CN211978736U - 一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置，包括测量芯体、保温层和控制系统；所述的测量芯体包括依次紧密贴合导热排布的第一标准样、待测样品、第二标准样、均温块和加热膜，第一标准样和第二标准样的上下表面均设置有测温的热电偶，待测样品的上下表面分别与相邻的热电偶紧密贴合导热接触；所述的保温层包裹设置在测量芯体的四周；所述的控制系统包括分别连接热电偶的温度采集器，依次连接加热膜的直流稳压电源和温度控制器，以及分别与温度采集器和温度控制器交互的上位机。结构简单，设计合理，温度数据采集完整，能够减小接触热阻和散热损失，满足测量要求，提高测量准确性。

Description

一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置

技术领域

本实用新型涉及复合相变材料热物性测试技术领域，具体为一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置。

背景技术

导热系数是直接表征复合相变材料热学性能的关键技术指标之一，对能源的合理开发利用、节约能源、提高能源利用率、保证设备的工作稳定性以及延长材料的寿命等方面起着至关重要的作用，在航天航空、石油化工、空调制冷、新能源、冶金、电力、建筑等众多领域都有着广泛的测量需求。

复合相变储能材料是指将相变材料与载体物质相结合，形成一种外形上可保持固体形状、具有不流动性的相变材料，其可代替固－固相变材料。这类相变材料的主要组成有两种：其一是工作物质成分，即相变材料，利用其相变来进行储能、放能，它包括各种相变材料，但用得较多的主要是固－液相变材料，如羧酸类和石蜡类；其二是载体物质，其作用是保持相变材料的不流动性和可加工性载体物质的熔化温度要求高于相变材料的相变温度，使工作物质在相变范围内保持其固体的形状和材料性能。由于复合相变材料的导热系数直接影响复合相变材料的吸放热速率，进而决定系统的储热和放热速率。因此对复合相变材料的导热系数的实验研究至关重要。

对于物质的导热系数可以通过理论推算、计算机模拟和实验测量获得，但是目前仍然以实验测量为主。根据热传递的特点，导热系数的测量方法分为稳态法和瞬态法。由于复合相变材料的导热系数比较低，瞬态法的测量精度较差，因此一般采用稳态法。稳态法得到复合相变材料的实际传热规律，能够准确得获得样品的导热系数。

稳态法是指当待测样品上的温度分布达到稳定后，即试样内温度分布是不随时间变化的温度的温度场时，通过测定流过试样的热量和温度梯度等参数来计算材料的导热系数的方法。它是利用温度传热过程中传热速率等于散热速率的平衡条件来测量导热系数。

稳态法具有原理清晰、模型简单、可准确直接地获得热导率绝对值等优点，并适于较宽温区的测量；缺点是实验条件苛刻、测量时间较长、对样品要求较高；为了获得准确的热流，需要严格保证测试系统的绝热条件，附设补偿加热器并增加保温措施，以减少漏热损失。现有装置采用稳态法测量复合相变材料的过程中存在着温度测量复杂，采集不便，数据来源单一，并且温度控制调控维度小，保温设置不合理，要么不便试验操作，要么无法达到保温效果等问题，都会影响测量的准确性。

实用新型内容

针对现有技术中稳态法测量材料存在的技术问题，本实用新型提供一种一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置，结构简单，设计合理，温度数据采集完整，能够减小接触热阻和散热损失，满足测量要求，提高测量准确性。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置，包括测量芯体、保温层和控制系统；

所述的测量芯体包括依次紧密贴合导热排布的第一标准样、待测样品、第二标准样、均温块和加热膜，第一标准样和第二标准样的上下表面均设置有测温的热电偶，待测样品的上下表面分别与相邻的热电偶紧密贴合导热接触；

所述的保温层包裹设置在测量芯体的四周；

所述的控制系统包括分别连接热电偶的温度采集器，依次连接加热膜的直流稳压电源和温度控制器，以及分别与温度采集器和温度控制器交互的上位机。

优选的，所述的保温层包括保温顶盖、保温压环、保温桶和保温衬底，保温桶的内壁呈阶梯台设置，底部开口填充保温衬底，大于底部开口的上部开口内侧依次套设保温压环和保温顶盖，保温压环置于阶梯台上方；第一标准样、待测样品、第二标准样、均温块和加热膜夹持设置在保温顶盖和保温衬底之间。

