CN112729618B - 一种耐高温金属平板热流计及热流密度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温金属平板热流计及热流密度测量方法，属于隔热材料热导率测试技术领域，解决了现有技术中现有的热传导式薄膜热流计无法在150℃以上使用的问题。本发明的耐高温金属平板热流计，包括实心金属板和成对设置的金属片，上表面金属片和下表面金属片沿实心金属板的厚度方向布置，实心金属板与金属片的材质不同。本发明的测量方法包括如下步骤：上表面金属片、下表面金属片和实心金属板构成温差热电偶，获取温差热电偶的电压差；计算得到温差热电偶的温度差；计算得到每对金属片对应区域内沿实心金属板厚度方向的热流密度。本发明的耐高温金属平板热流计及热流密度测量方法可用于热流密度的测量。

Description

一种耐高温金属平板热流计及热流密度测量方法

技术领域

本发明属于隔热材料热导率测试技术领域，具体涉及一种耐高温金属平板热流计及热流密度测量方法。

背景技术

在隔热材料热导率测试的热流计法导热仪中，一般在试样冷面一侧布置热传导式薄膜热流计进行热流密度测量。

常规的热传导式薄膜热流计一般采用在较薄的聚酰亚胺芯层上缠绕温差热电堆、整体再用聚酰亚胺薄膜压制封装起来的工艺。受材料耐温性限制，这类热流计的工作温度一般不超过150℃，导致薄膜热流计的冷面温度无法提高。当基于热流计法原理采用上述热传导式薄膜热流计测量高温热导率时，只能在大温差条件(即试样热面维持1000℃以下、冷面通过强制制冷维持在150℃以下)下进行。

发明内容

鉴于上述分析，本发明旨在提供一种耐高温金属平板热流计及热流密度测量方法，解决了现有技术中现有的热传导式薄膜热流计无法在150℃以上使用的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种耐高温金属平板热流计，包括实心金属板和成对设置的金属片，每对金属片包括位于实心金属板上表面的上表面金属片以及位于实心金属板下表面的下表面金属片，上表面金属片和下表面金属片沿实心金属板的厚度方向布置，也就是说，上表面金属片位于下表面金属片的正上方，实心金属板与金属片的材质不同。

进一步地，上表面金属片的上表面与实心金属板的上表面在同一平面内，下表面金属片的下表面与实心金属板的下表面在同一平面内。

进一步地，上述金属片的厚度与实心金属板的厚度之比为1：25～30。

进一步地，上述上表面金属片的数量为多个，包括设于实心金属板上表面中心的中心上表面金属片以及设于实心金属板上表面其他位置的局部上表面金属片；相应地，上述下表面金属片的数量为多个，包括设于实心金属板下表面中心的中心下表面金属片以及设于实心金属板下表面其他位置的局部下表面金属片。

进一步地，实心金属板的上表面和下表面开设用于容纳金属片的金属片凹槽。

进一步地，上述耐高温金属平板热流计还包括导线，导线的一端与金属片连接，另一端沿着金属板的表面从金属片向实心金属板的边缘延伸并从实心金属板的侧面伸出。

进一步地，导线包括导电丝和绝缘层，绝缘层包裹部分导电丝使得导电丝的两端裸露作为连接端，导电丝的一个连接端与金属片连接，另一个连接端从实心金属板的侧面伸出。

进一步地，导电丝为铜丝。

进一步地，绝缘层为绝缘石英布。

进一步地，实心金属板的上表面和下表面还开设用于容纳导线的导线凹槽，导线凹槽的一端与金属片凹槽连通，另一端沿着金属板的横向从金属片凹槽向实心金属板的边缘延伸并从实心金属板的侧面伸出。

