CN109991266A - 界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置及方法，箱体内腔底部配置激光加热组件和绝热耐高温支撑座内，箱体内腔顶部设有冷却水箱，绝热耐高温支撑座和冷却水箱之间的箱体内设有试样组件，试样组件与箱体侧壁之间通过环形的绝热保温层隔热，冷却水箱紧贴试样组件上端以冷却试样组件，并且能够在压力驱动下朝向激光加热组件对试样组件加压；冷却水箱的压力驱动上设有压力传感器；试样组件的温度采集点上设有温度采集元件；激光加热组件与箱体外的激光发生器光纤连接；本装置工作中激光加热铸件对组合试样下表面均匀加热，冷却水箱对下表面均匀冷却，侧面绝热，保证了组合试样内部沿试样长度方向的一维传热，用于对热导率和界面换热系数的测量。

Description

界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置及方法
技术领域
本发明涉及材料热物性领域，尤其涉及一种金属型铸造过程中一种测量界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置及测量方法。
背景技术
当今世界，铸造模拟仿真软件是任何一个兴盛的铸造厂的必备技术工具。在全球市场上有很多铸造工艺模拟软件，主要功能是模拟金属液流动、凝固过程，以及在凝固冷却过程中铸件的机械性能和应力，提前预测铸造工艺缺陷。在铸造产品试生产阶段，使用这些铸造模拟软件能够节省大量时间和成本，并可以使技术人员更深入的了解金属液在模具型腔中流动和凝固情况。
铸造模拟仿真过程中，铸件和模具材料的热导率以及他们之间的换热系数是极其重要的热物性参数，一定程度上决定了模拟的准确性。换热系数属于界面性质，与界面压力，表面涂层厚度，表面粗糙度，系统温度等因素均存在影响关系；热导率属于材料内部性质，受系统温度影响较大。现有材料的界面换热系数或材料热导率的测试装置及技术一般采用电阻丝或加热炉对试样的表面进行加热，存在着加热速率慢，加热温度不准确、不均匀等问题；且现有装置一般仅能对材料之间换热系数或材料热导率其中的一项进行测试，无形之中增加了测试成本。
因此，发明一种可同时测量铸件和模具材料的界面换热系数以及铸件和模具材料的热导率的装置非常必要，并且，装置本身除了加热速率快，加热温度准确均匀外，还需要能够通过改变材料表面粗糙度、压合力、增加不同厚度及材质的涂层等手段改变界面的性质，用以研究复杂的界面换热。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有测量方法和测量装置存在的加热速率慢，加热温度不准确、不均匀，不能满足材料在高而稳定的温度下等不足，提供一种界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置及测量方法，用于测量不同界面压力、加热温度、界面表面粗糙度及表面涂层厚度下铸件材料与模具金属材料之间的界面换热系数，以及不同加热温度下的金属材料热导率。本发明可以保证界面换热系数及材料热导率测量过程中的一维线性传热，进一步实现测量过程中材料、保压压力、温度、模具涂料种类及厚度对两试样结合面换热系数的因素影响分析，同时实现材料、温度对材料热导率的影响因素分析
本发明是通过以下技术方案实现的：
界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，其特征在于：
箱体内腔底部配置激光加热组件，激光加热组件固设于绝热耐高温支撑座内，箱体内腔顶部设有冷却水箱，绝热耐高温支撑座和冷却水箱之间的箱体内设有试样组件，试样组件与箱体侧壁之间通过环形的绝热保温层隔热，冷却水箱紧贴试样组件上端以冷却试样组件，并且能够在压力驱动下朝向激光加热组件对试样组件加压，试样组件下端紧贴绝热耐高温支撑座顶部；
冷却水箱的压力驱动上设有压力传感器，压力传感器与压力信号采集模块信号连接；
试样组件为第一组合试样，或者第二组合试样中的任意一种，其中，第一组合试样包括第一铸型试样和第一铸件试样，第一铸型试样朝向第一铸件试样的一端端面上覆盖铸型涂层；第二组合试样包括标准试样和第二铸型试样或第二铸件试样中的一种；任一组合试样中的两试样上下紧密贴合叠放；
各试样上分别沿试样轴向、间隔均匀的在试样中心处设置至少三个温度采集点，每个温度采集点上分别设有温度采集元件；试样组件下端底部中心处也设有温度采集元件，所有温度采集元件均与温度信号采集模块信号连接；
激光加热组件与箱体外的激光发生器光纤连接；
压力信号采集模块、温度信号采集模块和激光发生器分别与计算机信号连接。
进一步的，所述冷却水箱的压力驱动为液压组件。
进一步的，所述绝热保温层为绝热石棉层，所述绝热耐高温支撑座为硅酸铝支撑座。
进一步的，所述冷却水箱通过进水管与箱体外的水泵连接、通过出水管与箱体外的回收水箱连接；进水管和出水管分别从箱体上的长条形开孔活动穿过，开孔长度方向沿冷却水箱的加压方向；回收水箱高于冷却水箱配置，回收水箱上部设有排水孔。冷却水箱的设置是为了热量更好的在组合试样中传递，并保持其一维性，确保实验数据的准确；水泵、进水管、冷却水箱、出水管和回收水箱依次连接组成冷水通道，冷水通道内流动有冷水，回收水箱相对冷却水箱有一定的高度，以保证水箱内无充气现象，保证冷却水箱上表面良好的冷却效果。在实验前，需先使冷却装置开始工作。测量过程中，水泵持续工作以保证冷却水箱内有冷水持续流过，冷水通道内的水流速度可通过水泵调节，提供不同的水冷效果。
