CN106053529A - 一种用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置及方法，涉及导热系数测试领域。所述用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置设有安装平台、比较板、隔热保温层、热水室、冷水室、流量计、水泵、恒温水箱、水温检测与控制模块、流量监测与控制模块、温度监测与控制模块。所述用比较板测量多孔金属材料导热系数的方法：步骤1：安装待测多孔金属材料样品；步骤2：装置部分与监控部分的连接；步骤3：加热待测多孔金属材料样品；步骤4：待测多孔金属材料样品导热系数的测量。因不需要准确测量热流参数，而省去了附设热流量计及补偿加热器等工作，从而实现简单装置低成本、快速、较为准确测量多孔金属材料导热系数的目的。

Description

一种用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置及方法

技术领域

本发明涉及导热系数测试领域，特别是涉及基于稳态法的一种用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置及方法。

背景技术

多孔金属材料集合了金属(机械强度高、导热导电性能好、耐高温、耐腐蚀等)与多孔材料(轻质、柔韧性好等)的优点，使其在不同应用领域能够产生特殊应用，因此在一般工业领域及高新技术领域都得到越来越广泛的应用(Zhengping Xi,Jilei Zhu,HuipingTang,Qingbo Ao,Hao Zhi,Jianyong Wang,Cheng Li.Progress of ApplicationResearches of Porous Fiber Metals[J].Materials,2011,4(73):816-824)。以金属纤维为原材料，采用低温固相烧结技术制造的多孔金属纤维烧结板，因具有大孔隙率、全联通均匀孔径，目前已经或者潜在的应用领域包括过滤与分离、催化剂载体、电极材料、吸音材料、电磁屏蔽、能量吸收、热量传输等领域(周伟，汤勇，潘敏强，向建化，万珍平.多孔金属纤维烧结板制造技术及应用研究进展[J].材料导报，2010,24(1)：5-9)。尤其在热量传输领域如隔热保温以及散热等方面，多孔金属纤维材料表现出巨大吸引力(奚正平，汤慧萍，朱纪磊，张健。金属多孔材料在能源与环保中的应用[J].稀有金属材料与工程，2006,35(2)：413-417)。

目前大多数多孔金属材料的导热性能研究工作都是针对泡沫金属，对纤维类多孔金属材料的导热性能研究几乎空白，多孔金属纤维材料的无序结构给其建立模型带来极大困难(宋丽薇,李艳宁,李英,王永洪,程继强,刘景旺.基于ARM的双平板导热系数测定仪的研制[J].电子测量技术，2007,30(9)：81-83)。材料导热系数数据缺失为其在传热领域的应用造成困扰。导热系数的测试方法根据其宏观传统机理可以分为稳态法和瞬态法两种。根据Fourier-Biot热传导方程(1)，一维方向传经样品的热流与样品的导热系数表示为如下关系：

$\mathrm{\λ}=-\frac{Q\mathrm{\Δ}x}{A\mathrm{\Δ}T}=-\frac{q\mathrm{\Δ}x}{\mathrm{\Δ}T}---\left(1\right)$

式中：

ΔT＝T2-T1

T2,T1——样品的热端和冷端的温度

λ——样品在T2及T1范围内的平均导热系数

Q——通过样品的热流量

q——通过样品的热流量密度

A——垂直于热流方向的样品截面积

——平行于热流方向的温度梯度

由此可见，为了测量多孔金属材料的导热系数，只需将规则形状的样品一端置于温度稳定的热源,另一端置于温度稳定的冷阱。在稳态下测出一维方向传经样品的热流量及样品截面积,并测出样品上纵向的温度梯度即可计算得出该样品的导热系数(闵凯，刘斌，温广.导热系数测量方法与应用分析[J].保鲜与加工，2005,6:35-38)。

