DE102022111900A1

DE102022111900A1 - Mechanisches Werk und Andruck für ein Wärmeleitfähigkeits-Messgerät

Info

Publication number: DE102022111900A1
Application number: DE102022111900.9A
Authority: DE
Inventors: Genaro Ortega; Keegan Copage; Michael Barnhill
Original assignee: Thermtest Inc
Current assignee: Thermtest Inc
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2022-05-12
Publication date: 2022-11-17
Also published as: CA3158653A1; US20220365013A1

Abstract

Es wird für Vorrichtungen und Verfahren zur Verwendung der Wärmeflussmesser-Technik mit Schutzeinrichtung gesorgt. Die Vorrichtungen verwenden das Verfahren der Wärmeflussmesser-Technik mit Schutzeinrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von festen Materialien im Temperaturbereich von etwa bis 300°C Umgebungstemperatur. Das zu testende Material wird zwischen zwei Platten mit einer geregelten Temperaturdifferenz komprimiert. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials wird durch Messen des Wärmeflusses durch eine Referenzprobe in Reihe mit dem zu testenden Material berechnet. Die Vorrichtungen und Verfahren beinhalten mechanische Mechanismen für Bewegungen des Stapels und der Schutzeinrichtung und Verfahren zur Kompression und Messung des Stapels für das Testen.

Description

Feld der Technik
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Verwendung der Wärmeflussmesser-Technik mit Schutzeinrichtung, und insbesondere auf Vorrichtungen und Verfahren, um die Wärmeleitfähigkeit eines Materials zu messen.
Hintergrund
Um thermische Eigenschaften von Materialien unter kontrollierten Bedingungen zu messen und zu vergleichen, kann die Wärmeflussmesser-Technik mit Schutzeinrichtung verwendet werden. Ein Gerät zur Verwendung der Wärmeflussmesser-Technik mit Schutzeinrichtung ist in 1, wie in ASTM E1530-19 beschrieben, gezeigt. Ein zu testendes Probenmaterial wird zwischen zwei Platten angeordnet, die auf verschiedene Temperaturen geregelt werden. Auf den Stapel wird eine reproduzierbare Kraft ausgeübt, um zwischen den Platten und dem Probenmaterial für einen guten Kontakt zu sorgen. Eine Schutzeinrichtung kann um den Stapel herum positioniert sein, welche während des Testens auf einer einheitlichen Temperatur gehalten wird.
Um seitlichen Wärmefluss zu und von dem Stapel zu minimieren, ist die Schutzeinrichtung so positioniert, dass sie den Stapel umgibt. Die Schutzeinrichtung kann durch manuelles Einstellen von Passstiften oder anderen Verriegelungsmechanismen positioniert werden, um die Schutzeinrichtung an Ort und Stelle zu halten. Die Schutzeinrichtung kann dann manuell in eine Position repositioniert werden, in der sie den Stapel nicht umgibt. Die Kraft auf den Stapel und die lineare Bewegung können beispielsweise durch einen Pneumatikzylinder, der mittels einer Skala eingestellt wird, aufgebracht werden. Die Skala kann den pneumatischen Druck einstellen. Obwohl der pneumatische Zylinder für die Kraft auf den Stapel sorgen kann, können die Einstellungen des pneumatischen Zylinders, um für die Kraft zu sorgen, sehr grob sein und können das Probenmaterial beschädigen.
Dementsprechend ist ein zusätzliches, alternatives und/oder verbessertes Gerät und ein Verfahren zur Verwendung der Wärmeflussmesser-Technik mit Schutzeinrichtung erwünscht.
Kurzfassung
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird eine Vorrichtung zum Messen von Wärmeleitfähigkeit eines Materials offenbart, wobei die Vorrichtung Folgendes beinhaltet: Einen Stapel, welcher eine erste Platte in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Materials und eine zweite Platte in Kontakt mit einer unteren Oberfläche des Materials beinhaltet; ein Kardangelenk, welches an einem Ende an die erste Platte gekoppelt ist und an einem gegenüberliegenden Ende an einen linearen Aktuator gekoppelt ist; und eine Feder, welche das Kardangelenk umgibt, wobei der lineare Aktuator so konfiguriert ist, dass er eine Kompression der Feder bewirkt, und die Kompression der Feder eine Kraft überträgt, um den Stapel zusammenzudrücken.
In einigen Aspekten beinhaltet das Kardangelenk eine flexible Stange, welche an einem Ende indirekt an den linearen Aktuator gekoppelt ist und an einem gegenüberliegenden Ende an eine bewegliche Stange gekoppelt ist, wobei die bewegliche Stange so konfiguriert ist, dass sie sich innerhalb einer Öffnung vertikal bewegt, um eine Kompression der Feder zu unterstützen.
In einigen Aspekten beinhaltet die bewegliche Stange an einem unteren Ende derselben einen Halteflansch, welcher breiter als die Öffnung ist, und bei der der Halteflansch die bewegliche Stange an Ort und Stelle hält, wenn sich die Feder in einem unkomprimierten Zustand befindet.
