CN218848022U - 一种基于稳态热流法的导热系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于稳态热流法的导热系数测量装置，包括：底板，与所述底板连接的支撑组件；所述支撑组件横向方向设置托板，所述托板将支撑组件分为上腔体和下腔体，所述上腔体内设置抵压组件，所述下腔体内设置上计量组件和下计量组件；所述上计量组件通过托板与抵压组件联动；所述上计量组件和下计量组件的连接中间区域设置被测样品放置区域。本实用新型可方便地应用于小尺寸的热界面材料的导热系数测量，测试对象可为固体、膏体、粉末等材质。

Description

一种基于稳态热流法的导热系数测量装置

技术领域

本实用新型属于导热系数测量装置技术领域，涉及一种稳态热流法导热系数测量装置。

背景技术

近年来，随着高性能计算的发展、电池、电子封装等相关设备的普及以及电池元件功率的增大，降低系统热量损失变得越来越重要。降低能量损失的关键问题之一是要得到各类材料的热物理性质，如导热系数和热阻等。

稳态法测量固体导热系数的方法有防护热板法和热流法等。防护热板法导热系数测量装置和平板热流计法导热系数测量仪主要针对保温材料，测试范围小，测试速度慢。通用热流计导热系数测量仪需求样品尺寸小，但是需要大量的标准样品对系统进行标定，测试效率低。

另一方面，对于导热硅胶、导热垫片等热界面材料，由于材料尺寸小、厚度薄、样品热阻低，对其进行测试时往往需要设备能够实时自动高精度测量样品厚度。而采用人工加压或者气动、液压加压的传统仪器，难以准确的对样品加载力和厚度进行准确控制和测量。同时完全依照ASTM D5470标准设计的热流法导热系数测量仪仅采用两点温差计算热流密度，使得结果容易受到传感器测量波动的影响，也容易影响测量结果的可靠性。

因而，有必要设计一种能够自动控制和高精度测厚的热流法导热系数测量仪，以满足生产、计量和科研工作对小尺寸样品导热系数测试的需求。

实用新型内容

基于以上因素，本实用新型专利建立了一种基于稳态热流法的导热系数测量装置，以解决现有装置自动测压测厚精度低，测试结果容易受传感器测温误差影响的问题。本实用新型建立的热流法导热系数测量装置可方便地应用于小尺寸的热界面材料的导热系数测量，测试对象可为固体、膏体、粉末等材质。

为实现上述目的，本实用新型专利设计了稳定的装置机构，同时采用步进电机加载压紧力、称重传感器测量压紧力和激光位移传感器测量样品厚度，以提高加载和测厚的准确性；同时上下对称的布置多点传感器测温，从而可以通过线性回归方法计算相关参数，以减小传感器测量波动对导热系数测量结果的影响。

一种基于稳态热流法的导热系数测量装置，包括：

底板，与所述底板连接的支撑组件；

所述支撑组件横向方向设置托板，所述托板将支撑组件分为上腔体和下腔体，所述上腔体内设置抵压组件，所述下腔体内设置上计量组件和下计量组件；所述上计量组件通过托板与抵压组件联动；

所述上计量组件和下计量组件的连接中间区域设置被测样品放置区域。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述上计量组件和/或下计量组件的侧壁安装有位移传感器。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述上计量组件内嵌加热组件以产生高温，所述下计量组件内嵌循环冷却工质以产生低温。

在本实用新型的一个优选实施例中，冷端通过外接水浴进行温度控制，低温的控温范围为5～95℃，热端采用电加热进行温度控制，高温控温范围为室温～120℃。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述下计量组件包括下计量棒，测试粉末或者凝胶类样品时，将样品框安装在下计量棒上，被测样品填充在样品框内；测试固体样品时，直接将被测样品放置在下计量棒上。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述上计量组件包括上计量棒，所述下计量组件包括下计量棒，所述上计量棒与下计量棒对称设置。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述抵压组件包括电机，所述电机驱动T型丝杆上下运动；丝杆通过万向节与称重传感器连接，称重传感器为双面法兰拉压力传感器，分别连接了万向节和托板，可带动托板下方的机构运动，并可测出托板对称重传感器的作用力。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述上计量棒和下计量棒中各布置了4个铂电阻温度计，一共8个铂电阻温度计，对其编号为1～8号，其测量得到的温度分别为T₁～T₈。

与现有技术相比，本实用新型专利可以高精度的自动测量小尺寸样品在不同温度不同压紧力下的厚度，同时能够避免传感器测温波动对测量结果的影响，具有高度自动化的特征和高精度的测量结果。

附图说明

图1是本实用新型专利的测试装置结构示意图。

图中，1.步进电机，2.丝杆，3.万向节，4.直线轴承，5.加热器，6.外保温材料，7.被测样品，8.粉末框，9.样品防风护套，10.铂电阻测温传感器，11.导轨，12.底板，13.下计量棒，14.上计量棒，15.激光位移传感器，16.托板，17.称重传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型专利进行详细说明。

