CN114778592A - 微热管性能测试方法及其实现平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微热管性能测试方法及其实现平台，其特征是通过加热***、冷凝***、绝热***和数据采集***的设计，获取轴向温度分布、极限传输功率、蒸发热阻、蒸发传热系数、冷凝热阻、冷凝传热系数、热管启动时的动态实时温度变化以及动态热阻变化热属性变量数据。营造一种唯一性环境条件，确保冷却用水是热管散热的单一途径；多点布置、统计均值，模拟最接近的实际工作状态，调整冷却循环用水的温度和流速，获得高精度在极限传输功率热载荷之上的稳态热性能数据以及热载荷功率状态下的标准动态热性能数据；可作为快速解决研发阶段热管性能测试问题的工具，也可作为产品批量生产过程的质量控制平台。

Description

微热管性能测试方法及其实现平台

技术领域

本发明涉及热管测试技术，尤其是一种微热管性能测试方法及其实现平台。

背景技术

传统的热管性能测试方法和测试平台都比较简易，其获得的数据基本处于一种“大概”范围状态。如专利公开号为CN1804604A，设计的热管测试方法，一种用于同时测试若干热管的导热性能的热管测试方法，其步骤包括准备一热管测试装置，测试装置包括一恒温水槽，一热管定位治具及一测试仪，恒温水槽内装有恒定温度的热水，热管定位治具是枢转装设到该恒温水槽上方，其用于夹持固定这些热管的第一端，该测试仪用于测量这些热管第一端的温度；先将这些热管的第一端夹持固定到该热管定位治具上，而其第二端悬置在热水的上方；然后再使热管定位治具枢转到第二活动位置，使热管的第二端浸泡到热水内加热并开始计时；将这些热管的第二端加热一段时间后，通过该测试仪读出此时每一热管的第一端的温度，如果某一热管第一端的温度高于一特定值则可判断该热管的导热性能符合要求。又如专利公开号为CN110927211A，一种微热管测试平台，包括L型底座、旋转支架，旋转支架通过平台旋转轴装于L型底座的支撑板上，平台旋转轴的一端装有角度旋转装置，另一端装有角度测量装置，旋转支架上装有用于微热管蒸发端加热的加热装置和用于微热管冷凝端冷凝的冷凝装置，加热装置与冷凝装置之间设有微热管水平距离调整装置。这些方法和装置不仅没有涉及具体参数的测量方法，而且忽略了测试环境对测量数据影响这一重要特征，是无法测得和计量整个测试过程中的热量损失的，所以测得试验数据准确度很低。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种微热管性能测试方法及其实现平台，它不仅确保了冷却用水是热管散热的唯一途径，而且利用统计学平均值原则，以及模拟最接近的实际工作状态，通过调整冷却循环用水的温度和流速，获得在极限传输功率热载荷之上的稳态热性能，以及热载荷功率状态下的动态热性能。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种微热管性能测试方法，其特征是通过加热***、冷凝***、绝热***和数据采集***的设计，获取轴向温度分布、极限传输功率、蒸发热阻、蒸发传热系数、冷凝热阻、冷凝传热系数、热管启动时的动态实时温度变化以及动态热阻变化热属性变量数据。

所述加热***中，微热管受热接触面与热源面积相同，以获得微热管工作状态时的实际热流密度；加热时，把薄微热管蒸发段的无效长度置于加热区外，测量温度值；把直流电源调节为电压模式，通过计算电压值和电流值的乘积，计算得当前输入热功率；然后调节输入电流大小至目标热功耗上，微热管热传递启动。

所述绝热***是针对微热管外露在空气中的部分，以及直接与微热管接触的加热***、冷凝***部件进行与空气隔绝，防止所述部分与空气进行热交换。

所述数据采集***包括传感器、数据采集卡、数据记录***，数据采集卡内置冷端温度补偿***，在PC机使NI的数据采集分析处理软件接收数据，并与采集同步读取热电偶的温度信息，通过编程将数据记录到本地硬盘。