进一步地，上述实心金属板的侧壁设有接线柱。

进一步地，上述实心金属板为康铜板，金属片为铜片。

本发明还提供了一种热流密度测量方法，采用上述耐高温金属平板热流计，该热流密度测量方法包括如下步骤：

每对金属片中，上表面金属片、下表面金属片和实心金属板构成温差热电偶，获取该温差热电偶的电压差；

根据实心金属板的材料所对应的分度值计算得到温差热电偶的温度差；

根据温差热电偶的温度差、实心金属板的厚度以及实心金属板的材料所对应的热导率，计算得到每对金属片对应区域内沿实心金属板厚度方向的热流密度。

进一步地，每对金属片对应区域内沿实心金属板厚度方向的热流密度q采用如下公式计算：

λ为实心金属板的材料所对应的热导率；

D为实心金属板的厚度；

△T为温差热电偶的温度差。

进一步地，上述高温金属平板热流计包括多对金属片，相应地，多对金属片能够获得多个热流密度，根据多个热流密度计算得到平均热流密度。

进一步地，上述热流密度测量方法还包括如下步骤：

上表面金属片与实心金属板构成温度热电偶，获得该温度热电偶的温度，即上表面金属片与实心金属板接触面的温度；

根据温差热电偶的温度差和温度热电偶的温度，计算得到下表面金属片与实心金属板接触面的温度。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)本发明提供的耐高温金属平板热流计，每对金属片与实心金属板能够构成温差热电偶，通过该温差热电偶能够获得每对金属片之间的电压差，然后根据实心金属板的材料所对应的分度值，能够进一步获得每对金属片之间的温度差，根据该温度差能够计算得到实心金属板的热流；每对金属片中，上表面金属片与实心金属板构成温度热电偶，通过该温度热电偶能够获得上表面金属片与实心金属板接触面的温度；根据每对金属片之间的温度差和上表面金属片与实心金属板接触面的温度能够获得下表面金属片与实心金属板接触面的温度，也就是说，采用本发明的高温金属平板热流计，能够同时获得上表面金属片与实心金属板接触面的温度、下表面金属片与实心金属板接触面的温度以及每对金属片区域内沿实心金属板厚度方向的热流密度，实现温度和热流密度的一体化测量。

b)本发明提供的耐高温金属平板热流计应用在大温差热流计法导热仪设备中，采用实心金属板作为平板热流计的主要基体，来替代聚酰亚胺芯层上缠绕温差热电堆、整体再用聚酰亚胺薄膜压制封装起来的工艺，实心金属板和金属片均采用金属制成，使用温度均大于150℃，克服了常规的薄膜热流计使用温度不能超过150℃的限制，从而能够大大提高本发明提供的平板热流计的工作温度，冷面温度无需强制制冷维持在150℃以下，这样试样热面上方的加热板，可以显著降低其有效功率载荷的需求，进而选择合适的加热板材质以进一步提高试样热面的最高测试温度，进而扩大热导率测试范围。

c)本发明提供的耐高温金属平板热流计，金属片的设置也有利于温度场的均匀性，上表面金属片、下表面金属片、与实心金属板之间构成温差热电偶，可以直接测得实心金属板的上表面和下表面局部面积上的平均温度差。

d)本发明提供的耐高温金属平板热流计，除了加热/均热装置的特殊设计、四周热防护措施之外，试样下方的平板热流计的结构也需要尽可能保证只产生沿厚度方向的热流而要避免沿面内方向向四周的热流，将导线从实心金属板的侧面引出，能够减少其在实心金属板厚度方向的影响，避免导线的引出影响实心金属板的整体结构，从而能够保证实心金属板的内部在垂直于厚度方向上的状态一致，尽可能实现试样沿厚度方向一维热流的要求以及热流密度测量精度的要求。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体发明的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明提供的耐高温金属平板热流计的俯视图；

图2为本发明提供的耐高温金属平板热流计的侧视图。

附图标记；

1-实心金属板；2-中心上表面金属片；3-局部上表面金属片；4-接线柱；5-局部下表面金属片；6-导线。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选发明，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的发明一起用于阐释本发明的原理。

