CN101303320B - 一种准稳态法固体导热系数测量仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准稳态法导热系数测量仪器，它包括直流电源，数据采集处理系统，分别与直流电源连接的两个加热片，与数据采集处理系统连接的四个热电偶，四个相同的试样，七个均热金属片，填充有保温材料的测量容器。其特征在于，测量容器的上端设置有盖子，盖子的中间加工有螺纹，并安装有一个螺栓，该螺栓挤压保温盖上方的压紧金属片，减小内部的接触热阻。采用了具有交错结构的薄膜型加热片，试样上受热均匀。均热金属片上设置有凹槽，相应的热电偶用导热胶固定在凹槽内，均热金属片对加热片产生的热量进行进一步均匀，并且测试时不用在试样上刻槽，可以方便的进行不同固体导热系数的实验研究。

Description

一种准稳态法固体导热系数测量仪器

技术领域

本发明涉及固体热物性测试技术领域，尤其涉及固体导热系数实验测量领域，具体为一种准稳态法固体导热系数测量仪器。

背景技术

导热系数作为物质的重要物理参数，在化工、材料、能源、动力和制冷工程等领域有着重要的用途，是许多工业流程和产品设计中必不可少的基础数据。随着现代工业的快速发展，固体材料的导热系数测量，日益受到人们的重视。

物质的导热系数可以通过实验测量、理论推算或计算机模拟等方法来获得，但目前仍然以实验测量为主。根据导热系数的实验测量原理，其测量方法大致可以分为稳态法和非稳态法。稳态法是指当试样上的温度分布达到稳定后，即试样内温度分布是不随时间变化的稳定的温度场，通过测定流过试样的热量和温度梯度等参数来确定试样的导热系数的方法。稳态法的特点是实验原理简单，然而为了得到准确的一维热流，通常需要附设热补偿装置；为了获得准确的温度分布，需要布置多个温度测点；因此实验装置的电气控制和调节线路比较复杂；此外在准备所需要的测量工况和进行实验，都比较耗时。非稳态法是指实验测量过程中试样温度随时间变化，通过测量试样内某些点的温度变化情况以及其他相关参数，从而确定试样导热系数的方法。非稳态法由于测量时间短，测量精度可以与稳态法相当，近年来得到了快速发展。

准稳态方法具有对热源的选择上要求较低、所需的测定时间短并可降低对试样的保温要求等优点，但是很难保证实验中的边界条件与理论分析中给定的边界条件相一致，且难以精确获得所要求的温度变化规律。现有的准稳态法测量仪器的温度差大多由热电偶分别测量冷、热表面的温度后计算得到；热电偶的电势差通常由人工利用电位差计来读取数据，精度较差而且不能实现自动化；加热片都存在加热不均匀的问题，从而与理论的差距较大；同时每次进行导热系数测量时都要首先在试样上刻槽，将热电偶埋入，这样在试样准备时费时费力；而且固体导热系数测量范围较窄，一般不超过2W/(m·K)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准稳态固体导热系数测量仪器，该仪器结构简单，方便测定固体导热系数，精度高，范围广。

本发明采用的是非稳态法中的一种准稳态导热系数测量方法。准稳态法依靠其特有的优点，已经被应用于工程材料的测量。准稳态法是基于对加热过程中无限大平板温度的变化过程进行分析，采用恒定功率加热试样，经过一段时间后，试样的温度在空间的分布相对不变，并且随时间的温升速率都相等，具有此特征的过程，称为准稳态过程。由此得到的导热系数计算式为：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{Ql}}{2A{\mathrm{\ΔT}}_{\max }}$

上式中：Q为加热功率，l试样厚度，A试样面积，ΔT_max为进入准稳态后，试样两面的温差。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：准稳态固体导热系数测量仪器，包括直流电源和数据采集处理系统，其特征在于，还包括：分别与直流电源连接的两个加热片，与数据采集处理系统连接的四个热电偶，四个相同的试样，七个均热金属片，填充有保温材料的测量容器；所述保温材料的中心形成一个空腔，空腔上部设置有保温盖；在所述空腔内，自上而下依次叠压第一均热金属片、第一热电偶、第一试样、第二均热金属片、第一加热片、第三均热金属片、第二热电偶测量端、第二试样、第二热电偶参考端、第四均热金属片、第三热电偶参考端、第三试样、第三热电偶测量端、第五均热金属片、第二加热片、第六均热金属片、第四试样、第四热电偶、第七均热金属片。

