CN219573973U - 一种基于稳态热流法的导热系数装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于稳态热流法的导热系数装置，包括底板和冷板组件，冷板组件置于匚型框架内，匚型框架底部固定设置冷板组件，匚型框架上方活动设置与冷板组件配合的热板组件，所述冷板组件与所述热板组件之间为放置样品的样品仓，所述匚型框架两侧设置升降机构，两侧的升降机构通过上部设置的升降板配合连接，该升降板下方通过转动机构与热板组件配合连接，所述热板组件通过所述升降机构实现升降调节；所述热板组件与所述转动机构的配合实现自适应调整压合样品的角度；所述热板组件包括上油浴板，所述冷板组件包括下油浴板，所述上油浴板与所述下油浴板之间配合设置相互贯通的油路组件，实现热板组件、样品以及冷板组件三者之间的稳态传热。

Description

一种基于稳态热流法的导热系数装置

技术领域

本实用新型属于导热系数测量技术领域，具体涉及一种基于稳态热流法的导热系数装置。

背景技术

绝热材料的利用对国家现代科学技术、国民经济发展以及节约能源等方面都起到重要作用。导热系数是衡量绝热材料的导热特性和保温性能的重要指标。目前市面上测量导热系数方法有稳态法和非稳态法。稳态法包括：热流法，保护热流法，保护热板法等；非稳态法包括：闪光法，热线法等。稳态热流法基于一种试样隔离两个平行等温面板之间理想化的稳态热传导。市面上热流法导热系数测试装置功能简单，对样品要求高，测试时间久，因此有必要发明一种多功能、高效率的热流法导热系数装置。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种基于稳态热流法的导热系数装置，以解决现有装置在测量样品导热系数时间过长或对样品的平整度等要求过高等技术问题。为实现上述目的，本申请的具体技术内容如下：

一种基于稳态热流法的导热系数装置，包括底板和冷板组件，所述冷板组件置于所述匚型框架内，所述底板上设置匚型框架，所述匚型框架底部固定设置冷板组件，所述匚型框架上方活动设置与所述冷板组件配合的热板组件，所述冷板组件与所述热板组件之间为放置样品的样品仓，所述匚型框架两侧设置升降机构，两侧的升降机构通过上部设置的升降板配合连接，该升降板下方通过转动机构与热板组件配合连接，所述热板组件通过所述升降机构实现升降调节；所述热板组件与所述转动机构的配合实现自适应调整压合样品的角度；所述热板组件包括上油浴板，所述冷板组件包括下油浴板，所述上油浴板与所述下油浴板之间配合设置相互贯通的油路组件，以实现热板组件、样品以及冷板组件三者之间的一维稳态传热。

进一步地，所述转动机构包括压板，所述压板与所述升降板弹性配合连接，所述压板上设置压力传感器，所述压力传感器底部设置万向接头，所述万向接头与热板组件配合固定。

进一步地，所述热板组件上还设置双轴倾角仪以测量样品的不平整度。

进一步地，所述升降机构包括设置于底板上的电机座，所述电机座内设置丝杆电机，该丝杆电机的丝杆活动套接支撑轴，支撑轴顶部与升降板配合固定。

进一步地，所述支撑轴两侧设置导向轴，该导向轴底部通过固定座与所述电机座配合固定，该导向轴顶部通过直线轴承与所述升降板配合固定。

进一步地，所述底板上还设置气路组件，所述气路组件包括配合设置在底板上的电磁阀和接头座，所述电磁阀上设置进气口和出气口；所述接头座上设置进气口a和出气口b，所述进气口、出气口以及进气口a和出气口b配合匚型框架两端侧壁上设置的与样品仓连通的进气管和出气管形成氮气回路。

