CN210347505U - 一种基于热线法的真空/气氛环境高温导热系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于热线法的真空/气氛环境高温导热系数测量装置，包括：高温真空气氛炉、测试探头、直流电源激励模块、电压/温度采集模块与数据转换/处理模块；高温真空气氛炉包括双层水冷炉体外壳、内衬、嵌于所述内衬内层的电阻丝发热体、设置于炉膛内部的样品腔、用于紧固测试探头的探头紧固结构；探头紧固结构包括测试探头分路隔片和接线螺栓，测试探头穿过测试探头分路隔片间的通道后固定于所述接线螺栓上，测试探头延长线再分别连接直流电源激励模块与电压/温度采集模块；电压/温度采集模块与数据转换/处理模块连接。本实用新型测试环境可以真空也可为各类气氛，装置结构简单易操作，可测样品尺寸小，测试精度高且耗材成本低。

Description

一种基于热线法的真空/气氛环境高温导热系数测量装置

技术领域

本实用新型属于材料导热系数测试技术领域，具体地，涉及一种基于热线法的真空/气氛环境高温导热系数测量装置。

背景技术

导热系数是直接表征材料传热性能的关键技术指标之一，是衡量材料能否适应具体热过程的依据，是对特定热过程进行分析计算、从事工程设计的基础数据。研究材料的导热性能不仅能为系统热优化提供关键参数，而且能为材料配方和微结构设计提供重要的科学依据。尤其以航空航天技术为代表的高温甚至超高温隔热材料导热测试领域，亟待需要研究真空或者惰性气氛环境中材料导热性能参数，以保证在轨设备的热稳定性和安全可靠性，同时，材料导热系数测量在石油化工、空调制冷、新能源、冶金、电力、建筑等众多领域，有着广泛的测量需求和应用。

材料导热系数的测试方法按照测试时热流状态分为稳态法和非稳态法（动态法）。相比较稳态法，非稳态法具有测量快速，准确的显著优势，省了大量的人力资源和时间成本。在已建立起的数几种高温导热系数的测试方法中，热线法是唯一的一种国际标准方法（ISO8894）。我国3个现行热线法的标准：GB/T 5990-2006《定形隔热耐火制品导热系数试验方法(热线法)》(同ISO8894-1:1987&ISO8894-2:1990)，GB/T 10297-2015《非金属固体材料导热系数的测定(热线法)》，GB/T 11205-2009《橡胶热导率的测定（瞬态热丝法）》，在实际工程中均有着广泛的应用。热线法原理是：在均质匀温的大块材料中心线处放置一根细长加热线，通以稳恒电流加热时，线性热源与介质周围的温度会升高，温升的快慢与介质材料的热物性参数有关，通过焊接在热线中点的热电偶测量热线温升随时间的变化，从而得出被测材料的导热系数。

现已公开的热线法导热测试装置，按照测试环境来分，可分为两类：一种是在氧化性气氛中的导热测量装置，如CN206609816U公开的固体导热系数热线法测量装置和CN107917929A所公开的平行热线法导热测试装置，其主要针对材料在空气环境中的低温或者中高温导热系数测试；第二类是在真空环境中的导热系数测试，如CN2385334Y所公开热线法导热系数的测试装置，仅仅解决了含碳材料的高温导热系数测试问题，气氛依然不可控；如专利CN107589148A所公开的《一种可控气氛非稳态热线法导热系数测试仪》，虽然解决了气氛可控的问题，但需要通过升降轨道移动试样，整体结构复杂，且容易造成安装后的试样在升降过程中位置偏移，影响测试精度；其次测试探头是贵金属，高温下容易受到材料的污染，测试成本较高。

现有技术：

专利文献1：中国专利公开CN206609816U；

专利文献2：中国专利公开CN107917929A；

专利文献3：中国专利公开CN2385334Y；

专利文献4：中国专利公开CN107589148A。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种基于热线法的高温导热系数测量装置，测试环境可以真空也可为各类气氛，装置结构简单易操作，可测样品尺寸小，测试精度高，且耗材成本低。

本实用新型为实现上述目的采用了如下技术方案：

一种基于热线法的真空或者可控气氛环境下材料高温导热系数测试装置，该装置包括高温真空气氛炉、测试探头、直流电源激励模块、电压/温度采集模块与数据转换/处理模块五个部分。