In einigen Aspekten treibt der lineare Aktuator eine Leitspindel an, um eine Kraft zu erzeugen, welche die Feder komprimiert.
In einigen Aspekten beinhaltet die Vorrichtung weiterhin wenigstens zwei vertikale Führungsstangen, welche sich durch eine Platte erstrecken, wobei sich die wenigstens zwei vertikalen Führungsstangen parallel zu der Leitspindel erstrecken, um die Ausrichtung der Leitspindel aufrechtzuerhalten.
In einigen Aspekten beinhaltet die Vorrichtung weiterhin einen Kodierer und einen Kodierstreifen, wobei der Kodierstreifen von einer linearen Schiene gehalten wird, die an den Stapel gekoppelt ist, wobei der Kodierer an einem Kugelgelenk befestigt ist, welches an den linearen Aktuator gekoppelt ist.
In einigen Aspekten ist die lineare Schiene an ihrer Basis an einem Kugelgelenk befestigt.
In einigen Aspekten liest der Kodierer den Kodierstreifen ab, um eine Höhe des Stapels zu bestimmen.
In einigen Aspekten beinhaltet die Vorrichtung weiterhin eine Schutzeinrichtung, die positionierbar ist, um die ersten und zweiten Platten zu umgeben.
In einigen Aspekten ist die Schutzeinrichtung über eine Leitspindel und einen Schrittmotor in einer vertikalen Richtung positionierbar.
In einigen Aspekten beinhaltet die Vorrichtung weiterhin zur horizontalen Ausrichtung der Schutzeinrichtung wenigstens zwei Führungsstangen.
In einigen Aspekten wird die Schutzeinrichtung automatisch, basierend auf einer Dicke des Materials, positioniert.
In einigen Aspekten beinhaltet die Vorrichtung weiterhin eine Kraftmessdose, die dafür konfiguriert ist, eine von dem Stapel empfangene Aufwärtskraft zu messen.
In einigen Aspekten wird eine Ausgabe von der Kraftmessdose einem Prozessor bereitgestellt, und der Prozessor regelt den linearen Aktuator, um auf den Stapel eine festgelegte Kraft auszuüben.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Komprimieren eines Stapels zum Messen von Wärmeleitfähigkeit eines Materials offenbart, wobei der Stapel eine erste Platte in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Materials und eine zweite Platte in Kontakt mit einer unteren Oberfläche des Materials beinhaltet, wobei das Verfahren beinhaltet: Empfangen einer festgelegten Kompressionskraft, die auf den Stapel ausgeübt werden soll; Komprimieren des Stapels durch Komprimieren einer Feder, welche ein Kardangelenk umgibt, wobei das Kardangelenk an einem Ende an die erste Platte gekoppelt ist und an einem gegenüberliegenden Ende an einen linearen Aktuator gekoppelt ist, wobei der lineare Aktuator so konfiguriert ist, dass er eine Kompression der Feder bewirkt; Messen einer von dem Stapel empfangenen Aufwärtskraft mit einer Kraftmessdose; und Einstellen des linearen Aktuators, um eine Kompression der Feder einzustellen, bis die von dem Stapel empfangene Aufwärtskraft der festgelegten Kraft entspricht.
Gemäß eines anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Komprimieren eines Stapels zum Messen von Wärmeleitfähigkeit eines Materials offenbart, wobei der Stapel eine erste Platte in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Materials und eine zweite Platte in Kontakt mit einer unteren Oberfläche des Materials beinhaltet, wobei das Verfahren beinhaltet: Empfangen einer festgelegten Materialdicke; Komprimieren des Stapels durch Komprimieren einer Feder, welche ein Kardangelenk umgibt, wobei das Kardangelenk an einem Ende an die erste Platte gekoppelt ist und an einem gegenüberliegenden Ende an einen linearen Aktuator gekoppelt ist, wobei der lineare Aktuator so konfiguriert ist, dass er eine Kompression der Feder bewirkt; Messen eines Abstandes zwischen den oberen und unteren Platten des Stapels; und Einstellen des linearen Aktuators, um den Stapel einzustellen, bis der Abstand zwischen den oberen und unteren Platten des Stapels der festgelegten Materialdicke entspricht.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird, in welchen:

1 zeigt eine Schnittansicht eines Wärmeflussmessers mit Schutzeinrichtung, wie in ASTM E1530-19 gezeigt;
2 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Stapel-Einstellanordnung einer Vorrichtung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
3 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Stapel-Kardan-Anordnung der Vorrichtung;
4 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Kodierer-Bewegungsanordnung der Vorrichtung;
5 zeigt eine Schnittansicht, die die Anordnung der Komponenten der Stapel-Einstellanordnung, der Stapel-Kardan-Anordnung und der Kodierer-Bewegungsanordnung der Vorrichtung zeigt;
6 zeigt eine Ausführungsform eines Schutz-Einstellsystems der Vorrichtung;
7 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens des Komprimierens eines Stapels zum Messen der Wärmeleitfähigkeit eines Materials; und
8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens des Komprimierens eines Stapels zum Messen der Wärmeleitfähigkeit eines Materials.