进一步地，所述油路组件包括设置在所述接头座的进油口c和出油口d、进油管、连接管和出油管，所述进油口c连接所述进油管，所述进油管另一端连接下油浴板，所述下油浴板与所述上油浴板之间通过所述连接管连通，所述上油浴板与所述出油口d通过所述出油管连接；循环油从进油口c进入，通过进油管进入下油浴板内，下油浴板内的循环油经连接管进入上油浴板后经出油管从出油口d流出，形成循环油路。

进一步地，所述匚型框架的开放侧设置炉门，炉门通过两侧设置的升降组件配合实现所述炉门的自动升降。

进一步地，所述热板组件接触样品的一侧从下至上依次包括热流传感器、导热硅胶垫、匀热板以及上油浴板，所述匀热板与所述上油浴板之间设置帕尔贴和限位柱。

进一步地，所述冷板组件接触样品的一侧由上至下依次包括热流传感器、导热硅胶垫、匀热板以及上油浴板，所述匀热板与所述下油浴板之间设置帕尔贴和限位柱。

与现有技术相比，本实用新型有以下优点：

（1）热板组件和冷板组件通过配合采用帕尔贴和循环油浴组合控温，即油路组件接入循环油，油浴作为热层给帕尔贴热面散热，热板组件和冷板通过帕尔贴控温，能够快速使热板组件、样品、冷板组件三者传热形成稳态，能够缩短实验时间至15min；

（2）通过设置万向接头可以进行球面摆动，当样品不平整时，万向接头进行摆动，热板组件的热流传感器自适应样品平面，通过双轴倾角仪测出样品的不平整度，并通过万向接头的摆动进行自适应调整压合样品的角度；以及当热板组件压紧样品时，导向柱会继续往下移动，升降板会压紧弹簧，当压力传感器检测到设置压力时，自动关闭丝杆电机，实现装置在检测样品时的自动加压；

（3）设置气路组件，通过电磁阀对样品仓的氮气吹扫的控制，排除实验过程中试样在不同湿度时对实验结果的影响；

（4）通过设置位移传感器和位移传感器接头的配合，实现对样品的自动测厚；

（5）通过在炉门两侧设置升降组件，实现炉门的自动升降；

（6）本申请装置结构简单，样品测试时间短且所能实现的功能较多。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图之一；

图2为本实用新型的结构示意图之二；

图3为本实用新型的结构示意图之三；

图4为本实用新型（去除升降门）的结构示意图；

图5为本实用新型升降门的结构示意图；

图6为本实用新型图4中A处放大图；

图7为本实用新型的内部视图；

图8为本实用新型图7中B处放大图；

图9为本实用新型图7中C处放大图。

图中：1-底板，2-匚型框架，21-导向轴，3-升降板，31-感应件，32-位移传感器接头，4-升降机构，41-电机座，42-丝杆电机，43-支撑轴，44-导向轴，45-固定座，46-直线轴承，5-冷板组件，51-下油浴板，6-热板组件，61-上油浴板，7-油路组件，71-接头座，72-进油管，73-连接管，74-出油管，8-升降组件，81-步进电机，82-中心轴，9-气路组件，91-电磁阀，92-进气口，93-出气口，94-进气管，95-出气管，10-炉门，101-卡件，11-位移传感器，111-绳环，12-立柱一，121-光电限位件一，122-光电限位件二，13-转动机构，131-压板，132-压力传感器，133-万向接头，134导向柱，135-弹簧，136-双轴倾角仪，14-支撑柱，15-热流传感器，16-导热硅胶垫，17-匀热板，18-帕尔贴，19-限位柱，20-立柱二，201-上限位开关，202-下限位开关，100-样品仓。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型一种基于稳态热流法的导热系数装置作进一步说明。

