RU2170924C2 - Способ определения контактных термических сопротивлений - Google Patents
Способ определения контактных термических сопротивлений Download PDFInfo
- Publication number
- RU2170924C2 RU2170924C2 RU99114807A RU99114807A RU2170924C2 RU 2170924 C2 RU2170924 C2 RU 2170924C2 RU 99114807 A RU99114807 A RU 99114807A RU 99114807 A RU99114807 A RU 99114807A RU 2170924 C2 RU2170924 C2 RU 2170924C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- contact
- sample
- heat
- temperature difference
- control sample
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники. Заявляемый способ реализуется в установке, имеющей теплоизоляционный корпус, в котором размещены нагреватель, контрольный образец, находящийся в постоянном контакте с нагревателем, и холодильник. Между контрольным образцом и холодильником размещают исследуемый многослойный пакет. Заданный тепловой поток пропускают через контактный образец, состоящий из контрольного образца и исследуемого многослойного пакета. Замеряют разность температур Δt на рабочих поверхностях контрольного образца и ΔT между нагреваемой поверхностью контрольного образца и охлаждаемой поверхностью многослойного пакета, по которым рассчитывают в многослойных образцах контактное термическое сопротивление. Техническим результатом является упрощение и повышение точности определения контактных термических сопротивлений образцов в виде многослойных пакетов. 1 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, приборостроения и может быть использовано в теплометрии.
Известен способ определения контактных термических сопротивлений при исследовании теплообмена в зоне контакта твердых тел, заключающийся в пропускании теплового потока через образец, состоящий из цилиндрических стержней диаметром 40 мм, соприкасающихся торцами (см. кн. Шлыков Ю.П. и др. Контактный теплообмен. - М. - Л., Энергия, 1963, с. 34-36). К верхнему торцу образца прижимается регулируемый электронагреватель, нижний торец охлаждается водой. Интенсивность теплообмена в плоскости контакта оценивается по величине проводимости контактов пары образца αк
перепад температур для участка между термопарами 4 и 5, включающего плоскость стыка, при отсутствии контактного термического сопротивления (идеальный контакт) и потерь тепла боковыми поверхностями образцов;
T3, T4, T5 - температуры, измеренные термопарами 3, 4 и 5;
λ - расстояние между термопарами 3 и 4;
λ1 - расстояние между термопарой 4 и плоскостью стыка;
λ2 - расстояние между термопарой 5 и плоскостью стыка;
λ1, λ2 - коэффициенты теплопроводности верхнего и нижнего цилиндрических образцов соответственно.
перепад температур для участка между термопарами 4 и 5, включающего плоскость стыка, при отсутствии контактного термического сопротивления (идеальный контакт) и потерь тепла боковыми поверхностями образцов;
T3, T4, T5 - температуры, измеренные термопарами 3, 4 и 5;
λ - расстояние между термопарами 3 и 4;
λ1 - расстояние между термопарой 4 и плоскостью стыка;
λ2 - расстояние между термопарой 5 и плоскостью стыка;
λ1, λ2 - коэффициенты теплопроводности верхнего и нижнего цилиндрических образцов соответственно.
Термическое сопротивление контакта определяется по формуле
Этот графоаналитический способ является весьма сложным из-за необходимости обеспечения высокой точности в расстоянии заделки термопар и их обязательной идентичности показаний, что необходимо обеспечить при закреплении термопар перед каждым опытом во всех контактных парах образцов.
Этот графоаналитический способ является весьма сложным из-за необходимости обеспечения высокой точности в расстоянии заделки термопар и их обязательной идентичности показаний, что необходимо обеспечить при закреплении термопар перед каждым опытом во всех контактных парах образцов.