Ausführliche Beschreibung
Hier werden Vorrichtungen und Verfahren zur Anwendung der Wärmeflussmesser-Technik mit Schutzeinrichtung (Guarded-Heat-Flow-Meter-Technik) offenbart. Die Vorrichtungen und Verfahren verwenden die Wärmeflussmesser-Technik mit Schutzeinrichtung, um die Wärmeleitfähigkeit von festen Materialien in einem Temperaturbereich von etwa bis 300°C Umgebungstemperatur zu messen. Dabei wird das zu testende Material zwischen zwei Platten mit einer geregelten Temperaturdifferenz komprimiert. Eine der Platten wird temperaturgeregelt, um eine festgelegte Temperatur anzunehmen, und die andere Platte wird auf eine festgelegte Temperatur unterhalb der Temperatur der ersten Platte mit einer bekannten Differenz geregelt. Jede Platte kann mit einer Heizung und möglicherweise einer Wärmesenke in Kontakt stehen. Es versteht sich, dass in der vorliegenden Erfindung die Heizungen und Wärmesenken durch eine Glimmer-Wärmesperre getrennt werden können. Die Wärmeleitfähigkeit kann durch Messen des Wärmeflusses durch eine Referenzprobe in Reihe mit dem getesteten Material berechnet werden. Die Vorrichtungen und Verfahren umfassen mechanische Mechanismen für Stapel- und Schutzeinrichtungsbewegungen und Verfahren der Stapelkompression und -messung für das Testen.
1 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Wärmeflussmessers mit Schutzeinrichtung (Guarded Heat Flow Meter, GHFM), wie in ASTM E1530-19 gezeigt. Wie in ASTME1530-19 beschrieben, beinhaltet der GHFM einen pneumatischen oder hydraulischen Zylinder 1, um für Kompressionskraft auf den Stapel zu sorgen, und ein Kardangelenk 2. Es versteht sich, dass eine Skalenscheibe oder andere Einstellmittel verwendet werden können, um den Kompressionsdruck auf 40 PSI festzulegen. Das Kardangelenk 2 stellt bis zu 5 Grad Schwenkung zur Verfügung. Der GFHM beinhaltet ferner eine obere Platte 4 und eine untere Platte 12, zwischen denen das Probestück/die Probe 8 angeordnet ist. Die obere Platte 4 kann von dem Kardangelenk 2 durch eine Isolierplatte 3 getrennt sein.
Die obere Platte 4 kann als eine heiße Platte fungieren, welche eine Heizung 5, ein Regel-Thermoelement 6 und einen Temperatursensor 7 aufweist. Der Temperatursensor 7 kann sich in unmittelbarer Nähe zu oder auf einer Fläche des Probestücks 8 befinden, um die Temperatur der Oberfläche des Probestücks 8 anzunehmen. Die untere Platte 12 der oberen Platte 4 ähnlich, wobei sich jedoch die untere Platte 12 in unmittelbarer Nähe zu einer Wärmesenke 17 befinden kann, mit einer Isolatorplatte 16 zwischen der unteren Platte 12 und der Wärmesenke 17. Die untere Platte 12 kann einen Temperatursensor 13, ein Regel-Thermoelement 14, und eine Heizung oder Kühlschlangen 15 beinhalten. Das Probestück 8 und die untere Platte 12 können durch eine Zwischenplatte 9 und einen Wärmefluss-Umwandler (heat flux transducer, HFT) 11 getrennt sein. Ein Temperatursensor 10 kann in der Zwischenplatte 9 oder dem HFT 11 vorhanden sein, um eine Durchschnittstemperatur der Oberfläche des Probestücks 8 zu erhalten. Es versteht sich, dass die Zwischenplatte 9 ein optionales Teil des GHFM ist.
Während des Testens ist der Stapel von einer Schutzeinrichtung 18 umgeben. Die Schutzeinrichtung 18 kann mit einer Heizung und/oder Kühlschlangen 19, und einem Regel-Thermoelement, einem Widerstandsthermometer, oder einem Thermistor 20 versehen sein, um eine mittlere Temperatur zwischen der oberen Platte 4 und der unteren Platte 12 aufrechtzuerhalten. Der GHFM beinhaltet weiterhin ein Mittel 21, um die Dicke des Probestücks 8 zu messen, und ein Mittel 22, um die Kompression des Probestücks 8 zu begrenzen, insbesondere wenn elastomere oder andere kompressible Materialien getestet werden.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird für eine Vorrichtung zur Verwendung der Wärmeflussmesser-Technik mit Schutzeinrichtung zum Messen der Wärmeleitfähigkeit fester Materialien gesorgt. Die Vorrichtung umfasst ein Stapel-Einstellmittel oder -anordnung, eine Stapel-Kardan-Anordnung, ein Kompressionskraftmittel und eine Kodierer-Bewegungsanordnung. Die Vorrichtung kann ferner ein Schutzeinstellmittel oder-system umfassen. Die Elemente der Vorrichtung erlauben es, die Wärmeleitfähigkeit des zu testenden Materials genau und effizient zu messen.