本发明提供了一种耐高温金属平板热流计，参见图1至图2，包括实心金属板1和成对设置的金属片，每对金属片包括位于实心金属板1上表面的上表面金属片以及位于实心金属板1下表面的下表面金属片，上表面金属片和下表面金属片沿实心金属板1的厚度方向布置，也就是说，上表面金属片位于下表面金属片的正上方，实心金属板1与金属片的材质不同。

实施时，每对金属片与实心金属板1能够构成温差热电偶，通过该温差热电偶能够获得每对金属片之间的电压差，然后根据实心金属板1的材料所对应的分度值，能够进一步获得每对金属片之间(也就是实心金属板1厚度方向上)的温度差，根据该温度差能够计算得到实心金属板1的热流；每对金属片中，上表面金属片与实心金属板1构成温度热电偶，通过该温度热电偶能够获得上表面金属片与实心金属板1接触面的温度；根据每对金属片之间的温度差和上表面金属片与实心金属板1接触面的温度能够获得下表面金属片与实心金属板1接触面的温度，也就是说，采用本发明的高温金属平板热流计，能够同时获得上表面金属片与实心金属板1接触面的温度、下表面金属片与实心金属板1接触面的温度以及每对金属片区域内沿实心金属板1厚度方向的热流密度，实现温度和热流密度的一体化测量。

与现有技术相比，本发明提供的耐高温金属平板热流计应用在大温差热流计法导热仪设备中，采用实心金属板1作为平板热流计的主要基体，来替代聚酰亚胺芯层上缠绕温差热电堆、整体再用聚酰亚胺薄膜压制封装起来的工艺，实心金属板1和金属片均采用金属制成，使用温度均大于150℃，克服了常规的薄膜热流计使用温度不能超过150℃的限制，从而能够大大提高本发明提供的平板热流计的工作温度，冷面温度无需强制制冷维持在150℃以下，这样试样热面上方的加热板，可以显著降低其有效功率载荷的需求，进而选择合适的加热板材质以进一步提高试样热面的最高测试温度，进而扩大热导率测试范围。

同时，金属片的设置也有利于温度场的均匀性，上表面金属片、下表面金属片、与实心金属板1之间构成温差热电偶，可以直接测得实心金属板1的上表面和下表面局部面积上的平均温度差。

此外，需要说明的是，现有技术中的热流计结构中热沉金属均采用中空的圆柱形结构，上方的金属盖板中心点处的导线从中空结构中引出。采用这种中空结构，其内部空气的导热系数远低于热沉金属，将直接导致金属盖板的热量向热沉金属传递时在垂直厚度方向上有明显的热流，会影响被测试样和热流计组件自身的热流分布情况。

值得注意的是，金属片的设置会破坏实心金属板1的整体结构，因此，上表面金属片的上表面与实心金属板1的上表面在同一平面内，也就是说，上表面金属片的上表面与实心金属板1的上表面构成一个完整的平面；同样地，下表面金属片的下表面与实心金属板1的下表面在同一平面内，也就是说，下表面金属片的下表面与实心金属板1的下表面构成一个完整的平面。

为了能够减少金属片的设置在实心金属板1厚度方向的影响，上述金属片(上表面金属片和下表面金属片)的厚度与实心金属板1的厚度之比为1：25～30，也就是说，实心金属板1的厚度远远大于金属片的厚度。这样，在热流密度测量的过程中，金属片的厚度相对于实心金属板1的厚度来说，几乎可以忽略不计，从能够进一步减少金属片的设置在实心金属板1厚度方向的影响。

为了实现多点测量，上述上表面金属片的数量为多个，包括设于实心金属板1上表面中心的中心上表面金属片2以及设于实心金属板1上表面其他位置的局部上表面金属片3；相应地，上述下表面金属片的数量为多个，包括设于实心金属板1下表面中心的中心下表面金属片(图中未示出)以及设于实心金属板1下表面其他位置的局部下表面金属片5。多个金属片的设置能够检测实心金属板1不同位置的局部面积内的平均热流密度，实现多点测量监测，后期可以用以有效评估试样四周侧壁面热损失情况。

