在外加物理场下测量材料散热性能的装置的制作方法

本发明涉及一种测量热学性能的装置，特别是涉及一种测量材料散热性能的装置，应用于材料散热性能测量和控制技术领域。

背景技术：

随着科技的进步，电气化、信息化时代的到来，各类用电产品内部超大规模集成电路的容量和密集度也迅速增大，而且基板上各类芯片的组装数及组装密度也越来越高，相对地其单位体积所散发的热量也愈来愈高，高温会降低元器件性能，导致系统运行不稳定，从而影响系统的可靠性，缩短其使用寿命，甚至有可能使某些部件烧坏。据统计，当前用电精密器件损坏的主要原因是热损坏，即工作温度超过允许的数值。为了进一步提高这些用电设备的性能，其芯片等高发热区的温度有效冷却成为瓶颈问题。散热材料的作用就是将这些热量吸收，然后发散到器件外，保证产品的温度正常。

通常，现有的散热性能测量装置设计思路主要有两种：一种是通过测量绝热环境下，器件散出来的热量来表征其散热性能的好坏，散出来的热量越多说明散热性能越好如专利申请号为201410713336.2的专利文献公开；另一种是测量封闭环境下材料自身的温度来表征其散热性能的好坏，材料自身温度越低，散热性能更优异，如专利申请号为201210504979.7的专利文献公开。现有的发明把研究改进思路主要集中在将所测目标器件的材料不同和结构不一问题而对散热性能测试装置进行改进。但是对于可在不同物理场下测试材料散热性能的装置，所见的报道较少。

现如今现代化用电产品中都存在着大小不一、种类不一的物理场，如磁场、电场、微波场等，这些物理场的存在也对材料的散热性能有着重大影响，比如哈尔滨工业大学的梁培鑫等人就汽车电动机中的永磁体涡流损耗对电机的温升的影响进行了综述，阐明了电机中永磁体的存在对电机的温度升高有着重要促进作用。因此有必要提供一种能在不同物理场环境下材料散热性能测量装置，这成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种在外加物理场下测量材料散热性能的装置，能在不同物理场下高通量测量材料散热性能，为筛选散热材料提供了一种手段。本发明装置测试方法简便，制作简单，能通过不同材料温度分布线的对比，定性地分析不同环境下材料散热的优劣。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种在外加物理场下测量材料散热性能的装置，包括热端加热系统、冷端制冷系统、中间密封保温腔体和温度记录系统，中间密封保温腔体设置于热端加热系统和冷端制冷系统之间，使热端加热系统、冷端制冷系统和中间密封保温腔体组装成固定安装长条状的待测材料的密闭测量环境装置，将待测材料装入中间密封保温腔体中，使待测材料的受热端置于热端加热系统的腔体内部，使待测材料的冷端置于冷端制冷系统内，从而使热端热量通过待测材料传递至冷端，温度记录系统由信号采集装置和一系列热电偶组成，各热电偶分布设置于中间密封保温腔体上，并使各热电偶沿着待测材料的轴向按照设定的位置间隔距离进行设置，使热电偶的测温度端对待测材料的设定测温点位置进行温度测量，然后向信号采集装置发送温度测量信号，在中间密封保温腔体内装有物理场发生装置，物理场发生装置向中间密封保温腔体内施加设定参数的物理场，使装入中间密封保温腔体内的待测材料处于外加的物理场环境之下，当装入中间密封保温腔体内的待测材料两个端部的受热与冷却达到稳定时，通过热电偶所测得的待测材料的热端到冷端的温度分布曲线，来表征待测材料的散热性能。