如图1-4所示，一种基于稳态热流法的导热系数装置，包括底板1，底板1上设置横卧的匚型框架2和冷板组件5，冷板组件配合固定于匚型框架2内的底板1上，匚型框架2上方设置热板组件6，热板组件6上下活动于匚型框架2内与冷板组件5配合作用。冷板组件5与热板组件6之间为放置样品的样品仓100，热板组件6通过设置于匚型框架2两侧的升降机构4以及连接两侧升降机构4上部的升降板3配合实现升降。具体的，升降机构4包括设置于底板1上的电机座41，电机座41内设置丝杆电机42，丝杆电机42的丝杆套接支撑轴43，支撑轴43顶部与升降板3固定，支撑轴43两侧设置导向轴44，导向轴44底部通过固定座45与电机座41固定，导向轴44顶部通过直线轴承46与升降板3固定。即通过两端的丝杆电机42驱动支撑轴43运动，带动升降板3随导向轴44进行升降移动。为了限制升降板3的运动位置，其中一个升降机构4的一侧设置立柱二20，立柱二20可配合固定设置于底板1或电机座41上。立柱二20上设置上限位开关201和下限位开关202，配合升降板3上设置的感应件31以检测限定升降板3的最高和最低位置。如图6所示，升降板3下方弹性设置转动机构13，转动机构13底部活动连接热板组件6，转动机构13包括压板131，压板131四角通过导向柱134与升降板3配合连接，导向柱134上套设弹簧135；压板131上固定设置压力传感器132，压力传感器132底部设置万向接头133，万向接头133与热板组件6配合固定，热板组件6上还设置双轴倾角仪136。

可以理解，丝杆电机42带动热板组件6上下运动，设置一定压力，当热板组件6压紧样品时，导向柱134会继续往下移动，升降板3会压紧弹簧135，当压力传感器132检测到设置压力时，关闭丝杆电机42。上限位开关201用于检测升降板3最高位置（初始位置），下限位开关202为升降板3的最低位置限制。万向接头133可以进行球面摆动，当样品不平整时，浮动接头进行摆动，热板组件6自适应样品平面，双轴倾角仪136可以测出样品的不平整度。

如图5所示，匚型框架2的开放侧设置炉门10，炉门10两侧设置升降组件8，升降组件8包括步进电机81，步进电机81与炉门10配合连接，步进电机81的中心轴82顶部固定设置在装置壳体（图中未画出）上，炉门10的其中一侧设置卡件101，配合立柱一12上的光电限位件一121和光电限位件二122对炉门10下降和上升的位置进行限定，该立柱一12固定设置于底板1或电机座41上。另外，匚型框架2的开放侧两端与炉门10配合的接触面设置导向轴21，炉门10配合接触面的一侧设置保温棉。

可以理解，炉门10通过两侧设置的两个贯通式步进电机81带动炉门10进行升降；通过设置导向轴21在炉门10下降关闭时，对炉门10的保温棉进行一定的压缩，不仅缓解了接触面的磨损，还提高了样品仓100的密封性。光电限位开关二122为步进电机81上限位位置，光电限位开关一121为电机下限位位置，电限位开关二122和光电限位开关一121分别为炉门开启和关闭位置检测。

如图7所示，底板1上设置位移传感器11，位移传感器11上设置绳环111，升降板3对应绳环111的位置设置位移传感器接头32，通过将绳环111挂设在位移传感器接头32上，在升降板3下降，热板组件6与冷板组件5对样品进行压合时，检测绳环11上绳子的距离变化来监测样品的厚度。位移传感器11和位移传感器接头32连接，标定热板组件6和冷板组件5的距离为d₁，位移传感器32的移动距离为d₂，则样品厚度d=d₁-d₂。

