DE112016004973T5

DE112016004973T5 - Vorrichtung zur messung der wärmeleitfähigkeit und wärmeleitfähigkeitsmessverfahren

Info

Publication number: DE112016004973T5
Application number: DE112016004973.0T
Authority: DE
Inventors: Yasuyuki Sanda; Dai Nakajima; Haruna Tada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2036-10-22
Also published as: DE112016004973B4; CN108351313A; US20180299391A1; JPWO2017073479A1; CN108351313B; US10768127B2; JP6509362B2; WO2017073479A1

Abstract

Die Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit gemäß der Erfindung weist Folgendes auf: ein erstes Halteelement, das eine mit einem Messobjekt in Berührung kommende Kontaktstirnfläche und eine der Kontaktstirnfläche gegenüberliegende distale Stirnfläche aufweist; ein zweites Halteelement, das eine mit einem Messobjekt in Berührung kommende Kontaktstirnfläche und eine der Kontaktstirnfläche gegenüberliegende distale Stirnfläche aufweist und das Messobjekt in Verbindung mit dem ersten Halteelement hält; ein Heizelement, das eine an der distalen Stirnfläche des ersten Halteelements anliegende Anschlag-Stirnfläche und eine an der Anschlag-Stirnfläche gegenüberliegende distale Stirnfläche aufweist und das erste Halteelement erwärmt; ein Kühlelement, das eine an der distalen Stirnfläche des zweiten Halteelements anliegende Anschlag-Stirnfläche und eine an der der Anschlag-Stirnfläche gegenüberliegende distale Stirnfläche aufweist und das zweite Halteelement kühlt; eine Vielzahl von Temperaturfühlern, die an den ersten und den zweiten Halteelementen vorgesehen sind; und einen Druckkraft-Aufbringungsmechanismus, der auf das erste Halteelement, das zweite Halteelement und das Messobjekt Druckkraft ausübt, wobei zumindest eines der nachfolgenden Teile eine gekrümmte vorstehende Form aufweist: die distale Stirnfläche des ersten Halteelements, die distale Stirnfläche des zweiten Halteelements, die Anschlag-Stirnfläche des Heizelements, die distale Stirnfläche des Heizelements, die Anschlag-Stirnfläche des Kühlelements und die distale Stirnfläche des Kühlelements.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit und ein Wärmeleitfähigkeitsmessverfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit eines Materials.
STAND DER TECHNIK
Es sind verschiedene Apparate bekannt, die einen thermophysikalischen Eigenschaftswert (insbesondere Wärmeleitfähigkeit) eines Messobjekts messen, wie z.B. eines Harzwerkstoffs und eines metallischen Werkstoffes, und einen thermischen Kontaktwiderstand zwischen Bauteilen aus einem Harzwerkstoff oder einem metallischen Werkstoff durch ein Verfahren im stationären Zustand (vgl. z.B. die Patentdokumente 1 bis 5).
Ein thermophysikalisches Eigenschaftsmessgerät mit einem im stationären Zustand arbeitenden Verfahren verwendet eine Konfiguration, bei der ein Messobjekt zwischen einem heizungsseitigen Halteelement mit einem Heizelement und einem kühlungsseitigen Halteelement mit einem Kühlelement angeordnet ist. Das heizungsseitige Halteelement und das kühlungsseitige Halteelement sind so konfiguriert, dass die Temperatur an mehreren Stellen gemessen werden kann, und ein gemessener Temperaturgradient wird verwendet, um einen thermophysikalischen Eigenschaftswert (z.B. Wärmeleitfähigkeit) eines Messobjekts und einen thermischen Kontaktwiderstand zwischen den Elementen zu erhalten.
STAND DER TECHNIK

Patentdokument 1: JP 5 379 760 B1
Patentdokument 2: JP 3 858 660 B1
Patentdokument 3: JP 2008 309 729 A
Patentdokument 4: JP 2011 102 768 A
Patentdokument 5: JP 5 509 195 B1

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Ein Messgerät zur Messung thermophysikalischer Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, thermischer Kontaktwiderstand, etc.) mit einem im stationären Zustand arbeitenden Verfahren hält einen Zustand aufrecht, in dem ein Messobjekt zwischen einem heizungsseitigen Halteelement mit mehreren Temperaturmessmechanismen und einem kühlungsseitigen Halteelement mit mehreren Temperaturmessmechanismen eingeklemmt ist und Wärme in einer Richtung fließen lässt vom heizungsseitigen Halteelement, das an eine Wärmequelle angeschlossen ist, durch das Messobjekt zum kühlungsseitigen Halteelement, das an eine Kühlquelle angeschlossen ist, um eine thermophysikalische Eigenschaft (z.B. Wärmeleitfähigkeit) des Messobjekts aus der an Temperaturmessstellen in beiden Halteelementen gemessenen Temperatur zu berechnen.
Bei der Berechnung des thermischen Kontaktwiderstandes zwischen den Elementen werden das heizungsseitige Halteelement und das kühlungsseitige Halteelement miteinander in Kontakt gebracht, während eine Druckkraft aufgebracht wird, ohne das Messobjekt einzuklemmen und der thermische Kontaktwiderstand wird aus der gemessenen Temperatur an den in beiden Halteelementen angeordneten Temperaturmessstellen berechnet.
Um die Messgenauigkeit des thermophysikalischen Eigenschaftswertes des Messobjekts zu gewährleisten, muss verhindert werden, dass ein Wärmefluss durch das heizungsseitige Halteelement, das Messobjekt und das kühlungsseitige Halteelement in dieser Reihenfolge räumlich verzerrt wird.
In dem oben beschriebenen Messgerät wird das Messobjekt im Normalzustand zwischen dem heizungsseitigen Halteelement und dem kühlungsseitigen Halteelement angebracht, d.h., wenn das Objekt so angeordnet wird, dass das heizungsseitige Halteelement, das Messobjekt und das kühlungsseitige Halteelement vertikal entlang einer Wärmedurchgangsrichtung (vertikale Richtung) angeordnet sind, dann kann die Wärme das heizungsseitige Halteelement, das Messobjekt und das kühlungsseitige Halteelement ohne Verzerrung des Wärmeflusses passieren.
Wenn andererseits das Messobjekt in einem nicht normalen Anordnungszustand zwischen dem heizungsseitigen Halteelement und dem kühlungsseitigen Halteelement angeordnet ist, d.h. wenn das heizungsseitige Halteelement, das Messobjekt und das kühlungsseitige Halteelement aus der Wärmedurchgangsrichtung (vertikale Richtung) gekippt werden, so ist der Wärmestrom räumlich verzerrt, und somit ist der thermophysikalische Eigenschaftswert des Messobjekts nicht genau messbar.
Um eine Anomalie der Anordnung des heizungsseitigen Halteelements, des Messobjekts und des kühlungsseitigen Halteelements zu erkennen, offenbart das Patentdokument 1 ein System, das mit einem Mechanismus ausgestattet ist, der in der Lage ist, eine Temperaturänderung in einer Richtung in der Ebene der Halteelemente in einer Richtung parallel zu den Oberflächen des heizungsseitigen Halteelements und des kühlungsseitigen Halteelements, die mit dem Messobjekt in Kontakt kommen, zu messen, und der die Temperaturänderung in der Ebene erfasst.
