CN103954648B - 一种半球面热源稳态法导热系数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，包括装置部分（1）和监控部分（2）；装置部分（1）的内层半球容器（107）嵌于下层绝热垫（105）内，并与上层绝热垫层（106）叠放在底座（101）上；使用六对紧固螺栓（103）和紧固螺母（104）将测量容器上盖（102）与底座（101）连接，电阻加热丝（108）通过导线（203）直流稳压电源（204）与相连；测温点处热电偶通过导线（203）穿过上层绝热垫（106）及测量容器上盖（102）与温度采集模块（201）相连；同时还提供利用上述装置进行导热系数的测量方法；利用本装置和方法，可对液体，泡沫流体及颗粒状固体等易形变物体的导热系数进行有效测试。

Description

一种半球面热源稳态法导热系数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种物体导热系数的测量装置及方法，具体是一种半球面热源稳态法导热系数测量装置及方法。

背景技术

导热系数是描述物质导热能力的主要参数，对工程热设计有重要作用，因此准确地测量导热系数一直是传热领域研究的重要课题。目前，导热系数的理论研究已经得到充分发展，导热系数的测试方法也有很多，根据测试过程的宏观机理不同，可将其分为稳态法和非稳态法：其中稳态法由于可以得到可靠的结果且计算简单是目前应用广泛的测定方法。稳态法测定导热系数的一般过程为：在待测试样一端加热，另一端冷却，使整个体系形成近似一维导热的模型，然后根据一维导热系数的计算公式来测量计算待测材料的导热系数。

稳态法进一步可分为两类，一类是按上述方法直接测定，另一类则是使用已知导热系数的标准试样，控制标准试样的热流密度与待测试样相同，再测定等温面间的温差和相关的几何尺寸，最终通过化简计算得到待测试样的导热系数。但是，无论哪一类稳态法，在测量材料导热系数的过程中，都要求对待测试样周边进行隔热处理，以保证测量结果的正确性。同时，这些方法的测试对象一般是固体材料，并将其制备成规则的柱体，以方便计算。而对于液体，泡沫流体及颗粒状固体，其状态易于变化，不受容器形状限制，故其导热系数难以测试。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种半球面热源稳态法导热系数测量装置及方法，可对液体，泡沫流体及颗粒状固体等易形变物质的导热系数进行有效测试。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，包括装置部分和监控部分；

装置部分包括底座、测量容器上盖、紧固装置、下层绝热垫、上层绝热垫、内层半球容器和电阻加热丝；下层绝热垫呈圆环状态，并对称地出现一段凹槽，用于安装固定内层半球容器，内层半球容器外层至内层依次为待测材料腔、标准材料腔和内腔；上层绝热垫覆盖于内层半球容器之上，并与下层绝热垫外周对齐，紧固装置将测量容器上盖与底座相连接，并将下层绝热垫、上层绝热垫、内层半球容器和电阻加热丝固定在测量容器上盖和底座之间；

监控部分包括温度采集模块、计算机控制模块、导线和直流稳压电源；温度采集模块输入端通过导线连接至标准材料腔测温点a、测温点b和待测材料腔的测温点c和测温点d处的热电偶，输出端则与计算机控制模块相通；直流稳压电源通过导线对电阻加热丝通电加热。

内层半球容器嵌于下层绝热垫中间；下层绝热垫嵌于底座半球容器中；上层绝热垫为圆柱形，其截面半径与下层绝热垫外径一致。

内层半球容器半球壁面厚度均匀，内层半球容器内用于分隔内腔和标准材料腔的球面厚度亦均匀，且两层球面使用桥接连接，形成一侧完全开放的内腔和标准材料腔。

内层半球容器由高导热材料制成，内腔内充填的低热容材料为环氧树脂；所述的上层绝热垫及下层绝热垫均由石棉制成。

紧固装置为紧固螺栓和紧固螺母，数量均为6个且相互配合连接。

待测材料腔外侧设置散热肋板。

本发明还同时提供了利用上述装置所进行的半球面热源稳态法导热系数测量方法，其特征在于，步骤为：

1)旋松紧固螺母，取下紧固螺栓，打开测量容器上盖，取下上层绝热垫，取出内层半球容器；

2)将已知导热系数的标准试样注入并装满标准材料腔；将内层半球容器放置在下层绝热垫上，使其稳嵌在下层绝热垫上预留的凹槽中；向待测材料腔内注入待测试样，注入速度应当缓慢稳定，最终待测试样上表面与内层半球容器上表面平齐；在内层半球容器上方，放置上层绝热垫，并使其与下层绝热垫对齐；

