CN107966474A - 一种基于稳态法测量块体导热系数的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于稳态法测量块体导热系数的装置，包括恒温系统、设置于所述恒温系统内的真空室和设置于所述真空室内的样品台；所述真空室包括真空室筒体、法兰和真空引线管；所述真空引线管穿过法兰与真空室筒体内腔连通；所述样品台包括与法兰结合固定的传热底座、位于传热底座的远离法兰一侧的中心热板、对称设置在中心热板的两侧的两个冷板，以及分别设置在传热底座、中心热板和两个冷板上的温度计；所述冷板设置有冷板安装口；所述传热底座上设置有冷板安装槽，所述冷板通过冷板安装口与冷板安装槽滑动匹配，使冷板能靠近或远离中心热板方向移动。本发明装置实现了测量样品规格尺寸的多元化，使导热系数测试更加灵活、方便。
Description
技术领域
本发明涉及块体热物性测试技术领域。更具体地，涉及一种基于稳态法测量块体导热系数的装置。
背景技术
泡沫绝热材料是一类重要的块状绝热材料，在制备过程中，用发泡剂产生气泡，在绝热材料内部形成许多微小的孔(一般为微米级的封闭孔)，以达到绝热的目的。泡沫绝热材料一般分为泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫橡胶等，其中，综合性能最好的是泡沫塑料。泡沫塑料是以聚合物或合成树脂为原材料，添加发泡剂和稳定剂后，经加热发泡形成的绝热材料。它具有密度小、导热系数低、耐低温、耐振动、绝热性能好、施工方便等特点。泡沫塑料绝热材料又分为聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料和酚醛泡沫塑料等，其中，聚氨酯泡沫塑料的封闭气孔率达到了90％以上，绝热性能好，且吸潮对其导热系数影响很小，得到了广泛的应用。表征绝热材料绝热性能最直接最有效的方法就是测量其导热系数，导热系数的测量是研究绝热材料的关键。因此，研究绝热材料导热系数的测量装置至关重要。
根据热传递的特点，导热系数的测量方法可归纳为稳态法和瞬态法。由于绝热材料的导热系数非常低，瞬态法难以测量准确，所以一般采用稳态法。稳态法符合绝热材料的实际传热规律，能够准确获得样品的导热系数。稳态法是以傅立叶一维传热定律为理论依据，要求在待测样品内部的热量传递达到稳定的状态，也就是使待测样品内部建立一个稳定的温度分布，通过测定加热功率、传热截面积以及温度梯度来计算导热系数。这种方法计算公式简单，测量准确，可用于宽温区测量，但此方法对测量环境(如测量系统的绝热条件、测量过程中的温度控制、样品的形状尺寸等)的要求较为严格。稳态法测量绝热材料的导热系数不受温度的限制，不但可以测量绝热材料在室温下的导热系数，还可以测量绝热材料在低温直至高温下的导热系数。
由于泡沫塑料广泛应用于低温环境中，研究泡沫塑料的低温导热系数显得尤为重要，这也是测量装置研究的难点之一。目前，测量块体绝热材料在低温下的导热系数的装置已有一些报道，刘辉明等(绝热材料低温热导率测量装置研制[C].//第十届全国低温工程大会暨中国航天低温专业信息网2011年度学术交流会论文集.2011:195-197.)提出了一种双平板法测试泡沫绝热材料低温导热系数的装置，此装置可以获得块状绝热材料的导热系数。但是，此装置两个冷板间距离固定，导致待测样品厚度单一，只能测量厚度为10mm的块体，加之此装置的冷板及中心热板不能更换，只能测量直径80mm的圆形板样品，还导致了样品安装、拆卸困难(没有滑动匹配槽，不利于样品的安装和拆卸)等一系列缺点。
