CN109001252A - 导热系数测试装置 - Google Patents

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李俞先
胡家渝
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Abstract

本发明公开的一种导热系数测试装置，旨在提供一种热沉温度控制稳定，温度测试点测量准确的装置。本发明通过下述技术方案予以实现：冷却单元由位于散热圆柱盘底端，与散热圆柱盘一体成形的矩形液冷循环热沉冷板组成；热源圆柱盘及其顶端上装配的片状电加热源和上绝热垫块，以及散热圆柱盘均同轴包裹在保温层中；用已知大小的恒定功率的热源加热达到稳态后，利用测量材料的导热系数λ，根据已知加热计量单元和冷却单元材料的导热系数，采用两次测量法检测垂直于测试样件表面方向上形成梯度分布测试点D2和D3的温度值，运用热传导定律傅里叶公式求出测试样件的热流量Q，以及测试样件9两端的温度差△T，计算出测试样件的导热系数。

Description

导热系数测试装置
技术领域
本发明涉及一种可以测试复杂结构材料如相变材料、粘接和系接材料，包括连接在热沉材料上的集成芯片和热接触材料的热阻、多层材料和薄膜类材料等导热系数的测试装置，
背景技术
在满足电子产品小型化，轻量化的要求下，为提高电子产品的散热性能，产品设计人员及材料研究人员通常需要开发新型导热功能材料，用于产品结构设计，并同时具有良好的导热性能。在电子产品的研发设计阶段，需要运用传热学对电子产品的温度分布进行理论分析，并结合计算机仿真软件对电子产品的热设计合理性进行评估。导热系数是物质最基本的热物理性质之一，是用来衡量材料的导热特性和保温性能的重要指标。材料的导热系数和材料的性能、成分、含湿率、时间、平均温度、温差以及所经历的热状态等一系列因素有关。导热系数的精确测定对于环境工程、建筑工程、工业工程、科研以及节能等各个领域都有重要意义。因此，准确测量电子产品所使用的导热材料的导热系数是保证理论分析及软件仿真结果正确的不可或缺的因素。目前各种测量导热系数的方法都建立在傅里叶热传导定律基础上。热传导定律指出：单位时间内通过单位截面积所传导的热量，正比于当地垂直于截面方向上的温度变化率，如果热量沿单一方向传导时，热量从高温区向低温区传导(即热传导的方向与温度梯度的方向相反)，比例数λ即为导热系数。
目前应用较为广泛的测量材料导热系数的方法主要有两种。一种是基于傅立叶导热定律所描述的稳态条件进行测量的稳态热流法。稳态热流法除固体材料，还可用于多孔纤维、聚合物基复合材料、高分子材料等导热系数的测定，一般多用于测定固态材料导热系数而无法测定液态和气态材料的导热系数。稳态热流法通常是将待测材料试样置于一热源与低温热沉之间，通过测量流过试样的热流量及试样两端的温度差，计算出材料的导热系数。其优点是制样简单，操作方便，测试结果精确且重现性好。缺点在于导热系数测试局限于纵向导热，测试范围较窄，温度范围有限，测试对象偏向于低导热系数材料。另一种是通过测量材料的热扩散系数从而间接测量导热系数的瞬态法。该方法的原理是，对试样的正面进行加热(如使用激光)，热量在试样中扩散，使试样的背部温度上升，然后使用红外探测器测量其温度随时间上升的关系，计算出试样的热扩散系数，从而求得材料的导热系数。其特点是所需样品尺寸小，制样简单，检测速度快，测量范围宽测试温度广，同时可以测量热扩散速率等参数。缺点是只适用于各向同性、均质、不透光的材料，重复性和准确性比较差，人为因素影响明显。
稳态热流法是国际上比较流行的测量方法，在现有技术中，采用稳态热流法的导热系数测试仪的不足之处有：1.实施方案不够简洁，不易操作；2.热沉散热能力不足，影响测试精度；3.测量结果未排除接触热阻对数据的影响；4.温度测试点分布不合理，测量不准确。