Наиболее близкий способ определения контактного термического сопротивления, выбранный в качестве прототипа, заключается в том, что через цилиндрический образец, состоящий из двух соприкасающихся торцами стержней, пропускают тепловой поток путем нагревания одной торцевой поверхности контактного образца и охлаждения противоположной торцевой поверхности контактного образца (см. кн. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. - М., Энергия, 1971, с. 98 - 114). При этом по высоте образца, состоящего из контактной цилиндрической пары, определяется распределение температуры, по которому графическим методом линейной экстраполяции определяют температурный перепад Δ TК в зоне контакта. По величине Δ TК затем рассчитывается контактное термическое сопротивление RK: RK = Δ TK/q, где q - тепловой поток, проходящий через контактную цилиндрическую пару.
Недостатком этого способа является сложность в определении контактных термических сопротивлений, возникающая из-за графического определения Δ TK методом линейной экстраполяции. Кроме этого, реализация данного способа требует использования образцов, состоящих из высоких соприкасающихся по торцам стержней. Это приводит к еще одному существенному недостатку, так как с увеличением высоты образцов контактируемой пары неизбежно увеличение теплопотерь по высоте образцов. Поэтому на цилиндрической поверхности образцов на различной высоте устанавливается несколько компенсационных нагревателей, которые в окружающем образец теплоизоляционном корпусе обеспечивают температурный режим, соответствующий его изменению по высоте контактируемых пар при пропускании через них теплового потока q. Используемый способ не обеспечивает высокой точности определения контактного термического сопротивления из-за сложности регулируемых и измерительных систем, которые вносят погрешности в графический метод линейной экстраполяции по определению температурного перепада Δ TK.
Известные способы не позволяют измерить контактные термические сопротивления в пакетах, состоящих из многослойных образцов.
Целью предложенного способа является расширение области применения путем обеспечения определения контактных термического сопротивлений многослойного пакета и повышение точности измерений.
Поставленная цель достигается тем, что в способе определения контактных термических сопротивлений, заключающемся в том, что в теплоизолированном корпусе создают тепловой поток путем нагревания одной торцевой поверхности контактного образца и охлаждения его противоположной торцевой поверхности, отличающейся тем, что согласно изобретению контактный образец создают из контрольного стационарно установленного в теплоизолированном корпусе монолитного образца и многослойного пакета, замеряют разность температур на рабочих поверхностях контрольного образца и между нагреваемой поверхностью контрольного образца и охлаждаемой поверхностью многослойного пакета, а величину контактного термического сопротивления рассчитывают по формуле
где RK - контактное термическое сопротивление;
λк.о, δк.о - коэффициент теплопроводности и толщина контрольного образца;
λi, δi - коэффициент теплопроводности и толщина i-го образца многослойного пакета;
Δ T - перепад температуры между нагреваемой поверхностью контрольного образца и охлаждаемой поверхностью многослойного пакета;
Δ t - перепад температуры на рабочих поверхностях контрольного образца.
где RK - контактное термическое сопротивление;
λк.о, δк.о - коэффициент теплопроводности и толщина контрольного образца;
λi, δi - коэффициент теплопроводности и толщина i-го образца многослойного пакета;
Δ T - перепад температуры между нагреваемой поверхностью контрольного образца и охлаждаемой поверхностью многослойного пакета;
Δ t - перепад температуры на рабочих поверхностях контрольного образца.
Реализация поставленной цели представляется особенно актуальной из-за необходимости обеспечения уменьшения теплопотерь в современных технических устройствах, а также в криогенной технике, имеющих значительные высокие или низкие рабочие температуры. Уменьшение теплопотерь данных устройств определяется теплопроводностью и геометрическими размерами жаростойких металлов, величина λ которых находится в пределах λ ≈ 8 - 60 Вт /(м•oC), а значения контактных термических сопротивлений в соприкасаемых соединениях RK ≈ (0,5 - 5) • 10-4 м2 • oC/Вт. Отсюда следует, что набор многослойных тонких жаропрочных пластин позволяет обеспечить минимальные теплопотери при минимальной массе или объеме системы.
