CN104101619A - 一种导热系数测量方法和测量仪器 - Google Patents

Abstract

一种新的导热系数测量方法和依据该方法的导热系数测量仪器，通过设置蓄热器，结构大为简化，大幅减小了仪器调节、测试的时间和难度，显著提高测试精度和测试的稳定性。

Description

一种导热系数测量方法和测量仪器

技术领域

本发明涉及一种测量物质导热系数的测量方法和依据该方法的测量仪器

背景技术

一段长l、等截面积为S的材料，当其一端温度较高，为T₁，另一端温度较低，为T₂时，如该物体周边与外界没有热交换，则在时间t内，通过该物体两端传导的热量

$Q=\frac{\mathrm{\λst}(T_1-T_2)}{l}---\left(1\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{Ql}}{\mathrm{st}(T_1-T_2)}---\left(2\right)$

此即傅立叶热传导方程，是导热系数测定的理论基础。式中λ即材料的导热系数，表征物质导热能力的强弱。

利用公式(1)测量物质导热系数的方法可分为稳态法和动态法两大类。

稳态法用于测量固体导热系数的一种经典方法如下：待测材料制成的样品(金属棒)一端有电加热装置，另一端有水冷却装置。反复调节加热装置与冷却装置，使金属棒处于各处温度不变的稳定状态。测出金属棒两端的温度差和在时间t里冷却水带走的热量，通过公式(1)计算出该材料的导热系数。该类仪器设施繁杂，体积大。要把仪器调整到处处温度不变的稳定导热状态相当困难，往往需要耗费不少时间；而且这种稳定状态还较难保持。冷却水带走热量的测量误差也很大。因此，导热系数的测定精度不高。

动态法的一种——热波法测量固体导热系数的方法如下：所测金属棒一端有水冷却装置，以保持该端为某一特定温度。另一端有电加热装置和水冷却装置，以此对金属棒进行脉动加热，形成所谓热波。该热波波速： $v=\sqrt{2\mathrm{D\ω}}---\left(3\right)$

波长： $\mathrm{\τ}=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{2D}{\mathrm{\ω}}}---\left(4\right)$

式中D为热扩散系数，其中c，ρ分别为所测材料的比热容和密度。因此，在热端温度变化的角频率已知的情况下，通过在金属棒上的多点测温，测出热波波速或波长，计算出D，并进一步算出导热系数λ。热波法测量装置所需设备也较多，调节比较麻烦，测量误差同样较大。

现有仪器还有一个共同的弱点，即往往不能同时适合良导热材料和不良导热材料的导热系数测定。

发明内容

本发明针对现有测量方法与仪器之不足，提出一种新的测量方法和依据该方法的相应仪器结构。通过在测试材料的低温一端连接一个蓄热器，使仪器的结构和使用调节大为简化，难以控制或较难控制的因素基本消除，工作状态非常稳定，测量精度大幅提高，对测试材料的适用范围也大大拓展，可以同时适应各种良导热材料和小良导热材料的导热系数测定。

本发明提供一种新的准稳态测量方法。

设测试开始时，测得测试材料高温端温度为T₁₀，低温端温度为T₂₀。经过一个很小的时间分隔Δt后，测得测试材料两端温度改变为T₁₁和T₂₁。再一次经过时间Δt，测得测试材料两端温度为T₁₂和T₂₂。……如此继续，经过n个时间间隔Δt后，测得测试材料两端温度为T_1n和T_2n。由于Δt很小，，可以近似地认为，在任意一个时间间隔内，测试材料高温端温度和低温端温度不变，经测试材料高温端传导至低温端蓄热器内的热量

$\mathrm{\Δ}{Q}_n=\frac{\mathrm{\λs\Δt}(T_{1n}-T_{2n})}{2}---\left(5\right)$

设t＝nΔt。在时间t内，由测试材料高温端传导至低温端蓄热器内的总热量

$Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\λs\Δt}(T_{1n}-T_{2n})}{l}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\λst}(T_{1n}-T_{2n})}{\mathrm{nl}}$

$=\frac{\mathrm{\λst}}{l}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{T_{1n}}{n}-\frac{T_{2n}}{n})=\frac{\mathrm{\λst}}{l}\left({{\stackrel{\‾}{T}}_1-\stackrel{\‾}{T}}_2\right)---\left(6\right)$

