CN103278529B - 磁悬浮隔热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁悬浮隔热装置。该磁悬浮隔热装置包括：底座、平台和磁悬浮机构。其中，磁悬浮机构位于底座和平台之间，包括：第一磁体支撑阵列，包括若干个安装在底座正面的第一磁体支撑单元；第二磁体支撑阵列，包括若干个与第一支撑单元相对应的第二磁体支撑单元，安装于平台背面与第一磁体支撑单元的对应位置；若干根平衡柔性索，该平衡柔性索为柔性绝热材料，连接于底座和平台之间。其中，平台在第一磁体支撑阵列和第二磁体支撑阵列的向上推力和若干根平衡柔性索向下拉力的共同作用下，平衡悬浮于底座的上方。本发明磁悬浮隔热装置中，平台与外界之间没有直接的物理接触，从而尽最大可能减少了平台与外界的热交换途径。

Description

磁悬浮隔热装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种磁悬浮隔热装置。

背景技术

热导率也被称为导热系数。其定义由傅立叶定律给出：

$\mathrm{\λ}=-\frac{Q}{\mathrm{\ΔT}}*\frac{L}{A}(W/m\·K)---\left(1\right)$

公式(1)中，Q代表流过被测量样品的热量，L代表被测量样品的长度，ΔT代表被测量样品两端的温差，A代表被测量样品垂直于导热方向的截面积。热导率λ是表征材料导热性能优劣的参数，它的物理含义是在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1平方米的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量Q就规定为该材料的热导率。

被测量材料的热导率，是研究其热物理性质的关键参数之一。例如，耐火材料常被用作火炉的衬套，因为它们既能耐高温，又具有良好的绝热特性；又如，有效的散热器能保护集成电路板与其他电子设备不受高温损坏，高性能的散热材料已经成为微电子工业领域的关键材料。

传统的热导率测量方法分为稳态法和非稳态法两大类。非稳态热流法的测量原理与稳态热流法类似，其区别仅在于在被测量样品的一端施加脉冲或者周期性的变化，而在被测量样品的另一端测量温度随时间的变化速率，通过计算得到被测量样品的热导率等参数。在下文的说明中，将主要针对稳态法进行热导率说明。

图1为美国材料测量协会制定的热导率测量标准方法稳态热流法的工作原理图。请参照图1，稳态热流法是基于测量厚度均匀试样的两平行等温界面中的理想热传导性能。在被测量样品两面间施加不同的温度，使得被测量样品上下两面间形成温度梯度，促使热流量全部垂直穿过被测量样品并且没有侧面的热扩散。为了精确测定施加在被测量样品上的热量Q，在加热器的上方设置了两个隔热层和保护加热器，其目的就是为了保证加热器产生的热量完全流过被测量样品。

然而，不管采用何种隔热材料，由于加热器与外界存在着实际的物理接触，很难保证加热器产生的热量与流过被测量样品的热量完全相同。因此，该测量装置存在固有误差，需要精确的校准和定期的维护，才能获得准确的测量结果。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种磁悬浮隔热装置，以避免平台与外界的物理接触，保证热导率的精确测量。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种磁悬浮隔热装置。该磁悬浮隔热装置包括：底座、平台和磁悬浮机构。磁悬浮机构位于底座和平台之间，包括：第一磁体支撑阵列，包括若干个安装在底座正面的第一磁体支撑单元；第二磁体支撑阵列，包括若干个与第一支撑单元相对应的第二磁体支撑单元，安装于平台背面与第一磁体支撑单元的对应位置；若干根平衡柔性索，该平衡柔性索为柔性绝热材料，连接于底座和平台之间。其中，第一磁体支撑单元上方磁极的方向与相对应的第二磁体支撑单元下方磁极的方向相反，两者产生的相斥作用力，从而对平台产生向上的推力；平衡柔性索对平台产生向下的拉力；平台在第一磁体支撑阵列和第二磁体支撑阵列的向上推力和若干根平衡柔性索向下拉力的共同作用下，平衡悬浮于底座的上方。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明磁悬浮隔热装置具有以下有益效果：

(1)平台与外界之间没有直接的物理接触，从而尽最大可能减少了平台与外界的热交换途径，使得加热器产生的功率完全流过被测量样品，减少了校准的复杂度，提高测量速度和准确度；

