CN106093113B - 一种不同堆积状态下颗粒体的导热率测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种不同堆积状态下颗粒体的导热率测量装置，底座和外壳构成导热率测量装置的壳体；压板螺柱固定在所述底座上，用于提供施加堆积压力时所需的支撑；压板螺母与压板螺柱配合，用于施加堆积压力；压板用于将压力施加于堆积在保持架内的颗粒体；压力传感器用于测量压板作用于其下方的总压力；主加热器为圆形结构，辅助加热器为与所述主加热器同心的圆环形结构；加热器和辅助加热器放置在颗粒体顶部；保持架为具有一定高度的圆环形结构，其圆环内部用于堆积颗粒体；冷却器放置在底座上，用于控制堆积颗粒体底部的温度。本发明可以有效地模拟颗粒体不同的堆积条件，消除了端面接触热阻。

Description

一种不同堆积状态下颗粒体的导热率测量装置
技术领域
本发明属于热物理测量技术领域，特别是涉及一种不同堆积状态下颗粒体的导热率测量装置。
背景技术
在材料导热率测量领域，现在已经有很多的测试方法。最常见的方法有保护热板法、热线法、同心管、同心球等方法。这些方法对于颗粒体导热率的测量而言，都存在一定的弊端。例如，保护热板法无法消除两端接触热阻的影响，无法模拟不同气氛条件下的导热率；热线法、同心圆管法和同心球法无法模拟不同堆积压力条件下的导热率，无法消除端面接触热阻的影响。
发明内容
本发明提出一种不同堆积状态下颗粒体的导热率测量装置，可以有效地模拟颗粒体不同的堆积条件，消除了端面接触热阻。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种不同堆积状态下颗粒体的导热率测量装置，其特征在于，包括底座、外壳、压板螺柱、压板螺母、压板、压力传感器、主加热器、辅助加热器、冷却器、保持架；所述底座和外壳构成所述导热率测量装置的壳体；所述压板螺柱固定在所述底座上，用于提供施加堆积压力时所需的支撑；所述压板螺母与压板螺柱配合，用于施加堆积压力；所述压板用于将压力施加于堆积在保持架内的颗粒体；所述压力传感器用于测量压板作用于其下方的总压力，位于与压板与主加热器之间；所述主加热器为圆形结构，所述辅助加热器为与所述主加热器同心的圆环形结构；加热器和辅助加热器放置在颗粒体顶部；所述保持架为具有一定高度的圆环形结构，其圆环内部用于堆积颗粒体；冷却器放置在底座上，用于控制堆积颗粒体底部的温度；在主加热器的下表面和冷却器的上表面，沿径向分布若干热电偶测温点。
进一步，所述压板为叉架状板结构，其分叉与多个压板螺柱相对应。
进一步，所述底座上设置有过孔。
进一步，包括多个保持架，保持架的底部和顶部分别设置有阴阳凸缘，用于多个保持架上下重叠时稳固地相互拼接在一起；最下方的保持架的凸缘与冷却器的外缘配合。
进一步，使用步骤为：
步骤一，调整好保持架的重叠高度，向保持架内堆填颗粒体，堆填完毕并铺平后，在颗粒体正上方放置主加热器，在主加热器外套上辅助加热器；在主加热器上方放置压力传感器并盖上压板；
步骤二，旋转压板螺母，控制压板压力的大小，通过压力传感器测量压力值，同时测量颗粒体堆积体的高度；
步骤三，罩上外壳，调整测量装置内部的气氛环境；
步骤四，开启冷却器、主加热器和辅助加热器，当冷却器和主加热器上的热电偶测温点的温度均与设定工况的温度一致时，记录冷却器、主加热器和辅助加热器的工作功率；
步骤五，根据所述温度和工作功率计算热阻；
步骤六，通过增加或者减少保持架的数量调整颗粒体堆积体的体积，然后重复步骤一至五；多次重复步骤六，获得多组量颗粒体堆积体的高度值和热阻值；
步骤七，使用最小二乘法拟合所述多组量颗粒体堆积体的高度值和热阻值获得两个接触端面的热阻值；