因此，需要提供一种新型的测量块体导热系数的装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于稳态法测量块体导热系数的装置，该装置不仅测量准确，原理简明，计算简便，可测量不同厚度、不同大小、不同形状的块体导热系数，且样品安装、拆卸简便易行，还可用于块体低温导热系数的测量。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供了一种基于稳态法测量块体导热系数的装置，包括恒温系统、设置于所述恒温系统内的真空室和设置于所述真空室内的样品台；
所述恒温系统用于为待测样品提供一定的温度环境；
所述真空室用于为待测样品提供一定的真空环境；
所述样品台用于放置待测样品。
进一步，所述恒温系统可根据测量需要，为待测样品提供一定的温度环境；本发明中所述装置可测温度范围为4.2K-473K，恒温系统可以是烘箱(RT-200℃)、水浴系统(0℃-100℃)、油浴系统(100℃-200℃)、其它低温系统(最低至4.2K)(如：液氦(4.2K)、液氮(77K)、液氮深冷箱(77K-RT)等)等。
进一步，所述真空室由304不锈钢制成，包括真空室筒体、位于真空室筒体上的法兰和真空引线管；所述真空引线管穿过法兰与真空室筒体内腔连通。
所述真空室筒体内部粘贴铝箔胶带，减少样品台对外界环境的辐射漏热；所述真空室筒体与法兰之间用铟密封，以保证真空室在低温下的密封性；或者所述真空室筒体与法兰之间用欧圈密封，以保证真空室在室温/高温下的密封性；所述真空引线管的作用是兼顾抽真空管和温度计及中心热板加热电阻的引线管。
进一步，所述样品台包括与法兰结合固定的传热底座、位于传热底座的远离法兰一侧的中心热板、对称设置在中心热板的两侧的两个冷板，以及分别设置在传热底座、中心热板和两个冷板上的四支温度计；测量时，待测样品放置于两个冷板与中心热板之间。所述中心热板、冷板、传热底座均设置有温度计孔，温度计放置于温度计孔内，分别实时测量中心热板、冷板、传热底座的温度；优选的，所述温度计为PT100铂电阻温度计。中心热板的温度作为待测样品的热端温度；两个冷板的平均温度作为待测样品的冷端温度。
进一步，所述中心热板由紫铜制成，所述中心热板的形状与待测样品的传热面形状一致，中心热板的形状包括但不局限于圆形板、方形板、长方形板或其它不规则形状，可根据待测样品的大小和形状更换，只要满足所述中心热板的形状与待测样品的传热面形状一致即可；所述中心热板内部设置一定阻值的电阻，当有恒定电流通过时，可以为中心热板提供一定功率的热量，以得到中心热板的加热功率。
进一步，所述冷板由紫铜制成，其作用是与传热底座匹配，夹紧待测样品及中心热板并测量待测样品的冷端温度；所述冷板包括但不限于方形板、圆形板、长方形板或其它不规则形状，可根据待测样品的大小和形状更换，只要满足所述冷板与待测样品的接触面要大于待测样品的传热面，便于两个冷板通过冷板连接孔的连接固定即可。
所述冷板还设置有冷板安装口、冷板连接孔和冷板固定孔；所述冷板与传热底座通过冷板安装口滑动匹配；所述两个冷板间通过冷板连接孔固定；所述冷板与传热底座通过冷板固定孔匹配固定。
进一步，所述传热底座由紫铜构成，其作用是放置并固定冷板和利于冷量向待测样品传递；
所述传热底座上设置有冷板安装槽，所述冷板通过冷板安装口与冷板安装槽滑动匹配，使所述冷板能靠近或远离中心热板方向移动，以匹配多种厚度的待测样品，且能保证冷板、中心热板与待测样品的接触面紧密贴合，使不同厚度的待测样品都能获得准确的导热系数；冷板安装槽与冷板安装口匹配时，接触面涂抹薄层硅脂，可使冷板安装槽与冷板安装口接触良好，利于传热。所述传热底座上还设置有传热底座固定孔，所述传热底座与法兰的接触面涂抹硅脂并通过传热底座固定孔连接固定。优选的，所述冷板安装槽两端贯通，利于冷板的安装及更换。
本发明基于稳态法测量块体导热系数装置的工作原理：
