CN116990340A - 热导率测定装置 - Google Patents

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CN116990340A CN202310574708.7A CN202310574708A CN116990340A CN 116990340 A CN116990340 A CN 116990340A CN 202310574708 A CN202310574708 A CN 202310574708A CN 116990340 A CN116990340 A CN 116990340A
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翟延飞
黄亚威
刘以勇
殷立新
孟天亚
姚志涛
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    • G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明涉及一种热导率测定装置，用于测定待测材料的热导率，所述待测材料位于真空室内，所述待测材料具有冷端和热端，所述冷端上设有冷端温度传感器和冷却装置，所述热端上设有热端温度传感器和加热装置；所述真空室外设有温度仪和加热电源，所述冷端温度传感器和所述热端温度传感器均与所述温度仪电连接，所述加热电源与所述加热装置电连接。本发明的热导率测定装置，通过改变冷却装置提供的冷量和加热装置的加热功率，可得到待测材料在不同温度下的热导率。

Description

热导率测定装置
技术领域
本发明涉及材料热导率测定技术领域，更具体地涉及一种热导率测定装置。
背景技术
在直线加速器中，超导模组作为最小的加速单元，通过串联的方式形成加速器主体。超导模组内的低温管路按温区可分为三类：2K、4K和45K管路。导冷件一端连接不同温区管路作为冷源，另一端连接超导模组内的结构元件，从而将冷量传递，使超导模组元件运行在设计的温度内。导冷件热导率的优劣直接影响着超导模组元件是否能正常运行，并影响着整个超导模组的功耗，因此，准确测定导冷件的热导率是十分重要的。
现有技术中，通常采用稳态法测量材料的热导率，其原理为利用稳定传热过程中，传热速率等于散热速率的平衡状态，根据傅里叶一维稳态热传导模型，由通过试样的热流密度、两侧温差和厚度，计算得到试样的热导率。
但是，现有的稳态法测定装置未考虑线组(即控制线缆)的功率损耗，热损失较大，且不能得到不同温度下的热导率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热导率测定装置，以减小测定时的热损失，并得到待测材料在不同温度下的热导率。
基于上述目的，本发明提供一种热导率测定装置，用于测定待测材料的热导率，所述待测材料位于真空室内，所述待测材料具有冷端和热端，所述冷端上设有冷端温度传感器和冷却装置，所述热端上设有热端温度传感器和加热装置；所述真空室外设有温度仪和加热电源，所述冷端温度传感器和所述热端温度传感器均与所述温度仪电连接，所述加热电源与所述加热装置电连接。
进一步地，所述加热装置为加热带，所述加热带缠绕在所述热端，以对所述热端加热。
进一步地，所述冷却装置包括冷却管，所述冷却管内通有冷却物，以对所述冷端冷却。
进一步地，所述冷却装置还包括热锚，所述热锚套在所述冷却管外侧，所述冷却管通过所述热锚固定在所述冷端。
进一步地，所述热锚包括可拆卸连接的第一固定板和第二固定板，所述第一固定板和所述第二固定板之间形成容纳所述冷却管的容纳空间，所述第一固定板与所述冷端固定连接。
进一步地，所述待测材料的外侧设有绝热层。
进一步地，所述冷端上设有容纳所述冷端温度传感器的第一容纳孔，所述热端上设有容纳所述热端温度传感器的第二容纳孔。
进一步地，所述加热装置与所述加热电源以及所述温度仪与所述冷端温度传感器和所述热端温度传感器均通过四线制控制电缆线相连接。
进一步地，所述真空室内设有冷屏，所述待测材料位于所述冷屏内。
进一步地，所述真空室外还设有可编程逻辑控制器和计算机，所述温度仪和所述加热电源均与所述可编程逻辑控制器通讯连接，所述可编程逻辑控制器与所述计算机通讯连接。
本发明的热导率测定装置，通过改变冷却装置提供的冷量和加热装置的加热功率，可得到待测材料在不同温度下的热导率；将待测材料置于真空室和冷屏中，可减少室温对待测材料的热辐射，从而减小误差；加热装置与加热电源以及冷端温度传感器和热端温度传感器与温度仪均通过四线制控制电缆线连接，可减少热损失；通过PLC和计算机可远程控制待测材料的温度，并计算各个温度下的热导率。
附图说明