稳态法测量导热系数的困难主要在于相关参量的准确获得，为了得到准确的热流，需要附设补偿加热器并附加保温措施；为了获得准确的温度，需要多根热电偶。即便如此，在实验过程中，还需精心设计实验条件，以保证实验结果的正确性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供可省去附设热流量计及补偿加热器等工作，在不测量准确的热流的情况下，实现简单装置低成本、快速、较为准确测量多孔金属材料导热系数目的的一种用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置。

本发明的另一目的在于提供用比较板测量多孔金属材料导热系数的方法。

所述用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置设有安装平台、比较板、隔热保温层、热水室、冷水室、流量计、水泵、恒温水箱、水温检测与控制模块、流量监测与控制模块、温度监测与控制模块；

所述隔热保温层设在安装平台四周；安装平台顶部与热水室底部贴合，安装平台底部与冷水室顶部贴合，隔热保温层与热水室和冷水室内部形成密封空腔，所述密封空腔用于放置待测多孔金属纤维材料和比较板，密封空腔即为所述安装平台；热水室与恒温水箱、水泵和流量计相连，通过抽取热水为待测多孔金属材料样品及比较板提供均一稳定热流；冷水室与恒温水箱、水泵、流量计相连，通过不断抽取冷水为待测多孔金属材料样品及比较板强制冷却，使待测多孔金属材料样品及比较板内形成较大的温度梯度；

所述水温检测与控制模块用于调节恒温水箱内水的温度；流量监测与控制模块通过读取 流量计数据、控制水泵的转速达到为热水室、冷水室提供恒定流量水的目的；温度监测与控制模块用于对接收的温度数据进行显示、保存，且根据测量装置达到热平衡时接收到的各测温点的温度数据，计算出待测多孔金属材料样品的导热系数。

所述隔热保温层可采用环状保温层，环状保温层设置在安装平台周向上，隔热保温层上端与比较板上侧平齐且贴合热水室底部，隔热保温层下端与待测多孔金属材料样品下侧平齐且贴合冷水室顶部；

所述隔热保温层可采用石棉和聚苯乙烯(EPS)塑料的复合层板结构，除具有良好的隔热保温效果外还具有一定结构强度，所述隔热保温层的厚度可为15～20mm。

所述热水室及冷水室均可采用紫铜，具有良好的导热性能。

所述比较板与待测多孔金属材料样品几何尺寸相同，且所述比较板的材质选择标准为与待测多孔金属材料样品的导热系数值相近。

所述比较板的高温测温点设在所述比较板热端与热水室底部贴合处；由于所述比较板冷端与待测多孔金属材料样品热端紧密贴合两者温度一致，故所述比较板低温测温点与待测多孔金属材料样品高温测温点设置在两者贴合处；所述待测多孔金属材料样品的低温测温点设在其冷端与冷水室顶部贴合处；每处测温点设置四条热电偶测其温度值。

所述水泵为齿轮泵。

所述多孔金属材料样品可为泡沫金属或金属纤维烧结板等材料。

所述用比较板测量多孔金属材料导热系数的方法，包括以下步骤：

步骤1：将比较板与待测多孔金属样品紧密贴合叠放在热水室、冷水室及保温隔热层围成空腔——即所述安装平台内，通过一定的预紧力，使得所述比较板热端与热水室底部紧密贴合，所述比较板冷端与待测多孔金属材料样品热端紧密贴合，待测多孔金属材料样品冷端与冷水室顶部紧密贴合；保温隔热层紧密包裹着所述比较板和待测多孔金属材料样品；

步骤2：把比较板热端与热水室底部贴合处选取为比较板的高温测温点a；把比较板冷端与待测多孔金属材料样品热端贴合处选取为比较板低温测温点和待测多孔金属材料样品高温测温点b；把所述待测多孔金属材料样品的冷端与冷水室顶部贴合处选取为待测多孔金属材料的低温测温点c；测温点a,b,c处热电偶通过导线穿过所述保温隔热层上的走线孔与温度监测与控制模块相连；所述恒温水箱与水温检测与控制模块相连；所述水泵与流量计分别于流量监测与控制模块相连。

