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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung von
Wärmewiderstände einer Probe umfassend eine Heizplatte
mit mindestens einem Temperatursensor, welcher die Temperatur der Heizplatte
misst, eine Kühlplatte mit mindestens einem Temperatursensor,
welcher die Temperatur der Kühlplatte misst, sowie eine
Prüfkammer. Die Heizplatte und die Kühlplatte
sind einander gegenüberliegend in der Prüfkammer
angeordnet und die Heizplatte ist kontrolliert beheizbar. Zwischen
der Heizplatte und der Kühlplatte ist ein stationärer
Wärmestrom bekannter Größe erzeugbar.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung von
Wärmewiderstandswerten einer Probe in einer Prüfkammer,
bei welchem zwischen einer Heizplatte und einer Kühlplatte
ein stationärer Wärmestrom bekannter Größe
erzeugt wird und die Probe dem Wärmestrom ausgesetzt wird.
Bei dem Verfahren werden zumindest die Temperaturen der Heizplatte
und der Kühlplatte gemessen und ein Wärmewiderstandswert
der Probe aus dem bekannten Wärmestrom und den gemessenen
Temperaturen errechnet.
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Verfahren
und Vorrichtung zur Ermittlung von Wärmewiderstandswerten
sind im Stand der Technik bekannt. Derartige Vorrichtungen und Verfahren
werden beispielsweise zur Bewertung der Isolationswirkung von Wärmedämmplatten
eingesetzt. Nach einem bekannten Verfahren wird hierbei die zu bewertende
Probe in wärmeleitendem Kontakt zwischen einer Heizplatte
und einer Kühlplatte angeordnet. Die Heizplatte wird zur
Messung auf eine einheitliche Temperatur geheizt und die Kühlplatte
auf eine tiefere Temperatur gekühlt. Im stationären
Zustand fließt ein Wärmestrom von der Heizplatte über
die Probe zur Kühlplatte, welche gerade der elektrischen
Heizleistung der Heizplatte entspricht. Hierbei wird ein Wärmeleitwiderstand
der Probe ermittelt. Der Wärmeaustausch zwischen der Probe
und der Umgebung durch Konvektion und Strahlung wird hierbei vernachlässigt,
was jedoch je nach Umgebungsbedingungen sowie Oberfläche
der Probe zu einer Verfälschung der Messergebnisse führt.
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Die
DE 101 29 105 B4 beschreibt
eine Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmewiderstandes einer
Probe, welche nach diesem Prinzip arbeitet. Um einen wärmeleitenden
Kontakt der Probe zu den Platten sicherzustellen, erfolgt die Kontaktierung
der Probe unter Druckbeaufschlagung. Weiterhin wird vorgeschlagen,
eine Wärmeleitpaste zwischen den Platten und der jeweiligen
Probenoberfläche einzubringen. Bei Proben mit stark strukturierten
Oberflächen ergibt sich jedoch aufgrund des unregelmäßigen
wärmeleitenden Kontaktes zwangsläufig ein Messfehler.
Bei derartigen Probenoberflächen findet darüber
hinaus ein erheblicher Teil der Wärmeübertragung
durch Wärmestrahlung statt, was mit dem beschriebenen Verfahren
bzw. der genannten Vorrichtung nicht erfasst werden kann. Weiterhin
sind Verfälschungen der Messergebnisse auch dadurch gegeben,
dass ein Wärmeaustausch zwischen der Probe und der Umgebung
durch Konvektion nicht vollständig ausgeschlossen werden
kann. Die Schrift schlägt hierzu vor, den Heiz- und Kühlblock
mit einem wärmeisolierenden Material zu umgeben. Weiterhin wird
vorgeschlagen, die Oberflächen der Heiz- bzw. Kühlblöcke
zu polieren, um die mit der Umgebung in Kontakt stehende Oberfläche
zu minimieren.
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Um
eine Wärmeübertragung durch Konvektion zu vermeiden,
ist es weiterhin bekannt, eine Heizplatte und eine Kühlplatte
in einer evakuierbaren Vorrichtung anzuordnen. Aus der Homepage
des bayerischen Zentrums für angewandte Energieforschung
e. V. ist beispielsweise die Zwei-Plattenapparatur LOLA4 bekannt.
Auch hier wird die Heizleistung der Heizplatte derart geregelt,
dass sich konstante Temperaturen über den Proben einstellen.
Um einen eindimensionalen Wärmefluss zu gewährleisten,
sind Schutzringe vorgesehen, welche dieselbe Temperatur aufweisen
wie die Heizplatte. Um verbleibende radiale Wärmeströme
zu quantifizieren und zu korrigieren, ist ein zusätzliches
Korrekturverfahren vorgesehen. Nähere Angaben werden hierzu
nicht gemacht. Auch diese Vorrichtung sieht eine wärmeleitende
Anordnung der Probe zwischen den Platten vor, so dass bei stärker
strukturierten Oberflächen keine genauen Messergebnisse
erzielt werden können.
