DE102022200422B3 - Device for determining the thermal conductivity of a test specimen - Google Patents

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    • H01M10/61—Types of temperature control

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit (λ) zumindest eines Probekörpers (7), mit einer Messanordnung (1) aus zumindest einem Heizkörper (3), zumindest einem Kühlkörper (5) und dem zwischengeordneten Probekörper (7), und mit einer Steuereinheit (11), die während eines Messvorgangs im statischen Zustand anhand der zugeführten Heiz-/Kühlleistung (K, Q), der Probekörper-Dicke (d), der Messfläche (A) und der gemessenen Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen dem Heizkörper (3) und dem Kühlkörper (5) die Wärmeleitfähigkeit (λ) des Probekörpers (7) berechnet. Erfindungsgemäß ist der Steuereinheit (11) eine Vorspanneinheit (10) zugeordnet, mittels der ein in Stapelrichtung (S) auf die Messanordnung (1) wirkender Anpressdruck (p) einstellbar ist.

Figure DE102022200422B3_0000
The invention relates to a device for determining the thermal conductivity (λ) of at least one test body (7), with a measuring arrangement (1) made up of at least one heating element (3), at least one cooling element (5) and the intermediately arranged test body (7), and with a Control unit (11), which is activated during a measuring process in the static state based on the supplied heating/cooling power (K, Q), the specimen thickness (d), the measuring area (A) and the measured temperature difference (ΔT) between the heating element (3rd ) and the heat sink (5) calculates the thermal conductivity (λ) of the specimen (7). According to the invention, the control unit (11) is assigned a pretensioning unit (10), by means of which a contact pressure (p) acting on the measuring arrangement (1) in the stacking direction (S) can be adjusted.
Figure DE102022200422B3_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit zumindest eines Probekörpers nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a device for determining the thermal conductivity of at least one specimen according to the preamble of claim 1.

Ein bekanntes Problem ist der Thermal Runaway (TR) bzw. das thermische Durchgehen einer Zelle in einem Hochvoltbatteriesystem eines elektrisch betriebenen Fahrzeug. Die Zelle setzt hierbei die gesamte elektrisch gespeicherte Energie sowie weitere Anteile in Wärme um. Dieser Vorgang ist hochdynamisch und kann in benachbarten Zellen ebenfalls ein thermisches Durchgehen erzeugen, wodurch sich eine thermische Propagation (TP) ergibt. Bei der Propagation neigt das Batteriesystem zur Flammbildung, welche mit entsprechenden Gegenmaßnahmen verhindert werden muss. Die Wärmeübertragung wird maßgeblich durch die thermischen Widerstände des konvektiven und konduktiven Wärmeleitpfades zwischen den Batteriezellen beeinflusst.A well-known problem is thermal runaway (TR) of a cell in a high-voltage battery system of an electrified vehicle. The cell converts all of the electrically stored energy and other parts into heat. This process is highly dynamic and can also produce thermal runaway in neighboring cells, resulting in thermal propagation (TP). During propagation, the battery system tends to develop flames, which must be prevented with appropriate countermeasures. The heat transfer is significantly influenced by the thermal resistance of the convective and conductive heat transfer path between the battery cells.

Eine Möglichkeit, das thermische Durchgehen benachbarter Zellen herauszuzögern oder zu verhindern, besteht darin, ein thermisch isolierendes Zellzwischenmaterial (zum Beispiel eine Glasfasermatte) zwischen benachbarten Zellen anzuordnen. Um eine normgerechte Auslegung der Batteriesysteme zu garantieren, muss das Zellzwischenmaterial in Bezug auf die Temperaturstabilität, Wärmeleitfähigkeit und den Anpressdruck optimal charakterisiert werden.One way to delay or prevent thermal runaway of adjacent cells is to place an inter-cell thermally insulating material (e.g., a fiberglass mat) between adjacent cells. In order to guarantee that the battery systems are designed in accordance with standards, the cell intermediate material must be optimally characterized in terms of temperature stability, thermal conductivity and contact pressure.

In einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit eines solchen Zellzwischenmaterials in einem standardisierten Prüf-/Analyseverfahren, in dem eine Messanordnung aus zumindest einem Heizkörper, zumindest einem Kühlkörper sowie einem zwischengeordneten Probekörper bereitstellbar ist, der aus dem Zellzwischenmaterial besteht. Die Vorrichtung weist eine Steuereinheit auf, die bei einem Messvorgang im statischen Zustand die zugeführte Heiz-/Kühlleistung, die Probekörper-Dicke, die Messfläche und die gemessene Temperaturdifferenz zwischen dem Heizkörper und dem Kühlkörper erfasst und daraus die Wärmeleitfähigkeit des Probekörpers berechnet. In einem solchen standardisierten Prüf-/Analyseverfahren wird die Wärmeleitfähigkeit an einem Punkt oder an mehreren diskreten Punkten meist in Abhängigkeit der Probekörper-Temperatur vermessen. Alternativ dazu sind Prüf-/Analyseverfahren bekannt, in denen die Wärmeleitfähigkeit ausschließlich in Abhängigkeit von einem in Stapelrichtung wirkenden Anpressdruck vermessen wird.In a device of this type, the thermal conductivity of such an intermediate cell material is determined in a standardized test/analysis method, in which a measuring arrangement consisting of at least one heating element, at least one cooling element and an interposed test body, which consists of the intermediate cell material, can be provided. The device has a control unit which, during a measuring process in the static state, records the supplied heating/cooling power, the specimen thickness, the measurement area and the measured temperature difference between the heating element and the cooling element and uses this to calculate the thermal conductivity of the specimen. In such a standardized test/analysis procedure, the thermal conductivity is measured at one point or at several discrete points, usually depending on the temperature of the test specimen. As an alternative to this, test/analysis methods are known in which the thermal conductivity is measured solely as a function of a contact pressure acting in the stacking direction.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Prüf-/Analyseverfahren berücksichtigen weder die die Anforderungen an das zwischen den Batteriezellen verbauten Zellzwischenmaterial, noch dessen kompressiblen Eigenschaften.The test/analysis methods known from the prior art do not take into account the requirements for the intermediate cell material installed between the battery cells, nor its compressible properties.

Beispielhaft ist aus der DE 38 29 266 A1 ein Verfahren zur Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit und anderer thermischer Stoffgrößen von Kunststoffen bekannt. Aus der CN 102628818 A1 ist ein weiteres Prüf-/Analyseverfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit eines Probekörpers bekannt.An example is from DE 38 29 266 A1 a method for determining the thermal conductivity and other thermal material parameters of plastics is known. From the CN102628818A1 Another test/analysis method for determining the thermal conductivity of a specimen is known.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit zumindest eines Probekörpers bereitzustellen, die das Anforderungsprofil eines Zellzwischenmaterials und/oder dessen kompressible Eigenschaften berücksichtigt.The object of the invention is to provide a device for determining the thermal conductivity of at least one test body, which takes into account the requirement profile of an intermediate cell material and/or its compressible properties.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of claim 1. Preferred developments of the invention are disclosed in the dependent claims.