步骤3：通过水温检测与控制模块开启连接热水室的恒温水箱将水温升至某一温度，同时开启所述水泵和流量计，通过所述流量监测与控制模块向热水室泵送恒定流量的热水；同 样的，开启连接所述冷水室的恒温水箱将水温保持室温，同时开启所述水泵和流量计，向冷水室泵送恒定流量的冷水；持续泵送热水和冷水进热水室和冷水室，直到测温点a,b,c的温度恒定不变。

步骤4：温度监测与控制模块实时接收并存储各测温点的温度值，当各测温点温度的平均值在一分钟之内变化小于0.2℃时，认为系统温度达到平衡状态，此时根据已知比较板的导热系数为λ₀可计算出待测多孔金属材料的导热系数λ₁：

${\mathrm{\λ}}_1={\mathrm{\λ}}_0\frac{T_a-T_b}{T_b-T_c}$

式中，λ₀为比较板的导热系数，Ta,Tb,Tc分别为测温点a,b,c处的温度的平均值。

本发明的有益效果是：提供了一种用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置及方法，因不需要准确测量热流参数，而省去了附设热流量计及补偿加热器等工作，从而实现简单装置低成本、快速、较为准确测量多孔金属材料导热系数的目的。

附图说明

图1是本发明用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置实施例的整体结构示意图；

图2是本发明用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置实施例的传热结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，本发明用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置实施例，包括装置部分1和检测控制部分2，装置部分1用来安装待测多孔金属材料样品3并提供稳定热流，监控部分2实现装置功能控制及待测多孔金属材料样品3导热系数测试。

所述装置部分1包括安装平台4、比较板11、隔热保温层12、热水室13、冷水室14、流量计151、流量计152、水泵161、水泵162、恒温水箱171、恒温水箱172。在安装平台4四周设置有环形的隔热保温层12；安装平台4顶部与热水室13底部紧密贴合，安装平台4底部与冷水室14顶部紧密贴合，使隔热保温层12与热水室13和冷水室14内部形成密封的用来放置待测多孔金属纤维材料样品3和比较板11的空腔，此空腔即为所述安装平台4；热水室13与恒温水箱171、水泵161和流量计151相连，通过抽取热水为待测多孔金属材料样品3及比较板11提供均一稳定热流；冷水室14与恒温水箱172、水泵162和流量计152相连，通过不断抽取冷水为待测多孔金属材料样品3及比较板11强制冷却，使待测多孔金属材 料样品3及比较板11内形成较大的温度梯度；

所述隔热保温层12为环状结构，设置在安装平台4周向上，隔热保温层12上端与比较板11上侧平齐且紧密贴合热水室13底部，隔热保温层12下端与待测多孔金属材料样品3下侧平齐且紧密贴合冷水室14顶部；

所述检测控制部分包括：水温检测与控制模块21、流量监测与控制模块22、温度监测与控制模块23。其中，水温检测与控制模块21用来调节恒温水箱171、恒温水箱172内水的温度；流量监测与控制模块22，通过读取流量计151、流量计152示数、控制水泵161、水泵162的转速达到为热水室13、冷水室14提供恒定流量水的目的；温度监测与控制模块23用来对接收的温度数据进行显示、保存，且根据测量装置达到热平衡时接收到的各测温点的温度数据，计算出待测多孔金属材料样品3的导热系数。

所述隔热保温层12为石棉和聚苯乙烯(EPS)塑料的复合层板结构，除具有良好的隔热保温效果外还具有一定结构强度，所述隔热保温层厚度为15～20mm。

所述热水室13及冷水室14均为紫铜材质，具有良好的导热性能。

所述比较板11与待测多孔金属材料样品3几何尺寸相同，且所述比较板材质选择标准为与待测多孔金属材料样品3的导热系数值相近。如待测多孔金属材料样品3为铜纤维烧结板等材料时，所述比较板11可选不锈钢板。

