CN107688039B - 薄板材料导热系数与界面热阻的测试系统及其测试方法 - Google Patents

薄板材料导热系数与界面热阻的测试系统及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种薄板材料导热系数与界面热阻的测试系统及其测试方法，属于稳态热传导测量技术领域。本发明包括温控式加热片、导热块等部件，温控式加热片置于装置顶端并与导热块紧密接触；加热片下面放置四块导热块，将厚度分别为δ1、δ2和δ3的待测样品依次放置于四块导热块之间，导热块上设有安装铠装K型热电偶的孔，铠装K型热电偶通过16路温度巡检仪连接于计算机，系统最下面通过水泵实现水冷头与散热水箱间的自动水循环；测试方法包括将三个厚度分别为δ1、δ2和δ3的待测样品放置于系统导热块之间等步骤。本发明通过稳态温度测试系统可以快速、准确的测出待测物体的导热系数，以及待测物体与导热块间的接触热阻。

Description

薄板材料导热系数与界面热阻的测试系统及其测试方法
技术领域
本发明涉及一种薄板材料导热系数与界面热阻的测试系统及其测试方法，属于稳态热传导测量技术领域。
背景技术
随着现代工业的快速发展，变压器的装机容量也越来越大，变压器设备由于发热而导致的故障以及损坏现象越来越多.绝缘纸材料作为变压器设备重要的组成部分，其导热性能在很大程度上影响着电力设备的最高温升以及温升分布情况，直接关系到设备的性能以及使用寿命，所以在变压器设备的设计和制造方面对绝缘纸材料导热性能指标的要求越来越高。在保证绝缘纸材料的绝缘性能及力学性能的基础上，导热性能的提高对于电力设备容量、性能及寿命的提高起着很大的影响作用。因此针对绝缘纸材料导热系数和界面热阻的实验研究，对于指导电工行业发展和变压器设备发热性能的数值计算具有重要的理论价值和实际工程意义。
在变压器设计开发阶段，绝缘纸材料的导热系数是必不可少的参数，所以如何准确测量所用绝缘纸材料的导热系数显得至关重要。
发明内容
本发明提供了一种薄板材料导热系数与界面热阻的测试系统及其测试方法，以用于解决对变压器绝缘纸材料导热系数与界面热阻测量的问题。
本发明的技术方案是：一种薄板材料导热系数与界面热阻的测试系统，包括温控式加热片1、导热块2、铠装K型热电偶3、闭孔式发泡橡胶隔热层4、水冷头5、水泵6、16路温度巡检仪7、计算机8、水冷头出水口9、水冷头进水口10、厚度为δ1的第一待测样品11、厚度为δ2的第二待测样品12、厚度为δ3的第三待测样品13、散热水箱14；
所述的温控式加热片1置于系统顶端并与导热块2紧密接触，用于对整个系统的热传导产生热量；温控式加热片1下面自上而下依次放置第一、第二、第三、第四块导热块2，将厚度为δ1的第一待测样品11、厚度为δ2的第二待测样品12和厚度为δ3的第三待测样品13自上而下依次放置于相邻两块导热块2之间，其中δ2＝2δ1，δ3＝3δ1；导热块2的长宽高均为5a，并于同一个表面自上而下均匀的打四个直径为1mm的孔，孔深2.5a，相邻两孔之间的孔心间距为a；每个孔中都放置直径为1mm的铠装K型热电偶3；铠装K型热电偶3通过16路温度巡检仪7读出所测温度，16路温度巡检仪7通过RS485通讯模块连接于计算机8，计算机8的显示系统将每支铠装K型热电偶3测出的温度数据自动显示并记录，最终可导出excel表格；系统最下端的导热块2通过导热膏接触于水冷头5，水冷头5设有水冷头出水口9和水冷头进水口10，水冷头出水口9和水冷头进水口10均通过管道与散热水箱14连接，水冷头5与散热水箱14通过设置在管道上的水泵6实现自动水循环，闭孔式发泡橡胶隔热层4紧贴于导热块2四周。
优选地，所述的导热块2、水冷头5均采用紫铜制成。