Das Hinzufügen des Systems, das eine Anomalie der Anordnung des heizungsseitigen Halteelements, des Messobjekts und des kühlungsseitigen Halteelements feststellt, macht das Gerät jedoch komplizierter und erhöht die Kosten. Da ein Betrieb mit ausreichender Aufmerksamkeit auf einen Anordnungszustand durchgeführt werden muss und eine Anomalie nicht erkannt werden kann, wenn mit der Messung nicht begonnen wird, dauert die Messung je nach dem Anordnungszustand länger, was zu einer Verschlechterung der Effizienz der Messung führt. Ein weiteres Problem ist, dass der thermophysikalische Eigenschaftswert des Messobjekts aufgrund eines eingestellten Schwellwertes der Temperaturschwankung in einigen Fällen nicht genau gemessen werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wärmeleitfähigkeitsmessgerät zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist, die Aufbauzeit und die Einstellzeit für die Messung zu verkürzen und effizient und hochgenau zu messen.
Mittel zum Lösen der Probleme
Um dies zu erreichen, weist eine Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung Folgendes auf:

- ein erstes Halteelement mit einer mit einem Messobjekt in Kontakt kommenden Kontaktstirnfläche und einer auf der der Kontaktstirnfläche gegenüberliegenden Seite angeordneten distalen Stirnfläche;
- ein zweites Halteelement mit einer mit dem Messobjekt in Kontakt kommenden Kontaktstirnfläche und einer auf der der Kontaktstirnfläche gegenüberliegenden Seite angeordneten distalen Stirnfläche, wobei das zweite Halteelement das Messobjekt zusammen mit dem ersten Halteelement hält;
- ein Heizelement mit einer an der distalen Stirnfläche des ersten Halteelements anliegenden Anschlag-Stirnfläche und einer an der der Anschlag-Stirnfläche gegenüberliegenden Seite angeordneten distalen Stirnfläche, wobei das Heizelement das erste Halteelement erwärmt;
- ein Kühlelement mit einer an der distalen Stirnfläche des zweiten Halteelements anliegenden Anschlag-Stirnfläche und einer an der der Anschlag-Stirnfläche gegenüberliegenden Seite angeordneten distalen Stirnfläche, wobei das Kühlelement das zweite Halteelement kühlt;
- eine Vielzahl von Temperaturfühlern, die im ersten Halteelement und im zweiten Halteelement angeordnet sind; und
- einen Druckkraft-Aufbringungsmechanismus, der eine Druckkraft auf das erste Halteelement, das zweite Halteelement und das Messobjekt ausübt,
- wobei zumindest eines der folgenden Elemente eine konvex gebogene Form aufweist, nämlich die distale Stirnfläche des ersten Halteelements, die distale Stirnfläche des zweiten Halteelements, die Anschlag-Stirnfläche des Heizelements, die distale Stirnfläche des Heizelements, die Anschlag-Stirnfläche des Kühlelements und die distale Stirnfläche des Kühlelements.

Effekt der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zumindest eines der folgenden Elemente konvex gekrümmt, nämlich die distale Stirnfläche des ersten Halteelements, die distale Stirnfläche des zweiten Halteelements, die Anschlag-Stirnfläche des Heizelements, die Anschlag-Stirnfläche des Kühlelements, die distale Stirnfläche des Heizelements, und die distale Stirnfläche des Kühlelements, so dass die Temperaturschwankungen in Ebenenrichtung des Messobjekts beim Aufbringen der Druckkraft auf das Messobjekt deutlich unterdrückt werden können. Dadurch können die Aufbauzeit und die Einstellzeit für die Messung verkürzt und eine effiziente und hochgenaue Messung durchgeführt werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4A ist eine erläuternde Darstellung eines Zustandes, in dem ein heizungsseitiges Halteelement gekippt ist, wenn die Parallelität eines Metallblocks einer Heizblockeinheit nicht erreicht wird;
4B ist eine erläuternde Darstellung eines Zustandes, in dem ein Messobjekt und Halteelemente gekippt sind;
5 ist ein Diagramm der Isothermen, wenn das Messobjekt und die Halteelemente nicht gekippt sind;
6 ist ein Diagramm der Isothermen, wenn das Messobjekt und die Halteelemente gekippt sind;
7A ist eine schematische Darstellung der Wirkung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beim Kippen des heizungsseitigen Halteelements, da die Parallelität des Metallblocks der Heizblockeinheit nicht erreicht wird;
7B ist eine schematische Darstellung der Wirkung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beim Kippen des Messobjekts und der Halteelemente;
8 ist eine erläuternde Darstellung eines Kontaktzustandes zwischen dem Halteelement und einer angrenzenden Stirnfläche eines Heizelements, wenn das Halteelement einen Durchmesser A und eine distale Stirnfläche mit einem Krümmungsradius R aufweist;
9 ist eine erläuternde Darstellung eines Kontaktzustandes an der distalen Stirnfläche des Halteelementes, das sowohl (a) einen teilweisen Kontakt als auch (b) einen vollständigen Kontakt besitzt;
10 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit, an der Schraubenfedern montiert sind, und
14 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit, an der Federaufnehmer und Schraubenfedern montiert sind.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsform 1
1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, allgemein bezeichnet mit dem Bezugszeichen 1. Die Vorrichtung 1 zur Messung der Wärmeleitfähigkeit besitzt ein heizungsseitiges Halteelement 7 und ein kühlungsseitiges Halteelement 9 mit einem Messobjekt 8 dazwischen, eine Heizblockeinheit 5, eine Kühlblockeinheit 6, eine Druckkraft-Einstellschraube 14, etc.
Das heizungsseitige Halteelement 7 und das kühlungsseitige Halteelement 9 sind unter Verwendung des gleichen Materials in gleicher Weise geformt und werden zu einer dreidimensionalen Form geformt, z.B. einer runden säulenförmigen oder einer rechteckigen säulenförmigen Form, mit einer mit dem Messobjekt 8 in Kontakt kommenden Kontaktstirnfläche und einer der Kontaktstirnfläche gegenüberliegenden distalen Stirnfläche. Durch die Verwendung eines Materials mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. Kupfer oder Aluminium als Material, kann eine thermophysikalische Eigenschaft des Messobjekts 8 gemessen werden. Andere verwendbare Materialien sind Aluminiumlegierungen, Edelstahl, etc.
Die Heizblockeinheit 5 besteht aus einem Material mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. aus Kupfer oder Aluminium, und besitzt einen Metallblock mit einer an der distalen Stirnfläche des heizungsseitigen Halteelements 7 anliegenden Anschlag-Stirnfläche, ein Heizelement, z.B. eine Keramikheizung oder eine Heizpatrone, etc. Der Metallblock hat die Funktion der Wärmeverteilung, um die Temperatur gleichmäßig zu machen, und ein wärmeleitfähiges Fett zur Reduzierung eines thermischen Kontaktwiderstandes wird je nach Bedarf auf einen Verbindungsbereich mit dem Heizelement aufgebracht. Das Heizelement wird an ein Steuergerät 18 für die Heizblockeinheit angeschlossen, um die Wärmeentwicklung zu steuern.
Die Kühlblockeinheit 6 besteht aus einem Material mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. Kupfer oder Aluminium, und weist Folgendes auf: einen Metallblock mit einer an der distalen Stirnfläche des kühlungsseitigen Halteelements 9 anliegenden Anschlag-Stirnfläche, ein Kühlelement, z.B. ein Wasserkühlgerät, ein Peltierelement oder eine Kombination aus Kühlkörper und Lüfter, etc.
Der Metallblock hat die Funktion der Wärmeverteilung, um die Temperatur gleichmäßig zu machen, und ein wärmeleitfähiges Fett zur Reduzierung eines thermischen Kontaktwiderstandes wird je nach Bedarf auf einen Verbindungsbereich mit dem Kühlelement aufgebracht. Das Kühlelement wird an ein Steuergerät 19 für die Kühlblockeinheit angeschlossen, um die Wärmeabgabe zu steuern.