前述的微热管性能测试方法中，作为优选，微热管性能以微热管导热功率为测试目标，以微热管吸液芯结构、长度、压扁厚度、介质充注量为参数。

前述的微热管性能测试方法中，作为优选，在微热管加热时，在微热管表面涂抹一层导热硅胶，并加大加热***与微热管接触的部件对微热管的压力。

前述的微热管性能测试方法中，作为优选，在被测微热管表面进行直接温度测量，各测温位置之间的距离关系为：以微热管的蒸发段、绝热段和冷凝段中点为基准，均匀布置传感器，取其平均值。

前述的微热管性能测试方法中，作为优选，测试中涉及到稳态温度测试和动态温度测试时，其中稳态温度测试采用手动点击按钮的方法进行采集，动态温度测试采用编程的方法，自动每秒采集一次温度数据并自动记录到本地硬盘。

前述的微热管性能测试方法中，作为优选，所述热属性变量数据中，除了轴向温度直接读取，其余物理量通过已有温度数据根据公式计算出来，各计算公式如下：

式中：Q-功率，I-电流，V-电压，T-温度(摄氏度，下同)，R-热阻，A-传热面积，h-传热系数；

其中蒸发传热系数和冷凝传热系数中的传热面积A使用微热管蒸发段和冷凝段表面与加热部件以及冷凝部件直接接触的面积。

一种微热管性能测试方法的实现平台，其特征包括加热***、冷凝***、绝热***和数据采集***，所述加热***包括上下两块相互配合的铜块，铜块的内部设有加热棒，加热棒连接至直流电源；其中下方铜块固定在操作平台上，上方铜块定位在垂直气缸上。

所述冷凝***包括恒温水浴，恒温水浴既有冷冻又有加热功能的水循环***；冷凝***的接触传热机构根据微热管散热器的散热翅片覆盖长度设定，铜块内部设有通孔，分别为冷却用水的进出口。

所述绝热***包括对热管外露在空气中的绝热段、以及加热铜块、加热铜块与空气接触位置设有隔热覆层。

前述的微热管性能测试方法的实现平台中，作为优选，所述加热***中，所述恒温水浴通过闭环温度控制***把循环中的冷却用水温度稳定在目标温度的±0.2℃之间。

前述的微热管性能测试方法的实现平台中，作为优选，所述加热***中，设有上下两块可拆卸更换的铜块，铜块与微热管的接触面与微热管结构相同。

前述的微热管性能测试方法的实现平台中，作为优选，所述冷凝***设有流量调节阀。

一个有效的测试***，应该在一个恒定的环境中进行，数据才是可靠的。本技术方案把该测试平台分为加热***、冷凝***、绝热***和数据采集***四个相互联系、相互作用的区域。其中绝热***包括微热管从加热***向冷凝***过渡的绝热段以及加热***、冷凝***其它与空气接触部位的隔热处理。只有环境条件的唯一性，才不因环境温度和空气对流对数据产生干扰。

本平台中的加热***，加热部件与微热管接触面的尺寸，以与产品对象的热源面积接近为准，用以模拟微热管在工作状态时的实际热流密度。加热时，在微热管表面涂抹一层导热硅胶并加大下压力，以减少测试部分的热阻大小以及它对测量数据结果的影响。

同时恒温水浴是一个既有冷冻又有加热功能的水循环***，也是保证每一次的对流换热过程和测量数据都在同一个环境下进行。而温度传感器对同一个标本进行反复测量，其数据是非常接近的，测量结果是可重复的。均匀布置的若干个温度传感器，再取其平均值，然后由公式计算得到结果，其数据精度可达1％度以上。