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit zumindest eines Probekörpers aus, in der eine gestapelte Messanordnung, bestehend aus zumindest einem Heizkörpers, zumindest einem Kühlkörper und dem zwischengeordneten Probekörper, bereitgestellt ist. Die Vorrichtung weist eine Steuereinheit auf, die während eines Messvorgangs im statischen Zustand anhand der zugeführten Heiz-/Kühlleistung, der Probekörper-Dicke, der Messfläche und des gemessenen Temperaturunterschieds zwischen dem Heizkörper und dem Kühlkörper die Wärmeleitfähigkeit des Probekörpers berechnet. Mit Hilfe der Steuereinheit können Messvorgänge bei variierender Probekörper-Temperatur durchgeführt werden. Auf diese Weise kann im Stand der Technik die Wärmeleitfähigkeit in einer Kennlinie in Abhängigkeit von der Probekörper-Temperatur dargestellt werden. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist der Steuereinheit eine Vorspanneinheit zugeordnet. Mittels der Vorspanneinheit kann ein in Stapelrichtung auf die Messanordnung wirkender Anpressdruck eingestellt werden. Die Messvorgänge können daher in beliebiger Kombination bei variierendem Anpressdruck und/oder bei variierender Probekörper-Temperatur durchgeführt werden. Auf diese Weise kann die Wärmeleitfähigkeit nicht nur zweidimensional in Abhängigkeit von variierenden Probekörper-Temperaturen dargestellt werden, sondern vielmehr in einem dreidimensionalen Kennfeld in Abhängigkeit von sowohl dem Anpressdruck als auch der Probekörper-Temperatur. Dadurch ist die Wärmeleitfähigkeit unter Berücksichtigung der speziellen Einbausituation des Zellzwischenmaterials in einem Batteriezellenverbund darstellbar, in dem das Zwischenzellmaterial mit Anpressdruck zwischen den Batteriezellen positioniert ist und im Falle eines thermischen Durchgehens (thermal runaway) hohen Prozesstemperaturen ausgesetzt ist.The invention is based on a device for determining the thermal conductivity of at least one specimen, in which a stacked measurement arrangement consisting of at least one heating element, at least one cooling element and the intermediately arranged specimen is provided. The device has a control unit which, during a measurement process in the static state, calculates the thermal conductivity of the specimen based on the heating/cooling power supplied, the specimen thickness, the measurement area and the measured temperature difference between the heating element and the cooling element. With the help of the control unit, measuring processes can be carried out with varying specimen temperatures. In this way, in the prior art, the thermal conductivity can be represented in a characteristic curve as a function of the specimen temperature. According to the characterizing part of claim 1, the control unit is assigned a pretensioning unit. A contact pressure acting on the measuring arrangement in the stacking direction can be adjusted by means of the pretensioning unit. The measurement processes can therefore be carried out in any combination with varying contact pressure and/or with varying specimen temperature. In this way, the thermal conductivity can not only be represented two-dimensionally as a function of varying test specimen temperatures, but rather in a three-dimensional characteristic diagram as a function of both the contact pressure and the test specimen temperature. As a result, the thermal conductivity can be represented in a battery cell assembly, taking into account the special installation situation of the cell intermediate material, in which the intermediate cell material is positioned with contact pressure between the battery cells and is exposed to high process temperatures in the event of thermal runaway.

In einer technischen Umsetzung kann die Vorspanneinheit den Stapel aus Heizkörper, Probekörper und Kühlkörper elastisch nachgiebig mit einer Federvorspannung beaufschlagen. Daher können konstruktiv einfach Längenänderungen der Messanordnung während des Messvorgangs ausgeglichen werden.In a technical implementation, the prestressing unit can resiliently apply a spring prestress to the stack of heating element, test body and heat sink. Therefore, structurally simple changes in the length of the measuring arrangement can be compensated for during the measuring process.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere für Probekörper ausgelegt, die aus einem kompressiblen Material ausgebildet sind. In diesem Fall kann sich der Probekörper unter Einwirkung der Vorspanneinheit während eines Messvorgangs plastisch und/oder elastisch verformen. Dies geht mit einer Reduzierung der Probekörper-Dicke einher. Eine solche Reduzierung der Probekörper-Dicke kann durch die Federvorspannung ausgeglichen werden. Auf diese Weise bleibt der auf die Messanordnung wirkende Anpressdruck trotz Reduzierung der Probekörper-Dicke im Wesentlichen unverändert aufrechterhalten.The device according to the invention is designed in particular for test specimens that are made of a compressible material. In this case, the test body can deform plastically and/or elastically under the action of the prestressing unit during a measurement process. This is accompanied by a reduction in the thickness of the specimen. Such a reduction in specimen thickness can be compensated for by the spring preload. In this way, the contact pressure acting on the measuring arrangement remains essentially unchanged despite the reduction in the thickness of the specimen.

Um Störgrößen während der Messwerterfassung, insbesondere während der Erfassung der Heizkörpertemperatur und der Kühlkörpertemperatur, zu reduzieren, ist es bevorzugt, wenn die Messanordnung zwei Kühlkörper aufweist, die in Stapelrichtung beidseitig des Heizkörpers angeordnet sind. Die Kühlkörper sind jeweils unter Zwischenordnung eines Probekörpers angeordnet. In einer vertikalen Ausrichtung einer solchen Messanordnung wirkt auf den unteren Probekörper eine größere Gewichtskraft als auf den oberen Probekörper, was Messergebnisse beeinträchtigt. Zur Steigerung der Messgenauigkeit ist es daher von Vorteil, wenn sich die Stapelrichtung der Messanordnung während des Messvorgangs horizontal erstreckt. Damit ist gewährleistet, dass die auf die beiden Probekörper wirkenden Kräfte, das heißt Vorspann- und Gewichtskräfte, im Wesentlichen identisch sind.In order to reduce disturbance variables during the acquisition of measured values, in particular during the acquisition of the radiator temperature and the heat sink temperature, it is preferred if the measuring arrangement has two heat sinks which are arranged on both sides of the radiator in the stacking direction. The heat sinks are each arranged with a test piece interposed. In a vertical orientation of such a measurement arrangement, a greater weight acts on the lower specimen than on the upper specimen, which affects the measurement results. In order to increase the measurement accuracy, it is therefore advantageous if the stacking direction of the measurement arrangement extends horizontally during the measurement process. This ensures that the forces acting on the two specimens, i.e. prestressing and weight forces, are essentially identical.