Die 2 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Stapel-Einstellanordnung oder -mittel der Vorrichtung zur linearen Bewegung und zum Aufbringen von Kraft. Die Stapel-Einstellanordnung beinhaltet eine Leitspindel 202, die von einem linearen Aktuator oder Schrittmotor 204 angetrieben wird. Der lineare Aktuator 204 kann innerhalb des Motors eine Mutter drehen, welche die Leitspindel 202 vertikal aufwärts und abwärts antreiben kann. Es versteht sich, dass die Leitspindel 202 eine nicht rotierende Schraube sein kann.
Der Aktuator 204 kann aktiviert werden, um den Stapel in Position zu bewegen. Die Stapel-Einstellmittel erlauben es, die Position des Stapels in der vertikalen Richtung einzustellen, um für die Kompressionskraft auf ein Probenmaterial zwischen den beiden Platten zu sorgen. Die Stapel-Einstellmittel können verwendet werden, um die Kraft auf eine obere Oberfläche des Probenmaterials über die obere Platte aufzubringen. Die Stapel-Einstellmittel können ein automatisches System sein, bei dem ein Benutzer die Position des Stapels mittels eines Computersystems einstellt oder regelt. Einmal aktiviert, kann der Stapel automatisch in Position bewegt werden.
Die Stapel-Einstellmittel können weiterhin Führungsstangen 206, die sich durch eine Platte 228 erstrecken, die als lineare Stützführungen wirken können, beinhalten. Es können zwei vertikale Führungsstangen 206 vorhanden sein, welche die Stapel-Einstellmittel in horizontaler Ausrichtung halten. Die vertikalen Führungsstangen 206 erstrecken sich parallel zu der Leitspindel 202, um die Ausrichtung der Leitspindel aufrechtzuerhalten. Die vertikalen Führungsstangen 206 verhindern eine Drehung der Stapel-Einstellmittel während der Einstellung und sorgen für eine gleichmäßige lineare Bewegung, wenn der Stapel in Position bewegt wird.
Die 3 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Stapel-Kardan-Anordnung der Vorrichtung. Die Stapel-Kardan-Anordnung erlaubt es der oberen Platte 307, 5 Winkelgrade Schwenkung lotrecht zu der Kompressionskraft, die über die Achse des Stapels übertragen wird, aufzuweisen, wie in ASTM E1530-19 angegeben. Die Stapel-Kardan-Anordnung beinhaltet eine gesicherte Stange 308, die aus Federstahl bestehen kann. Die gesicherte Stange 308 wirkt als Biegepunkt oder Kardangelenk für den oberen Stapel, wodurch die 5 Grad an Schwenkung ermöglicht werden. Die befestigte Stange 308 kann an einem Ende indirekt an den Aktuator 204 gekoppelt sein und an dem gegenüberliegenden Ende direkt an eine bewegliche Stange 310 gekoppelt sein. Die Stange 310 ist so konfiguriert, dass sie sich innerhalb einer Öffnung vertikal bewegt. Die Stange 310 kann einen Halteflansch oder Schulter 312 an einer Unterseite / unteren Ende der Stange 310 aufweisen, der breiter als die Öffnung ist, und die Stange 310 an Ort und Stelle halt, um es dem Stapel zu ermöglichen, zusammengehalten zu werden, wenn das System nicht klemmt oder sich in einem unkomprimierten Zustand nicht unter Kompression befindet.
Wie in 3 gezeigt, ist die befestigte Stange 308 oder das Kardangelenk von einer Feder 314 umgeben. Die Feder 314 kann eine Druckfeder sein, die zusammengedrückt wird, wenn die Leitspindel 202 von dem linearen Aktuator angetrieben wird, und die Kompressionskraft der Feder auf den Stapel aufgebracht wird. Während der Kompression kann die Stange 310 frei in der vertikalen Richtung gleiten, was es der befestigten Stange 308 erlaubt, während der Kompression des Stapels nicht komprimiert zu werden. Die Stapel-Kardan-Anordnung erlaubt es, dass die befestigte Stange 308 oder das Kardangelenk kleinen Zugbelastungen ausgesetzt wird, anstatt großen Kompressionsbelastungen, die während der Kompression oder dem Klemmen vorhanden sein können. Dies verringert das Risiko dauerhafter Verformung der befestigten Stange 308 oder des Kardangelenks.
Die Vorrichtung kann weiterhin eine Kraftmessdose oder ein Kraftmessgerät 316 aufweisen, um die angelegte Kompressionskraft digital zu messen. In der in 3 gezeigten Stapel-Kardan-Anordnung misst die Kraftmessdose 316 die Aufwärtskraft von dem Stapel/der Feder 314. Die von der Kraftmessdose 316 gemessene Kraft kann daher in einer Rückkopplungsschleife der Stapelbewegung verwendet werden. Dies erlaubt es, einen festgelegten Kompressionsdruck, beispielsweise einen Druck von 40 PSI, präzise anzulegen. Die Vorrichtung kann über ein Computersystem geregelt werden, wie oben beschrieben, und die Vorrichtung kann einen Mikrocontroller beinhalten, der einen Prozessor aufweist, der so konfiguriert ist, dass er die mechanischen Anordnungen steuert. Die Rückkopplung der Kraftmessdose 316 kann von dem Mikrocontroller verarbeitet werden, was in dem Regelsystem als Ausgleich verwendet wird. Mit der Verwendung einer Rückkopplungsschleife kann eine sehr genaue Regelung des Systems erreicht werden. Wie in 3 gezeigt, kann die Vorrichtung weiterhin Lager 318 für die Führungsstangen 206 beinhalten, um sicherzustellen, dass die gesamte aufgebrachte Kraft durch das Kraftmessgerät 316 übertragen wird.