作为本发明优选的技术方案，在一套物理场发生装置内部形成一个独立的物理场空腔区域，能对一个待测材料散热性能进行独立测量。作为第一种本发明进一步优选的技术方案，在中间密封保温腔体中部设置一套物理场发生装置，对装入中间密封保温腔体内的单根待测材料进行散热性能测量。作为第二种本发明进一步优选的技术方案，在中间密封保温腔体中设置至少两套物理场发生装置，形成至少两个独立的物理场空腔单元区域分布，能分别对装入中间密封保温腔体内的不同的待测材料进行独立的散热性能测量，组成高通量测定装置系统。作为第二种本发明更进一步优选的技术方案，使各套物理场发生装置在中间密封保温腔体中进行空间对称式设置或者空间均匀式设置，形成具有特定空间分布形式的并列的物理场空腔单元区域分布。

作为本发明优选的技术方案，在中间密封保温腔体中，物理场发生装置能进行装卸和替换，根据对待测材料的设定测量需求，使物理场发生装置对装入的待测材料施加特定的外加物理场。

作为本发明优选的技术方案，物理场发生装置为磁场发生装置、电场发生装置和超声波场发生装置中的任意一种物理场发生装置或任意几种的复合物理场发生装置。作为一种本发明进一步优选的技术方案，当物理场发生装置采用磁场发生装置时，优选采用永磁体嵌入安装中间密封保温腔体壁的绝热包套内，在中间密封保温腔体内生成磁场空腔区域；作为另一种本发明进一步优选的技术方案，当物理场发生装置采用电场发生装置时，采用正极与负极组合设置的电极板装置嵌入安装中间密封保温腔体壁的绝热包套内，在中间密封保温腔体内生成电场空腔区域。

作为本发明优选的技术方案，使待测材料的受热端设置于由温度可控的稳衡热源所产生的热气氛中，利用热气氛自然对流或者强制热气氛对流，来控制热端加热系统中的热气体对流运动。作为更进一步优选的技术方案，在热端加热系统的腔体内部设有风扇，风扇能驱动在热端加热系统的腔体内部的热气体进行强制对流运动。

作为本发明优选的技术方案，在待测材料的热端，热端加热系统提供的稳衡热源通过电阻加热装置进行加热，通过温控仪控制加热的温度和时间，使热端温度控制在20～500℃范围内可调。

作为本发明优选的技术方案，使待测材料的冷端设置于由温度可控的冷端制冷系统产生的冷气氛中，利用冷气氛自然对流或者强制冷气氛对流，来控制冷端制冷系统中的冷气体对流运动。

作为本发明优选的技术方案，在待测材料的冷端，冷端制冷系统通过半导体或空气压缩机制冷，通过温控仪控制制冷温度和时间，使冷端温度控制在0～-30℃范围内可调。

作为本发明优选的技术方案，中间密封保温腔体壁的绝热包套采用聚四氟乙烯或玻璃纤维制成。

作为本发明优选的技术方案，热端加热系统和冷端制冷系统分别通过移动轨道或者滑轮装置进行移动，实现使热端加热系统、冷端制冷系统和中间密封保温腔体组装成的密闭测量环境装置的组合安装和分离拆卸。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明装置能测试材料在不同物理场下的散热性能，能实现材料在特种环境下的实验测试，而且装置造价低廉，测试方法简便；

2.本发明装置根据散热性能越好的材料热端温度越低，冷端温度越高的原理，并且加入空气对流，能够简单明了地定性表征材料在实际应用中散热性能的好坏；热端风机可自主开关，可根据材料服役情况自主选择强制对流或自然对流；