此外，为了获得良好的冷却效果，冷却水箱与试样接触的一侧以及试样相应侧应进行打磨抛光处理，以保证两者能紧密接触，保证可以获得良好的水冷效果。
进一步的，所述第一铸型试样和第一铸件试样为直径相同的圆柱形试样；标准试样和第二铸型试样、第二铸件试样为直径相同的圆柱形试样。
进一步的，所述激光加热组件包括炉体，激光头和分束器，炉体上的激光头正对试样组件下端中心配置，分束器外缘尺寸与试样组件下端外缘尺寸对应。激光头发射的激光通过分束器分散后均匀作用于试样组件下端底部，试样组件下端底部中心处的温度采集元件采集温度信号后，通过温度信号采集模块信号传输到计算机上，计算机通过该温度实时调节激光发生器输出功率。
进一步的，所述温度采集元件为热电偶或其它类似的测温元件。
一种应用上述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置进行材料热导率测量的方法，包括以下步骤：
第一步，将第二组合试样安放在绝热耐高温支撑座上；冷却水箱紧贴第二组合试样顶部并保持加压值为设定值；
第二步，激光加热组件以设定输出功率开始加热第二铸件试样下端，并经标准试样上端传热给冷却水箱，温度采集元件测得温度后通过温度信号采集模块传至计算机，计算机根据温度信息进一步调节激光发生器功率，直至从第二铸件试样下端底部中心处的温度采集元件获得的温度值为稳定的设定值，且第二组合试样上每个温度采集点的温度信号稳定；
通过温度信号采集模块采集每个温度采集点的温度：根据第二铸型试样或第二铸件试样各温度采集点的温度，获得各自的轴向温度梯度值，根据标准试样各温度采集点的温度获得其轴向温度梯度值；结合标准试样的热导率计算待测的第二铸型试样或第二铸件试样的热导率，热导率公式为：
式中，λ为标准试样的热导率，k1为标准试样的轴向温度梯度值，k为待测的第二铸型试样或第二铸件试样的温度梯度值；
第三步，改变激光加热组件的输出功率以改变加热温度，重复上述第二步，直至测得不同加热温度下的第二铸型试样和第二铸件试样的热导率。
一种应用上述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置进行界面换热系数测量的方法，包括以下步骤：
第一步，将第一组合试样立式装入箱体内、安放在绝热耐高温支撑座上；冷却水箱紧贴第一组合试样顶部并保持加压值为设定值；
第二步，激光加热组件以设定输出功率开始加热第一铸件试样下端，并经第一组合试样上端传热给冷却水箱，温度采集元件测得温度通过温度信号采集模块传至计算机，计算机根据温度信息进一步调节激光发生器功率，直至从第一铸件试样下端底部中心处的温度采集元件获得的温度值为稳定的设定值，且第一组合试样上每个温度采集点的温度信号稳定；
通过温度信号采集模块读取第一铸型试样和第一铸件试样上的每个温度采集点的温度值，从而获得第一铸型试样和第一铸件试样中心处的轴向温度梯度；
第三步，根据第一铸型试样和第一铸件试样的轴向温度分析计算界面换热系数：
Ⅰ、计算通过第一铸型试样横截面的热流，热流公式为：
式中，Aα为第一铸型试样的横截面积；λ1为第一铸型试样的热导率；ΔL1为第一铸型试样距第一铸件试样最近的两个相邻温度采集元件之间的距离；ΔT1为第一铸型试样距第一铸件试样最近的两个相邻温度采集元件之间的温度差；
Ⅱ、计算通过第一铸件试样横截面的热流，热流公式为：
式中，Aα为第一铸件试样的横截面积；λ2为第一铸件试样的热导率；ΔL2为第一铸件试样距第一铸型试样最近的两个相邻温度采集元件之间的距离；ΔT2为第一铸件试样距第一铸型试样最近的两个相邻温度采集元件之间的温度差；
Ⅲ、计算通过界面的平均热流，平均热流公式为：
Ⅳ、根据第一铸型试样的轴向温度梯度，结合外推法获得第一铸型试样与第一铸件试样接触面处第一铸型试样一侧的界面温度；根据第一铸件试样302的轴向温度梯度，结合外推法获得第一铸件试样302与第一铸型试样301接触面处第一铸件试样302一侧的界面温度；利用两个界面温度之间的温度差推导出固-固界面换热系数，换热系数计算公式为：
式中，Aα为界面接触面积；ΔTC为两个界面温度之间的温度差；Q为通过界面的平均热流。
改变冷却水箱的加压值以改变界面压力，和/或改变第一铸型试样的铸型涂层厚度，和/或改变第一铸型试样与第一铸件试样接触面处的表面粗糙度，和/或改变激光发生器的输出功率以改变加热温度，重复上述步骤，直至测得不同界面压力、涂层厚度、表面粗糙度、加热温度下的固-固界面换热系数。
本发明的有益效果在于：
1、将组合试件置于激光加热组件和冷却水箱之间，可以将不同材质的固态铸件材料与模具金属材料组合分别依次置于激光加热组件和冷却水箱之间进行温度检测，用于测定测试不同界面压力、加热温度、界面表面粗糙度及表面涂层厚度下固-固材料之间的界面系数；将不同材质的待测材料与标样材料组合分别依次置于激光加热组件和冷却水箱之间进行温度检测，用于测定测试不同温度下材料热导率；