优选地，所述的导热块2上下接触表面保持平行，系统受到的压力不变，导热块2与相接触的待测样品之间的界面热阻与压力的大小成反比关系。
根据所述的一种薄板材料导热系数与界面热阻的测试系统的测试方法，包括如下步骤：
A、将三个厚度分别为δ1、δ2和δ3的待测样品放置于系统导热块2之间，设置上方温控式加热片1的解热功率为定值，定义待测样品与其相接触的导热块2之间的接触面的热阻为界面热阻，并启动下方水冷头5与散热水箱14之间的水循环装置，此时系统产生自上而下的热流，通过16路温度巡检仪7和计算机8实时记录16支铠装K型热电偶3的温度数据，当铠装K型热电偶3测得的温度可以维持5分钟不变时，即认为当前系统达到稳态热传导，当前所测数据为有效数据，通过不同高度导热块2的温度分布即可计算出通过该导热块2的热流密度，并通过最小二乘法拟合出的温度曲线，推算出每一个待测样品的上下表面的温度差，最终由傅里叶导热定律即可计算出每一个待测样品的热阻和导热块2与该待测样品上下接触处界面热阻的总和，所述的总和等于每一个待测样品的热阻加上2倍的导热块2与该待测样品接触处界面热阻；
B、根据待测样品的厚度δ、三个不同厚度的待测样品上下表面温度差Δt1，Δt2，Δt3以及关系式
Figure BDA0001350597870000031
可以计算出每一个待测样品的导热系数λx；式中：λx为待测样品的导热系数，λcu为导热块2的导热系数，k1、k2、k3、k4分别为第一、第二、第三、第四块导热块2的拟合温度分布曲线的斜率，Δt1、Δt2、Δt3分别为第一待测样品11、第二待测样品12、第三待测样品13上下表面温度差；
C、根据待测样品的厚度δ、三个不同厚度的待测样品上下表面温度差Δt1，Δt2，Δt3以及关系式
Figure BDA0001350597870000032
可以计算出每一个待测样品的界面热阻RT；式中：λcu为导热块2的导热系数，k1、k2、k3、k4分别为第一、第二、第三、第四块导热块2的拟合温度分布曲线的斜率，Δt1、Δt2、Δt3分别为第一待测样品11、第二待测样品12、第三待测样品13上下表面温度差。
本发明的工作原理是：
在系统外均匀包严闭孔式发泡橡胶隔热层4，把三个厚度分别为δ1、δ2和δ3的待测样品放置于系统导热块2之间，设置上方温控式加热片1的解热功率为定值，并启动下方水冷头5与散热水箱14之间的水循环装置，此时系统产生自上而下的热流，通过16路温度巡检仪7和计算机8实时记录16支铠装K型热电偶3的温度数据，当铠装K型热电偶3测得的温度可以维持5分钟不变时，即认为当前系统达到稳态热传导，当前所测数据为有效数据，通过不同高度导热块2的温度分布即可计算出通过该导热块2的热流密度，并通过最小二乘法拟合出的温度曲线，推出待测样品的上下表面的温度差，最终由傅里叶导热定律即可计算出每一个待测样品的热阻和导热块2与该待测样品上下接触处界面热阻的总和，所述的总和等于每一个待测样品的热阻加上2倍的导热块2与该待测样品接触处界面热阻。
本发明的数学模型分析如下：
当系统达到稳态时，流过导热块2热流密度保持稳定，热流密度方程为：
Figure BDA0001350597870000041
式中，q为稳定流过导热块2的热流密度，λcu为导热块2的导热系数，Δt为待测样品上下表面温度差，δ为待测样品的厚度，k为导热块2的拟合温度分布曲线的斜率。
稳定流过待测样品的热流密度
Figure BDA0001350597870000042
为：
Figure BDA0001350597870000043
式中，q1和q2分别为稳定流过待测样品上下两个导热块2的热流密度。
由傅里叶导热定律
Figure BDA0001350597870000044
可得：
Figure BDA0001350597870000045