Zur Reduzierung des thermischen Kontaktwiderstandes wird zwischen dem Metallblock der Heizblockeinheit 5 und dem heizungsseitigen Halteelement 7 sowie zwischen dem kühlungsseitigen Halteelement 9 und dem Metallblock der Kühlblockeinheit 6 Wärmeleitfett 10 aufgebracht.
Bei einer solchen Konfiguration wird die von der Heizblockeinheit 5 erzeugte Wärme auf das heizungsseitige Halteelement 7 übertragen, über das Messobjekt 8 auf das kühlungsseitige Halteelement 9 übertragen und dann in der Kühlblockeinheit 6 abgeführt. Wenn die Wärme auf diese Weise in konstanter Richtung hindurchströmt, bildet sich ein Temperaturgradient entsprechend der Wärmeleitfähigkeit der Elemente und der Differenz beim thermischen Kontaktwiderstand zwischen den Elementen aus.
Die Seitenflächen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 sind in Längsrichtung mehrfach gelocht. Thermoelemente 4 werden als Temperaturfühler in die Bohrungen eingesetzt und so fixiert, dass die Temperaturmessstellen mit den Achsen der Halteelemente 7 und 9 übereinstimmen. Diese mehreren Thermoelemente 4 ermöglichen die Messung der Temperaturverteilung entsprechend den vertikalen Positionen, deren Messwerte in ein Temperaturmessgerät 3 eingegeben werden, so dass die Temperatur ständig überwacht werden kann.
Aus diesen Messwerten kann die Wärmemenge, die durch das Messobjekt 8 hindurchgeht, berechnet werden, um den thermophysikalischen Eigenschaftswert des Messobjekts 8 und den thermischen Kontaktwiderstand zwischen den Elementen zu berechnen. Eine solche arithmetische Funktion kann in das Temperaturmessgerät 3 oder in einen über ein Netzwerk angeschlossenen externen Rechner integriert werden.
Die Kühlblockeinheit 6 befindet sich in der Mitte eines Sockels 17. Mehrere Stangen 15 (in 1: zwei Stangen 15) stehen an den Endabschnitten des Sockels 17 vertikal hervor. Über dem Sockel 17 ist eine Trägerplatte 12 so angeordnet, dass sie unter der Führung der Stange 15 vertikal verschiebbar ist. Die Heizblockeinheit 5 ist an der Trägerplatte 12 befestigt. Eine obere Platte 16 ist an den oberen Enden der Stangen 15 befestigt.
Durch die Bereitstellung mehrerer Stangen 15, wie oben beschrieben, kann die vertikale Ausrichtung zwischen der Heizblockeinheit 5, dem heizungsseitigen Halteelement 7, dem Messobjekt 8, dem kühlungsseitigen Halteelement 9 und der Kühlblockeinheit 6 gewährleistet werden.
Die Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit 1 besitzt außerdem eine Druckkraftverstellung zur Einstellung einer auf das Messobjekt 8 über das heizungsseitige Halteelement 7 und das kühlungsseitige Halteelement 9 ausgeübten Druckkraft. Die Einrichtung zur Druckkraftverstellung weist Folgendes auf: die Trägerplatte 12, die an einem oberen Element der Heizblockeinheit 5 angeordnet ist und die Heizblockeinheit 5 trägt, eine Kraftmessdose 11, die an der Trägerplatte 12 zur Überwachung der Druckkraft angeordnet ist, einen Abstandhalter 13 an der Kraftmessdose 11 zur Übertragung der Druckkraft auf die Kraftmessdose 11, die Druckkraft-Einstellschraube 14 an der oberen Platte 16 zur Aufbringung der Druckkraft über den Abstandhalter 13 auf die Kraftmessdose 11, etc. Die von der Kraftmessdose 11 gemessene Druckkraft wird in ein Messsteuergerät 2 eingegeben, so dass die Druckkraft ständig überwacht werden kann.
Eine Technik zur Einstellung einer Druckkraft wird nachstehend beschrieben. Wird die thermophysikalische Eigenschaft des Messobjekts 8 gemessen, durchläuft die von der Heizblockeinheit 5 zugeführte Wärme das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9 und erreicht die Kühlblockeinheit 6. Durch die durchströmende Wärme steigt die Temperatur in den Komponenten, d.h. der Heizblockeinheit 5, dem heizungsseitigen Halteelement 7, dem Messobjekt 8, dem kühlungsseitigen Halteelement 9 und der Kühlblockeinheit 6. Wenn die Temperatur in den Komponenten steigt, dehnen sich die Elemente aus, und die auf die Kraftmessdose 11 ausgeübte Druckkraft ändert sich während der Messung.
Da die auf das Messobjekt 8 ausgeübte Druckkraft in der thermophysikalischen Eigenschaftsmessung des Messobjekts 8 auf eine konstante Kraft geregelt werden muss, ist es notwendig, die Druckkraft-Einstellschraube 14 in Abhängigkeit von einer angezeigten Druckkraft einzustellen. Es wird darauf hingewiesen, dass die thermophysikalischen Eigenschaften des Messobjekts genau gemessen werden können, wenn Abweichungen von einer vorgegebenen Druckkraft innerhalb von ± 5 % oder vorzugsweise Abweichungen von einer vorgegebenen Druckkraft innerhalb von ± 1 % liegen.
Die „konstante Druckkraft“ gemäß der vorliegenden Erfindung impliziert daher Abweichungen von einer vorgegebenen Druckkraft im Bereich von ± 5 %, vorzugsweise ± 1 %. Daher ist es vorzuziehen, die Druckkraft-Einstellschraube 14 durch Rückkopplung der auf die Kraftmessdose 11 ausgeübten Druckkraft so einzustellen, dass die Druckkraft auf einen vorgegebenen konstanten Wert geregelt wird. Dies ermöglicht den Verzicht auf ein manuelles Eingreifen und die Automatisierung der Messung. Die Trägerplatte 12 und der Abstandhalter 13 sind vorzugsweise aus einem ausreichend steifen Metall gefertigt.
Wie in 2 dargestellt, wird eine wärmeisolierende Platte 20 vorzugsweise zwischen der Heizblockeinheit 5 und der Trägerplatte 12 angeordnet. Eine von der Heizblockeinheit 5 auf die Trägerplatte 12 übertragene Wärmemenge kann somit reduziert werden, so dass die über das heizungsseitige Halteelement 7 auf das Messobjekt 8 übertragene Wärmemenge erhöht werden kann.
Bei der Messung der thermophysikalischen Eigenschaft des Messobjekts 8 ist auch die Dickeninformation des Messobjekts 8 wichtig. Wie in 3 dargestellt, kann ein Dickenanzeigegerät 21 angeordnet werden, das die Gesamtdicke des heizungsseitigen Halteelements 7, des Messobjekts 8 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 im Messzustand anzeigen kann. Das Dickenanzeigegerät 21 kann aus einem Laser-Entfernungsmesser, einer optischen Skala, einer magnetischen Skala usw. bestehen.
Dies ist jedoch keine Einschränkung, solange die Dicke des Messobjekts 8 mit Hilfe einer Position und eines Mechanismus berechnet werden kann, ohne die in 3 gezeigte Position zu verwenden. Durch Vorabmessung der Dicke des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 mit Schieblehren, einem Mikrometer, etc. kann die Dicke des Messobjekts 8 genauer aus der auf dem Dickenanzeigegerät 21 angezeigten Dicke berechnet werden.
Die Form der Halteelemente wird nachstehend beschrieben. Die Form des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 ist beispielsweise eine kreisförmige Säulenform mit einem Durchmesser von 10 mm bis 30 mm und einer Höhe von 30 mm bis 100 mm, so dass der thermophysikalische Eigenschaftswert des Messobjekts 8 und der thermische Kontaktwiderstand zwischen den Elementen präzise und genau gemessen werden können. Auch wenn die Elemente eine rechteckige Säulenform usw. haben, kann die Messung mit der gleichen Genauigkeit durchgeführt werden.