本平台中冷凝***设有的流量调节阀，可以在实验进行中，针对不同的加热功率和实验目的调节不同的冷却用水温度和冷却用水流速。

本方案数据采集***中在数据采集卡内设置一种冷端温度补偿***，由于热电偶的热电势是两个接点温度的函数差，只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。但在实际应用中，热电偶冷端所处环境温度无论如何总存有波动，从而使测量得不到正确结果，因此，对热电偶冷端温度变化的影响采取补偿措施是获得高精度值的一种保证，它会使热电偶的热电势只反映热端温度(被测温度)的变化，而不受冷端温度变化的影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：营造一种唯一性环境条件，确保冷却用水是热管散热的单一途径；多点布置、统计均值，模拟最接近的实际工作状态，调整冷却循环用水的温度和流速，获得高精度在极限传输功率热载荷之上的稳态热性能数据以及热载荷功率状态下的标准动态热性能数据；结构简单实用，方法易操作计算，可作为快速解决研发阶段热管性能测试问题的工具，也可作为产品批量生产过程的质量控制平台。

附图说明

图1是本发明的一种测试平台结构示意图。

图2是本发明的一种稳态测试流程图。

图3是本发明的一种动态测试流程图。

图中：1.蒸发段，2.绝热段，3.冷凝段，4.热电偶，5.信号采集线，6.数据采集***，7.计算机，8.直流电源，9.进水管，10.恒温水浴，11.冷水机，12.回水管，13.微热管。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本实施例一种微热管性能测试实现平台，如图1所示，包括加热***、冷凝***、绝热***和数据采集***四大部分，被测试微热管13固定在操作平台上且按其在实际应用的位置分别置于三个区段：即蒸发段1、绝热段2和冷凝段3。与之对应，蒸发段1属于加热***中，绝热段2属于绝热***中，冷凝段3属于冷凝***。

加热***包括上下两块相互配合的纯铜块，铜块与热管接触面的尺寸，与热源面积接近。铜块的内部设有加热棒，加热棒连接至直流电源8；其中下方铜块固定在操作平台上，上方铜块定位在垂直气缸上，并在上方铜块表面按预定的测温距离固定多个均匀分布的线状K型热电偶4。加热铜块与空气接触位置设有隔热覆层。

冷凝***的主要接触传热机构和加热***相同，其接触传热机构根据微热管散热器的散热翅片覆盖长度设定，铜块内部设有通孔，并分别为冷却用水的进出口。冷凝***包括恒温水浴10，恒温水浴10是既有冷冻又有加热功能的水循环***。恒温水浴10通过闭环温度控制***把循环中的冷却用水温度稳定在目标温度的±0.2℃之间。恒温水浴10通过进水管9进入冷却铜块，冷却铜块的出水口经回水管12和流量调节阀进入冷水机11，冷水机11与恒温水浴10连接。

加热***、冷凝***以及绝热段2中的所有K型热电偶4通过信号采集线5统一连接到数据采集***6，数据采集***6连接到本地计算机7。

结合上述平台，来说明本实施例一种微热管性能测试方法。通过加热***、冷凝***、绝热***和数据采集***的设计，获取微热管13轴向温度分布、极限传输功率、蒸发热阻、蒸发传热系数、冷凝热阻、冷凝传热系数、热管启动时的动态实时温度变化以及动态热阻变化等热属性变量数据。

微热管13性能以微热管13导热功率为测试目标，以微热管13吸液芯结构、长度、压扁厚度、介质充注量为参数。

在被测微热管13表面进行直接温度测量，各测温位置之间的距离关系为：以微热管13的蒸发段、绝热段和冷凝段中点为基准，均匀布置传感器，最后取其平均值。

热属性变量数据中，除了轴向温度直接读取，其余物理量通过已有温度数据根据公式计算出来，各计算公式如下：

式中：Q-功率，I-电流，V-电压，T-温度，R-热阻，A-传热面积，h-传热系数。其中蒸发传热系数和冷凝传热系数中的传热面积A使用微热管13蒸发段和冷凝段表面与加热部件以及冷凝部件(铜块)直接接触的面积。