Figure BDA0001350597870000051
式中，λx为待测样品的导热系数，
Figure BDA0001350597870000052
为稳定流过待测样品的热流密度，Δt为待测样品上下表面温度差，δ为待测样品的厚度，RA为待测样品的热阻。
把(1)式带入(2)式再带入(4)式得:
Figure BDA0001350597870000053
厚度为δ的待测样品的热阻RA与测得厚度不同的三个待测样品总面积热阻RA1、RA2和RA3的关系为：
Figure BDA0001350597870000054
带入(4)式可得：
Figure BDA0001350597870000055
式中：λx为待测样品的导热系数，λcu为导热块2的导热系数，RA1为第一待测样品11的热阻和导热块2与该待测样品上下接触处界面热阻的总和，RA2为RA1为第二待测样品12的热阻和导热块2与该待测样品上下接触处界面热阻的总和，RA3为第三待测样品13的热阻和导热块2与该待测样品上下接触处界面热阻的总和；k1、k2、k3、k4分别为第一、第二、第三、第四块导热块2的拟合温度分布曲线的斜率，Δt1、Δt2、Δt3分别为第一待测样品11、第二待测样品12、第三待测样品13上下表面温度差。
每一个待测样品的界面热阻RT与测得厚度不同的三个待测样品总面积热阻RA1、RA2和RA3的关系为：
带入(4)式可得：
Figure BDA0001350597870000061
式中：RT为待测样品与与其相接触的导热块2之间的界面热阻，RA1为第一待测样品11的热阻和导热块2与该待测样品上下接触处界面热阻的总和，RA2为RA1为第二待测样品12的热阻和导热块2与该待测样品上下接触处界面热阻的总和，RA3为第三待测样品13的热阻和导热块2与该待测样品上下接触处界面热阻的总和；λcu为导热块2的导热系数，k1、k2、k3、k4分别为第一、第二、第三、第四块导热块2的拟合温度分布曲线的斜率，Δt1、Δt2、Δt3分别为第一待测样品11、第二待测样品12、第三待测样品13上下表面温度差。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过一次实验即可测出待测样品的界面热阻与导热系数，有效避免了环境变量对实验结果的影响。
2、本发明避免了因多次测量而导致的热流量误差，可一次性测出待测样品的界面热阻与导热系数。
3、易于实现，操作简单。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中各标号为：温控式加热片-1、导热块-2、铠装K型热电偶-3、闭孔式发泡橡胶隔热层-4、水冷头-5、水泵-6、16路温度巡检仪-7、计算机-8、水冷头出水口-9、水冷头进水口-10、第一待测样品-11、第二待测样品-12、第三待测样品-13、散热水箱-14。
具体实施方式
实施实例：如图1所示，一种薄板材料导热系数与界面热阻的测试系统，包括温控式加热片1、导热块2、铠装K型热电偶3、闭孔式发泡橡胶隔热层4、水冷头5、水泵6、16路温度巡检仪7、计算机8、水冷头出水口9、水冷头进水口10、厚度为δ1的第一待测样品11、厚度为δ2的第二待测样品12、厚度为δ3的第三待测样品13、散热水箱14；