3)在标准材料腔的高温端和低温端分别选取一个测温点a和测温点b，在待测材料腔的高温端和低温端分别选取一个测温点c和测温点d；测温点a，测温点b，测温点c和测温点d上布置热电偶，并通过导线穿过上层绝热垫及测量容器上盖的走线孔与温度采集模块相连接；在内腔中布置电阻加热丝，并与直流稳压电源相连接；

4)盖上测量容器上盖，并装上紧固螺栓，旋紧紧固螺母，使得整个装置部分组装成一个整体；

5)打开直流稳压电源，加热电阻加热丝，同时打开温度采集模块及计算机控制模块，实时监测测温点a，测温点b，测温点c和测温点d的温度，等到温度不再变化时，采集测温点a，测温点b，测温点c和测温点d的温度，并分别记为T_a，T_b，T_c和T_d，单位K。

在标准材料腔内，沿球径方向上，距离球心距离极小变化dr范围内，其温度变化dT满足如下关系式：

${\mathrm{\λ}}_s=-\frac{q_s}{2{\mathrm{\πr}}^2}\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{dT}}---\left(1\right)$

其中：λ_s——标准试样的导热系数，单位W/(m·K)；q_s——在标准材料腔内热量传递的功率，其值即为由电阻加热丝加热后的内腔向外传递热量的功率，单位W；r——标准材料腔内某一点距离球心的距离，单位mm；2πr²——标准材料腔内某一点所在半球球面的面积，单位mm²；

对上述的公式（1）进行移项变形，得到公式（2）：

$\mathrm{dT}=-\frac{q_s}{{\mathrm{\λ}}_{s}2{\mathrm{\πr}}^2}\mathrm{dr}---\left(2\right)$

对上述的公式（2）两侧进行积分变形，得到公式（3）和公式（4）：

${\∫}_{T_a}^{T_b}\mathrm{dT}={\∫}_{r_a}^{r_b}-\frac{q_s}{{\mathrm{\λ}}_{s}2{\mathrm{\πr}}^2}\mathrm{dr}---\left(3\right)$

$T_b-T_a=\frac{q_s}{2{\mathrm{\π\λ}}_s}(\frac{1}{r_b}-\frac{1}{r_a})---\left(4\right)$

其中：r_a——测温点a距离球心的距离，单位mm；r_b——测温点b距离球心的距离，单位mm。

同理，待测材料腔内存在相似的关系公式（5）：

$T_d-T_c=\frac{q_w}{2{\mathrm{\π\λ}}_w}(\frac{1}{r_d}-\frac{1}{r_c})---\left(5\right)$

其中：q_w——在待测材料腔内热量传递的功率，其值即为标准材料腔向外传递热量的功率，单位W；λ_w——待测试样的导热系数，单位W/(m·K)；r_c——测温点c距离球心的距离，单位mm；r_d——测温点d距离球心的距离，单位mm。

对上述的公式（4）和公式（5）进行约分变形，得到公式（6）：

${\mathrm{\λ}}_w=\frac{q_w}{q_s}\frac{T_b-T_a}{T_d-T_c}\frac{1/r_d-1/r_c}{1/r_b-1/r_a}{\mathrm{\λ}}_s---\left(6\right)$

在实际测量导热系数的过程中，由于上层绝热垫和下层绝热垫的联合绝热作用，可以认为由电阻加热丝产生的热量全部经由层层球面向外均匀传递，所以公式（6）中q_w与q_s相等，待测试样的导热系数λ_w为：

${\mathrm{\λ}}_w=\frac{T_b-T_a}{T_d-T_c}\frac{1/r_d-1/r_c}{1/r_b-1/r_a}{\mathrm{\λ}}_s---\left(7\right)$

6)记录计算机控制模块显示的计算结果，断开监测部分直流稳压电源；待冷却半小时后，拆卸紧固螺栓和紧固螺母，取下测量容器上盖及上层绝热垫，将内层半球容器取出；清洗内腔、标准材料腔和待测试样腔；将各部分烘干，装配，以便下次使用。

