CN108169278B - 一种热物性探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热物性探头，包括：有绝缘膜层的热丝螺旋状绕制而成的探体；附着于探体外壁的保护层；连接所述探体两个引出线的两个接线端子。探体包括细长圆筒丝状、细长圆筒针状及双螺旋圆片状接头，分别基于瞬态热线法、瞬态热针法和瞬态热面法测试物质的热物性参数。该热物性探头制作工艺简单，生产成本低廉；在相同热物性探头尺寸下，探头阻值可增加数倍至数十倍，可有效降低采集设备的需求精度；该热物性探头结构排布精密，测试精度高，有效降低探头尺寸，降低了对测试样品质量要求；该热物性探头可实现丝、针及双螺旋面三种典型结构集成在同一台测试装置上，完成大部分物质的热物性测试，通用性强，实用性强，易于推广。

Description

一种热物性探头

技术领域

本发明涉及热物性测量领域，具体是一种各类物质的导热系数和比热容的测量探头。

背景技术

物质的导热系数和热扩散系数是重要的物性参数，是所有涉及到热量传递环节设计所必需的基本参数。导热系数测试方法主要包括稳态法和瞬态法。稳态法存在测试周期长，操作复杂，对样品形状要求高，样品量大等缺点，目前基本被瞬态法所替代。瞬态法主要包括热线法、热面法和闪光法。闪光法主要用来测试高导热固体材料，对样品表面及形状要求非常高，应用范围窄。目前通用的商业热物性测试装置主要是瞬态热面法和瞬态热线法。瞬态热面法是瑞典Chalmer理工大学的Silas Gustafsson教授于上世纪80年代提出的一种双螺旋圆片结构，HotDisk AB公司通过对整片的热敏材料金属镍刻蚀制作该结构探头，其刻蚀工艺复杂且成本高，受镍本身材质限制以及绝缘需要，探头阻值偏低，对采集设备精度要求很高，导致整套测试设备近百万。瞬态热线法根据探头形状又扩展为线状和针状结构。线状结构多采用铂丝或钽丝等贵重金属热敏材料，长度一般在几厘米，探头整体结构复杂且阻值更低，对采集设备精度要求更高，整套采集设备更加昂贵；针状结构主要在金属管孔内加入多股微细铜丝等热敏材料，注入导热硅脂等导热胶强化传热，管径基本在1-5mm左右，内部铜丝很难均匀填充，导热硅脂也不易完全填充内部孔隙，传热并不均匀，考虑到端部能量损失，一般针状结构长径比要达到100，所以针长度要长于10cm，对样品量要求过大，且测试精度差。

发明内容

为了克服以上不足，本发明提供了一种制作工艺简单、成本低廉、阻值高且排布结构精密的热物性探头。

现有热物性探头制作工艺复杂，技术门槛高，探头阻值偏低需要高精度采集设备，导致通用型热物性采集装置价格极其昂贵，限制了相关产业快速发展。为此，本发明在系统分析了各类探头结构的基础上，结合超细丝绕制工艺，提出：采用热敏材质的超细丝精细绕制成双螺旋圆片状、针状及丝状的探头，在强化探头结构精度的前提下，提高同尺寸探头电阻，同时有效降低工艺难度和生产成本。实验结果表明：绕制的针、丝状探头电阻在同尺寸下可增加1-30倍，以目前工艺条件，最细线径可达0.06mm，与热线法单发热线线径在同一个数量级；绕制的双螺旋圆片状探头电阻在同尺寸下可增加3～30倍；探头电阻值增加可有效降低对高精度高速万用表的依赖，在保证测试精度前提下，采集分辨率可从六位半降低至五位半乃至五位即可；此外，探头绕制工艺简单，原材料如漆包铜丝来源广泛，生产成本仅为其它探头的几十分之一，经济效益明显。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种热物性探头，包括：