步骤八，通过控制压板螺母的压紧程度，改变所施加的压力大小，重复步骤一至七，获得不同的单位长度的热阻值，再进行曲线拟合获得压力大小与热阻之间的关系。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
1、本发明加热装置采用同心的双加热器结构，外圈加热器是保护用加热器，弥补径向的热量散失。测量时，通过调节外圈的加热功率，使得内圆径向上的温度梯度足够小，即可认为没有热量散失。
2、为了控制测量装置的体积和重量，同时方便装装填待测材料，采用了多段保持架结构，而非在热板两侧对称布置待测材料。
3、密封的外壳可以保证各种需要的气体或真空环境，施压装置可以可控地提供一定的压力，这两种装置能够有效地模拟颗粒体不同的堆积条件。
附图说明
图1是不同堆积状态下颗粒体的导热率测量装置的结构示意图。
图2是主加热器和冷却器上的热电偶分布示意图。
图3是使用本发明进行导热率测量时最小二乘拟合结果示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明不同堆积状态下颗粒体的导热率测量装置的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
结合附图，本发明不同堆积状态下颗粒体的导热率测量装置包括如下部件：
外壳1，外壳1为一个一端封闭的壳体结构，用于在导热率测量过程中阻隔外部气体对测量结果的干扰。
压板螺柱2，压板螺柱2为一长螺柱，固定在底座8上，用于提供施加堆积压力所需的支撑。
压板螺母3，与压板螺柱配合，用于施加堆积压力。
压板4，为一叉架状板，用于将压力施加于整个实验段。
辅助加热器5，一个与主加热器同心的环形加热装置，用来提供辅助热流，保证主加热器的热流流向与待测材料6上下轴线平行。
待测材料6，为需要测量导热率的颗粒体，其在测量装置内堆积为圆柱状，置于主加热器10和冷却器中间，上下表面分别紧贴加热器和冷却器。
冷却器7，为圆形换热器，其内部通冷却水或冷却油。控制待测材料底部的温度，以便测量不同温度区间内的材料导热率。
底座8，一个圆形底板，用以支承整个实验装置，同时与外壳1一起构成封闭空间，防止内外部气体交换。底座8上设置有过孔，用于测量线的引出、气泵的连接和冷却液的循环。
保持架9，保持架9为具有一定高度的圆环形结构，其圆环内部用于堆积待测材料6。保持架9的底部和顶部分别有阴阳凸缘，用于多个保持架9上下重叠时可以稳固地相互拼接在一起。使用时，可以根据待测材料6的多少来确定保持架9重叠的个数，从而在多个保持架9内部形成相应体积的堆积容量，用于防止待测材料向四周散落。最下方的保护圈凸缘和冷却器外缘配合，坐于冷却器上。
主加热器10，一个圆形的加热装置，实验中位于待测材料的上方，辅助加热器的内侧，用以提供实验中被测量的主要加热功率。
压力传感器11，圆形的测量装置，位于压板4和主加热器10之间，用于测量压板4作用于下方的总压力。
在主加热器10的下表面和冷却器7的上表面，沿径向分布若干热电偶测温点，用于测量主加热器10和冷却器7的温度。
本发明不同堆积状态下颗粒体的导热率测量装置的使用过程如下：
1、根据需要测量导热率的颗粒材料的体积，调整保持架9的重叠高度，使之略长于待测颗粒材料的堆积厚度。
2、向保持架9内填颗粒材料，堆完铺平后，在颗粒材料正上方放置主加热器10，在主加热器10外套上辅助加热器5。
3、在加热器上方放置压力传感器11并盖上压板4，通过旋紧压板4上部的压板螺母3，控制施加压力的大小，压力通过压力传感器11输出显示在计算机上，同时通过测量压板4顶部高度，计算压紧后待测物料的厚度L1。
4、罩上外壳1，通过真空泵或者气瓶控制测量装置内部的气氛环境。
5、启动冷却板循环泵，让冷却水通入冷却器7，再打开主、辅加热器的电源进行加热。