与现有的测量装置和方法相比，具有以下优点：

1、本发明使用半球面热源对液体，泡沫流体及颗粒状固体等易形变态物体进行加热，使得材料受热均匀，热量呈现从中心半球面热源向外部半球面空间均匀传递；

2、本发明的测量方法属于稳态比较法，标准试样可以更替，以此可根据预判待测试样的导热系数，选择与待测试样导热系数同一数量级的标准试样，提高测量的准确性；

3、本发明的测量步骤简单，操作简便。

附图说明

图1是本发明测量装置结构示意图；

图2是本发明测量装置中内层半球容器的结构及位置示意图。

图3是本发明测量方法流程图。

图中：1、装置部分，2、监控部分，101、底座，102、测量容器上盖，103、紧固螺栓，104、紧固螺母，105、下层绝热垫，106、上层绝热垫，107、内层半球容器，108、电阻加热丝，109、内腔，110、标准材料腔，111、待测材料腔，112、散热肋板，201、温度采集模块，202、计算机控制模块，203、导线，204、直流稳压电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，包括装置部分1和监控部分2；装置部分1用来安装待测材料，监控部分2用来控制装置部分1并使其完成对待测材料导热系数的测量，

装置部分1包括底座101、测量容器上盖102、紧固装置、下层绝热垫105、上层绝热垫106、内层半球容器107和电阻加热丝108；下层绝热垫105呈圆环状态，并对称地出现一段凹槽，用于安装固定内层半球容器107，内层半球容器107外层至内层依次为待测材料腔111、标准材料腔110和内腔109；上层绝热垫106覆盖于内层半球容器107之上，并与下层绝热垫105外周对齐，紧固装置将测量容器上盖102与底座101相连接，并将下层绝热垫105、上层绝热垫106、内层半球容器107和电阻加热丝108固定在测量容器上盖102和底座101之间；

监控部分2包括温度采集模块201、计算机控制模块202、导线203和直流稳压电源204；温度采集模块201输入端通过导线203连接至标准材料腔110测温点a、测温点b和待测材料腔111的测温点c和测温点d处的热电偶；直流稳压电源204通过导线203对电阻加热丝108通电加热，本发明的测量装置提供持续稳定的热源；其中计算机控制模块202用于控制温度采集模块201对测温点温度采集的开始与结束，同时记录、处理并显示温度采集模块201通过导线203传送的测温点的温度数据。

内层半球容器107嵌与下层绝热垫105中间；下层绝热垫105嵌于底座101半球容器中；上层绝热垫106为圆柱形，其截面半径与下层绝热垫105外径一致。

内层半球容器107半球壁面厚度均匀，内层半球容器107内用于分隔内腔109和标准材料腔110的球面厚度亦均匀，且两层球面使用桥接连接，形成一侧完全开放的内腔109和标准材料腔110，内腔109内填充低热熔材料的填充物。

优选，内层半球容器107由高导热材料制成，可以为不锈钢，内腔109内充填的低热容材料为环氧树脂；所述的上层绝热垫106及下层绝热垫105均由石棉制成，上述材料制作简单，材料来源广泛。

作为优选，紧固装置为紧固螺栓103和紧固螺母104，数量均为6个且相互配合连接，也可以是铁丝等固定物。

进一步，为了加快散热时间，待测材料腔111外侧设置散热肋板。

基于上述导热系数测量装置的测量方法，如图3所示，通过下述步骤完成对待测试样导热系数的测定：

1）旋松紧固螺母104，取下紧固螺栓103，打开测量容器上盖102，取下上层绝热垫106，取出内层半球容器107；

2）将已知导热系数的标准试样注入并装满内层半球容器107中的标准材料腔110；将内层半球容器107放置在下层绝热垫105上，使得内层半球容器107两端嵌在下层绝热垫105上预留的凹槽中；向待测材料腔111内注入待测试样，注入速度应当缓慢稳定，最终待测试样上表面与内层半球容器107上表面平齐；在内层半球容器107上方，放置上层绝热垫106，并使其与下层绝热垫105对齐；

3）在标准材料腔110的高温端和低温端分别选取一个测温点a和测温点b，在待测材料腔111的高温端和低温端分别选取一个测温点c和测温点d；测温点a，测温点b，测温点c和测温点d上布置热电偶，并通过导线203穿过上层绝热垫106及测量容器上盖102上的走线孔与温度采集模块201相连接；在内腔109中布置电阻加热丝108，并与直流稳压电源204连接；