本发明的进一步改进在于：

(1)所述保温盖的上端设置有压紧金属片，所述测量容器的上端设置有盖子，盖子的中间加工有螺纹，并安装有一个螺栓，该螺栓压挤所述压紧金属片。这样就可以保证试样之间紧密接触，尽量减小接触热阻。

(2)所述均热金属片设置有凹槽，相应的热电偶用导热胶固定在凹槽内。采用上述方式，一则均热金属片对加热片产生的热量进行进一步均匀，使传递到试样上的热量更加均匀；二则热电偶固定在均热金属片上，测试时不用在试样上刻槽。

(3)所述加热片由具有交错结构的铜镍片和贴敷在铜镍片两面的绝缘薄膜组成。加热片采用具有交错结构的铜镍片，试样上受热更加均匀。

附图说明

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1准稳态法导热系数测量仪器结构示意图；

图2测量容器上凹槽示意图；

图3第一种薄膜型加热片结构示意图；

图4第二种薄膜型加热片结构示意图；

图5均热金属片贴敷热电偶示意图；

图6准稳态导热系数测量仪器热电偶布置示意图；

其中：1、螺栓；2、盖子；3、压紧金属片；4、保温盖；5、第一均热金属片；6、第一试样；7、第二均热金属片；8、第一加热片；9、第三均热金属片；10、第二试样；11、第四试样；12、保温材料；13、测量容器；14、第七均热金属片；15、第六均热金属片；16、第二加热片；17、第五均热金属片；18、第三试样；19、第四均热金属片；20、第一热电偶；21、带参考端的第二热电偶；22、带参考端的第三热电偶；23、第四热电偶。

具体实施方式

参照图1，准稳态导热系数测量仪器，包括：测量容器13，测量容器13的上端设置有不锈钢盖子2，盖子2的中间加工有螺纹，并安装有一个螺栓1。测量容器13内填充保温材料12，保温材料12的中心形成一个空腔，空腔上部设置有保温盖4，保温盖4的上部设置有压紧金属片3，其厚度可以为2～5毫米的铝片或不锈钢片。螺栓1挤压压紧金属片3，而且可以通过上下调整螺栓1实现调节挤压力的作用。

保温材料12的空腔中间，自上而下依次放置附有第一热电偶的第一均热金属片5、第一试样6、第二均热金属片7、第一加热片8、附有第二热电偶测量端的第三均热金属片9、第二试样10、附有第二热电偶和第三热电偶参考端的第四均热金属片19、第三试样18、附有第三热电偶测量端的第五均热金属片17、第二加热片16、第六均热金属片15、第四试样11和附有第四热电偶的第七均热金属片14。每个附有热电偶的均热金属片都保证热电偶所在面与试样接触。

本发明所使用的测量容器由导热系数小的固体材料(如：聚四氟乙烯、尼龙)制成圆筒或方筒两种形式。圆形容器壁上方开有三个“L”型的凹槽，将不锈钢的盖子旋进凹槽内，将其固定；方形容器的一对对侧壁上方各开有两个“L”型的凹槽，参照图2所示，也可以将不锈钢的盖子推进凹槽，进行固定。不锈钢盖子中间加工螺纹，装有一个M8螺栓。将螺栓向下旋紧，挤压压紧金属片，尽量减小内部试样的接触热阻。本实例采用圆筒形容器。

本发明采用导热系数小于0.1W/(m·K)的保温材料，本实施例采用的保温材料为聚苯乙烯泡沫塑料，将其加工成与内壁贴合的圆筒形的腔体，并采用相同材料加工为保温盖，对试样保温。

