FR3120943A1 - Vacuum thermal impact device - Google Patents
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Abstract
Dispositif exerçant un impact thermique sous vide La présente invention concerne un dispositif exerçant un impact thermique sous vide pour la réalisation des essais et des mesures des caractéristiques techniques des articles et des appareils électroniques comportant une plateforme porteuse étanche (2) avec des canaux de mesure insérés dans son intérieur via un connecteur étanche, finissant par des broches pogo représentant l’interface de connexion des modèles testés ; un groupe thermique destiné au chauffage et au refroidissement des modèles testés et comportant un élément Peltier et une surface de contact (4); un système de refroidissement par air destiné à absorber la chaleur produite par les éléments Peltier; un chapeau levable (1) assurant la possibilité d’ouverture, de placement et de connexion du modèle testé ; un système à vide; des sources d’alimentation et un régulateur PID ; un corps de protection extérieur. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2Device exerting a thermal impact under vacuum The present invention relates to a device exerting a thermal impact under vacuum for carrying out tests and measurements of the technical characteristics of articles and electronic devices comprising a sealed carrier platform (2) with measurement channels inserted in its interior via a waterproof connector, ending in pogo pins representing the connection interface of the models tested; a thermal group intended for heating and cooling the tested models and comprising a Peltier element and a contact surface (4); an air cooling system to absorb the heat produced by the Peltier elements; a liftable hat (1) ensuring the possibility of opening, placement and connection of the tested model; a vacuum system; power sources and PID controller; an outer protective body. Figure to be published with abstract: Figure 2
Description
Domaine technique auquel se rapporte l'inventionTechnical field to which the invention relates
La présente invention concerne le domaine des équipements utilisés pour la réalisation des essais et des mesures des caractéristiques techniques des articles et appareils électroniques (AAE).The present invention relates to the field of equipment used for carrying out tests and measurements of the technical characteristics of electronic articles and devices (EAA).
État de la techniqueState of the art
En conformité avec GOST 16504-81 sous les essais il faut comprendre la définition des paramètres et des performances expérimentaux de la qualité du produit pendant son fonctionnement ou lors de la simulation des conditions d’exploitation.In accordance with GOST 16504-81 under testing it is necessary to understand the definition of experimental parameters and performance of the quality of the product during its operation or when simulating operating conditions.
L’instabilité du fonctionnement des appareils est liée à l’impact environnemental produit sur eux et aux modifications qui ont lieu dans les appareils. Les facteurs climatiques tels que la température, l’humidité, la pression atmosphérique, le rayonnement du soleil, les charges dues au vent exercent un impact essentiel sur le fonctionnement des appareils électroniques.The instability of the operation of the devices is linked to the environmental impact produced on them and to the modifications that take place in the devices. Climatic factors such as temperature, humidity, atmospheric pressure, solar radiation, wind loads have a major impact on the operation of electronic devices.
Les moyens techniques modernes sont exploités dans les conditions climatiques différentes. L’impact de la température élevée ou diminuée est l’un des facteurs principaux définissant l’instabilité et la dégradation des paramètres de tout appareil. Les températures limites de l’appareillage sont définies par l’impact environnemental, ainsi que par des sources de chaleur situées à l’intérieur de l’appareil.Modern technical means are operated in different climatic conditions. The impact of high or decreased temperature is one of the main factors defining the instability and degradation of the parameters of any device. The temperature limits of the apparatus are defined by the environmental impact, as well as by heat sources located inside the apparatus.
La plupart des systèmes modernes d'essais thermiques des AAE représentent des étuves (fours) thermiques et des chambres de refroidissement (réfrigérateurs).Most modern PPA thermal test systems represent thermal chambers (ovens) and cooling chambers (refrigerators).
Les installations thermoélectriques sont connues utilisées pour le chauffage et le refroidissement pendant les essais des articles à l’air (brevet RU 2129745 C1 publié le 27/04/1999, brevet RU 2400723 C1 publié le 27/09/2010, par exemple). Les installations d’essai connues comportent une chambre isotherme à volume constant pour y placer l’article à essayer, dans laquelle sont installées les systèmes de refroidissement et de chauffage et un ventilateur, ainsi que les capteurs des paramètres de température de l’air dans la chambre.Thermoelectric installations are known to be used for heating and cooling during air testing of articles (RU patent 2129745 C1 published on 04/27/1999, RU patent 2400723 C1 published on 09/27/2010, for example). Known test installations include an isothermal chamber with a constant volume for placing the article to be tested therein, in which the cooling and heating systems and a fan are installed, as well as the sensors of the air temperature parameters in bedroom.