Zurück zu 1: Es werden die Kontaktstirnflächen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 zu ebenen Flächen gemacht, wobei bearbeitete Flächen mit geringerer Oberflächenrauhigkeit vorzuziehen sind. In Experimenten wird die thermophysikalische Eigenschaft des Messobjekts exakt gemessen, wenn die Flächen auf die arithmetische mittlere Rauigkeit Ra = 0,8 µm gebracht werden. Die Oberflächenrauheit ist jedoch nicht auf diesen Wert beschränkt.
Das Messobjekt 8 wird zwischen die Kontaktstirnflächen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 eingesetzt und fixiert. Ist das Messobjekt 8 eine Flüssigkeit, wird das Objekt durch einen Spender und Siebdruck auf eine bestimmte Dicke eingestellt und zwischen dem heizungsseitigen Halteelement 7 und dem kühlungsseitigen Halteelement 9 eingebracht. Das heizungsseitige Halteelement 7 und das kühlungsseitige Halteelement 9 können durch die Viskositätskraft oder die Haftkraft des Messobjekts 8 selbst oder durch ein Hilfsteil, wie z.B. ein Klebeband fixiert werden.
Um die Wärmeabführung durch Wärmeübertragung von den Oberflächen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 an die Luft zu reduzieren, kann ein Wärmedämmmaterial um die Halteelemente gewickelt werden. Bei der Messung der thermophysikalischen Eigenschaft des Messobjekts 8 werden das heizungsseitige Halteelement 7 und das kühlungsseitige Halteelement 9 mit dem dazwischenliegenden Messobjekt 8 integral an der Kühlblockeinheit 6 angebracht und anschließend zwischen der Heizblockeinheit 5 und der Kühlblockeinheit 6 eingebracht.
Weiterhin wird durch das Anziehen der Druckkraft-Einstellschraube 14 als Druckkraft-Einstellmechanismus einschließlich der Kraftmessdose 11 eine konstante Druckkraft auf das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9 aufgebracht und in diesem Zustand die Messung der thermophysikalischen Eigenschaft gestartet.
Ferner sind die distale Stirnfläche des heizungsseitigen Halteelements 7, die mit der Heizblockeinheit 5 in Berührung kommt, und die distale Stirnfläche des kühlungsseitigen Halteelements 9, die mit der Kühlblockeinheit 6 in Berührung kommt, mit einer planen R-Form (konvexe zylindrische Fläche) oder einer sphärischen R-Form (konvexe sphärische Fläche) versehen.
Herkömmlicherweise sind diese distalen Stirnflächen flach, und somit muss zur genauen Messung der thermophysikalischen Eigenschaft des Messobjekts 8, wenn Wärme durch das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9 fließt, die Wärme symmetrisch um das axiale Zentrum ohne Verzerrung durchgelassen werden, derart, dass die Temperatur in einer Ebene (einer Ebene senkrecht zu den Achsen) des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 verteilt wird, wie in einem Isothermen-Diagramm gemäß 5 dargestellt, und eine Temperaturschwankung in der Ebene muss so gering wie möglich sein. In diesem Diagramm bezeichnet die Bezugsziffer 25 eine Temperaturmessstelle des Thermoelements 4 und die Bezugsziffer 26 eine Isotherme einer bestimmten Temperatur.
Damit die Wärme von der Heizblockeinheit 5 durch die axialen Zentren des heizungsseitigen Halteelements 7, des Messobjekts 8, des kühlungsseitigen Halteelements 9 und der Kühlblockeinheit 6 geleitet werden kann, ist es notwendig, das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9 so anzuordnen, dass die Achsen dieser drei Elemente zusammenfallen, d.h. so, dass die axialen Zentren des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 sowie die Mittelachse des Messobjekts 8 auf einer geraden Linie liegen.
Gegenüber der Heizblockeinheit 5 und der Kühlblockeinheit 6 sind das heizungsseitige Halteelement 7 und das kühlungsseitige Halteelement 9 jedoch klein. Wird also eine Druckkraft durch das Einstellen der Druckkraft-Einstellschraube 14 auf die Elemente, d.h. das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9, aufgebracht, kann es zu einer Abweichung zwischen den Achsen der drei Elemente, d.h. dem heizungsseitigen Halteelement 7, dem Messobjekt 8 und dem kühlungsseitigen Halteelement 9 kommen.
Tatsächlich liegen die Achsen der drei Elemente, d.h. von dem heizungsseitigen Halteelement 7, dem Messobjekt 8 und dem kühlungsseitigen Halteelement 9, unter Berücksichtigung der Parallelität und Ebenheit der Stirnfläche des Heizelements und der Stirnfläche des durch Bearbeitung, Oberflächenbehandlung usw. hergestellten Kühlelements nicht auf einer geraden Linie und weichen in der Regel nicht nur geringfügig ab, obwohl sich die entsprechenden Werte unterscheiden kann.
4A zeigt ein Beispiel, bei dem die Parallelität des Metallblocks der Heizblockeinheit 5 nicht erreicht wird, d.h. bei dem die Unterseite des Metallblocks nicht horizontal ist. Wird eine Druckkraft aufgebracht, wenn die Parallelität des Metallblocks der Heizblockeinheit 5 nicht erreicht wird, folgt die distale Stirnfläche des heizungsseitigen Halteelements 7 der angrenzenden Stirnfläche des Metallblocks ohne erzielte Parallelität, so dass die Anschlag-Stirnfläche des heizungsseitigen Halteelements 7 mit dem Messobjekt nur in einen partiellen Kontakt kommt.
Wenn die Stirnfläche des heizungsseitigen Halteelements 7 nur teilweise mit dem Messobjekt 8 in Berührung kommt, wie in 4A dargestellt, dann ist ein Wärmefluss, der durch das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9 fließt, nicht symmetrisch zur axialen Mitte und wird nach einer Seite hin verzerrt, wie mit den Richtungspfeilen 50 angegeben. Folglich durchläuft die Wärme, wie in 6 dargestellt, das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9 abweichend von der Mitte, so dass Temperaturschwankungen in Richtung der Ebene des Messobjekts 8 größer werden, so dass die thermophysikalische Eigenschaft des Messobjekts 8 nicht genau gemessen werden kann.
Um die thermophysikalischen Eigenschaften des Messobjekts 8 genau zu messen, ist es daher notwendig, eine Bestätigung und Einstellung der Parallelität durchzuführen, damit die Parallelität in jedem der Elemente erreicht wird, nämlich von der Heizblockeinheit 5, die mit dem heizungsseitigen Halteelement 7 und der Kühlblockeinheit 6, die mit dem kühlungsseitigen Halteelement 9 in Berührung kommt. In diesem Fall ist ein geschicktes Arbeiten erforderlich, was die Aufbauzeit und die Einstellzeit für die Messung verlängert.
Alternativ ist es denkbar, dass eine Einheit, die eine thermische Vorspannung in den Komponenten oder Elementen misst, hinzugefügt wird, um eine Korrektur entsprechend der gemessenen thermischen Vorspannung durch Berechnung ohne Einstellarbeiten vorzunehmen. In diesem Fall sind komplizierte Berechnungen erforderlich, und die Messgenauigkeit kann reduziert werden.