发明内容
本发明的目的是针对现有稳态热流法测量导热系数的技术存在的不足之处，提供一种结构简单，易搭建，热沉温度控制稳定，温度测试点测量准确的导热系数测试装置，其同时可以剔除测试系统接触热阻的影响，得到材料准确的导热系数。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种导热系数测试装置，包括：加热计量单元、加热防护单元和冷却单元，以及周向固定在顶板2与底座6之间的立柱(5)所构成的测试支架，其中，加热防护单元包括通过施压旋钮螺栓1固定在顶板2下方的热源圆柱盘8，冷却单元包括固定在底座6上的散热圆柱盘10，其特征在于：加热部分由设置在热源圆柱盘8顶端的片状电加热源7组成，片状电加热源7通过自动调整的直流电源来加热，冷却单元由位于散热圆柱盘10底端，与散热圆柱盘10一体成形的矩形液冷循环热沉冷板12组成；热源圆柱盘8及其顶端上装配的片状电加热源7和上绝热垫块3，以及散热圆柱盘10均同轴包裹在保温层4中；用已知大小的恒定功率的热源加热达到稳态后，利用测量材料的导热系数λ，根据已知加热计量单元和冷却单元材料的导热系数，采用两次测量法检测垂直于测试样件9表面方向上形成梯度分布测试点D2和D3的温度值，运用热传导定律傅里叶公式求出测试样件9的热流量Q，以及测试样件9两端的温度差△T，计算出测试样件9的导热系数。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
结构简单，易搭建。本发明采用周向固定在顶板2与底座6之间的立柱5所构成的测试支架，结构简洁，易搭建，通过简洁牢固的测试支架上的施压旋钮螺栓1固定在顶板2下方的热源圆柱盘8组成加热防护单元，采用位于散热圆柱盘10底端，与散热圆柱盘10一体成形的方形矩形液冷循环热沉冷板12组成冷却单元，所构成的测量系统的各零部件可制造性强。
减小测量误差，测量结果准确。本发明将热源圆柱盘8及其顶端上装配的片状电加热源7和上绝热垫块3，以及散热圆柱盘10均同轴包裹在保温层4中，以及其下固联的直径大于散热圆柱盘10直径的矩形液冷循环热沉冷板12，，避免了热量向空气中泄露，进一步提高了测量的准确度，减小了测量的误差，采用两次测量法，可以有效排除接触热阻对测试结果的影响，得到待测材料准确的导热系数值。
温度测量准确。本发明温度测试点圆孔的测温方法可以修正由于铜柱端面温度分布不均对测温结果的影响，更准确地测得铜柱端面的温度。
综上所述，本发明测试装置制造简单，搭建方便，测试结果准确，可以为设计人员提供便捷的材料导热系数测试能力。测试环境可以是大气环境、贫氧环境、真空和惰性气体可以广泛用于耐热和保温材料的生产企业、相关质量检验部门和单位、高等院校以及科研院所。
附图说明
图1是本发明导热系数测试装置的三维模型示意图(不含测试样件和保温层)。
图2是图1包含了测试样件和保温层的剖视图。
图3是分布在热源圆柱盘、散热圆柱盘铜柱横截面上的温度测试孔剖视图。
图4是一种测试样件的组成结构示意图。
图中：1施压旋钮螺栓，2顶板，3绝热垫块，4保温层，5立柱，6底座，7片状电加热源，8热源圆柱盘，9测试样件，10散热圆柱盘，11绝热垫块。
具体实施方式