如图1所示，其中测试台底板12放置于桌面上，导轨11竖直安装在底板上，导轨为滚珠直线导轨，其上安装有直线轴承4，直线轴承4套在导轨11上，同时安装在托板16上，可为托板的竖直直线运动进行导向，保证其平稳运动。

步进电机1为贯穿式直线步进电机，其驱动T型丝杆2上下运动；丝杆2通过万向节3与称重传感器17连接。称重传感器17为双面法兰拉压力传感器，分别连接了万向节3和托板16，可带动托板16下方的机构运动，并可测出托板对传感器的作用力。

由于导轨11和直线轴承4之间的摩擦力可忽略不计，因而此作用力等于被测样品对上计量棒的作用力。此外，可以根据传感器测量得到的夹紧力的值控制步进电机的上、下运动，以保证夹紧力的值达到预设的范围。

上计量棒14通过托板16与称重传感器17连接并跟随运动。位移传感器15为激光位移传感器，一端固定于上计量棒上，随着上计量棒运动，反射端固定于下计量棒上，固定不动，从而可以通过位移传感器的测值变化量求出上计量棒的位移量和样品厚度。

被测样品7放置于下计量棒13上，可根据需要可选取为固体、膏体或者粉末等；8是样品框，在测试膏体和粉末材料时，需要安装粉末框，为样品定型，测试固体样品时无需安装粉末框；

上计量棒14的顶部安装了加热器5，通过电加热形成均匀的高温区。下计量棒13底部设计为空腔，以便于制冷工质流通冷却。上计量棒和下计量棒中各对称地布置了4个微型铂电阻温度传感器，用于测量温度分布、计算热流密度和边界温度。

上、下计量棒的周围均被保温层6包覆，保温层由气凝胶绝热层和有机玻璃罩外壳组成，用于隔绝计量棒侧面的对外散热，同时也具有美观的外形；9是样品防风套，可选择安装于上计量棒的保温层上，用于减少厚样品侧面对外的散热。

上、下计量棒中各自对称的安装有四个微型铂电阻温度传感器10，用于进行温度控制和导热系数计算。

本实用新型专利的工作原理如下：

1)电机1通过丝杆2、万向节3和称重传感器17连接并驱动上计量棒14，样品防风护套9安装在上计量棒14上。下计量棒13安装在底板12上；测试粉末或者凝胶类样品时，将样品框安装在下计量棒13上，样品7填充在样品框内。测试固体样品时，则无需安装样品框9，可直接将样品7放置在下计量棒13上。

2)首先不放样品7，将通过加热器5将铂电阻温度计10的温度升高至目标温度附近，将通过步进电机1加载上、下计量棒压紧至目标压力，并将位移传感器15的示数清零，以便于下一步精确测试样品厚度。

3)在下计量棒13上放入直径为30mm，厚度为0.1～10mm的待测样品7，操作步进电机1通过丝杆2经万向节3带动上计量棒14下压样品7，当称重传感器17的测量值达到与预期值附近时，停止步进电机1，并读取激光位移传感器15的度数，作为样品在目标压力下的厚度值。

4)通过加热器5电加热上计量棒14产生高温，并且给下计量棒13通入循环冷却工质，使之产生低温。由于四周保温层6和样品防风套9隔绝了计量棒和样品侧向的散热，因而此时在样品的上下表面形成了一维稳态的传热过程。

5)测试时，冷端通过外接水浴进行温度控制，控温范围为5～95℃，热端采用电加热进行温度控制控温范围为室温～120℃；考虑到样品防风套10在样品和环境之间形成了隔热层，可认为样品中的热量传递为纵向的一维传热。当样品热端和冷端的温度达到设定的目标温度附近并满足预期的温度波动度时，可认为在样品上下表面中形成了稳定的一维传热，此时可以根据傅里叶导热定律计算被测样品的热阻和导热系数。

由以上描述可见，本装置能够高精度、自动化的测试小尺寸样品在不同加载压力下的厚度。

为了说明本装置温度传感器10布置方法对测温点温度波动干扰不敏感，测试可靠性强，现对装置的导热系数计算方法做简单的说明。

在上计量棒14和下计量棒13中各布置了4个铂电阻温度计10，一共8个铂电阻温度计，对其编号为1～8号，其测量得到的温度分别为T₁～T₈。将样品放入实验台中后，操作使得上下计量棒夹紧样品，同时通过位移和称重传感器测出在给定的夹紧力下样品的实时厚度d。

在设备安装之前测量得到T₁～T₄这4个温度监测点间的间距分别为d₁₂，d₂₃，d₃₄，T₄到上计量棒下端的样品上表面位置的距离记为d_up；T₅～T₈这4个温度监测点间的间距分别为d₅₆，d₆₇，d₇₈，T₅到下计量棒上端的样品下表面位置的距离记为d_down。

测试时对上计量棒加热，对下计量棒制冷，在计量棒和样品之间形成一维、稳定的温度场，并测出稳定时的测点温度T₁～T₈。在用最小二乘法分别T₁～T₄和T₅～T₈的温度-距离进行线性回归拟合，其中以距离x为横坐标，温度T为纵坐标，拟合直线分别记为：