(2)除了可以用于测量常规的块状样品，还可以用于微细的丝状样品和薄膜样品，提高了被测量样品的适用性。

附图说明

图1为美国材料测量协会制定的热导率测量标准方法稳态热流法的工作原理图；

图2A为本发明实施例磁悬浮隔热装置的立体图；

图2B为图2A所示磁悬浮隔热装置的主视图；

图3为图2A所示磁悬浮隔热装置中底座的立体图；

图4为图2A所示磁悬浮隔热装置中磁悬浮机构的结构示意图；

图5为图2A所示磁悬浮隔热装置中测量平台的结构示意图。

【本发明主要元件符号说明】

100-底座；

101-温度控制器件；      102-恒温台；

103-安装孔；

200-磁悬浮机构；

201-第一磁体支撑单元；  202-第二磁体支撑单元；

203-平衡柔性索；

300-测量平台；

301-基板；              302-功率产生器件；

303-温度传感器；

400-被测量样品。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明提供了一种磁悬浮隔热装置。该磁悬浮隔热装置通过磁铁同性相斥的原理，将测量平台悬浮在底座上方。与传统的隔热装置相比，本发明彻底切断了测量平台与周围环境的物理接触，具有更佳的隔热效果，可以应用于各种需要进行良好隔热的测量环境中。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种用于热导率测量的磁悬浮隔热装置。图2A为本发明实施例磁悬浮隔热装置的立体图。图2B为图2A所示磁悬浮隔热装置的主视图。请参照图2A和图2B，本实施例磁悬浮隔热装置包括：底座100、磁悬浮机构200和测量平台300组成。底座100位于整个装置的下方，用于给整个装置提供良好的支撑。磁悬浮机构200包括：第一磁体支撑阵列，包括若干个第一磁体支撑单元201，分别安装在底座100上；第二磁体支撑阵列，包括若干个与第一支撑单元相对应的第二磁体支撑单元202，安装于测量平台300下方与第一磁体支撑单元的对应位置，其中，第一磁体支撑单元201上方磁极的方向与相对应的第二磁体支撑单元202下方磁极的方向相反，两者产生的相斥作用力；若干根平衡柔性索，该平衡柔性索203连接于底座100和测量平台300之间，对测量平台产生向下的拉力。测量平台300在第一磁体支撑阵列和第二磁体支撑阵列之间的相斥作用力和若干根平衡柔性索向下拉力的共同作用下，平衡悬浮于底座101的上方。此处的若干个，一般指3个或3个以上。

以下对本实施例磁悬浮隔热装置的各个组成部分进行详细说明。

图3为图2A所示磁悬浮隔热装置中底座的立体图。请参照图2A、图2B和图3，该底座100包括：温度控制器件101和恒温台102。

温度控制器件101位于底座下方，用于根据用户的设定，控制底座100的温度。该温度控制器件101由冷源和热源共同组成，并外接温度控制仪器控制底座的温度。此外，该温度控制器件101还可以是一种半导体热电器件，例如帕尔贴(Peltier)，通过控制电流的大小，可以方便的控制施加在底座上的功率，而通过控制电流的方向，则可以控制温度控制器件101是处于加热或者制冷方式。

恒温台102固定于温度控制器件101的上方，其形状和尺寸均没有特殊的限制，而一般情况下，该恒温台102的尺寸要小于温度控制器件101的尺寸。恒温台202的材料应当具有良好的导热性能，使得恒温台202的温度达到均匀，可以选择具有高导热系数的材料，例如无氧铜、金、银等。综合性能和成本的考虑，优选无氧铜作为恒温台202的结构材料。

恒温台102的正面开设一个或者多个安装孔103。该安装孔其可以是一定直径的通孔，也可以是一定直径的螺纹孔，与磁悬浮机构200第一磁体支撑单元底部的形状相匹配，可以使得磁悬浮机构200方便的安装和拆卸。优选地，该安装孔203至少为对称设置的4个。

举例来说，如果测量平台为正方形，则在该正方形测量平台的四个角对应的恒温台202上应当开设有安装孔，如图2A和图2B所示；如果测量平台为圆形，则在该圆形测量平台的圆周边缘距离相等的至少三个点对应的恒温台202上应当开设有安装孔。此外，也可以在恒温台上设置安装孔阵列，再测量前，再根据测量平台300的尺寸等来选择相应的安装孔。