7A zeigt ein Beispiel, bei dem die vorliegende Erfindung verwendet wird, wenn die Parallelität der Stirnfläche des Metallblocks der Heizblockeinheit 5 nicht erreicht wird. Da die Parallelität der Stirnfläche der Heizblockeinheit 5 in der Anfangsphase der Druckkraftaufbringung nicht erreicht wird, so wird der heizungsseitige Halteelement 7 gekippt und kommt nur teilweise in Kontakt mit dem Messobjekt 8. In diesem Fall wird der Wärmestrom durch das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9 verzerrt und die Temperaturabweichung in der Ebene des Messobjekts 8 groß, so dass die thermophysikalischen Eigenschaften des Messobjekts 8 nicht genau gemessen werden können.
Da jedoch die distalen Stirnflächen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 bei der vorliegenden Erfindung mit einer planen R-Form (konvexe zylindrische Fläche) oder einer sphärischen R-Form (konvexe sphärische Fläche) versehen sind, geschieht dann, wenn das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9 das Messobjekt 8 zwischen der Kühlblockeinheit 6 und der Heizblockeinheit 5 liegen, und eine Druckkraft von der Druckkraft-Einstellschraube 14 auf die Heizblockeinheit 5, das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8, das kühlungsseitige Halteelement 9 und die Kühlblockeinheit 6 aufgebracht wird, Folgendes:
Das heizungsseitige Halteelement 7 und das kühlungsseitige Halteelement 9 mit den mit der planen R-Form oder der sphärischen R-Form versehenen distalen Stirnflächen versuchen, in eine stabile Haltung zu gelangen, so dass eine der Oberfläche der Heizblockeinheit 5 folgende Bewegung von selbst auftritt (7A(b)). Das Bezugszeichen 27 bezeichnet einen Druckkraftvektor von der Druckkraft-Einstellschraube 14. Das Bezugszeichen 28 bezeichnet einen horizontalen Druckkraftvektor, der auf die gekrümmte Oberfläche des heizungsseitigen Halteelements 7 wirkt, wenn die Druckkraft aufgebracht wird.
Aufgrund dieser Bewegung können, wie in 7A(c) dargestellt, die Achsen der drei Elemente, d.h., das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8, und das kühlungsseitige Halteelement 9, durch einfaches Aufbringen der Druckkraft durch die Druckkraft-Einstellschraube 14 ohne besondere Justierung in Übereinstimmung gebracht werden, und die Wärme kann axial symmetrisch durch das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8, und das kühlungsseitige Halteelement 9 geleitet werden (siehe 5), so dass Temperaturschwankungen in der Ebene des Messobjekts 8 deutlich reduziert werden können. Dadurch kann die thermophysikalische Eigenschaft des Messobjekts 8 ohne besondere Justierung präzise und effizient gemessen werden.
Damit die Wärme von der Heizblockeinheit 5 durch die axialen Zentren des heizungsseitigen Halteelements 7, des Messobjekts 8, des kühlungsseitigen Halteelements 9 und der Kühlblockeinheit 6 geleitet werden kann, ist es vorzuziehen, dass das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9 ohne Neigung zur Achse des gesamten Messgerätes (Achse in vertikaler Richtung) angeordnet werden.
Gegenüber der Heizblockeinheit 5 und der Kühlblockeinheit 6 sind das heizungsseitige Halteelement 7 und das kühlungsseitige Halteelement 9 jedoch klein. Daher können, wie in 4B dargestellt, die Elemente beim Aufbringen einer Druckkraft durch ein Verstellen der Druckkraft-Einstellschraube 14 auf die Elemente, d.h. das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9, relativ zur Achse des Gerätegrundkörpers gekippt werden.
Wenn die Elemente, wie in 6 dargestellt, gekippt werden, durchläuft die Wärme das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9, wobei sie - von der Mitte aus gesehen - verzerrt oder verschoben wird, und die thermophysikalische Eigenschaft des Messobjekts 8 kann nicht genau gemessen werden. Daher ist es notwendig, eine Bestätigung und Justierung durchzuführen, damit die Parallelität in jedem Element, der Heizblockeinheit 5, die mit dem heizungsseitigen Halteelement 7 in Berührung kommt und der Kühlblockeinheit 6, die mit dem kühlungsseitigen Halteelement 9 in Berührung kommt, erreicht wird. In diesem Fall ist ein geschicktes Arbeiten erforderlich, was die Aufbauzeit und die Einstellzeit für die Messung verlängert.
Auch in diesem Fall ist es alternativ denkbar, dass eine Einheit, die eine thermische Vorspannung in den Elementen misst, hinzugefügt wird, um eine Korrektur entsprechend der gemessenen thermischen Vorspannung durch Berechnung ohne Einstellarbeiten vorzunehmen; allerdings sind komplizierte Berechnungen erforderlich und die Messgenauigkeit kann reduziert werden.
Bei dieser Ausführungsform sind, wie in 7 B(a) gezeigt, die aneinanderstoßenden Stirnflächen der Heizblockeinheit 5 und der Kühlblockeinheit 6 plan geformt, und die distalen Stirnflächen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 sind mit einer planen R-Form (konvexe zylindrische Fläche) oder einer sphärischen R-Form (konvexe sphärische Fläche) versehen, um einen automatischen Ausrichtungsmechanismus zu realisieren.
Wenn das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9 von der Kühlblockeinheit 6 und der Heizblockeinheit 5 eingeklemmt werden und eine Druckkraft von der Druckkraft-Einstellschraube 14 auf die Heizblockeinheit 5, das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8, das kühlungsseitige Halteelement 9 und die Kühlblockeinheit 6 ausgeübt wird, tritt folglich eine Bewegung auf, die den Oberflächen der Heizblockeinheit 5 und der Kühlblockeinheit 6 folgt, wie in 7B(b) dargestellt und zwar im heizungsseitigen Halteelement 7, dem Messobjekt 8 und dem kühlungsseitigen Halteelement 9, die das Messobjekt 8 einklemmen, aufgrund der planen R-Form oder der sphärischen R-Form an den distalen Stirnflächen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9.
Das Bezugszeichen 27 bezeichnet einen Druckkraftvektor von der Druckkraft-Einstellschraube 14. Das Bezugszeichen 28 bezeichnet einen horizontalen Druckkraftvektor, der auf die gekrümmte Oberfläche des heizungsseitigen Halteelements 7 wirkt, wenn die Druckkraft aufgebracht wird. Das Bezugszeichen 29 bezeichnet einen horizontalen Druckkraftvektor, der auf die gekrümmte Oberfläche des kühlungsseitigen Halteelements 9 wirkt, wenn die Druckkraft aufgebracht wird.
Durch diese Bewegung können, wie in 7B(c) dargestellt, die Achsen der Elemente, d.h. des heizungsseitigen Halteelements 7, des Messobjekts 8 und des kühlungsseitigen Halteelements 9, durch einfaches Aufbringen einer Druckkraft durch die Druckkraft-Einstellschraube 14 ohne besondere Justierung auf die Achse der Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit ausgerichtet werden. Dadurch durchläuft die Wärme, wie in 5 dargestellt, die Zentren des heizungsseitigen Halteelements 7, des Messobjekts 8 und des kühlungsseitigen Halteelements 9, so dass die thermophysikalischen Eigenschaften des Messobjekts 8 genau gemessen werden können.
In diesem Fall werden die distalen Stirnflächen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 mit einer planen R-Form (konvexe zylindrische Fläche) oder einer sphärischen R-Form (konvexe sphärische Fläche) versehen, um die Reibungskraft zu minimieren, die wirkt, wenn die Elemente versuchen, während der Anwendung der Druckkraft in eine stabile Haltung zu gelangen und den durch die Druckkraft erzeugten Druckkraftvektor zu maximieren. Um eine hohe Messgenauigkeit zu gewährleisten, ist es wünschenswert, die Wärmemenge durch das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9 zu erhöhen, um die Messtemperatur an den Thermoelementen zu erhöhen, d.h. den Temperaturgradienten zu vergrößern.
