CN110927210A - 一种真空条件下高精度接触热阻测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种真空条件下高精度接触热阻测量装置,涉及接触热阻测试技术领域,它包括真空腔、左移动板(9)、弹簧(12)、导向杆(15)、左侧温度控制块(10)、右侧温度控制块(29)、第一被测件(13)、第二被测件(31)、被测件支撑架(16)、右固定板(17)和右移动板(20)。本发明解决了现阶段接触热阻实验装置中应力加载/卸载不连续、热流方向单一、测试误差源种类多等造成的测试结果误差大的问题。本发明通过伺服电机带动丝杠旋转,进而带动弹簧拉伸/压缩,进行应力加载/卸载,并通过压力传感器保证应力加载/卸载的准确性;在真空环境下进行测试,克服了对流换热对测试结果的影响。本发明适用于对接触热阻进行检测。
Description
技术领域
本发明涉及接触热阻测量领域,具体涉及一种真空条件下高精度接触热阻测量装置
背景技术
微观尺度观测两个接触表面,两个非完全光滑的接触面通常是部分波峰接触,波峰之间存在空气气隙,两个材料以导热方式传递热量,因此产生传递阻力即接触热阻,在高精度接触实验中,其存在不可忽略。两被测件的接触热阻将受应力、温度、表面粗糙度、热流方向等因素的综合影响,目前接触热阻真空实验装置只能实现单侧温度控制,且冷源热源固定,同时应力的加载/卸载无法连续进行。在压力控制方面多通过竖直方向加减压块来控制压力,无法消除被测件自重产生的接触应力对实验结果的影响。在热流方向对接触热阻研究方面,不能在其他因素不变的情况下随意更换热流方向,从而增大了接触热阻的测量误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种真空条件下高精度接触热阻测量装置,以解决目前在测试装置不被拆卸情况下对热源和冷源进行任意切换,应力加载过程中消除重力影响,能任意进行加载和卸载并克服对流换热对接触热阻的影响。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:
一种真空条件下高精度接触热阻测量装置,它包括真空腔、左移动板9、弹簧12、导向杆15、左侧温度控制块10、右侧温度控制块29、第一被测件13、第二被测件31、被测件支撑架16、右固定板17和右移动板20,所述真空腔包括真空下腔体26和真空腔体上盖22,左移动板9、弹簧12、导向杆15、左侧温度控制块10、右侧温度控制块29、第一被测件13、第二被测件31、被测件支撑架16、右固定板17、右移动板20均位于真空腔内部,所述被测件支撑架16采用绝热材料,固定在真空下腔体底部,第一被测件13和第二被测件31放置在被测件支撑架16上方,所述左移动板9右侧面开凹槽,左侧温度控制块10固定在所述左移动板9凹槽内,左移动板9通过底部安装的滚轮32实现滚动摩擦左右移动,所述右固定板17通过螺栓固定在真空下腔体26底部,在上下端部分别开通孔,共计四个通孔,外侧两个通孔以便弹簧12通过,内侧两个通孔以便导向杆15通过,所述弹簧12上下各一条通过右固定板17外侧通孔固定在左移动板9和右移动板20上,所述右移动板20采用较轻材料,通过弹簧12连接左移动板9,并且上下端部开有通孔,所述导向杆15上下各一根固定在左移动板9右侧,通过右固定板17内侧通孔和右移动板20通孔并有足够长度以实现左右移动。
它还包括热电偶7、第一电加热器11、第二电加热器30、热电偶14和压力传感器18,所述热电偶7分别嵌在左侧温度控制块10和右侧温度控制块29内,所述第一电加热器11环绕在左侧温度控制块10上进行温度控制,,所述第二电加热器30环绕在右侧温度控制块29上进行温度控制,所述热电偶14共计8个,其中4个热电偶14均布在第一被测件13侧面的母线上,另外4个热电偶14均布在第二被测件31侧面的母线上,所述压力传感器18布置在右侧温度控制块29和右固定板17中间。