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Die
genannten Vorrichtungen sind zur Ermittlung von Wärmeleitwiderständen
geeignet, während eine Beurteilung der Proben hinsichtlich
der Strahlungswiderstände, welche in der Praxis für
die Isolationswirkung häufig ebenfalls relevant sind, nicht möglich
ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen,
welche bei einfachem Aufbau die Ermittlung von Wärmewiderständen
einer Probe unabhängig von der Oberflächenstruktur
der Probe ermöglicht. Weiterhin soll ein entsprechendes Verfahren
vorgeschlagen werden.
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Die
Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche.
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Eine
Vorrichtung zur Ermittlung von Wärmewiderständen
einer Probe umfasst eine Heizplatte mit mindestens einem Temperatursensor,
welcher die Temperatur der Heizplatte misst und eine Kühlplatte
mit mindestens einem Temperatursensor, welcher die Temperatur der
Kühlplatte misst. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine
Prüfkammer, in welcher die Heizplatte und die Kühlplatte
einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Heizplatte
ist kontrolliert beheizbar und ein stationärer Wärmestrom bekannter
Größe ist zwischen der Heizplatte und der Kühlplatte
erzeugbar. Bei einem Verfahren zur Ermittlung von Wärmewiderstandswerten
einer Probe wird zwischen einer Heizplatte und einer Kühlplatte ein
stationärer Wärmestrom bekannter Größe
erzeugt und die Probe dem Wärmestrom ausgesetzt. Es werden
zumindest die Temperaturen der Heizplatte und der Kühlplatte
gemessen und ein Wärmewiderstandswert der Probe aus dem
bekannten Wärmestrom und den gemessenen Temperaturen errechnet.
Erfindungsgemäß ist zwischen der Heizplatte und
der Kühlplatte eine Probenaufnahme angeordnet, welche eine
gegen Wärmeleitung isolierte Aufnahme der Probe in der
Prüfkammer ermöglicht. Der Wärmestrom
von der Heizplatte auf die Probe und von der Probe auf die Kühlplatte
basiert erfindungsgemäß im wesentlichen auf Wärmestrahlung.
Eine Wärmeübertragung durch Wärmeleitung
ist durch die wärmeisolierte Probenaufnahme ausgeschlossen. Dadurch,
dass kein wärmeleitender Kontakt für die Ermittlung
der Wärmewiderstände erforderlich ist, können
Proben unterschiedlicher Oberflächenstrukturen in einer
Vorrichtung gemessen werden, wobei das Messergebnis unabhängig
von einer Einspannung der Probe ist. Aus den gemessenen Temperaturen
der Heizplatte und der Kühlplatte sowie dem bekannten Wärmestrom
kann in einfacher Weise der thermische Gesamtwiderstand der Probe
errechnet werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Prüfkammer evakuiert
wird, bevor die Probe dem Wärmestrom ausgesetzt wird. Die
Wärmewiderstandwerte können hierdurch besonders
exakt ermittelt werden, da auch eine Wärmeübertragung
durch Konvektion weitgehend ausgeschlossen ist. Die Wärmeübertragung
in der Prüfkammer basiert dann nahezu ausschließlich
auf Wärmestrahlung.
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Vorzugsweise
ist die Heizplatte elektrisch beheizbar. Weiterhin vorteilhaft ist
es, wenn die Heizplatte geregelt beheizbar ist, um eine konstante
Temperatur der Heizplatte zu erreichen. Besonders vorteilhaft ist
es, wenn die Vorrichtung eine Gleichspannungsquelle zur elektrischen
Beheizung der Heizplatte umfasst. Durch Einstellung der Stromstärke kann
die Heizleistung und damit die Temperatur der Heizplatte eingestellt
werden. Ebenso ist jedoch auch eine Wechselspannungsversorgung möglich.
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Zur
Erfassung des Wärmestromes werden bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren in einem Messlauf beispielsweise jeweils die Temperatur
der Kühlplatte, die Temperatur der Heizplatte sowie die elektrische
Heizleistung der Heizplatte oder eine damit zusammenhängende
Größe gemessen. Zur Berechnung des Wärmewiderstandswertes
der Probe wird hierbei der Wärmestrom der elektrischen
Heizleistung gleichgesetzt. Es ist jedoch auch mög lich, den
Wärmestrom mittels spezieller Wärmestromsensoren
zu messen. In einer ersten Näherung kann mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens, bei welchem die Temperatur der Kühlplatte,
die Temperatur der Heizplatte sowie die elektrische Heizleistung
gemessen werden, der thermische Gesamtwiderstand der Probe errechnet
werden.
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Nach
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird jedoch, bevor
die Probe dem Wärmestrom ausgesetzt wird, eine Verlustleistung
der Vorrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur der Heizplatte
ermittelt. Da ein absolutes Vakuum in der Prüfkammer nicht
erzeugt werden kann und trotz entsprechender Maßnahmen
der Vorrichtung wie Strahlungsschirmen ein gewisser Streustrahlungsanteil vorhanden
ist, kann durch die Ermittlung der Verlustleistung der Vorrichtung
eine hohe Messgenauigkeit erzielt werden. Die Verlustleistung der
Vorrichtung hängt hierbei insbesondere von der Oberflächentemperatur
der Heizplatte ab.
