CN104181195B - 一种基于稳态法的导热系数测量装置 - Google Patents

Abstract

该发明属于材料的物理性能测试技术领域中的稳态法导热系数测量装置。包括含主加热器，上、下标准试件及待测试件放置腔，保温层，上、下壳体及设于之间的隔热环，带温度补偿调控器的电热丝连接的电热丝，设于上、下标准试件内和保温层内的热电偶组的加热装置，微通道冷却装置，温度采集器及处理控制器，由立柱及底板、中部带压力头的杠杆及砝码组成的加压及固定架。该发明由于采用整体式的加热装置同时在其上、下壳体上分别增设了与温度补偿调控器连接的电热丝，并将主加热器、微通道散热器分别设于底部和顶部。因而具有加热对材料导热系数测量的精度高、重复测量其结果的一致好、稳定性高，测量范围宽、可在不同加热条件下进行测量等特点。

Description

一种基于稳态法的导热系数测量装置

技术领域

本发明属于材料的物理性能测试技术领域，具体涉及一种包括采用微通道冷却和温度补偿在内的稳态法(比较法)测量材料导热系数的测量装置。

背景技术：

导热系数在电子等行业有着广泛应用，是工程热设计中必不可少的基础数据，任何电子器件及电路在工作过程中都不可避免地伴随有热量的产生。随着微电子器件封装密度的提高，芯片能耗越来越高，为了增强器件的散热能力，提高电子产品的可靠性及电性能，必须使所产生的热量能够快速有效的释放出去，散热器和热界面材料应具有较高的导热系数来满足元器件的散热需要，因此准确地测量材料导热系数是传热领域研究的重要课题。

导热系数的测量方法可分为瞬态法和稳态法(比较法)。稳态法是测量材料导热系数的常用方法,基于一维传热原理，在试样上的温度达到稳定后，通过测量流经试样的热通量和两端温度梯度等参数来确定热导率的方法。根据傅里叶稳态传热定律，热导率计算公式为其中，λ为待测试样的热导率，Q为流过待测试样的热通量，A为试样的截面面积，△T为试样两端的温度差，h为待测试样的厚度。

现有导热系数测量装置，冷端散热效果不佳、热流损失大，适用性不强，测量精度低。如申请号为201210073812.X，名称为《一种棒体材料导热系数测量装置及测量方法》的专利文件公开了一种棒体材料导热系数测量装置及测量方法，包括：主加热器、标准试件、隔热层、制冷器、辅助加热器、温度采集模块和控制模块。该测量装置通过直接设在待测棒体材料顶端的主加热器和加热垫片对待测棒体及标准试件进行加热，在待测棒体侧面的隔热层中设置带辅助加热器的热保护垫片并对其进行温度控制，同时在标准试件冷端使用半导体制冷片，通过控制可控硅调功模块来调节主加热器和热保护加热器的功率，并通过测温模块将各测温点的温度值采集并传给监测模块，最后通过监测模块根据主加热器额定功率与环境温度以及各测温点的温度计算得到待测棒体材料的导热系数。该测量装置由于在待测棒体材料与主加热器之间未设标准试样，其顶端与主加热器直接接触、底端与待测试件等截面接触，因而只能对与标准试样长度相当且导热系数相差不大于1个数量级的棒体材料进行测量，且只适合测量导热系数较高的材料；当待测试件导热系数较低时，既不能保证热量沿轴向传递、又因待测试样导热系数很低就使得试件上布置的两个热电偶的温度差值很大，影响测量精度。此外，主加热器设于装置顶部、制冷器设于装置底部有违热力学原理，不利于热量沿试件轴向向下传递；在待测棒体材料上、下端面上缺少轴向压力，当热流流经试件的两接触界面时存在热流损失，亦影响测量的精度。该测量装置在热保护温度为58.3℃时，测得不锈钢1Cr18Ni9Ti的导热系数为16.87％，而在工程材料使用手册里，该材料的导热系数推荐值为16.3，测试误差为3.5％。