Les inconvénients des solutions connues sont :The disadvantages of the known solutions are:
- givrage à des températures négatives lié à ce que les essais des AAE sont réalisés dans l’air du volume fermé à la pression atmosphérique normale, en résultat à des températures négatives du givre apparait et, comme une conséquence, la probabilité d’un court-circuit des sorties des modèles essayés ;- icing at negative temperatures linked to the fact that the tests of the AAE are carried out in the air of the closed volume at normal atmospheric pressure, as a result at negative temperatures frost appears and, as a consequence, the probability of a short - circuit of the outputs of the models tested;
- basse vitesse d’atteinte de la température de consigne ;- low speed of reaching the set temperature;
- inégalité de répartition de la température dans tout le volume de service, donc, non-similitude de création des conditions d’essai des modèles.- uneven temperature distribution throughout the service volume, therefore, non-similarity in creating the test conditions of the models.
Selon l'état de la technique les thermocouples sont également connus reposant sur l’effet Peltier. Cet équipement peut fonctionner en assurant le refroidissement comme le chauffage sans application des moyens supplémentaires dans leur structure.According to the state of the art thermocouples are also known based on the Peltier effect. This equipment can operate by providing both cooling and heating without the application of additional means in their structure.
L'effet Peltier est un processus de dégagement ou d’absorption de chaleur lors du passage d'un courant électrique à travers le contact de deux conducteurs divers. L'effet Peltier est un convertisseur thermoélectrique (СTE, МТ, ТЕС) dont le principe de fonctionnement repose sur l’effet Peltier — l’apparition de la différence de températures lors du passage d’un courant électrique. Le contact de deux matériaux conducteurs ayant des niveaux différents d’énergie des électrons dans la zone de conductibilité est à l’origine du fonctionnement des éléments Peltier. Lors du passage du courant à travers le contact de ces matériaux l’électron doit recevoir de l’énergie pour passer dans la zone de conductibilité avec une plus grande énergie de l’autre semi-conducteur.The Peltier effect is a process of heat release or absorption when an electric current passes through the contact of two different conductors. The Peltier effect is a thermoelectric converter (СTE, МТ, ТЕС) whose principle of operation is based on the Peltier effect — the appearance of the temperature difference during the passage of an electric current. The contact of two conductive materials having different energy levels of the electrons in the conductivity zone is at the origin of the functioning of the Peltier elements. When current passes through the contact of these materials, the electron must receive energy to pass into the conductivity zone with greater energy from the other semiconductor.
Les avantages des éléments Peltier sont : petite dimension, absence d’éléments mobiles, de gaz et de fluide. En modifiant la direction du courant il est possible de refroidir et de réchauffer l’élément.The advantages of Peltier elements are: small size, absence of moving parts, gas and fluid. By changing the direction of the current it is possible to cool and heat the element.
Selon l'état de la technique actuellement sont connues des solutions différentes permettant de réaliser les essais des composants électroniques et fonctionnant avec utilisation des éléments Peltier.According to the state of the art, different solutions are currently known which make it possible to carry out tests on electronic components and which operate with the use of Peltier elements.
Le dispositif d’essai pour la réalisation du moyen d’essai des composants électroniques décrit dans le brevet RU 2643239 C1 publié le 31/01/2018 est le dispositif le plus proche de la solution proposée d’après son caractère technique.The test device for the realization of the means for testing electronic components described in the patent RU 2643239 C1 published on 31/01/2018 is the device closest to the solution proposed according to its technical character.
Ce dispositif d’essai comporte une plateforme porteuse étanche avec les canaux de mesure insérés dans son intérieur pour la connexion des modèles à essayer ; un groupe thermique destiné au chauffage et au refroidissement des modèles essayés et comportant un élément Peltier et une surface de contact assurant l’échange thermique de l’élément Peltier et des modèles essayés , un évacuateur de chaleur ; un chapeau levable assurant la possibilité d’ouverture, de placement et de connexion du modèle essayé ; des blocs de commande électronique, de commutation et de liaison avec un ordinateur extérieur ; des sources d’alimentation ; un corps de protection extérieur.This testing device has a watertight support platform with the measurement channels inserted in its interior for the connection of the models to be tested; a thermal unit intended for heating and cooling the models tested and comprising a Peltier element and a contact surface ensuring the heat exchange of the Peltier element and the models tested, a heat evacuator; a liftable cap ensuring the possibility of opening, placement and connection of the tested model; electronic control, switching and connection blocks with an external computer; power sources; an outer protective body.