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Um
eine höhere Genauigkeit der errechneten Wärmewiderstandswerte
zu erreichen, wird nach einer Weiterbildung des Verfahrens die Größe
des übertragenen Wärmestromes aus der gemessenen elektrischen
Heizleistung und der zuvor ermittelten Verlustleistung der Vorrichtung
ermittelt. Messungenauigkeiten durch verbliebene Streustrahlung
und Konvektion lassen sich hierdurch weitgehend korrigieren.
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Um
den thermischen Gesamtwiderstand einer Probe zu errechnen, wird
in einem ersten Messlauf die unbehandelte Probe dem Wärmestrom
ausgesetzt, die Temperaturen der Heizplatte und der Kühlplatte
sowie die elektrische Heizleistung gemessen und aus den Messwerten
der thermische Gesamtwiderstand der Probe errechnet.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass nach dem
ersten Messlauf die Probe entnommen wird, auf einer Seite mit einer
Beschichtung mit bekanntem Emissionskoeffizienten versehen wird,
ein weiterer Messlauf durchgeführt wird, die Probe erneut
entnommen und auf der zweiten Seite mit einer Beschichtung mit bekanntem Emissionskoeffizienten
versehen wird. Es wird ein dritter Messlauf durchgeführt,
woraufhin aus den Messwerten aller drei Messläufe der Wärmeleitwiderstand
sowie die Strahlungswiderstände der unbeschichteten Probe
errechnet werden. Hierdurch ist es nicht nur möglich, den
thermischen Gesamtwiderstand der Probe zu erfassen, sondern diesen
auch in Strahlungswiderstände und Wärmeleitwiderstände zu
unterteilen. Strahlungswiderstände können hierbei
für jede Seite der Probe einzeln angegeben werden. Durch
die Erfassung von lediglich drei Messgrößen in
drei Messläufen ist somit eine umfassende Bewertung der
Proben hinsichtlich ihrer Isolationswirkung möglich. Die
Ermittlung des Wärmeleitwiderstandes bzw. der Wärmeleitfähigkeit
der Probe ist hierdurch mit vergleichsweise hoher Genauigkeit möglich.
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Alternativ
ist es jedoch ebenso möglich, die Emissionskoeffizienten
beider Seiten der Proben mittels anderer Verfahren, beispielsweise
Infrarotmessung, zu ermitteln. IN diesem Fall ist lediglich ein Messlauf
zur Ermittlung des thermischen Gesamtwiderstands nötig.
Anhand der gemessenen Emissionskoeffizienten ist schließlich
ebenfalls eine Unterteilung in Strahlungswiderstand und Wärmeleitwiderstand
möglich.
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Vorteilhafterweise
ist die Prüfkammer gegen die Umgebung isoliert, einen Wärmeaustausch
mit der Umgebung zu vermeiden.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die
Prüfkammer zylinderförmig ausgebildet. Eine zylinderförmige
Prüfkammer ist gut für den Betrieb im Vakuum geeignet
und weist zudem vergleichsweise kleine Oberflächen zur
Umgebung auf, wodurch ein Wärmeaustausch mit der Umgebung
ebenfalls vermindert werden kann.
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Vorzugsweise
ist zumindest eine der Stirnseiten der Prüfkammer als abnehmbarer
Deckel ausgebildet. Das Öffnen und Schließen der
Prüfkammer sowie die Anordnung der Heiz- und Kühlplatten
ist hierdurch in einfacher Weise möglich.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Kühlplatte
mit dem abnehmbaren Deckel verbunden. Die Kühlplatte kann
hierdurch einfach montiert bzw. zur Wartungszwecken demontiert werden
bzw. mitsamt dem Deckel abgenommen werden, um bestimmte Einstellungen
in Bezug auf die Probe vorzunehmen.
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Ebenso
ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Heizplatte mit dem abnehmbaren
Deckel verbunden ist. Auch dies ermöglicht in einfacher
Weise eine Zugänglichkeit der Heizplatte sowie die Einstellung
der Heizplatte in Bezug auf die Probe. Vorzugsweise sind beide Stirnseiten
der Prüfkammer abnehmbar ausgebildet, so dass Heizplatte
und Kühlplatte gut zugänglich sind. Ebenso ist
es jedoch auch möglich, eine der Platten fest in die Prüfkammer
einzubauen oder nur eine Stirnseite abnehmbar auszubilden.
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Um
eine gerichtete Strahlung in der Prüfkammer zu erzielen
und radiale Streustrahlung weitgehend zu vermeiden, ist es vorteilhaft,
wenn an der Kühlplatte und/oder der Heizplatte ein Strahlungsschirm
angeordnet ist. Dieser kann beispielsweise aus verspiegeltem Stahlblech
bestehen. Vorzugsweise ist jeweils an der Kühlplatte und
der Heizplatte ein Strahlungsschirm angeordnet. Ist nur eine Seite
der Stirnseite der Prüfkammer als abnehmbarer Deckel ausgebildet,
ist es jedoch ebenso möglich, nur einen durchgehenden Strahlungsschirm
von der Heizplatte bis zur Kühlplatte anzuordnen.