平板法是稳态法测量块状绝热材料导热系数的常用方法，其原理基于傅里叶一维稳态传热定律，要求在待测样品内部的热量传递达到稳定的状态，也就是使待测样品内部建立一个稳定的温度分布，通过测定加热功率、传热面积以及温度梯度来计算导热系数。平板法用一个中心热板作为热源，中心热板两边分别放置相同规格的待测样品(包括材质、大小等)，待测样品外面放置冷板，在中心热板和冷板内部分别放置温度计，读取温度，外围放置铝箔反射屏，降低辐射漏热损失。测试时，首先要精确测量待测样品的厚度和传热面积；然后安装好待测样品，并为中心热板提供一定的功率，使中心热板、待测样品和保护冷盘形成温度梯度，直到达到稳态，即温度不再随时间变化；最后用傅里叶一维平面传热定律(式(1))，即可计算待测样品的导热系数λ。
其中：Q为中心热板的加热功率，L为两个待测样品的平均厚度，A为两个待测样品的平均传热面积，Th、Tc分别为中心热板温度和冷板的平均温度；
利用本发明装置测量块体绝热材料在一定温度、一定真空度下的导热系数的方法：
1)样品台及待测样品的安装
根据待测样品的规格选择合适的中心热板及冷板，将两个相同的冷板与传热底座上的冷板安装槽涂抹硅脂并滑动匹配，将两块相同的待测块体样品(大小、形状、材质等均相同)安装到一个中心热板和两个冷板之间，样品与中心热板/冷板的接触面涂抹薄层硅脂，将两个冷板通过冷板连接孔用螺栓固定，夹紧两个待测样品及中心热板，将两个冷板通过冷板固定孔分别与传热底座固定，将传热底座、中心热板及两个冷板内部各放置一支温度计(共四支温度计)。样品安装好后的顺序从左到右为：冷板、样品、中心热板、样品、冷板。
2)传热装置的安装
将安装好的样品台的传热底座表面与法兰表面涂抹薄层硅脂，并通过传热底座固定孔用螺栓连接固定。
3)真空环境的营造
将真空室筒体与法兰用欧圈/铟密封，连接固定；开启机械泵，通过真空引线管为测试装置抽真空，待真空度达到10-1Pa量级，开启分子泵继续抽至10-3Pa，关闭真空室阀门、分子泵和机械泵。
4)温度环境的营造
将组装好的真空室置于恒温系统中，恒温系统可以是烘箱(RT-200℃)、水浴系统(0℃-100℃)、油浴系统(100℃-200℃)、其它低温系统(最低至4.2K)(如：液氦(4.2K)、液氮(77K)、液氮深冷箱(77K-RT)等)等，根据测量需要而选定，并将恒温系统的内部温度设定在测量所需的温度。
5)测试开始及导热系数的计算
稳定一段时间后，当传热底座、冷板及中心热板内部的温度计的读数均达到测量所需温度时，为中心热板通入一定的电流，从而为中心热板提供一定功率的加热量，即测试开始；一段时间后，待中心热板与冷板的温度达到稳态(温度不再随时间变化)；此时，热量传递达到平衡状态，通过中心热板的加热功率、两个待测样品的平均厚度、两个待测样品的平均传热面积、中心热板温度和两个冷板的平均温度等参数进行简单的公式计算(式(1))，即可得到待测样品的导热系数λ。
其中：Q为中心热板的加热功率，L为两个待测样品的平均厚度，A为两个待测样品的平均传热面积，Th、Tc分别为中心热板温度和冷板的平均温度。
本发明的有益效果如下：
1、本发明基于稳态法测量块体导热系数的装置，该装置在传热底座上设置了冷板安装槽，使冷板通过冷板安装口与该槽滑动匹配，以适合不用厚度的待测样品，同时，冷板安装槽的贯通设计还可以根据待测样品的大小及形状而更换相匹配的冷板，以及根据待测样品的形状，也可以匹配相应形状的中心热板。该装置实现了测量样品规格尺寸的多元化，使导热系数测试更加灵活、方便。
2、本发明基于稳态法测量块体导热系数的装置，在样品厚度、大小及形状变化时，该装置的中心热板及冷板仍可紧密贴合待测样品，使厚度、大小及形状不同的待测样品均可获得准确的导热系数。
3、本发明基于稳态法测量块体导热系数的装置具有较宽的测量温区，根据恒温系统的稳定控制，可测量块体样品在室温、低温及高温的导热系数，根据测量需要，可将测量温度设置在4.2K-473K温区中任一所需温度。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出了本发明装置的结构示意图；