它还包括恒温水槽1、水泵2、第一控制阀3、第二控制阀4和水管5,恒温水槽1布置在所述真空腔外部,恒温水槽1装有冰水混合液,所述水泵安装在水管5回路进口方向,通过第一控制阀3和第二控制阀4控制输送液体流向,所述恒温水槽1、水泵2、第一控制阀3、第二控制阀4和水管5组成冷源液体循环***。
它还包括分别与左侧温度控制块10和右侧温度控制块29连接的温度和压力显示器25和PID控制器27,所述温度和压力显示器25用于接收温度信号显示被测件温度、接收压力信号显示加载和卸载的应力,所述PID控制器27控制热源温度和夹持应力大小。
所述真空下腔体26左侧开有真空泵的泵气口的真空接口6,右侧开有真空航插24接口,所述真空下腔体26和真空腔体上盖22连接部位安装真空腔体密封圈8。
它还包括丝杆21、步进电机23和联轴器28,所述丝杆21通过滚动轴承19和右侧开有凹槽的右固定板17连接,将空间转动化为平面移动控制右移动板20左右移动,所述步进电机23连接丝杆21实现电能转化为机械能,通过真空航插24接口与真空腔外部PID控制器27连接。
本发明具有以下有益效果:本发明装置采用冷源液体循环和热源电阻丝加热实现冷源热源温度控制,通过对左右温度控制块的合理设计实现冷热源的任意交换,可以测得热流方向对接触热阻的影响。通过板、弹簧、丝杆和步进电机组合结构,通过计算丝杆转动圈数获得移动距离,对所需要的精度选择适合弹簧系数的弹簧,再利用弹簧的胡克定律计算接触压力,因此可以移动板的移动来实现应力的加载或卸载。通过抽取真空,可以避免空气对流对接触热阻的影响。通过水平放置被测件,可以消除重力因素对接触热阻的影响。上述方法均可大大提高接触热阻的测量精度。
本发明的真空条件下高精度接触热阻测量装置,解决了现阶段接触热阻实验装置中应力加载/卸载不连续、热流方向单一、测试误差源种类多等造成的测试结果误差大的问题。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图中,1-恒温水槽、2-水泵、3-第一控制阀、4-第二控制阀、5-水管、6-真空接口、7-热电偶、8-真空腔体密封圈、9-左移动板、10-左侧温度控制块、11-第一电加热器、12-弹簧、13-第一被测件、14-热电偶、15-导向杆、16-被测件支撑架、17-右固定板、18-压力传感器、19-滚动轴承、20-右移动板、21-丝杆、22-真空腔体上盖、23-步进电机、24-真空航插、25-显示器、26-真空下腔体、27-PID控制器、28-联轴器、29-右侧温度控制块、30-第二电加热器、31-第二被测件、32-滚轮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1,一种真空条件下高精度接触热阻测量装置,它包括真空腔、左移动板9、弹簧12、导向杆15、左侧温度控制块10、右侧温度控制块29、第一被测件13、第二被测件31、被测件支撑架16、右固定板17和右移动板20,所述真空腔包括真空下腔体26和真空腔体上盖22,左移动板9、弹簧12、导向杆15、左侧温度控制块10、右侧温度控制块29、第一被测件13、第二被测件31、被测件支撑架16、右固定板17、右移动板20均位于真空腔内部,所述被测件支撑架16采用绝热材料,固定在真空下腔体底部,第一被测件13和第二被测件31放置在被测件支撑架16上方,所述左移动板9右侧面开凹槽,左侧温度控制块10固定在所述左移动板9凹槽内,左移动板9通过底部安装的滚轮32实现滚动摩擦左右移动,所述右固定板17通过螺栓固定在真空下腔体26底部,在上下端部分别开通孔,共计四个通孔,外侧两个通孔以便弹簧12通过,内侧两个通孔以便导向杆15通过,所述弹簧12上下各一条通过右固定板17外侧通孔固定在左移动板9和右移动板20上,所述右移动板20采用较轻材料,通过弹簧12连接左移动板9,并且上下端部开有通孔,所述导向杆15上下各一根固定在左移动板9右侧,通过右固定板17内侧通孔和右移动板20通孔并有足够长度以实现左右移动。