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Besonders
vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Probenaufnahme an dem Strahlungsschirm
angeordnet ist. Eine gegen Wärmeleitung isolierte Probenaufnahme
ist an dieser Stelle besonders günstig anbringbar. In einfachster
Weise bestehen die Probeaufnahmen aus einem wärmeisolierenden
Material, welches an dem Strahlungsschirm angebracht ist und auf
welches die Probe einfach auflegbar ist. Vorteilhafterweise besteht
die Probenaufnahme aus einem Silikonmaterial.
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Daneben
ist es vorteilhaft, wenn der Abstand der Probenaufnahme zu der Heizplatte
und/oder der Kühlplatte einstellbar ist. Die Vorrichtung
ist hierdurch in einfacher Weise an verschieden dicke Proben anpassbar,
so dass Wärmeverluste weitgehend konstant gehalten werden
können. Vorzugsweise werden bei Einstellung des Abstandes
je nach Probendicke und Soll-Abstand unterschiedliche Strahlungsschirme
verwendet.
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Nach
einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn
die Heizplatte und/oder die Kühlplatte eine Oberfläche,
insbesondere eine Beschichtung, mit bekanntem Emissionskoeffizienten
aufweist. Sind die Emissionskoeffizienten der Oberflächen
bekannt, kann einerseits eine Verlustleistung der Vorrichtung errechnet
werden und der übertragene Wärmestrom genauer
ermittelt werden, so dass mittels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung auch eine vergleichsweise genaue Ermittlung der Wärmewiderstandswerte
möglich ist. Weiterhin ist es hierdurch möglich,
den ermittelten Wärmewiderstand hinsichtlich Strahlungswiderständen
und Leitungswiderständen zu unterscheiden. Hierfür
wird eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens angewandt, welche die Durchführung mehrerer
Messläufe und Verknüpfung der hierbei ermittelten
Messwerte beinhaltet.
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Daneben
ist es vorteilhaft, wenn die Kühlplatte durch ein Kühlmedium,
insbesondere Druckluft, kühlbar ist. Die Kühlplatte
ist hierdurch kontrolliert kühlbar, so dass in einfacher
Weise ein stationärer Wärmestrom erzeugbar ist.
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Weitere
Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgend beschriebenen
Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Ermittlung von Wärmewiderständen
einer Probe,
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2 eine
Detaildarstellung der Kühlplatte einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung und
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3 eine
schematische Darstellung der Energieströme in der Vorrichtung.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 zur Ermittlung von Wärmewiderständen
einer Probe 5. Die Vorrichtung 1 umfasst eine
Heizplatte 2 und eine Kühlplatte 4, welche
gegenüberliegend der Heizplatte 2 in der Vorrichtung 1 angeordnet
ist. An der Heizplatte 2 sowie der Kühlplatte 4 ist
jeweils ein Temperatursensor 3 angeordnet, welcher jeweils
die Oberflächentemperaturen der Kühlplatte 4 bzw.
der Heizplatte 2 misst. Die Heizplatte 2 ist hierbei
kontrolliert beheizbar, wozu vorliegend eine Gleichspannungsquelle 25 angeordnet
ist, wobei durch Einstellung der Stromstärke die Heizleistung
und somit auch die Oberflächentemperatur der Heizplatte 2 eingestellt
werden können. Vorliegend verfügt die Vorrichtung 1 über eine
Vakuumpumpe 6 auf, mittels welcher die Prüfkammer 7 der
Vorrichtung 1 evakuierbar ist. Weiterhin verfügt
die Vorrichtung 1 über eine Kühleinheit 8 zur
Kühlung der Kühlplatte 4.
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Wie
weiterhin in 1 ersichtlich, ist auf die Oberfläche
der Kühlplatte 4 eine Aluminiumplatte 12 aufgesetzt,
welche eventuelle Temperaturunterschiede an der Kühlplattenoberfläche
ausgleicht. Da in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die Wärmewiderstände der Probe durch Auswertung
einer Wärmestrahlung ermittelt werden, weist die Aluminiumplatte 12 nur
eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit auf. Die Größe
der für die Strahlung relevanten Fläche kann hierdurch
sehr genau angegeben werden und Streustrahlungen durch Oberflächenrauhigkeiten können
weitgehend vermieden werden. Ebenso ist auf der Heizplatte 2 zusätzlich
eine Kupferplatte 13 angeordnet, welche ebenfalls nur eine
geringe Oberflächenrauhigkeit aufweist und der Vergleichmäßigkeit
der Oberflächentemperatur dient.
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Zur
Ermittlung der Wärmewiderstände der Probe 5 wird
zwischen der Heizplatte 2 und der Kühlplatte 4 ein
Wärmestrom bekannter Größe erzeugt und
die Probe 5 diesem Wärmestrom ausgesetzt. Erfindungsgemäß findet
eine Wärmeübertragung von der Heizplatte 2 auf
die Probe 5 und von der Probe 5 auf die Kühlplatte 4 im
Wesentlichen durch Wärmestrahlung statt. Sofern die Prüfkammer
evakuiert ist, findet die Wärmeübertragung ausschließlich
durch Wärmestrahlung statt, so dass die Wärmewiderstandswerte
der Probe besonders genau ermittelt werden können. Um zu
gewährleisten, dass die Wärmeübertragung
nahezu ausschließlich durch Wärmestrahlung erfolgt,
ist darauf zu achten, dass die Probe 5 ohne irgendeinen
wärmeleitenden Kontakt zu Teilen der Vorrichtung 1 positioniert
wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist
hierzu zwischen Heizplatte 2 und Kühlplatte 4 eine
Probenaufnahme 15 angeordnet, welche eine gegen Wärmeleitung isolierte
Aufnahme der Probe 5 in der Prüfkammer 7 ermöglicht.