参阅图1，图2。在以下描述的实施例中，一种导热系数测试装置，包括：加热计量单元、加热防护单元和冷却单元，以及周向固定在顶板2与底座6之间的立柱5所构成的测试支架，测试支架由4根固定在顶板2及底座6的周向立柱组成。冷却单元包括固定在底座6上的散热圆柱盘10。散热圆柱盘10和下绝热垫块11安装于底座6上，测试样件9放置于散热圆柱盘10上表面与热源圆柱盘8下表面之间的测量腔中。加热部分由设置在热源圆柱盘8顶端的片状电加热源7组成，片状电加热源7粘贴于热源圆柱盘8表面，其上表面覆盖上绝热垫块3。散热圆柱盘10和下绝热垫块11一起用螺钉紧固在底座6上。施压旋钮螺栓1安装在顶板2上，并使用力矩扳手按照固定的力矩值拧紧，从而压紧测试样件3。上绝热垫块3，热源圆柱盘8，测试样件9,均为圆柱形，散热圆柱盘10上部也为圆柱形，保温层4包裹于其外表面，防止热量从侧面散出。其中，加热防护单元包括通过施压旋钮螺栓1固定在顶板2下方的热源圆柱盘8。片状电加热源7通过自动调整的直流电源来加热，冷却单元由装配在散热圆柱盘10底端，直径大于散热圆柱盘10直径的矩形液冷循环热沉冷板12组成；片状电加热源7和矩形液冷循环热沉冷板12上分别装配有上绝热垫块3和下绝热垫块11，热源圆柱盘8及其顶端上装配的片状电加热源7和上绝热垫块3，以及散热圆柱盘10均同轴包裹在保温层4中；测试样件9被施压旋钮螺栓1产生的力矩值压紧在热源圆柱盘8与散热圆柱盘10之间的测量腔中；测试样件9在单位时间内垂直通过截面单位面积的热流量从上部热面流至下部冷面，测量待测材料内由高温区向低温区传热速率，热量沿垂直于测试样件9平面的方向上传导。用已知大小的恒定功率的热源加热达到稳态后，测出热源圆柱盘8和散热圆柱盘10上下边缘上各自均布置的两组温度测试点圆孔D1、D2和D3、D4的稳态温差，求出稳态热流。根据已知加热计量单元和冷却单元材料的导热系数，以及在垂直于测试样件9表面方向上形成温度的梯度分布测试点D2和D3，，运用热传导定律傅里叶公式求出测试样件9的热流量Q以及测试样件9两端的温度差△T，计算测试样件9的导热系数。
为了保证测试样件9中温度场的分布具有良好的对称性，测试样件9及热源圆柱盘8和散热圆柱盘10为等大的圆形铜柱体。铜柱体具有高导热性能,加热铜柱体板面温度更均匀、热惯性小,这样使导热系数测定仪测量结果更精确。
为了维持一个恒定的温度梯度分布，必须不断地给热源圆柱盘8高温侧加热，热量通过测试样件9传到低温侧散热圆柱盘10，低温侧散热圆柱盘10将热量不断地散至液冷热沉。当加热速率与散热速率相等时，系统就达到一个动态平衡，称之为稳态，
当向片状电加热源7施加固定的功率，由于上绝热垫块3和保温层4的导热系数极低，所以热量几乎不可能从保温层出散出，只能沿着热源圆柱盘8，测试样件9及散热圆柱盘10散至液冷矩形液冷循环热沉冷板12。该导热现象可按照傅里叶一维导热情况处理。
在热源圆柱盘8和散热圆柱盘10的垂直方向分别均布置有两组温度测试点圆孔D1、D2和D3、D4。温度测试点圆孔D1、D2和D3、D4的测试点圆孔直径0.5mm-1.0mm。采用直径小于0.5mm的热电偶插入温度测试圆孔D1、D2和D3、D4，热电偶后端接入数据采集仪以测量圆孔底部温度。热源圆柱盘8的铜柱下部温度测试点圆孔D2和散热圆柱盘10的铜柱上部温度测试点圆孔D3均十分靠近它们的端面边缘，测试点圆孔壁面与铜柱端面边缘相距0.1mm-0.3mm。
由于热源圆柱盘8和散热圆柱盘10的铜柱的导热系数已知，根据变换傅里叶公式，由温度测试点圆孔测试点D1、D2的温度差和温度测试点圆孔测试点D3、D4的温度差△T，均可以求出通过测试系统的热流量Q，为减小测量误差，本实施例取以上两组温度差△T的平均值。本实施例，以热源圆柱盘8和散热圆柱盘10相邻测试样件9上下表面两组温度测试点圆孔D2、D3的表面温度T2、T3作为测试样件9两侧的温度差△T＝T2-T3来计算测试样件9的导热系数。
由于测试样件9与热源圆柱盘8和散热圆柱盘10铜柱表面均存在接触热阻Rc，而且无法直接测得测试样件9上下两表面的温度，所以本实施例中由△T＝T2-T3计算得出的测试样件9的导热系数受到接触热阻Rc的影响。并考虑接触热阻后可得到测量总热阻Rt＝△T/Q＝δ/λA+2Rc，根据以上推导的总热阻公式，采用两次测量法并解方程组求得测试样件9中待测材料的准确导热系数λ。