由热丝螺旋状绕制而成的探体。

优选的，所述探体为细长圆筒状结构或双螺旋圆片状结构。

优选的，所述的细长圆筒状探体为热丝对折后双线绕制，两个引出线从细长圆筒状结构一端引出；

优选的，细长圆筒状探体为热丝单线绕制，两个引出线从细长圆筒状结构两端各引出一个。

更优选的，所述的细长圆筒状探体有圆柱骨架，圆筒内壁与圆柱骨架内壁贴合。

更优选的，由两个细长圆筒状探体连接组成双热线或平行双热线探头。

优选的，所述的双螺旋圆片状探体为热丝对折双线绕制，两个引出线在圆片外径端。

优选的，所述热丝截面为圆形、方形或近似椭圆形；

优选的，所述热丝外包覆有绝缘膜层；

优选的，所述热丝可以使用增材制造工艺在圆柱骨架形成细长螺旋绕制结构，在保护层上形成双螺旋圆片状结构。

优选的，所述探头还包括：连接所述探体两个引出线的两个接线端子。

优选的，所述的探体外壁保护层厚度为0～0.3mm，可由多层不同材质组成；

优选的，所述的探体两个引出线与接线端子焊接或挤压连接；

优选的，所述的绝缘膜层可由多层不同材质组成；

优选的，所述的接线端子有保护层，可由多层不同材质组成。

本发明还提供了一种热物性测试装置，包括任一上述的热物性探头。

本发明的有益效果

(1)本发明制作工艺简单，材料来源广泛且廉价，制作成本低廉，经济效益明显。

(2)本发明热物性探头同尺寸下阻值增加数倍至数十倍，有效降低热物性测试所需万用表采集精度，明显降低热物性测试装置生产成本。

(3)本发明热物性探头结构排布精密，测试精度高，可有效降低探头尺寸，降低对测试样品质量要求。

(4)本发明热物性探头通用性强，可实现针、丝及双螺旋圆片等多种典型结构，一个采集设备多种测试探头，完成各类物质热物性测试，实用性强，易于推广。

附图说明

图1为本发明一实施形态的针状结构示意图。

图2为本发明一实施形态的丝状结构示意图。

图3为本发明一实施形态的针状及丝状实际绕制结构示意图，其中，A.探体有保护层，B.探体没有保护层；刻度尺的分度值为0.1mm，即：大格为1mm，分为10小格，每小格100μm。

图4为本发明一实施形态的双螺旋圆片状结构示意图。

具体实施方案

以下通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

一种热物性探头，包括：

有绝缘膜层的热丝螺旋状绕制而成的探体；

附着于探体外壁的保护层；

连接所述探体两个引出线的两个接线端子。

本发明中所述的探体是指：热丝螺旋状绕制而成的细长圆筒状结构或双螺旋圆片状结构，其中，细长圆筒状结构对应热线法中的丝状或针状结构，相比单丝直接固定在接线端子绷直为一条直线的丝状探体和对折多次的一束热丝填入管内的针状探体，本发明为螺旋状绕制的细长圆筒探体，为减少其端部热量损失导致的测试误差，其长径比一般大于100；双螺旋圆片状结构对应瞬态热面法的双螺旋结构，相比目前在整块金属镍薄片刻蚀出来的双螺旋结构，本发明为对折后的双线从圆心处螺旋状绕制双螺旋结构，尤其是绕制热丝外有绝缘层，可以贴紧绕制，而刻蚀获得双螺旋结构需要留出间隙绝缘，两者同尺寸情况下，绕制探体的阻值远高于刻蚀法获得探体。

本发明中所述的热丝表面有绝缘膜层，绝缘膜层一般为聚酰亚胺、聚氨酯、氧化铝、氮化铝、碳化硅、氮化硅、氧化锆等绝缘材质，中低温测试环境一般采用聚酰亚胺、聚氨酯等有机材料包漆工艺，工艺简单成本低，高温测试环境采用氧化铝、氮化铝、碳化硅、氮化硅、氧化锆等高导热无机非金属材料镀膜，镀膜可采用磁控溅射、电化学或喷涂等工艺。

本发明中所述的热丝绝缘膜层可为多层不同材质组成，比如内层为聚氨酯漆层，外层为热熔性自粘层，加热后可使绕制成型的探体直接固定成型。

本发明所述的热丝截面为圆形、方形或近似椭圆形，圆形为常见细丝，生产工艺成熟，价格低廉，方形为最合适的形状，可以缠绕出完全平整圆筒外壁面和圆片上下壁面，而近似椭圆形为微细扁线的截面结构，近似为倒圆角的长方形，可绕制出比较平整的圆筒外壁和圆片上下壁面。