它还包括热电偶7、第一电加热器11、第二电加热器30、热电偶14和压力传感器18,所述热电偶7分别嵌在左侧温度控制块10和右侧温度控制块29内,所述第一电加热器11环绕在左侧温度控制块10上进行温度控制,,所述第二电加热器30环绕在右侧温度控制块29上进行温度控制,所述热电偶14共计8个,其中4个热电偶14均布在第一被测件13侧面的母线上,另外4个热电偶14均布在第二被测件31侧面的母线上,所述压力传感器18布置在右侧温度控制块29和右固定板17中间。
它还包括恒温水槽1、水泵2、第一控制阀3、第二控制阀4和水管5,恒温水槽1布置在所述真空腔外部,恒温水槽1装有冰水混合液,所述水泵安装在水管5回路进口方向,通过第一控制阀3和第二控制阀4控制输送液体流向,所述恒温水槽1、水泵2、第一控制阀3、第二控制阀4和水管5组成冷源液体循环***。
它还包括分别与左侧温度控制块10和右侧温度控制块29连接的温度和压力显示器25和PID控制器27,所述温度和压力显示器25用于接收温度信号显示被测件温度、接收压力信号显示加载和卸载的应力,所述PID控制器27控制热源温度和夹持应力大小。
所述真空下腔体26左侧开有真空泵的泵气口的真空接口6,右侧开有真空航插24接口,所述真空下腔体26和真空腔体上盖22连接部位安装真空腔体密封圈8。
它还包括丝杆21、步进电机23和联轴器28,所述丝杆21通过滚动轴承19和右侧开有凹槽的右固定板17连接,将空间转动化为平面移动控制右移动板20左右移动,所述步进电机23连接丝杆21实现电能转化为机械能,通过真空航插24接口与真空腔外部PID控制器27连接。
由此可见,本发明主要通过以下四种方式提高测试精度:
1、对加热块和冷却块进行优化设计,实现在测试装置不被拆卸情况下对热源和冷源进行任意切换;
2、过水平放置两被测试件,消除了重力对测试结果的影响;
3、通过伺服电机带动丝杠旋转,进而带动弹簧拉伸/压缩,进行应力加载/卸载,并通过压力传感器保证应力加载/卸载的准确性;
4、在真空环境下进行测试,克服了对流换热对测试结果的影响。本发明适用于对接触热阻进行检测。
实验准备:将第一被测件和第二被测件水平放置在被测件支撑架上,被测件支撑架采用绝热材料,采用左右侧温度控制块将两被测件夹持住,在弹簧预紧力作用下通过做移动版和右固定板将上述装置固定。控制步进电机和压力传感器控制初始压力,将热电偶均匀固定在两被测件上。
实验测试:将密封圈、真空腔体上盖依次装好,采用真空机对腔体抽真空,待气压小于100Pa后认定为真空状态。恒温水槽中放置冰水混合物,开启第二控制阀和第二电加热器,此时左侧温度控制块作为冷源,右侧温度控制块作为热源,待热电偶温度稳定后,记录第一被测件和第二被测件各处温度值。通过PID控制器更改热源温度,通过步进电机的旋转对第一被测件和第二被测件进行加载或卸载。
热流方向更改:当热流方向从第二被测件到第一被测件的接触热阻测量结束后,关闭第二控制阀和第二电加热器,开启第一控制阀和第一电加热器,此时热流方向发生改变,通过PID控制器控制热源温度,通过步进电机的旋转对第一被测件和第二被测件进行加载或卸载。
接触热阻计算:通过恒温水槽和电加热器对装置进行制冷和加热,当热电偶的温度波动在0.2℃范围内,即可认定***稳定。从热源到冷源方向上,被测件上的8个热电偶温度值分别记录为T1至T8,相邻热电偶间的距离均为l。接触热导为:
接触热阻Rc为:
通过实验可知,本发明的真空条件下高精度接触热阻测量装置,解决了现阶段接触热阻实验装置中应力加载/卸载不连续、热流方向单一、测试误差源种类多等造成的测试结果误差大的问题。
Claims (6)