4）盖上测量容器上盖102，并装上紧固螺栓103，旋紧紧固螺母104，使得整个装置部分1组装成一个整体；

5）打开直流稳压电源204，加热电阻加热丝108，同时打开温度采集模块201及计算机控制模块202，通过热电偶实时监测测温点a，测温点b，测温点c和测温点d的温度，等到温度不再变化（热平衡状态）时，采集测温点a，测温点b，测温点c和测温点d的温度，并分别记为T_a，T_b，T_c和T_d。

在标准材料腔内，沿球径方向上，距离球心距离极小变化dr范围内，其温度变化dT满足如下关系式：

${\mathrm{\λ}}_s=-\frac{q_s}{2{\mathrm{\πr}}^2}\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{dT}}---\left(1\right)$

其中：λ_s——标准试样的导热系数，单位W/(m·K)；q_s——在标准材料腔内热量传递的功率，其值即为由电阻加热丝加热后的内腔向外传递热量的功率，单位W；r——标准材料腔内某一点距离球心的距离，单位mm；2πr²——标准材料腔内某一点所在半球球面的面积，单位mm²。

对上述的公式（1）进行移项变形，得到公式（2）：

$\mathrm{dT}=-\frac{q_s}{{\mathrm{\λ}}_{s}2{\mathrm{\πr}}^2}\mathrm{dr}---\left(2\right)$

对上述的公式（2）两侧进行积分变形，得到公式（3）和公式（4）：

${\∫}_{T_a}^{T_b}\mathrm{dT}={\∫}_{r_a}^{r_b}-\frac{q_s}{{\mathrm{\λ}}_{s}2{\mathrm{\πr}}^2}\mathrm{dr}---\left(3\right)$

$T_b-T_a=\frac{q_s}{2{\mathrm{\π\λ}}_s}(\frac{1}{r_b}-\frac{1}{r_a})---\left(4\right)$

其中：r_a——测温点a距离球心的距离，单位mm；r_b——测温点b距离球心的距离，单位mm。

同理，待测材料腔内存在相似的关系公式（5）：

$T_d-T_c=\frac{q_w}{2{\mathrm{\π\λ}}_w}(\frac{1}{r_d}-\frac{1}{r_c})---\left(5\right)$

其中：q_w——在待测材料腔内热量传递的功率，其值即为标准材料腔向外传递热量的功率，单位W；λ_w——待测试样的导热系数，单位W/(m·K)；r_c——测温点c距离球心的距离，单位mm；r_d——测温点d距离球心的距离，单位mm。

对上述的公式（4）和公式（5）进行约分变形，得到公式（6）：

${\mathrm{\λ}}_w=\frac{q_w}{q_s}\frac{T_b-T_a}{T_d-T_c}\frac{1/r_d-1/r_c}{1/r_b-1/r_a}{\mathrm{\λ}}_s---\left(6\right)$

在实际测量导热系数的过程中，由于上层绝热垫105和下层绝热垫106的联合绝热作用，可以认为由电阻加热丝108产生的热量全部经由层层球面向外均匀传递，所以公式（6）中q_w与q_s相等，待测试样的导热系数λ_w为：

${\mathrm{\λ}}_w=\frac{T_b-T_a}{T_d-T_c}\frac{1/r_d-1/r_c}{1/r_b-1/r_a}{\mathrm{\λ}}_s---\left(7\right)$

步骤6：记录计算机控制模块202显示的计算结果，断开监测部分2直流稳压电源204；待冷却半小时后，拆卸紧固螺栓103和紧固螺母104，取下测量容器上盖102及上层绝热垫106，将内层半球容器107取出；清洗内腔109，标准材料腔110和待测试样腔111；将各部分烘干，装配，以便下次使用。

本发明装置使用半球面热源对液体，泡沫流体及颗粒状固体等易形变状态物体进行加热，使得材料受热均匀，热量呈现从中心半球面热源向外部半球面空间均匀传递；

本发明的测量方法属于稳态比较法，标准试样可以更替，以此可根据预判待测试样的导热系数，选择与待测试样导热系数同一数量级的标准试样，提高测量的准确性。

Claims (7)

1.一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，包括装置部分（1）和监控部分（2）；其特征在于，

装置部分（1）包括底座（101）、测量容器上盖（102）、紧固装置、下层绝热垫（105）、上层绝热垫（106）、内层半球容器（107）和电阻加热丝（108）；下层绝热垫（105）呈圆环状态，并对称地出现一段凹槽，用于安装固定内层半球容器（107），内层半球容器（107）外层至内层依次为待测材料腔（111）、标准材料腔（110）和内腔（109）；上层绝热垫（106）覆盖于内层半球容器（107）之上，并与下层绝热垫（105）外周对齐，紧固装置将测量容器上盖（102）与底座（101）相连接，并将下层绝热垫（105）、上层绝热垫（106）、内层半球容器（107）和电阻加热丝（108）固定在测量容器上盖（102）和底座（101）之间；