图1为根据本发明实施例的热导率测定装置的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的热导率测定装置的热锚的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的热导率测定装置的待测材料的结构示意图；
图4为根据本发明实施例的热导率测定装置的待测材料与冷却装置固定在一起的剖切后的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种热导率测定装置，用于测定待测材料100的热导率，待测材料100位于真空室200内，由于热在高真空中基本不传递，因此可减少室温对待测材料100的热辐射，从而减小测量误差；待测材料100具有冷端110和热端120，冷端110上设有冷端温度传感器130，用于实时监测待测材料100的冷端110的温度，热端120上设有热端温度传感器140，用于实时监测待测材料的热端120的温度，热端120上还设置有加热装置150，用于对热端120进行加热，冷端110上还设有冷却装置160，用于冷却待测材料100的冷端110；真空室200外设有温度仪300和加热电源400，温度仪300分别与冷端温度传感器130和热端温度传感器140电连接，用于接收冷端温度传感器130和热端温度传感器140采集到的信号，并将其转换为冷端110和热端120的具体温度值，温度仪300还可设置为实时展现温度和状态报告；加热电源400与加热装置150电连接，用于对加热装置150供电，使其对热端120加热。
在一些实施例中，加热装置150可以为加热带，加热带缠绕在热端120上，从而对热端120进行加热。
在一些实施例中，冷却装置160可包括冷却管161，冷却管161与冷源(图中未示出)连通，冷源向冷却管161中通入冷却物(例如液氮)，从而对冷端110进行冷却。
在一些实施例中，冷却装置160还包括热锚162，其套在冷却管161外侧，同时热锚162固定在待测材料100的冷端110，这样，一方面可以通过热锚162将冷却管161固定在冷端110，另一方面可以通过热锚162将冷却管161的冷量传递至冷端110，从而对冷端110进行冷却。
如图2所示，热锚162可包括可拆卸连接的第一固定板1621和第二固定板1622，第一固定板1621和第二固定板1622均为半圆形，且两者之间形成将冷却管161容纳在其中的容纳空间1623。第一固定板1621上设置有两第一螺孔1624，如图3所示，待测材料100的冷端110上设有两第二螺孔111，两第一螺孔1624分别与两第二螺孔111匹配，从而使第一固定板1621与待测材料100的冷端110螺栓连接。
如图4所示，固定好后，第一固定板1621和第二固定板1622均套在冷却管161外侧，冷却管161位于容纳空间1623中，从而被第一固定板1621和第二固定板1622夹紧固定，第一固定板1621则固定在待测材料100的冷端110。当需要拆卸时，可先将第一固定板1621从待测材料100上拆除，然后将第二固定板1622与第一固定板1621拆卸，然后移除第一固定板1621和第二固定板1622即可。
在一些实施例中，待测材料100外侧可设有绝热层170，用于减少待测材料100的热损失，使得测量结果更准确。
如图3所示，冷端110上还可设置第一容纳孔112，用于容纳冷端温度传感器130，以使冷端温度传感器130固定在冷端110。热端120上设置有第二容纳孔121，用于容纳热端温度传感器140，以使其固定在热端120。
在一些实施例中，加热装置150与加热电源400以及温度仪300与冷端温度传感器130和热端温度传感器140均通过四线制控制电缆线500相连接，四线制控制电缆线500可以排除线缆自身的电阻误差，不占用加热带功率，热损失少，从而减小测量误差。
在一些实施例中，真空室200内设有冷屏210，待测材料100位于冷屏210内，冷屏210可减少待测材料100的热损耗，减少室温对待测材料100的热辐射，从而使测量误差减小。
如图1所示，热导率测定装置还可包括可编程逻辑控制器(PLC)600和计算机700，温度仪300和加热电源400分别通过通讯线与PLC 600连接，PLC 600通过通讯线与计算机700连接。PLC 600用于接收温度仪300传输的冷端110和热端120的温度值，并通过控制加热电源400的加热功率来改变冷端110和热端120的温度。计算机700用于接收PLC 600传输的冷端110和热端120的温度值，并根据温度值利用傅里叶热传导定律计算出待测材料100在不同温度下的热导率。
热导率的计算采用傅里叶热传导定律，该定律是指在导热过程中，单位时间内通过给定截面的导热量正比于垂直该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。
在一些实施例中，待测材料100的热导率可通过下式计算：
q＝λ(T2-T1)S/L