Denn der Einfluss der Messtemperaturschwankungen in den Thermoelementen (z.B. ± 1,5 °C bei K Thermoelementen, Klasse 1) kann durch Erhöhung der durchfließenden Wärme unterdrückt werden, um die Messtemperatur an den Thermoelementen zu erhöhen. Sind der Durchfluss an Wärme und der Temperaturgradient gering, beeinflusst diese Messtemperaturänderung die thermophysikalischen Eigenschaften des Messobjekts erheblich. Ist die Dicke des Wärmeleitfetts 10 (siehe 1) groß, wird der Wärmewiderstand des wärmeleitenden Fettes groß, und die Messtemperatur in den Thermoelementen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 wird niedrig, was zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit führt. Daher ist es notwendig, das Wärmeleitfett so dünn wie möglich aufzutragen.
In Experimenten, bei denen die Halteelemente 7 und 9 eine kreisförmige Säulenform von 15 mm Durchmesser und 30 mm Höhe hatten und an den distalen Stirnflächen eine konvexe sphärische Fläche mit einem Krümmungsradius R gebildet wurde, waren die thermophysikalischen Eigenschaftswerte des Messobjekts 8 und des thermischen Kontaktwiderstandes zwischen den Elementen besonders genau messbar.
8 zeigt einen vertikalen Querschnitt des Halteelements. Wenn das heizungsseitige Halteelement 7 und das kühlungsseitige Halteelement 9 einen Durchmesser A und die distalen Stirnflächen einen Krümmungsradius R und die Halteelemente 7 und 9 die oben beschriebene Konfiguration hatten, war die thermophysikalische Eigenschaft des Messobjekts 8 genau messbar, wobei die Größe eines Bereiches des Halteelements der Heizblockoberfläche der konvexen sphärischen Form entspricht, nämlich: R-sqrt (R²-(A/2)²). Dieser Wert besitzt zweckmäßigerweise eine Größe, die den folgenden Relationen genügt: $0.01 \leq R-sqrt (R^{2} - {(A/ 2)}^{2}) \leq 0.1,$
bevorzugter, $0.02 \leq R-sqrt (R^{2} - {(A/ 2)}^{2}) \leq 0.05.$
Es wurden Versuche durchgeführt, wobei das Halteelement eine Form von 15 mm Durchmesser, d.h. A = 15 mm, und die jeweiligen konvexen sphärischen Formen R563 und R1406 (ein Radius R von 563 mm und 1406 mm) hatten. $R563 entspricht R-sqrt (R^{2} - {(A/ 2)}^{2}) = 0,02$
und $R1406 entspricht R-sqrt (R^{2} - {(A/ 2)}^{2}) = 0,05.$
Die Größe des Krümmungsradius R ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann bei Bedarf verändert werden.
9 zeigt Ergebnisse der Bestätigung des Einflusses auf einen Kontaktzustand (z.B. Druckverteilung) unter Verwendung einer runden Säule von 15 mm Durchmesser und 30 mm Höhe, wenn die distalen Stirnflächen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 mit der planen R-Form oder der sphärischen R-Form versehen sind. Es ist zu erkennen, dass in 9(a) bei flacher distaler Stirnfläche ein Teilkontakt in einer Kontaktfläche 30 der distalen Stirnfläche auftritt, in 9(b) jedoch ein Vollkontakt in der Kontaktfläche 30, wenn die distale Stirnfläche mit der sphärischen R-Form versehen ist.
Im oben beschriebenen Fall wird das Messobjekt 8 zwischen dem heizungsseitigen Halteelement 7 und dem kühlungsseitigen Halteelement 9 eingeklemmt, um den thermophysikalischen Eigenschaftswert des Messobjekts 8 zu messen. Zusätzlich zu einem solchen Fall wird ein großer Effekt auf die Messung ohne das eingeklemmte Messobjekt 8 erzeugt. Dies ist genauer gesagt der Fall, bei dem die Druckkraft und der Kontakt-Wärmewiderstand zwischen den Elementen nur aus dem heizungsseitigen Halteelement 7 und dem kühlungsseitigen Halteelement 9 berechnet werden, ohne das Messobjekt 8 einzuklemmen.
Bei der Berechnung des Kontakt-Wärmewiderstands hat der Kontaktzustand zwischen dem heizungsseitigen Halteelement 7 und dem kühlungsseitigen Halteelement 9 großen Einfluss auf das Messergebnis. Durch die Ausbildung der planen R-Form oder der kugelförmigen R-Form an den distalen Stirnflächen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9, wie bei der vorliegenden Erfindung, wird ein idealer Kontaktzustand mit gleichmäßigem Kontakt zwischen beiden Elementen ohne besondere Justierung erreicht, wie in 9 dargestellt. Durch die Messung des thermischen Kontaktwiderstandes in diesem Zustand kann der Kontakt-Wärmewiderstand effizient und genau gemessen werden.
Obwohl ein wärmeleitendes Fett zwischen der Anschlag-Stirnfläche der Heizblockeinheit 5 und der distalen Stirnfläche des heizungsseitigen Halteelements 7 in dem in 1 gezeigten Beispiel angeordnet ist, wird die Anschlag-Stirnfläche der Heizblockeinheit 5 vorzugsweise mit einer Fettaussparung versehen, die die Oberseite der distalen Stirnfläche des heizungsseitigen Halteelements 7 aufnehmen kann, um Unannehmlichkeiten, wie durch Druckbeaufschlagung ausgedrücktes oder durch Erwärmung während der Messung austretendes wärmeleitendes Fett, zu vermeiden. Da zudem der Freiheitsgrad der horizontalen Lage des Halteelementes während der Einstellarbeiten eingeschränkt ist, wird die Positionierung vorteilhaft erleichtert.
Ein wärmeleitendes Fett ist durch einen darin enthaltenen Füllstoff auf eine bestimmte Dicke begrenzt, hat eine Wärmeleitfähigkeit von etwa mehreren W/mK und damit einen gewissen Wärmewiderstand. Da der Wärmestrom jedoch über die Wärmemenge, die das Messobjekt durchströmt, mit Hilfe der in den Abbildungen in der vorliegenden Wärmeleitfähigkeitsmessmethode gezeigten Mehrfach-Thermoelemente berechnet wird, tritt im Messobjekt kein Einfluss des Wärmeleitfettes auf. Dadurch können hochgenaue Messungen durchgeführt werden.
Bei dem oben beschriebenen Beispiel werden die distalen Stirnflächen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 konvex gebogen. Das Aufbringen der konvex gebogenen Form auf nur eine der distalen Stirnflächen stellt jedoch auch kein Problem dar.
Bei dem oben beschriebenen Beispiel wird die vorliegende Erfindung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit verwendet; die vorliegende Erfindung ist jedoch auch für die Messung des thermischen Widerstandes anwendbar, der der Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit ist.
Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie z.B. in 1 dargestellt, werden die Stangen 15 (zwei-Stangen-Fixierung mit den zwei Stangen 15 aus 1) zur Sicherstellung der vertikalen Ausrichtung der Heizblockeinheit 5, des heizungsseitigen Halteelements 7, des Messobjekts 8, des kühlungsseitigen Halteelements 9 und der Kühlblockeinheit 6 verwendet; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Struktur beschränkt.