1.一种真空条件下高精度接触热阻测量装置,其特征在于,它包括真空腔、左移动板(9)、弹簧(12)、导向杆(15)、左侧温度控制块(10)、右侧温度控制块(29)、第一被测件(13)、第二被测件(31)、被测件支撑架(16)、右固定板(17)和右移动板(20),所述真空腔包括真空下腔体(26)和真空腔体上盖(22),左移动板(9)、弹簧(12)、导向杆(15)、左侧温度控制块(10)、右侧温度控制块(29)、第一被测件(13)、第二被测件(31)、被测件支撑架(16)、右固定板(17)、右移动板(20)均位于真空腔内部,所述被测件支撑架(16)采用绝热材料,固定在真空下腔体底部,第一被测件(13)和第二被测件(31)放置在被测件支撑架(16)上方,所述左移动板(9)右侧面开凹槽,左侧温度控制块(10)固定在所述左移动板(9)凹槽内,左移动板(9)通过底部安装的滚轮(32)实现滚动摩擦左右移动,所述右固定板(17)通过螺栓固定在真空下腔体(26)底部,在上下端部分别开通孔,共计四个通孔,外侧两个通孔以便弹簧(12)通过,内侧两个通孔以便导向杆(15)通过,所述弹簧(12)上下各一条通过右固定板(17)外侧通孔固定在左移动板(9)和右移动板(20)上,所述右移动板(20)采用较轻材料,通过弹簧(12)连接左移动板(9),并且上下端部开有通孔,所述导向杆(15)上下各一根固定在左移动板(9)右侧,通过右固定板(17)内侧通孔和右移动板(20)通孔并有足够长度以实现左右移动。
2.根据权利要求1所述的一种真空条件下高精度接触热阻测量装置,其特征在于,它还包括热电偶(7)、第一电加热器(11)、第二电加热器(30)、热电偶(14)和压力传感器(18),所述热电偶(7)分别嵌在左侧温度控制块(10)和右侧温度控制块(29)内,所述第一电加热器(11)环绕在左侧温度控制块(10)上进行温度控制,,所述第二电加热器(30)环绕在右侧温度控制块(29)上进行温度控制,所述热电偶(14)共计8个,其中4个热电偶(14)均布在第一被测件(13)侧面的母线上,另外4个热电偶(14)均布在第二被测件(31)侧面的母线上,所述压力传感器(18)布置在右侧温度控制块(29)和右固定板(17)中间。
3.根据权利要求1所述的一种真空条件下高精度接触热阻测量装置,其特征在于,它还包括恒温水槽(1)、水泵(2)、第一控制阀(3)、第二控制阀(4)和水管(5),恒温水槽(1)布置在所述真空腔外部,恒温水槽(1)装有冰水混合液,所述水泵安装在水管(5)回路进口方向,通过第一控制阀(3)和第二控制阀(4)控制输送液体流向,所述恒温水槽(1)、水泵(2)、第一控制阀(3)、第二控制阀(4)和水管(5)组成冷源液体循环***。
4.根据权利要求1所述的一种真空条件下高精度接触热阻测量装置,其特征在于,它还包括分别与左侧温度控制块(10)和右侧温度控制块(29)连接的温度和压力显示器(25)和PID控制器(27),所述温度和压力显示器(25)用于接收温度信号显示被测件温度、接收压力信号显示加载和卸载的应力,所述PID控制器(27)控制热源温度和夹持应力大小。
5.根据权利要求1所述的一种真空条件下高精度接触热阻测量装置,其特征在于,所述真空下腔体(26)左侧开有真空泵的泵气口的真空接口(6),右侧开有真空航插(24)接口,所述真空下腔体(26)和真空腔体上盖(22)连接部位安装真空腔体密封圈(8)。
6.根据权利要求5所述的一种真空条件下高精度接触热阻测量装置,其特征在于,它还包括丝杆(21)、步进电机(23)和联轴器(28),所述丝杆(21)通过滚动轴承(19)和右侧开有凹槽的右固定板(17)连接,将空间转动化为平面移动控制右移动板(20)左右移动,所述步进电机(23)连接丝杆(21)实现电能转化为机械能,通过真空航插(24)接口与真空腔外部PID控制器(27)连接。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200327 |