PL223459B1

PL223459B1 - Sposób pomiaru przewodności cieplnej

Info

Publication number: PL223459B1
Application number: PL404900A
Authority: PL
Inventors: Zbigniew Lisik; Ewa Raj
Original assignee: Politechnika Łódzka
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2013-07-29
Publication date: 2016-10-31
Also published as: PL404900A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru przewodności cieplnej materiałów.

Podstawą każdego pomiaru przewodności cieplnej materiału jest pomiar różnicy temperatur pomiędzy dwoma kontaktami termicznymi na próbce tego materiału, wywołanej przepływem pomiędzy tymi kontaktami dyfuzyjnego strumienia cieplnego o znanej wartości. Zwykle próbką tą jest płaska płytka badanego materiału, o grubości d, ograniczona równoległymi względem siebie powierzchniami S1 i S2, o polu S, pełniącymi rolę kontaktów termicznych próbki. Podczas pomiaru przewodności jedną z powierzchni próbki ogrzewa się elementem grzejnym i mierzy temperatury T_S1 i T_S2 na powierzchniach próbki oraz dyfuzyjny strumień cieplny Q przepływający przez próbkę i wyznacza przewodność cieplną λ badanego materiału z zależności:

Qd

S(T_S1 - T_S2) (1)

Pomiar temperatur T_S1 i T_S2 lub ich różnicy T_S1-T_S2 nie nastręcza większych trudności ze względu na dużą ilość znanych i dobrze opanowanych metod punktowego pomiaru temperatury. Natomiast problem stanowi pomiar strumienia cieplnego Q z uwagi na istnienie wielu dróg przepływu ciepła od jego źródła do otoczenia oraz z uwagi na fakt, że dyfuzyjny strumień Q płynący przez badaną próbkę materiału stanowi zwykle tylko część ciepła emitowanego przez źródło.

Sposób pomiaru przewodności cieplnej materiałów, polegający na przygotowaniu płaskiej płytki badanego materiału o powierzchni S i grubości d, dostarczeniu do jednej z powierzchni tej płytki, ze źródła ciepła, strumienia ciepła Q, zmierzeniu temperatur T_S1 i T_S2 na obu powierzchniach płytki, wyznaczeniu strumienia ciepła Q i obliczeniu przewodności cieplnej λ badanego materiału z zależności (1), według wynalazku charakteryzuje się tym, że do wyznaczenia strumienia ciepła Q wykorzystuje się element termoelektryczny, który łączy się szeregowo z płytką badanego materiału i tak dobiera prąd I_P tego elementu, aby różnica temperatur ΔΤ_Ρ między temperaturą T_P1 jego powierzchni stykającej się z płytką badanego materiału i temperaturą T_P2 jego przeciwległej powierzchni była równa 0, czyli aby spadek temperatury Δ^ na tym elemencie był równy 0, i wyznacza strumień ciepła Q z zależności:

Q = Πμ · Ip - Rm · I²p (2), w której n_M i R_M stanowią parametry reprezentujące stałą Peltiera oraz elektryczną rezystancję wewnętrzną zastosowanego elementu termoelektrycznego.

Dyfuzyjny strumień ciepła Q płynący poprzez płytkę badanego materiału płynie także jako dyfuzyjny strumień ciepła QD przez element termoelektryczny wywołując w nim różnicę temperatury Δ^= T_P1-T_P2 między temperaturą T_P1 jego powierzchni stykającej się z płytką badanego materiału i temperaturą TP2 na jego przeciwległej powierzchni, proporcjonalną do rezystancji termicznej tego elementu. Przepływ przez element termoelektryczny prądu IP powoduje wystąpienie w nim efektu Peltiera, czemu towarzyszy przepływ strumienia ciepła QP, którego kierunek i wielkość zależą od kierunku i wartości natężenia prądu. W elemencie termoelektrycznym strumień dyfuzyjny ciepła QD i strumień ciepła Q_P związany z efektem Peltiera sumują się i jeżeli ich kierunki są zgodne to pojawienie się strumienia Q_P zmniejsza wypadkowy strumień dyfuzyjny QD płynący przez element termoelektryczny zmniejszając jednocześnie związany z nim spadek temperatury Δ^. Dla prądu I_P, przy którym następuje zrównanie się strumienia Q płynącego przez próbkę badanego materiału ze strumieniem QP, to znaczy gdy Q = Q_P, spadek temperatury Δ^ = 0. Znając wartość prądu I_P, przy której Δ^ = 0 bezpośrednio z wartości prądu IP wyznacza się z zależności (2) strumień ciepła QP, który jest równy dokładnie wartości dyfuzyjnego strumienia ciepła Q przepływającego przez próbkę badanego materiału, potrzebnej do wyznaczenia przewodności cieplnej λ badanego materiału z zależności (1).

Sposób według wynalazku ilustruje poniższy przykład z powołaniem się na rysunek przedstawiający schemat funkcjonalny układu wykorzystanego do pomiaru przewodności cieplnej.

P r z y k ł a d.

Próbka 1 badanego materiału w postaci płaskiej, prostokątnej płytki o grubości d i polu powierzchni S, ograniczona powierzchniami S1 i S2, jest od strony powierzchni S1 w kontakcie z płytą grzejną 2 dostarczającą do próbki 1 strumień ciepła Q, a od strony powierzchni S2 jest w kontakcie z powierzchnią P1 elementu termoelektrycznego 3, którego przeciwległa powierzchnia P2 jest z kolei w kontakcie z elementem chłodzącym 4, odbierającym strumień ciepła Q i przekazującym go

PL 223 459 B1 do otoczenia. W utworzonym w ten sposób torze przepływu strumienia ciepła Q mierzy się przy użyciu standardowych czujników temperatury T_S1, T_S2, T_P1, T_P2. Element termoelektryczny 3 jest połączony z regulowanym źródłem 5 prądu stałego IP, który wywołuje w tym elemencie przepływ strumienia ciepła QP związanego z efektem Peltiera i kompensującego strumień ciepła Q dopływający do elementu termoelektrycznego 3 od strony badanej próbki 1. Jeżeli wielkość regulowanego prądu IP osiągnie wartość I_P0, przy której T_P1 stanie się równe T_P2, oznacza to, że Q = Q_P i jego wartość jest określona zależnością (2). Przewodność cieplną λ próbki 1 badanego materiału wyznacza się z zależności (1).

Claims

Zastrzeżenie patentowe

Sposób pomiaru przewodności cieplnej materiałów, polegający na przygotowaniu płaskiej płytki badanego materiału o powierzchni S i grubości d, dostarczeniu do jednej z powierzchni tej płytki, ze źródła ciepła, strumienia ciepła Q, zmierzeniu temperatur T_S1 i T_S2 na obu powierzchniach płytki, wyznaczeniu strumienia ciepła Q i obliczeniu przewodności cieplnej λ badanego materiału z zależności znamienny tym, że do wyznaczenia strumienia ciepła Q wykorzystuje się element termoelektryczny, który łączy się szeregowo z płytką badanego materiału i tak dobiera prąd IP tego elementu, aby różnica temperatur między temperaturą jego powierzchni stykającej się z płytką badanego materiału i temperaturą jego przeciwległej powierzchni była równa 0, i strumień ciepła Q wyznacza się z zależności

Q = Πμ · Ip - Rm · I²p (2), w której Π_μ i R_M stanowią parametry reprezentujące stałą Peltiera oraz elektryczną rezystancję wewnętrzną zastosowanego elementu termoelektrycznego.