进一步的，待测样品的周边设置支撑架，支撑架放置在保温桶的阶梯台上，支撑架夹持在保温压环和阶梯台之间。

优选的，所述的保温层采用聚苯乙烯泡沫材料制成。

优选的，第一标准样、待测样品和第二标准样的厚度和直径比为1/10；第一标准样和第二标准样均为与待测样品导热系数同一数量级的金属块。

优选的，所述的第一标准样和第二标准样呈圆柱体，采用304不锈钢制成。

优选的，所述的加热膜下方相邻布置有冷却管。

进一步的，冷却管采用循环水流冷却。

优选的，热电偶是K型热电偶，测量范围为0-1300℃，基本误差为±0.75％。

优选的，将第一标准样、待测样品、第二标准样、均温块和加热膜，依次紧密贴合排布时，待测样品的上下表面分别与相邻的第一标准样和第二标准样之间涂覆有导热硅脂。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型通过设置的均温块作为温度传导的第一次保证，将设置的测量芯体作为一个测量整体进行导热系数的相关数据裁量和采集；通过分别设置在待测样品上下层的标准样，保证了待测样品中导热时输入和输出的稳定，同时能够进行准确的标定，配合设置的待测样品和标准样上下的共计四个热电偶，对导热时的温度进行多级采集，同时包裹在测量芯体的保温层对测量芯体进行保温处理，而不是直接与待测样品接触，进一步的降低了散热损失，提高了采集和测量精度。

进一步的，通过设置的上下开口的保温桶实现对测量芯体周边的保温，上方和下方的保温顶盖和保温衬底实现对两端的密封和保温，配合设置的保温压环实现对测量芯体的定位和安装，操作方便，保温效果好，能够适应不同的测量芯体的尺寸以及安装保温要求。

进一步的，通过限定待测样品的尺寸限定，以及与标准样的等数量级导热系数，从而保证了导热的单向流动和在测量芯体中的稳定传导；选取的试样厚度和直径比为1/10，满足一维平板导热的近似处理，从而减少侧面的传热量占总传热量的比例，从而减小测量误差。

进一步的，通过设置在测量芯体最下方的冷却管，能够保证并且方便调整热量的输出速率恒定。

进一步的，导热硅脂的设置更好的能够更好的保证测量芯体内热量的传导和测量的稳定可靠。

附图说明

图1为本实用新型实例中所述装置的结构示意图。

图2为本实用新型实例中所述装置的控制系统连接示意图。

图中：1.保温顶盖，2.保温压环，3.保温桶，4.第一标准样，5.待测样品，6.支撑架，7.第二标准样，8.均温块，9.加热膜，10.冷却管，11.保温衬底。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

本实用新型一种稳态法测量复合相变材料的导热系数装置，如图1所示，包括装置部分和控制系统；装置部分包括测量芯体和保温层；如图1所示，测量芯体包括依次精密贴合且导热排布的第一标准样4、待测样品5、第二标准样7、均温块8和加热膜9，第一标准样4、待测样品5和第二标准样7的上下表面均设置有测温的热电偶；保温层包裹设置在测量芯体的四周；具体的，测量芯体部分采用聚苯乙烯泡沫保温层进行包裹。

如图2所示，控制系统包括温度采集器、上位机、导线、直流稳压电源和温度控制器；温度采集器输入端通过导线连接到上下的第一、二标准样、待测样品的测温点处的热电偶T1-T4，输出端则与上位机控制端相通，直流稳压电源通过导线对加热膜进行通电加热。通过温度控制器将加热膜温度控制在一恒定值，加热膜上设置有用于反馈温控的热电偶T，最终实现了对于存在相变可能的复合相变材料固体的稳态导热过程，由于温度控制器自动调节输入到加热板上的功率值，故只需要在监测到待测样品上下表面温度不再变化时记录此时的加热功率和试样上下表面温度值，则可计算得到试样的导热系数。

为了尽最大限度减少误差，由于加热膜和待测样品温度高于环境温度，为了减少散热损失造成在实验时进行了一些措施对整个实验过程的系统误差进行处理。选取的试样厚度和直径比为1/10，满足一维平板导热的近似处理，从而减少侧面的传热量占总传热量的比例。由于待测样品和采用铜板的加热膜之间存在一定的接触热阻，同时热电偶和试样之间也有接触热阻。通过在试样表面均匀涂抹高热导率的导热硅脂和选取直径较细的热电偶以减少这方面的误差。

本优选实例中，采用板式加热器作为加热膜对上下的第一、二标准样金属块和待测样品构成的三明治结构进行加热，加热功率温度，而且可以设定最高温度。第一、二标准样采用导热性能适中的两个不锈钢304金属圆柱体，待测样品介于两个金属块之间，界面处涂上导热硅脂，目的是为了减少界面热阻。标准样的上下表面分别设置测温点，通过灵敏度0.1℃的热电偶进行测温，当达到稳态时，通过不锈钢圆柱体形成稳定的温度梯度。