显然，Δt的数值取得越小，(5)式两端的相符程度就越高。当Δt趋向无穷小时，(5)式两端精确相等。由于绝大多数情况下，温度的变化都不会非常快，因此，Δt取值范围在10秒数量级上，就可达到很好测量精度。采用计算机对温度值取样，记录，计算，测量精度则可进一步提高。

在此时间t内，如果蓄热器没有与外界发生热交换，其增加的热量则可表达为

Q＝mc(T_2n-T₂₀)                 (7)

式中m、c分别为蓄热器的质量与比热容。

由(5)(6)式可得

$\mathrm{mc}(T_{2n}-T_{20})=\frac{\mathrm{\λst}}{l}({\stackrel{\‾}{T}}_1-{\stackrel{\‾}{T}}_2)$

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{mcl}(T_{2n}-T_{20})}{\mathrm{st}({\stackrel{\‾}{T}}_1-{\stackrel{\‾}{T}}_2)}---\left(8\right)$

Δt不以等幅方式选取，对该测量方法的应用并无影响，仅改变公式(5)、(7)的形式。

根据该测量方法的导热系数测量仪的主要结构如图1所示。图1(a)所示为良导热材料的导热系数测定；图1(b)所示为不良导热材料的导热系数测定。测试材料样品(1)的一端连接加热装置(2)，另一端连接蓄热器(3)。测试材料和蓄热器四周设置保温隔热层(图中未画出)，以阻止、减少与外界的热交换。蓄热器的功能是吸收和存储由测试样品高温端传导过来的热量。在加热装置与测试样品连接处及蓄热器中设有温度传感器，所测温度分别作为测试样品高温端温度和低温端温度。蓄热器应具有以下特征：1、制造蓄热器的材料采用导热系数较大的金属材料，使其内部传热的单位热阻小，内部传热迅速，各部分之间只存在微小温度梯度，内部温度分布比较均匀，并相当接近测试样品低温端的真实温度。制造蓄热器的首选材料应是铝或铝合金；其次为铜或铜合金。2、为使蓄热器内温度均匀，蓄热器应是实心体，其形状能使其中心点到各处外表面的距离相近，内部传热通道面积大。3、为了避免由于吸热升温过快，造成蓄热器与测试样品高温端之间的温差迅速减小，蓄热体还应该具有较大的热容量。因此，蓄热器的体积和质量应该相对较大，其质量应大于100g；制造材料还应该具有较大比热容。

本仪器相对现有仪器，结构大为简化。其测取的都是温度瞬时值，因此无需花费大量时间调节仪器以保持温度稳定或温度变化的稳定，使得仪器的调整和测试时间大为缩短，并大幅度提高测试精度和测试的稳定性。该仪器还具备一个显著的优点，即同时适应于良导热材料和不良导热材料导热系数的测试。

附图说明

图1新准稳态法导热系数测定仪结构示意

附图标记：1、测试样品；2、加热装置；3、蓄热器

具体实施方式

图1中，测试材料样品(1)一端连接电加热装置(2)，另一端连接蓄热器(3)。测试样品(1)与电加热装置(2)的连接处及蓄热器内设有温度传感器，所测温度分别作为测试样品高温端和低温端温度。测试样品和蓄热器四周围有保温隔热层。(温度传感器和保温隔热层图中均未画出。)蓄热器制造材料首选铝或铝合金；其次为铜或铜合金。蓄热器外形为圆柱体加截锥体。质量超过100g。

Claims (4)

1.一种测量导热系数的公式在将导热时间t平均拆分为n等份后，其特征是导热系数

2.一种由测试样品，电加热装置，保温隔热设施，温度传感器等组成的导热系数测量仪，其特征是测试样品的低温端连接一个蓄热器。

3.根据权利要求2，一种由测试样品，电加热装置，保温隔热设施，温度传感器、蓄热器等组成的导热系数测量仪，其特征是蓄热器制造材料首选铝或铝合金；其次为铜或铜合金。

4.根据权利要求2，一种由测试样品，电加热装置，保温隔热设施，温度传感器、蓄热器等组成的导热系数测量仪，其特征是蓄热器质量应大于100g。