CN104634811A - 一种非接触无振动低温固体界面热阻测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温固体界面热阻测试装置，下波纹管的上端和上波纹管的下端密封固定在真空罩的上端开口处；上波纹管的上端盖有一密封盖；下波纹管下端的上表面与样品架底部的下表面通过柔性导冷结构相连，下波纹管的下端与制冷机冷头的上表面接触；上波纹管上端和样品架上端及密封盖紧固在隔振支架上；上波纹管、下波纹管以及密封盖构成密闭空间，密闭空间中有一固定在样品架底部的用于安装待测样品的样品夹具。该结构能够快速抽干空气使密闭空间形成真空环境，减少更换样品时抽真空及降温时间，缩短实验周期。此外样品架上端与隔振支架紧固相连，样品架底部与下波纹管下端通过柔性导冷结构相连，隔绝制冷机工作时冷头的振动对样品架的影响。

Description

一种非接触无振动低温固体界面热阻测试装置

技术领域

本发明属于高温超导材料热物性研究领域，具体涉及一种非接触无振动低温固体界面热阻测试装置。

背景技术

低温下界面热阻的测试对传导冷却条件下材料的传热分析至关重要，其测试的准确性直接关系到系统的稳定性和可靠性。目前，界面热阻的方法可分为稳态法和瞬态法。传统的稳态法测试周期长，热流不易控制，并且需要大尺寸的样品来布置传感器。而激光光热法作为一种瞬态测试方法，大大缩短了测试周期短，具有测试样品尺寸小、非接触等特征，已经广泛应用在很多领域。因此，采用激光光热法进行材料间界面热阻的测试提高了测试效率和准确性。

由于低温下材料间界面热阻的测试需要在低温真空环境下进行，传统上在更换样品时往往需要对整个系统重新抽真空并降温，增加了实验周期。此外，采用制冷机进行降温时，制冷机工作时冷头的振动会对测试的精度造成影响。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低温固体界面热阻测试装置，其目的在于为样品提供一个较小的独立密封空间，减少了更换样品时所需抽真空及降温的时间，由此解决传统方法中实验时间较长的技术问题。并将样品架上端与隔振支架紧固相连，样品架底部下表面与下波纹管下端的上表面柔性相连，从而隔绝了制冷机工作时冷头的振动对样品架的影响。

为实现上述目的，本发明提供了一种低温固体界面热阻测试装置，其特征在于，包括样品架、样品夹具、上波纹管、下波纹管、隔振支架、真空罩和制冷机冷头，上波纹管和下波纹管分别放置于样品架外周的上部和下部，下波纹管的上端和上波纹管的下端密封固定在真空罩的上端开口处；上波纹管的上端盖有一密封盖，密封盖上开有一个用于连接真空泵的真空泵接口；下波纹管的下端的上表面与样品架的底部的下表面通过柔性导冷结构相连，所述下波纹管的下端的下表面与制冷机冷头的上表面压紧接触；上波纹管的上端和样品架的上端以及密封盖一起紧固在隔振支架上；上波纹管、下波纹管以及密封盖构成密闭空间，所述密闭空间中有一固定在所述样品架底部的上表面的用于安装待测样品的样品夹具。

上述方案通过上波纹管、下波纹管以及密封盖构成密闭空间，将待测样品安装在放置于密闭空间中的样品夹具中，在密封盖上开有真空泵接口，能够快速抽干空气使密闭空间形成真空环境；同时将样品架上端与隔振支架紧固相连，样品架底部下表面与下波纹管下端的上表面通过柔性导冷结构相连，隔绝了制冷机工作时冷头的振动对样品架的影响；从而减少了更换样品时所需抽真空的时间，缩短了实验周期，并降低了制冷机工作时冷头振动对测试精度的影响。

进一步地，在下波纹管的侧壁上，与样品夹具位于同一高度的位置对称设有两个光学窗口，同时在真空罩的相应位置也对称设置有两个光学窗口。

在下波纹管及真空罩上与样品夹具相应的位置分别设有对称的光学窗口，形成光学通道，加热激光能够通过一侧的光学窗口照射到样品的加热面对样品进行加热，探测激光能够通过另一侧的光学窗口照射到样品的探测面得到反射光强变化，从而通过反射光强信号与参考信号的比较得出两样品间的界面热阻。