又如申请号为201210243783.7，名称为《热导率测试仪》专利文件公开了一种包括机架，加热模块、冷却模块，测量模块，在加热模块上部及冷却块下端别装有热电偶的热导率测试仪。该测试仪通过设置包含手柄、丝杆、夹具、压力传感器等在内的起固定加压作用的机架；加热模块为“T”形的高导热材料，其上设有轴肩部，轴肩部内设加热棒，加热模块外环面设有隔热装置(层)并通过紧固装置固定成一体后，安装在所述机架的中上部；冷却模块外环面亦设有隔热装置(层)并通过紧固装置固定成一体后，安装在机架的中下部；即加热模块与冷却模块形成上、下个两独立体，工作时将待测材料(件)置于加热模块下端面与冷却模块上端面之间，通过手柄带动丝杆加压、使两两端面紧密接触并通过压力传感器控制其压力。此种结构，其一.虽然克服了上一背景技术中待测试样两接触界面时存在热流损失、影响测量的精度的弊端，但却存在结构过于复杂，测量前、后的拆卸、安装较困难的弊病；其二.该测试仪测量时待测试件四周是裸露于空间的，在热量流经测试试件时，由于试件和周围环境存在温度梯度，热流不可避免的沿横向传递，导致了温度测量时的不确定性误差，不但降低了测量的精度、而且测量数据的一致性差；其三.加热模块位于装置中上部、水冷头置于装置底部，仍存在既不利于热量沿试件轴向向下传递、当水流经水冷头时因低温度的水位于底部又影响散热能力的弊病，而且当热源“加热棒”温度较高时，无法保证热源端与冷端形成理想的温度梯度，加之热电偶设置不合理(仅设于两端)亦影响测量的精度。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的弊病，改进设计一种基于稳态法的导热系数测量装置，以有效提高材料导热系数测量的精度、测量数据的稳定性，以及扩大其应用(测量)范围等目的。

本发明的解决方案是将标准试件及待测试件的加热装置设为整体式、同时将主加热器设于其底部而将冷却器设于上部；即：主加热器位于底部，其上部的中轴线部位为上、下标准试件及待测试件的放置腔，以放置下标准试件、待测试件和上标准试件，在放置腔的四周为一整体式保温层，在保温层外正对上、下标准试件的环面上对应设置上、下壳体并在上、下壳体上各设一组电热丝以补偿测量过程中上、下标准试件在横向方向(即直径方向)的散热量，上、下壳体之间用一隔热环隔离，同时在上、下标准试件内和接近上、下壳体的保温层内各设置一组热电偶，以采集相应的热信息参数并输到处理控制机处理及发出相应的调控指令，本发明采用两个几何尺寸及导热系数相同且已知导热系数的试件作为上、下标准试件，测量时对称设于具有相同横截面的待测试件上、下端面上，待测试件厚度小于其(本身)直径；本发明将冷却装置中的微通散热器置于上标准试件的上端面并通过固定架上的力臂轴向加压、以确保该散热器与上标准试件，待测试件与上、下标准试件对应的接触面紧贴；本发明采用悬臂式压力固定架作为对加热装置的加压及固定，在确保可靠性的同时简化其结构和方便操作；本发明即以此实现其发明目的。因而，本发明基于稳态法的导热系数测量装置，包括对标准试件和待测试件加热的加热装置，冷却器，加压及固定架，温度采集器及其处理控制器，关键在于加热装置为一整体式加热装置，其中：主加热器位于底部，上部中轴线部位为上、下标准试件及待测试件放置腔，在放置腔的四周为一整体式保温层，在保温层外正对上、下标准试件的环面上对应设置上、下壳体并在上、下壳体上各设一分别与温度补偿调控器连接的电热丝，上、下壳体之间用隔热环隔离，在上、下标准试件内和靠近上、下壳体的保温层内各设置一组热电偶；冷却器为微通道冷却装置，其中的微通道散热器设于上标准试件的上端面并通过温度传感器采集该端面上的温度数据；而加压及固定架则由带立柱的底板、与立柱上端可转动连接的中部带压力头的杠杆及吊于杠杆另一端的砝码组成；测量时整体式加热装置直接置于加压及固定架底板上，下标准试件及其热电偶、待测试件和上标准试件及其热电偶依次置于放置腔内，再将微通道冷却装置中的微通道散热器置于上标准试件的上端面并利用杠杆中部的压力头将其轴向压紧，各组热电偶通过数据线分别与温度采集器相应的输入端口连接，温度采集器的输出端亦通过数据线与处理控制器的输入端连接，处理控制器的输出端则与温度补偿调控器连接以输出调控指令。