2、激光加热组件仅对试样组件一端端面均匀加热，冷却水箱对试样组件另一端端面均匀冷却，其余部位均绝热，保证了传热的一维性；
3、换热系数、热导率可通过同一测试装置完成，有效简化测试步骤；
4、铸型试样表面可以喷涂铸造涂层材料，与实际的铸造过程紧密贴合；
5、装置中的试样组件、绝热材料均为可拆卸材料，可以根据试样组件及加热温度的不同更换绝热保温材料，提高测试装置的应用范围和使用寿命。
附图说明
图1为装置在进行热导率测量、固-固界面换热系数时的装配示意图
图2为热导率测试时第二组合试样的叠放配合示意图
图3为导热系数测试时第一组合试样的叠放配合示意图
图4为导热系数测试时激光加热第一铸件试样下端端面时的光斑位置分布示意图
图1～4中：1为支架，2为箱体，201为长条形开孔，3为第一组合试样，301为第一铸型试样，302为第一铸件试样，4为绝热保温层，5为热电偶，6为温度信号采集模块，7为液压组件，8为水泵，9为进水管，10为出水管，11为回收水箱，12为冷却水箱，13为光纤，14为激光发生器，15为激光光斑，16为绝热耐高温支撑座，17为激光头，18为分束器，19为压力传感器，20为压力信号采集模块，21为第二组合试样，211为标准试样，212为第二铸型试样，213为第二铸件试样，22为铸型涂层，23为炉体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，包括从上至下顺次配置于箱体2内的冷却水箱12、试样组件和激光加热组件17。
箱体2内腔底部配置激光加热组件17，激光加热组件17固设于绝热耐高温支撑座16内。激光加热组件17包括激光头17和分束器18，激光头17正对试样组件下端中心配置，分束器18外缘尺寸与试样组件下端外缘尺寸对应。激光加热组件17与箱体外的激光发生器14光纤连接。
箱体2内腔顶部设有冷却水箱12，冷却水箱12通过进水管9与箱体2外的水泵8连接、通过出水管10与箱体2外的回收水箱11连接；进水管9和出水管10分别从箱体2上的长条形开孔201活动穿过，开孔长度方向沿冷却水箱12的加压方向；回收水箱11高于冷却水箱12配置，回收水箱11上部设有排水孔。
绝热耐高温支撑座16和冷却水箱12之间的箱体2内设有试样组件，试样组件与箱体2侧壁之间通过环形的绝热保温层4隔热，冷却水箱12紧贴试样组件上端以冷却试样组件，并且能够在液压组件7的压力驱动下朝向激光加热组件17对试样组件加压，冷却水箱12的压力驱动上设有压力传感器19，压力传感器19与压力信号采集模块20信号连接；试样组件下端紧贴绝热耐高温支撑座16顶部。
试样组件为第一组合试样3(图1中所示为第一组合试样3)或者第二组合试样21中的任意一种，其中，第一组合试样3包括直径相同的圆柱形第一铸型试样301和第一铸件试样302，第二组合试样21包括直径相同的圆柱形标准试样211和第二铸型试样212或第二铸件试样213中的一种；任一组合试样中的两试样上下紧密贴合叠放；第一铸型试样301朝向第一铸件试样302的一端端面上覆盖铸型涂层22。
各试样上分别沿试样轴向、间隔均匀的在试样中心处设置至少三个温度采集点，每个温度采集点上分别设有温度采集元件；试样组件下端底部中心处也设有温度采集元件，所有温度采集元件均与温度信号采集模块6信号连接；压力信号采集模块20、温度信号采集模块6和激光发生器14分别与控制单元电连接。
本实施例中，绝热保温层4为绝热石棉层，绝热耐高温支撑座16为硅酸铝支撑座，温度采集元件为热电偶5。
箱体2内部涂有润滑剂，绝热保温层4为绝热石棉层，由于其内外孔隙较多，因此由绝热保温层4对装置运行产生的阻力可以忽略不计。
测量时，为了实验测得温度更加准确，采用内径50毫米，一定厚度的箱体2盛放试样组件和冷却系统(冷却系统包括冷却水箱12，进水管9，出水管10，水泵8和回收水箱11)，箱体2的高度应大于200毫米，以保证箱体2的空间足够大，箱体2内部绝热保温层4的厚度以试样组件的尺寸为准，保证其内腔与试样组件和激光加热组件的加热腔的接触部分紧密结合，以确保绝热效果。
实施例1：铸件试样的热导率测量
A、第二组合试样21的选择及热电偶5的设置：
如图2所示，标准试样211为直径12.5毫米、长度60毫米的圆柱形黄铜，其热导率已知，第二铸件试样213为直径12.5毫米、长度75毫米的圆柱形A357铝合金；标准试样211下表面与第二铸件试样213相接触的一面需足够光滑，以减少表面粗糙度对测试结果的影响。
为了准确的获得第二组合试样21内部的轴向温度，在第二铸件试样213外表面按等间距(间距为15毫米)开设四个安装热电偶5的盲孔，在标准试样211外表面按等间距(间距为15毫米)开设三个安装热电偶5的盲孔，每个盲孔的直径均为1.0毫米，孔深为6.125毫米，以保证温度采集的位置在试样中心部位。每个盲孔可插入一个热电偶5、对应一个温度采集点，第二铸件试样213下表面中心处直接固定一个热电偶5，热电偶5将对应的温度采集点温度实时传递到温度信号采集模块6，用于控制激光发生器的输出功率。
B、测量时，试样安装固定按以下步骤进行：