优选地，柔性导冷结构的一端以焊接或螺钉压接方式与下波纹管的下端的上表面连接，另一端与螺钉焊接在一起，并将螺钉通过螺纹方式与样品架的底部的下表面紧固相连。从而可以消除或减少制冷机工作时的振动对测试产的影响并能够对样品架进行冷却。

优选地，真空罩的侧壁上对称设有两个扶手，真空罩的上端设有开口与下波纹管的上端和上波纹管的下端密封相连，真空罩的下端与底座密封相连，真空罩的底部开设一用于连接真空泵的真空泵接口。

通过真空罩形成了一个较大的密闭空间，并提供真空环境，该较大的真空空间可以包围制冷机冷头以及各种测量引线、传感器等，降低了外界环境与制冷机冷头的换热，加快降温过程。

优选地，下波纹管的下端为导热性能良好的金属板，通过螺钉或焊接方式与下波纹管的侧壁连接，起到较好的冷量传递作用，加快降温过程。

下波纹管的下端的下表面与制冷机冷头上表面通过螺钉压紧接触，从而加快冷传导速度，加快降温过程。

优选地，所述下波纹管的下端的下表面与制冷机冷头的上表面的接触界面间填充导热材料。能够进一步加快降温过程。

优选地，隔振支架下端直接与地面相接触或通过螺钉紧固在地面上。通过隔振支架结构可减少或隔绝制冷机工作时制冷机冷头对样品架产生的振动。

优选地，样品夹具底面与样品架底部的上表面之间填充有导热材料。可进一步加快降温过程。

优选地，样品夹具包括施力螺栓、弹簧、均力绝热垫片和基座，施力螺栓和均力绝热垫片的中心都有一同轴的小孔，均力绝热垫片用绝热材料做成，基座的上部有一用来装样品和拧施力螺栓的螺纹孔，基座上开一锥形孔，该锥形孔与均力绝热垫片的中心孔同轴。

施力螺栓和均力绝热垫片的中心都有一同轴的小孔，可允许加热激光通过，基座上的锥形孔能够保证探测激光照射到样品的探测面并能够反射出来，均力绝热垫片为理论模型提供绝热的边界条件，并能够均匀加载在样品上的压力，通过旋转施力螺栓来改变两样品之间的压力。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过将制冷机冷头上表面与下波纹管下端相接触；样品架底部通过柔性导冷结构与下波纹管底部相连；样品夹具安装在样品架的底部；下波纹管上端面和上波纹管上端面，通过螺栓固定在真空罩上端的安装孔位；密封盖安装在上波纹管的上端，并与隔振支架固定在一起，隔振支架固定于基础建筑上；可将待测材料制作成两个薄片样品，安装在样品夹具中，由调制信号调理后的加热激光通过光学窗口对样品一侧进行加热，样品内产生热波，探测激光对样品的另一侧信号进行检测，样品两侧信号间的相位差反映了固体接触界面间的热阻。发明采用柔性导冷结构为被测样品冷却至低温建立了有效的导热途径，采用波纹管和隔振支架结构可减少或隔绝制冷机工作时冷头对样品架产生的振动，消除了制冷机冷头振动对样品完整性和测量精度的影响；采用激光光热方法对样品进行非接触式测量，避免了接触式测量对样品的破坏；将样品置于波纹管构成的独立小密封空腔内，减少了更换样品时所需抽真空及制冷的时间，缩短了实验周期。

