DE19711687C2 - Vorrichtung zur Ermittlung der Isolationseigenschaften von Werkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Isolationseigenschaften von Werkstoffen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Ermittlung der Isolationseigenschaften von Werk­ stoffen bekannt, bei der eine ebene Werkstoffprobe auf einer ebenen Heizplatte aufliegt und der Temperaturunterschied zwischen der heißen und der kalten Pro­ benseite ermittelt wird. Bei dieser Vorrichtung kann es durch die Wärmeeinwirkung auf die Werkstoffprobe zu einem Verziehen oder Aufblähen der Probe kommen, so daß die Auflagefläche sich verändert. Bei einer undefinierten Auflagefläche der Probe ist jedoch die Wärmeeinleitung nicht mehr reproduzierbar. Dies hat den Nachteil, daß die ermittelten Isolationseigenschaften ungenau und damit nicht mit anderen Meßergebnissen oder Herstellerangaben vergleichbar sind.

Aus der DD 115 218 ist bereits eine Vorrichtung zum dynamischen Messen der spezifischen Wärme und der Wärmeleitfähigkeit von Festkörpern bekannt. Bei die­ ser Vorrichtung befindet sich eine Versuchsprobe in einem Probenbehälter, der drehbar in einem Rührkessel installiert ist. Durch ein den Rührkessel durchströmen­ des Gas wird die Probe des zu messenden Festkörpers aufgeheizt bzw. abgekühlt und der Temperaturverlauf in der Gasphase über beispielsweise ein Thermoelement in Abhängigkeit von der Zeit ermittelt. Das Meßverfahren ist einstellbar durch eine entsprechende Umdrehungsgeschwindigkeit des Probenbehälters, durch die Größe des Rührkessels, durch den Gasvolumenstrom und durch die Verwendung geometrisch definierter Probenkörper.

Aus der EP 0 124 104 A1 ist eine weitere Vorrichtung zur Bestimmung des Wärme­ leitfähigkeitskoeffizienten und der Wärmekapazität von Stoffen bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist zwischen einer Standardprobe und einer zu untersuchenden Probe ein Dünnschicht-Heizkörper angeordnet, dessen Dicke vorzugsweise geringer als 1 mm ist. Dieser Dünnschicht-Heizkörper ist mit Dünnschicht-Temperaturfühlern versehen. Die Dicke der Stoffproben ist vorzugsweise kleiner als 10 mm. An der jeweiligen, dem Dünnschicht-Heizkörper gegenüberliegenden Fläche der jeweiligen Probe ist ein Wärmeabnehmer ausgebildet, der mit der Probenfläche jeweils in Kontakt steht. Die Wärmeabnehmer werden vorzugsweise aus einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom gebildet. Beim Meßverfahren wird eine kontinuierliche Temperaturänderung einer Probenfläche durch den thermischen Kontakt mit dem Gas- oder Flüssigkeitsstrom mit sich zeitlich kontinuierlich ändernder Temperatur durchgeführt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ermittlung der Isolationseigen­ schaften von Werkstoffen zu schaffen, bei der die Meßergebnisse und damit die ermittelten Kennwerte reproduzierbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist von Vorteil, daß die Werkstoff- oder Materialprobe in einem definierten Abstand über der Heizplatte eingespannt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner einen einfachen Aufbau auf. Durch in der Vorrichtung fest angeordnete Wände und durch einen ebenen Boden ergeben sich durch die Einspannung der Materialprobe in einfacher Weise zwei gleich große Strömungskanäle mit jeweils konstantem Querschnitt. Im Boden der Vorrich­ tung ist als untere Oberfläche vorteilhafterweise eine Heizplatte angeordnet, deren Oberflächentemperatur über einen Regler auf ein vorgegebenes Niveau einstellbar ist. Oberhalb des durch die Wärmequelle erwärmten Strömungskanals ist ein nicht erwärmter Strömungskanal ausgebildet, der den gleichen Kanalquerschnitt wie der erwärmte Strömungskanal aufweist. Die Oberseite dieses Strömungskanals wird durch ein gegen die Wärmequelle zu schützendes Bauteil gebildet. Durch die er­ findungsgemäße Ausbildung und Anordnung der Strömungskanäle bleiben die geometrischen Randbedingungen für alle Versuchsreihen konstant. Zudem ent­ spricht das Prinzip des erfindungsgemäßen Aufbaus vielen Anwendungsfällen, so daß die ermittelten Kennwerte realitätsnah sind.

