CN2752768Y - 一种导热系数测定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种导热系数测定装置，其特征在于测量腔的上方有温度控制的加热板，测量腔的下方有热电堆，温度控制的加热板的四周嵌入绝热层中，温度控制的加热板除面向测量腔的面外被绝热层紧密包围，热电堆在恒温块上，热电堆的一面朝向测量腔，热电堆与测量腔相对的一面与恒温块紧密接触。本实用新型结构简单，测量准确度高，方便实用，可广泛用于工业、科研、教学等领域测定各类材料的导热系数。

Description

一种导热系数测定装置

                          技术领域

本实用新型涉及一种导热系数测定装置，尤其涉及一种采用热电堆作为热流，温度检测组件的导热系数测定装置。

                          背景技术

导热系数是物质最基本的热物理性质之一，在能源、化工、制冷等行业有着广泛的应用。在目前测定导热系数的各种方法中，从原理上大致可分为稳态法和瞬态法。稳态法是目前在生产、科研、教学领域中最常用的一种方法，其理论依据是傅立叶导热方程。

$\mathrm{dQ}=-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dZ}}\·\mathrm{ds}\·\mathrm{dt}---\left(1\right)$

它表示在物体内部，在dt时间内，垂直通过面积ds的热量为dQ，式中 为温度梯度，λ称为该物质的导热系数，负号表示热量向温度低的方向传递。对于一块厚度为h，面积为S的平板，若达到稳态后维持其上下面有稳定的温度θ₁与θ₂，则在t秒内沿着垂直于面积S的方向传递的热量为：

$Q=\mathrm{\λ}\frac{({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)\·S\·t}{h}---\left(2\right)$

由(2)式变形后可得到

$\mathrm{\λ}=\frac{h}{S({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}\·\frac{Q}{t}---\left(3\right)$

(3)式中

为稳态热流。从(3)式中可看出，若知道h，S，θ₁，θ₂及

后，即可求得待测材料的导热系数，其中稳态热流的测量是最困难的。通常对于稳态热流采用以下几种方法测量：1.在保证待测材料周围绝热的条件下，用已知大小的恒定功率的热源加热，达到稳态后，认为此热源的加热功率即为稳态热流的大小；2.在待测材料的热面和冷面之间形成一个稳态温差后，热流从热面流至冷面并被水冷却的量热器带走，根据中心量热器的温度升高及水流量则可测出被中心量热器所吸收的热量，从而可以求出稳态热流；3.让待测材料的冷面与一块已知质量和热容的散热板接触，通过测量散热板处于冷面的稳态温度时的冷却速率，即可求得稳态热流。对于稳态热流测量的以上三种方法，第一种虽然热流的大小可以通过电能加热精确提供，但是为保证稳态法成立的基本条件必须使热流只沿指定的方向传导，在其它方向完全没有热流通过，这就对其它面的绝热提出了相当高的要求，具体实施时有相当的困难，第二及第三种方法直接测量稳态热流的大小，测量过程较繁琐，并且在测量过程中很容易造成热流损失，使得最后导热系数测定结果的准确度降低。另外目前采用稳态法时，为了提高测定的准确度以及其它因素的原因，达到稳态时热面和冷面的温差较大，这既使得达到稳态时间增加，延长了测定所需的时间，又使得为避免形成对流，稳态法一般多用于测定固态材料导热系数而无法测定液态和气态材料的导热系数。

                            发明内容

本实用新型的目的在于提供了一种导热系数测定装置，结构简单，方便实用，测定准确，可广泛用于工业，科研，教学等领域测定各类材料的导热系数。

为了实现上述任务，本实用新型采用以下技术措施：

目前热电堆可以检测到小至10^-6K的温度变化和微瓦级的热流。热电堆产生的电压信号与热电堆两端的温差，以及通过热电堆的热流成正比，因此可以将热电堆应用于稳态法测定导热系数，并能够很好的解决目前常规方法测量稳态热流所遇到的困难。热电堆可以简单方便的直接测量热流，提高测量的准确度，减小了测量的误差；热电堆测量热流灵敏度高，只需要形成很小的稳态温差就可以检测所形成的稳态热流，从而极大的避免了对流的形成，使得稳态法也可以用于测定液态和气态材料的导热系数。另外采用热电堆作为检测组件，有利于测定装置的小型化，可以极大的减少对待测材料的用量。

测量腔的上方为带有温度控制的加热板，测量腔的下方为热电堆；热电堆的一个端面面向测量腔，热电堆的另一个端面与恒温块紧密接触；测量腔的其它面以及加热板不与测量腔接触的一面均与绝热层紧密接触；绝热层外紧密包围有恒温块。

