一种SVG热管散热器特性的测试平台及其应用方法与流程

本发明涉及电气工程技术，具体涉及一种svg热管散热器特性的测试平台及其应用方法。

背景技术：

目前大容量的svg采用水冷型散热方式，而水冷系统对于svg的正常运行来说具有安全隐患。故强迫风冷是较为理想的大容量svg的冷却方式。在强迫风冷系统中，热管散热器是其散热系统中的核心部分。该方式散热效率高，可靠性好，对svg正常的运行较为安全。而对于大功率svg来说，正常运行时发热功率大，突然的故障或者负载的突变极易导致其功率模块的发热量急剧上升，能否及时地把svg中大量的热量发散出去，对于热管散热器来说，对其散热性能提出了严苛的要求。在实际热管的散热性能测试中，由于测试时间长，散热器数量多等原因，导致不同批次的散热器所处的测试环境不尽相同，环境温度相差1-3℃后，将会影响试验人员对于热管散热器性能的判断。除此以外，在测试过程中，衡量热管散热器基板上的温度测量点，由于制造工艺的不同，会出现热管散热器的最高温度出现点并不一定会出现在同一位置。而当前的热管散热器测试平台的设计，极少考虑此因素。

国内、外少数高校和科研单位对对热管动态性能的测试平台进行了部分研究，目前以恒温风道、风洞、可调风机和测量模块组成了热管性能的测试平台为主，但该试验平台存在以下缺陷：1）并无精确控制风道内进风温度的装置；2）并无快速精确控制散热器所受热量和所受风量的控制结构；3）在以往的测试中，由于发热模块需贴合散热器基板，故大多数测试平台并未在发热模块与基板之间设置测温点，故测得的温度并不一定是基板上出现最高温度的点，即使有少数的测试平台在发热模块与基板之间设置了测温点，但是往往测温点个数较少，不能客观反映出这几个点是否是出现最高温度的位置。因此，需要设计一款既能够控制风道内进风温度、又能在散热器基板上测得最高温度点的高精度自动控制测试平台。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种svg热管散热器特性的测试平台及其应用方法，svg热管散热器特性的测试平台包括恒温风道、风洞、控制单元和可控稳压单元，通过恒温风道的恒温装置和测温模块、以及加热及测温模块的双重温度检测及加热的结构，结合风量计量模块以及可控风机的结构设计，为svg热管散热器特性的高精度试验提供了基础硬件，应用方法则在上述基础硬件的基础上，通过多种闭环控制结合，能够实现svg热管散热器的高精度试验，获取svg热管散热器的时间高精度响应特性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种svg热管散热器特性的测试平台，包括恒温风道、风洞、控制单元和可控稳压单元，所述恒温风道、风洞相互密封连接，所述恒温风道上设有恒温装置和测温模块，且所述恒温风道上位于放置待测热管散热器的区域处设有加热及测温模块，所述加热及测温模块包括加热元件及测温元件，所述风洞的进风口设有可控风机，所述风洞内设有整流板以及风量计量模块，所述测温模块的输出端、加热及测温模块的测温元件输出端、风量计量模块的输出端分别和控制单元的输入端相连，所述加热及测温模块的加热元件控制端、恒温装置的控制端通过可控稳压单元和控制单元的控制输出端相连，所述可控风机的控制端和控制单元的控制输出端相连。

优选地，所述恒温风道上位于放置待测热管散热器的区域处为由三面金属板形成的剖面为口字形一侧带开口的结构，且一侧的开口处设有用于放置待测热管散热器的基板，所述加热及测温模块的加热部件布置于基板的外侧。

优选地，所述加热及测温模块的表面设有呈阵列状布置的多个测温孔，所述加热及测温模块的测温元件分别布置于测温孔的底部。

优选地，所述风量计量模块布置于整流板之间。

优选地，所述可控稳压单元包括第一可控稳压源和第二可控稳压源，所述加热及测温模块的温控端通过第一可控稳压源和控制单元的控制输出端相连，所述恒温装置的温控端通过第二可控稳压源和控制单元的控制输出端相连。