第一步，安装激光加热组件：将箱体2固定于支架1底部中心位置，将装有激光头17和分束器18的炉体23固定在箱体2内腔底部中心位置，激光头17通过光纤13与激光器14连接，激光器14与计算机电信号连接，接受计算机的控制；
第二步，安装第二组合试样21：如图2所示，将第二铸件试样213和标准试样211按由下到上依次组合成第二组合试样21，将第二组合试样21通过支撑杆16固定在加热系统的炉体23上；确保激光加热组件的加热过程仅作用于第二铸件试样213的底部端面，保证第一组合试样3的一维传热；
第三步，装配温度采集系统：在标准试样211和第二铸件试样213的每个盲孔内及第二铸件试样213底部中心处均安装热电偶5并固定，每个热电偶5均与温度信号采集模块6信号相连；
第四步，安装绝热保温层4：在箱体2内部、环绕第二组合试样21包覆绝热保温层4，保证绝热层4内外分别与第二组合试样21侧壁和箱体2内壁紧密贴合，以保证绝热效果；
第五步，装配冷却系统：冷却水箱12的外径与箱体2内径相同，均为50毫米，将预先开设了长条形开孔201的冷却水箱12安放在箱体2底部，两侧通过箱体2上的长条形开孔201分别插入进水管9和出水管10并固定，进水管9和出水管10分别与水泵8和回收水箱11连接；回收水箱11高于冷却水箱约500毫米处，回收水箱11上部的排水孔用于保证箱体2内水压的恒定及冷却系统整体重量不变、对试样接触面处的作用压力恒定；
第六步，压力装置施压：液压组件向冷却水箱12施加压力，压力信号采集模块20通过压力传感器19采集压力，通过计算得到标准试样211和第二铸件试样213的界面压力并记录。
C、测量原理及测量方法
本实施例可用于测试不同加热温度下的材料热导率，基本原理为：温度信号采集模块6通过组合试样下端底部中心处的热电偶5实时监测第二铸件试样213底部温度，并根据该监测温度对激光发生器14输出功率进行微调，直至获得稳定的所需温度，待温度信号稳定后再进行记录；通过改变激光加热组件的功率改变系统温度，并根据不同加热温度下标准试样211和第二铸件试样213各自的轴向温度分析计算对应的材料热导率。
具体测量按以下步骤进行：
第一步，将第二组合试样21安放在绝热耐高温支撑座16上；冷却水箱12预先通水，并保持回收水箱11内水面达到排水孔高度；冷却水箱12底部紧贴第二组合试样21顶部并保持加压值为设定值；
第二步，激光加热组件以设定输出功率开始加热第二铸件试样213下端，并经标准试样211上端传热给冷却水箱12，热电偶5测得温度通过温度信号采集模块6传至计算机，计算机根据温度信息进一步调节激光发生器14功率，直至从组合试样下端底部中心处的热电偶5获得的温度值为稳定的设定值，且第二组合试样21上每个温度采集点的温度信号稳定；
通过温度信号采集模块6读取第二铸件试样213和标准试样211的轴向温度：考虑到在试样轴向中心处，温度高低分布规律关于热源距离的近远呈一次函数分布，即各温度采集点的温度分布函数曲线是一条斜线，因此根据第二铸件试样213各温度采集点的温度，作出温度分布函数曲线，就能够获得第二铸件试样213轴向温度梯度值(即温度分布函数函数斜线的斜率)，同理根据标准试样211各温度采集点的温度获得其轴向温度梯度值；结合标准试样211的热导率(已知)计算待测的第二铸件试样213的热导率，热导率公式为：
式中，λ为标准试样211的热导率，k1为标准试样211的轴向温度梯度值，k为待测第二铸件试样213的温度梯度；
第三步，改变激光加热组件的输出功率以改变加热温度，重复上述第二步，直至测得各设定加热温度下的第二铸件试样213的热导率。
实施例2：铸型试样的热导率测量
A、第二组合试样21的选择及热电偶5的设置：
将实施例1中的第二铸件试样213置换为第二铸型试样212，第二铸型试样212为直径12.5毫米、长度75毫米的圆柱形H10钢，考虑到热导率属于材料内部性质，因此其表面无需喷涂表面铸型涂层。
然后按实施例1中的B、C部分进行，即可测得各设定加热温度下的第二铸型试样212的热导率。
实施例3：界面换热系数的测量
A、第一组合试样3的选择及热电偶5的设置：
第一铸件试样302为直径12.5毫米、长度60毫米圆柱形A357铝合金；第一铸型试样301为直径12.5毫米、长度75毫米的圆柱形H10钢，表面的铸型涂层22为喷涂的陶瓷涂料，第一铸型试样301与第一铸件试样302相接触的一面需足够光滑，以减少表面粗糙度对测试结果的影响。
为了准确的获得第一组合试样3内部的轴向温度，在第一铸型试样301外表面按等间距(间距为15毫米)开设四个安装热电偶5的盲孔，在第一铸件试样302外表面按等间距(间距为15毫米)开设三个安装热电偶5的盲孔，每个盲孔的直径均为1.0毫米，孔深为6.125毫米，以保证温度采集的位置在试样中心部位。每个盲孔可插入一个热电偶5、对应一个温度采集点，第一铸件试样302下表面中心处直接固定一个热电偶5，热电偶5将对应的温度采集点温度实时传递到温度信号采集模块6。
B、测量时，试样安装固定按以下步骤进行：
第一步，安装激光加热组件：将箱体2固定于支架1底部中心位置，将装有激光头17和分束器18的炉体23固定在箱体2内腔底部中心位置，激光头17通过光纤13与激光器14连接，激光器14与计算机电信号连接，接受计算机的控制；