图2示出了冷板的前视图；
图3示出了冷板的俯视图；
图4示出了冷板的左视图；
图5示出了传热底座的俯视图；
图6示出了传热底座的左视图。
其中，1.中心热板，2.待测样品，3.冷板，4.传热底座，5.样品台，6.真空室，7.真空室筒体，8.法兰，9.真空引线管，10.恒温系统，11.冷板温度计孔，12.冷板连接孔，13.冷板固定孔，14.传热底座温度计孔，15.传热底座固定孔，16.冷板安装槽，17.冷板安装口。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1一种基于稳态法测量块体导热系数的装置
一种基于稳态法测量块体导热系数的装置，该装置包括用于放置待测样品的样品台5、用于为待测样品提供一定的真空环境的真空室6和用于为待测样品提供一定的温度环境的恒温系统10；所述样品台5设置于所述真空室6内；所述真空室6设置于所述恒温系统10内；
所述样品台5包括固定在法兰的一个传热底座4、位于传热底座4的远离法兰一侧的中心热板1、对称设置在中心热板1的两侧的两个相同的冷板3，以及分别设置在传热底座4、中心热板1和两个冷板3上的四支温度计；所述中心热板1、冷板2、传热底座4分别设置有中心热板温度计孔、冷板温度计孔11、传热底座温度计孔14，温度计分别放置于温度计孔内，分别实时测量中心热板1、冷板3、传热底座4的温度。测量时，待测样品2放置于冷板3与中心热板1之间。中心热板1的温度作为待测样品的热端温度；两个冷板3的平均温度作为待测样品的冷端温度。
所述中心热板1由紫铜制成，中心热板1的形状包括但不局限于圆形板、方形板、长方形板或其它不规则形状，可根据待测样品2的大小和形状更换，只要满足所述中心热板1的形状与待测样品2的传热面形状一致即可；所述中心热板1内部设置一定阻值的电阻，当有恒定电流通过时，可以为中心热板1提供一定功率的热量，以得到中心热板的加热功率。
所述冷板3由紫铜制成，其作用是与传热底座4匹配向待测样品传递冷量并测量待测样品的冷端温度；所述冷板3的形状包括但不限于方形板、圆形板、长方形板或其它不规则形状，可根据待测样品的大小和形状更换，只要满足所述冷板3与待测样品2的接触面要大于待测样品2的传热面，便于两个冷板3通过冷板连接孔的连接固定即可。
所述冷板3还设置有用于两个冷板3间的匹配固定的冷板连接孔12、用于冷板3与传热底座4的滑动匹配的冷板安装口17和用于冷板3与传热底座4的匹配固定的冷板固定孔13；
所述传热底座4由紫铜构成，其作用是放置并固定冷板3和利于冷量向待测样品2传递；
所述传热底座4上设置有冷板安装槽16，冷板3可通过冷板安装口17在该槽滑动匹配，使所述冷板能靠近或远离中心热板方向移动，以匹配多种厚度的待测样品2，且能保证冷板3、中心热板1与待测样品2的接触面紧密贴合，使不同厚度的待测样品2都能获得准确的导热系数；冷板安装槽16与冷板安装口17匹配时，接触面涂抹薄层硅脂，可使冷板安装槽16与冷板安装口17接触良好，利于传热。优选的，所述冷板安装槽两端贯通，可根据待测样品的大小而安装和更换相匹配的冷板。
所述真空室6由304不锈钢制成；包括：真空室筒体7、法兰8和真空引线管9；所述真空引线管9穿过法兰8与真空室筒体7连通；所述真空引线管9的作用是兼顾抽真空管和温度计及中心热盘加热电阻的引线管；
所述真空室筒体7内部粘贴铝箔胶带，减少样品台5对外界环境的辐射漏热；所述真空室筒体7和与法兰8之间用铟密封，以保证真空室6在低温下的密封性；所述真空室筒体7和与法兰8之间用欧圈密封，以保证真空室6在室温/高温下的密封性。
所述传热底座4的下表面与法兰8的接触面涂抹硅脂并通过传热底座固定孔15连接固定。