Les inconvénients de la solution connue sont :The disadvantages of the known solution are:
- givrage à des températures négatives lié à ce que les essais des AAE sont réalisés dans l’air du volume fermé à la pression atmosphérique normale, en résultat du givre apparait à des températures négatives et, comme une conséquence, la probabilité d’un court-circuit des sorties des modèles essayés ;- icing at negative temperatures linked to the fact that the tests of PPAs are carried out in the air of the closed volume at normal atmospheric pressure, as a result of icing appearing at negative temperatures and, as a consequence, the probability of a short - circuit of the outputs of the models tested;
- absence de contacts électriques durs à l’intérieur du volume de service du dispositif assurant la connexion des modèles essayés et n’altérant pas l’étanchéité du volume de service, en résultat le contact fiable du dispositif avec le modèle essayé pendant l’essai est absent.- absence of hard electrical contacts inside the service volume of the device ensuring the connection of the tested models and not altering the tightness of the service volume, resulting in reliable contact of the device with the model tested during the test is absent.
L’invention a pour objet un dispositif exerçant un impact thermique sous vide pour la réalisation des essais et des mesures des caractéristiques techniques d’articles et d’appareils électroniques (AAE), comportant :The subject of the invention is a device exerting a thermal impact under vacuum for carrying out tests and measurements of the technical characteristics of articles and electronic devices (EAA), comprising:
une plateforme porteuse étanche avec des canaux de mesure insérés dans son intérieur pour la connexion de modèles à tester, les canaux de mesure étant insérés à l’intérieur de la plateforme étanche par l’intermédiaire d’un connecteur étanche et finissant par des broches pogo représentant l’interface de connexion des modèles testés ;a watertight carrier platform with measurement channels inserted in its interior for the connection of models to be tested, the measurement channels being inserted into the interior of the watertight platform via a watertight connector and terminating in pogo pins representing the connection interface of the tested models;
un groupe thermique destiné au chauffage et au refroidissement des modèles testés et comportant un élément Peltier et une surface de contact assurant l’échange thermique de l’élément Peltier et des modèles testés,a thermal group intended for heating and cooling the models tested and comprising a Peltier element and a contact surface ensuring the heat exchange of the Peltier element and the models tested,
un système de refroidissement par air destiné à l’absorption de chaleur produite par l’élément Peltier et comportant une prise de chaleur, une pompe à eau, un radiateur à flux d’air de refroidissement avec des ventilateurs et des flexibles de raccordement ;an air cooling system for the absorption of heat produced by the Peltier element and comprising a heat intake, a water pump, a cooling air flow radiator with fans and connection hoses;
un évacuateur de chaleur ;a heat sink;
un chapeau levable assurant la possibilité d’ouverture, de placement et de connexion des modèles testés ;a liftable cap ensuring the possibility of opening, placement and connection of the models tested;
un système à vide composé d’une pompe à vide, d’un solénoïde de commutation, d’un vacuomètre électronique et de tubes de connexion ;a vacuum system consisting of a vacuum pump, a switching solenoid, an electronic vacuum gauge and connection tubes;
des blocs de commande électronique, de commutation et de liaison avec un ordinateur extérieur ;electronic control, switching and connection blocks with an external computer;
des sources d’alimentation et un régulateur proportionnel-intégral-différentiel(PID) ;power sources and a proportional-integral-differential (PID) controller;
un corps de protection extérieur.an outer protective body.
L’utilisation du système de refroidissement par air assure une haute vitesse d’atteinte de la température de consigne.The use of the air cooling system ensures a high speed of reaching the set temperature.
L’utilisation du système à vide exclue l’apparition du givre à des températures négatives et, donc, la probabilité d’un court-circuit des sorties des modèles essayés.The use of the vacuum system excludes the appearance of frost at negative temperatures and, therefore, the probability of a short circuit of the outputs of the models tested.
L’utilisation des broches pogo pour la connexion des modèles testés assure un contact rapide et fiable du dispositif avec le modèle testé.The use of pogo pins for the connection of the models under test ensures fast and reliable contact of the device with the model under test.
De cette façon, les résultats techniques vers l’atteinte desquels l’invention est orientée sont : assurance d’un contact électrique rapide et fiable du dispositif avec le modèle testé, exclusion de la probabilité d’un court-circuit des sorties des modèles testés à des températures négatives.In this way, the technical results towards which the invention is directed are: assurance of rapid and reliable electrical contact of the device with the tested model, exclusion of the probability of a short-circuit from the outputs of the tested models at negative temperatures.
