CN100533133C - 热管平板式导热系数测定仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热管平板式导热系数测定仪。它具有杜瓦瓶、杜瓦瓶上端设有法兰、杜瓦瓶瓶盖及瓶内悬挂测定装置，上述测定装置依次具有压紧木板、热管式均冷板、热管式均热板、加热器、压紧木板并用螺杆固定。本发明将具有均温性好优势的平板热管作为导热仪的冷板和热板，布置在试样的上下两侧，维持试材两面的等温面；采用了杜瓦瓶装置，将热管式冷板、热管式热板、加热器等放置于内胆经抛光处理的杜瓦瓶内部，减少了加热器热量的辐射散热损失；同时为避免上述压紧后的装置与瓶体接触以导热方式损失热量，将上述装置通过挂钩与杜瓦瓶瓶盖连接以悬挂方式置于杜瓦瓶内。采用了对杜瓦瓶抽真空的处理方式，减少了加热器热量的对流散热损失。

Description

热管平板式导热系数测定仪

技术领域

本发明属于固体热物性测试技术领域，特别涉及热管平板式导热系数测定仪。

背景技术

在一些功能材料的研究与开发及至生产过程中，需要对材料的导热系数进行准确的测试，而导热系数的测量一直是困扰广大科研工作者及生产人员的一个难题。

导热系数的测试方法一般可分为两大类：稳态法和非稳态法。稳态法，即试样内的温度分布是不随时间而变化的稳态温度场，当试样达到热平衡后，借助测量试样每单位面积的热流速率和温度梯度，就可以直接测定试样的导热系数。非稳态法，试样内的温度分布是随着时间而变化的非稳态温度场，借助测量试样的温度变化速率，测定试样的热扩散系数，而无需测量热流速率，由λ＝a×ρ×c(λ—导热系数，α—热扩散系数，ρ—密度，c—比热)求得导热系数λ。

其特点是采用了平板热管均温性好的优势，既可以利用瞬态法测量物体导热系数的原理，将热管作为等温热源来加热被测试材，通过得到被测试材的温升及时间历程而推导出试材的导热系数；也可以按照稳态法测量物体导热系数的测试原理，将平板热管分别作为导热仪的冷板和热板，布置在试样的上下两侧，来维持试材两面的等温面，周围再用绝热材料保温，以减少边缘的散热损失从而理想实现。

平板法是一种试样形状为圆盘形或方板形的纵向热流法。平板法的物理模型是，在圆形或方板形试样内产生一个纵向的稳定的一维热流，再根据傅立叶定律计算出导热系数的值。为维持平板试样内纵向的一维热流，通常采用两条途径：(1)利用试样的自身防止热损。把试样做的很薄、直径很大，成为d/δ≥10的圆形平板。试样冷面和热面的中心区域有较好的等温面，等温面之间产生均匀的一维热流，试样中心区作为测试区，而试样中心区以外的部分起到防止径向热损的自身防热套作用。(2)外加径向防热套。为防止试样的径向热损和底向热损，在试样或主发热器底径向和底向分别安装边发热器和底发热器。由于所采用的途径不同或同一途径中采用的恒温措施不同则产生不同型式的平板导热仪。与其它方法相比较，其优点：(1)是试样容易制备；(2)具有相当高的测试准确度和试验温度。现已被许多国家列为低导热系数材料的标准试验方法，得到广泛的应用。

1990年黎明化工研究院刘淑琴RTM—G5型稳态法导热仪能简易而准确地测试绝热材料和复合材料的导热系数。测试中用两支相同的热流计测定通过试样的热流。试样夹在两热流计之间，一支热流计装在散热器上，另一支与加热器和绝热板装在一起，加热器向下传递热量，使试样上表面与下表面产生温差并采用恒温箱。

1994年同济大学热能工程系研制了TFD—1型防护热板法导热仪，防护热板法导热仪是用于测定绝热材料显示导热系数或热阻的精密测定仪器。测试装置是双试样防护热板法导热仪，它由热板、冷板、试样夹紧机构和温度测量与控制系统等组成。热板是导热仪的主要部分，它包括主热板和防护热板，分别由主、护热板的匀温板和加热器组成。本装置选用的热板尺寸是300mm×300mm，主热板尺寸是150mm×150mm，间隙宽度是2mm。主、护热板的匀温板选用3mm铝板，铝板有加工容易和热容量较小的优点。主、护热板之间采用耐温的非金属连接件使用粘结剂胶合。主、护热板的加热器，要求能够产生均匀的热流，我们使用在绝缘材料上均匀统制电热丝作为主、护热板的加热器。本装置的试样尺寸是300mm×300mm，采用方形试样有易于加工的优点；测定的试样厚度是20～50mm；测定的温度范围是常温～100℃。

