CN101290299B - 一种可变导热系数的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变导热系数的测量方法，其特征在于它包括以下步骤：A、在一个封闭的支撑框架内设有试样，试样的一端与平面加热器紧密接触，试样的另一端与散热块紧密接触，在试样的两端分别设有热电偶，热电偶与数据采集器接触；B、平面加热器对试样进行加热，由数据采集器采集热电偶测量值，计算试样的热面温度和冷面温度，根据冷面温度和热面温度计算导热系数；C、当计算出的导热系数值在10分钟内变化不超过0.01时，该计算出的导热系数即为该试样的导热系数。本发明的优点在于：(1)保证了热流的稳定性；(2)采用了绝热层，减少了由于热量散失带来的误差；(3)在导热系数计算时，对热损失进行了修正，提高了测量精度。

Description

一种可变导热系数的测量装置及方法

技术领域：

本发明涉及一种导热系数测量的装置，特别涉及导热系数对温度变化比较敏感的材料，在不同温度段下试样的可变导热系数的测量装置及方法。

背景技术：

导热系数是材料的一个重要热性能参数，在材料的应用过程中，很多地方都涉及到热量的传递问题，因此导热系数的准确测量成为一个非常重要的课题，由于材料的导热系数通常是材料自身温度的函数，所以一般只能采用实验的方法来测量。测量导热系数的方法有很多种，主要分稳态法和非稳态法，前者主要有平板法，后者主要包括热线法、热丝法、激光散射法等。

非稳态测量法是最近几十年内开发出的导热系数测量方法，多用于研究高导热系数材料，或在高温条件下进行测量。在瞬态法中，测量时样品的温度分布随时间变化，一般通过测量这种温度的变化来推算导热系数。动态法的特点是测量时间短、精确性高、对环境要求低，但受测量方法的限制，多用于比热基本趋于常数的中、高温区导热系数的测量。该方法所使用的仪器价格昂贵，成本高，对试样的要求也非常严格。

稳态测量法具有原理清晰，可准确、直接地获得热导率绝对值等优点，并适于较宽温区的测量，缺点是测定时间较长和对环境(如测量系统的绝热条件、测量过程中的温度控制以及样品的形状尺寸等)要求苛刻。常用于低导热系数材料的测量，其原理是利用稳定传热过程中，传热速率等于散热速率的平衡条件来测得导热系数，主要依据傅立叶导热定律，其具体表述为：在导热过程中，单位时间内通过给定截面的热量，与该截面的面积以及垂直该截面方向的温度梯度成正比，其一维稳态表达式为：

$Q=-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}A$

导热系数λ[W/(m·℃)]按下式计算

$\mathrm{\λ}=\frac{Q\·d}{2A\·\mathrm{\ΔZ}\·\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

式中：ΔZ—测量时间间隔，s；

Q—稳态时通过试样有效传热面积热量，J；

Δt—试样热面温度T₁和冷面温度T₂之差，℃；

d—两试样的平均厚度，m；

A—试样有效传热面积，m²；

假设q为通过试样有效传热面积的热流密度，即

$q=\frac{Q}{A}---\left(2\right)$

将式(2)代入式(1)得：

$\mathrm{\λ}=\frac{q\·d}{2\mathrm{\Δt}}---\left(3\right)$

这主要是基于导热系数不随温度变化的前提下，即导热系数与温度无关，在导热系数随温度而变化的情况下，则不能使用该表达式。由此可见，该方法的前提条件是热流保持恒定不变，具有良好的绝热条件以及保持试样与测试装置工作表面完全接触。

一般基于稳态法的导热系数测试装置如中国专利第01208893号、第93115076号、第200420076964号等提供的导热系数测试装置及方法成本低，使用方便，但也存在一些缺点。多数的设备均忽略了加热器本身由于电阻随温度变化而造成的热流变化。通常由一次实验只能测得某个规定温度值下的导热系数。

发明内容：

本发明的一个目的在于提供一种可变导热系数的测量装置，能够较好地解决现有技术存在的一些缺点，提高了测试精度和测试效率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种可变导热系数的测量装置，包括一个封闭的支撑框架，其特征在于该支撑框架内设有试样，加热器与试样的一端接触，试样的另一端还设有散热块，试样的两端均设有热电偶，热电偶与数据采集器连接，试样与加热器的四周设有绝热层。根据本发明的一个实施例，支撑框架内设有第一试样和第二试样，第一试样和第二试样之间设有平面加热器，该平面加热器与第一试样的下端及第二试样的上端接触，第一试样的上端与上散热块接触，第二试样的下端与下散热块接触，第一试样的上端和下端以及第二试样的上端与下端均设有热电偶，热电偶与数据采集器连接。为了使得试样的温度快速达到平衡，在上散热块的上端和下散热块的下端分别设有上紧固盖板和下紧固盖板。