相应地，为了放置上述金属片，实心金属板1的上表面和下表面开设用于容纳金属片的金属片凹槽。

可以理解的是，为了能够测得相应的电压值，上述耐高温金属平板热流计还包括与金属片(上表面金属片和下表面金属片)连接的导线6，导线6的一端与金属片连接，另一端沿着金属板的表面从金属片向实心金属板1的边缘延伸并从实心金属板1的侧面伸出。这是因为，除了加热/均热装置的特殊设计、四周热防护措施之外，试样下方的平板热流计的结构也需要尽可能保证只产生沿厚度方向的热流而要避免沿面内方向向四周的热流，将导线6从实心金属板1的侧面引出，能够减少其在实心金属板1厚度方向的影响，避免导线6的引出影响实心金属板1的整体结构，从而能够保证实心金属板1的内部在垂直于厚度方向上的状态一致，尽可能实现试样沿厚度方向一维热流的要求以及热流密度测量精度的要求。

对于导线6的结构，具体来说，其包括导电丝(例如，铜丝)和绝缘层(例如，绝缘石英布)，绝缘层包裹部分导电丝使得导电丝的两端裸露作为连接端，导电丝的一个连接端与金属片连接，另一个连接端从实心金属板1的侧面伸出，作为连接金属片的导线6。

同样地，为了放置上述导线6，实心金属板1的上表面和下表面还开设用于容纳导线6的导线凹槽，导线凹槽的一端与金属片凹槽连通，另一端沿着金属板的横向从金属片凹槽向实心金属板1的边缘延伸并从实心金属板1的侧面伸出。

可以理解的是，在热流密度测量的基础上，为了能够获得上表面金属片与实心金属板1接触面的温度，上述实心金属板1的侧壁设有接线柱4。通过接线柱4能够将上表面金属片和实心金属板1构成温度热电偶。

示例性地，上述实心金属板1为康铜板，金属片为铜片，也就是说，本发明提供的耐高温金属平板热流计的材料选择与铜和康铜热电偶完全相同的铜和康铜两种金属加工而成。

需要说明的是，上述耐高温金属平板热流计中所涉及的材料为康铜制成的实心金属板1、铜制成的金属片、铜制成的导电丝以及绝缘石英布制成的绝缘层，显然地，耐高温金属平板热流计的最高使用温度取决于铜、康铜、绝缘石英布三种材料最高使用温度中的最低值，使用温度可到700℃以上，远远超过现有技术中热流计的使用温度(150℃)。

本发明还提供了一种热流密度测量方法，采用上述耐高温金属平板热流计，该热流密度测量方法包括如下步骤：

每对金属片中，上表面金属片、下表面金属片和实心金属板构成温差热电偶，获取该温差热电偶的电压差；

根据实心金属板的材料所对应的分度值计算得到温差热电偶的温度差；

根据温差热电偶的温度差、实心金属板的厚度以及实心金属板的材料所对应的热导率，计算得到每对金属片对应区域内沿实心金属板厚度方向的热流密度。

与现有技术相比，本发明提供的热流密度测量方法的有益效果与上述耐高温金属平板热流计的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

