基于缝隙流换热机制的温度循环测试系统

摘要

随着集成电路、精密加工与MEMS技术的不断进步，电工电子产品正朝着微型化方向发展。而随着体积的减少和功率的增大，微小电子器件自身温度很容易发生波动，温度变化引起材料结构和参数改变，进而使产品性能改变。在产品的整个设计、生产、运输以及使用过程中，电子产品会面临各种温度环境，尤其是温度交变环境会使产品性能加剧劣化。因此，微型、节能和可靠的温度循环测试系统具有重要的研究价值。本文针对微小型电子产品的温度环境测试需求设计了一套小型的基于缝隙流机制的温度循环测试系统，并且应用于MEMS燃料电池的疲劳测试试验中。
　　首先，温度循环测试是检验产品质量的一种方法，不同的产品及应用环境所需要的温度检测参数不同。在分析了电子行业温度环境测试国家标准、军工标准以及国际标准的基础上，按照实际需求，确定了以5℃～70℃为测试系统的温度范围，并且测试系统可以满足规定温度转变时间和规定温度变化速率两种循环测试试验要求。以此为基础设计了系统的整体构成方案，完成了箱体的三模块总体结构和高温模块、低温模块以及换热器模块的模块化方案设计。
　　其次，研究了获得恒温流体的加热方法，设计了包含蛇形通道的平板加热器，完成了加热器及其配套液体循环装置的制作和组装。对比分析了各种制冷方法的优缺点，采用了小型压缩机制冷方案，确定了制冷功率(500W)及制冷机制冷温度范围(-20～40℃)。为了满足系统高效低耗工作要求，设计了基于缝隙流换热机制的新型换热器，分析了缝隙尺寸及导热介质流速对换热性能的影响。结果表明，缝隙宽度为0.4mm时，换热器可获得较佳综合性能。CFD数值模拟与系统实测结果表明，该换热装置的平均换热速率≥5℃/min，瞬时换热速度可达到20℃/min，平均对流传热系数在90～130W/(m2·℃)之间，满足了设计要求。
　　最后，设计了液体循环总体方案，完成了包括管路布局、液路循环控制和温度循环控制设计和实验，完成了测试系统的整体构建。采用本文搭建的测试系统，进行了5-50℃和5-70℃的规定温度转变时间和规定温度转变速率的温度循环试验，试验结果与标准温度曲线吻合良好，实现了预期设计目标。以此测试系统对两个微型燃料电池进行了5-70℃的温度循环疲劳试验，测定了不同循环周期下电池内阻的变化。结果表明，经过8次循环，两个电池的内阻均有较大变化，最终导致电池失效。表明本文发展的基于缝隙流换热机制的温度循环测试系统，能够较好完成对微型燃料电池等微小器件温度循环可靠性测试。