Vorliegend sind als Probenaufnahmen 15 Silikonauflagen
in der Vorrichtung 1 angeordnet, auf welchen die Probe 5 ohne
wärmeleitenden Kontakt gelagert werden kann.
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Im
gezeigten Beispiel ist die Prüfkammer 7 zylinderförmig
ausgebildet, da die Zylinderform in einfacher Weise gegen Vakuum
abdichtbar ist. Weiterhin weist die Zylinderform eine vergleichsweise kleine
Oberfläche auf, so dass Verluste an die Umgebung klein
gehalten werden können. Die Stirnseiten der zylinderförmigen
Prüfkammer 7 sind hierbei mit Deckeln 16 verschlossen.
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Die
Deckel 16 dienen zugleich der Befestigung der Heizplatte 2 bzw.
der Kühlplatte 4. Heizplatte 2 und Kühlplatte 4 sind
hierdurch in einfacher Weise in der Prüfkammer 7 montierbar.
Da die Platten jeweils mit den Deckeln 16 abnehmbar sind,
sind sie zu Wartungszwecken gut zugänglich. Andere Ausgestaltungen
der Prüfkammer 7 sowie Anordnungen der Heizplatte 2 bzw.
der Kühlplatte 4 sind jedoch ebenfalls möglich.
So können beispielsweise an den Wänden der Prüfkammer 7 entsprechende
Aufnahmen für die Heizplatte 2 bzw. die Kühlplatte 4 vorgesehen
sein oder die Prüfkammer 7 kann beispielsweise
auch eine quaderförmige Geometrie aufweisen.
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2 zeigt
eine Detaildarstellung der Kühlplatte 4 der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 sowie des kühlerseitigen Deckels 16,
welcher zur Befestigung an der zylinderförmigen Prüfkammer 7 entsprechende
Befestigungsbohrungen 14 aufweist. Die Kühlplatte 4 ist
vorliegend durch ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser
oder Luft, kühlbar, wozu in die Kühlplatte 4 entsprechende,
hier nicht dargestellte, Kühlkanäle eingearbeitet
sind. Anstelle einer Wasser- oder Luftkühlung ist jedoch
auch eine elektrische Kühlung möglich. Die Kühlplatte 4 ist
mittels einer Dichtplatte 10 abgedichtet und durch entsprechende Versorgungsleitungen 11 mit
der Kühleinheit 8 verbunden (siehe 1).
Der Deckel 16 der Prüfkammer 7 weist
entsprechende Bohrungen 9 zur Aufnahme der Anschlüsse
der Versorgungsleitungen 11 auf.
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Die
Heizplatte 2 (1) kann beispielsweise durch
eine Kupferplatte gebildet sein, in welche entsprechende Heizwendeln
eingegossen sind. Ebenso können jedoch auch Keramikheizkörper
verwendet werden, in welche ebenfalls entsprechende Heizwendeln
integriert sind. Zur Erfassung der Oberflächentemperaturen
sind an der Heizplatte 2 bzw. der Kupferplatte sowie an
der Kühlplatte 4 bzw. der Aluminiumplatte Temperatursensoren 3 angeordnet. Diese
messen jeweils die für die Wärmestrahlung relevanten
Temperaturen, aus welchen die Wärmewiderstandswerte der
Probe 5 errechnet werden. Zusätzlich kann ein
weiterer Temperatursensor 3' vorgesehen sein, welcher die
Kerntemperatur der Heizplatte 2 überwacht, um
zulässige Grenztemperaturen nicht zu überschreiten
und eine Zerstörung der Heizplatte 2 zu verhindern.
Optional können weiterhin Temperaturfühler 3'' in
der Prüfkammer 7 angeordnet sein, welche die Temperaturen
der Oberflächen der Probe 5 erfassen. Diese sind
jedoch zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und zum Betrieb der Vorrichtung 1 nicht erforderlich
und dienen somit nur der Kontrolle der ermittelten Werte.
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Zur
Strahlungsleitung in der Prüfkammer 7 sind vorliegend
im Bereich der Heizplatte 2 sowie der Kühlplatte 4 Strahlungsschirme 17 angeordnet,
so dass die Wärmestrahlung in Richtung der Probe 5 bzw.
in Richtung der Kühlplatte 4 gerichtet wird. Bedingt
durch die konstruktive Ausführung ist im vorliegenden Beispiel
der Strahlungsschirm 17 zweiteilig, ebenso ist es jedoch
denkbar, einen einteiligen Strahlungsschirm 17 nur heißseitig
oder kaltseitig anzuordnen. Im gezeigten Beispiel dient der an der
Kühlplatte 4 angeordnete Strahlungsschirm zugleich
der Positionierung der Probe 5, wobei die Probenaufnahmen 15 direkt
an dem Strahlungsschirm 17 angeordnet sind.