于液态和气态样品也是尽可能避免对流的影响，另外还可以使测定的导热系数是在最接近指定温度处的数值。

同现有技术相比较，本实用新型有如下优点：1.对稳态热流测量准确；2.稳态温升小，测定的导热系数可认为是指定温度下的导热系数；3.样品用量少；4.测定装置有利于小型化；5.可用于测定固、液、气态物质的导热系数。

                          附图说明

图1为一种导热系数测定装置的结构示意图。

                        具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述：

测量腔3为长方形；测量腔3的上方有温度控制的加热板2，测量腔3的下方有热电堆4；测量腔3除上方、下方外被绝热层1包围；带有温度控制的加热板2的四周嵌入绝热层1中，温度控制的加热板2除面向测量腔3的面外被绝热层1所紧密包围；热电堆4固定在恒温块5上，热电堆4的一面朝向测量腔3，热电堆4与测量腔3相对的一面与恒温块5紧密接触；恒温块5将整个绝热层1从外面包围起来并与绝热层1紧密接触，绝热层1的外部被恒温块5紧密包围。

带有温度控制的加热板由热传导性能良好的材料制成，其作用是让待测材料的上面在测量时保持一个恒定的已知温度；热电堆的作用是测量待测材料与热电堆接触面的温度以及通过待测材料的热流；恒温块的作用是给热电堆提供一个参考端温度，同时恒温块还为整个测定装置提供一个稳定的测定温度；绝热层的作用是确保在该导热系数测定装置中只有从带有温度控制的加热板向热电堆方向的热传导，尽可能避免其它方向的热传导。

将待测的固态材料加工成与测量腔3形状相同的长方体放入测量腔3中；长方体待测材料的一个面与带有温度控制的加热板2紧密接触，长方体待测材料与加热板2相对的一个面与热电堆4紧密接触，其它的面与绝热层1紧密接触；热电堆4的一个端面与长方体待测材料紧密接触，另一个端面与恒温块5紧密接触；绝热层1的外部被恒温块5紧密包围。

将待测材料放入到测量腔3后，让导热系数测定装置恒温至指定的测定温度方体待测材料的一个面与带有温度控制的加热板2紧密接触，长方体待测材料与加热板2相对的一个面与热电堆4紧密接触，其它的面与绝热层1紧密接触；热电堆4的一个端面与长方体待测材料紧密接触，另一个端面与恒温块5紧密接触；绝热层1的外部被恒温块5紧密包围。

将待测材料放入到测量腔3后，让导热系数测定装置恒温至指定的测定温度T(要测定待测材料在某一温度下的导热系数，则T即为该温度)。开始对带有温度控制的加热板2加热，控制其温度比恒温块的控温温度T高一个确定的值ΔT₁(ΔT₁在可以被准确测量时应尽可能小)，检测热电堆4的输出电压信号，直到输出电压信号达到稳态值U。此时待测材料热面的温度为T+ΔT₁，冷面的温度此时也会比恒温块的控温温度T高出ΔT₂，ΔT₂的具体数值可通过热电堆测定

                       U＝kΔT₂                           (4)

(4)式中k为热电堆的特性常数(已知)。而通过热电堆的稳态热流P可以表示为

                       P＝εU                              (5)

(5)式中ε也为热电堆的一个特性常数(已知)。设待测材料是一个长方体，底面积为S，高为h，则到达稳态时有

$P=\mathrm{\λ}\frac{S}{h}[(T+{\mathrm{\ΔT}}_1)-(T+{\mathrm{\ΔT}}_2)]---\left(6\right)$

化简后可得导热系数λ

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\ϵUh}}{S({\mathrm{\ΔT}}_1-\frac{U}{k})}---\left(7\right)$

Claims (3)

1、一种导热系数测定装置，其特征在于：测量腔(3)的上方有温度控制的加热板(2)，测量腔(3)的下方有热电堆(4)；测量腔(3)除上方、下方外被绝热层(1)包围；温度控制的加热板(2)的四周嵌入绝热层(1)中，温度控制的加热板(2)除面向测量腔(3)的面外被绝热层(1)紧密包围；热电堆(4)固定在恒温块(5)上，热电堆(4)的一面朝向测量腔(3)，热电堆(4)与测量腔(3)相对的面与恒温块(5)紧密接触。

2、根据权利要求1所述的一种导热系数测定装置，其特征在于恒温块(5)将绝热层(1)从外面包围并与绝热层(1)紧密接触。

3、根据权利要求1所述的一种导热系数测定装置，其特征在于绝热层(1)的外部被恒温块(5)紧密包围。