在两次测量中，采用直径小于0.5mm的热电偶插入温度测试圆孔D1、D2和D3、D4，热电偶后端接入数据采集仪，以两次测量采集温度测试圆孔D1、D2和D3、D4孔底温度的温度值，将热源圆柱盘8和散热圆柱盘10上相邻于测试样件9上下表面上的温度测试点圆孔D2、D3的测量温度作为采样温度T2、T3，并以此采样温度T2、T3作为测试样件9两侧的温度差△T，△T＝T2-T3来计算测试样件9的导热系数λ。
散热圆柱盘10顶部圆柱端面抛光，以减小和测试样件9的接触热阻并使相同材料的测试样件与该端面的接触热阻保持相对稳定的数值。热源圆柱盘8的圆柱端面与散热圆柱盘10的圆柱端面做同样处理。本实施例采用两次测量法来消除接触热阻Rc的影响，从而准确测得材料的导热系数。测试样件9在两次测量过程中由不同的部件组成。
参阅图3。在热源圆柱盘8和散热圆柱盘10的温度测试点圆孔D1、D2和D3、D4。为减小单一温度测试孔的测量误差和减小由于铜柱内部热扩散不均匀带来的温度测量误差，本实施例在热源圆柱盘8和散热圆柱盘10铜柱上均设有4个沿直径方向深度依次递增的温度测试点圆孔a、b、c、d，以铜柱的横截面内的不同半径上分布的4个温度测试孔a、b、c、d测得的温度作平均值，并以此作为上述温度测试点圆孔的测得温度。理想状态下，温度测试点圆孔a、b、c、d的分布在铜柱横截面的十字交叉的直径线上，并按孔深梯度分布。
参阅图4。在第一次测量中，测试样件9仅由一片圆形待测材料制片B构成，所测得的总热阻为Rt1＝δ/λA+2Rc。
散热圆柱盘10底部设计有矩形液冷循环热沉冷板12，矩形液冷循环热沉冷板12制有可外接液冷源的液冷流道，液冷流道进液口I连通出液口O，为测试装置提供温度稳定的热沉。
在第二次测量中，测试样件9由装夹在两块圆形待测材料制片B之间的一块圆形铜垫片A组成。圆形铜垫片端面同样作抛光处理。由于圆形铜垫片的表面材料和表面处理状况与热源圆柱盘8和散热圆柱盘10相同，所以可认为圆形铜垫片与待测材料制片的接触热阻也为Rc，所以第二次测量的总热阻应为Rt2＝2δ/λA+δb/λbA+4Rc
在第二次测量中，测试样件9由装夹在两块圆形待测材料制片B之间的一块圆形铜垫片A组成。圆形铜垫片端面同样作抛光处理。由于圆形铜垫片的表面材料和表面处理状况与热源圆柱盘8和散热圆柱盘10相同，所以可认为圆形铜垫片与待测材料制片的接触热阻也为Rc，所以第二次测量的总热阻应为Rt2＝2δ/λA+δb/λbA+4Rc
第一次测量测试样件采用圆形待测材料制片的测量块B，获取测量块B的总热阻Rt1＝δ/λA+2Rc，第二次测量采用包含两块测量B和一块圆形待测材料制片的测量块A，将测量块A夹持在两块测量B之间形成第二次测量的测试样件(9)，获取的测试样件(9)的总热阻Rt2＝2δ/λA+δb/λbA+4Rc，联立两式测量块B的总热阻与测试样件(9)的总热阻即可获得消去接触热阻Rc，求得待测材料的准确导热系数λ，式中，δ为待测材料制片测量块B的厚度,A是待测材料的截面积,δb为圆形铜垫片的厚度，λb为铜柱的导热系数。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种导热系数测试装置，包括：加热计量单元、加热防护单元和冷却单元，以及周向固定在顶板(2)与底座(6)之间的立柱(5)所构成的测试支架，其中，加热防护单元包括通过施压旋钮螺栓(1)固定在顶板(2)下方的热源圆柱盘(8)，冷却单元包括固定在底座(6)上的散热圆柱盘(10)，其特征在于：加热部分由设置在热源圆柱盘(8)顶端的片状电加热源(7)组成，片状电加热源(7)通过自动调整的直流电源来加热，冷却单元由位于散热圆柱盘(10)底端，与散热圆柱盘(10)一体成形的矩形液冷循环热沉冷板(12)组成；热源圆柱盘(8)及其顶端上装配的片状电加热源(7)和上绝热垫块(3)，以及散热圆柱盘(10)均同轴包裹在保温层(4)中；用已知大小的恒定功率的热源加热达到稳态后，利用测量材料的导热系数λ，根据已知加热计量单元和冷却单元材料的导热系数，采用两次测量法检测垂直于测试样件(9)表面方向上形成梯度分布测试点D2和D3的温度值，运用热传导定律傅里叶公式求出测试样件(9)的热流量Q，以及测试样件(9)两端的温度差△T，计算出测试样件(9)的导热系数。