另外，底板1上设置气路组件9和油路组件7，通过气路组价9实现对样品仓100内的氮气吹扫；通过油路组件7保证热板组件6、冷板组件5以及样品三者的稳态传热，缩短试验的时间。具体的，气路组件9包括配合设置在底板1上的电磁阀91和接头座71，电磁阀91上设置进气口92和出气口93，接头座71上设置进气口a和出气口b，配合匚型框架2两端侧壁上的进气管94和出气管95形成氮气回路（图中未画全）。进气口a与进气口92管道连接、进气口92与进气管94管道连接、出气管95与出气口93管道连接、以及出气口93与出气口b管道连接，氮气经进气口a进入，接入进气口92，由于电磁阀是常闭电磁阀，当需要氮气吹扫时，电磁阀打开，氮气从电磁阀91的出气口93出，继而经进气管95进入样品仓100对样品仓100进行氮气吹扫，吹扫后的氮气经出气管95排出样品仓100后从出气口b排入空气中。

可以理解，匚型框架2、冷板组件5、热板组件6、炉门10以及炉门10的保温棉可形成一个封闭的样品仓100空间，电磁阀91通过控制进入样品仓100氮气的通断，实现对样品的氮气吹扫，排除实验过程中试样在不同湿度时对实验结果的影响。

如图8和9所示，热板组件6接触样品的一侧从下至上依次包括热流传感器15、导热硅胶垫16、匀热板17以及上油浴板61，匀热板17和上油浴板61之间设置帕尔贴18和限位柱19。冷板组件5接触样品的一侧由上至下依次包括热流传感器15、导热硅胶垫16、匀热板17以及下油浴板51，匀热板17和下油浴板51之间设置帕尔贴18和限位柱19。限位柱19用于在大压力测试时，匀热板17和油浴板会压坏帕尔贴18。热板组件6和冷板组件5内均设置多根塑料材质的支撑柱14用于降低热损失和传递压力。下油浴板51和上油浴板61均应该选取导热系数高金属制备且工件表面的不平整度不高于0.025%。油路组件7包括进油管72、连接管73和出油管74，上油浴板51和下油浴板61通过进油管72、连接管73和出油管74连通，接入循环油浴实现对热板组件6和冷板组件5及样品的热沉控温。具体的，接头座71上还设置进油口c和出油口d，进油口c连接进油管72，进油管72另一端连接下油浴板51内，下油浴板51与上油浴板61之间通过连接管73连通，上油浴板61与出油口d通过出油管74连通；可知，循环油从进油口c进入，通过进油管72进入下油浴板51内，下油浴板51内的循环油经连接管73进入上油浴板61内，最后经出油管74从出油口d流出，形成循环油路。

本申请的温控方法如下：

假设需要测试样品T₀时，上下匀热板温差为△T的导热系数。通过PID实时控制帕尔贴18使热板组件6的匀热板17温度为T₀+△T/2，冷板组件5的匀热板17温为T₀-△T/2，为增加帕尔贴18控温效率，通过循环油路贯通下油浴板51和上油浴板61，油浴设置温度为T₀，使帕尔贴18的一面温度稳定在T₀。

本申请稳态热流法的导热系数装置使用方法如下：

设置加载力为F，假设试样边长尺寸为S*S，质量为m，经过力F加载后，试样的厚度为d=d₁-d₂，则样品密度=m/(S*S*(d₁-d₂))，假设需要测试样品T₀时，热板组件6和冷板组件5的匀热板17温差为△T的导热系数，当热板组件6的热流传感器15和冷板组件5的热流传感器15温度分别在T₀+△T/2和T₀-△T/2(工件表面温度不均匀性应小于试件温差的1%)，则检测出热板组件6的热流传感器15检测出热流为Q₁，冷板组件5的热流传感器15热流为Q₂，则通过样品的热流为Q =（Q₁+Q₂)/2。