具体来说，每对金属片对应区域内沿实心金属板厚度方向的热流密度q采用如下公式计算：

λ为实心金属板的材料所对应的热导率；

D为实心金属板的厚度；

△T为温差热电偶的温度差。

为了提高上述热流密度测量的精度，上述高温金属平板热流计包括多对金属片，相应地，多对金属片能够获得多个热流密度，根据多个热流密度计算得到平均热流密度。

为了能够得到上表面金属片的温度和下表面金属片的温度，上述热流密度测量方法还包括如下步骤：

上表面金属片与实心金属板构成温度热电偶，获得该温度热电偶的温度(即上表面金属片与实心金属板接触面的温度)；

根据温差热电偶的温度差和温度热电偶的温度，计算得到下表面金属片与实心金属板接触面的温度。

实施例一

本实施例提供的耐高温金属平板热流计，实心金属板为康铜板，尺寸为300mm×300mm×27mm，金属片为圆形铜片。

其中，圆形铜片的数量为4个，分为两组，其中一组布置在康铜板的上表面，另一组布置在康铜板的下表面。在康铜板的上下两个表面的中心点以及距离中心点50mm位置处的位置分别洗出四个Φ10mm×1mm的圆形浅槽，同时洗出四条圆形槽边缘到平板一个侧面的四条1.5mm×1.5mm的长方形浅槽。然后用外套石英绝缘布、外径不超过Φ1.5mm、长度超过150mm的铜丝嵌入长方形浅槽中，铜丝的两个端头裸露无石英绝缘布，其中一端伸入到Φ10mm×1mm的圆形浅槽中；另一端露出在康铜板的一个侧壁面，作为导线。在四个圆形浅槽中放入Φ10mm×1.5mm的圆形铜片，压在四根铜丝上，然后用氩弧焊工艺把铜片熔焊在康铜板的圆形浅槽内。然后打磨熔焊后的铜片，令其表面和康铜板保持水平。在康铜基体引出铜线的侧壁面上再焊接一根接线柱(例如，康铜接线柱)。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种耐高温金属平板热流计，其特征在于，包括实心金属板和成对设置的金属片；

每对金属片包括位于实心金属板上表面的上表面金属片以及位于实心金属板下表面的下表面金属片，所述上表面金属片位于下表面金属片的正上方；

所述实心金属板与金属片的材质不同；

所述上表面金属片的上表面与实心金属板的上表面在同一平面内；所述下表面金属片的下表面与实心金属板的下表面在同一平面内；

所述实心金属板的上表面和下表面开设用于容纳金属片的金属片凹槽；

所述上表面金属片的数量为多个，包括设于实心金属板上表面中心的中心上表面金属片以及设于实心金属板上表面其他位置的局部上表面金属片；所述下表面金属片的数量为多个，包括设于实心金属板下表面中心的中心下表面金属片以及设于实心金属板下表面其他位置的局部下表面金属片。

2.根据权利要求1所述的耐高温金属平板热流计，其特征在于，所述金属片的厚度与实心金属板的厚度之比为1：25～30。

3.根据权利要求1所述的耐高温金属平板热流计，其特征在于，还包括导线，所述导线的一端与金属片连接，另一端沿着金属板的表面从金属片向实心金属板的边缘延伸并从实心金属板的侧面伸出。

4.根据权利要求1所述的耐高温金属平板热流计，其特征在于，所述实心金属板的侧壁设有接线柱。

5.根据权利要求1至4任一项所述的耐高温金属平板热流计，其特征在于，所述实心金属板为康铜板，所述金属片为铜片。

6.一种热流密度测量方法，其特征在于，采用权利要求1至5任一项所述耐高温金属平板热流计，所述热流密度测量方法包括如下步骤：

每对金属片中，上表面金属片、下表面金属片和实心金属板构成温差热电偶，获取该温差热电偶的电压差；

根据实心金属板的材料所对应的分度值计算得到温差热电偶的温度差；

根据温差热电偶的温度差、实心金属板的厚度以及实心金属板的材料所对应的热导率，计算得到每对金属片对应区域内沿实心金属板厚度方向的热流密度。

7.根据权利要求6所述的热流密度测量方法，其特征在于，所述高温金属平板热流计包括多对金属片；

多对金属片获得多个热流密度，根据多个热流密度计算得到平均热流密度。

8.根据权利要求6或7所述的热流密度测量方法，其特征在于，还包括如下步骤：

所述上表面金属片与实心金属板构成温度热电偶，获得该温度热电偶的温度，即上表面金属片与实心金属板接触面的温度；

根据温差热电偶的温度差和温度热电偶的温度，计算得到下表面金属片与实心金属板接触面的温度。

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