Réalisation de l'inventionRealization of the invention
Le dispositif exerçant un impact thermique sous vide représente un appareil de bureau dont la zone de service est située dessus, comportant :The vacuum thermal impact device represents a desktop appliance with the service area located on it, comprising:
une plateforme porteuse étanche 2 avec les canaux de mesure insérés dans son intérieur via un connecteur étanche 7 finissant par des broches pogo 5 représentant l’interface de connexion des modèles testés ;a sealed support platform 2 with the measurement channels inserted into its interior via a sealed connector 7 ending in pogo pins 5 representing the connection interface of the models tested;
un groupe thermique 6 destiné au chauffage et au refroidissement des modèles testés et comportant un élément Peltier et une surface de contact 4 assurant l’échange thermique de l’élément Peltier et des modèles testés,a thermal group 6 intended for heating and cooling the models tested and comprising a Peltier element and a contact surface 4 ensuring the heat exchange of the Peltier element and the models tested,
un système de refroidissement par air destiné à l’absorption de chaleur produite par les éléments Peltier composé d’une prise de chaleur 3, d’une pompe à eau, d’un radiateur à flux d’air de refroidissement avec des ventilateurs et des flexibles de raccordement ;an air cooling system intended for the absorption of heat produced by the Peltier elements consisting of a heat inlet 3, a water pump, a cooling air flow radiator with fans and connecting hoses;
un chapeau levable 1 assurant la possibilité d’ouverture, de placement et de connexion du modèle testé ;a liftable cap 1 ensuring the possibility of opening, placement and connection of the tested model;
un système à vide composé d’une pompe à vide, d’un solénoïde de commutation, d’un vacuomètre électronique et des tubes de connexion ;a vacuum system consisting of a vacuum pump, a switching solenoid, an electronic vacuum gauge and connection tubes;
des blocs de commande électronique, de commutation et de liaison avec un ordinateur extérieur ;electronic control, switching and connection blocks with an external computer;
des sources d’alimentation et un régulateur PID ;power sources and a PID controller;
un corps de protection extérieur.an outer protective body.
Les particularités du dispositif sont :The features of the device are:
atteinte des températures de consigne dans le vide peu poussé ;reaching setpoint temperatures in low vacuum;
moyen de transfert d’un impact thermique au modèle testé grâce au contact direct du transmetteur de chaleur, c’est-à-dire « corps physique – corps physique » ;means of transferring a thermal impact to the tested model through direct contact with the heat transmitter, i.e. “physical body – physical body”;
petit volume de service pour y placer le modèle testé ;small volume of service to place the tested model there;
le même élément Peltier joue le rôle d’élément chauffant et d’élément de refroidissement ;the same Peltier element plays the role of heating element and cooling element;
connexion du modèle testé dans le volume de service au moyen des broches pogo.connection of the tested model in the service volume by means of the pogo pins.
Le dispositif possède un volume intérieur étanche, dans lequel est disposé un module Peltier à quatre cascades, un circuit imprimé à broches pogo 5, un transmetteur de chaleur avec un capteur de température situé dans son intérieur.The device has a sealed inner volume, in which is arranged a four-cascade Peltier module, a pogo-5 pin circuit board, a heat transmitter with a temperature sensor located in its interior.
Pour assurer l’étanchéité du volume après l’ouverture du chapeau 1 et l’installation du modèle testé, la fermeture et l’adhérence à la plateforme 2 sont assurées par l’anneau d’étanchéité, ainsi que par une pince fixant le chapeau. La plateforme étanche 2 elle-même est composée de deux tôles : la tôle supérieure en polyoxyméthylène POMc avec une faible conductivité thermique et la tôle inférieure en alliage d’aluminium prenant part au processus d’échange de chaleur comme la « masse ».To ensure the sealing of the volume after the opening of the cap 1 and the installation of the tested model, the closure and the adherence to the platform 2 are ensured by the sealing ring, as well as by a clip fixing the cap . The waterproof platform 2 itself is composed of two sheets: the upper sheet in polyoxymethylene POMc with low thermal conductivity and the lower sheet in aluminum alloy taking part in the heat exchange process as the "mass".