本发明的另一目的是提供一种可变导热系数的测量方法，能够较好地解决现有技术存在的一些缺点，提高了测试精度和测试效率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种可变导热系数的测量方法，其特征在于它包括以下步骤：A、在一个封闭的支撑框架内设有试样，试样的一端与平面加热器紧密接触，试样的另一端与散热块紧密接触，在试样的两端分别设有热电偶，热电偶与数据采集器接触；B、平面加热器对试样进行加热，由数据采集器采集热电偶测量值，计算试样的热面温度和冷面温度，根据冷面温度和热面温度计算导热系数；C、当计算出的导热系数值在10分钟内变化不超过0.01时，该计算出的导热系数即为该试样的导热系数。根据本发明的一个实施例，步骤A为：在一个封闭的支撑框架内设有下紧固盖板，在下紧固盖板上设有下散热块，下散热块上设有第二试样，第二试样上设有平面加热器，平面加热器上设有第一试样，在第一试样的上端和下端以及第二试样的上端和下端分别设有热电偶，在第一试样、第二试样和平面加热器的四周设置绝热层，第一试样上还设有上散热块，上散热块上设有上紧固盖板，将热电偶与数据采集器连接；接着在上紧固盖板和下紧固盖板之间加压，使得试样与平面加热器以及散热块均紧密接触。

与现有的技术相比，本发明有如下优点：(1)保证了热流的稳定性；(2)采用了绝热层，减少了由于试样热量从侧面而散失带来的误差；(3)在导热系数计算时，对热损失进行了修正，提高了测量精度。

附图说明：

附图为本发明一实施例的示意图

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。

如图1所示，整个实验装置包括一个封闭的支撑框架，试样、加热器、绝热层、散热块、紧固盖板以及热电偶等均置于其中，封闭的区间可排除空气流动等因素对系统绝热的影响，热电偶置于试样的上下表面，试样的表面温度变化由热电偶测得，散热块紧贴试样使得试样的温度快速达到平衡，通过紧固盖板可施加高的压力给散热块，使得散热块与试样紧密结合，从而降低了散热块与试样以及加热器与试样接触面的热阻；将绝热材料包围在试样及加热器周围，保证系统良好的绝热性；加热器与通过可调节的恒功率输出电源相连，热电偶与数据采集器相连，数据采集器是即插即用的，可直接插在计算机的主板上，通过专用的数据处理系统直接得出所需导热系数值。

试验前先测量试件的实际尺寸，采取必要措施尽量减小实验室室温的变化。将恒功率电源调节到需要的功率值，然后在预热电路上预热10分钟左右。然后按下述步骤进行试验：

A、按图1布置实验装置：在一个封闭的支撑框架1内设有下紧固盖板2，在下紧固盖板2上设有下散热块3，下散热块3上设有第二试样4，第二试样4上设有平面加热器5，平面加热器5上设有第一试样6，在第一试样6的上端和下端以及第二试样4的上端和下端分别设有热电偶7，在第一试样6、第二试样4和平面加热器5的四周设置绝热层8，第一试样6上还设有上散热块9，上散热块9上设有上紧固盖板10，将热电偶7与数据采集器11连接；接着在上紧固盖板10和下紧固盖板2之间加压，使得第一试样6、第二试样4与平面加热器5以及散热块9均紧密接触；B、平面加热器5对第一试样6和第二试样4进行加热，由数据采集器11采集热电偶7测量值，计算试样的热面温度和冷面温度，根据冷面温度和热面温度计算导热系数，其中靠平面加热器5的热电偶7即第一试样6下端及第二试样4上端的热电偶7测得的温度为热面温度，第一试样6上端和第二试样4下端的热电偶7测得的温度为冷面温度；C、当计算出的导热系数值在10分钟内变化不超过0.01时，该计算出的导热系数即为该试样的导热系数。其中步骤B和步骤C均为现有技术，在此不再赘述。