T_up(x)＝k₁×x+b₁；T_down(x)＝k₂×x+b₂  (公式1)

则通过上、下计量棒的热流量分别为：

Q_up＝k_barA_bar k₁；Q_down＝k_barA_bar k₂  (公式2)

其中，k_bar和A_bar分别为计量棒的导热系数和横截面积，k_bar根据其它可靠的方法实验测量得到，A_bar在设备加工时确定。

通过样品的热流量采用上、下计量棒的平均热流量计算：

Q＝(Q_up+Q_down)/2  (公式3)

此时样品上表面处的温度T_hot可根据上计量棒温度温度-距离拟合直线T_up(x)求出，样品下表面的温度T_cold可根据下计量棒的温度-距离拟合直线T_down(x)求出。

从而根据一维傅里叶导热方程，可知样品的总传热热阻为：

R_total＝A(T_hot-T_cold)/Q  (公式4)

其中，A为样品的横截面积，样品的横截面积要求与计量棒的横截面积相等。

现有热流计产品布置测温点较少，因而一般采用两点温度直接求解热流，结果容易受到测温点温度波动影响。由于本装置在上、下计量棒中均布置了更多的温度测量点，并因此采用线性回归方法计算传热量和样品表面温度，大大提高了测试结果的可靠性。同时，由于测温点对称布置，通过样品的热流量刚好等于上、下计量棒的平均热流，提高了每一次测试结果的准确性。

另一方面，考虑到样品和计量棒之间存在接触热阻，记为R_int，则样品的总传热热阻为：

R_total＝R_sample+R_int＝d_sample/k_sample+R_int  (公式5)

其中，d_sample和k_sample分别为样品的厚度和导热系数，其中样品的厚度采用激光位移传感器测量得到。

因此，对于同一种样品，选取三种不同厚度，放在同样的夹紧力下进行测量，从而可以通过最小二乘法线性回归拟合得到样品的R_total—d_sample曲线，其中曲线的斜率的倒数即为被测样品的导热系数，曲线的截距即为样品与计量棒的接触热阻。

在以上过程中，三次测量的样品厚度均由激光位移传感器15测量得到，且测量时根据步进电机1向被测样品7施加一定的作用力，该作用力通过称重传感器17测量得到，并且通过监测称重传感器16的值以保证三次测量时所施加的加载力相等，以确保样品的受压情况一致，提高了测试的可重复性，并且便于软质样品的实时在线测厚。

该实例与现有技术的稳态热流法导热仪相比，结构更加简单清晰，设备尺寸小，自动化程度高，测量不易受到温度波动的干扰，同时且测量更加准确。

以上所述的具体描述，对实用新型的目的，技术方案和有益效果进行了进一步说明，所应理解的是，以上所述仅作为本实用新型的具体实施案例而已，并不用于限定别实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于稳态热流法的导热系数测量装置，其特征在于，包括：

底板，与所述底板连接的支撑组件；

所述支撑组件横向方向设置托板，所述托板将支撑组件分为上腔体和下腔体，所述上腔体内设置抵压组件，所述下腔体内设置上计量组件和下计量组件；所述上计量组件通过托板与抵压组件联动；

所述上计量组件和下计量组件的连接中间区域设置被测样品放置区域。

2.根据权利要求1所述的一种基于稳态热流法的导热系数测量装置，其特征在于，所述上计量组件和/或下计量组件的侧壁安装有位移传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于稳态热流法的导热系数测量装置，其特征在于，所述上计量组件内嵌加热组件以产生高温，所述下计量组件内嵌循环冷却工质以产生低温。

4.根据权利要求3所述的一种基于稳态热流法的导热系数测量装置，其特征在于，冷端通过外接水浴进行温度控制，低温的控温范围为5～95℃，热端采用电加热进行温度控制，高温控温范围为室温～120℃。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于稳态热流法的导热系数测量装置，其特征在于，所述下计量组件包括下计量棒，测试粉末或者凝胶类样品时，将样品框安装在下计量棒上，被测样品填充在样品框内；测试固体样品时，直接将被测样品放置在下计量棒上。

6.根据权利要求5所述的一种基于稳态热流法的导热系数测量装置，其特征在于，所述上计量组件包括上计量棒，所述下计量组件包括下计量棒，所述上计量棒与下计量棒对称设置。

7.根据权利要求1所述的一种基于稳态热流法的导热系数测量装置，其特征在于，所述抵压组件包括电机，所述电机驱动T型丝杆上下运动；丝杆通过万向节与称重传感器连接，称重传感器为双面法兰拉压力传感器，分别连接了万向节和托板，可带动托板下方的机构运动，并可测出托板对称重传感器的作用力。

8.根据权利要求6所述的一种基于稳态热流法的导热系数测量装置，其特征在于，所述上计量棒和下计量棒中各布置了4个铂电阻温度计，一共8个铂电阻温度计，对其编号为1～8号，其测量得到的温度分别为T₁～T₈。

Images