4 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Kodierer-Bewegungsanordnung der Vorrichtung. Die Kodierer-Bewegungsanordnung kann dazu verwendet werden, die Kompression auf das Probenmaterial auf der Grundlage der Dicke des Probenmaterials zu begrenzen. Die Kodierer-Bewegungsanordnung kann die Höhe des Stapels mit dem Probenmaterial zwischen der oberen Platte 307 und einer unteren Platte vor und während der Kompression des Stapels messen oder auslesen. Dies erlaubt es, die Dicke des Probenmaterials zu messen.
Die Kodierer-Bewegungsanordnung beinhaltet einen Kodierer und eine Linearschlittenhalterung 420, und einen Kodierstreifen, der von einer linearen Schiene 422, die mit dem Stapel gekoppelt ist, gekoppelt ist oder an Ort und Stelle gehalten wird. Die Anordnung weist weiterhin ein Kugelgelenk 424 an der Basis der linearen Schiene 422 mit dem Kodierstreifen, und ein zweites Kugelgelenk 426 zum Befestigen des Kodierers auf. Das Kugelgelenk 426 ist mit der Platte 228 (in den 2 und 4 gezeigt) verbunden, welches mit dem linearen Aktuator 204 gekoppelt ist. Die Kugelgelenke 424, 426 erlauben einen gewissen Grad an Flexibilität des Kodierers und des Kodierstreifens, da der Kodierstreifen mechanisch an dem Stapel befestigt ist, der 5 Winkelgrade Schwenkung aufweist.
Die Kodierer-Bewegungsanordnung erlaubt die Bewegung des Kardangelenks und hält genaue Abstandsmessungen von dem Kodierer aufrecht. Die In-Plane-Position des Kodierers zu dem Kodierstreifen trägt dazu bei, die Genauigkeit der Messungen aufrechtzuerhalten. Wenn der lineare Aktuator 204 die Leitspindel 202 antreibt, um den Stapel zu komprimieren, wird der Kodierstreifen mit der Oberseite des Stapels bewegt. The Kodierstreifen kann sich vor und während der Kompression mit dem Stapel unterhalb der Feder 314 bewegen. Es versteht sich, dass es sein kann, dass sich der Stapel nicht mehr länger bewegt, wenn die Feder 314 damit beginnt, sich zu komprimieren. Der Kodierer mag sich nicht bewegen, auch wenn die Leitspindel 202 damit fortfährt, die Feder 314 zu bewegen und zu komprimieren. Daher wird das Probenmaterial gemessen, statt des Probenmaterials und der Kompression der Feder 314. Der Kodierer kann dann den Kodierstreifen ablesen, um die komprimierte Höhe des Stapels zu bestimmen.
Die Kugelgelenke 424, 426 sorgen weiterhin dafür, dass die lineare Bewegung des Kodierstreifens während der Bewegung nicht behindert wird. Wenn die obere Platte 307 in der Richtung der Schwenkungs-Winkelgrade schwenkt, ist der an der linearen Schiene 422 befestigte Kodierstreifen in der Lage, auf dem Kugelgelenk 424 zu schwenken, so dass der Kodierstreifen durch den Kodierer läuft. Der Kodierer 420 ist in der Lage, auf dem Kugelgelenk 426 zu schwenken, um eine Position parallel zu dem Kodierstreifen beizubehalten. Der Linearschlitten 420 ist mit der linearen Schiene 422 verbunden und an der gleichen Halterung befestigt, die den Kodierer an dem Kugelgelenk 426 hält. Dies stellt sicher, dass das Kugelgelenk 426 schwenkt, um die Ausrichtung oder den In-Plane-Abstand zwischen dem Kodierer und dem Kodierstreifen aufrechtzuerhalten.
Es versteht sich, dass der von der linearen Schiene 422 an Ort und Stelle gehaltene lineare Kodierstreifen und der Kodierer dazu verwendet werden können, die genaue Höhe des Stapels zu messen. Der lineare Kodierstreifen wird von dem Kodierer gelesen. Es versteht sich, dass der Kodierer ein optischer Kodierer sein kann, der den linearen Kodierstreifen auf die Mikrocontroller-Einheit (Microcontroller Unit, MCU) der Vorrichtung liest. Es versteht sich auch, dass andere Anordnungen von Wegaufnehmern anstelle des mit Bezug auf 4 beschriebenen spezifischen Kodierers/Kodierstreifenanordnung verwendet werden können. Der Mikrocontroller kann Informationen betreffend die Höhe des Stapels empfangen und kann auf der Basis eines Abstands zwischen den oberen/unteren Platten des Stapels eine Materialstärke der Probe bestimmen. Auf der Basis der Materialstärke des Probenmaterials kann der Mikrocontroller den linearen Aktuator regeln, um einen festgelegten Kompressionsbetrag des Probenmaterials aufzubringen oder eine festgelegte Materialstärke zu erreichen.