所述比较板11的高温测温点181设在所述比较板11热端与热水室13底部贴合处；由于所述比较板11冷端与待测多孔金属材料样品3热端紧密贴合两者温度一致，故所述比较板11低温测温点182与待测多孔金属材料样品3高温测温点182设置在两者贴合处；所述待测多孔金属材料样品3的低温测温点183设在待测多孔金属材料样品3冷端与冷水室14顶部贴合处；每处测温点设置四条热电偶测其温度值。

所述水泵161、水泵162为齿轮泵。

基于一种用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置的测试方法，通过以下步骤可完成多孔金属材料样品3导热系数的测量：

步骤1：安装待测多孔金属材料样品

将所述比较板11与待测多孔金属样品3紧密贴合叠放在热水室13、冷水室14及保温隔热层12围成空腔——即所述安装平台4内，通过一定的预紧力，使得所述比较板11热端与热水室13底部紧密贴合，所述比较板11冷端与待测多孔金属材料样品3热端紧密贴合，待测多孔金属材料样品3冷端与冷水室14顶部紧密贴合；保温隔热层12紧密包裹着所述比较板11和待测多孔金属材料样品3。

步骤2：装置部分与监控部分的连接

把所述比较板11热端与热水室13底部贴合处选取为所述比较板11的高温测温点181；把所述比较板11冷端与待测多孔金属材料样品3热端贴合处选取为所述比较板11低温测温点和待测多孔金属材料样品3高温测温点182；把所述待测多孔金属材料样品3的冷端与冷水室14顶部贴合处选取为待测多孔金属材料3的低温测温点183；测温点181/182/183处热电偶通过导线穿过所述保温隔热层12上的走线孔与监控部分的温度监测与控制模块23相连；所述恒温水箱171、恒温水箱172与水温监控21模块相连；所述流量计151、流量计152与水泵161、水泵162分别于流量监测与控制模块22相连。

步骤3：加热待测多孔金属材料样品

通过所述水温检测与控制模块21开启连接所述热水室13的恒温水箱171将水温升至某一温度，同时开启所述水泵161和流量计151，通过所述流量监测与控制模块22向热水室13泵送恒定流量的热水；同样的，开启连接所述冷水室14的恒温水箱172将水温保持室温，同时开启所述水泵162和流量计152，向冷水室14泵送恒定流量的冷水；持续泵送热水和冷水进热水室13和冷水室14，直到测温点181,182,183的温度恒定不变。

步骤4：待测多孔金属材料样品导热系数的测量

所述温度监测与控制模块23实时接收并存储各测温点的温度值，当各测温点温度的平均值在一分钟之内变化小于0.2℃时，认为系统温度达到平衡状态。此时根据已知比较板11的导热系数为λ₀的可计算出待测多孔金属材料3的导热系数λ₁：

${\mathrm{\λ}}_1={\mathrm{\λ}}_0\frac{T_a-T_b}{T_b-T_c}$

式中，λ₀为比较板11的导热系数，Ta,Tb,Tc分别为测温点181,182,183处的温度的平均值。

本发明不需要获得准确的热流，从而省去了附设热流量计及补偿加热器等工作，实现简单装置低成本、快速、较为准确测量多孔金属材料导热系数的目的。

Claims (9)

1.用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置，其特征在于设有安装平台、比较板、隔热保温层、热水室、冷水室、流量计、水泵、恒温水箱、水温检测与控制模块、流量监测与控制模块、温度监测与控制模块；