所述恒温系统10可根据测量需要，为待测样品2提供一定的温度环境。本发明中装置可测温度范围为4.2K-473K，则恒温系统10可以是烘箱(RT-200℃)、水浴系统(0℃-100℃)、油浴系统(100℃-200℃)、其它低温系统(最低至4.2K)(如：液氦(4.2K)、液氮(77K)、液氮深冷箱(77K-RT)等)等。
实施例2测量块体绝热材料在室温(25℃)、真空(10-3Pa)下的导热系数
利用实施例1所示的装置测量块体绝热材料在室温(25℃)、真空(10-3Pa)下的导热系数，方法如下：
1)样品台及待测样品的安装
根据待测样品2(本实施例中，所述待测样品2为圆形板，直径为100mm，厚度为15mm)的规格选择合适的中心热板1(本实施例中，中心热板1为圆形板，直径为100mm)及冷板3(冷板3为方形板，边长为100mm)，将两个相同的冷板3通过冷板安装口17与传热底座4上的冷板安装槽16涂抹硅脂并滑动匹配，将两块相同的待测块体样品2(大小、形状、材质等均相同)安装到一个中心热板1和两个冷板3之间，样品2与中心热板1/冷板3的接触面涂抹薄层硅脂，将两个冷板3通过冷板连接孔12用螺栓固定，夹紧两个待测样品及中心热板，将两个冷板3通过冷板固定孔13分别与传热底座4固定，将传热底座4、中心热板1及两个冷板3的温度计孔内各放置一支PT100铂电阻温度计(共四支PT100铂电阻温度计)。样品安装好后的顺序从左到右为：冷板3、样品2、中心热板1、样品2、冷板3。
2)传热装置的安装
将安装好的样品台5的传热底座4的表面与法兰8的接触面涂抹薄层硅脂，并通过传热底座固定孔15连接固定。
3)真空环境的营造
将真空室筒体7与法兰8用欧圈密封，连接固定；开启机械泵，通过真空引线管9为测试装置抽真空，待真空度达到10-1Pa量级，开启分子泵继续抽至10-3Pa，关闭真空室阀门、分子泵和机械泵。
4)温度环境的营造
由于测量温度就在室温，故将真空室6置于室内即可，用空调将室内温度调整至25℃。
5)测试开始及导热系数的计算
稳定一段时间后，当传热底座4、冷板3及中心热板1内部的PT100铂电阻温度计的读数均达到测量所需温度时，为中心热板1通入一定的电流，从而为中心热板1提供一定功率的加热量，即测试开始；一段时间后，待中心热板1与冷板3的温度达到稳态(温度不再随时间变化)；此时，热量传递达到平衡状态，通过中心热板1的加热功率、两个待测样品2的平均厚度、两个待测样品2的平均传热面积、中心热板1温度和两个冷板3的平均温度等参数进行简单的公式计算(式(1))，即可得到待测样品2的导热系数：
其中：Q为中心热板1的加热功率，L为两个待测样品2的平均厚度，A为两个待测样品2的平均传热面积，Th、Tc分别为中心热板1温度和两个冷板3的平均温度。
测量后，通过计算得到该聚氨酯硬质泡沫的导热系数为0.0238W/(m·K)。
实施例3测量块体绝热材料在室温(25℃)、真空(10-3Pa)下的导热系数
利用实施例1所示的装置测量块体绝热材料在室温(25℃)、真空(10-3Pa)下的导热系数，方法如下：
1)样品台及待测样品的安装
根据待测样品2(本实施例中，所述待测样品2为方形板，边长为100mm，厚度为12mm)的规格选择合适的中心热板1(本实施例中，中心热板1为方形板，边长为100mm)及冷板3(冷板3为方形板，边长为120mm)，将两个相同的冷板3通过冷板安装口17与传热底座4上的冷板安装槽16涂抹硅脂并滑动匹配，将两块相同的待测块体样品2(大小、形状、材质等均相同)安装到一个中心热板1和两个冷板3之间，样品2与中心热板1/冷板3的接触面涂抹薄层硅脂，将两个冷板3通过冷板连接孔12用螺栓固定，夹紧两个待测样品及中心热板，将两个冷板3通过冷板固定孔13分别与传热底座4固定，将传热底座4、中心热板1及两个冷板3的温度计孔内各放置一支PT100铂电阻温度计(共四支PT100铂电阻温度计)。样品安装好后的顺序从左到右为：冷板3、样品2、中心热板1、样品2、冷板3。