参照图3、图4，本发明针对准稳态导热系数测量方法设计了两种加热片的形状，加热方式采用的是具有交错结构的薄膜型加热片，是将厚度小于0.2毫米的铜镍片切割成交错结构形状，然后将电绝缘薄膜贴在上下表面制成的。本实施例的电绝缘薄膜采用聚乙酰亚胺酯。本实施例加热片采用0.1毫米厚的铜镍片加工而成，加热片面积和试样相同。每个加热片的上下表面都采用两个与试样面积相同的均热金属片，进一步对通过试样的热流进行均匀和稳定。均热金属片采用0.2～1.5毫米厚的铜片或铝片。本实施例采用0.5毫米厚的铜片。

本发明中的热电偶的正、负极材料分别为直径0.05～0.4毫米的铜丝和康铜丝。第一、四热电偶是单端热电偶，测量的是试样的温度；第二、三热电偶带有参考端，测量的是试样的温差。本实施例采用直径为0.1毫米的铜丝和康铜丝。

参照图5，为了方便进行不同试样的导热系数的实验研究，本发明在均热金属片上加工了深度为0.1～0.8毫米，宽度为0.1～0.8毫米，长度为均热金属片一半的凹槽，将第一或第四热电偶埋入凹槽内，并用导热胶(如：硅胶)粘到均热金属片上。第二、第三热电偶的测量端根据上述方法分别固定到第三均热金属片9和第五均热金属片17上，参考端分别固定到第四均热金属片19的上下表面上。测量时保证第二、第三热电偶的测量端和参考端与测量试样对应准确。比如第二热电偶的测量端贴紧第二试样的上表面，则第二热电偶的参考端要位于均热金属片19的上表面，接触第二试样的下表面。

参照附图6，准稳态导热系数测量仪器，还包括直流电源和数据采集处理系统，两个加热片分别与直流电源连接，四个热电偶与数据采集处理系统连接。

本发明的工作过程：将试样、均热金属片和加热片依次放置到测量容器内，盖上保温盖、压紧金属片、不锈钢盖子，然后将螺栓旋下直到试样被压紧，将两个加热片连接到直流电源输出上，热电偶连接到数据采集处理系统中，启动直流电源、数据采集处理系统，调节直流电源电压，加热试样，对第一热电偶、第四热电偶的温度值和第二、三热电偶测得的温差值及直流电源的输出电压、电流进行采集并传送到数据采集处理系统中，待采集的温差曲线变化比较平缓(变化值在±0.2K以内时)，关闭直流电源。通过第一、四热电偶可以得到试样加热后的温度值，第二、三热电偶可以得到加热后试样的温差值。

然后，进行数据处理，选取试样进入准稳态过程后采集的数据，将第二、三热电偶采集的温差值进行平均，通过计算电压和电流得到加热功率，并测量试样的厚度和面积，代入导热系数计算公式

可以得到试样的导热系数。其中B为修正系数，是通过数值模拟和实验得到的，在本实施例中，对于有机玻璃的导热系数测量来说，范围为0.5～1.0。

Claims (3)

1.一种准稳态固体导热系数测量仪器，包括直流电源和数据采集处理系统，其特征在于，还包括：分别与直流电源连接的两个加热片，与数据采集处理系统连接的四个热电偶，四个相同的试样，七个均热金属片，填充有保温材料的测量容器；所述保温材料的中心形成一个空腔，空腔上部设置有保温盖；在所述空腔内，自上而下依次叠压第一均热金属片、第一热电偶、第一试样、第二均热金属片、第一加热片、第三均热金属片、第二热电偶测量端、第二试样、第二热电偶参考端、第四均热金属片、第三热电偶参考端、第三试样、第三热电偶测量端、第五均热金属片、第二加热片、第六均热金属片、第四试样、第四热电偶、第七均热金属片。

2.根据权利要求1所述的一种准稳态固体导热系数测量仪器，其特征在于，所述保温盖的上端设置有压紧金属片，所述测量容器的上端设置有盖子，盖子的中间加工有螺纹，并安装有一个螺栓，该螺栓挤压所述压紧金属片。

3.根据权利要求1所述的一种准稳态固体导热系数测量仪器，其特征在于，所述均热金属片设置有凹槽，相应的热电偶用导热胶固定在凹槽内。

Images