1996年东南大学稳态平板热流计导热仪，用于测试保温材料导热系数。它是由实验本体、超级恒温水浴及测试仪表组成。试样两侧面分别与铜水套紧密接触，铜水套内分别通过不同温度的恒温水，用以维持试样两面为等温面；导热仪周围用绝热材料(用0.03m厚的聚氨酯硬泡)保温，以减少试样边缘的散热损失。

1997年南京林业大学黎爱纯等人应用了稳态热流计法导热仪测试人造板导热系数，稳态热流计法测试材料导热系数是基于一维稳态导热的原理，当被测材料的厚度、试样两侧的温差和通过试样的热流已知时，即可根据傅立叶导热定律确定试材的导热系数。其稳态热流式导热装置由实验本体、超级恒温水浴及测试仪表组成。实验本体为热流计式的平板导热仪。试样两侧的水套内分别通过恒温水，以维持试样两面为等温面；导热仪周围由绝热材料保温，以减少试样侧面的散热损失，q用热流传感器测量。因此两个等温面之间的试样，就能较好地满足一维导热。

1997年黎爱纯应用防护热板法对中密度纤维板导热系数的测定。其热防护装置主均热板由黄铜制成，冷却器由黄铜板焊接而成，恒温水浴的冷却水在冷却器内逞逆向盘香式流动。为保证冷却面的温度均匀，要求冷却器进出口水温相差不大。为防止散热，四周用泡沫塑料绝热。为减少试件与均热板和冷却器间的接触热阻，测定仪上下两个面均用弹簧压紧，其上有刻度，以保证两面弹簧压力均匀。

1998年中国纺织大学采用稳态双平板法，对几种不同纤维材料的导热系数进行测定。其实验装置中，热板由二块直接通直流电发热的薄膜对称复合而成；冷侧均温板为二平行布置的蛇形冷却管的铜板，二蛇形管头尾逆向引入引出冷却水，以保证冷侧板的均温性。得出几种纤维材料在不同温度下的导热系数的变化规律，同时也讨论了不同纤维与空气体积比对导热系数的影响。其结果表明了纤维导热系数随着温度的上升，纤维与空气的体积比的增大也会导致纤维导热系数的增加。

2000年中国科学院低温技术实验中心，利用带有护热板底平板导热仪测量高分子聚合材料的导热系数。其热板和冷板皆采用无氧铜材料，冷板的冷量由恒温乙二醇溶液提供；测温装置采用直径d＝0.1mm的差分热电偶；试样取为圆形，直径与护加热板相等，厚度取为10mm。

稳态平板法存在的一些问题

稳态平板法是测定不良导体导热系数常用的一种方法，其理论依据是付立叶定律(又称付立叶导热方程式)。1994年华中师范大学的林中鹤在稳态平板法实验样品的绝热分析中提出了稳态平板法实验待测样品要选取适当的厚度，而且实验时待测样品侧面必须加以绝热，才能得到满意的测量结果。否则，实验将会产生较大的误差，严重降低测量结果的正确度。1998年福建师范大学徐永在稳态平板法测不良导体导热率的误差的研究中提出了稳态平板法的几种误差的影响因素：(1)样品侧面散热；(2)测量小孔与样品表面不重合；(3)样品上下接触面间的空气隙(尤其若样品的导热率比空气的导热率大一个数量级时)。1998年苏州大学魏品良在用稳态平板法测定不良导体导热系数的实验研究中，提出稳态平板法测量中应注意：(1)热量的传递必须是单向导热的，所以试验装置侧面要求绝热；(2)温度梯度必须恒定不变，(3)散热速率必需正确测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种热管平板式导热系数测定仪。

它具有杜瓦瓶，杜瓦瓶上端设有法兰、并安装有杜瓦瓶瓶盖；在杜瓦瓶内悬挂有测定装置，测定装置依次具有压紧木板、热管式均冷板、热管式均热板、加热器、压紧木板并用螺杆固定。所述的热管式均冷板和热管式均热板为平板型重力热管，杜瓦瓶与真空机组相接。

本发明采用了平板热管均温性好的优势，既可以利用瞬态法测量物体导热系数的原理，将热管作为等温热源来加热被测试材，通过得到被测试材的温升及时间历程而推导出试材的导热系数；也可以按照稳态法测量物体导热系数的测试原理，将平板热管分别作为导热仪的冷板和热板，布置在试样的上下两侧，来维持试材两面的等温面。

采用了杜瓦瓶装置。将热管式冷板、热管式热板、加热器等放置于内胆经抛光处理的杜瓦瓶内部，有效减少了加热器输出热量通过辐射等传热方式的散热损失。同时为避免上述压紧后的装置与瓶体接触而以导热方式损失热量，将上述装置通过挂钩与杜瓦瓶瓶盖连接以悬挂方式置于杜瓦瓶内。