本实用新型针对脂肪酸复合相变材料，提前将样品在模具中融化成圆形块状，然后将待测样品置于两个标准样之间，界面处涂上导热硅脂，周围采用环氧材料进行隔热。

同时在测量芯体最下方安装采用循环水流冷却装置的冷却管10，与加热装置的共同作用保证热量的输入和输出的速率恒定。

温度采集器输入端通过导线连接至第一标准样4、待测样品5、第二标准样7上下表面的测温点处的热电偶，输出端与上位机控制端相连。直流稳压电源通过导线对加热膜9进行加热，并应用温度控制器控制加热膜的温度，使得均温块达到恒定的温度。

采用本实用新型一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置，能够准确的采集到T1、T2、T3和T4的温度，以此为基础；

首先，根据上述温度感测点测量数据，基于傅里叶公式

可以计算出通过标准样1(不锈钢304)和标准样2(不锈钢304)的热流量。

得到通过第一标准样和第二标准样的热流量Q_标准样1和Q_标准样2；其中，ΔT_标准样为对应标准样上下表面温度差，即对应标准样温度降；ΔX为对应标准样厚度，λ_标准样为对应标准样的标准热导率；具体计算步骤如下：

通过第一标准样的热流量的计算步骤：

ΔT_标准样1＝T₃-T₄

其中，ΔT_标准样1为第一标准样上下表面的温度差，ΔX₁为第一标准样的厚度；

同理，

通过第二标准样的热流量的计算步骤：

ΔT_标准样2＝T₂-T₁

其中，ΔT_标准样2为第二标准样上下表面的温度差，ΔX₂为第二标准样的厚度；

其次，基于下式，得到待测样品的热流量q，

最后，根据如下公式，得到待测样品的真实热导率λ_true；

其中，ΔT＝T₂-T₃，ΔT为考虑界面层温度降在内的样品总温度降，Δx为样品的厚度，m为待测样品界面层的个数，h为界面层的热导。

Claims (10)

1.一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置，其特征在于，包括测量芯体、保温层和控制系统；

所述的测量芯体包括依次紧密贴合导热排布的第一标准样(4)、待测样品(5)、第二标准样(7)、均温块(8)和加热膜(9)，第一标准样(4)和第二标准样(7)的上下表面均设置有测温的热电偶，待测样品(5)的上下表面分别与相邻的热电偶紧密贴合导热接触；

所述的保温层包裹设置在测量芯体的四周；

所述的控制系统包括分别连接热电偶的温度采集器，依次连接加热膜(9)的直流稳压电源和温度控制器，以及分别与温度采集器和温度控制器交互的上位机。

2.根据权利要求1所述的一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置，其特征在于，所述的保温层包括保温顶盖(1)、保温压环(2)、保温桶(3)和保温衬底(11)，保温桶(3)的内壁呈阶梯台设置，底部开口填充保温衬底(11)，大于底部开口的上部开口内侧依次套设保温压环(2)和保温顶盖(1)，保温压环(2)置于阶梯台上方；第一标准样(4)、待测样品(5)、第二标准样(7)、均温块(8)和加热膜(9)夹持设置在保温顶盖(1)和保温衬底(11)之间。

3.根据权利要求2所述的一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置，其特征在于，所述待测样品(5)的周边设置支撑架(6)，支撑架(6)放置在保温桶(3)的阶梯台上，支撑架(6)夹持在保温压环(2)和阶梯台之间。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置，其特征在于，所述的保温层采用聚苯乙烯泡沫材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置，其特征在于，所述第一标准样(4)、待测样品(5)和第二标准样(7)的厚度和直径比为1/10；第一标准样(4)和第二标准样(7)均为与待测样品(5)导热系数同一数量级的金属块。

6.根据权利要求1所述的一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置，其特征在于，所述的第一标准样(4)和第二标准样(7)呈圆柱体，采用304不锈钢制成。

7.根据权利要求1所述的一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置，其特征在于，所述的加热膜(9)下方相邻布置有冷却管(10)。

8.根据权利要求7所述的一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置，其特征在于，所述冷却管采用循环水流冷却。

9.根据权利要求1所述的一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置，其特征在于，所述热电偶是K型热电偶，测量范围为0-1300℃，基本误差为±0.75％。

10.根据权利要求1所述的一种用于稳态法测量复合相变材料导热系数的装置，其特征在于，将第一标准样(4)、待测样品(5)、第二标准样(7)、均温块(8)和加热膜(9)，依次紧密贴合排布时，待测样品(5)的上下表面分别与相邻的第一标准样(4)和第二标准样(7)之间涂覆有导热硅脂。

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