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Um
die Verluste der Vorrichtung 1 auch für verschieden
dicke Proben weitgehend gleichzuhalten, ist der Abstand der Probenaufnahme 15 zu
der Heizplatte 2 und/oder der Kühlplatte 4 einstellbar.
Die Kühlplatte 2 ist vorliegend mittels Stehbolzen 18 an dem
kühlerseitigen Deckel 16 der Vorrichtung 1 befestigt. Über
Gewindestangen 19 ist die Position der Kühlplatte 4 in
ihrer Höhe verstellbar. Je nach Dicke der zu messenden
Probe 5 muss die Kühlplatte 4 entsprechend
in ihrer Höhe verstellt werden. Ebenso wird mittels der
Gewindestangen 19 der Abstand der Probe 5 zur
Oberfläche der Heizplatte 2 eingestellt. Je nach
Probendicke bzw. gewünschtem Abstand der Kühlplatte 2 zu
der Probe 5 werden auch unterschiedliche Strahlungsschirme 17 verwendet,
auf welchen die Probeaufnahme 15 angeordnet ist. Die Feineinstellung
der Probenpositionierung erfolgt mittels der Gewindestangen 19.
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In ähnlicher
Weise ist die Heizplatte 2 mittels Stehbolzen 18 befestigt.
Die Befestigung kann ebenso jedoch auch durch Gewindestangen 19 erfolgen, wobei
die Heizplatte 4 in ihrer Position in Bezug auf die Probe 5 verstellbar
ist. Um die Heizplatte 2 thermisch von den Wänden
der Prüfkammer 7 zu entkoppeln, ist die Heizplatte 2 an
einem Wärmeabschirmblech 20 angebracht, welches
wiederum mittels geeigneter, isolierender Befestigungsmittel 21 an
dem Deckel 16 befestigt ist.
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Zur
Vergleichmäßigung der Temperaturen an den Oberflächen
der Heizplatte 2 bzw. der Kühlplatte 4 ist
auf der Heizplatte 2 eine Kupferplatte 13 angeordnet
bzw. an der Kühlplatte 4 eine Aluminiumplatte 12.
Diese sind mit einer sehr geringen Oberflächenrauhigkeit
gefertigt, um die Oberfläche, welche für die abgegebene
bzw. aufgenommene Wärmestrahlung bzw. die Ermittlung der
Wärmewiderstandswerte der Probe 5 relevant ist,
möglichst genau angeben zu können.
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Um
mittels der Vorrichtung 1 eine Bewertung der einzelnen
Wärmewiderstände hinsichtlich Wärmestrahlung
und Wärmeleitung vornehmen zu können, ist es erforderlich,
die Emissionskoeffizienten der abstrahlenden Oberflächen
zu kennen. Die Oberflächen der Heizplatte 2 bzw.
der Kupferplatte 13 sowie der Kühlplatte 4 bzw.
der Aluminiumplatte 12 sind daher mit einem schwarzen Lack
versehen, welcher einen bekannten Emissionskoeffizienten aufweist. Sind
die Emissionskoeffizienten der Oberflächen von Heizplatte 2 und
Kühlplatte 4 bekannt, können nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren in einer dreiläufigen
Messreihe nicht nur die Wärmeleitfähigkeit bzw. der
Wärmeleitwiderstand einer Probe 5, sondern auch
Strahlungswiderstände für beide Seiten der Probe 5 getrennt
ermittelt werden. Eine Temperaturmessung an der Probe 5 selbst,
welche ebenfalls zu einer Verfälschung der Messergebnisse
führen kann, ist hierdurch nicht erforderlich. Zu Kontrollzwecken können
dennoch Temperatursensoren 3'' angeordnet sein, die die
Temperaturen an den Oberflächen der Probe 5 erfassen.
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Um
die Temperaturwerte der Oberflächen der Heizplatte 2 bzw.
der Kühlplatte 4 bzw. der für die Wärmestrahlung
relevanten Oberflächen möglichst genau zu ermitteln,
können je Oberfläche jeweils drei Temperatursensoren
angeordnet sein, wobei aus den drei gemessenen Temperaturen jeweils
ein Mittelwert gebildet wird, welcher der Ermittlung der zu erfassenden
Größen zugrundegelegt wird.
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Um
die Verluste der Vorrichtung 1 möglichst gering
zu halten und einen Wärmeaustausch mit der Umgebung weitgehend
zu vermeiden, ist die gesamte Prüfkammer 7 mit
einer Isolierung 22 umgeben. Diese kann beispielsweise
aus aluminiumbeschichteter Steinwolle bestehen.
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Die
Kühlplatte 4 ist vorliegend mittels Druckluft
kühlbar. Wasserkühlung ist jedoch ebenfalls denkbar.