所述隔热保温层设在安装平台四周；安装平台顶部与热水室底部贴合，安装平台底部与冷水室顶部贴合，隔热保温层与热水室和冷水室内部形成密封空腔，所述密封空腔用于放置待测多孔金属纤维材料和比较板，密封空腔即为所述安装平台；热水室与恒温水箱、水泵和流量计相连，通过抽取热水为待测多孔金属材料样品及比较板提供均一稳定热流；冷水室与恒温水箱、水泵、流量计相连，通过不断抽取冷水为待测多孔金属材料样品及比较板强制冷却，使待测多孔金属材料样品及比较板内形成较大的温度梯度；

所述水温检测与控制模块用于调节恒温水箱内水的温度；流量监测与控制模块通过读取流量计数据、控制水泵的转速达到为热水室、冷水室提供恒定流量水的目的；温度监测与控制模块用于对接收的温度数据进行显示、保存，且根据测量装置达到热平衡时接收到的各测温点的温度数据，计算出待测多孔金属材料样品的导热系数。

2.如权利要求1所述用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置，其特征在于所述隔热保温层采用环状保温层，环状保温层设置在安装平台周向上，隔热保温层上端与比较板上侧平齐且贴合热水室底部，隔热保温层下端与待测多孔金属材料样品下侧平齐且贴合冷水室顶部。

3.如权利要求1所述用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置，其特征在于所述隔热保温层采用石棉和聚苯乙烯塑料的复合层板结构。

4.如权利要求1所述用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置，其特征在于所述隔热保温层的厚度为15～20mm。

5.如权利要求1所述用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置，其特征在于所述热水室及冷水室均采用紫铜。

6.如权利要求1所述用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置，其特征在于所述比较板与待测多孔金属材料样品几何尺寸相同。

7.如权利要求1所述用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置，其特征在于所述水泵为齿轮泵。

8.如权利要求1所述用比较板测量多孔金属材料导热系数的装置，其特征在于所述多孔金属材料样品为泡沫金属或金属纤维烧结板。

9.用比较板测量多孔金属材料导热系数的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：将比较板与待测多孔金属样品紧密贴合叠放在热水室、冷水室及保温隔热层围成空腔——即所述安装平台内，通过一定的预紧力，使得所述比较板热端与热水室底部紧密贴合，所述比较板冷端与待测多孔金属材料样品热端紧密贴合，待测多孔金属材料样品冷端与冷水室顶部紧密贴合；保温隔热层紧密包裹着所述比较板和待测多孔金属材料样品；

步骤2：把比较板热端与热水室底部贴合处选取为比较板的高温测温点a；把比较板冷端与待测多孔金属材料样品热端贴合处选取为比较板低温测温点和待测多孔金属材料样品高温测温点b；把所述待测多孔金属材料样品的冷端与冷水室顶部贴合处选取为待测多孔金属材料的低温测温点c；测温点a,b,c处热电偶通过导线穿过所述保温隔热层上的走线孔与温度监测与控制模块相连；所述恒温水箱与水温检测与控制模块相连；所述水泵与流量计分别于流量监测与控制模块相连；

步骤3：通过水温检测与控制模块开启连接热水室的恒温水箱将水温升至某一温度，同时开启所述水泵和流量计，通过所述流量监测与控制模块向热水室泵送恒定流量的热水；同样的，开启连接所述冷水室的恒温水箱将水温保持室温，同时开启所述水泵和流量计，向冷水室泵送恒定流量的冷水；持续泵送热水和冷水进热水室和冷水室，直到测温点a,b,c的温度恒定不变；

步骤4：温度监测与控制模块实时接收并存储各测温点的温度值，当各测温点温度的平均值在一分钟之内变化小于0.2℃时，认为系统温度达到平衡状态，此时根据已知比较板的导热系数为λ₀可计算出待测多孔金属材料的导热系数λ₁：

${\mathrm{\λ}}_1={\mathrm{\λ}}_0\frac{T_a-T_b}{T_b-T_c}$

式中，λ₀为比较板的导热系数，Ta,Tb,Tc分别为测温点a,b,c处的温度的平均值。