Insbesondere durch die Bildung der planen R-Form (konvexe zylindrische Fläche) oder der sphärischen R-Form (konvexe sphärische Fläche) an den distalen Stirnflächen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9, wie bei der vorliegenden Erfindung, kann ein teilweiser Kontakt verhindert und ein vollständiger Kontakt zwischen dem heizungsseitigen Halteelement 7 und dem Messobjekt 8 sowie zwischen dem Messobjekt 8 und dem kühlungsseitigen Halteelement 9 erreicht werden, auch wenn das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9 gekippt sind. Damit kann die thermophysikalische Eigenschaft des Messobjekts 8 genau gemessen werden, ohne mehrere Stangen 15 wie in 1 zu verwenden.
10 ist eine schematische Darstellung eines Ein-Stangen-Fixationsmessgerätes mit einem Schraubstock 55, wobei in 10 die gleichen Bezugszeichen die gleichen oder entsprechende Elemente wie in 1 bezeichnen. Mit der vorliegenden Erfindung kann die thermophysikalische Eigenschaft des Messobjekts 8 auch bei der Ein-Stangen-Fixierung mit dem Schraubstock 55 etc. genau gemessen werden, wie in 10 dargestellt.
Ausführungsform 2
11 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und in 11 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in 1 die gleichen oder entsprechende Teile. Bei der Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit gemäß der zweiten Ausführungsform haben die distalen Stirnflächen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 sowie die Anschlag-Stirnflächen der Heizblockeinheit 5 und der Kühlblockeinheit 6 andere Formen als die der Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit gemäß 1.
Genauer gesagt, es werden die distalen Stirnflächen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 plan geformt, während die Anschlag-Stirnflächen der Heizblockeinheit 5 und der Kühlblockeinheit 6 mit einer planen R-Form (konvexe zylindrische Fläche) oder einer sphärischen R-Form (konvexe sphärische Fläche) versehen sind, um die Temperaturschwankungen in Richtung der Ebene des Messobjekts 8 zu unterdrücken.
Wenn das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9 die das Messobjekt 8 einklemmen, an der Kühlblockeinheit 6 angebracht sind und eine Druckkraft von der Druckkraft-Einstellschraube 14 aufgebracht wird, so wird bei der zweiten Ausführungsform durch das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9 versucht, in eine stabilen Haltung zu gelangen, da die Anschlag-Stirnflächen der Heizblockeinheit 5 und der Kühlblockeinheit 6 mit der planen R-Form (konvexe zylindrische Fläche) oder der sphärischen R-Form (konvexe sphärische Fläche) versehen sind.
Mit anderen Worten, wie im Fall von 7B der ersten Ausführungsform, treten die Druckkraftvektoren (28, 29 von 7B) selbständig ohne besondere Justierung aufgrund der planen R-Form oder der sphärischen R-Form auf den Metallblockflächen auf. Dadurch wird die Wärme axial symmetrisch durch das heizungsseitige Halteelement 7, das Messobjekt 8 und das kühlungsseitige Halteelement 9 geleitet (5), so dass Temperaturschwankungen in Richtung der Ebene des Messobjekts 8 reduziert werden. Somit kann die thermophysikalische Eigenschaft des Messobjekts 8 ohne besondere Justierung präzise und effizient gemessen werden.
Auch wenn die distale Stirnfläche der Heizblockeinheit 5 und die distale Stirnfläche der Kühlblockeinheit 6 mit der planen R-Form (konvexe zylindrische Fläche) oder der sphärischen R-Form (konvexe sphärische Fläche) versehen sind, können, wie in 12 dargestellt, die Achsen des heizungsseitigen Halteelements 7, des Messobjekts 8 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 durch das Aufbringen einer Druckkraft in Übereinstimmung gebracht werden, so dass Temperaturschwankungen in der Ebene des Messobjekts maximal unterdrückt werden können. Dadurch kann die thermophysikalische Eigenschaft des Messobjekts genau und effizient gemessen werden.
Wenn die Anschlag-Stirnflächen der Heizblockeinheit 5 und der Kühlblockeinheit 6 mit der planen R-Form oder der sphärischen R-Form mit einem größeren Krümmungsradius R versehen sind, wird die Flächen-Folgewirkung oder das Flächen-Folgevermögen besser genutzt.

Die folgende Tabelle 1 zeigt einen Zusammenhang zwischen einer Kombination aus einer konvex gekrümmten Form und einer planen Form mit der Flächen-Folgewirkung in Bezug auf die distalen Stirnflächen des heizungsseitigen Halteelements 7 und des kühlungsseitigen Halteelements 9 sowie der Anschlag-Stirnflächen der Heizblockeinheit 5 und der Kühlblockeinheit 6. Herkömmlicherweise haben alle Stirnflächen eine ebene, plane Form (Nr. 1) und es tritt keine Flächen-Folgewirkung auf. Hat dagegen zumindest eine der Stirnflächen eine konvex gekrümmte Form und der Rest eine plane Form (Nr. 2 bis 10), so tritt eine Flächen-Folgewirkung auf, und die Flächen-Folgewirkung nimmt in der Regel mit zunehmender Anzahl der Stirnflächen mit einer konvex gekrümmten Form zu. Tabelle 1

Nr.	Anschlag-Stirnfläche der Heizblockeinheit 5	distale Stirnfläche des heizungsseitigen Halteelements 7	distale Stirnfläche des kühlungsseitigen Halteelements 9	Anschlag-Stirnfläche der Kühlblockeinheit 6	Flächen-Folgewirkung	Messgenauigkeit
1	plan	plan	plan	plan	Nein	schlecht (x)
2	plan	konvex gekrümmt	konvex gekrümmt	plan	Ja	sehr gut (⊚)
3	plan	plan	konvex gekrümmt	plan	Ja	gut (○)
4	plan	konvex gekrümmt	plan	plan	Ja	gut (○)
5	konvex gekrümmt	plan	plan	konvex gekrümmt	Ja	gut (○)
6	plan	plan	plan	konvex gekrümmt	Ja	gut (○)
7	konvex gekrümmt	plan	plan	plan	Ja	gut (○)
8	konvex gekrümmt	konvex gekrümmt	konvex gekrümmt	konvex gekrümmt	Ja	sehr gut (⊚)
9	plan	plan	konvex gekrümmt	konvex gekrümmt	Ja	gut (○)
10	konvex gekrümmt	konvex gekrümmt	plan	plan	Ja	gut (○)

Wie in 13 dargestellt, kann durch die Montage mehrerer Schraubenfedern 33 an den Stangen 15 zwischen Trägerplatte 12 und Abstandhalter 13 eine Druckkraft auf die Heizblockeinheit 5 aufgebracht werden, während die Trägerplatte 12 und der Abstandhalter 13 durch die Federkraft parallel gehalten werden. Somit kann die Druckkraft im axial ausgerichteten Zustand gegenüber dem heizungsseitigen Halteelement 7 aufgebracht werden.
Alternativ kann, wie in 14 dargestellt, kann die Druckkraft durch die Befestigung eines Federaufnehmers 34 an den Stangen 15 unter der Trägerplatte 12 und die Montage der Mehrfach-Schraubenfedern 33 an den Stangen 15 zwischen der Trägerplatte 12 und dem Federaufnehmer 34 im axial ausgerichteten Zustand gegenüber dem heizungsseitigen Halteelement 7 aufgebracht werden.
Zumindest ein Element kann in eine konvex gebogene Form (planare R-Form oder sphärische R-Form) gebracht werden: die distale Stirnfläche des heizungsseitigen Halteelements 7, die distale Stirnfläche des kühlungsseitigen Halteelements 9, die Anschlag-Stirnfläche der Heizblockeinheit 5, die distale Stirnfläche der Heizblockeinheit 5, die Anschlag-Stirnfläche der Kühlblockeinheit 6 und die distale Stirnfläche der Kühlblockeinheit 6.