2)传热装置的安装
将安装好的样品台5的传热底座4的表面与法兰8的接触面涂抹薄层硅脂，并通过传热底座固定孔15连接固定。
3)真空环境的营造
将真空室筒体7与法兰8用欧圈密封，连接固定；开启机械泵，通过真空引线管9为测试装置抽真空，待真空度达到10-1Pa量级，开启分子泵继续抽至10-3Pa，关闭真空室阀门、分子泵和机械泵。
4)温度环境的营造
由于测量温度就在室温，故将真空室6置于室内即可，用空调将室内温度调整至25℃。
5)测试开始及导热系数的计算
稳定一段时间后，当传热底座4、冷板3及中心热板1内部的PT100铂电阻温度计的读数均达到测量所需温度时，为中心热板1通入一定的电流，从而为中心热板1提供一定功率的加热量，即测试开始；一段时间后，待中心热板1与冷板3的温度达到稳态(温度不再随时间变化)；此时，热量传递达到平衡状态，通过中心热板1的加热功率、两个待测样品2的平均厚度、两个待测样品2的平均传热面积、中心热板1温度和两个冷板3的平均温度等参数进行简单的公式计算(式(1))，即可得到待测样品2的导热系数：
其中：Q为中心热板1的加热功率，L为两个待测样品2的平均厚度，A为两个待测样品2的平均传热面积，Th、Tc分别为中心热板1温度和两个冷板3的平均温度。
测量后，通过计算得到该聚氨酯硬质泡沫的导热系数为0.0237W/(m·K)。实施例4测量块体绝热材料在50℃、10-3Pa条件下的导热系数：
利用实施例1所示的装置测量块体绝热材料在50℃、10-3Pa条件下的导热系数，方法如下：
1)样品台及待测样品的安装
根据待测样品2(本实施例中，所述待测样品2为圆形板，直径为80mm，厚度为10mm)的规格选择合适的中心热板1(本实施例中，中心热板1为圆形板，直径为80mm)及冷板3(冷板3为方形板，边长为80mm)，将两个相同的冷板3通过冷板安装口17与传热底座4上的冷板安装槽16涂抹硅脂并滑动匹配，将两块相同的待测块体样品2(大小、形状、材质等均相同)安装到一个中心热板1和两个冷板3之间，样品2与中心热板1/冷板3的接触面涂抹薄层硅脂，将两个冷板3通过冷板连接孔12用螺栓固定，夹紧两个待测样品及中心热板，将两个冷板3通过冷板固定孔13分别与传热底座4固定，将传热底座4、中心热板1及两个冷板3的温度计孔内各放置一支PT100铂电阻温度计(共四支PT100铂电阻温度计)。样品安装好后的顺序从左到右为：冷板3、样品2、中心热板1、样品2、冷板3。
2)传热装置的安装
将安装好的样品台5的传热底座4的表面与法兰8的接触面涂抹薄层硅脂，并通过传热底座固定孔15连接固定。
3)真空环境的营造
将真空室筒体7与法兰8用欧圈密封，连接固定；开启机械泵，通过真空引线管9为测试装置抽真空，待真空度达到10-1Pa量级，开启分子泵继续抽至10-3Pa，关闭真空室阀门、分子泵和机械泵。
4)温度环境的营造
将组装好的真空室6置于恒温系统10中，此时恒温系统10为烘箱(RT-200℃)或者水浴系统(0℃-100℃)均可；将恒温系统10的内部温度设定在50℃。
5)测试开始及导热系数的计算
稳定一段时间后，当传热底座4、冷板3及中心热板1内部的PT100铂电阻温度计的读数均达到测量所需温度时，为中心热板1通入一定的电流，从而为中心热板1提供一定功率的加热量，即测试开始；一段时间后，待中心热板1与两个冷板3的温度达到稳态(温度不再随时间变化)；此时，热量传递达到平衡状态，通过中心热板1的加热功率、两个待测样品2的平均厚度、两个待测样品2的平均传热面积、中心热板1温度和两个冷板3的平均温度等参数进行简单的公式计算(式(1))，即可得到待测样品2的导热系数：
其中：Q为中心热板1的加热功率，L为两个待测样品2的平均厚度，A为两个待测样品2的平均传热面积，Th、Tc分别为中心热板1温度和两个冷板3的平均温度。
