CN108828003A - 一种固体材料接触热阻测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体材料接触热阻测量装置，涉及接触热阻测量技术领域，包括水箱和用于给水箱加热的加热器，水箱外部设有支撑杆，支撑杆上安装有可上下平移的移动滑杆，移动滑杆的顶部连接有试件夹具，还包括PC端和温度检测单元，温度检测单元与PC端电性连接。本发明还提供了一种固体材料接触热阻测量装置的测量方法。本发明通过实验与有限元分析相结合的方法，给出了固体材料接触热阻的测量方法，具有准确性好，操作性好的特点。

Description

一种固体材料接触热阻测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及接触热阻测量技术领域，具体的说是一种固体材料接触热阻测量装置及测量方法。

背景技术

某型号汽车喷水壶壶体采用尼龙材料制作而成，由于水的冰点为0℃，在冬季由于水结冰而导致喷水壶无法工作，因此喷水壶必须具有加热板来融化喷水壶内的冰，一般的加热板采用铝合金制作而成。新产品开发之前必须对加热板的加热功能进行仿真计算，保证加热板能够在规定的时间内将喷水壶内的冰全部融化，要得到准确的仿真结果，加热板和壶体之间的接触热阻是最为关键也是唯一未知的参数。

理论上，普遍认为接触面两侧物体保持同一温度，即假定两层壁面之间保持了良好的接触。而在工程实际中由于任何固体表面之间的接触都不可能是紧密的，实际上接触仅仅发生在一些离散的面积元上，在未接触的界面之间的间隙常常充满了空气，热量将以导热的方式穿过这种气隙层，这种情况与固体表面完全接触相比，增加了附加的传递阻力，称为接触热阻。固体材料接触热阻与以下因素有关：

1、相互接触的物体表面的粗糙度：粗糙度越高，接触热阻越大。

2、相互接触的物体表面的硬度：在其他条件相同的情况下，两个都比较坚硬的表面之间接触面积较小，因此接触热阻较大，而两个硬度较小或者一个硬一个软的表面之间接触面积较大，因此接触热阻较小。

3、相互接触的物体表面之间的压力：显然，加大压力会使两个物体直接接触的面积加大，中间空隙变小。接触热阻也就随之减小。

接触热阻R_t的计算公式如下：

R_t＝Δt/q,式中Δt为两物体接触界面的温差，q为通过界面的热流量，当两物体紧密接触时，温差Δt与热流量q均无法直接测量，。

发明内容

本发明提出了一种固体材料接触热阻测量装置及测量方法，避免了直接测量接触面之间按的温差和通过接触面的热流量，致力于解决以上技术问题。

本发明解决其技术问题采用以下技术方案来实现：

一种固体材料接触热阻测量装置，包括水箱和用于给水箱加热的加热器，水箱外部设有支撑杆，支撑杆上安装有可上下平移的移动滑杆，移动滑杆的顶部连接有试件夹具，还包括PC端和温度检测单元，温度检测单元与PC端电性连接。

作为本发明的进一步的改进，所述试件夹具包括对称设置的试件装夹一和试件装夹二，试件装夹一和试件装夹二上均设有样品容纳腔及通孔。

作为本发明的进一步的改进，所述试件夹具还包括多个螺丝，试件装夹一上对称的布置有多个光孔，试件装夹二上的对应位置处布置有相同数量的螺纹孔，螺丝贯穿光孔后与螺纹孔螺接。

作为本发明的进一步的改进，所述温度检测单元包括温度探针一、温度探针二和温度探针三，温度探针一固定在试件一的上表面中心位置，温度探针二固定在试件二的下表面中心位置，温度探针三固定在水箱的内侧壁上。

作为本发明的进一步的改进，所述加热器包括位于水箱外的电源插头和位于水箱内的加热棒，加热棒呈螺旋形。

一种固体材料接触热阻测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤一、使两个试件相互接触，并给其中一个试件远离接触面的一端施加一个稳定的温度，热量将通过接触面从一个试件传递到另一个试件；