Mittels eines Druckregelventils kann die Oberflächentemperatur
der Kühlplatte 4 eingestellt werden. Bei Erhöhung
des Druckes steigt der den Kühler durchströmende
Volumenstrom, womit die Kühlleistung steigt und die Oberflächentemperatur sinkt
bzw. umgekehrt. Bei guter Isolierung und entsprechend langer Einschwingzeit
ist eine Regelung der Oberflächentemperaturen der Heizplatte 2 und der
Kühlplatte 4 nicht erforderlich, da die Messung
im stationären Zustand findet. Es ist jedoch ebenso denkbar,
Kühleinheit 8 und/oder die Heizeinheit 25 mit
einer entsprechenden Regeleinrichtung zu versehen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Auswertung
dreier Messgrößen, nämlich den Oberflächentemperaturen
der Heizplatte 2 und der Kühlplatte 4 sowie
dem in der Vorrichtung 1 übertragenen Wärmestrom,
welcher im Wesentlichen auf Wärmestrahlung beruht. 3 zeigt
eine schematische Darstellung der Wärmeströme
in der Prüfkammer 7. Bei konstanten Oberflächentemperaturen
TH der Heizplatte 2 sowie TK der Kühlplatte 4 ist
der Wärmestrom in der Prüfkammer 7 konstant.
Der tatsächlich in der Vorrichtung 1 übertragene
Wärmestrom W entspricht hierbei der zugeführten
elektrischen Leistung PL abzüglich einer von der Temperatur
der Heizplatte 4 abhängigen Verlustleistung PV,
welche durch eine Versuchsreihe bei verschiedenen Heiztemperaturen
TH ermittelt werden und in einer Tabelle
hinterlegt werden kann. Die Verlustleistung kann hierbei je nach
Umgebungsbedingungen vor dem Beginn der eigentlichen Messungen ermittelt
werden, so dass der tatsächlich übertragene Wärmestrom
W sehr genau aus der zugeführten elektrischen Leistung
Pel und der Verlustleistung PV ermittelt
werden kann. Zur Ermittlung der Verlustleistung PV wird
die Vorrichtung 1 ohne eine eingelegte Probe 5 evakuiert.
Anschließend wird bei verschiedenen Temperaturen TH der Heizplatte 4, nachdem sich
ein stationärer Zustand eingestellt hat, jeweils die Temperatur
TH sowie die Temperatur TK der
Oberfläche der Kühlplatte 4 gemessen.
Ebenso wird die zugeführte elektrische Leistung Pel bzw. eine mit dieser zusammenhängende
Größe, beispielsweise die Strom aufnahme, gemessen.
Da die Emissionskoeffizienten der Heizplatte 2 sowie der
Kühlplatte 4 sowie die abstrahlende Oberfläche
jeweils bekannt sind, lässt sich anhand der gemessenen
Temperaturen TH und TK der
tatsächlich übertragene Wärmestrom W
errechnen. Die Verlustleistung PV in Abhängigkeit
von der Temperatur TH der Vorrichtung 1 ergibt
sich dann aus der gemessenen elektrischen Leistung Pel abzüglich
des tatsächlich übertragenen Wärmestromes
W.
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Da
die Vorrichtung 1 evakuiert ist, findet nahezu keine Wärmeübertragung
durch Konvektion statt. Durch die vorbeschriebene Ermittlung der
Verlustleistung PV können verbliebene
Anteile an konvektiver Wärmeübertragung sowie
an Streustrahlung ermittelt werden, so dass der tatsächlich
durch Strahlung übertragene Wärmestrom W vergleichsweise genau
bekannt ist. Eine evakuierbare Vorrichtung 1 ist jedoch
je nach Anforderungen an die Messgenauigkeit nicht unbedingt erforderlich,
da die Wärmeübertragung durch Konvektion innerhalb
der Vorrichtung vergleichsweise gering ist. Die Wärmeübertragung
von der Heizplatte 2 auf die Probe 5 erfolgt hierbei
ebenso wie von der Probenunterseite auf die Kühlplatte 4 durch
Wärmestrahlung, während die Übertragung
innerhalb der Probe 5 ausschließlich durch Wärmeleitung
erfolgt. Da die Probe 5 nicht wie in entsprechenden Vorrichtungen
des Standes der Technik zwischen der Heizplatte 2 und der
Kühlplatte 4 geklemmt wird, ist eine Ermittlung
der Wärmewiderstandswerte der Probe 5 unabhängig
von der Oberflächenstruktur der Probe 5 möglich.
Es ist lediglich erforderlich, die Probe 5 an den Durchmesser
der Probenaufnahme 15 bzw. des Strahlungsschirmes 17 anzupassen.
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Mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich,
den thermischen Gesamtwiderstand sowie den Isolationsgrad der Probe 5 durch
Messung von lediglich drei Messwerten zu errechnen. In einem Messlauf
werden hierbei jeweils die Temperatur TK der
Kühlplatte 4 bzw. der Aluminiumplatte 12 sowie die
Temperatur TH der Heizplatte 2 bzw.
der Kupferplatte 13 erfasst sowie die zugeführte
elektrische Leistung Pel bzw. eine damit
zusammenhän gende Größe gemessen. Der
thermische Gesamtwiderstand sowie der Isolationsgrad der Probe 5 kann
hierdurch vergleichsweise genau bestimmt werden.
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Nach
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es in einer dreiläufigen Messreihe, bei welcher jeweils
wieder die genannten drei Messwerte gemessen werden, möglich,
die Isolationswirkung der Probe 5 hinsichtlich ihres Leitungswiderstandes
sowie der Strahlungswiderstände zu beurteilen. Hierbei
können die Wärmeleitfähigkeit der Probe 5 sowie
der Wärmeleitwiderstand ebenso wie die Emissionskoeffizienten
der Probe 5 sowie die entsprechenden Strahlungswiderstände
für jede Seite der Probe 5 getrennt ermittelt
werden.