3.本发明的物理场发生器可在保温材料内配置多个，实现高通量测量；

4.本发明装置能模拟材料的服役环境，从而测得不同物理场条件下材料的散热性能，且操作简便，造价低廉。

附图说明

图1为本发明实施例一在外加物理场下测量材料散热性能的装置的结构示意图。

图2为在图1中沿着a-a线的装置局部剖面图。

图3为本发明实施例一的物理场发生装置结构示意图。

图4为在图3中沿着b-b线的装置剖面图。

图5为在本发明实施例二的中间密封保温腔体横截面上的物理场空腔单元分布示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1～4，一种在外加物理场下测量材料散热性能的装置，包括热端加热系统、冷端制冷系统9、中间密封保温腔体10和温度记录系统，中间密封保温腔体10壁的绝热包套采用聚四氟乙烯制成，中间密封保温腔体10设置于热端加热系统和冷端制冷系统9之间，使热端加热系统、冷端制冷系统9和中间密封保温腔体10组装成固定安装长条状的待测材料7的密闭测量环境装置，将待测材料7装入中间密封保温腔体10中，使待测材料7的受热端置于热端加热系统的腔体内部，使待测材料7的冷端置于冷端制冷系统9内，从而使热端热量通过待测材料7传递至冷端，温度记录系统由信号采集装置4和一系列热电偶5组成，信号采集装置4采用无纸化的温度信号处理分析记录仪，温度信号处理分析记录仪能记录相应时间下热电偶5所测的温度数据，各热电偶5分布设置于中间密封保温腔体10上，并使各热电偶5沿着待测材料7的轴向按照设定的位置间隔距离进行设置，使热电偶5的测温度端对待测材料7的设定测温点位置进行温度测量，然后向信号采集装置4发送温度测量信号，在中间密封保温腔体10内装有物理场发生装置6，物理场发生装置6向中间密封保温腔体10内施加设定参数的物理场，使装入中间密封保温腔体10内的待测材料7处于外加的物理场环境之下，当装入中间密封保温腔体10内的待测材料7两个端部的受热与冷却达到稳定时，通过热电偶5所测得的待测材料7的热端到冷端的温度分布曲线，来表征待测材料7的散热性能。

在本实施例中，参见图1～4，物理场发生装置6为磁场发生装置，采用磁场发生装置生成稳恒磁场，采用永磁体嵌入安装中间密封保温腔体10壁的绝热包套内，在中间密封保温腔体10内生成磁场空腔区域。在一套物理场发生装置6内部形成一个独立的磁场空腔区域，能对一个待测材料7散热性能进行独立测量。在中间密封保温腔体10中部设置唯一的一套磁场空腔区域，对装入中间密封保温腔体10内的单根待测材料7进行散热性能测量。

在本实施例中，参见图1，使待测材料7的受热端设置于由温度可控的稳衡热源所产生的热气氛中，在热端加热系统的腔体内部设有风扇11，风扇11能驱动在热端加热系统的腔体内部的热气体进行强制对流，来控制热端加热系统中的热气体对流运动。使待测材料7的冷端设置于由温度可控的冷端制冷系统9产生的冷气氛中，利用冷气氛自然对流，来控制冷端制冷系统9中的冷气体对流运动。

在本实施例中，参见图1，在待测材料7的热端，热端加热系统提供的稳衡热源通过电阻加热装置2进行加热，通过编程式温控仪控制加热的温度和时间，使热端温度控制在20～500℃范围内可调。在待测材料7的冷端，冷端制冷系统9通过半导体制冷，通过编程式温控仪控制制冷温度和时间，使冷端温度控制在0～-30℃范围内可调。

在本实施例中，参见图1，热端加热系统和冷端制冷系统9分别通过滑轮装置3进行移动，实现使热端加热系统、冷端制冷系统9和中间密封保温腔体10组装成的密闭测量环境装置的组合安装和分离拆卸。

在本实施例中，参见图1～4，首先将将待测材料7装在中间密封保温腔体10内壁上的磁场发生装置的磁场空腔区域内，将待测材料7的两端分别卡入冷端与热端炉体预先加工好的与材料端面相匹配的卡槽8内。然后将热电偶5与温度信号处理分析记录仪连通，将各热电偶5分别对应插入中间密封保温腔体10预先留下的孔内，使各热电偶5的测温点与待测材料7表面接触。打开热端电源，设置加热到所需的温度，热端的加热炉的墙体1采用耐高温且隔热的氧化锆砖砌筑制成，电阻丝穿入铜管中2组成温度可控的稳衡热源，能进行高效率地加热，为接近实际情况，本实施例采用风扇11使得炉内空气流动方式变为强制对流，使待测材料7的一端贴近电阻丝加热所产生的热气氛炉体内，能选择是否通过控制风扇11来加快热空气流动速度。本实施例还通过滑轮3来移动炉体到合适的位置。待测材料7的另一端贴近装有制冷器的隔热箱体内，由此就形成了一个热量通过待测材料7由热端向冷端传递的路径。打开冷端电源开关，设置到所需的温度，冷端相对于热端，除了加热的电阻丝被换成半导体制冷片，还去除了风扇11，冷端炉体的结构与热端基本相同，冷端采用冷气氛自然对流。