图4为图2A所示磁悬浮隔热装置中磁悬浮机构的结构示意图。请参照图2A、图2B和图4，磁悬浮机构200包括：第一磁体支撑阵列，包括若干个第一磁体支撑单元201，分别安装在底座100上；第二磁体支撑阵列，包括若干个与第一支撑单元相对应的第二磁体支撑单元202，安装于测量平台300下方与第一磁体支撑单元的对应位置，其中，第一磁体支撑单元201上方磁极的方向与相对应的第二磁体支撑单元202下方磁极的方向相反，两者产生的相斥作用力；若干根平衡柔性索，该平衡柔性索203连接于底座100和测量平台300之间，对测量平台产生向下的拉力。

第一磁体支撑单元201和第二磁体支撑单元202均由某种磁性材料制备，并且相对的一面具有相同的磁性，因此互相排斥，从而将测量平台300悬浮起来。为节省成本，也可以仅在相对的第一磁体支撑单元的上方和第二磁体支撑单元的下方采用磁性材料制备，而其他位置采用金属及塑料材料制备。

平衡柔性索203可以选用柔性的绝热材料，例如特氟龙(Teflon)细绳制备，这样可以最大限度的减少测量平台300与外界的热交换；另外，还可以采用直径仅为0.2mm的磷青铜漆包线制备，这样的好处是一方面，磷青铜线也具有良好的绝热性能，另外一方面，它还可以作为测量平台300的电源线和信号线，包含了固定和电学传导两种功能。

第一磁体支撑单元201、第二磁体支撑单元202和平衡柔性索203设置的数目和位置与恒温台上安装孔的设置原理相同，即按照测量平台的形状和尺寸对称设置，以对测量平台形成平衡有效支撑或拉力为准。请参照图2A，所述测量平台呈长方形；所述第一磁体支撑阵列包括4个第一磁体支撑单元，所述第二磁体支撑阵列包括4个第二磁体支撑单元；所述平衡柔性索为4根，分别连接于长方形测量平台四个角的位置。

图5为图2A所示磁悬浮隔热装置中测量平台的结构示意图。请参照图2A、图2B和图5，该测量平台300用于被测量样品400的热导率，包括：基板301、功率产生器件和2个温度传感器。

基板301背面开设有若干个安装孔，可以方便安装第二磁体支撑单元302。与恒温台正面的安装孔103相同，基板301背面的安装孔也可以是通孔或者螺纹孔，并且其数目也应当为对称设置的4个。关于安装孔的数目和尺寸的内容与恒温台的相关内容类似，此处不再重述。

基板301正面的中央位置开设有凹槽。被测量样品400通过导热胶或者物理接触的固定方式，固定在凹槽的两侧。基板采用良好导热的材料制备，例如氮化铝(AlN)陶瓷，这样可以在基板301上很容易形成测量所需要的温度梯度。在基板301上，通过敷铜或者溅射等电路板加工工艺，制作有测试电路。

在基板301正面凹槽的两侧，还安装有一组功率产生器件302和两个温度传感器303。其中，该组功率产生器件用于通过加热所述基板来加热样品400。功率产生器件302可以是一种功率表贴电阻，表贴电阻的两端焊接在基板301上的电路焊盘上，底部可以采用导热胶或者物理接触的方式，与基板形成良好的热接触。温度传感器303，用于测量所在位置(凹槽的左侧或右侧)的温度。本实施例中，温度传感器可以采用表面贴安装的PT100传感器或者体积很小的热电偶温度传感器。

温度传感器除了采用分立的温度传感器器件外，还可以通过半导体加工工艺在基板401上直接制备温度敏感材料，如金属Pt线。它对于温度的感测更加灵敏，一致性更高。

此外，该基体301也可以为分开的两个独立部分，该两独立部分通过绝热材料连接固定，两者之间形成凹槽。被测量样品的两端通过导热胶或者物理接触分别固定在该两个独立部分上。

以功率产生器件产生的热量为Q，凹槽两侧的温度传感器测量得到的样品两端的温度T1和T2，测量出被测量样品的截面积A和长度L为例，则被测量样品的热导率可以按照以下公式计算得到：

$\mathrm{\λ}=-\frac{Q}{(T2-T1)}*\frac{L}{A}(W/m\·K)---\left(2\right)$

其中，公式(2)中相关参数的说明可参照实施例的相关说明，此处不再重述。

此外，由于加热器并不需要和被测量样品完全接触，因此，本实施例磁悬浮隔热装置除了可以用于测量常规的块状样品之外，还可以通过设计相应的固定安装方式，将丝状或薄膜样品安装在凹槽的两侧，从而实现微细的丝状样品和薄膜样品的热导率测量，提高了本实施例磁悬浮隔热装置的适用性。