所述上、下标准试件及待测试件，其中上、下标准试件为两个几何尺寸相同、导热系数相同且已知的试件，待测试件的轴向高度小于其直径，上、下标准试件的轴向高度均不低于待测试件高度的10倍。所述在上、下标准试件内和靠近上、下壳体的保温层内各设置一组热电偶，其中在上、下标准试件内各设置4-6个热电偶，而在靠近上、下壳体的保温层内各设置1-2个热电偶。而所述温度补偿调控器包括温度控制仪和可控硅调功器。所述微通道冷却装置包括微型泵、电机、控制器、储液槽、微通道散热器、温度传感器和过滤器；而所述微通道散热器则包括箱体及设于箱体内的微流道，带冷却介质出、入口的盖板。为了省去对热流密度的测量，在微通道散热器与上标准试件的上端面、上标准试件的下端面与待测试件的上表面、待测试件的下表面与下标准试件的上端面之间均涂有导热硅胶。为受热均匀，在主加热器与下标准试件之间增设有一均热板。

本发明由于将标准试件及待测试件的加热装置设为整体式，同时将主加热器设于其底部而采用微通道冷却装置作为冷却器且设于上部，并在整体式的保温层外增设上、下壳体及分别与温度补偿调控器连接的电热丝，在克服待测试件四周裸露于空间的同时、避免热流的横向损失；微通道散热器通过温度传感器采集上标准试件顶(冷)端温度数据以调节微型泵的流量，使热源和冷端产生较大温差，能够保证在不同加热条件下，确保证热流沿轴向一维传递，使得待测试件两端形成较大温度梯度，提高测量精度；在上、下标准试件部位分设5个左右的热电偶，且上、下标准试件的轴向高度均不低于待测试件高度的10倍，对多个监测点的温度进行检测和记录，通过线性拟合，又可进一步减小测量误差；采用本发明测量装置所测1Cr18Ni9Ti不锈钢的导热系数为16.71，与工程材料使用手册该材料的导热系数推荐值的16.3，其误差仅为2.5％。因而，本发明导热系数测量装置具有对材料导热系数测量的精度高、重复测量其结果的一致好、稳定性高，以及测量范围宽、可在不同加热条件下进行测量等特点。

附图说明

图1为本发明测量装置结构及连接关系示意图；

图2为加热装置结构示意图(剖视图)；

图3为微通道冷却装置中的微通道散热器结构示意图；

图4为本发明的微通道冷却装置系统结构示意图。

图中：1.加热装置、1-1.1.上外壳、1-1.2.下外壳、1-2.(上、下外壳)隔离圈、1-3.保温层、1-4.1、1-4.2：热电偶、1-5.1.上标准试件、1-5.2.下标准试件、1-6.硬泡沫层、1-7.均热板、1-8.主加热器，2.温度采集器、2-1、2-2：数据线，3.处理控制器、3-1.导线，4.温度补偿调控器、4-1.1.上电热丝、4-1.2.下电热丝、4-2.温度控制仪、4-3.可控硅调功器，5.微通道散热器、5-1.盖板、5-1.1.(冷却介质)入口、5-1.2.(冷却介质)出口、5-2.箱体、5-3.微通散热器，6.加压及固定架、6-1.杠杆、6-2.砝码、6-3.底板，M.待测试件。

具体实施方式

本实施方式主加热器1-8采用电炉，均热板1-7材料为纯铜、周围包裹硬泡沫1-6作隔热层；上、下标准试件1-5.1、1-5.2本实施方式采用热导率为237W/(K·m)的纯铝，均为直径Φ25mm、轴向高60mm的圆柱，其上各钻5个直径Φ为1.1mm的小间距为10mm、深12.5mm、直径约1.1mm、深12.5mm的小孔，孔距为10mm，作为热电偶1-4.1的固定孔，热电偶1-4.2在上、下外壳的中部距外壳内壁5mm处各设一个，热电偶1-4.1、1-4.2均采用铠装K型的热电偶WRNK-191，直径为1mm，能够测0～1100℃的温度范围，各热电偶均与温度采集器2对应的输入端口连接；保温层1-3厚度50mm、材质为保温棉，上、下外壳1-1.1、1-1.2本实施方式采用厚为2mm金属外壳，(上、下外壳)隔离圈1-2为高5mm的塑料圈；上、下电热丝4-1.1、4-1.2材料为铝合金0Cr21Al16Nb，直径1mm，分别缠绕在上、下外壳1-1.1和1-1.2，并分别与可控硅调功器4-3的两输出端口连接，其功率的大小由处理控制器3根据热电偶1-4.2提供的参数、向温度控制仪4-2发出指令经由可控硅调功器4-3执行；本实施方式微通道冷却装置中微通道散热器5的材质为纯铜，箱体5-2尺寸为40×40mm，冷却槽为30×30mm，流道5-3尺寸为26×2×1mm，储液槽中为循环冷却用水，进水口5-1.1与微型泵相连，通过微型泵的作用是给微通道散热器5提供水温为25℃左右的冷却水，冷却后的水从出水口5-1.2排至储液槽；根据温度传感器反馈的标准试样1-5.1冷端温度数据，可以通过控制器调节电机的转速，从而控制微型泵的输出流量，确保在不同加热条件下热流沿轴向充分传递、待测试件两端面形成较大的温差；温度采集器2型号为PCI-1713，采集的温度数据分为两部分，一部分为检测待测试件加热温度的稳定变化，然后从采集到的温度数据中确定(计算)待测试件的热导率；另一部分是根据保温层1-3外侧两个热电偶1-4.2的温度数据，用于确定保温层1-3的平均温度，以便提供温度补偿。