参见图1～4，在温度恒定后，导出温度信号处理分析仪中的温度与时间关系数据进行数据处理以分析材料的散热性能。在达到稳定后，材料表面温度从热端到冷端呈下降趋势，散热性能好的材料表现为距热端处的温度低，越离冷端温度越高。

参见图1～4，本实施例装置包括加热端和制冷端，将待测材料7置于上述两者之间，同时使待测材料7处于密封箱内，密封箱内有产生特定磁场，从而能测量材料在服役过程中不同磁场环境下的散热性能。测试过程中，将材料的一端置于热稳恒气氛中，另一端致于冷稳恒气氛中，中间用穿有物理场发生器的保温材料进行保温。热端热量可通过待测材料7传递至冷端，通过待测材料7上相应点的温度分布来评估材料散热性能的好坏，散热性能好的待测材料7表现为靠近热端的区域温度相对较低，靠近冷端的区域相对温度较高。本实施例装置采用在中间密封保温腔体10中间区域设置单磁场区域，本实例一次只测试了一个待测材料7的散热性能，本实施例能在外加稳恒磁场下对单件待测材料7进行材料散热性能测量，本实施例装置能模拟材料的服役环境，从而测得不同磁场条件下材料的散热性能，本实施例装置结构简单，造价低廉，且操作简便，测试方法简单。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图5，物理场发生装置6为磁场发生装置，采用磁场发生装置生成稳恒磁场，在中间密封保温腔体10中设置16套磁场发生装置，形成16个独立的物理场空腔单元65区域分布，能分别对装入中间密封保温腔体10内的不同的待测材料7进行独立的散热性能测量，组成高通量测定装置系统。在本实施例中，参见图5，在中间密封保温腔体10，将各物理场空腔单元65分别安装在中间密封保温腔体10的内壁的绝热包套上，使各套磁场发生装置在中间密封保温腔体10中进行空间均匀式设置，形成具有特定空间分布形式的并列的物理场空腔单元65环形的区域分布形式，参见图5。

在本实施例中，参见图5，将待测试样7放入预先设计好的热端炉体的卡槽8中，在中间密封保温腔体10内壁四周位置上设有卡槽，形成磁铁安装位置61-64，将磁场发生器放入中间密封保温腔体10预留的卡槽内，组装成磁场发生装置，磁场发生装置采用永磁铁。同时为满足测试不同磁场强度下材料的散热性能的需求，本实施例装置还能改变磁场的强度，磁铁安装位置61-64皆能放入永磁铁，形成物理场空腔单元65，放入永磁铁的数量少，则磁场强度小，增加永磁铁数量则磁场强度变大，实验者能通过增加或减少这些场发生器的数量来改变场强度大小，进而改变实验条件。随后将中间密封保温腔体10一端架热端炉内，另一端架在冷端腔内，并插入热电偶5，打开热端、冷端及温度信号处理分析仪的电源，开始试验测量。本实施例的具体实验步骤细节与表征方法与实施例一基本相同。

在本实施例中，参见图5，本实施例装置的物理场发生器能配置多个，实现材料散热性能的高通量测试，使用者根据如图5所示多个空腔所形成的一系列物理场空腔单元65，在对应的磁铁安装位置61-64安装磁铁组装成磁场发生器。本实施例装置形成了一系列热量通过待测材料7由热端向冷端传递的路径，能在不同磁场下高通量测量材料散热性能，能一次完成对待测材料7的批量测量，显著提高材料传热性能测量的效率。本实施例装置结构紧凑，造价低廉，测试方法简便。