第二步，安装第一组合试样3：如图3所示，将第一铸件试样302和第一铸型试样301按由下到上依次组合成第一组合试样3，将第一组合试样3通过支撑杆16固定在加热系统的炉体23上；确保激光加热组件的加热过程仅作用于第一铸件试样302的底部端面，保证第一组合试样3的一维传热；
第三步，装配温度采集系统：在第一铸型试样301和第一铸件试样302的每个盲孔内及第一铸件试样302底部中心处均安装热电偶5并固定，每个热电偶5均与温度信号采集模块6信号相连；
第四步，安装绝热保温层4：在箱体2内部、环绕第一组合试样3包覆绝热保温层4，保证绝热层4内外分别与第一组合试样3侧壁和箱体2内壁紧密贴合，以保证绝热效果；
第五步，装配冷却系统：冷却水箱12的外径与箱体2内径相同，均为50毫米，将预先开设了长条形开孔201的冷却水箱12安放在箱体2底部，两侧通过箱体2上的长条形开孔201分别插入进水管9和出水管10并固定，进水管9和出水管10分别与水泵8和回收水箱11连接；回收水箱11高于冷却水箱约500毫米处，回收水箱11上部的排水孔用于保证箱体2内水压的恒定及冷却系统整体重量不变、对试样接触面处的作用压力恒定。
第六步，压力装置施压：液压组件向冷却水箱12施加压力，压力信号采集模块20通过压力传感器19采集压力，通过计算得到第一铸件试样302和第一铸型试样301的界面压力并记录。
C、测量原理及测量方法
本实施例可用于测量不同界面压力、加热温度、界面表面粗糙度及表面涂层厚度下固态铸件材料与固态铸型材料之间的界面换热系数，基本原理为：
(1)改变液压组件7的输出压力，通过压力信号采集模块20获得输出压力具体数值，从而计算对应的界面压力(界面压力值为液压组件7的输出压力加上冷却系统、第一铸型试样301的自重，这部分压力可预先测出)，并根据不同界面压力下第一铸型试样301和第一铸件试样302各自的轴向温度分析计算对应的界面换热系数；
(2)改变激光加热组件的功率以改变系统温度，温度信号采集模块6通过组合试样下端底部中心处的热电偶5实时监测第一铸件试样302底部温度，并根据该监测温度对激光发生器14输出功率进行微调，直至获得稳定的所需温度，待温度信号稳定后再进行记录，并根据每个加热温度下第一铸型试样301和第一铸件试样302各自的轴向温度分析计算对应的界面换热系数；
(3)通过机械加工改变界面表面粗糙度，并根据每个界面表面粗糙度下第一铸型试样301和第一铸件试样302各自的轴向温度分析计算对应的界面换热系数；
(4)通过改变喷涂涂料的体积改变第一铸型试样301表面的铸型涂层22厚度，并根据每个铸型涂层22厚度下第一铸型试样301和第一铸件试样302各自的轴向温度分析计算对应的界面换热系数。
测量时按以下步骤进行：
第一步，将第一组合试样3安放在绝热耐高温支撑座16上；冷却水箱12预先通水，并保持回收水箱11内水面达到排水孔高度；冷却水箱12底部紧贴第一组合试样3顶部并保持加压值为设定值；
第二步，激光加热组件以设定输出功率开始加热第一铸件试样302下端，如图4所示，激光光斑15在第一铸件试样302下端分布均匀，热量经第一铸型试样301上端传热给冷却水箱12，热电偶5测得温度通过温度信号采集模块6传至计算机，计算机根据温度信息进一步调节激光发生器14功率，直至从第一铸件试样302下端底部中心处的热电偶5获得的温度值为稳定的设定值，且第一组合试样3上每个温度采集点的温度信号稳定；
通过温度信号采集模块6读取第一铸型试样301和第一铸件试样302上的每个温度采集点的温度值，从而获得第一铸型试样301和第一铸件试样302中心处的轴向温度梯度；
第三步，根据第一铸型试样301和第一铸件试样302的轴向温度分析计算界面换热系数：
Ⅰ、计算通过第一铸型试样301横截面的热流，热流公式为：
式中，Aα为第一铸型试样301的横截面积；λ1为第一铸型试样301的热导率(可使用同一装置通过实施例2测得)；ΔL1为第一铸型试样301距第一铸件试样302最近的两个相邻温度采集元件之间的距离；ΔT1为第一铸型试样301距第一铸件试样302最近的两个相邻温度采集元件之间的温度差；
Ⅱ、计算通过第一铸件试样302横截面的热流，热流公式为：
式中，Aα为第一铸件试样302的横截面积；λ2为第一铸件试样302的热导率【可使用同一装置通过实施例1测得】；ΔL2为第一铸件试样302距第一铸型试样301最近的两个相邻温度采集元件之间的距离；ΔT2为第一铸件试样302距第一铸型试样301最近的两个相邻温度采集元件之间的温度差；
Ⅲ、计算通过界面的平均热流，平均热流公式为：
Ⅳ、根据第一铸型试样301的轴向温度梯度，结合外推法获得第一铸型试样301与第一铸件试样302接触面处第一铸型试样301一侧的界面温度(考虑到在试样轴向中心处，温度高低分布规律关于热源距离的近远呈一次函数分布，即各温度采集点的温度分布函数曲线是一条斜线，因此根据第一铸型试样301各温度采集点的温度，作出温度分布函数曲线，就能够从函数曲线上推导出第一铸型试样301一侧的界面温度，这也是为什么每个试样上的温度采集点的数量至少是沿轴向中心的三个的原因)；同理根据第一铸件试样302的轴向温度梯度，结合外推法获得第一铸件试样302与第一铸型试样301接触面处第一铸件试样302一侧的界面温度；利用两个界面温度之间的温度差推导出固-固界面换热系数，换热系数计算公式为：