做完一次测试后，改变功率，进行下次测试。试验全部结束后，切断加热电源，并将试样取出。

第一试样6和第二试样4之间采用高密度、高电阻康铜箔平面加热器5，使得加热面产生的热保持均匀，试样与加热器5紧密相贴；第一试样上方的上散热块9及第二试样下方的下散热块3为散热铝合金块，该铝合金块是由铜铝构成，铜与试样接触，铜快速的把热量传给铝，再由大面积的铝把热量散去，充分利用了铜的快速传热，铝的快速散热特点，二者有机的结合，达到急速传热快速散热的效果，该散热装置可使得试样的温度快速达到平衡；加热器5与可调节的恒功率输出电源12相连，该恒功率电源12装置保证了热流在外界电压波动以及加热器本身电阻波动时热流的恒定，同时该电源是功率可调电源，可连续改变恒定的输出功率，从而测出不同温度下试样的导热系数；试样周围的绝热层8采用优良的高真空纳米绝热材料，该材料中心为多孔超细纤维结构及纳米绝热填料，内含多种超长效高性能吸收剂；外部为特殊结构的高阻隔性复合金属膜并配备具有自闭性的特种胶膜进行局部加强，其导热率仅为0.003W/m·K左右，绝热性能是传统绝热材料的4～10倍，从而有效地保证了试样及加热器的绝热性能；散热铝块上面采用紧固盖板；试样中布有T型热电偶；热电偶与数据采集器相连；所获得的数据通过数据处理系统13处理。

界面热阻的存在，也是导致测量误差的一个重要原因，为了减小界面热阻的影响，首先保证试样与加热器以及试样与散热块接触面的光滑平整，然后通过紧固盖板使得它们之间保持紧密接触。

本发明的数据处理系统13在计算导热系数时，考虑到试样侧面与侧面隔热层存在一定的热交换，导致部分热损失，我们在计算中对这部分热损失进行了补偿。试样外表面温度在没有侧面热量损失时的温度为

，由于存在热量损失，导致实际测得的温度要小于，他｀们之间的关系跟传递的热量有比例关系，即：

Q_损表示侧面热量损失，侧面的热量损失可通过侧面绝热层的温度变化获得.即Q_损＝cmΔt，c为绝热材料比热，m为绝热材料的质量，Δt为绝热材料的温度变化。获得 $Q=\frac{\mathrm{cm\Δt}{T}_2^{\′}}{T_2^{\′}-T_2},$ 结合2)、3)式可对导热系数表达式进行修正，获得导热系数表达式：

$\mathrm{\λ}=\frac{Q\·d}{2A\·\mathrm{\ΔZ}\·\mathrm{\Δt}}=\frac{\mathrm{cm}{T}_2^{\′}\·d}{2A\·\mathrm{\ΔZ}(T_2^{\′}-T_2)}.$

本发明所涉及的元器件均属于现有技术，在市场上均可买到。其中所涉及的电路连接，也属于现有技术，因此不再赘述。数据处理系统13也为现有技术，根据上面得到导热系数表达式计算导热系数，并判断10分钟内变化是否超过0.01，当不超过0.01时，该计算出的导热系数即为该试样的导热系数。

Claims (2)

1.一种可变导热系数的测量装置，包括一个封闭的支撑框架，其特征在于支撑框架内设有第一试样和第二试样，第一试样和第二试样之间设有平面加热器，该平面加热器与第一试样的下端及第二试样的上端接触，第一试样的上端与上散热块接触，第二试样的下端与下散热块接触，试样与加热器的四周设有绝热层，在上散热块的上端和下散热块的下端分别设有上紧固盖板和下紧固盖板，第一试样的上端和下端以及第二试样的上端与下端均设有热电偶，热电偶与数据采集器连接，平面加热器与可调节的恒功率输出电源相连，平面加热器采用康铜箔平面加热器，散热块采用散热铝合金块。

2.一种可变导热系数的测量方法，其特征在于它包括以下步骤：A、在一个封闭的支撑框架内设有下紧固盖板，在下紧固盖板上设有下散热块，下散热块上设有第二试样，第二试样上设有平面加热器，平面加热器上设有第一试样，在第一试样的上端和下端以及第二试样的上端和下端分别设有热电偶，在第一试样、第二试样和平面加热器的四周设置绝热层，第一试样上还设有上散热块，上散热块上设有上紧固盖板，将热电偶与数据采集器连接，平面加热器与可调节的恒功率输出电源相连；接着在上紧固盖板和下紧固盖板之间加压，使得试样与平面加热器以及散热块均紧密接触，其中平面加热器采用康铜箔平面加热器，散热块采用散热铝合金块；B、平面加热器对试样进行加热，由数据采集器采集热电偶测量值，计算试样的热面温度和冷面温度，根据冷面温度和热面温度计算导热系数；C、当计算出的导热系数值在10分钟内变化不超过0.01时，该计算出的导热系数即为该试样的导热系数。

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