2.如权利要求1所述的导热系数测试装置，其特征在于：加热防护单元包括通过施压旋钮螺栓(1)固定在顶板(2)下方的热源圆柱盘(8)。
3.如权利要求1所述的导热系数测试装置，其特征在于：冷却单元由装配在散热圆柱盘(10)底端，直径大于散热圆柱盘(10)直径的矩形液冷循环热沉冷板(12)组成。
4.如权利要求1所述的导热系数测试装置，其特征在于：片状电加热源(7)和矩形液冷循环热沉冷板12上分别装配有上绝热垫块(3)和下绝热垫块(11)，热源圆柱盘(8)及其顶端上装配的片状电加热源(7)和上绝热垫块(3)，以及散热圆柱盘(10)均同轴包裹在保温层(4)中。
5.如权利要求1所述的导热系数测试装置，其特征在于：测试样件(9)被施压旋钮螺栓(1)产生的力矩值压紧在热源圆柱盘(8)与散热圆柱盘(10)之间的测量腔中；测试样件(9)在单位时间内垂直通过截面单位面积的热流量从上部热面流至下部冷面，测量待测材料内由高温区向低温区传热速率，热量沿垂直于测试样件(9)平面的方向上传导。
6.如权利要求1所述的导热系数测试装置，其特征在于：用已知大小的恒定功率的热源加热达到稳态后，测出热源圆柱盘(8)和散热圆柱盘(10)上下边缘上各自均布置的两组温度测试点圆孔D1、D2和D3、D4的稳态温差，求出稳态热流。
7.如权利要求1所述的导热系数测试装置，其特征在于：热源圆柱盘(8)的铜柱下部温度测试点圆孔D2和散热圆柱盘(10)的铜柱上部温度测试点圆孔D3十分靠近它们的端面边缘，测试点圆孔壁面与铜柱端面边缘相距0.1mm-0.3mm。
8.如权利要求1所述的导热系数测试装置，其特征在于：在两次测量中，采用直径小于0.5mm的热电偶插入温度测试圆孔D1、D2和D3、D4，热电偶后端接入数据采集仪，以两次测量采集温度测试圆孔D1、D2和D3、D4孔底温度的温度值，将热源圆柱盘(8)和散热圆柱盘(10)上相邻于测试样件(9)上下表面上的温度测试点圆孔D2、D3的测量温度作为采样温度T2、T3，并以此采样温度T2、T3作为测试样件(9)两侧的温度差△T，运用△T＝T2-T3来计算测试样件(9)的导热系数。
9.如权利要求8所述的导热系数测试装置，其特征在于：第一次测量测试样件采用圆形待测材料制片的测量块B，获取测量块B的总热阻Rt1＝δ/λA+2Rc，第二次测量采用包含两块测量B和一块圆形待测材料制片的测量块A，将测量块A夹持在两块测量B之间形成第二次测量的测试样件(9)，获取的测试样件(9)的总热阻Rt2＝2δ/λA+δb/λbA+4Rc，联立两式测量块B的总热阻与测试样件(9)的总热阻即可获得消去接触热阻Rc，求得待测材料的准确导热系数λ，式中，δ为待测材料制片测量块B的厚度,A是待测材料的截面积,δb为圆形铜垫片的厚度，λb为铜柱的导热系数。
10.如权利要求1所述的导热系数测试装置，其特征在于：在热源圆柱盘(8)和散热圆柱盘(10)铜柱上均设有4个沿直径方向深度依次递增的温度测试点圆孔a、b、c、d，以铜柱的横截面内的不同半径上分布的4个温度测试孔a、b、c、d测得的温度作平均值，并以此作为上述温度测试点圆孔的测得温度。
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