优选地，所述控制单元包括上位机、下位机、变频器和dc/dc控制器，所述下位机分别与上位机、变频器、dc/dc控制器相连，且所述变频器的输出端和可控风机的控制端相连，所述dc/dc控制器的输出端分别与第一可控稳压源和第二可控稳压源的控制端相连。

优选地，所述控制单元还包括环境温度传感器，所述环境温度传感器的输出端与下位机相连。

进一步地，本发明还提供一种本发明前述svg热管散热器特性的测试平台的应用方法，实施步骤包括：

1）控制单元预先控制可控稳压源输出至加热及测温模块的加热元件电压为初始电压u0，使得受控热源在初始电压u0对应的输出功率对被测试的svg热管散热器进行加热，控制单元通过加热及测温模块的测温元件输出的温度且在温度稳定后记录初始温度t0；所述加热及测温模块的测温元件输出的温度具体是指将加热及测温模块的各个测温元件输出的温度中取最大值作为最终输出的温度；

2）通过测温模块检测恒温风道的温度，如果恒温风道的温度低于预设阈值，则退出；否则，跳转执行下一步；

3）控制单元通过pi调节器增加可控稳压源输出至加热及测温模块的加热元件的电压直至输出的电压等于预设的第一试验电压u1，记录加热及测温模块的测温元件输出的温度作为第一试验温度t1，生成第一试验温度t1的时间变化曲线并输出且跳转执行步骤3）；

4）控制单元检测可控风机的转速且可控风机的初始转速为v0，控制单元通过pi调节器增加可控风机的转速直至加热及测温模块的测温元件输出的温度等于初始温度t0，记录可控风机20在试验过程的第一转速v1，生成第一转速v1的时间变化曲线并输出；

5）以加热及测温模块的测温元件输出的温度等于初始温度t0作为控制目标，控制单元通过pi调节器降低可控稳压源输出至加热及测温模块的加热元件的电压、且通过pi调节器降低可控风机的转速直至可控风机的转速恢复至初始转速v0、且可控稳压源输出至加热及测温模块的加热元件的电压下降至初始电压u0，记录可控稳压源在试验过程中输出至加热及测温模块的加热元件的试验实测电压u2以及可控风机在试验过程的第二转速v2，生成试验实测电压u2以及第二转速v2两者的时间变化曲线并输出。

本发明svg热管散热器特性的测试平台具有下述优点：

1、本发明svg热管散热器特性的测试平台通过恒温风道的恒温装置和测温模块、以及加热及测温模块的双重温度检测及加热的结构，结合风量计量模块以及可控风机的结构设计，为svg热管散热器特性的高精度试验提供了基础硬件，可精确测量并控制热源发热量，风机转速和恒温风道内的温度，从而可以实现热管散热器测试环境的精确模拟，具有测试精度高、结构简单的优点。

2、本发明svg热管散热器特性的测试平台可适用于各类svg热管散热器特性的试验，具有通用性好的优点。

本发明svg热管散热器特性的测试平台的应用方法具有下述优点：本发明svg热管散热器特性的测试平台的应用方法在本发明svg热管散热器特性的测试平台上述基础硬件的基础上，通过多个步骤以及多种闭环控制结合，能够实现svg热管散热器的高精度试验，获取svg热管散热器的时间高精度响应特性，通过本发明svg热管散热器动态特性的测试平台的应用方法得到的单受控热源升温试验的第一试验温度t1的时间变化曲线，单受控风机加速试验的第一转速v1的时间变化曲线，受控热源、受控风机联动试验的试验实测电压u2以及第二转速v2两者的时间变化曲线，能够快速有效地衡量待测热管散热器的性能优劣。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图。