附图说明

图1是激光光热法测试界面热阻的原理示意图；

图2是本发明中激光光热法测试界面热阻的系统结构示意图；

图3是本发明中非接触无振动低温固体界面热阻测试装置结构示意图；

图4是图3所示装置中上波纹管的结构示意图；

图5是图3所示装置中下波纹管的结构示意图；

图6是图3所示装置中密封盖的结构示意图；

图7是图3所示装置中柔性导冷结构的结构示意图；

图8是图3所示装置中隔振支架的结构示意图；

图9是图3所示装置中真空罩的结构示意图；

图10是图3所示装置中底座的结构示意图；

图11是图3所示装置中样品架的结构示意图；

图12是图3所示装置中样品夹具的结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-真空泵接口  2-密封盖  3-样品架  4-上波纹管  5-光学窗口  6-样品夹具  7-下波纹管  8-柔性导冷结构  9-制冷机  10-密封垫圈  11-隔振支架12-真空罩  13-制冷机冷头  14-底座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，为激光光热法测试界面热阻的原理示意图。实验过程中两样品片叠放在一起安装在样品夹具中，由信号发生器产生一定频率的调制信号，并分成两路信号，一路作为参考信号输入锁相放大器，另一路用来调制加热激光，加热激光照射到样品1的一侧表面（加热面），在样品内产生热波，热波经过样品内部及接触界面层到达样品2的表面（探测面）时，探测面的温度将随调制频率而波动。探测激光器产生探测激光照射样品的探测面，探测面温度的变化将引起光反射率的变化，从而引起反射光强度的变化。反射光通过滤光片进入光电二极管，光电二极管将光强变化信号转化为电流强度变化信号输入锁相放大器信号输入端，锁相放大器通过对输入信号与参考信号的运算得出两信号的相位差，将该相位差带入理论计算公式（1）可得出两样品间的界面热阻。

其中k₁、k₂分别为样品1与样品2的热导率；ρ₁、ρ₂分别为样品1与样品2的密度；C₁、C₂分别为样品1与样品2的比热容；b₁、b₂分别为样品1与样品2的厚度；，α₁、α₂分别为样品1与样品2的热扩散率；为实验测试所得的相位差，f为加热激光的调制频率。

如图2所示，为基于图1中的激光光热法测试界面热阻原理，利用本发明界面热阻测试装置构建的界面热阻测试系统结构示意图。

如图3所示，为本发明中非接触无振动低温固体界面热阻测试装置结构示意图；该装置主要包括：样品架3、上波纹管4、样品夹具6、下波纹管7、隔振支架11、真空罩12和制冷机冷头13，上波纹管4和下波纹管7分别放置于样品架3外周的上部和下部，下波纹管7的上端和上波纹管4的下端密封固定在真空罩12的上端开口处；上波纹管4的上端盖有一密封盖2，密封盖2上开有一个用于连接真空泵的真空泵接口1；下波纹管7的下端的上表面与样品架3的底部的下表面通过柔性导冷结构8相连，所述下波纹管7的下端的下表面与制冷机冷头13的上表面通过螺钉压紧接触；上波纹管4的上端和样品架3的上端以及密封盖2一起通过螺纹方式紧固在隔振支架11上；上波纹管4、下波纹管7以及密封盖2构成一密闭空间，所述密闭空间中有一固定在所述样品架3底部的上表面的用于安装待测样品的样品夹具6。

上波纹管4的结构如图4所示，下波纹管7的结构如图5所示。在下波纹管7的侧壁上，与样品夹具6位于同一高度的位置对称设有两个光学窗口5，同时在真空罩12的相应位置也对称设置有两个光学窗口5，允许激光进出。

下波纹管7上端和上波纹管4下端经过密封垫圈与真空罩12顶端开口紧固相连，上波纹管4的上端经密封垫圈与密封盖2紧固相连，密封盖2上设有用于连接真空泵的真空泵接口1以及各类传感或控制器件如真空度、温度传感器、加热器等的接线柱或密封接线插头。密封盖2的结构如图6所示。上波纹管4、下波纹管7以及密封盖2构成密闭空间。

制冷机冷头13的上表面与下波纹管7的下端的下表面良好接触，为提高传热效率可在两接触界面间填充导热系数高的材料（如导热膏）。优选地，下波纹管7的下端可通过螺纹方式与制冷机冷头13进行紧固连接。

为了消除或减少制冷机工作时的振动对测试产的影响并能够对样品架3进行冷却，样品架的上端与隔振支紧固相连，下波纹管7的底面通过柔性导冷结构8与样品架3相连。柔性导冷结构8为金属编织带或金属片等导冷性能良好的柔性金属体，可以用焊接或螺钉压接方法与下波纹管底面连接，柔性导冷结构8的另一端与相同材质的螺钉焊接在一起，并将螺钉通过螺纹方式与样品架3的底面紧固相连，柔性导冷结构8的结构示意图如图7所示。

上波纹管4和样品架3上端及密封盖2一起通过螺纹方式紧固在隔振支架11上，隔振支架11包括3个支脚和一个圆环结构，支脚为L形且均匀分布在圆环结构的外周。隔振支架11刚度较大，稳固性较好，下端固定于基础建筑上，例如可直接与地面相接触或通过螺钉紧固在地面上，隔振支架11的结构示意图如图8所示。