实施例三：

本实施例与实施例二基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，物理场发生装置6为电场发生装置，采用电场发生器生成均匀电场，本实施例采用正极与负极组合设置的电极板装置嵌入安装中间密封保温腔体10壁的绝热包套内，在中间密封保温腔体10内生成电场空腔区域。

本实施例引入电场来测试外加电场条件下材料的散热性能。进行测量时，首先将待测试样7放入预先设计好的热端炉体的卡槽8中，将电场发生器放入中间密封保温腔体10预留的槽内，电场发生器采用能通电的两块铜板作为正极与负极电极板，通过改变电源的电压来调节和控制外加电场的强度；随后将中间密封保温腔体10的一端架热端炉内，另一端架在冷端腔内，并插入热电偶5，打开热端、冷端及温度信号处理分析仪的电源，开始试验测量。本实施例的具体实验步骤细节与表征方法与实施例一基本相同。

在本实施例中，参见图5，本实施例装置形成了一系列热量通过待测材料7由热端向冷端传递的路径，能在不同电场下高通量测量材料散热性能，能一次完成对待测材料7的批量测量，显著提高材料传热性能测量的效率。本实施例装置结构紧凑，造价低廉，测试方法简便。

实施例四：

本实施例与实施例二和实施例三基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，物理场发生装置6为超声波场发生装置，采用超声波场发生器生成超声波场，本实施例采用超声波场发生装置嵌入安装中间密封保温腔体10壁的绝热包套内，在中间密封保温腔体10内生成超声波场空腔区域。

本实施例引入超声波场来测试外加超声波场条件下材料的散热性能。进行测量时，首先将待测试样7放入预先设计好的热端炉体的卡槽8中，将超声波场发生器放入中间密封保温腔体10预留的槽内，通过改变电源的电压来调节和控制外加超声波场的强度；随后将中间密封保温腔体10的一端架热端炉内，另一端架在冷端腔内，并插入热电偶5，打开热端、冷端及温度信号处理分析仪的电源，开始试验测量。本实施例的具体实验步骤细节与表征方法与实施例一基本相同。

在本实施例中，参见图5，本实施例装置形成了一系列热量通过待测材料7由热端向冷端传递的路径，能在不同超声波场下高通量测量材料散热性能，能一次完成对待测材料7的批量测量，显著提高材料传热性能测量的效率。本实施例装置结构紧凑，造价低廉，测试方法简便。

实施例五：

本实施例与与实施例二～实施例四基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，物理场发生装置6为超声波场发生装置和电场发生器组成的多种场独立设置的组合场测量装置，其中，采用超声波场发生器生成超声波场，形成8个超声波场的物理场空腔单元65，采用电场发生器生成电场，形成另外8个超声波场的物理场空腔单元65，本实施例分别采用超声波场发生装置和电场发生器嵌入安装中间密封保温腔体10壁的绝热包套内，在中间密封保温腔体10内生成超声波场空腔区域和电场空腔区域。

本实施例在同一台装置中同时引入超声波场和电场，来联合测试外加超声波场条件下和电场条件下材料的散热性能。进行测量时，首先将待测试样7放入预先设计好的热端炉体的卡槽8中，将超声波场发生器和电场发生器分别对应放入中间密封保温腔体10预留的槽内，通过改变电源的电压来调节和控制外加超声波场的强度和电场的强度；随后将中间密封保温腔体10的一端架热端炉内，另一端架在冷端腔内，并插入热电偶5，打开热端、冷端及温度信号处理分析仪的电源，开始试验测量。本实施例的具体实验步骤细节与表征方法与实施例一基本相同。

在本实施例中，参见图5，本实施例装置形成了一系列热量通过待测材料7由热端向冷端传递的路径，能在不同超声波场下和电场下进行高通量联合测量材料散热性能，能一次完成对待测材料7的批量测量，显著提高材料传热性能测量的效率。本实施例装置结构紧凑，造价低廉，测试方法简便。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明在外加物理场下测量材料散热性能的装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。