所述的温控式加热片1置于系统顶端并与导热块2紧密接触，用于对整个系统的热传导产生热量；温控式加热片1下面自上而下依次放置第一、第二、第三、第四块导热块2，将厚度为δ1的第一待测样品11、厚度为δ2的第二待测样品12和厚度为δ3的第三待测样品13自上而下依次放置于相邻两块导热块2之间，其中δ2＝2δ1，δ3＝3δ1；导热块2的长宽高均为5a，并于同一个表面自上而下均匀的打四个直径为1mm的孔，孔深2.5a，相邻两孔之间的孔心间距为a；每个孔中都放置直径为1mm的铠装K型热电偶3；铠装K型热电偶3通过16路温度巡检仪7读出所测温度，16路温度巡检仪7通过RS485通讯模块连接于计算机8，计算机8的显示系统将每支铠装K型热电偶3测出的温度数据自动显示并记录，最终可导出excel表格；系统最下端的导热块2通过导热膏接触于水冷头5，水冷头5设有水冷头出水口9和水冷头进水口10，水冷头出水口9和水冷头进水口10均通过管道与散热水箱14连接，水冷头5与散热水箱14通过设置在管道上的水泵6实现自动水循环，闭孔式发泡橡胶隔热层4紧贴于导热块2四周。由于导热块2为方形，闭孔式发泡橡胶隔热层4紧贴于导热块2的前后左右，以减小系统的侧面热量损耗。
优选地，所述的导热块2、水冷头5均采用紫铜制成，紫铜导热系数比较大，能有效减小了紫铜表面界面热阻对实验结果的影响。导热块2也可以换成其他已知导热系数材料，以实现该材料与待测物体间的界面热阻的测量。
优选地，所述的导热块2上下接触表面保持平行，系统受到的压力不变，导热块2与相接触的待测样品之间的界面热阻与压力的大小成反比关系。
根据所述的一种薄板材料导热系数与界面热阻的测试系统的测试方法，包括如下步骤：
A、将三个厚度分别为δ1、δ2和δ3的待测样品放置于系统导热块2之间，设置上方温控式加热片1的解热功率为定值，定义待测样品与与其相接触的导热块2之间的接触面的热阻为界面热阻，并启动下方水冷头5与散热水箱14之间的水循环装置，此时系统产生自上而下的热流，通过16路温度巡检仪7和计算机8实时记录16支铠装K型热电偶3的温度数据，当铠装K型热电偶3测得的温度可以维持5分钟不变时，即认为当前系统达到稳态热传导，当前所测数据为有效数据，通过不同高度导热块2的温度分布即可计算出通过该导热块2的热流密度，并通过最小二乘法拟合出的温度曲线，推算出每一个待测样品的上下表面的温度差，最终由傅里叶导热定律即可计算出每一个待测样品的热阻和导热块2与该待测样品上下接触处界面热阻的总和，所述的总和等于每一个待测样品的热阻加上2倍的导热块2与该待测样品接触处界面热阻；
B、根据待测样品的厚度δ、三个不同厚度的待测样品上下表面温度差Δt1，Δt2，Δt3以及关系式
Figure BDA0001350597870000081
可以计算出每一个待测样品的导热系数λx；式中：λx为待测样品的导热系数，λcu为导热块2的导热系数，k1、k2、k3、k4分别为第一、第二、第三、第四块导热块2的拟合温度分布曲线的斜率，Δt1、Δt2、Δt3分别为第一待测样品11、第二待测样品12、第三待测样品13上下表面温度差；
C、根据待测样品的厚度δ、三个不同厚度的待测样品上下表面温度差Δt1，Δt2，Δt3以及关系式可以计算出每一个待测样品的界面热阻RT；式中：λcu为导热块2的导热系数，k1、k2、k3、k4分别为第一、第二、第三、第四块导热块2的拟合温度分布曲线的斜率，Δt1、Δt2、Δt3分别为第一待测样品11、第二待测样品12、第三待测样品13上下表面温度差。
获得每一个待测样品的导热系数λx及每一个待测样品的界面热阻RT后，可以应用到各种相关的测试实验中，应用范围广。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种薄板材料导热系数与界面热阻的测试系统，其特征在于：包括温控式加热片(1)、导热块(2)、铠装K型热电偶(3)、闭孔式发泡橡胶隔热层(4)、水冷头(5)、水泵(6)、16路温度巡检仪(7)、计算机(8)、水冷头出水口(9)、水冷头进水口(10)、厚度为δ1的第一待测样品(11)、厚度为δ2的第二待测样品(12)、厚度为δ3的第三待测样品(13)、散热水箱(14)；
