仿真运行稳定时间与步骤3的实际加热相同；
步骤7，建立纯铝件的仿真模型，纯铝件材料的导热系数已知并设定到仿真模型中，作为定量不再发生变动；
步骤8，对纯铝件的仿真模型中的边界条件参数（接触热阻、对流换热系数、热源位置、材料特性）进行更改，并运行仿真得到各个测温点的温度数据；
步骤9，继续修改接触热阻、对流换热系数等边界条件，直至纯铝件的仿真模型中得到的各个测温点的温度数据和步骤5得到的实际测试的纯铝件温度数据误差小于5%为止，记录此时的边界条件参数，待用；
步骤10，在仿真软件中建立均热板的仿真模型，条件设定与实际工况相同，即功率30W，测温点均匀分布，同时设定与步骤9得到的纯铝件相同的边界条件参数；
步骤11，对均热板的仿真模型的等效导热系数进行更改，并运行仿真得到各个点位的温度数据；
步骤12，继续修改导热系数，直至均热板的仿真模型中得到的各个测温点的温度数据和步骤5实际测试的均热板温度数据误差小于5%为止；
步骤13，记录步骤12最后得到的导热系数，即为待测试的该均热板的等效导热系数；
步骤14，按照步骤1~步骤13进行多次测量，可获得准确的测试结果。
作为优选的，为了更好的控制加热温度，所述步骤2中，在所述纯铝件的另一端固定水冷板，利用陶瓷加热片对纯铝件或者均热板进行加热，利用水冷板对纯铝件或者均热板进行降温，以良好控制温度，所述水冷板上设置两个端口，一端通入冷水，一端流出冷水，利用循环冷水进行降温。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种导热系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，准备与待测产品的外形尺寸相同的纯材料的辅助工件，所述辅助工件的材料已知，所述辅助工件的材料与所述待测产品的一种材料相同；
步骤2，确定辅助工件的导热系数；
步骤3，在所述辅助工件上布置热源及典型测温点，测得辅助工件的测温点温度，作为温度场真实测定，在所述待测产品上布置相同的热源及典型测温点，测得待测产品的测温点温度，作为温度场真实测定；
步骤4，根据步骤3的测试条件建立辅助工件的有限元模型，输入边界条件参数和步骤2中的导热系数，根据有限元模型输出的辅助工件的测温点位置的温度逐步修正边界条件参数，直至有限元模型输出的测温点温度与步骤3得到辅助工件的测温点温度的相同或者误差小于预定值，此时得到确定的辅助工件的有限元模型的边界条件参数，待用；
步骤5，根据步骤3的测试条件建立待测产品的有限元模型，将步骤4获得的边界条件参数以及初步预测的等效导热系数输入待测产品的有限元模型并进行仿真计算，得到仿真的温度场，获得待测产品的测温点温度；
步骤6，对比步骤3得到的待测产品的测温点温度与步骤5的有限元模型计算获得的温度场对应的测温点温度，得到仿真的温度场，修正步骤5的待测产品的有限元模型的等效导热系数，直到有限元计算得到的测温点温度与步骤3得到的待测产品的测温点温度相同或者误差小于预定值，该等效导热系数即为整体待测产品的导热系数或等效导热系数。
2.如权利要求1所述的导热系数的测量方法，其特征在于，所述待测产品为新材料或者复合材料的换热结构。
3.如权利要求1所述的导热系数的测量方法，其特征在于，所述步骤2中，通过导热系数测定试验测定所述辅助工件的导热系数，或者根据材料厂家提供的材料的导热系数确定所述辅助工件的导热系数。
4.如权利要求1所述的导热系数的测量方法，其特征在于，所述步骤4的边界条件参数包括接触热阻、对流换热系数、热源位置和材料特性。
5.如权利要求1所述的导热系数的测量方法，其特征在于，所述步骤3中，在所述辅助工件和待测产品上布置冷源，所述热源和所述冷源布置在所述辅助工件的相对两端，当步骤3中布置有冷源时，所述步骤4中的边界条件还包括冷源位置和冷却温度。
6.如权利要求1所述的导热系数的测量方法，其特征在于，所述步骤4和步骤5中误差的预定值为3-8%。
7.如权利要求1所述的导热系数的测量方法，其特征在于，所述步骤4和步骤5的有限元模型在FLOEFD、FloTHERM或ICEPAK中建立。
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Denomination of invention: A measurement method for thermal conductivity coefficient Effective date of registration: 20240103 Granted publication date: 20230502 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Baoding Xushui Branch Pledgor: Hebei Yutian Material Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980000290 |