На чертеже показано устройство для осуществления предложенного способа.
Устройство содержит теплоизоляционный корпус 1, в котором размещены электронагреватель 2, холодильник 3, контрольный образец 4 и исследуемый многослойный пакет 5, состоящий из набора тонких пластин. Регулировочная система состоит из задатчика теплового режима 6, а измерительная - из дифференциальных термопар 7, 8 и измерителя температуры 9.
Способ осуществляется следующим образом.
В измерительном устройстве, представленном на чертеже, между контрольным образцом 4, который находится в постоянном контакте с электронагревателем 2 и холодильником 3, размещают исследуемый многослойный пакет 5. Электрическим нагревателем 2 с помощью задатчика теплового режима 6 создают тепловой поток, который обеспечивает необходимые температурные условия в многослойном пакете 5. При достижении в измерительном устройстве стационарного теплового режима производят замеры. Дифференциальной термопарой 7 совместно с измерителем температуры 9 измеряют разность температур в контрольном образце 4, которая имеется между его поверхностью, постоянно контактирующей с электронагревателем 2, с одной стороны, и, с другой стороны, с противолежащей поверхностью, имеющей рабочий контакт с многослойным пакетом. Дифференциальной термопарой 8 совместно с измерителем температуры 9 измеряют разность температур между нагреваемой поверхностью контрольного образца 4 и охлаждаемой поверхностью многослойного пакета 5. Многослойный пакет 5 состоит из набора требуемого количества тонких пластин с заданными теплофизическими характеристиками. Расчет контактных термических сопротивлений на пути теплового потока между всеми контактирующими поверхностями в многослойном пакете 5 и с поверхностью контрольного образца 4 производят по предлагаемой расчетной формуле.
Вывод расчетной формулы для определения полного контактного термического сопротивления на пути теплового потока в исследуемом многослойном пакете основывался на расчете термического сопротивления единичного контакта (см. кн. Шлыков Ю.П. и др. Контактный теплообмен. М., Энергоиздат, 1963, с. 122).
где RK - контактное термическое сопротивление;
Δ TK - температурный перепад в зоне контакта;
q - удельный тепловой поток.
Температурный перепад Δ TK в случае предлагаемого способа определения контактных термических сопротивлений можно представить как
ΔTк= ΔT-Δt, (2)
где Δ T - фактический измеряемый температурный перепад между нагреваемой поверхностью контрольного образца и охлаждаемой поверхностью многослойного пакета, который учитывает термические сопротивления на пути теплового потока не только слоев пакета, но и контактные термические сопротивления между слоями;
Δ t - температурный перепад для тех же измеряемых условий, что и при определении Δ T, но учитывающий лишь термическое сопротивление слоев, который может быть определен из зависимости 12-5 (см. кн. Лариков Н.Н. Общая теплотехника. М., Стройиздат, 1975, с. 269).
ΔTк= ΔT-Δt, (2)
где Δ T - фактический измеряемый температурный перепад между нагреваемой поверхностью контрольного образца и охлаждаемой поверхностью многослойного пакета, который учитывает термические сопротивления на пути теплового потока не только слоев пакета, но и контактные термические сопротивления между слоями;
Δ t - температурный перепад для тех же измеряемых условий, что и при определении Δ T, но учитывающий лишь термическое сопротивление слоев, который может быть определен из зависимости 12-5 (см. кн. Лариков Н.Н. Общая теплотехника. М., Стройиздат, 1975, с. 269).
Удельный тепловой поток q для формул (3) и (1) определяется при замере перепада температуры Δ t на рабочих поверхностях контрольного образца по зависимости 12-2 (см. кн. Лариков Н.Н. Общая теплотехника, М., Стройиздат, 1975, с. 269).