应用本具体实施方式测量不锈钢1Cr18Ni9Ti的导热系数时，不锈钢的直径为25mm、轴向高为5mm、环境温度为28℃，底部加热后均热板1-6温度控制在80℃，大约2小时后系统温度达到稳定(即当处理控制器3上显示每个测试点的温度变化均在0.5℃以内时，即可认为轴向内流传输已达到稳态)，开始采集测试温度，10个热电偶1-4.所测的从下至上的十个温度采集点的温度值分别为：74.8℃、71.7℃、68.7℃、65.8℃、62.9℃；47.4℃、44.8℃、42.1℃、39.3℃、36.9℃。通过计算测得的不锈钢1Cr18Ni9Ti的导热系数的值为16.71，而在工程材料使用手册里，该材料的导热系数推荐值为16.3，测试误差仅为2.5％，较申请号为201210073812.X的背景技术的测试误差3.5％，其准确度提高28.6％。

Claims (6)

1.一种基于稳态法的导热系数测量装置，包括对标准试件和待测试件加热的加热装置，冷却器，加压及固定架，温度采集器及其处理控制器，其特征在于加热装置为一整体式加热装置，其中：主加热器位于底部，上部中轴线部位为上、下标准试件及待测试件放置腔，在放置腔的四周为一整体式保温层，在保温层外正对上、下标准试件的环面上对应设置上、下壳体并在上、下壳体上各设一分别与温度补偿调控器连接的电热丝，上、下壳体之间用隔热环隔离，在上、下标准试件内和靠近上、下壳体的保温层内各设置一组热电偶；冷却器为微通道冷却装置，其中的微通散热器设于上标准试件的上端面并通过温度传感器采集该端面上的温度数据；而加压及固定架则由带立柱的底板、与立柱上端转动连接的中部带压力头的杠杆及吊于杠杆另一端的砝码组成；测量时整体式加热装置直接置于加压及固定架底板上，下标准试件及其热电偶、待测试件和上标准试件及其热电偶依次置于放置腔内，再将微通道冷却装置中的微通散热器置于上标准试件的上端面并利用杠杆中部的压力头将其轴向压紧，各组热电偶通过数据线分别与温度采集器相应的输入端口连接，温度采集器的输出端亦通过数据线与处理控制器的输入端连接，处理控制器的输出端则与温度补偿调控器连接以输出调控指令；

以上所述上、下标准试件及待测试件，其中上、下标准试件为两个几何尺寸相同、导热系数相同且已知的试件，待测试件的轴向高度小于其直径，上、下标准试件的轴向高度均不低于待测试件高度的10倍。

2.按权利要求1所述基于稳态法的导热系数测量装置，其特征在于在上、下标准试件内和靠近上、下壳体的保温层内各设置一组热电偶，其中在上、下标准试件内各设置4-6个热电偶，而在靠近上、下壳体的保温层内各设置1-2个热电偶。

3.按权利要求1所述基于稳态法的导热系数测量装置，其特征在于所述温度补偿调控器包括温度控制仪和可控硅调功器。

4.按权利要求1所述基于稳态法的导热系数测量装置，其特征在于所述微通道冷却装置包括微型泵、电机、控制器、储液槽、微通道散热器、温度传感器和过滤器；而所述微通道散热器则包括箱体及设于箱体内的微流道，带冷却介质出、入口的盖板。

5.按权利要求1所述基于稳态法的导热系数测量装置，其特征在于在微通道散热器与上标准试件的上端面、上标准试件的下端面与待测试件的上表面、待测试件的下表面与下标准试件的上端面之间均涂有导热硅胶。

6.按权利要求1所述基于稳态法的导热系数测量装置，其特征在于在主加热器与下标准试件之间设有一均热板。