Die 5 zeigt eine Schnittansicht, die die Konfiguration von Komponenten der Stapel-Einstellanordnung, der Stapel-Kardan-Anordnung und der Kodierer-Bewegungsanordnung in der Vorrichtung montiert zeigt. Wie oben beschrieben, wird die Kompressionskraft für das zu testende Material unter Verwendung der Leitspindel 202, die von dem Schrittmotor 204 angetrieben wird, in Verbindung mit der Feder 314, wie des Weiteren in 3 beschrieben und gezeigt, aufgebracht. Dies erlaubt es, die Kompressionskraft auf kontrollierte und genaue Art und Weise aufzubringen.
Um die Kompression beim Testen des Materials zu begrenzen, kann die Vorrichtung die Stapelhöhe oder -position von dem Kodierstreifen auslesen. Die Stapelhöhe oder -position kann dann dazu verwendet werden, um den oberen Stapel oder die obere Platte 307 unter Verwendung des linearen Aktuators 204 über dem unteren Stapel genau zu platzieren. Die genaue Platzierung des oberen Stapels ist auf einer Höhe über dem unteren Stapel, die gleich der begrenzenden Dicke der Probe ist.
Die 6 zeigt eine Ausführungsform eines Schutz-Einstellsystems der Vorrichtung. Das Schutz-Einstellsystem beinhaltet eine Schutzeinrichtung 630, die so positioniert ist, dass sie während des Testens des Materials den Stapel umgibt. Die Schutzeinrichtung 630 kann um den Stapel herum angeordnet sein, um jede Art von Wärmeverlusten/-gewinnen während des Testens zu verhindern und zu minimieren. Um die Schutzeinrichtung 630 um den Stapel herum zu positionieren, kann die vertikale Position der Schutzeinrichtung 630 unter Verwendung einer Leitspindel 632, die von einem Schrittmotor 634 und einem Koppler 636 angetrieben wird, eingestellt werden. Die Leitspindel 632 kann durch die Mitte der Schutzeinrichtung 630 verlaufen. Die Schutzeinrichtung 630 kann eine an der Schutzeinrichtung befestigte Mutter beinhalten, auf welche die Leitspindel 632 einwirkt. Die Leitspindel 632 wird durch den Schrittmotor 634 gedreht, um die Mutter vertikal nach oben und unten anzutreiben. Die horizontale Ausrichtung der Schutzeinrichtung 630 kann weiterhin durch Führungsstangen 638 durch lineare Lager an der Schutzeinrichtung 630 gehalten werden, um die Bewegung der Schutzeinrichtung 630 zu erleichtern.
Das Schutz-Einstellsystem kann ein automatisches System sein, bei dem die Schutzeinrichtung bei Aktivierung des Schrittmotors 634 um den Stapel herum positioniert wird. Der Schrittmotor 634 kann durch eine Benutzereinstellung aktiviert werden oder die Position der Schutzeinrichtung 630 mittels eines Computersystems regeln. Durch genaues Messen der Höhe des Probenmaterials in dem Stapel kann das Schutz-Einstellsystem die Schutzeinrichtung 630 genau auf der richtigen Höhe mit Bezug auf die gemessene Höhe des Probenmaterials positionieren.
Die oben beschriebenen Vorrichtungen und Systeme erlauben es, die Wärmeleitfähigkeit eines Materials unter Verwendung einer GHFM-Technik genau und effizient zu messen. Die hier beschriebenen Vorrichtungen und Systeme folgen dem oben genannten ASTM E1530-19-Standard.
Die 7 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens 700 zum Komprimieren eines Stapels zum Messen der Wärmeleitfähigkeit eines Materials. Das Verfahren 700 kann von einem Prozessor ausgeführt werden, der so konfiguriert ist, dass er die mechanischen Anordnungen einer Vorrichtung der oben beschriebenen Art steuert. Der Stapel beinhaltet eine erste Platte in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Materials und eine zweite Platte in Kontakt mit einer unteren Oberfläche des Materials.
Das Verfahren beinhaltet das Empfangen einer festgelegten Kompressionskraft, die auf den Stapel aufzubringen ist (702). Die festgelegte Kompressionskraft kann von einer Benutzereingabe empfangen werden.
Der Stapel wird komprimiert (704), indem eine Feder komprimiert wird, die eine Kraft überträgt, um den Stapel zusammenzudrücken. Die Feder kann ein Kardangelenk umgeben, welches an einem Ende an die erste Platte des Stapels gekoppelt ist und an einem gegenüberliegenden Ende an einen linearen Aktuatorgekoppelt ist. Der lineare Aktuator ist so konfiguriert, dass er eine Kompression der Feder bewirkt, beispielsweise durch Betätigen einer Leitspindel.