式中，Aα为界面接触面积；ΔTC为两个界面温度之间的温度差；Q为通过界面的平均热流。
改变冷却水箱12的加压值以改变界面压力，和/或改变第一铸型试样301的铸型涂层22厚度，和/或改变第一铸型试样301与第一铸件试样302接触面处的表面粗糙度，和/或改变激光发生器14的输出功率以改变加热温度，重复上述步骤，直至测得不同界面压力、涂层厚度、表面粗糙度、加热温度下的界面换热系数。

Claims (9)

1.界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，其特征在于：
箱体(2)内腔底部配置激光加热组件，激光加热组件固设于绝热耐高温支撑座(16)内，箱体(2)内腔顶部设有冷却水箱(12)，绝热耐高温支撑座(16)和冷却水箱(12)之间的箱体(2)内设有试样组件，试样组件与箱体(2)侧壁之间通过环形的绝热保温层(4)隔热，冷却水箱(12)紧贴试样组件上端以冷却试样组件，并且能够在压力驱动下朝向激光加热组件对试样组件加压，试样组件下端紧贴绝热耐高温支撑座(16)顶部；
冷却水箱(12)的压力驱动上设有压力传感器(19)，压力传感器(19)与压力信号采集模块(20)信号连接；
试样组件为第一组合试样(3)，或者第二组合试样(21)中的任意一种，其中，第一组合试样(3)包括第一铸型试样(301)和第一铸件试样(302)，第一铸型试样(301)朝向第一铸件试样(302)的一端端面上覆盖铸型涂层(22)；第二组合试样(21)包括标准试样(211)和第二铸型试样(212)或第二铸件试样(213)中的一种；任一组合试样中的两试样上下紧密贴合叠放；
各试样上分别沿试样轴向、间隔均匀的在试样中心处设置至少三个温度采集点，每个温度采集点上分别设有温度采集元件；试样组件下端底部中心处也设有温度采集元件，所有温度采集元件均与温度信号采集模块(6)信号连接；
激光加热组件与箱体外的激光发生器(14)光纤连接；
压力信号采集模块(20)、温度信号采集模块(6)和激光发生器(14)分别与计算机信号连接。
2.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，其特征在于：所述冷却水箱(12)的压力驱动为液压组件(7)。
3.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，其特征在于：所述绝热保温层(4)为绝热石棉层，所述绝热耐高温支撑座(16)为硅酸铝支撑座。
4.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，其特征在于：所述冷却水箱(12)通过进水管(9)与箱体(2)外的水泵(8)连接、通过出水管(10)与箱体(2)外的回收水箱(11)连接；
进水管(9)和出水管(10)分别从箱体(2)上的长条形开孔(201)活动穿过，开孔长度方向沿冷却水箱(12)的加压方向；
回收水箱(11)高于冷却水箱(12)配置，回收水箱(11)上部设有排水孔。
5.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，其特征在于：所述第一铸型试样(301)和第一铸件试样(302)为直径相同的圆柱形试样；标准试样(211)和第二铸型试样(212)、第二铸件试样(213)为直径相同的圆柱形试样。
6.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，其特征在于：所述激光加热组件包括炉体(23)，激光头(17)和分束器(18)，炉体(23)上的激光头(17)正对试样组件下端中心配置，分束器(18)外缘尺寸与试样组件下端外缘尺寸对应。
7.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，其特征在于：所述温度采集元件为热电偶(5)。
8.一种应用权利要求1～7任一所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置进行材料热导率测量的方法，包括以下步骤：
第一步，将第二组合试样(21)安放在绝热耐高温支撑座(16)上；冷却水箱(12)紧贴第二组合试样(21)顶部并保持加压值为设定值；
第二步，激光加热组件以设定输出功率开始加热第二铸件试样(213)下端，并经标准试样(211)上端传热给冷却水箱(12)，温度采集元件测得温度后通过温度信号采集模块(6)传至计算机，计算机根据温度信息进一步调节激光发生器(14)功率，直至从第二铸件试样(213)下端底部中心处的温度采集元件获得的温度值为稳定的设定值，且第二组合试样(21)上每个温度采集点的温度信号稳定；
通过温度信号采集模块(6)采集每个温度采集点的温度：根据第二铸型试样(212)或第二铸件试样(213)各温度采集点的温度，获得各自的轴向温度梯度值，根据标准试样(211)各温度采集点的温度获得其轴向温度梯度值；结合标准试样(211)的热导率计算待测的第二铸型试样(212)或第二铸件试样(213)的热导率，热导率公式为：