所述高温真空气氛炉包括双层水冷炉体外壳、内衬、嵌于所述内衬的内层的电阻丝发热体、设置于炉膛内部的样品、用于紧固测试探头的探头紧固结构；探头紧固结构包括测试探头分路隔片和接线螺栓，测试探头穿过测试探头分路隔片间的通道后固定于接线螺栓上，测试探头的延长线再分别连接直流电源激励模块与电压/温度采集模块；电压/温度采集模块与数据转换/处理模块连接。

本实用新型可提供室温-1200℃温度区间内真空或者变压或者气氛环境中的导热系数测试。本实用新型可采用软件程序实现测试数据的自由选取及计算，相比已公开的大部分热线法测试装置要求的大尺寸试样，本装置可实现小尺寸试样的测量，测试材料范围更广。

优选地，所述双层水冷炉体外壳上部设置有放气口、真空压力表，所述双层水冷炉体外壳下部设置有抽真空/充气接口，高温真空气氛炉为上下分立结构，上部为炉盖，下部为炉身，所述炉盖和炉身间设有密封槽，连接处为气压顶杆结构。

优选地，所述内衬两侧设有探头通道。

优选地，所述探头通道由硬质耐火材料下开槽制成，其顶端与所述内衬的上表面齐平。

优选地，所述探头紧固结构为能够上下联动的结构。

优选地，所述探头紧固结构包括测试探头分路隔片和接线螺栓。

本实用新型探头紧固结构采用了分路式手动上下联动结构，结构简单易装样，且装样后无需移动试样，减少因移动造成探头和样品错位而导致的测试偏差。

优选地，所述样品腔为上下结构，下半部分为长方体，腔体盖子为梯形，长方体两侧设有开口。

优选地，所述测试探头分路隔片与探头通道中心同轴。

优选地，测试探头与探头紧固结构通过接线螺栓连接。

优选地，所述样品腔两侧开口与探头通道整体的中心线同轴。

更具体而言，可以是，高温真空气氛炉采用电阻丝发热元件，为多层复合式结构。炉膛内设有样品腔，样品腔外为优选金属箔包裹的内衬。电阻丝发热体嵌于炉身内衬与炉盖内衬共十个面，内衬两侧设有探头通道（六通道测试探头齿状连接口），每侧三通道，分别与外侧的探头紧固结构上的测试探头分路隔片的卡槽一一对应且相通，炉体最外层为双层水冷炉体外壳，双层水冷炉体外壳的炉盖与炉身连接处配有液压顶杆，且设置有密封槽，通过分子泵或者机械泵实现炉内真空环境。测试探头穿过探头通道后绷紧固定在紧固结构上，其延长线分别连接直流电源激励模块与电压/温度采集模块，实现对测试探头的功率加载及样品中心温度的采集，电压/温度采集模块和外部计算机数据转换/处理模块连接，用软件程序以实现测量数据的选取、拟合与导热系数计算。

优选的，炉膛为上下分立结构，长度20-50cm，宽10-16cm，上半部分嵌于炉盖，下半部分置于炉身内，总深度10-20cm。

所述样品腔材质优选为耐高温合金或者高导热陶瓷材质。优选长200-300mm，宽100-150mm，深50-100mm。

优选的，所述测试探头由合金加热丝及温度传感器组成，四线结构，每侧两线，分别通过所述探头通道固定于探头紧固结构上。

本实用新型采用了耐高温贱金属测试探头，因而测试成本更低。

优选的，所述探头通道为硬质耐火材料下开槽制成，齿状，嵌于内衬两侧，外表面与内衬表面高度齐平。

所述探头紧固结构优选为四柱可上下活动联动结构。

所述测试探头功率加载线两端分别与直流激励系统连接，优选的，直流电源范围为0.01-4A，为样品提供加热功率。

所述电压/温度采集模块为温度传感器，用于测量样品初始温度及测试过程中温升，优选的，温度传感器为K型热电偶或者E型热电偶，圆丝或者扁带型，圆丝直径0.2-1mm，扁带宽1-2mm，厚0.1-0.3mm。

所述数据转换/处理模块可通过计算机软件程序拟合数据选取及导热系数计算。

附图说明

图1是本实用新型一实施形态的高温真空气氛炉剖面结构示意图；

图2 是本实用新型一实施形态的基于热线法的真空/气氛环境高温导热系数测量装置的整体结构框图；

图3为本实用新型一实施形态的探头紧固结构俯视图；

附图标记：

1. 双层水冷炉体外壳

2. 内衬

3. 电阻丝发热体

4. 放气口

5. 样品腔

6. 样品

7. 真空压力表

8. 探头通道

9. 测试探头

10. 密封槽

11. 探头紧固结构

12. 抽真空/充气口

13. 直流电源激励模块

14. 电压/温度采集模块

15. 数据转换/处理模块

16. 测试探头分路隔片

17. 扳手

18. 接线螺栓

19. 中间层连接块。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细说明。

图1是本实用新型一实施形态的高温真空气氛炉剖面结构示意图。图2 是本实用新型一实施形态的基于热线法的真空/气氛环境高温导热系数测量装置的整体结构框图。如图2所示的实施形态，用于真空或者气氛环境下材料高温导热系数装置，主要包括有高温真空气氛炉，测试探头9，直流电源激励模块13，电压/温度采集模块14及与其相连的数据转换/处理模块15。