具体地说，在加热***中，微热管13受热接触面与热源面积接近或相同，以模拟微热管13工作状态时的实际热流密度。加热时，首先把待测微热管13放置在下方加热铜块上，把薄微热13管蒸发段的无效长度置于加热区外，打开气缸开关，上方铜块下压到微热管13的上表面上，同时K型热电偶4接触微热管13表面，测量温度值。然后，把直流电源8调节为电压模式，保持直流电源8的输出电压不变，通过计算电压值和电流值的乘积，得到当前电热棒上输入的热功率。再转动旋钮调节输入到电热棒上的电流大小，至目标热功耗上，微热管13在铜块的热传递下开始启动。为尽量减少该部分热阻的大小及它对测量数据结果的影响，在微热管13表面涂抹一层导热硅胶并加大气缸下压力。

绝热***主要是针对微热管13外露在空气中的部分，以及直接与微热管13接触的加热***、冷凝***部件即铜块进行与空气隔绝，防止这些部分与空气进行热交换。隔绝方法可采用隔热泡沫塑料对这些位置进行包裹。

在冷凝***中，温度较低的冷凝用水从恒温水浴10中流出通过其中进口流进冷凝铜块内部，经过直接对流换热将被微热管13加热的冷凝铜块降温，温度升高的冷却用水从铜块内的出口流出，经过流量调节阀至冷水机11，最后回到恒温水浴10中。恒温水浴10作为一个水循环***，通过PID闭环温度控制***把循环中的冷却用水温度稳定在目标温度的±0.2℃之间。在实验进行中，需要针对不同的加热功率和实验目的调节不同的冷却用水温度和冷却用水流速。

数据采集***包括传感器、数据采集卡、数据记录***，数据采集卡内置冷端温度补偿***。传感器使用K型热电偶4，在被测微热管13表面进行直接温度测量。温度采集***采用现有的16通道温度采集模块，并行16通道热电偶4输入模块。数据采集卡内置冷端温度补偿***，最高采样率达75Sample/s，自动调零通道，24位ADC数模转换***，适合最高0.02℃测量灵敏度。8路热电偶信号先连接温度采集模块，再经由单槽式机箱，通过USB总线的传输方法传输到上位机计算机7上。在计算机7使数据采集分析处理软件接收数据，并与采集同步读取热电偶4的温度信息，通过编程将数据记录到本地硬盘。测试中涉及到稳态温度测试和动态温度测试时，其中稳态温度测试采用手动点击按钮的方法进行采集，动态温度测试采用编程的方法，自动每1秒采集一次温度数据并自动记录到本地硬盘。

为进一步对测试步骤进行描述，以功率30W的热管为例说明如下，如图2所示一种稳态测试流程图。

稳态热性能实验将从头至尾保持微热管13蒸汽温度在一个固定值(45℃)上。默认绝热段2温度即为空腔气体温度。共测试5个加热功率下的微热管13性能：10W、15W、20W、25W、30W。最初热载荷由10W开始，通过调整冷却循环用水的温度和流速，使微热管13最终在绝热段2平均温度为45℃的情况下达到稳定平衡状态，记录当前8个测温点的温度数据，并将热载荷提高5W。重复上述步骤，直至完成5个热载荷功率情况下的所有稳态温度数据记录。

在这个过程中，可能会在某一个热载荷条件下，微热管13出现干涸，达到了极限传输功率，此时微热管13总体温差、总体温度均会显著上升。记录极限传输功率的大小，但不要停止稳态热性能的测试，让微热管13平衡在一个蒸发段1温差很大的状态下，继续提高热载荷功率。虽然在微热管13的实际使用中，出现干涸意味着散热装置的失效，但实际上极限传输功率以上的微热管13仍然工作在另一种状态下，此时微热管13的蒸发段1热阻R_e和冷凝段热阻R_c依然有一定变化规律。因此，在实验中，仍然测量微热管13工作在极限传输功率热载荷之上的稳态热性能。