真空罩12采用气密性较好的材质制成（如不锈钢），其侧壁对称设有两个光学窗口和两个扶手，上端设有开口与上、下波纹管4、7密封相连，下端与底座密封相连。真空罩12的结构如图9所示。底座14的结构如图10所示，为不锈钢结构，底座的下底板有四个轮子，另外还有四个用来调节底座高度的螺钉。

样品夹具6底面与样品架3底面良好接触，样品架3的结构如图11所示，为提高传热效率可在接触界面间填充导热系数较高的材料。该装置同时可对不同压力下的界面热阻进行测试，故采用压力可调的夹具，整套夹具的设计如图12所示，主要包括施力螺栓a、弹簧b、均力绝热垫片c和基座d，通过旋转施力螺栓a来改变两样品之间的压力。施力螺栓a和均力绝热垫片c的中心都有一同轴的小孔，可允许加热激光通过。均力绝热垫片c是用绝热材料（如环氧树脂）做成，为理论模型提供绝热的边界条件，并能够均匀加载在样品上的压力。基座d的上部对应的有一螺纹孔用来装样品和拧施力螺栓a。并在基座d上开一锥形孔，该锥形孔能够保证探测激光照射到样品的探测面并能够反射出来，并且保证该锥形孔与均力绝热垫片的中心孔同轴。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低温固体界面热阻测试装置，其特征在于，包括样品架（3）、样品夹具（6）、上波纹管（4）、下波纹管（7）、隔振支架（11）、真空罩（12）和制冷机冷头（13），上波纹管（4）和下波纹管（7）分别放置于样品架（3）外周的上部和下部，下波纹管（7）的上端和上波纹管（4）的下端密封固定在真空罩（12）的上端开口处；上波纹管（4）的上端盖有一密封盖（2），密封盖（2）上开有一个用于连接真空泵的真空泵接口（1）；下波纹管（7）的下端的上表面与样品架（3）的底部的下表面通过柔性导冷结构（8）相连，所述下波纹管（7）的下端的下表面与制冷机冷头（13）的上表面压紧接触；上波纹管（4）的上端和样品架（3）的上端以及密封盖（2）一起紧固在隔振支架（11）上；上波纹管（4）、下波纹管（7）以及密封盖（2）构成密闭空间，所述密闭空间中有一固定在所述样品架（3）底部的上表面的用于安装待测样品的样品夹具（6）。

2.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于：在下波纹管（7）的侧壁上，与样品夹具（6）位于同一高度的位置对称设有两个光学窗口（5），同时在真空罩（12）的相应位置也对称设置有两个光学窗口（5）。

3.如权利要求1或2所述的测试装置，其特征在于：柔性导冷结构（8）的一端以焊接或螺钉压接方式与下波纹管（7）的下端的上表面连接，另一端与螺钉焊接在一起，并将螺钉通过螺纹方式与样品架（3）的底部的下表面紧固相连。

4.如权利要求1至3任一项所述的测试装置，其特征在于：真空罩（12）的侧壁上对称设有两个扶手，真空罩（12）的上端设有开口与下波纹管（7）的上端和上波纹管（4）的下端密封相连，真空罩（12）的下端与底座（14）密封相连，真空罩（12）的底部开设一用于连接真空泵的真空泵接口（1）。

5.如权利要求1至4任一项所述的测试装置，其特征在于，下波纹管（7）的下端为导热性能良好的金属板，通过螺钉或焊接方式与下波纹管（7）的侧壁连接。

6.如权利要求1至5任一项所述的测试装置，其特征在于，所述下波纹管（7）的下端的下表面与制冷机冷头（13）的上表面的接触界面间填充导热材料。

7.如权利要求1至6任一项所述的测试装置，其特征在于，隔振支架（11）下端直接与地面相接触或通过螺钉紧固在地面上。

8.如权利要求1至7任一项所述的测试装置，其特征在于，样品夹具（6）底面与样品架（3）底部的上表面之间填充有导热材料。

9.如权利要求1至8任一项所述的测试装置，其特征在于，样品夹具（6）包括施力螺栓、弹簧、均力绝热垫片和基座，施力螺栓和均力绝热垫片的中心都有一同轴的小孔，均力绝热垫片用绝热材料做成，基座的上部有一用来装样品和拧施力螺栓的螺纹孔，基座上开一锥形孔，该锥形孔与均力绝热垫片的中心孔同轴。