6、通过调整主加热器、辅助加热器以及冷却泵的功率，使得沿着径向分布的热电偶测温点a、b、c、d、e的温度均与设定工况的温度一致。如图2所示，黑点为热电偶测点位置，黑线为测量线槽。
7、调整完毕后，等待温度稳定，记录温度数据和对应的加热器和冷却第的功率，以此求得此时的热阻R1。
8、通过增加或者减少保持架9的数量，调整待测颗粒体的体积，然后重复步骤1至7，获得L2、L3……与R2、R3……。
9、如图3所示，用最小二乘法拟合L1、L2、L3……与R1、R2、R3……，拟合结果中，直线的斜率为单位长度颗粒体圆柱的热阻，与R轴的交点即为两个接触端面的接触热阻。
10、通过控制压板螺母的压紧程度，改变所施加的压力大小，重复1至9过程，可以获得不同的单位长度热阻，再以合适的方式进行曲线拟合，就能获得压力大小与热阻之间的关系。

Claims (2)

1.一种不同堆积状态下颗粒体的导热率测量装置，其特征在于，包括底座(8)、外壳(1)、压板螺柱(2)、压板螺母(3)、压板(4)、压力传感器(11)、主加热器(10)、辅助加热器(5)、冷却器(7)、保持架(9)；
所述底座(8)和外壳(1)构成所述导热率测量装置的壳体；
所述压板螺柱(2)固定在所述底座(8)上，用于提供施加堆积压力时所需的支撑；
所述压板螺母(3)与压板螺柱(2)配合，用于施加堆积压力；
所述压板(4)用于将压力施加于堆积在保持架(9)内的颗粒体；
所述压力传感器(11)用于测量压板(4)作用于其下方的总压力，位于与压板(4)与主加热器(10)之间；
所述主加热器(10)为圆形结构，所述辅助加热器(5)为与所述主加热器(10)同心的圆环形结构；主加热器(10)和辅助加热器(5)放置在颗粒体顶部；
所述保持架(9)为具有一定高度的圆环形结构，其圆环内部用于堆积颗粒体；
冷却器(7)放置在底座(8)上，用于控制堆积颗粒体底部的温度；
在主加热器(10)的下表面和冷却器(7)的上表面，沿径向分布若干热电偶测温点；
所述底座(8)上设置有过孔；
包括多个保持架(9)，保持架(9)的底部和顶部分别设置有阴阳凸缘，用于多个保持架(9)上下重叠时稳固地相互拼接在一起；最下方的保持架(9)的凸缘与冷却器(7)的外缘配合；
使用步骤为：
步骤一，调整好保持架(9)的重叠高度，向保持架(9)内堆填颗粒体，堆填完毕并铺平后，在颗粒体正上方放置主加热器(10)，在主加热器(10)外套上辅助加热器(5)；在主加热器(10)上方放置压力传感器(11)并盖上压板(4)；
步骤二，旋转压板螺母(3)，控制压板(4)压力的大小，通过压力传感器(11)测量压力值，同时测量颗粒体堆积体的高度；
步骤三，罩上外壳(1)，调整测量装置内部的气氛环境；
步骤四，开启冷却器(7)、主加热器(10)和辅助加热器(5)，当冷却器(7)和主加热器(10)上的热电偶测温点的温度均与设定工况的温度一致时，记录冷却器(7)、主加热器(10)和辅助加热器(5)的工作功率；
步骤五，根据所述温度和工作功率计算热阻；
步骤六，通过增加或者减少保持架(9)的数量调整颗粒体堆积体的体积，然后重复步骤一至五；多次重复步骤六，获得多组量颗粒体堆积体的高度值和热阻值；
步骤七，使用最小二乘法拟合所述多组量颗粒体堆积体的高度值和热阻值获得两个接触端面的热阻值；
步骤八，通过控制压板螺母(3)的压紧程度，改变所施加的压力大小，重复步骤一至七，获得不同的单位长度的热阻值，再进行曲线拟合获得压力大小与热阻之间的关系。
2.如权利要求1所述导热率测量装置，其特征在于，所述压板(4)为叉架状板结构，其分叉与多个压板螺柱(2)相对应。
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