Aufgrund der Durchströmung der Strömungskanäle mit einem Fluid, vorzugsweise Umgebungsluft, sind durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise die Betriebsbedingungen beispielsweise einer Wärmeisolierung in einem Fahrzeug simulierbar, wobei die Wärmequelle in einem Kraftfahrzeug beispiels­ weise die Abgasanlage oder ein Teil davon ist. Durch die Ermittlung der Wärme­ ströme von der Wärmequelle über die Materialprobe zur Außenfläche des zu schützenden Bauteils ist durch eine einzige Messung die Wärmeisolierqualität des zu untersuchenden Werkstoffes feststellbar.

Die Ausbildung eines dritten, gegen die Wärmequelle isolierten Strömungskanals ermöglicht es in einfacher Weise, die Querwärmeleitfähigkeit des zu untersuchen­ den Werkstoffes in der gleichen Messung zu bestimmen. Durch die Definition aller erforderlichen Randbedingungen, wie Kanalquerschnitte, Strömungsgeschwindig­ keiten des Fluids, zugeführte Wärmeleistung und der eingestellten Temperatur des Fluids ist eine Wiederholbarkeit der Meßergebnisse möglich, so daß Angaben über die Isolationseigenschaften eines Werkstoffes in einfacher Weise beliebig oft nachprüfbar sind. Von Vorteil ist auch, daß der Prüfstand eine kompakte Einheit darstellt, die transportfähig ist. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, daß Werkstoffhersteller und Werkstoffverwender ihre über die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung ermittelten Meßergebnisse miteinander vergleichen können, so daß eine gemeinsame Weiterentwicklung von Werkstoffen hinsichtlich ihrer Isolationseigenschaften möglich ist.

Insbesondere durch die Stabilisierung der Werkstoffproben durch Abstandshalter mit einer entsprechend großen Auflageoberfläche ist es möglich, daß auch Werk­ stoffproben mit einem mehrlagigem Folienaufbau stabil bleiben, so daß auch die Kanalquerschnitte der Strömungskanäle konstant sind.

Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Ermittlung der Isolationseigenschaften von Werkstoffen,

Fig. 2 eine perspektivische Prinzipdarstellung der Anordnung der zu untersu­ chenden Materialprobe in bezug auf eine Wärmequelle und ein zu iso­ lierendes Bauteil, wobei in der Fig. 2 die Wärmeströme des Fluids eingezeichnet sind,

Fig. 3 eine Ansicht von vorne der in der Fig. 2 gezeigten Prinzipdarstellung, in der die Wärmeströme an der jeweiligen Oberfläche der zu untersu­ chenden Materialprobe, des zu isolierenden Bauteiles und einer Zusatzisolierung eingezeichnet sind.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1, zur Ermittlung der Isolationseigenschaften eines Werkstoffes oder einer Materialprobe 2. Zur Reproduzierbarkeit der Meßer­ gebnisse ist die Materialprobe 2 als eine Platte mit einer als Boden dienenden ebenen Oberseite 3 und einer ebenen oder glatten Unterseite 4 ausgebildet. Die Vorrichtung 1 weist drei Strömungskanäle 5, 6 und 7 auf, die in den Fig. 2 und 3 gezeigt sind. Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, sind die Seitenwände 8, 9 und 10 fest an der Vorrichtung 1 angeordnete Bauteile, wobei die Seitenwand 9 als Trenn­ wand die beiden Strömungskanäle 5 und 7 voneinander trennt.

Der Boden oder die Unterseite 11 des Strömungskanals 5 wird durch eine ebene Heizplatte, beispielsweise eine Ceranplatte, gebildet. Als Boden oder Unterseite 12 des Strömungskanals 7 wird ein ebenes Isolationsbauteil 30 verwendet. Auch die Seitenwände 8, 9 und 10 sind wärmeisoliert.

Die Strömungskanäle 5 und 7 werden von oben durch die entsprechend groß aus­ gebildete Materialplatte oder Materialprobe 2 geschlossen, d. h. die Materialprobe 2 überdeckt sowohl den Strömungskanal 5 als auch den Strömungskanal 7. Jeder Strömungskanal 5, 6, 7 weist jeweils eine Eintrittsöffnung 13, 14, 15 und eine Aus­ trittsöffnung 16, 17, 18 auf. Zur Erzeugung einer definierten, beispielsweise lamina­ ren Strömung sind vor den Eintrittsöffnungen 13, 14, 15 Einströmleitkästen 19, 20, 21 an der Vorrichtung 1 befestigt. An den Austrittsöffnungen 16, 17, 18 schließen sich Ausströmleitkästen 22, 23, 24 an. In der gezeigten Ausführungsform ist in den Ausströmleitkästen 22, 23, 24 jeweils ein Lüfter 25, 26, 27 angeordnet.