Подставляя значения (2), (3) и (4) в (1), получим зависимость для расчета контактных термических сопротивлений RK в многослойном пакете
Таким образом, в полученном уравнении (5) для расчета контактных термических сопротивлений в многослойном пакете 5 необходимо замерить перепад температуры Δ t на рабочих поверхностях контрольного образца 4 и Δ T между нагреваемой поверхностью контрольного образца и охлаждаемой поверхностью многослойного пакета.
Преимуществом предлагаемого способа является появление возможности измерения контактных термических сопротивлений в образцах, представляющих многослойные пакеты, которые состоят из набора тонких исследуемых пластин. Устраняются недостатки известных способов, заключающиеся в неизбежности погрешностей в измерениях вследствие искаженного влияния термопар, внедряемых в исследуемые образцы. Повышается точность в предлагаемом способе за счет исключения измерения теплового потока и операции линейной экстраполяции температурных полей в образцах. Кроме этого расширяется класс измеряемых изделий как по теплопроводности, так и по высоте образцов, составляющих многослойные пакеты, при определении в них результирующих контактных термических сопротивлений.
Пример. Эксперименты по использованию предлагаемого способа при определении контактных термических сопротивлений в образцах, представляющих многослойные пакеты, проводили в лаборатории Воронежской государственной лесотехнической академии. Контрольный образец, находившийся постоянно в контакте с нагревателем в измерительном устройстве, изготовлен из нержавеющей стали 1Х18Н9Т, имеющей коэффициент теплопроводности λ = 17,1 Вт/(м•oC), высоту δ = 6 мм. Исследуемый многослойный пакет состоял из трех пластин из жаропрочных сталей 1Х18Н9Т с λ = 17,1 Вт/(м•oC), 1Х13 с λ = 26,0 Вт/(м•oC), 30ХГС с λ = 36,8 Вт/(м•oC). Диаметр всех пластин пакета 30 мм, а высота 5 мм. Исследуемый трехслойный пакет размещали между контрольным образцом и холодильником и подвергали механической нагрузке P = 9,8 • 105 H/м2. Тепловой поток, который пропускался через контрольный образец и исследуемый трехслойный пакет, соответствовал q = 36,1•103 Вт/м2. Средний температурный перепад, определенный с помощью дифференциальных термопар по результатам пяти измерений, составил Δ Tср = 94,4 • oC и Δ tср = 12,2 • oC. Результаты экспериментов и расчет контактного термического сопротивления трехслойного пакета в контакте с контрольным образцом, определяемого по формуле
представлены в таблице.
представлены в таблице.
В экспериментах, проводимых по известному способу (прототипу), готовили образцы в виде стержней диаметром 30 мм и высотой 30 мм из материала "сталь-45-сталь-45" (см. кн. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. - М., Энергия, 1971, с. 98-114). Контактная пара имела, соответственно, высоту 60 мм. По высоте контактной пары образцов через каждые 6 мм располагали 10 хромель-копелевых термопар, изготовленных из проволоки диаметром 0,4 мм. Спай термопар заделывался на глубине 15 мм и укреплялся жаропрочным цементом. Исследуемую контактную пару цилиндров размещали между нагревателем и холодильником и подвергали механической нагрузке P = 9,8 • 105 H/м2. Тепловой поток, который пропускали через контактную пару, соответствует q = 34,9 • 103 Вт/м2. Температурный скачок Δ TK в плоскости контакта цилиндров определяли методом графической линейной экстраполяции по значениям температур, регистрируемых термопарами по высоте контактных пар. Расчет контактного термического сопротивления осуществлялся по формуле RK = Δ Tср/q.
Относительная погрешность предлагаемого способа и известного рассчитывалась по результатам пяти измерений по заданной надежности α = 0,98 и коэффициенту Стьюдента tα(n) = 3,75 (см. кн. Касандрова О.Н. и др. Обработка результатов наблюдений. - М., Наука, 1970, с. 86-88, с. 95).