Zur Erfassung der Temperaturdifferenz zwischen dem Heizkörper und dem Kühlkörper kann die Messanordnung einen Heizkörper-Temperatursensor und einen Kühlkörper-Temperatursensor aufweisen. Die Probekörper-Temperatur wird nicht mittels eines speziellen Probekörper-Temperatursensors erfasst, sondern vielmehr aus der Kühlkörper-Temperatur und der Heizkörper-Temperatur gemittelt.In order to record the temperature difference between the heating element and the cooling element, the measuring arrangement can have a heating element temperature sensor and a cooling element temperature sensor. The specimen temperature is not recorded using a special specimen temperature sensor, but rather averaged from the heat sink temperature and the heating element temperature.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figur beschrieben, in der eine Vorrichtung zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit grob schematisch in einem Blockschaltdiagramm insoweit dargestellt ist, als es zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist.An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the attached figure, in which a device for determining the thermal conductivity is shown roughly schematically in a block circuit diagram to the extent necessary for understanding the invention.

Wie aus der Figur hervorgeht, weist die Vorrichtung eine Messanordnung 1 auf, die aus einem mittleren Heizkörper 3 sowie aus beidseitig davon angeordneten Kühlkörpern 5 besteht. Zwischen jedem der beiden seitlich äußeren Kühlkörper 5 und dem mittleren Heizkörper 3 ist jeweils ein Probekörper 7 positioniert. Die Stapelrichtung S der Messanordnung 1 verläuft in der Figur in Horizontalrichtung. Zudem ist die Messanordnung 1 in einer später beschriebenen Vorspanneinheit 10 in der Stapelrichtung S vorspannbar.As can be seen from the figure, the device has a measuring arrangement 1, which consists of a central heating element 3 and cooling elements 5 arranged on both sides of it. A test body 7 is positioned between each of the two laterally outer cooling bodies 5 and the central heating element 3 . The stacking direction S of the measuring arrangement 1 runs in the horizontal direction in the figure. In addition, the measuring arrangement 1 can be prestressed in the stacking direction S in a prestressing unit 10 described later.

In der Figur ist dem Heizkörper 3 ein Heizsystem 9 zugeordnet, das von einer Steuereinheit 11 der Vorrichtung elektrisch ansteuerbar ist. In gleicher Weise ist jedem der Kühlkörper 5 ein Kühlsystem 13 zugeordnet, mittels dem der jeweilige Kühlkörper 5 auf eine vordefinierte Kühltemperatur kühlbar ist. Beispielhaft weist das Kühlsystem 13 kühlmitteldurchströmte Kühlkanäle auf, die in den Kühlkörpern 5 integriert sind.In the figure, the radiator 3 is assigned a heating system 9 which can be electrically controlled by a control unit 11 of the device. In the same way, each of the heat sinks 5 is assigned a cooling system 13, by means of which the respective heat sink 5 can be cooled to a predefined cooling temperature. For example, the cooling system 13 has cooling channels through which coolant flows, which are integrated in the heat sinks 5 .