所述高温真空气氛炉采用复合多层结构设计，内置均温样品腔，炉体两侧设有可调整式探头紧固结构，保证测试探头与不同尺寸样品始终处于紧贴状态。所述测试探头与直流电源激励模块和电压/温度采集模块连接，用于加热功率加载和温度/电压信号采集；所述电压/温度采集模块与数据转换/处理模块连接，用于选取分析温度数据并计算出导热系数。本装置结构简单易操作、升温速率可达10℃/min，测试周期短，样品尺寸小且易于制样，耗材成本低。

高温真空气氛炉的炉体具备：双层水冷炉体外壳1、放气口4、抽真空/充气口12、真空压力表7、密封槽10、探头紧固结构11、探头通道8和样品腔5。

详细而言，该实施形态提供的一种基于热线法的真空/气氛环境下材料高温导热系数测量装置中，高温真空气氛炉为翻盖式高温真空气氛炉，上下分立结构，上部为炉盖，下部为炉身，可掀开式，方便装样及维修。

高温真空气氛炉包括双层水冷炉体外壳1、内衬2、电阻丝发热体3、样品腔5、探头紧固结构11。

双层水冷炉体外壳1为双层不锈钢材质，中空层内为冷却水道，冷却水循环流动以保证炉体均匀冷却。

内衬2为绝热材料构成，优选为全包裹式多层绝热材料，由内而外依次为：金属箔包裹硬质绝热材料、金属箔包裹柔性绝热材料、金属箔包裹硬质绝热材料，在保证了绝热效果和一定强度基础上，减少了炉内粉尘，更有利于抽真空。

双层水冷炉体外壳1上部设置有放气口4、真空压力表7，双层水冷炉体外壳1下部的炉身设置有抽真空/充气口12，炉盖和炉身间设有密封槽10，前侧设有锁扣式锁紧装置，后侧设有气压顶杆连接炉盖和炉身，因此开关炉体更节省人力。

所述内衬2两侧设有齿状的探头通道8。本实施形态中探头通道8是六通道测试探头齿状连接口。每侧为四齿三通道，用于引出测试探头9的连接线。所述探头通道8为硬质耐火材料制成，为下开槽式结构，顶端与内衬2上表面齐平。测试探头在样品间为交叉焊接，固定形状，引出后为自由导线状。

所述探头紧固结构11包括齿状的测试探头分路隔片16和接线螺栓18。所述探头紧固结构11为可固定式上下联动结构。图3为本实用新型一实施形态的探头紧固结构11俯视示意图。探头紧固结构11具体可以为二杆可固定式联动连接，两支杆间最上层金属垫片采用螺帽与杆连接，起到固定稳固作用。探头紧固结构11中间层连接块19上设有测试探头分路隔片16和接线螺栓18，前侧面设有扳手17，连接块两侧设有开孔，底部有弹簧式活动套，支杆穿过连接口两侧开孔和底部活动套后通过连接块前侧面的接线螺栓18松紧实现与连杆之间自由活动/锁紧状态。扳手17在持续按压时可用于上下自由移动探头紧固结构11，非按压状态时锁定位置。

所述测试探头分路隔片16与齿状的探头通道8开口中心线同轴，两者形成测试探头9的引出线与探头紧固结构11间的通路，四线制的测试探头9可根据样品尺寸大小选择其中两通道穿过。

测试探头9与探头紧固结构11通过接线螺栓18连接。具体而言，测试探头9穿过测试探头分路隔片16通道后固定于所述探头紧固结构11上，延长线再分别连接直流电源激励模块13与电压/温度采集模块14。电压/温度采集模块14与数据转换/处理模块15连接，通过计算机程序实现温度信号的转换和温升数据分析处理，从而得到材料导热系数。

所述样品腔5为上下结构，下半部分为长方体，腔体盖子为梯形，长方体两侧设有开口。为样品形成更为均匀的温场的同时还能避免高温下样品挥发物污染炉膛。所述样品腔5两侧开口与齿状的探头通道8整体中心线同轴，保证了测试探头9安装过程中尽量平直不弯折，以免造成测试误差。