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Hierzu
wird wie zuvor beschrieben in einem ersten Messlauf die unbehandelte
Probe 5 in die Vorrichtung 1 eingelegt. Nach Erreichen
eines stationären Zustandes werden wie beschrieben die
Messwerte TH, TK und
Pel gemessen, aus welchen der tatsächlich übertragene
Wärmestrom W ermittelt wird. Nach erfolgtem ersten Messlauf
wird die Probe 5 entnommen und auf einer Seite, beispielsweise
der Unterseite, mit einer Beschichtung mit bekanntem Emissionskoeffizienten
versehen. Hierzu ist beispielsweise ein schwarzer Spezielllack verwendbar,
dessen Emissionskoeffizient genau angegeben werden kann. Die Probe 5 wird
wieder in die Vorrichtung 1 eingelegt, und nach Erreichen
eines stationären Zustandes werden wiederum die genannten
drei Messwerte gemessen. Aufgrund der bekannten Emissionskoeffizienten
der Probenunterseite sowie der Kühlplatte 4 kann
die Temperatur der Probenunterseite TPu errechnet
werden. Mit der errechneten Temperatur der Probenunterseite TPu sowie der gemessenen Temperatur TK der Kühlplatte 4 lässt
sich schließlich der Strahlungswiderstand der Probenunterseite in
lackiertem Zustand berechnen. Nach dem zweiten Messlauf wird die
Probe erneut entnommen und auf der zweiten Seite, hier also auf
der Oberseite, mit einer Beschichtung mit bekanntem Emissionskoeffizienten
versehen. Es wird ein dritter Messlauf durchgeführt, wobei
wiederum die genannten drei Größen ge messen werden.
Analog zum zweiten Messlauf lässt sich aufgrund der bekannten
Emissionskoeffizienten der Heizplatte 2 sowie der Probenoberseite
die Temperatur der Probenoberseite TPo errechnen
und der Strahlungswiderstand der Probenoberseite in lackiertem Zustand
ermitteln.
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Sind
die Emissionskoeffizienten der Probenoberseite und Probenunterseite
bereits bekannt, kann analog der vorbeschriebenen Vorgehensweise mit
nur einem Messlauf eine Bewertung der Probe nach Strahlungs- und
Leitungswiderständen erfolgen. Die Emissionskoeffizienten
können hierbei in bekannter Weise z. B. durch Infrarotmessung
ermittelt werden.
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Da
die Temperaturen der Probenoberflächen TPo und
TPu nun bekannt sind, kann hieraus die Wärmeleitfähigkeit
sowie der Wärmeleitwiderstand der Probe 5 berechnet
werden. Mit den nun bekannten Werten für die Wärmeleitfähigkeit
bzw. den Wärmeleitwiderstand kann wiederum in Verbindung
mit den Ergebnissen des zweiten und des ersten Messlaufes auch der
Strahlungswiderstand sowie der Emissionskoeffizient für
die unlackierte Probe jeweils getrennt für beide Seiten
berechnet werden.
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Somit
ist es möglich, mit einer einzigen Vorrichtung 1 und
der Erfassung von nur drei Messwerten in einer dreiläufigen
Messreihe die Wärmewiderstände von Proben 5 zu
erfassen und hinsichtlich ihres Strahlungsanteiles und Leitungsanteiles
getrennt zu ermitteln. Im Vergleich zu Vorrichtungen 1 des Standes
der Technik, bei welchen eine wärmeleitende Aufnahme der
Probe 5 zwischen der Heizplatte 2 und der Kühlplatte 4 vorgesehen
ist, können die einzelnen Widerstände hierbei
mit vergleichsweise großer Genauigkeit und unabhängig
von einer Oberflächenstruktur der Probe 5 ermittelt
werden und für jede Seite der Probe 5 getrennt
angegeben werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da Proben 5 von Isoliermaterialien
häufig eine bestimmte Vorzugsrichtung bzgl. ihrer Isolationswirkung
haben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist
insbesondere vorteilhaft zur Bewertung von Wärme- bzw.
Lärmschutzmaterial, welches in der Automobilindustrie eingesetzt wird,
beispiels weise um die Auspuffanlage abzuschirmen. Andere Anwendungsfälle
sind jedoch ebenso denkbar. Zu beachten ist lediglich, dass die Probe
hinsichtlich ihrer Abmessungen an die Probenaufnahme 15 der
Vorrichtung 1 anpassbar sein muss.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt. Abwandlungen und Kombinationen im Rahmen der
Patentansprüche fallen ebenfalls unter die Erfindung. So
ist es beispielsweise möglich, um lange Einschwingzeiten
zu vermeiden, die Heizeinheit 25 und/oder die Kühleinheit 8 mit
einer Regeleinrichtung zu versehen. Ebenso sind zusätzlich
oder anstelle der Isolierung 22 weitere Maßnahmen
möglich, um die Verlustleistung PV der
Vorrichtung 1 zu minimieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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