Für eine Messwerterfassung weist in der Figur jeder der Kühlkörper 5 einen Kühlkörper-Temperatursensor 15 auf, der jeweils unmittelbar an der Kontaktfläche zum Probekörper 7 positioniert ist. In gleicher Weise ist der Heizkörper 3 mit Heizkörper-Temperatursensoren 19 versehen, die jeweils beidseitig unmittelbar an der Kontaktfläche zum Probekörper 7 positioniert sind. Die Vorrichtung weist zudem Dickenmess-Sensoren 19 auf, mittels denen die Probekörper-Dicke d erfassbar ist. Während eines im statischen Zustand erfolgenden Messvorgangs berechnet die Steuereinheit 11 anhand der zugeführten Heiz-/Kühlleistung K, Q, der gemessenen Probekörper-Dicke d, der Messfläche A am Wärmeübergang zwischen Probekörper 7 und Kühlkörper/Heizkörper sowie anhand der gemessenen Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Heizkörper 3 und dem jeweiligen Kühlkörper 5 die Wärmeleitfähigkeit λ des Probekörpers 7 auf der Grundlage der in der Figur gezeigten Formel.In order to record measured values, each of the heat sinks 5 in the figure has a heat sink temperature sensor 15 which is positioned directly on the contact surface with the test body 7 . In the same way, the heating element 3 is provided with heating element temperature sensors 19 which are each positioned directly on the contact surface with the test body 7 on both sides. The device also has thickness measurement sensors 19, by means of which the specimen thickness d can be detected. During a measuring process taking place in the static state, the control unit 11 uses the heating/cooling power supplied K, Q, the measured specimen thickness d, the measurement area A at the heat transfer between the specimen 7 and the cooling body/heating body and the measured temperature difference ΔT between the heating body to calculate 3 and the respective heat sink 5, the thermal conductivity λ of the specimen 7 based on the formula shown in the figure.

Mittels der Steuereinheit 11 können eine Reihe von Messvorgängen bei variierender Probekörper-Temperatur TP durchgeführt werden. Die Probekörper-Temperatur TP wird nicht sensortechnisch erfasst. Vielmehr bestimmt die Steuereinheit 11 die Probekörper-Temperatur TP als Mittelwert aus der sensorisch erfassten Kühlkörper-Temperatur TK und aus der ebenfalls sensorisch erfassten Heizkörper-Temperatur TH.A series of measurement processes can be carried out with varying specimen temperature T P by means of the control unit 11 . The specimen temperature T P is not recorded by sensors. Rather, the control unit 11 determines the test body temperature T P as the mean value from the heat sink temperature T K recorded by sensors and from the radiator temperature T H also recorded by sensors.

In der Figur ist die Messanordnung 1 in Horizontalrichtung zwischen Anpressplatten 21, 23 verspannt. Auf die in der Figur linke Anpressplatte 21 wirkt ein Aktuator 25 mit Antriebsspindel 26. Der Aktuator 25 ist Bestandteil der Vorspanneinheit 10 und von der Steuereinheit 11 elektromotorisch ansteuerbar. Auf die in der Figur rechte Anpressplatte 23 wirkt eine Vorspannfeder 27, die ebenfalls Bestandteil der Vorspanneinheit 10 ist. Mit Hilfe der Vorspannfeder 27 kann die Vorspanneinheit 10 in konstruktiv einfacher Weise eine nachgiebige Federvorspannung auf die Messanordnung 1 beaufschlagen- Dadurch können während des Messvorgangs Längenänderungen der Messanordnung 1 ausgeglichen werden. Gleichzeitig bleibt der auf die Messanordnung 1 wirkende Anpressdruck p im Wesentlichen unverändert aufrechterhalten. Zwischen der Antriebsspindel 26 des Aktuators 25 und der in der Figur linken Anpressplatte 21 ist eine Druckmessdose 29 zwischengeschaltet. Mit Hilfe der Druckmessdose 29 wird der auf die Messanordnung 1 wirkende Anpressdruck p erfasst und zur Steuereinheit 11 geleitet.In the figure, the measuring arrangement 1 is clamped between pressure plates 21, 23 in the horizontal direction. An actuator 25 with a drive spindle 26 acts on the pressure plate 21 on the left in the figure Actuator 25 is part of pretensioning unit 10 and can be controlled by an electric motor by control unit 11 . A pretensioning spring 27 , which is also part of the pretensioning unit 10 , acts on the pressure plate 23 on the right in the figure. With the help of the prestressing spring 27, the prestressing unit 10 can apply a flexible spring prestress to the measuring arrangement 1 in a structurally simple manner. This allows changes in the length of the measuring arrangement 1 to be compensated for during the measuring process. At the same time, the contact pressure p acting on the measuring arrangement 1 remains essentially unchanged. A pressure cell 29 is interposed between the drive spindle 26 of the actuator 25 and the pressure plate 21 on the left in the figure. With the help of the pressure cell 29 , the contact pressure p acting on the measuring arrangement 1 is recorded and sent to the control unit 11 .