Eine von dem Stapel empfangene Aufwärtskraft wird gemessen (706). Die Aufwärtskraft kann unter Verwendung einer Kraftmessdose, die die Aufwärtskraft von der Feder misst, gemessen werden.
Es wird bestimmt, ob die gemessene Aufwärtskraft der festgelegten Kompressionskraft gleich ist (708). Wenn die gemessene Aufwärtskraft der festgelegten Kompressionskraft nicht gleich ist (NEIN bei 708), wird der lineare Aktuator so eingestellt (710), dass die Kompression der Feder auf das Erreichen der festgelegten Kompressionskraft eingestellt wird. Die von dem Stapel empfangene Aufwärtskraft wird nochmals gemessen (706), und es wird eine weitere Bestimmung durchgeführt, ob die gemessene Aufwärtskraft gleich der festgelegten Kompressionskraft ist (708). Das Verfahren setzt sich fort, bis die gemessene, von dem Stapel empfangene Aufwärtskraft der festgelegten Kraft entspricht (JA bei 708), wonach das Verfahren endet (712).
Die 8 zeigt eine andere Ausführungsform eines Verfahrens 800 des Komprimierens eines Stapels zum Messen der Wärmeleitfähigkeit eines Materials. Das Verfahren ähnelt dem mit Bezug auf 7 beschriebenen Verfahren 700, anstatt jedoch eine auf den Stapel ausgeübte Kompressionskraft zu erreichen, ist das Verfahren 800 darauf gerichtet, eine Materialdicke des zu komprimierenden Probenmaterials zu erreichen.
Das Verfahren 800 kann von einem Prozessor ausgeführt werden, der so konfiguriert ist, dass er die mechanischen Anordnungen einer Vorrichtung der oben beschriebenen Art steuert. Der Stapel beinhaltet eine erste Platte in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Materials und eine zweite Platte in Kontakt mit einer unteren Oberfläche des Materials. Das Verfahren beinhaltet das Empfangen einer festgelegten Materialdicke (802). Die festgelegte Materialdicke kann von einer Benutzereingabe empfangen werden.
Der Stapel wird komprimiert (804), indem eine Feder komprimiert wird, die eine Kraft überträgt, um den Stapel zu komprimieren. Die Feder kann ein Kardangelenk umgeben, welches an einem Ende an die erste Platte des Stapels gekoppelt ist und an einem gegenüberliegenden Ende an einen linearen Aktuator gekoppelt ist. Der lineare Aktuator ist so konfiguriert, dass er die Kompression der Feder bewirkt, beispielsweise durch Betätigen einer Leitspindel.
Ein Abstand zwischen oberen und unteren Platten des Stapels wird gemessen (806). Der Abstand kann beispielsweise unter Verwendung der mit Bezug auf 4 beschriebenen Kodiereranordnung, oder unter Verwendung eines Wegaufnehmern, gemessen werden.
Es wird bestimmt, ob der Abstand zwischen oberen und unteren Platten des Stapels der festgelegten Materialdicke gleich ist (808). Wenn der Abstand zwischen oberen und unteren Platten des Stapels der festgelegten Materialdicke nicht gleich ist (NEIN bei 808), wird der lineare Aktuator so eingestellt (810), dass die Höhe des Stapels auf das Erreichen der festgelegten Materialdicke eingestellt wird. Der Abstand zwischen oberen und unteren Platten des Stapels wird nochmals gemessen (806), und es wird eine weitere Bestimmung durchgeführt, ob der Abstand zwischen oberen und unteren Platten des Stapels gleich der festgelegten Materialdicke ist (808). Das Verfahren setzt sich fort, bis der Abstand zwischen oberen und unteren Platten des Stapels der festgelegten Materialdicke entspricht (JA bei 808), wonach das Verfahren endet (812).
Es versteht sich auch, dass, sobald der Abstand zwischen oberen und unteren Platten des Stapels der festgelegten Materialdicke entspricht, das Verfahren weiterhin das Steuern eines Schutz-Einstellungssystems umfassen kann, wie unter Bezug auf 6 beschrieben, basierend auf der Positionierung der oberen und unteren Platten.
Es ist für Fachleute offensichtlich, dass eine Anzahl von Variationen und Modifikationen vorgenommen werden kann, ohne vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen. Obwohl hier bestimmte Ausführungsformen beschrieben sind, versteht es sich, dass an den Ausführungsformen Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Gegenstand der vorliegenden Lehren abzuweichen. Aus Gründen der Einfachheit und Klarheit der Darstellung sind Elemente in den Figuren nicht notwendigerweise massstabsgetreu, sind nur schematisch und beschränken die Elementstrukturen nicht. Es ist für Fachleute offensichtlich, dass eine Anzahl von Variationen und Modifikationen vorgenommen werden kann, ohne vom Gegenstand der hier beschriebenen Erfindung abzuweichen.