本发明所述的热丝材质为热敏电阻材料，其需具备：足够大的电阻率；高电阻温度系数；在工作温度区间加热和冷却时，电阻温度曲线应有良好的重复性；良好的延展性。

优选的，所述热丝材质为铜、铂、镍、钽、铁或铑合金其中之一。

优选的，所述热丝当量尺寸小于0.5mm，且越细越薄越好，这样可以绕制出的探头尺寸更小，电阻值更大，平整度更好，所需样品量更低，测试精度更高。

本发明所述的探体具有保护层，探体的保护层厚度为0～0.3mm，当探体的保护层厚度为0时，表示没有保护层，探体的保护层可增强绕制探体强度，维持其形状不变形，提高其耐磨抗压能力，防止热丝绝缘膜破坏，填充热丝间缝隙，降低探体接触热阻等作用；探体的保护层可有多层不同材质组成，比如在圆筒状探体外壁涂覆一层高导热固化胶，填充热丝缝隙，平整探体外壁，强化探体强度，然后置入不锈钢毛细管中进一步强化探体强度，形成探针结构，用于直接插入食品、土壤、膏体、软性固体等材质测试热物性参数。

本发明所述的探体两个引出线与接线端子焊接或挤压连接，形成电路通路，具有良好的导电性。

本发明所述接线端子为良导体，其电阻远远小于探体电阻，使得其电阻导致的测试误差可以忽略不计。

本发明所述接线端子具有保护层，其材料可有多层不同材质组成。比如，针状探头，其两个接线端子均在探头一段，接线端子由固定底板、封装绝缘胶和外套三部分不同材质的保护层组成，实现对接线端子位置固定、绝缘和保护的作用。

优选的，所述细长圆筒状探体为热丝对折为双线后对折位置从起始端绕制，两个引出线从细长圆筒状结构绕制末端引出，与末端两个圆柱接线端子连接，形成针状结构探头，便于直接插入被测试样品；细长圆筒状探体也可为热丝单线绕制，两个引出线从细长圆筒状结构两端各引出一个，形成丝状探体，每个面状接线端子与一条引出线连接，面状接线端子的厚度小于圆筒状探体外径，组成片状探头，可以放入液体、膏体或两个具有平整面的固体样品之间，进行热物性测试。

优选的，所述的双螺旋片状探体为热丝对折双线绕制，两个引出线在圆片外径端，分别与两个面状接线端子连接，形成双螺旋面状探头，对各类物质进行热物性测试。

本发明所述的细长圆筒状结构探体有圆柱骨架，圆筒内壁与圆柱骨架内壁贴合，其作用有三：第一，方便绕制成型，保证绕制的细长圆筒状结构的精度；第二，其骨架作用，保证使用过程细长圆筒结构不会变形；第三，便于探头整体装配定型，维持探体绷直状态，提高其使用寿命。

本发明所述热物性探头，由两个细长圆筒状探体制作的热物性探头连接组成一条细长圆筒状探头，可形成双热线法探头；两个细长圆筒状探体制作的热物性探头平行放置连接组成的双细长圆筒探头，可形成平行双热线探头。

本发明所述热物性探头，热丝可以使用增材制造工艺在圆柱骨架形成细长螺旋绕制结构，在保护层上形成双螺旋圆片状结构。

本发明中所述的增材制造工艺是指：直接在圆柱骨架或保护层上生长出来热敏材质热丝的工艺。比如可以采用3D激光打印、气相沉积等方法，在圆柱骨架或保护层上生长出绕制结构，再经过漆包或镀膜，焊接接线端子，添加保护层等工艺即可获得本专利所述热物性探头。

本发明还提供了一种热物性测试装置，包括任一上述的热物性探头。

本发明中上述的热物性探头皆可用于导热系数及比热容测试表征领域，皆获得了较优的效果，达到或优于该行业相关的国际或国家标准。

实施例1

如附图1所示，热丝1线径为25μm，材质为自粘性漆包单晶铜丝，螺旋绕制在线径0.1mm的不锈钢圆柱骨架2上，热丝绕制方式为单线绕制，通过加热固化其绕制形状，两个引出线分别在绕制的细长圆筒的两端引出，焊接在两个铜箔引线端子4上，铜箔厚度为0.05mm，小于细长圆筒探体外径0.15mm，不会导致样品加持时接触不好或换热不均。不锈钢圆柱骨架2两端未绕热丝段折弯后和铜箔引线端子4在一个平面上，固定在引线端子4的两层保护层3聚酰亚胺薄膜之间，形成完整的丝状探头，探头阻值为25.54Ω，为同样长度，25μm线径铜丝阻值的二十余倍，甚至远大于同长度25μm线径钽丝阻值。其探头实际绕制形状如图3中探体没有保护层图片的细圆柱结构一致。当探体外表喷涂一层环氧树脂填平热丝之间间隙，进一步强化热丝强度和耐磨性后，其探头实际绕制形状如图3中探体有保护层图片的细圆柱结构一致。以去离子水、高纯乙二醇、聚四氟乙烯、PYREX7740玻璃及316L固液物质为样品测试，结果表明探头测试误差小于1.5％，五次重复性最大误差小于2％。