Un espace vide est prévu dans les tôles torsadées étroitement via un anneau d’étanchéité. Dans cet espace sont disposés : un élément Peltier à quatre cascades, un circuit imprimé avec les broches pogo 5 et un transmetteur de chaleur représentant une surface de contact assurant l’échange de chaleur de l’élément Peltier et des modèles testés. À l’intérieur du transmetteur de chaleur un capteur de température de platine Pt-100 est disposé à distance de 1 mm au maximum de la surface de contact avec le modèle. Sur la tôle inférieure en aluminium de la plateforme sont également disposés un connecteur étanche des canaux de mesure, un connecteur étanche de l’alimentation de puissance, un raccord de passage pour le vide, ainsi qu’une prise de chaleur 3, des supports de fixation de la pompe à eau et du radiateur de refroidissement par air.A gap is provided in the tightly twisted laminations via a sealing ring. In this space are arranged: a Peltier element with four cascades, a printed circuit with the pogo pins 5 and a heat transmitter representing a contact surface ensuring the heat exchange of the Peltier element and the tested models. Inside the heat transmitter a Pt-100 platinum temperature sensor is placed at a distance of a maximum of 1 mm from the contact surface with the model. On the lower aluminum sheet of the platform there is also a sealed connector for the measurement channels, a sealed connector for the power supply, a passage connection for the vacuum, as well as a heat socket 3, supports for fixing the water pump and the air cooling radiator.
La prise de chaleur 3 située juste sous l’élément Peltier est l’élément principal de prise de chaleur. Le fluide circulant dans un contours fermé diffuse le surplus de chaleur sur le radiateur à flux d’air de refroidissement. L’eau distillée est utilisée en qualité de fluide de circulation.Heat tap 3 located just below the Peltier element is the main heat tap element. The fluid circulating in a closed contour diffuses the excess heat onto the cooling airflow radiator. Distilled water is used as the circulating fluid.
La commande, la commutation et le réglage précis de la température établie sont assurés au moyen des ordres arrivant à partir de l’ordinateur extérieur au régulateur PID et aux blocs de commutation électronique.The control, switching and precise adjustment of the set temperature is ensured by means of the orders arriving from the external computer to the PID regulator and the electronic switching blocks.
La gamme de températures réglées est comprise entre moins 65°С et plus 125°С. La précision de réglage est de ±0,5°С. Le temps d’établissement de la température de consigne est de 10 minutes.The set temperature range is between minus 65°С and plus 125°С. The adjustment accuracy is ±0.5°С. The time for establishing the setpoint temperature is 10 minutes.
Le fonctionnement du dispositif exerçant un impact thermique sous vide est basé sur l’élément Peltier à quatre cascades appliqué ayant une grande réserve de pouvoir réfrigérant. En mettant l’élément Peltier sous tension via le commutateur électronique commandé par le régulateur PID, et modifiant la polarité d’alimentation, la température souhaitée est atteinte.The operation of the vacuum thermal impact device is based on the applied four-cascade Peltier element having a large reserve of cooling power. By energizing the Peltier element via the electronic switch controlled by the PID regulator, and changing the supply polarity, the desired temperature is reached.
La zone de service diminuée où le modèle est disposé et connecté avec utilisation des matériaux avec une faible conductivité thermique assure des faibles performances d’apports de chaleur parasites.The reduced service area where the model is placed and connected with the use of materials with low thermal conductivity ensures low parasitic heat gain performance.
Après la création dans le volume de service d’un vide peu poussé, le givre n’apparait pas lors de l’atteinte de basses températures. La chaleur est transmise au modèle testé au moyen de contact via le transmetteur de chaleur.After creating a low vacuum in the service volume, frost does not appear when low temperatures are reached. The heat is transmitted to the model under test by means of contact via the heat transmitter.
Le capteur de température lié au commutateur électronique et situé à la proximité de la surface du modèle, juste dans le corps du transmetteur de chaleur, est utilisé pour contrôler la température.The temperature sensor linked to the electronic switch and located close to the surface of the model, just in the body of the heat transmitter, is used to control the temperature.
Le branchement et le débranchement du système à vide et du système de refroidissement par air sont effectués à l’aide des automatismes via le commutateur électronique lors de l’établissement de la température et du lancement du processus de refroidissement ou de chauffage du modèle. En même temps il est possible d’utiliser en qualité des automatismes mentionnés soit un ordinateur extérieur, soit un bloc analogique élémentaire assurant le branchement /débranchement du système à vide et du système de refroidissement par air au moment de branchement / débranchement du dispositif. De plus, la variante de réalisation est possible qui prévoit le branchement /débranchement du système à vide et du système de refroidissement par air sous la commande du régulateur PID après l’atteinte de la température de consigne.The connection and disconnection of the vacuum system and the air cooling system is carried out using automatics through the electronic switch when setting the temperature and starting the process of cooling or heating the model. At the same time it is possible to use as mentioned automatisms either an external computer or an elementary analog block ensuring the connection / disconnection of the vacuum system and the air cooling system at the moment of connection / disconnection of the device. In addition, the alternative embodiment is possible which provides for the connection / disconnection of the vacuum system and the air cooling system under the control of the PID regulator after reaching the set temperature.
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