装样时，测试探头9的引出线穿过探头通道8的其中两路以后，卡进测试探头分路隔片16的凹槽内，然后再通过探头紧固结构11的接线螺栓18固定。

实施例1：

首先将两块同样尺寸的长方体的待测的样品6叠加面磨平，然后将其中一块置于样品腔5的中心位置，其次将四线的测试探头9两端分别通过探头通道8后卡紧在测试探头分路隔片16的凹槽内，可根据样品不同宽度选择测试探头分路隔片16中的其中两路，以保证测试位置始终相对固定在样品中心位置，然后再将测试探头9固定接于两侧的探头紧固结构11的接线螺栓18上，同时可根据样品不同高度上下调整扳手17，以保证测试探头尽量紧贴样品表面。

测试探头9固定完毕后，将另一块样品叠加放置在上面，然后关闭双层水冷炉体外壳1，通过抽真空/充气口12对炉腔进行抽真空，内衬2中绝热材料为金属箔包裹式，故可避免材料粉尘影响真空度。通过真空压力表7观察炉内压力，降低到目标压力后开始炉体升温实验，待样品升至目标温度后，保持恒温并通过电压/温度采集模块14及数据转换/处理模块15显示与判断样品温场稳定性，以保证测量精度。

恒温后，通过直流电源激励模块13给测试探头9的加热丝一个直流激励，通过电压/温度采集模块14采集温度及电压信号并通过数据转换/处理模块15计算出样品在目标温度和目标压力下的导热系数。

实施例2：

在实施例1中，抽真空至几十帕后，将抽真空/充气口12通过三通结构切换至充气模式，充入试验所需气氛，然后再切换抽真空/充气口12至抽真空模式，再次重复前述抽真空-充气模式，反复三四次，以保证炉腔内气氛尽量纯净，在保持充气的模式下待压力表显示压力稳定后，重复实施例1中升温实验以及测试过程，得到的是材料在某种气氛条件下的高温导热系数。

Claims (8)

1.一种基于热线法的真空/气氛环境高温导热系数测量装置，其特征在于，包括：高温真空气氛炉、测试探头（9）、直流电源激励模块（13）、电压/温度采集模块（14）与数据转换/处理模块（15）；所述高温真空气氛炉包括双层水冷炉体外壳（1）、内衬（2）、嵌于所述内衬（2）内层的电阻丝发热体（3）、设置于炉膛内部的样品腔（5）、用于紧固测试探头（9）的探头紧固结构（11）；所述探头紧固结构（11）包括测试探头分路隔片（16）和接线螺栓（18），测试探头（9）穿过测试探头分路隔片（16）间的通道后固定于所述接线螺栓（18）上，测试探头（9）延长线再分别连接直流电源激励模块（13）与电压/温度采集模块（14）；电压/温度采集模块（14）与数据转换/处理模块（15）连接。

2.如权利要求1所述的基于热线法的真空/气氛环境高温导热系数测量装置，其特征在于，所述双层水冷炉体外壳（1）上部设置有放气口（4）、真空压力表（7），所述双层水冷炉体外壳（1）下部设置有抽真空/充气接口（12），高温真空气氛炉为上下分立结构，上部为炉盖，下部为炉身，所述炉盖和炉身间设有密封槽（10），连接处为气压顶杆结构。

3.如权利要求1或2所述的基于热线法的真空/气氛环境高温导热系数测量装置，其特征在于，所述内衬两侧设有探头通道（8）。

4.如权利要求3所述的基于热线法的真空/气氛环境高温导热系数测量装置，其特征在于，所述探头通道（8）由硬质耐火材料下开槽制成，其顶端与所述内衬的上表面齐平。

5.如权利要求1所述的基于热线法的真空/气氛环境高温导热系数测量装置，其特征在于，所述探头紧固结构（11）为能够上下联动的结构。

6.如权利要求1所述的基于热线法的真空/气氛环境高温导热系数测量装置，其特征在于，所述样品腔（5）为上下结构，下半部分为长方体，腔体盖子为梯形，长方体两侧设有开口。

7.如权利要求3所述的基于热线法的真空/气氛环境高温导热系数测量装置，其特征在于，所述测试探头分路隔片（16）与探头通道（8）中心同轴。

8.如权利要求3所述的基于热线法的真空/气氛环境高温导热系数测量装置，其特征在于，所述样品腔（5）两侧开口与探头通道（8）整体的中心线同轴。

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