如图3所示是本实施例的一种动态测试流程图，动态性能温度测试不必使用调节冷却用水温度和流速的方法来固定微热管13的绝热段2温度，而且冷却用水的流速和温度都应该确定并保持不变。动态性能温度测试主要是考察微热管13的实时启动升温能力，通过模拟最接近微热管13的实际工作状态，测量并观察在一定加热热载荷功率的情况下微热管13的升温速度、各测温点温度变化，最后到达平衡所用的时间等瞬态变量。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，如上下两块铜块可拆卸更换，铜块与微热管13的接触面与微热管结构相同，以满足不同规格的微热管13产品测试，任何对本发明的简单变换后的结构、工艺、方法等均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微热管性能测试方法，其特征是通过加热***、冷凝***、绝热***和数据采集***的设计，获取轴向温度分布、极限传输功率、蒸发热阻、蒸发传热系数、冷凝热阻、冷凝传热系数、热管启动时的动态实时温度变化以及动态热阻变化热属性变量数据；

所述加热***中，微热管受热接触面与热源面积相同，以获得微热管工作状态时的实际热流密度；加热时，把薄微热管蒸发段的无效长度置于加热区外，测量温度值；把直流电源调节为电压模式，通过计算电压值和电流值的乘积，计算得当前输入热功率；然后调节输入电流大小至目标热功耗上，微热管热传递启动；

所述绝热***是针对微热管外露在空气中的部分，以及直接与微热管接触的加热***、冷凝***部件进行与空气隔绝，防止所述部分与空气进行热交换；

所述数据采集***包括传感器、数据采集卡、数据记录***，数据采集卡内置冷端温度补偿***，在PC机使NI的数据采集分析处理软件接收数据，并与采集同步读取热电偶的温度信息，通过编程将数据记录到本地硬盘。

2.根据权利要求1所述的微热管性能测试方法，其特征是，微热管性能以微热管导热功率为测试目标，以微热管吸液芯结构、长度、压扁厚度、介质充注量为参数。

3.根据权利要求1所述的微热管性能测试方法，其特征是，在微热管加热时，在微热管表面涂抹一层导热硅胶，并加大加热***与微热管接触的部件对微热管的压力。

4.根据权利要求1所述的微热管性能测试方法，其特征是，在被测微热管表面进行直接温度测量，各测温位置之间的距离关系为：以微热管的蒸发段、绝热段和冷凝段中点为基准，均匀布置传感器，取其平均值。

5.根据权利要求1所述的微热管性能测试方法，其特征是，测试中涉及到稳态温度测试和动态温度测试时，其中稳态温度测试采用手动点击按钮的方法进行采集，动态温度测试采用编程的方法，自动每秒采集一次温度数据并自动记录到本地硬盘。

6.根据权利要求1所述的微热管性能测试方法，其特征是，所述热属性变量数据中，除了轴向温度直接读取，其余物理量通过已有温度数据根据公式计算出来，各计算公式如下：

式中：Q-功率，I-电流，V-电压，T-温度，R-热阻，A-传热面积，h-传热系数；

其中蒸发传热系数和冷凝传热系数中的传热面积A使用微热管蒸发段和冷凝段表面与加热部件以及冷凝部件直接接触的面积。

7.一种如上述权利要求1至6任意一项所述的微热管性能测试方法的实现平台，其特征包括加热***、冷凝***、绝热***和数据采集***，所述加热***包括上下两块相互配合的铜块，铜块的内部设有加热棒，加热棒连接至直流电源；其中下方铜块固定在操作平台上，上方铜块定位在垂直气缸上；

所述冷凝***包括恒温水浴，恒温水浴既有冷冻又有加热功能的水循环***；冷凝***的接触传热机构根据微热管散热器的散热翅片覆盖长度设定，铜块内部设有通孔，分别为冷却用水的进出口；

所述绝热***包括对热管外露在空气中的绝热段、以及加热铜块、加热铜块与空气接触位置设有隔热覆层。

8.根据权利要求7所述的微热管性能测试方法的实现平台，其特征是，所述加热***中，所述恒温水浴通过闭环温度控制***把循环中的冷却用水温度稳定在目标温度的±0.2℃之间。

9.根据权利要求7所述的微热管性能测试方法的实现平台，其特征是，所述加热***中，设有上下两块可拆卸更换的铜块，铜块与微热管的接触面与微热管结构相同。

10.根据权利要求7所述的微热管性能测试方法的实现平台，其特征是，所述冷凝***设有流量调节阀。

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