实施例2

如附图2所示，热丝2线径为15μm，材质为自粘性漆包铜丝，螺旋绕制在线径0.4mm的高速钢圆柱骨架1上，热丝绕制方式为对折后双线绕制，通过加热固化其绕制形状，两个引出线在绕制的细长圆筒的一端引出，焊接在两个铜柱引线端子6上，铜柱接线端子6直径为1mm，圆柱骨架1和铜线接线端子6可以初步固定在接线端子保护层中底板3上，接线端子保护层中底板3和不锈钢套4组成一个腔体，注入环氧树脂胶体固化，形成接线端子保护层中的固化胶5，实现探体及接线端子的固定和绝缘。在本实施例中，接线端子保护层包括底板3，不锈钢套4和固化胶5三部分材料。该实施例为针状探头，探头阻值为312.32Ω，采用五位半精度高速万用表，既可获得高精度的热物性参数。其探头实际绕制形状如图3中探体没有保护层图片的粗圆柱结构一致。当探体外表喷涂一层环氧树脂填平热值之间间隙，进一步强化热丝强度和耐磨性后，其探头实际绕制形状如图3中探体有保护层图片的粗圆柱结构一致。

实施例3

如附图4所示，热丝1线径为25μm，材质为钽丝，钽丝外壁通过磁控溅射镀有氮化铝薄膜，薄膜外侧涂热自粘漆，热丝对折后，自对折点为圆心双螺旋结构绕制成双螺旋圆片结构探体，通过加热初步固化其绕制形状，在双螺旋圆片的两个圆面涂抹无机绝缘高导热固化胶体，使其圆面平整规整，强化传热，胶体外壁贴合超薄云母片，进一步强化其平整，提高探体强度，两个引出线自圆片外径侧引出，焊接在两个钽箔接线端子4上。接线端子4固定于两层超薄云母片之间，固定接线端子4。在本实施例中，热丝的保护层为氮化铝薄膜和自粘漆两层；无机绝缘高导热固化胶和云母片两层材质形成探体的保护层2，接线端子4外侧云母片为接线端子保护层3，这里需要指出的是，探体的保护层2中云母片和接线端子4的保护层云母片为一体的。本实施例探头阻值为982.65Ω，为同样外径尺寸镍刻蚀探头阻值的近二十倍。本实施例探头可用于700℃以下工况物质的热物性测定。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (13)

1.一种热物性探头，其特征在于，包括：

由热丝螺旋状绕制而成的探体；

所述探体为细长圆筒状结构或双螺旋圆片状结构；

所述的细长圆筒状探体有圆柱骨架，圆筒内壁与圆柱骨架内壁贴合；

所述的双螺旋圆片状探体为热丝对折双线绕制，两个引出线在圆片外径端。

2.如权利要求1所述的热物性探头，其特征在于，细长圆筒状结构的探体为热丝对折后双线绕制，两个引出线从细长圆筒状结构一端引出。

3.如权利要求1所述的热物性探头，其特征在于，细长圆筒状结构的探体为热丝单线绕制，两个引出线从细长圆筒状结构两端各引出一个。

4.如权利要求1-3所述的热物性探头，其特征在于，所述热丝截面为圆形、方形或近似椭圆形。

5.如权利要求1-3所述的热物性探头，其特征在于，

所述热丝外包覆有绝缘膜层。

6.如权利要求1-3所述的热物性探头，其特征在于，所述热丝使用增材制造工艺在圆柱骨架形成细长螺旋绕制结构，在保护层上形成双螺旋圆片状结构。

7.如权利要求1-3所述的热物性探头，其特征在于，所述探头还包括：连接所述探体两个引出线的两个接线端子。

8.如权利要求1-3所述的热物性探头，其特征在于，所述的探体外壁保护层厚度为0～0.3mm，可由多层不同材质组成。

9.如权利要求7所述的热物性探头，其特征在于，探体的两个引出线与接线端子焊接或挤压连接。

10.如权利要求5所述的热物性探头，其特征在于，所述的绝缘膜层可由多层不同材质组成。

11.如权利要求7所述的热物性探头，其特征在于，所述的接线端子有保护层，可由多层不同材质组成。

12.如权利要求1所述的热物性探头，其特征在于，由两个细长圆筒状探体连接组成双热线或平行双热线探头。

13.一种热物性测试装置，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的热物性探头。