DE19711687C2 - Vorrichtung zur Ermittlung der Isolationseigenschaften von Werkstoffen - Google Patents
Vorrichtung zur Ermittlung der Isolationseigenschaften von WerkstoffenInfo
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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 Qzu 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 Qzu entspricht der elektrischen Leistung Pel. Ein Teil
dieses zugeführten Wärmestromes tritt am Boden bzw. an der Oberseite 3 im er
sten Teilbereich 33 der Materialprobe 2 als ein Wärmestrom QM heraus. Ein Teil
der zugeführten Wärme Qzu 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 QQ. An der Oberseite 50 des zu
isolierenden Bauteiles 36 strömt ebenfalls ein Wärmestrom QB aus. Entsprechend
strömt an der Oberseite 51 der Isolation 38 ein Wärmestrom QI 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.
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DE19711687A1 DE19711687A1 (de) | 1998-09-24 |
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1997
- 1997-03-20 DE DE1997111687 patent/DE19711687C2/de not_active Expired - Fee Related
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