图2为本发明实施例恒温风道放置待测热管散热器的区域处的横截面结构示意图。

图3为本发明实施例得到的曲线示意图。

图例说明：1、恒温风道；11、恒温装置；12、测温模块；13、测温模块；131、测温孔；14、基板；2、风洞；20、可控风机；21、整流板；22、风量计量模块；3、控制单元；31、上位机；32、下位机；33、变频器；34、dc/dc控制器；4、可控稳压单元；41、第一可控稳压源；42、第二可控稳压源。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的svg热管散热器特性的测试平台包括恒温风道1、风洞2、控制单元3和可控稳压单元4，恒温风道1、风洞2相互密封连接，恒温风道1上设有恒温装置11和测温模块12，且恒温风道1上位于放置待测热管散热器的区域处设有加热及测温模块13，加热及测温模块13包括加热元件及测温元件，风洞2的进风口设有可控风机20，风洞2内设有整流板21以及风量计量模块22，测温模块12的输出端、加热及测温模块13的测温元件输出端、风量计量模块22的输出端分别和控制单元3的输入端相连，加热及测温模块13的加热元件控制端、恒温装置11的控制端通过可控稳压单元4和控制单元3的控制输出端相连，可控风机20的控制端和控制单元3的控制输出端相连。本实施例的svg热管散热器特性的测试平台能够实现热管散热器进风口处的恒温处理，加热及测温模块13的最大功率不低于6kw，能够反映出热管散热器上的最大温度，能够根据所测量得到的风量，温度闭环联动控制可控风机20的转速。当有需要时，可控风机20的转速的控制可由实验人员通过上位机调整。

如图1所示，本实施例中恒温风道1包括两个恒温装置11，且两个恒温装置11分别布置于恒温风道1的左右两侧，以确保对恒温风道1的加热均匀，以提高恒温特性。

如图2所示，本实施例中恒温风道1上位于放置待测热管散热器的区域处为由三面金属板形成的剖面为口字形一侧带开口的结构，且一侧的开口处设有用于放置待测热管散热器的基板14，加热及测温模块13的加热部件布置于基板14的外侧。图2中双点划线所示物体即为待测的热管散热器。本实施例放置待测热管散热器的区域位于恒温风道1的进风口处，通过在基板14的外侧布置加热及测温模块13，且在恒温风道1的外侧安装有恒温装置11来调节恒温风道内的温度，能够快速高效地调节恒温风道1内的温度。

本实施例中，为了进一步提高热传导效果，在加热及测温模块13和基板14之间涂有导热硅胶，以确保加热及测温模块13和基板14之间具有良好的热传导性能。

如图2所示，加热及测温模块13的表面设有呈阵列状布置的多个测温孔131，加热及测温模块13的测温元件分别布置于测温孔131的底部，测温孔131一方面可以使得测温元件尽可能地贴近加热及测温模块13的加热元件以提高温度检测的准确度，另一方面也便于加热及测温模块13的测温元件的检修，而且加热及测温模块13的测温元件位于测温孔131的底部还能够避免在便于检修的前提下尽可能减少环境温度对测温元件的干扰。通过呈阵列状布置的多个测温孔131以及布置于测温孔131的底部的测温元件，构成了陈列状的温度传感器，能够有效提高温度检测的准确度。本实施例中，加热及测温模块13的表面设有15个测温孔131，15个测温孔131呈3×5排列，每个孔呈圆形，测温孔131内靠近基板14处有测温热电偶（加热及测温模块13的测温元件）。加热及测温模块13的测温元件将所有的测温点的信号反馈至控制单元3以便对加热及测温模块13的加热元件的发热量进行闭环控制，并将最高温度显示输出。本实施例中，多个加热及测温模块13的测温元件根据多点测试取最大值的方法获取检测温度，并通过检测温度反馈至控制单元3中。毫无疑问，测温孔131的形状和数量可以根据需要进行调节。