Claims

Vorrichtung zum Messen von Wärmeleitfähigkeit eines Materials, wobei die Vorrichtung beinhaltet: Einen Stapel, welcher eine erste Platte in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Materials und eine zweite Platte in Kontakt mit einer unteren Oberfläche des Materials beinhaltet; ein Kardangelenk, welches an einem Ende an die erste Platte gekoppelt ist und an einem gegenüberliegenden Ende an einen linearen Aktuator gekoppelt ist; und eine Feder, welche das Kardangelenk umgibt, wobei der lineare Aktuator so konfiguriert ist, dass er eine Kompression der Feder bewirkt, und die Kompression der Feder eine Kraft überträgt, um den Stapel zusammenzudrücken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Kardangelenk eine flexible Stange beinhaltet, welche an einem Ende indirekt an den linearen Aktuator gekoppelt ist und an einem gegenüberliegenden Ende an eine bewegliche Stange gekoppelt ist, wobei die bewegliche Stange so konfiguriert ist, dass sie sich innerhalb einer Öffnung vertikal bewegt, um die Kompression der Feder zu unterstützen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die bewegliche Stange an einem unteren Ende derselben einen Halteflansch beinhaltet, welcher breiter als die Öffnung ist, und bei der der Halteflansch die bewegliche Stange an Ort und Stelle hält, wenn sich die Feder in einem unkomprimierten Zustand befindet.
Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, bei der der lineare Aktuator eine Leitspindel antreibt, um eine Kraft zu erzeugen, welche die Feder komprimiert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, welche weiterhin wenigstens zwei vertikale Führungsstangen beinhaltet, welche sich durch eine Platte erstrecken, wobei sich die wenigstens zwei vertikalen Führungsstangen parallel zu der Leitspindel erstrecken, um die Ausrichtung der Leitspindel aufrechtzuerhalten.
Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, welche weiterhin einen Kodierer und einen Kodierstreifen beinhaltet, wobei der Kodierstreifen von einer linearen Schiene gehalten wird, die an den Stapel gekoppelt ist, wobei der Kodierer an einem Kugelgelenk befestigt ist, welches an den linearen Aktuator gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die lineare Schiene an ihrer Basis an einem Kugelgelenk befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei der der Kodierer den Kodierstreifen abliest, um eine Höhe des Stapels zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, welche weiterhin eine Schutzeinrichtung beinhaltet, die positionierbar ist, um die ersten und zweiten Platten zu umgeben.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Schutzeinrichtung über eine Leitspindel und einen Schrittmotor in einer vertikalen Richtung positionierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, welche weiterhin zur horizontalen Ausrichtung der Schutzeinrichtung wenigstens zwei Führungsstangen beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, bei der die Schutzeinrichtung automatisch, basierend auf einer Dicke des Materials, positioniert wird.
Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 12, welche weiterhin eine Kraftmessdose beinhaltet, die dafür konfiguriert ist, eine von dem Stapel empfangene Aufwärtskraft zu messen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der eine Ausgabe von der Kraftmessdose einem Prozessor bereitgestellt wird, und der Prozessor den linearen Aktuator regelt, um auf den Stapel eine festgelegte Kraft auszuüben.
Verfahren zum Komprimieren eines Stapels zum Messen von Wärmeleitfähigkeit eines Materials, wobei der Stapel eine erste Platte in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Materials und eine zweite Platte in Kontakt mit einer unteren Oberfläche des Materials beinhaltet, wobei das Verfahren beinhaltet: Empfangen einer festgelegten Kompressionskraft, die auf den Stapel ausgeübt werden soll; Komprimieren des Stapels durch Komprimieren einer Feder, welche ein Kardangelenk umgibt, wobei das Kardangelenk an einem Ende an die erste Platte gekoppelt ist und an einem gegenüberliegenden Ende an einen linearen Aktuator gekoppelt ist, wobei der lineare Aktuator so konfiguriert ist, dass er eine Kompression der Feder bewirkt; Messen einer von dem Stapel empfangenen Aufwärtskraft mit einer Kraftmessdose; und Einstellen des linearen Aktuators, um eine Kompression der Feder einzustellen, bis die von dem Stapel empfangene Aufwärtskraft der festgelegten Kraft entspricht.
Verfahren zum Komprimieren eines Stapels zum Messen von Wärmeleitfähigkeit eines Materials, wobei der Stapel eine erste Platte in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Materials und eine zweite Platte in Kontakt mit einer unteren Oberfläche des Materials beinhaltet, wobei das Verfahren beinhaltet: Empfangen einer festgelegten Materialdicke; Komprimieren des Stapels durch Komprimieren einer Feder, welche ein Kardangelenk umgibt, wobei das Kardangelenk an einem Ende an die erste Platte gekoppelt ist und an einem gegenüberliegenden Ende an einen linearen Aktuator gekoppelt ist, wobei der lineare Aktuator so konfiguriert ist, dass er eine Kompression der Feder bewirkt; Messen eines Abstandes zwischen den oberen und unteren Platten des Stapels; und Einstellen des linearen Aktuators, um den Stapel einzustellen, bis der Abstand zwischen den oberen und unteren Platten des Stapels der festgelegten Materialdicke entspricht.