采用了对杜瓦瓶抽真空的处理方式，从而有效减少了加热器输出热量通过空气对流的散热损失。

附图说明

图1是热管平板式导热系数测定仪结构示意图；

图2是热管平板式导热系数测定仪热电偶布置方式图。

具体实施方式

热管平板式导热系数测定仪具有杜瓦瓶1，杜瓦瓶上端设有法兰2、并安装有杜瓦瓶瓶盖3，在杜瓦瓶内悬挂有测定装置、测定装置依次具有压紧木板4、热管式均冷板5、热管式均热板6、加热器7、压紧木板8并用螺杆9固定。热管式均冷板5和热管式均热板6为平板型重力热管。杜瓦瓶与真空机组相接。

本发明各部件：

(1)杜瓦瓶，内外双胆，胆间抽真空。瓶盖上布置真空密封街头两支，用以将瓶内热电偶及加热器导线与外界连接；并布置钢制挂钩三支，以使瓶内装置以悬挂方式置于瓶内。

(2)热管式均热板，将加热器的热量均匀地传递给试样，并保持一个温度均匀的平面采用的是紫铜板，板的外形尺寸为100×100×25mm，孔间距为8mm，孔径为Φ11mm。板侧各打孔11只，孔深100mm，两侧孔中心相差≤0.5mm，各孔口螺纹深度8mm，配Φ6mm螺栓塞子密封，塞子厚5mm，注液(蒸馏水)后塞子周边焊牢密封并打磨平整。

(3)热管式均冷板，将通过试样的热量均匀地带走，并保持一个温度均匀的冷面，其设计同热管式均热板。

(4)加热器为加热过程提供热量，加热功率为1000W，采用的是普通电阻丝，电阻丝直径为Φ0.72mm，加热槽宽为5mm。方形加热器四周边及底部铁皮包嵌，底部保存水平光滑。加热丝引线(两根)可接电流表、电压表和调压器，加热器的外形尺寸为300×300mm。

(5)压紧木板，用于压紧加热器、热管式冷热板和试样，以尽量避免接触热阻。

(6)螺杆起定位与压紧的作用。

热管式冷热板(100×100×10)分别置于试样的上下测，为减少接触热阻，要求冷热板及试样(100×100×15)上下表面都尽量平整。加热器(100×100×4)于热板下侧与其紧密接触。加热器热量通过热管式热板传至试样再通过热板式冷板传走。利用热管平板原理使试样上下测的温度均匀一致。试样上下侧各布置7支镍铬—镍硅热电偶(k型)，以每个面上七个热电偶温度的算术平均值作为加热面和绝热面的中心温度。热电偶与采集仪及冰水浴的连接方式如图2所示，热电偶在杜瓦瓶盖处通过真空密封接头(江苏镇江市接插件总厂元件二厂生产)连接，加热器连接导线也通过此接头接到杜瓦瓶外部的电源处。由于真空密闭接头的特殊性，从图中可看出测量每个温度点需要两只热电偶，一只热电偶正负端在接头处通过铜导线延长至杜瓦瓶外，延长后的负极与另一只放于冰水浴中热电偶的负极端相接，延长出的热电偶正极端接进数据采集仪，冰水浴中热电偶正极端同时接近数据采集仪，从而实现一点温度的测量。利用上下压紧木板及钢制螺柱将加热器、热管式冷热板和试样压紧。为避免上述压紧后的装置与瓶体接触而以导热方式损失热量，将上述装置通过挂钩与杜瓦瓶瓶盖连接以悬挂方式置于杜瓦瓶内。

本发明工作过程：将被测试样放入热管式均冷、热板之间，热管式均热板的平板热管冷凝段直接与被测试样下表面接触，热管式均冷板的平板热管蒸发段直接与被测试样上表面接触。检查杜瓦瓶内真空状况后，连接真空泵在抽真空使杜瓦瓶内压力达到0.001Pa后，关闭真空泵。将加热器电源打开，调节变压器至使加热器功率达到20Wa，通过采集仪示数控制并记录杜瓦瓶内试样上下侧温度，待温度稳定至250摄氏度时停止加热。进而利用得到数据根据热力学基本定律傅立叶定律计算试样的导热系数。

Claims (3)

1.一种热管平板式导热系数测定仪，其特征在于它具有杜瓦瓶(1)，杜瓦瓶上端设有法兰(2)、并安装有杜瓦瓶瓶盖(3)，在杜瓦瓶内悬挂有测定装置，测定装置依次具有第一压紧木板(4)、热管式均冷板(5)、热管式均热板(6)、加热器(7)、第二压紧木板(8)，第一压紧木板(4)与第二压紧木板(8)通过螺杆(9)固定。

2.根据权利要求1所述的一种热管平板式导热系数测定仪，其特征在于所述的热管式均冷板(5)和热管式均热板(6)为平板型重力热管。

3.根据权利要求1所述的一种热管平板式导热系数测定仪，其特征在于所述杜瓦瓶与真空机组相接。

Images