本实施例的svg热管散热器特性的测试平台要解决的关键技术问题之一就是实现对放置待测热管散热器的区域的温度高精度检测，为了达到上述目标，采用了下述技术手段：（1）采用测温孔131以孔穴式结构来放置加热及测温模块13的测温元件；（2）采用布置于测温孔131中的呈阵列状布置的多个测温元件来测温；（3）在加热及测温模块13和基板14之间涂有导热硅胶，以确保加热及测温模块13和基板14之间具有良好的热传导性能。

如图1所示，本实施例中风洞2内设有两组整流板21，互相平行置于风洞2内部使得恒温风道1内部风量均匀；风量计量模块22布置于整流板21之间，通过上述结构能够避免风洞2内在风量计量模块22处形成紊流而影响风量检测的准确度。

本实施例中，可控稳压单元4包括第一可控稳压源41和第二可控稳压源42，加热及测温模块13的温控端通过第一可控稳压源41和控制单元3的控制输出端相连，第一可控稳压源41可以生成稳态电压信号，调节输出至加热及测温模块13的温控端的电压，从而调节加热及测温模块13的加热元件的加热功率，同时第一可控稳压源41的输出电压值和电流值将反馈至控制单元3，通过闭环控制加快可控稳压源调节的速度并提高可控稳压源的输出电压精度；恒温装置11的温控端通过第二可控稳压源42和控制单元3的控制输出端相连，通过第二可控稳压源42可调节输出至恒温装置11的电压，从而调节恒温装置11的加热功率。除了本实施例的双独立稳压源的形式，此外也可以根据需要采用多独立输出端的可控稳压源，其原理与本实施例相同，故在此不再赘述。

本实施例中，控制单元3包括上位机31、下位机32、变频器33和dc/dc控制器34，下位机32分别与上位机31、变频器33、dc/dc控制器34相连，且变频器33的输出端和可控风机20的控制端相连，dc/dc控制器34的输出端分别与第一可控稳压源41和第二可控稳压源42的控制端相连。

本实施例中，第一可控稳压源41由斩波电路结构组成构成，输出电压为0~450v，输出电流为0~200a，其占空比由dc/dc控制器34控制，加热及测温模块13中的测温部件为热电偶，其测得的温度将反馈至下位机32中，然后dc/dc控制器34的输出由下位机31根据反馈的数据闭环控制。本实施例中，第二可控稳压源42由斩波电路结构组成构成，输出电压为0~250v，输出电流为0~400a，其占空比由dc/dc控制器34控制。可控风机20的转速由变频器33控制，变频器33的输出频率由下位机32控制。

第一可控稳压源41的控制回路连接至受控制平台中的可控dc/dc控制器34，并与下位机32交换其输出电压和电流数据，测温模块12、加热及测温模块13、风量计量模块22分别与控制单元3交换温度和风量数据。下位机32分别和dc/dc控制器34和变频器33的控制回路相连，并接收和处理测温模块12、加热及测温模块13、风量计量模块22和可控风机20交换的数据，下位机32控制dc/dc控制器34的占空比和变频器33的输出频率，上位机31直接控制下位机32。测温模块12、加热及测温模块13、风量计量模块22和可控风机20的数据交换到控制单元3后均通过下位机32进行处理并上传至上位机31。上位机31可实时显示和监测试验平台内的温度和风量参数，可控风机20的风速和加热及测温模块13的输出热功率均可以通过控制单元3自动控制，也可以独立由试验人员通过上位机31手动控制：当加热及测温模块13产生的热功率变化时，通过试验人员的操作，控制单元3既能够根据下位机32中的既定程序和反馈的电压信号，自动调节可控风机20的转速，也能由实验人员解耦手动调节可控风机20的转速。控制单元3在自动调节可控风机20的转速时，将根据风量计量模块22和测温模块12模块反馈的值闭环调节可控风机20转速。当可控风机20的转速改变时，通过试验人员的操作，控制平台既能根据下位机32中的既定程序和反馈的转速信号，自动调节加热及测温模块13的发热功率，也能由试验人员解耦手动调节加热及测温模块13的发热功率。本实施例中，控制单元3还包括环境温度传感器35，环境温度传感器35的输出端与下位机32相连，通过环境温度传感器35能够实现对环境温度的检测，从而能够方便地在上位机31上查看环境温度信息。