监控部分（2）包括温度采集模块（201）、计算机控制模块（202）、导线（203）和直流稳压电源（204）；温度采集模块（201）输入端通过导线（203）连接至标准材料腔（110）测温点a、测温点b和待测材料腔（111）的测温点c和测温点d处的热电偶，输出端则与计算机控制模块（202）相通；直流稳压电源（204）通过导线（203）对电阻加热丝（108）通电加热。

2.根据权利要求1所述的一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，其特征在于，所述的内层半球容器（107）嵌于下层绝热垫（105）中间；下层绝热垫（105）嵌于底座（101）半球容器中；上层绝热垫（106）为圆柱形，其截面半径与下层绝热垫（105）外径一致。

3.根据权利要求1或2所述的一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，其特征在于，所述的内层半球容器（107）半球壁面厚度均匀，内层半球容器（107）内用于分隔内腔（109）和标准材料腔（110）的球面厚度亦均匀，且两层球面使用桥接连接，形成一侧完全开放的内腔（109）和标准材料腔（110）。

4.根据权利要求3所述的一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，其特征在于，所述的内层半球容器（107）由高导热材料制成，内腔（109）内充填的低热容材料为环氧树脂；所述的上层绝热垫（106）及下层绝热垫（105）均由石棉制成。

5.根据权利要求4所述的一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，其特征在于，所述的紧固装置为紧固螺栓（103）和紧固螺母（104），数量均为6个且相互配合连接。

6.根据权利要求1或2所述的一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，其特征在于，所述待测材料腔（111）外侧设置散热肋板。

7.一种基于半球面热源稳态法导热系数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）旋松紧固螺母（104），取下紧固螺栓（103），打开测量容器上盖（102），取下上层绝热垫（106），取出内层半球容器（107）；

2）将已知导热系数的标准试样注入并装满标准材料腔（110）；将内层半球容器（107）放置在下层绝热垫（105）上，使得内层半球容器（107）两端嵌在下层绝热垫（105）上预留的凹槽中；向待测材料腔（111）内注入待测试样，注入速度应当缓慢稳定，最终待测试样上表面与内层半球容器（107）上表面平齐；在内层半球容器（107）上方，放置上层绝热垫（106），并使其与下层绝热垫（105）对齐；

3）在标准材料腔（110）的高温端和低温端分别选取一个测温点a和测温点b，在待测材料腔（111）的高温端和低温端分别选取一个测温点c和测温点d；测温点a，测温点b，测温点c和测温点d上布置热电偶，并通过导线（203）穿过上层绝热垫（106）及测量容器上盖（102）上的走线孔与温度采集模块（201）相连接；在内腔（109）中布置电阻加热丝（108），并通过导线（203）穿过走线孔与直流稳压电源（204）连接；

4）盖上测量容器上盖（102），并装上紧固螺栓（103），旋紧紧固螺母（104），使得整个装置部分（1）组装成一个整体；

5）打开直流稳压电源（204），加热电阻加热丝（108），同时打开温度采集模块（201）及计算机控制模块（202），通过热电偶实时监测测温点a，测温点b，测温点c和测温点d的温度，等到温度不再变化（热平衡状态）时，采集测温点a，测温点b，测温点c和测温点d的温度，并分别记为Ta，Tb，Tc和Td，待测试样的导热系数为：

式中：λ_w——待测试样的导热系数，单位W/(m·K)；T_a，T_b，T_c和T_d——热平衡状态下，测温点a，测温点b，测温点c和测温点d的温度，单位K；r_a，r_b，r_c和r_d——测温点a，测温点b，测温点c和测温点d距离装置球心的距离，单位mm；λ_s——标准试样的导热系数，单位W/(m·K)；

6）记录计算机控制模块（202）显示的计算结果，断开直流稳压电源（204）；待冷却半小时后，拆卸紧固螺栓（103）和紧固螺母（104），取下测量容器上盖（102）及上层绝热垫（106），将内层半球容器（107）取出；清洗内腔（109），标准材料腔（110）和待测材料腔（111）；将各部分烘干，装配，以便下次使用。