Erfindungsgemäß können Messvorgänge in beliebiger Kombination bei variierendem Anpressdruck p und/oder bei variierender Probekörper-Temperatur TP durchgeführt werden. In der Figur ist die Steuereinheit 11 in Signalverbindung mit einer Datenbank 31, in der die bei Messvorgängen ermittelte Wärmeleitfähigkeit λ in Abhängigkeit von dem jeweiligen Anpressdruck p und der jeweiligen Probekörper-Temperatur TP eingelesen werden. Daraus ergibt sich in der Datenbank 31 beispielhaft ein dreidimensionales Kennfeld KF, in dem die Wärmeleitfähigkeit λ in Abhängigkeit vom Anpressdruck p und in Abhängigkeit von der Probekörper-Temperatur TP dargestellt ist.According to the invention, measurement processes can be carried out in any combination with varying contact pressure p and/or with varying specimen temperature T P . In the figure, the control unit 11 has a signal connection to a database 31, in which the thermal conductivity λ determined during measurement processes is read as a function of the respective contact pressure p and the respective test body temperature T P . This results in an example of a three-dimensional characteristic map KF in the database 31, in which the thermal conductivity λ is shown as a function of the contact pressure p and as a function of the test body temperature T P .

BezugszeichenlisteReference List

11
Messanordnungmeasuring arrangement
33
Heizkörperradiator
55
Kühlkörperheatsink
77
Probekörperspecimen
99
Heizsystemheating system
1010
Vorspanneinheitbias unit
1111
Steuereinheitcontrol unit
1313
Kühlsystemcooling system
1515
Kühlkörper-TemperatursensorHeatsink Temperature Sensor
1717
Heizkörper-TemperatursensorRadiator Temperature Sensor
1919
Dickenmesssensorenthickness measurement sensors
21, 2321, 23
Anpressplattenpressure plates
2525
Aktuatoractuator
2626
Antriebsspindeldrive spindle
2727
Vorspannfederbias spring
2929
Druckmessdoseload cell
3131
DatenbankDatabase
KFKF
dreidimensionales Kennfeldthree-dimensional map
KK
Kühlleistungcooling capacity
QQ
Heizleistungheating capacity
ΔTΔT
Temperaturunterschiedtemperature difference
Q̇Q̇
Wärmestromheat flow
pp
Anpressdruckcontact pressure
TKTC
Kühlkörpertemperaturheatsink temperature
THth
Heizkörpertemperaturradiator temperature
SS
Stapel richtungstack direction
TPTP
Probekörper-Temperaturspecimen temperature

Claims (6)