需要说明的是，本实施例以平台为热导率测量平台为例进行说明。本领域技术人员应当清楚，本发明磁悬浮隔热装置还可以应用于其他需要隔热测量的测量平台或者系统，例如：赛贝克系数测量平台。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明磁悬浮隔热装置有了清楚的认识。

此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

综上所述，本发明提供一种磁悬浮隔热装置。该磁悬浮隔热装置通过磁铁同性相斥的原理，将平台悬浮在底座上方，从而彻底切断了平台与周围环境的物理接触，具有更佳的隔热效果，可以应用于各种需要进行良好隔热的测量环境中。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磁悬浮隔热装置，其特征在于，包括：

底座，包括：温度控制器件，用于控制底座的温度；恒温台，由高导热系数材料制备，固定于温度控制器件的上方，其正面开设有至少与第一磁体支撑单元数目相同的安装孔，用于安装第一磁体支撑单元；

平台，包括：基体，其正面中央位置具有凹槽，被测量样品固定于该凹槽的两侧，其背面开设有至少与第一磁体支撑单元数目相同的安装孔；2个功率产生器件，分别安装在基体所述凹槽左右两侧对称的位置，每个功率产生器件两端安装在基体相应的电路焊盘上，底面采用导热胶或者物理接触的方式与基体形成良好的热接触；2个温度传感器，分别安装于基体上所述凹槽左右两侧对称的位置，用于测量所在位置的温度；

磁悬浮机构，位于所述底座和平台之间，包括：

第一磁体支撑阵列，包括若干个安装在所述底座正面的第一磁体支撑单元；

第二磁体支撑阵列，包括若干个与所述第一支撑单元相对应的第二磁体支撑单元，安装于所述平台背面所述第一磁体支撑单元的对应位置；

若干根平衡柔性索，该平衡柔性索为柔性绝热材料，连接于所述底座和平台之间；

其中，所述第一磁体支撑单元上方磁极的方向与相对应的第二磁体支撑单元下方磁极的方向相反，两者产生的相斥作用力，从而对所述平台产生向上的推力；所述平衡柔性索对所述平台产生向下的拉力；所述平台在第一磁体支撑阵列和第二磁体支撑阵列产生的向上推力和若干根平衡柔性索向下拉力的共同作用下，平衡悬浮于底座的上方。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮隔热装置，其特征在于，所述第一磁体支撑单元、第二磁体支撑单元和平衡柔性索按照所述平台的形状和尺寸对称设置，以对所述平台形成平衡有效推力或拉力为准。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮隔热装置，其特征在于，所述第一磁体支撑单元的上方和第二磁体支撑单元的下方采用磁性材料制备；

第一磁体支撑单元除上方之外的其他部位和第二磁性支撑单元除下方之外的其他部位均采用金属或塑料材料制备。

4.根据权利要求2所述的磁悬浮隔热装置，其特征在于，所述平衡柔性索为：

特氟龙细绳，或

磷青铜漆包线，其中，所述磷青铜漆包线中的两根作为所述平台的电源线，另外两根作为所述平台的信号线。

5.根据权利要求2所述的磁悬浮隔热装置，其特征在于，所述平台呈长方形；

所述第一磁体支撑阵列包括4个第一磁体支撑单元，所述第二磁体支撑阵列包括4个第二磁体支撑单元；

所述平衡柔性索为4根，分别连接于所述长方形平台四个角的位置。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮隔热装置，其特征在于：

所述恒温台的材料为无氧铜，所述安装孔为螺纹孔，其数目为4个；

所述温度控制器件为帕尔贴器件，可通过控制电流的方向控制该帕尔贴器件处于加热或制冷的状态。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的磁悬浮隔热装置，其特征在于，所述平台为热导率测量平台或赛贝克系数测量平台。

8.根据权利要求1所述的磁悬浮隔热装置，其特征在于：

所述基体为一体成型元件，所述凹槽开设于所述基体的正面中央；或

所述基体包括：分开的两个独立部分，该两个独立部分通过绝热材料连接固定，两者之间形成所述凹槽，被测量样品的两端通过导热胶或者物理接触分别固定在该两个独立部分上。