所述的温控式加热片(1)置于系统顶端并与导热块(2)紧密接触，用于对整个系统的热传导产生热量；温控式加热片(1)下面自上而下依次放置第一、第二、第三、第四块导热块(2)，将厚度为δ1的第一待测样品(11)、厚度为δ2的第二待测样品(12)和厚度为δ3的第三待测样品(13)自上而下依次放置于相邻两块导热块(2)之间，其中δ2＝2δ1，δ3＝3δ1；导热块(2)的长宽高均为5a，并于同一个表面自上而下均匀的打四个直径为1mm的孔，孔深2.5a，相邻两孔之间的孔心间距为a；每个孔中都放置直径为1mm的铠装K型热电偶(3)；铠装K型热电偶(3)通过16路温度巡检仪(7)读出所测温度，16路温度巡检仪(7)通过RS485通讯模块连接于计算机(8)，计算机(8)的显示系统将每支铠装K型热电偶(3)测出的温度数据自动显示并记录，最终可导出excel表格；系统最下端的导热块(2)通过导热膏接触于水冷头(5)，水冷头(5)设有水冷头出水口(9)和水冷头进水口(10)，水冷头出水口(9)和水冷头进水口(10)均通过管道与散热水箱(14)连接，水冷头(5)与散热水箱(14)通过设置在管道上的水泵(6)实现自动水循环，闭孔式发泡橡胶隔热层(4)紧贴于导热块(2)四周；
所述的一种薄板材料导热系数与界面热阻的测试系统的测试方法，包括如下步骤：
A、将三个厚度分别为δ1、δ2和δ3的待测样品放置于系统导热块(2)之间，设置上方温控式加热片(1)的解热功率为定值，定义待测样品与其相接触的导热块(2)之间的接触面的热阻为界面热阻，并启动下方水冷头(5)与散热水箱(14)之间的水循环装置，此时系统产生自上而下的热流，通过16路温度巡检仪(7)和计算机(8)实时记录16支铠装K型热电偶(3)的温度数据，当铠装K型热电偶(3)测得的温度可以维持5分钟不变时，即认为当前系统达到稳态热传导，当前所测数据为有效数据，通过不同高度导热块(2)的温度分布即可计算出通过该导热块(2)的热流密度，并通过最小二乘法拟合出的温度曲线，推算出每一个待测样品的上下表面的温度差，最终由傅里叶导热定律即可计算出每一个待测样品的热阻和导热块(2)与该待测样品上下接触处界面热阻的总和，所述的总和等于每一个待测样品的热阻加上2倍的导热块(2)与该待测样品接触处界面热阻；
B、根据待测样品的厚度δ、三个不同厚度的待测样品上下表面温度差Δt1，Δt2，Δt3以及关系式
Figure FDA0002211490690000021
可以计算出每一个待测样品的导热系数λx；式中：λx为待测样品的导热系数，λcu为导热块(2)的导热系数，k1、k2、k3、k4分别为第一、第二、第三、第四块导热块(2)的拟合温度分布曲线的斜率，Δt1、Δt2、Δt3分别为第一待测样品(11)、第二待测样品(12)、第三待测样品(13)上下表面温度差；
C、根据待测样品的厚度δ、三个不同厚度的待测样品上下表面温度差Δt1，Δt2，Δt3以及关系式
Figure FDA0002211490690000022
可以计算出每一个待测样品的界面热阻RT；式中：λcu为导热块(2)的导热系数，k1、k2、k3、k4分别为第一、第二、第三、第四块导热块(2)的拟合温度分布曲线的斜率，Δt1、Δt2、Δt3分别为第一待测样品(11)、第二待测样品(12)、第三待测样品(13)上下表面温度差。
2.根据权利要求1所述的一种薄板材料导热系数与界面热阻的测试系统，其特征在于：所述的导热块(2)、水冷头(5)均采用紫铜制成。
3.根据权利要求1所述的一种薄板材料导热系数与界面热阻的测试系统，其特征在于：所述的导热块(2)上下接触表面保持平行，系统受到的压力不变，导热块(2)与相接触的待测样品之间的界面热阻与压力的大小成反比关系。
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