式中，λ为标准试样(211)的热导率，k1为标准试样(211)的轴向温度梯度值，k为待测的第二铸型试样(212)或第二铸件试样(213)的温度梯度值；
第三步，改变激光发生器(14)的输出功率以改变加热温度，重复上述第二步，直至测得不同加热温度下的第二铸型试样(212)和第二铸件试样(213)的热导率。
9.一种应用权利要求1～7任一所述所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置进行界面换热系数测量的方法，包括以下步骤：
第一步，将第一组合试样(3)安放在绝热耐高温支撑座(16)上；冷却水箱(12)紧贴第一组合试样(3)顶部并保持加压值为设定值；
第二步，激光加热组件以设定输出功率开始加热第一铸件试样(302)下端，并经第一组合试样(3)上端传热给冷却水箱(12)，温度采集元件测得温度通过温度信号采集模块(6)传至计算机，计算机根据温度信息进一步调节激光发生器(14)功率，直至从第一铸件试样(302)下端底部中心处的温度采集元件获得的温度值为稳定的设定值，且第一组合试样(3)上每个温度采集点的温度信号稳定；
通过温度信号采集模块(6)读取第一铸型试样(301)和第一铸件试样(302)上的每个温度采集点的温度值，从而获得第一铸型试样(301)和第一铸件试样(302)中心处的轴向温度梯度；
第三步，根据第一铸型试样(301)和第一铸件试样(302)的轴向温度分析计算界面换热系数：
Ⅰ、计算通过第一铸型试样(301)横截面的热流，热流公式为：
式中，Aα为第一铸型试样(301)的横截面积；λ1为第一铸型试样(301)的热导率；ΔL1为第一铸型试样(301)距第一铸件试样(302)最近的两个相邻温度采集元件之间的距离；ΔT1为第一铸型试样(301)距第一铸件试样(302)最近的两个相邻温度采集元件之间的温度差；
Ⅱ、计算通过第一铸件试样(302)横截面的热流，热流公式为：
式中，Aα为第一铸件试样(302)的横截面积；λ2为第一铸件试样(302)的热导率；ΔL2为第一铸件试样(302)距第一铸型试样(301)最近的两个相邻温度采集元件之间的距离；ΔT2为第一铸件试样(302)距第一铸型试样(301)最近的两个相邻温度采集元件之间的温度差；
Ⅲ、计算通过界面的平均热流，平均热流公式为：
Ⅳ、根据第一铸型试样(301)的轴向温度梯度，结合外推法获得第一铸型试样(301)与第一铸件试样(302)接触面处第一铸型试样(301)一侧的界面温度；根据第一铸件试样(302)的轴向温度梯度，结合外推法获得第一铸件试样(302)与第一铸型试样(301)接触面处第一铸件试样(302)一侧的界面温度；利用两个界面温度之间的温度差推导出固-固界面换热系数，换热系数计算公式为：
式中，Aα为界面接触面积；ΔTC为两个界面温度之间的温度差；Q为通过界面的平均热流；
改变冷却水箱(12)的加压值以改变界面压力，和/或改变第一铸型试样(301)的铸型涂层(22)厚度，和/或改变第一铸型试样(301)与第一铸件试样(302)接触面处的表面粗糙度，和/或改变激光发生器(14)的输出功率以改变加热温度，重复上述步骤，直至测得不同界面压力、涂层厚度、表面粗糙度、加热温度下的固-固界面换热系数。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110376244A (zh) * 2019-08-20 2019-10-25 北京新能源汽车技术创新中心有限公司 一种导热系数测量装置
CN117129523A (zh) * 2023-08-29 2023-11-28 北京市计量检测科学研究院 一种用于集成电路散热涂层温度测试装置及方法

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1877313A (zh) * 2006-06-30 2006-12-13 大连理工大学 一种测量固体界面接触换热系数的方法和装置
CN2932379Y (zh) * 2006-06-30 2007-08-08 大连理工大学 一种测量固体界面接触换热系数的装置
CN101393150A (zh) * 2008-10-16 2009-03-25 大连理工大学 基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量方法和装置
CN101929970A (zh) * 2010-07-13 2010-12-29 北京航空航天大学 接触热阻测试方法及测试设备
CN101929969A (zh) * 2010-07-13 2010-12-29 北京航空航天大学 带有冷却装置的接触热阻测试设备
CN102507636A (zh) * 2011-09-30 2012-06-20 中国科学院金属研究所 一种测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法
CN102621181A (zh) * 2012-04-09 2012-08-01 北京科技大学 一种热加工过程固态界面换热系数测定装置
CN104698030A (zh) * 2015-03-27 2015-06-10 中南林业科技大学 一种铸造过程中界面换热系数的测定方法