测量后，通过计算得到该聚氨酯硬质泡沫的导热系数为0.0264W/(m·K)。实施例5测量块体绝热材料在77K、10-3Pa条件下的导热系数：
利用实施例1所示的装置测量块体绝热材料在77K、10-3Pa条件下的导热系数，方法如下：
1)样品台及待测样品的安装
根据待测样品2(本实施例中，所述待测样品2为圆形板，直径为120mm，厚度为20mm)的规格选择合适的中心热板1(本实施例中，中心热板1为圆形板，直径为120mm)及冷板3(冷板3为方形板，边长为120mm)，将两个相同的冷板3通过冷板安装口17与传热底座4上的冷板安装槽16涂抹硅脂并滑动匹配，将两块相同的待测块体样品2(大小、形状、材质等均相同)安装到一个中心热板1和两个冷板3之间，样品2与中心热板1/冷板3的接触面涂抹薄层硅脂，将两个冷板3通过冷板连接孔12用螺栓固定，夹紧两个待测样品及中心热板，将两个冷板3通过冷板固定孔13分别与传热底座4固定，将传热底座4、中心热板1及两个冷板3的温度计孔内各放置一支PT100铂电阻温度计(共四支PT100铂电阻温度计)。样品安装好后的顺序从左到右为：冷板3、样品2、中心热板1、样品2、冷板3。
2)传热装置的安装
将安装好的样品台5的传热底座4的表面与法兰8的接触面涂抹薄层硅脂，并通过传热底座固定孔15连接固定。
3)真空环境的营造
将真空室筒体7与法兰8用铟密封，连接固定；开启机械泵，通过真空引线管9为测试装置抽真空，待真空度达到10-1Pa量级，开启分子泵继续抽至10-3Pa，关闭真空室阀门、分子泵和机械泵。
4)温度环境的营造
将组装好的真空室6置于恒温系统10中，此时，恒温系统10是盛有液氮(77K)的液氮杜瓦。
5)测试开始及导热系数的计算
稳定一段时间后，当传热底座4、冷板3及中心热板1内部的PT100铂电阻温度计的读数均达到测量所需温度时，为中心热板1通入一定的电流，从而为中心热板1提供一定功率的加热量，即测试开始；一段时间后，待中心热板1与两个冷板3的温度达到稳态(温度不再随时间变化)；此时，热量传递达到平衡状态，通过中心热板1的加热功率、两个待测样品2的平均厚度、两个待测样品2的平均传热面积、中心热板1温度和两个冷板3的平均温度等参数进行简单的公式计算(式(1))，即可得到待测样品2的导热系数：
其中：Q为中心热板1的加热功率，L为两个待测样品2的平均厚度，A为两个待测样品2的平均传热面积，Th、Tc分别为中心热板1温度和两个冷板3的平均温度。
测量后，通过计算得到该聚氨酯硬质泡沫的导热系数为0.0131W/(m·K)。
实施例6测量块体绝热材料在77K、10-3Pa条件下的导热系数：
利用实施例1所示的装置测量块体绝热材料在77K、10-3Pa条件下的导热系数，方法如下：
1)样品台及待测样品的安装
根据待测样品2(本实施例中，所述待测样品2为长方形板，边长分别为100mm和80mm，厚度为17mm)的规格选择合适的中心热板1(本实施例中，中心热板1为方形板，边长分别为100mm和80mm)及冷板3(冷板3为方形板，边长分别为120mm和100mm)，将两个相同的冷板3通过冷板安装口17与传热底座4上的冷板安装槽16涂抹硅脂并滑动匹配，将两块相同的待测块体样品2(大小、形状、材质等均相同)安装到一个中心热板1和两个冷板3之间，样品2与中心热板1/冷板3的接触面涂抹薄层硅脂，将两个冷板3通过冷板连接孔12用螺栓固定，夹紧两个待测样品及中心热板，将两个冷板3通过冷板固定孔13分别与传热底座4固定，将传热底座4、中心热板1及两个冷板3的温度计孔内各放置一支PT100铂电阻温度计(共四支PT100铂电阻温度计)。样品安装好后的顺序从左到右为：冷板3、样品2、中心热板1、样品2、冷板3。
2)传热装置的安装