为了提高加热及测温模块13的加热元件工作以及可控风机20转速控制的精确性，以实现热管散热器的高精度性能测试，本实施例中采用加热及测温模块13和可控风机20的联动闭环控制的方式，其具体实施步骤包括：

1）控制单元3预先控制可控稳压源4输出至加热及测温模块13的加热元件电压为初始电压u0，使得受控热源13在初始电压u0对应的输出功率对被测试的svg热管散热器进行加热，控制单元3通过加热及测温模块13的测温元件输出的温度且在温度稳定后记录初始温度t0；所述加热及测温模块13的测温元件输出的温度具体是指将加热及测温模块13的各个测温元件输出的温度中取最大值作为最终输出的温度；

2）通过测温模块12检测恒温风道1的温度，如果恒温风道1的温度低于预设阈值，则退出；否则，跳转执行下一步；本实施例中，预设阈值具体为-10℃，若温度低于-10℃，则整个调节系统将不会工作。若高于-10℃，则调节系统继续运行；

3）控制单元3通过pi调节器增加可控稳压源4输出至加热及测温模块13的加热元件的电压直至输出的电压等于预设的第一试验电压u1，记录加热及测温模块13的测温元件输出的温度作为第一试验温度t1，生成第一试验温度t1的时间变化曲线并输出且跳转执行步骤3；

4）控制单元3检测可控风机20的转速且可控风机20的初始转速为v0，控制单元3通过pi调节器增加可控风机20的转速直至加热及测温模块13的测温元件输出的温度等于初始温度t0，记录可控风机20在试验过程的第一转速v1，生成第一转速v1的时间变化曲线并输出；

5）以加热及测温模块13的测温元件输出的温度等于初始温度t0作为控制目标，控制单元3通过pi调节器降低可控稳压源4输出至加热及测温模块13的加热元件的电压、且通过pi调节器降低可控风机20的转速直至可控风机20的转速恢复至初始转速v0、且可控稳压源4输出至加热及测温模块13的加热元件的电压下降至初始电压u0，记录可控稳压源4在试验过程中输出至加热及测温模块13的加热元件的试验实测电压u2以及可控风机20在试验过程的第二转速v2，生成试验实测电压u2以及第二转速v2两者的时间变化曲线并输出.

本实施例得到的曲线如图3所示，其中x轴均为时间t，y轴的t为第二测温模块12检测到的温度，u为可控稳压源4输出的电压，v为可控风机20的转速。参见图3可知，本实施例svg热管散热器特性的测试平台的应用方法步骤2）～4）的实验步骤设计延续性好，能够有效提高试验的效率，节约试验的能耗。

本实施例svg热管散热器特性的测试平台的应用方法能够模拟svg热管散热器的负载突变，自动获取svg热管散热器特性的各种曲线，包括单受控热源升温试验的第一试验温度t1的时间变化曲线，单受控风机加速试验的第一转速v1的时间变化曲线，受控热源、受控风机联动试验的试验实测电压u2以及第二转速v2两者的时间变化曲线，同样具有功能全面、可靠性高的优点，而且通过pi调节器调节可控风机20的转速、且通过pi调节器调节可控稳压源4的输出电压，从而确保可控风机20、可控稳压源4的超调量，能够对可控风机20、可控稳压源4起到良好的保护效果，确保可控风机20、可控稳压源4具有较长的使用寿命。通过本实施例svg热管散热器特性的测试平台的应用方法得到的单受控热源升温试验的第一试验温度t1的时间变化曲线，单受控风机加速试验的第一转速v1的时间变化曲线，受控热源、受控风机联动试验的试验实测电压u2以及第二转速v2两者的时间变化曲线，能够快速有效地衡量在负载突变情况下待测热管散热器的动态性能优劣。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。