CN105572162A (zh) * 2015-12-17 2016-05-11 北京航空航天大学 具有补偿加热与隔热保温系统的接触热阻测试设备
CN107037078A (zh) * 2017-03-17 2017-08-11 广东工业大学 一种换热面涂层传热性能测试系统
CN107782762A (zh) * 2017-09-15 2018-03-09 湖北航天技术研究院总体设计所 一种在真空容器内可调节加载压力的接触热阻测量装置
CN108007964A (zh) * 2017-12-27 2018-05-08 齐鲁工业大学 一种接触热阻测试装置及测试方法
CN207764148U (zh) * 2018-01-25 2018-08-24 中国科学院合肥物质科学研究院 一种真空条件下材料间接触热阻测试平台
CN109001254A (zh) * 2018-08-27 2018-12-14 中南大学 一种快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置及方法
CN109283217A (zh) * 2018-10-12 2019-01-29 广州特种承压设备检测研究院 一种石墨烯材料热导率的测量方法和装置

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1877313A (zh) * 2006-06-30 2006-12-13 大连理工大学 一种测量固体界面接触换热系数的方法和装置
CN2932379Y (zh) * 2006-06-30 2007-08-08 大连理工大学 一种测量固体界面接触换热系数的装置
CN101393150A (zh) * 2008-10-16 2009-03-25 大连理工大学 基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量方法和装置
CN101929970A (zh) * 2010-07-13 2010-12-29 北京航空航天大学 接触热阻测试方法及测试设备
CN101929969A (zh) * 2010-07-13 2010-12-29 北京航空航天大学 带有冷却装置的接触热阻测试设备
CN102507636A (zh) * 2011-09-30 2012-06-20 中国科学院金属研究所 一种测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法
CN102621181A (zh) * 2012-04-09 2012-08-01 北京科技大学 一种热加工过程固态界面换热系数测定装置
CN104698030A (zh) * 2015-03-27 2015-06-10 中南林业科技大学 一种铸造过程中界面换热系数的测定方法
CN105572162A (zh) * 2015-12-17 2016-05-11 北京航空航天大学 具有补偿加热与隔热保温系统的接触热阻测试设备
CN107037078A (zh) * 2017-03-17 2017-08-11 广东工业大学 一种换热面涂层传热性能测试系统
CN107782762A (zh) * 2017-09-15 2018-03-09 湖北航天技术研究院总体设计所 一种在真空容器内可调节加载压力的接触热阻测量装置
CN108007964A (zh) * 2017-12-27 2018-05-08 齐鲁工业大学 一种接触热阻测试装置及测试方法
CN207764148U (zh) * 2018-01-25 2018-08-24 中国科学院合肥物质科学研究院 一种真空条件下材料间接触热阻测试平台
CN109001254A (zh) * 2018-08-27 2018-12-14 中南大学 一种快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置及方法
CN109283217A (zh) * 2018-10-12 2019-01-29 广州特种承压设备检测研究院 一种石墨烯材料热导率的测量方法和装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
陈国权: ""影响铸件/铸型界面热交换因素综述"", 《铸造技术》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110376244A (zh) * 2019-08-20 2019-10-25 北京新能源汽车技术创新中心有限公司 一种导热系数测量装置
CN110376244B (zh) * 2019-08-20 2022-06-21 北京国家新能源汽车技术创新中心有限公司 一种导热系数测量装置
CN117129523A (zh) * 2023-08-29 2023-11-28 北京市计量检测科学研究院 一种用于集成电路散热涂层温度测试装置及方法

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