Alternativ kann zumindest eine der nachstehend genannten Flächen: distale Stirnfläche des heizungsseitigen Halteelements 7, die Anschlag-Stirnfläche der Heizblockeinheit 5 und distale Stirnfläche der Heizblockeinheit 5 sowie zumindest eine der folgenden Flächen: nämlich die distale Stirnfläche des kühlungsseitigen Halteelements 9, die Anschlag-Stirnfläche der Kühlblockeinheit 6 und die distale Stirnfläche der Kühlblockeinheit 6 in die konvex gebogene Form (plane R-Form oder sphärische R-Form) geformt werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit
2: Messsteuergerät
3: Temperaturmessgeräte
4: Thermoelement
5: Heizblockeinheit
6: Kühlblockeinheit
7: heizungsseitiges Halteelement
8: Messobjekt
9: kühlungsseitiges Halteelement
10: Wärmeleitfett
11: Kraftmessdose
12: Trägerplatte
13: Abstandhalter
14: Druckkraft-Einstellschraube
15: Stange
16: obere Platte
17: Sockel
18: Steuergerät für Heizblockeinheit
19: Steuergerät für Kühlblockeinheit
20: wärmeisolierende Platte
21: Dickenanzeigegerät
25: Temperaturmessstelle
26: Isotherme
27: Druckkraftvektor
28: Druckkraftvektor
29: Druckkraftvektor
30: Kontaktfläche
33: Schraubenfeder
34: Federaufnehmer
55: Schraubstock

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5379760 B1 [0003]
JP 3858660 B1 [0003]
JP 2008309729 A [0003]
JP 2011102768 A [0003]
JP 5509195 B1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit, die Folgendes aufweist: - ein erstes Halteelement mit einer mit einem Messobjekt in Kontakt kommenden Kontaktstirnfläche und einer auf der der Kontaktstirnfläche gegenüberliegenden Seite angeordneten distalen Stirnfläche; - ein zweites Halteelement mit einer mit dem Messobjekt in Kontakt kommenden Kontaktstirnfläche und einer auf der der Kontaktstirnfläche gegenüberliegenden Seite angeordneten distalen Stirnfläche, wobei das zweite Halteelement das Messobjekt zusammen mit dem ersten Halteelement hält; - ein Heizelement mit einer an der distalen Stirnfläche des ersten Halteelements anliegenden Anschlag-Stirnfläche und einer an der der Anschlag-Stirnfläche gegenüberliegenden Seite angeordneten distalen Stirnfläche, wobei das Heizelement das erste Halteelement erwärmt; - ein Kühlelement mit einer an der distalen Stirnfläche des zweiten Halteelements anliegenden Anschlag-Stirnfläche und einer an der der Anschlag-Stirnfläche gegenüberliegenden Seite angeordneten distalen Stirnfläche, wobei das Kühlelement das zweite Halteelement kühlt; - mehrere in dem ersten Halteelement und dem zweiten Halteelement angeordnete Temperaturfühler; und - einen Druckkraft-Aufbringungsmechanismus, der eine Druckkraft auf das erste Halteelement, das zweite Halteelement und das Messobjekt ausübt, wobei zumindest eines der folgenden Elemente eine konvex gebogene Form aufweist: die distale Stirnfläche des ersten Halteelements, die distale Stirnfläche des zweiten Halteelements, die Anschlag-Stirnfläche des Heizelements, die distale Stirnfläche des Heizelements, die Anschlag-Stirnfläche des Kühlelements und die distale Stirnfläche des Kühlelements.
Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit nach Anspruch 1, wobei sowohl zumindest eines der folgenden Elemente eine konvex gebogene Form aufweist: die distale Stirnfläche des ersten Halteelements, die Anschlag-Stirnfläche des Heizelements und die distale Stirnfläche des Heizelements, als auch zumindest eines der folgenden Elemente eine konvex gebogene Form aufweist: die distale Stirnfläche des zweiten Halteelements, die Anschlag-Stirnfläche des Kühlelements und die distale Stirnfläche des Kühlelements.
Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit nach Anspruch 1, wobei die distale Stirnfläche des ersten Halteelements, die distale Stirnfläche des zweiten Halteelements, die Anschlag-Stirnfläche des Heizelements, die distale Stirnfläche des Heizelements, die Anschlag-Stirnfläche des Kühlelements und die distale Stirnfläche des Kühlelements eine konvex gebogene Form aufweisen.
Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit, die Folgendes aufweist: - ein erstes Halteelement mit einer mit einem Messobjekt in Kontakt kommenden Kontaktstirnfläche und einer auf der der Kontaktstirnfläche gegenüberliegenden Seite angeordneten distalen Stirnfläche; - ein zweites Halteelement mit einer mit dem Messobjekt in Kontakt kommenden Kontaktstirnfläche und einer auf der der Kontaktstirnfläche gegenüberliegenden Seite angeordneten distalen Stirnfläche, wobei das zweite Halteelement das Messobjekt zusammen mit dem ersten Halteelement hält; - ein Heizelement mit einer an der distalen Stirnfläche des ersten Halteelements anliegenden Anschlag-Stirnfläche, wobei das Heizelement das erste Halteelement erwärmt; - ein Kühlelement mit einer an der distalen Stirnfläche des zweiten Halteelements anliegenden Anschlag-Stirnfläche, wobei das Kühlelement das zweite Halteelement kühlt; - mehrere in dem ersten Halteelement und dem zweiten Halteelement angeordnete Temperaturfühler; und - einen Druckkraft-Aufbringungsmechanismus, der eine Druckkraft auf das erste Halteelement, das zweite Halteelement und das Messobjekt ausübt, wobei zumindest eines der folgenden Elemente eine konvex gebogene Form aufweist: die distale Stirnfläche des ersten Halteelements, die distale Stirnfläche des zweiten Halteelements, die Anschlag-Stirnfläche des Heizelements und die Anschlag-Stirnfläche des Kühlelements und wobei der Rest der Komponenten eine plane Form aufweist.
Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit nach Anspruch 4, wobei zumindest zwei der folgenden Elemente eine konvex gebogene Form aufweisen: die distale Stirnfläche des ersten Halteelements, die distale Stirnfläche des zweiten Halteelements, die Anschlag-Stirnfläche des Heizelements und die Anschlag-Stirnfläche des Kühlelements und wobei der Rest eine plane Form aufweist.
Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit nach Anspruch 4, wobei alle Elemente eine konvex gebogene Form aufweisen, nämlich die distale Stirnfläche des ersten Halteelements, die distale Stirnfläche des zweiten Halteelements, die Anschlag-Stirnfläche des Heizelements und die Anschlag-Stirnfläche des Kühlelements.
Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Druckkraft-Aufbringungsmechanismus eine Druckkraft auf eine konstante Kraft während der Messung einstellt.
Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die Folgendes aufweist: einen Sockel, an dem das Kühlelement angebracht ist und eine Trägerplatte. die an dem Heizelement angebracht ist, wobei die Trägerplatte von einer auf dem Sockel angeordneten Stange getragen wird.
Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit nach Anspruch 8, die ferner ein wärmeisolierendes Element zwischen dem Heizelement und der Trägerplatte aufweist..
Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit nach Anspruch 8, wobei die Trägerplatte von einer Vielzahl von Schraubenfedern elastisch abgestützt ist.
Verfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit, das die folgenden Schritte aufweist: - Vorbereiten der Vorrichtung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 10; - Anbringen eines Messobjektes zwischen dem ersten Halteelement und dem zweiten Halteelement; - Aufbringen einer Druckkraft durch den Druckkraft-Aufbringungsmechanismus auf das erste Halteelement, das zweite Halteelement und das Messobjekt; und - Messen der Wärmeleitfähigkeit des Messobjekts mit dem Temperaturfühler.