Zur Stabilisierung der Materialprobe 2 und zur Einhaltung eines festen Abstandes zwischen den Böden 11, 12, 3 und den Oberseiten 4, 35 der Strömungskanäle 5, 6, 7 sind in der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform jeweils ein Ab­ standshalter 29 in den Strömungskanälen 5, 6, 7 angeordnet. Zur genauen und dichten Positionierung der Materialprobe 2 ist an den nach oben zeigenden Stirn­ flächen der Seitenwände 8, 9, 10 und an den oberen Begrenzungskanten der Ein­ trittsöffnungen 13, 15 und der Austrittsöffnungen 16, 17 eine mit einer umlaufen­ den Dichtung 31 versehene Auflagefläche 32 ausgebildet.

Oberhalb des Strömungskanales 5 ist in gleicher Höhe und Ausrichtung der Strö­ mungskanal 6 ausgebildet. Ein erster Teilbereich 33 der Materialprobe 2 bildet den Boden 3 des Strömungskanals 6. Eine Oberseite des Strömungskanals 6 wird durch eine Außenfläche 35 eines als Platte ausgebildeten, zu isolierenden Bautei­ les 36 gebildet. Oberhalb eines zweiten Teilbereiches 37 der Materialprobe 2, die die Oberseite des Strömungskanales 7 bildet, ist eine Isolation 38 angeordnet.

An einer Stirnseite 39 der Vorrichtung 1 sind drei, beispielsweise als Drehgriffe ausgebildete Steuerelemente 41, 42, 43 zur Einstellung der Leistung der Lüfter 25, 26, 27 vorgesehen. Oberhalb der genannten Lüfter-Steuerelemente 41, 42, 43 sind an der Stirnseite 39 der Vorrichtung 1 drei Anzeigevorrichtungen 44, 45, 46 ange­ ordnet. Ferner befindet sich an der Stirnseite 39 ein beispielsweise als Drehgriff ausgebildetes Steuerelement 47 und eine Anzeigevorrichtung 48, wobei durch das Steuerelement 47 die Heizleistung Q_zu einer Wärmequelle 49 einstellbar ist.

In den Fig. 1, 2 und 3 ist durch Pfeile I, II und III die Strömungsrichtung eines durch die Strömungskanäle 5, 6, 7 hindurchströmenden Fluids angegeben, das im Normalfall Umgebungsluft ist. Durch in oder vor den Einströmleitkästen 19, 20, 21 nicht abgebildete Heiz- oder Kühlvorrichtungen kann das Fluid auf jede ge­ wünschte Temperatur gebracht werden.

In den Ansaugkanälen der Einströmleitkästen 19, 20, 21 und der Ausströmleit­ kästen 22, 23, 24 sind Meßinstrumente zur Bestimmung der Fluid-Massenströme M, der Strömungsgeschwindigkeiten v und der Temperaturen T des einströmenden und des ausströmenden Fluids angeordnet. In den Strömungskanälen 5, 6, 7 sind ebenfalls Meßinstrumente zur Bestimmung der Temperaturen an den Böden 11, 12; 3, 33 und an den Oberseiten 4, 33, 37; 35 der Strömungskanäle 5, 6, 7 sowie den Oberseiten 50, 51 des zu isolierenden Bauteils 36 und der Isolation 38 vorgesehen.

Die genannten Meßgrößen werden einer nicht dargestellten Rechnereinheit zuge­ führt, die die ermittelten Meßgrößen in die gesuchten Größen, wie beispielsweise die Wärmeströme Q, die Wärmeleitfähigkeit λ usw., umrechnet. Diese Werte sind neben den Meßwerten in den Anzeigevorrichtungen 44, 45, 46 ablesbar. Zusätzlich ist an der Rechnereinheit ein Drucker angeschlossen, der den Verlauf der Meß­ größen und der sich daraus ergebenden Kennwerte aufzeichnet.