Vorrichtung zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit (λ) zumindest eines Probekörpers (7), mit einer Messanordnung (1) aus zumindest einem Heizkörper (3), zumindest einem Kühlkörper (5) und dem zwischengeordneten Probekörper (7), und mit einer Steuereinheit (11), die während eines Messvorgangs im statischen Zustand anhand der zugeführten Heiz-/Kühlleistung (K, Q), der Probekörper-Dicke (d), der Messfläche (A) und der gemessenen Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen dem Heizkörper (3) und dem Kühlkörper (5) die Wärmeleitfähigkeit (λ) des Probekörpers (7) berechnet, wobei mittels der Steuereinheit (11) Messvorgänge bei variierender Probekörper-Temperatur (TP) durchführbar sind, so dass die Wärmeleitfähigkeit (λ) in einer Kennlinie in Abhängigkeit von der Probekörper-Temperatur (TP) darstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinheit (11) eine Vorspanneinheit (10) zugeordnet ist, mittels der ein in Stapelrichtung (S) auf die Messanordnung (1) wirkender Anpressdruck (p) einstellbar ist, und dass Messvorgänge in beliebiger Kombination bei variierendem Anpressdruck (p) und/oder bei variierender Probekörper-Temperatur (TP) durchführbar sind, so dass die Wärmeleitfähigkeit (λ) in einem dreidimensionalen Kennfeld (KF) in Abhängigkeit vom Anpressdruck (p) und in Abhängigkeit von der Probekörper-Temperatur (TP) darstellbar ist.Device for determining the thermal conductivity (λ) of at least one specimen (7), with a measuring arrangement (1) consisting of at least one heating element (3), at least one cooling element (5) and the intermediate specimen (7), and with a control unit (11) , which during a measurement process in the static state based on the supplied heating/cooling power (K, Q), the specimen thickness (d), the measurement area (A) and the measured temperature difference (ΔT) between the heating element (3) and the cooling element (5) the thermal conductivity (λ) of the test specimen (7) is calculated, with the control unit (11) being able to carry out measurement processes at varying test specimen temperature (T P ) so that the thermal conductivity (λ) in a characteristic curve as a function of the test specimen -Temperature (T P ) can be represented, characterized in that the control unit (11) is assigned a prestressing unit (10), by means of which a contact pressure (p) acting on the measuring arrangement (1) in the stacking direction (S) can be adjusted ar is, and that measurement processes can be carried out in any combination with varying contact pressure (p) and/or with varying specimen temperature (T P ), so that the thermal conductivity (λ) in a three-dimensional map (KF) as a function of the contact pressure (p ) and can be displayed as a function of the specimen temperature (T P ). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinheit (10) den Stapel aus Heizkörper (3), Probekörper (7) und Kühlkörper (5) elastisch nachgiebig mit einer Federvorspannung beaufschlagt, zum Ausgleich von Längenänderungen der Messanordnung (1) während des Messvorgangs.device after claim 1 , characterized in that the prestressing unit (10) elastically resiliently applies a spring prestress to the stack of heating element (3), test body (7) and cooling element (5) in order to compensate for changes in length of the measuring arrangement (1) during the measuring process. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Probekörper (7) aus einem kompressiblen Material ausgebildet ist, und dass der Probekörper (7) unter Einwirkung der Vorspanneinheit (10) während eines Messvorgangs plastisch und/oder elastisch verformbar ist, und zwar unter Reduzierung der Probekörper-Dicke (d), und dass bevorzugt die Reduzierung der Probekörper-Dicke (d) durch die Federvorspannung ausgleichbar ist, so dass der auf die Messanordnung (1) wirkende Anpressdruck (p) im Wesentlichen unverändert aufrechterhalten bleibt.device after claim 1 or 2 , characterized in that the specimen (7) is formed from a compressible material, and that the specimen (7) under the action of the pre clamping unit (10) can be plastically and/or elastically deformed during a measurement process, specifically with a reduction in the thickness of the specimen (d), and that the reduction in the thickness of the specimen (d) can preferably be compensated for by the spring preload, so that the pressure on the Measuring arrangement (1) acting contact pressure (p) is maintained essentially unchanged. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (1) zwei Kühlkörper (5) aufweist, die in Stapelrichtung (S) beidseitig des Heizkörpers (3) angeordnet sind, und zwar unter Zwischenordnung jeweils eines Probekörpers (7).Device according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring arrangement (1) has two cooling bodies (5) which are arranged on both sides of the heating element (3) in the stacking direction (S), specifically with a test body (7) being arranged in between. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stapelrichtung (S) der Messanordnung (1) horizontal erstreckt, so dass die auf die beiden Probekörper (7) wirkenden Kräfte, das heißt Vorspann- und Gewichtskräfte, identisch sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the stacking direction (S) of the measuring arrangement (1) extends horizontally, so that the forces acting on the two test bodies (7), ie prestressing and weight forces, are identical. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen dem Heizkörper (3) und dem Kühlkörper (5) ein Heizkörper-Temperatursensor (17) und ein Kühlkörper-Temperatursensor (15) bereitgestellt ist, und dass die Probekörper-Temperatur (TP) aus der Kühlkörper-Temperatur (TK) und der Heizkörper-Temperatur (TH) gemittelt wird.Device according to one of the preceding claims, characterized in that a heater temperature sensor (17) and a heat sink temperature sensor (15) are provided to detect the temperature difference (ΔT) between the heater (3) and the heat sink (5), and that the specimen temperature (T P ) is averaged from the heat sink temperature (T K ) and the heater temperature (T H ).
DE102022200422.1A 2022-01-14 2022-01-14 Device for determining the thermal conductivity of a test specimen Active DE102022200422B3 (en)

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