则根据傅立叶传热方程推出，试样导热系数=(Q₁+Q₂)*(d₁-d₂)/2*△T。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于稳态热流法的导热系数装置，包括底板（1），所述底板（1）上设置匚型框架（2）和冷板组件（5），所述冷板组件（5）置于所述匚型框架（2）内，所述匚型框架（2）上方活动设置与所述冷板组件（5）配合的热板组件（6），所述冷板组件（5）与所述热板组件（6）之间为放置样品的样品仓（100），其特征在于，所述匚型框架（2）两侧设置升降机构（4），两侧的升降机构（4）通过上部设置的升降板（3）配合连接，该升降板（3）下方通过转动机构（13）与热板组件（6）配合连接，所述热板组件（6）通过所述升降机构（4）实现升降调节；所述热板组件（6）与所述转动机构（13）的配合实现自适应调整压合样品的角度；所述热板组件（6）包括上油浴板（61），所述冷板组件（5）包括下油浴板（51），所述上油浴板（61）与所述下油浴板（51）之间配合设置相互贯通的油路组件（7），以实现热板组件（6）、样品以及冷板组件（5）三者之间的一维稳态传热。

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装置，其特征在于，所述转动机构（13）包括压板（131），所述压板（131）与所述升降板（3）弹性配合连接，所述压板（131）上设置压力传感器（132），所述压力传感器（132）底部设置万向接头（133），所述万向接头（133）与热板组件（6）配合固定。

3.根据权利要求2所述的一种基于稳态热流法的导热系数装置，其特征在于，所述热板组件（6）上还设置双轴倾角仪（136）以测量样品的不平整度。

4.根据权利要求1所述的一种基于稳态热流法的导热系数装置，其特征在于，所述升降机构（4）包括设置于底板（1）上的电机座（41），所述电机座（41）内设置丝杆电机（42），该丝杆电机（42）的丝杆活动套接支撑轴（43），支撑轴（43）顶部与升降板（3）配合固定。

5.根据权利要求4所述的一种基于稳态热流法的导热系数装置，其特征在于，所述支撑轴（43）两侧设置导向轴（44），该导向轴（44）底部通过固定座（45）与所述电机座（41）配合固定，该导向轴（44）顶部通过直线轴承（46）与所述升降板（3）配合固定。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于稳态热流法的导热系数装置，其特征在于，所述底板（1）上还设置气路组件（9），所述气路组件（9）包括配合设置在底板（1）上的电磁阀（91）和接头座（71），所述电磁阀（91）上设置进气口（92）和出气口（93）；所述接头座（71）上设置进气口a和出气口b，所述进气口（92）和出气口（93）以及进气口a和出气口b配合匚型框架（2）两端侧壁上设置的与样品仓（100）连通的进气管（94）和出气管（95）形成氮气回路。

7.根据权利要求6所述的一种基于稳态热流法的导热系数装置，其特征在于，所述油路组件（7）包括设置在所述接头座（71）的进油口c和出油口d、进油管（72）、连接管（73）和出油管（74），所述进油口c连接所述进油管（72），所述进油管（72）另一端连接下油浴板（51），所述下油浴板（51）与所述上油浴板（61）之间通过所述连接管（73）连通，所述上油浴板（61）与所述出油口d通过所述出油管（74）连接；循环油从进油口c进入，通过进油管（72）进入下油浴板（51）内，下油浴板（51）内的循环油经连接管（73）进入上油浴板（61）后经出油管（74）从出油口d流出，形成循环油路。

8.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于稳态热流法的导热系数装置，其特征在于，所述匚型框架（2）的开放侧设置炉门（10），炉门（10）通过两侧设置的升降组件（8）配合实现所述炉门（10）的自动升降。

9.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于稳态热流法的导热系数装置，其特征在于，所述热板组件（6）接触样品的一侧从下至上依次包括热流传感器（15）、导热硅胶垫（16）、匀热板（17）以及上油浴板（61），所述匀热板（17）与所述上油浴板（61）之间设置帕尔贴（18）和限位柱（19）。

10.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于稳态热流法的导热系数装置，其特征在于，所述冷板组件（5）接触样品的一侧由上至下依次包括热流传感器（15）、导热硅胶垫（16）、匀热板（17）以及上油浴板（61），所述匀热板（17）与所述下油浴板（51）之间设置帕尔贴（18）和限位柱（19）。