步骤二、间隔固定时间，分别测量两个试件远离接触面的一端的温度，得到温度-时间曲线分别为T1-t和T2-t；

步骤三、利用有限元仿真软件标定出两个试件之间的接触热阻。

作为本发明的进一步的改进，所述步骤三中有限元仿真软件的标定方法具体为：

s1、建立两个试件的3D模型，并且分别输入两个试件的材料属性，包括密度、热传导系数和比热容；

s2、将其中一个试件模型远离接触面的一端作为输入端，另一个试件模型远离接触面的一端作为输出端，在输入端施加通过测量得到的温度-时间曲线(T1-t或T2-t)；

s3、输入参数为两个试件之间预估的接触热阻Rt；

s4、通过仿真计算得到输出端的温度-时间曲线(T2’-t或T1’-t)；

s5、将仿真得到的温度-时间曲线(T2’-t或T1’-t)与实际测量得到的温度-时间曲线(T2-t或T1-t)做对比，然后修正接触热阻Rt的值；

s6、重复步骤s3～s5，直至得到满足精度要求的接触热阻Rt。

作为本发明的进一步的改进，所述步骤三中的有限元仿真软件可以是ANSYS、ABAQUS，Hypermesh、CFX、Nastran或者FLUENT中的任意一种。

本发明的有益效果：

本发明通过实验与有限元分析相结合的方法，给出了固体材料接触热阻的测量方法，具有准确性好，操作性好的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本具体实施方式的结构示意图；

图2为试件装夹一的俯视图；

图3为试件装夹一的剖视图。

具体实施方式

下面通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1所示，一种固体材料接触热阻测量装置，包括温度信息采集装置和PC端17，温度采集装置由底座1、支撑杆2、移动滑杆7、试件夹具、加热器、水箱和多个温度探针组成。

如图1所示，水箱位于底座1上，水箱内装有水溶液，为了减少水箱热量损失，提高试验精度，水箱的侧壁包括外层的基体层3和内层的绝热层4，水箱内设有温度探针三16，温度探针三16与PC端17电性连接，温度探针三16用于实时监测水箱内水的温度信息并返回给PC端17。

还包括加热器，加热器包括位于水箱外的电源插头6和位于水箱内的加热棒5，为了改善加热效果，使水箱内的水溶液均匀受热，加热棒5呈螺旋形。

支撑杆2安装于底座1上，支持杆上设有可上下平移的移动滑杆7，试件夹具的顶端固定在滑杆7上，试件夹具用于固定样品，具体的，试件夹具包括对称设置的试件装夹一8和试件装夹二9，试件装夹一8和试件装夹二9上均设有用于放置样品的样品容纳腔及用于供温度探针穿过的通孔，如图2和图3所示。试件装夹一8和试件装夹二9之间可拆卸的连接，具体的，为了能够给放置在样品容纳腔内的样品提供一个稳定的压力，试件夹具还包括多个螺丝，试件装夹一8上对称的布置有多个光孔，试件装夹二9上的对应位置处布置有相同数量的螺纹孔，螺丝贯穿光孔后与螺纹孔螺接，通过螺丝紧固试件装夹一8和试件装夹二9，进而使试件装夹一8和试件装夹二9中的试件一10和试件二11在一个稳定的压力下保持接触

该固体材料接触热阻测量装置还包括温度探针一14和温度探针二15，温度探针一14穿过试件装夹一8的通孔贴于试件一10的上表面中心位置，温度探针二15穿过试件装夹二9的通孔贴于试件二11的下表面中心位置。试件一10和试件二11均需要加工成特定尺寸的圆柱形，上下表面要根据产品的粗糙度要求进行加工。温度探针一14和温度探针二15分别于PC端17电性连接，温度探针一14和温度探针二15分别将采集到的温度信息传递给PC端17，然后通过有限元软件进行标定，即可得到两个试件之间的接触热阻。

其原理如下：试件一和试件二相互接触，给试件二一端面施加一个稳定的温度，热量由试件二传递至试件一，在传递的过程中，存在三个温度下降。第一个温度下降由于试件二本身的导热性能高低引起的，第二个温度下降是由试件二和试件一之间存在接触热阻大小引起的，第三个温度下降是由试件一的导热性能高低引起的。试验中，在一定时间范围内，可以准确测量试件一一侧的温度和试件二一侧的的温度。由于试件一和试件二的导热系数已知，因此热量在传递过程中唯一未知的参数是接触热阻。利用有限元软件进行瞬态热分析，可以建立与试验试件尺寸及材料一致的模型，在有限元模型中，同样的按照试验中的到的试件二表面的温度加载于有限元模型中，通过不断的调整接触界面的热阻系数，使模拟得到的试件一的一侧的温度与试验中得到的数据吻合在一定误差范围内，那么即可得到两试件之间的接触热阻。

实施例1

分别用汽车喷水壶壶体和加热板的材料制作圆饼形试件，即试件一10的材质为尼龙，试件二11的材质为铝合金，试件的粗糙度符合汽车喷水壶和加热板的图纸要求。将试件一10和试件二11分别安装于试件装夹一8和试件装夹二9的样品容纳腔内，并用螺丝固定。

用导热硅胶将温度探针一14贴于试件一10的上表面中心，温度探针二15贴于试件二11的下表面中心，温度探针三16贴于水箱绝缘层4靠近水箱上沿，分别将3个温度探针的返回端连接至PC端，PC端用于接收返回的温度信息。