In der Fig. 3 sind die vorhandenen Wärmeströme senkrecht zur Strömungsrich­ tung des Fluids eingezeichnet. Die der Vorrichtung 1 über die Wärmequelle 49 zugeführte Wärmeleistung Q_zu entspricht der elektrischen Leistung P_el. Ein Teil dieses zugeführten Wärmestromes tritt am Boden bzw. an der Oberseite 3 im er­ sten Teilbereich 33 der Materialprobe 2 als ein Wärmestrom Q_M heraus. Ein Teil der zugeführten Wärme Q_zu fließt innerhalb der Materialprobe 2 vom ersten Teilbe­ reich 33 der Materialprobe 2 zum zweiten Teilbereich 37 der Materialprobe 2. Die­ ser Wärmestrom entspricht der Querwärmeleitung Q_Q. An der Oberseite 50 des zu isolierenden Bauteiles 36 strömt ebenfalls ein Wärmestrom Q_B aus. Entsprechend strömt an der Oberseite 51 der Isolation 38 ein Wärmestrom Q_I aus. Ein seitlicher Verlustwärmestrom ist aufgrund der guten Isolierung vernachlässigbar.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Isolationseigenschaften von Werkstoffen, mit einer einstellbaren Wärmequelle, mit Einrichtungen zum Messen von Werten, die zur Bestimmung der gesuchten Werkstoffkennwerte erforderlich sind, mit Datenverarbeitungseinrichtungen, die die gemessenen Werte in die gesuch­ ten Werkstoffkennwerte umrechnen, mit Einrichtungen, die die Meßergeb­ nisse und/oder die Werkstoffkennwerte anzeigen und graphisch ausdrucken, dadurch gekennzeichnet, daß eine Werkstoffprobe (2) als eine Platte aus­ gebildet ist, daß ein erster Teilbereich (33) der Werkstoffprobe (2) in einem definierten Abstand oberhalb der Wärmequelle (49) unter Bildung eines er­ sten Strömungskanals (5) gehaltert ist, daß direkt oberhalb des ersten Teilbe­ reiches (33) in einem definierten Abstand unter Bildung eines zweiten Strö­ mungskanals (6) ein gegen die Wärmequelle (49) zu isolierendes Bauteil (36) lagefest angeordnet ist, daß ein zweiter Teilbereich (37) der Werkstoffprobe (2) in einem gegen die Wärmequelle (49) isolierten, dritten Strömungskanal (7) eingespannt ist und daß die Strömungskanäle (5, 6, 7) jeweils von einem Fluid in einer definierten Strömungsform durchströmbar sind, wobei die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids einstellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die voneinander getrennten Strömungskanäle (5, 6, 7) jeweils die gleichen geometrischen Abmessungen aufweisen und daß in den Strömungskanälen (5, 6, 7) identi­ sche Strömungsverhältnisse bei gleicher Anströmung durch ein Fluid vorherr­ schen.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung eines konstanten Strömungsquerschnittes bei Bedarf ein Abstandshalter (29) in dem betreffenden Strömungskanal (5, 6, 7) ange­ ordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstands­ halter (29) Füße mit einer geringen Aufstandsfläche und eine Auflagefläche mit einer Gitterstruktur aufweist und daß der Abstandshalter (29) aus einem schlecht wärmeleitenden und hochtemperaturfesten Material hergestellt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Erzeugung einer definierten Strömungform vor den Strömungs­ kanälen (5, 6, 7) Einströmleitkästen (19, 20, 21) und hinter den Strömungs­ kanälen (5, 6, 7) Ausströmleitkästen (22, 23, 24) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Strö­ mungskanal (5, 6, 7) mindestens ein in der Leistung einstellbarer Lüfter (25, 26, 27) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß Meßeinrichtungen vorgesehen sind, die an geeigneten Meßstellen die Temperatur an der Heizplattenoberfläche (11), an der Unterseite (4, 33, 37) und an der Oberseite (3, 33) der Werkstoffprobe (2), an der Unterseite (35) und Oberseite (50) des zu isolierenden Bauteils (36), an der Oberseite (51) der Isolation (38) und in den Strömungskanälen (5, 6, 7) messen.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß Meßeinrichtungen zur Bestimmung der Fluid-Strömungsgeschwin­ digkeiten und der Fluid-Massenströme in der Vorrichtung (1) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Massenströme des Fluids über eine Phasenanschnittsteuerung der Lüfter (25, 26, 27) einstellbar sind.