其中，q为加热电源400的加热功率，λ是导热率，S表示冷端温度传感器130和热端温度传感器140之间的结构的截面积，L表示冷端温度传感器130和热端温度传感器140之间的距离，T2表示热端温度传感器140监测到的温度值，T1表示冷端温度传感器130监测到的温度值。
本发明的热导率测定装置的使用方法如下：
调整冷却装置160的温度，使其提供给冷端110的冷量保持不变，然后将加热电源400的功率依次取不同的值(例如，0W、5W、15W等)，在每一个功率值，由于热量的传递，冷端温度传感器130和热端温度传感器140监测到的温度值都会逐渐变化，并达到平衡(即监测到的温度值不再变化，达到稳定的值)，因此通过温度仪300可获得冷端温度传感器130和热端温度传感器140在每一个功率时的稳定的温度值(即稳定的T1和T2)，然后通过上述公式可计算得到在不同功率时的待测材料100的热导率，在某一功率下，待测材料100的温度为T＝(T1+T2)/2，不同功率下的T1和T2均是不同的，因此对应的待测材料100的温度也是不同的，也就是说，通过改变加热功率，可得到待测材料100不同温度下的热导率。
热导率的计算过程可在计算机700中完成，计算机700在计算得到不同温度下的热导率后，还可以对热导率和温度进行拟合，例如，采用最小二乘法进行拟合，从而得到待测材料100的热导率随温度变化的关系曲线，将该曲线与已知RRR(即金属剩余电导率)值的金属的热导率随温度变化的关系曲线进行对比，与待测材料100的热导率随温度变化的关系曲线最接近的曲线对应的RRR值即可作为待测材料100的RRR值，由此，可得到待测材料100的RRR值。RRR值可用于表示金属的纯度。
T1和T2的值可以通过改变冷却装置160提供的冷量以及加热电源400的加热功率来实现，在实际测量时，可先调整冷却装置160提供的冷量，然后使其保持不变，再改变加热电源400的加热功率，从而得到待测材料100在不同温度下的热导率，或者，也可以先设置加热电源400的加热功率，然后改变冷却装置160提供的冷量，从而得到待测材料100在不同温度下的热导率。在一些实施例中，待测材料100的温度T可以为1K～300K之间的任何值。
本发明实施例的热导率测定装置，通过改变冷却装置160提供的冷量和加热装置400的加热功率，可得到待测材料100在不同温度下的热导率；将待测材料100置于真空室200和冷屏210中，可减少室温对待测材料100的热辐射，从而减小误差；加热装置150与加热电源400以及冷端温度传感器130和热端温度传感器140与温度仪300均通过四线制控制电缆线500连接，可减少热损失；通过PLC 600和计算机700可远程控制待测材料100的温度，并计算各个温度下的热导率。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种热导率测定装置，用于测定待测材料的热导率，其特征在于，所述待测材料位于真空室内，所述待测材料具有冷端和热端，所述冷端上设有冷端温度传感器和冷却装置，所述热端上设有热端温度传感器和加热装置；所述真空室外设有温度仪和加热电源，所述冷端温度传感器和所述热端温度传感器均与所述温度仪电连接，所述加热电源与所述加热装置电连接。
2.根据权利要求1所述的热导率测定装置，其特征在于，所述加热装置为加热带，所述加热带缠绕在所述热端，以对所述热端加热。
3.根据权利要求1所述的热导率测定装置，其特征在于，所述冷却装置包括冷却管，所述冷却管内通有冷却物，以对所述冷端冷却。
4.根据权利要求3所述的热导率测定装置，其特征在于，所述冷却装置还包括热锚，所述热锚套在所述冷却管外侧，所述冷却管通过所述热锚固定在所述冷端。
5.根据权利要求4所述的热导率测定装置，其特征在于，所述热锚包括可拆卸连接的第一固定板和第二固定板，所述第一固定板和所述第二固定板之间形成容纳所述冷却管的容纳空间，所述第一固定板与所述冷端固定连接。
6.根据权利要求1所述的热导率测定装置，其特征在于，所述待测材料的外侧设有绝热层。
7.根据权利要求1所述的热导率测定装置，其特征在于，所述冷端上设有容纳所述冷端温度传感器的第一容纳孔，所述热端上设有容纳所述热端温度传感器的第二容纳孔。
8.根据权利要求1所述的热导率测定装置，其特征在于，所述加热装置与所述加热电源以及所述温度仪与所述冷端温度传感器和所述热端温度传感器均通过四线制控制电缆线相连接。
9.根据权利要求1所述的热导率测定装置，其特征在于，所述真空室内设有冷屏，所述待测材料位于所述冷屏内。
10.根据权利要求1所述的热导率测定装置，其特征在于，所述真空室外还设有可编程逻辑控制器和计算机，所述温度仪和所述加热电源均与所述可编程逻辑控制器通讯连接，所述可编程逻辑控制器与所述计算机通讯连接。
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