缓慢向水箱内添加水溶液(自来水或纯进水或蒸馏水)直至淹没温度探针三16，调节滑杆，使试件夹具不接触水面。

将加热器的电源插头6接通电源对水箱内的水进行加热，加热器的功率不宜过大，以防发生水沸腾过度而造成危险，在加热的同时观察温度探针三16的温度信息，当温度探针三16返回的温度值T₃稳定后(此时说明水箱内的水已经沸腾，达到稳态)，然后缓慢调整滑杆7的高度，使试件二11的下表面连同温度探针二15淹没于水中，注意使温度探针二刚刚淹没即可。

PC端17每隔固定的时间间隔记录一次温度探针一14所返回的数值T₁和温度探针二15所返回的数值T₂，例如每30秒记录一次，在规定时间内可以得到多个T₁和T₂，例如在30分钟内可以得到60个T₁和T₂，然后绘制出温度曲线T₁-t和和温度曲线T₂-t，之后采用有限元仿真的手段标定试件一10和试件二11之间的接触热阻。

在PC端根据试件一10和试件二11的实际形状尺寸，在有限元软件中建立试件一10和试件二11的3D模型。使用的有限元仿真软件可以是ANSYS、ABAQUS，Hypermesh、CFX、Nastran或者FLUENT中的任意一种。

输入试件一10的材料属性包括密度ρ1、热传导系数λ1、比热容ht1，试件二11的材料属性包括密度ρ2、热传导系数λ2、比热容ht2。

有限元软件中边界条件设置如下：1、载荷，试件二11与水接触的一面施加温度载荷，载荷按照温度探针二15返回的温度曲线T2-t施加；2、输入参数，输入参数为试件一10和试件二11之间预估的接触热阻Rt；3、输出参数，输出参数为试件一表面的温度曲线T1’-t。

对比仿真曲线T1’-t与实验曲线T1-t，修正接触热阻，然后重复计算过程，直至得到满足精度要求的接触热阻。

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种固体材料接触热阻测量装置，其特征在于，包括水箱和用于给水箱加热的加热器，水箱外部设有支撑杆，支撑杆上安装有可上下平移的移动滑杆，移动滑杆的顶部连接有试件夹具，还包括PC端和温度检测单元，温度检测单元与PC端电性连接。

2.根据权利要求1所述的固体材料接触热阻测量装置，其特征在于，所述试件夹具包括对称设置的试件装夹一和试件装夹二，试件装夹一和试件装夹二上均设有样品容纳腔及通孔。

3.根据权利要求2所述的固体材料接触热阻测量装置，其特征在于，所述试件夹具还包括多个螺丝，试件装夹一上对称的布置有多个光孔，试件装夹二上的对应位置处布置有相同数量的螺纹孔，螺丝贯穿光孔后与螺纹孔螺接。

4.根据权利要求1所述的固体材料接触热阻测量装置，其特征在于，所述温度检测单元包括温度探针一、温度探针二和温度探针三，温度探针一固定在试件一的上表面中心位置，温度探针二固定在试件二的下表面中心位置，温度探针三固定在水箱的内侧壁上。

5.根据权利要求1所述的固体材料接触热阻测量装置，其特征在于，所述加热器包括位于水箱外的电源插头和位于水箱内的加热棒，加热棒呈螺旋形。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的固体材料接触热阻测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、使两个试件相互接触，并给其中一个试件远离接触面的一端施加一个稳定的温度，热量将通过接触面从一个试件传递到另一个试件；

步骤二、间隔固定时间，分别测量两个试件远离接触面的一端的温度，得到温度-时间曲线分别为T1-t和T2-t；

步骤三、利用有限元仿真软件标定出两个试件之间的接触热阻。

7.根据权利要求6所述的固体材料接触热阻测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤三中有限元仿真软件的标定方法具体为：

s1、建立两个试件的3D模型，并且分别输入两个试件的材料属性，包括密度、热传导系数和比热容；

s2、将其中一个试件模型远离接触面的一端作为输入端，另一个试件模型远离接触面的一端作为输出端，在输入端施加通过测量得到的温度-时间曲线(T1-t或T2-t)；

s3、输入参数为两个试件之间预估的接触热阻Rt；

s4、通过仿真计算得到输出端的温度-时间曲线(T2’-t或T1’-t)；

s5、将仿真得到的温度-时间曲线(T2’-t或T1’-t)与实际测量得到的温度-时间曲线(T2-t或T1-t)做对比，然后修正接触热阻Rt的值；

s6、重复步骤s3～s5，直至得到满足精度要求的接触热阻Rt。

8.根据权利要求6所述的固体材料接触热阻测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤三中的有限元仿真软件可以是ANSYS、ABAQUS，Hypermesh、CFX、Nastran或者FLUENT中的任意一种。