将安装好的样品台5的传热底座4的表面与法兰8的接触面涂抹薄层硅脂，并通过传热底座固定孔15连接固定。
3)真空环境的营造
将真空室筒体7与法兰8用铟密封，连接固定；开启机械泵，通过真空引线管9为测试装置抽真空，待真空度达到10-1Pa量级，开启分子泵继续抽至10-3Pa，关闭真空室阀门、分子泵和机械泵。
4)温度环境的营造
将组装好的真空室6置于恒温系统10中，此时，恒温系统10是盛有液氮(77K)的液氮杜瓦。
5)测试开始及导热系数的计算
稳定一段时间后，当传热底座4、冷板3及中心热板1内部的PT100铂电阻温度计的读数均达到测量所需温度时，为中心热板1通入一定的电流，从而为中心热板1提供一定功率的加热量，即测试开始；一段时间后，待中心热板1与两个冷板3的温度达到稳态(温度不再随时间变化)；此时，热量传递达到平衡状态，通过中心热板1的加热功率、两个待测样品2的平均厚度、两个待测样品2的平均传热面积、中心热板1温度和两个冷板3的平均温度等参数进行简单的公式计算(式(1))，即可得到待测样品2的导热系数：
其中：Q为中心热板1的加热功率，L为两个待测样品2的平均厚度，A为两个待测样品2的平均传热面积，Th、Tc分别为中心热板1温度和两个冷板3的平均温度。
测量后，通过计算得到该聚氨酯硬质泡沫的导热系数为0.0132W/(m·K)。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种基于稳态法测量块体导热系数的装置，其特征在于，所述装置包括恒温系统、设置于所述恒温系统内的真空室和设置于所述真空室内的样品台；
所述真空室包括真空室筒体、位于真空室筒体上的法兰和真空引线管；所述真空引线管穿过法兰与真空室筒体内腔连通；
所述样品台包括与法兰结合固定的传热底座、位于传热底座的远离法兰一侧的中心热板、对称设置在中心热板的两侧的两个冷板，以及分别设置在传热底座、中心热板和两个冷板上的四支温度计；
所述冷板设置有冷板安装口；所述传热底座上设置有冷板安装槽，所述冷板通过冷板安装口与冷板安装槽滑动匹配，使所述冷板能靠近或远离中心热板方向移动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷板安装槽两端贯通。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中心热板内部设置电阻。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述恒温系统为烘箱、水浴系统、油浴系统和低温系统。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述冷板还设置有冷板连接孔和冷板固定孔；所述两个冷板间通过冷板连接孔固定；所述冷板与传热底座通过冷板固定孔匹配固定。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传热底座上设置有传热底座固定孔，所述传热底座与法兰通过传热底座固定孔连接固定。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中心热板、冷板、传热底座均设置有温度计孔，温度计放置于温度计孔内。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中心热板、冷板和传热底座的材质为紫铜材料。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述真空室筒体与法兰之间用铟或欧圈密封。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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