Использование предлагаемого способа позволяет сократить общую продолжительность определения контактных термических сопротивлений в n-слойных образцах в n раз. Кроме этого способ проще и точнее существующих, а для образцов, представляющих многослойные пакеты, он является единственным. При использовании предлагаемого способа обеспечивается уменьшение относительной погрешности с 13-14% до 7-8%.
Claims (1)
- Способ определения контактных термических сопротивлений, заключающийся в том, что в теплоизолированном корпусе создают тепловой поток путем нагревания одной торцевой поверхности контактного образца и охлаждения его противоположной торцевой поверхности, отличающийся тем, что контактный образец создают из контрольного стационарно установленного в теплоизолированном корпусе монолитного образца и многослойного пакета, замеряют разность температур на рабочих поверхностях контрольного образца и между нагреваемой поверхностью контрольного образца и охлаждаемой поверхностью многослойного пакета, а величину контактного термического сопротивления рассчитывают по формуле
где RK контактное термическое сопротивление;
λк.о.,δк.о. - коэффициент теплопроводности и толщина контрольного образца соответственно;
λi,δi - коэффициент теплопроводности и толщина i-го образца многослойного пакета соответственно;
ΔT - перепад температуры между нагреваемой поверхностью контрольного образца и охлаждаемой поверхностью многослойного пакета;
Δt - перепад температуры на рабочих поверхностях контрольного образца.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99114807A RU2170924C2 (ru) | 1999-07-07 | 1999-07-07 | Способ определения контактных термических сопротивлений |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99114807A RU2170924C2 (ru) | 1999-07-07 | 1999-07-07 | Способ определения контактных термических сопротивлений |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU99114807A RU99114807A (ru) | 2001-05-20 |
RU2170924C2 true RU2170924C2 (ru) | 2001-07-20 |
Family
ID=20222396
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99114807A RU2170924C2 (ru) | 1999-07-07 | 1999-07-07 | Способ определения контактных термических сопротивлений |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2170924C2 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113514492A (zh) * | 2021-06-02 | 2021-10-19 | 中国电子产品可靠性与环境试验研究所((工业和信息化部电子第五研究所)(中国赛宝实验室)) | 一种测量界面热阻的方法和装置 |
RU2788562C1 (ru) * | 2022-06-15 | 2023-01-23 | Андрей Васильевич Ковылин | Способ определения комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов |
-
1999
- 1999-07-07 RU RU99114807A patent/RU2170924C2/ru active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113514492A (zh) * | 2021-06-02 | 2021-10-19 | 中国电子产品可靠性与环境试验研究所((工业和信息化部电子第五研究所)(中国赛宝实验室)) | 一种测量界面热阻的方法和装置 |
CN113514492B (zh) * | 2021-06-02 | 2023-09-01 | 中国电子产品可靠性与环境试验研究所((工业和信息化部电子第五研究所)(中国赛宝实验室)) | 一种测量界面热阻的方法和装置 |
RU2788562C1 (ru) * | 2022-06-15 | 2023-01-23 | Андрей Васильевич Ковылин | Способ определения комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Shankar et al. | On the temperature distribution in liquid–vapor phase change between plane liquid surfaces | |
McComas et al. | Combined free and forced convection in a horizontal circular tube | |
CN101021502A (zh) | 低温电阻温度系数测试装置 | |
RU2170924C2 (ru) | Способ определения контактных термических сопротивлений | |
Basavaraj et al. | Accurate measurements of the Local Heat Transfer coefficients along the dedicated test section | |
JP3315368B2 (ja) | 熱伝導率測定装置及び測定方法 | |
CN102778476B (zh) | 正反双向热流法测定导热系数的方法 | |
US3504525A (en) | Apparatus for measuring thermic characteristics of extremely small amounts of test material | |
Brzezinski et al. | Effects of interface resistance on measurements of thermal conductivity of composites and polymers | |
RU2124717C1 (ru) | Устройство для измерения теплопроводности | |
Corsan | Axial heat flow methods of thermal conductivity measurement for good conducting materials | |
RU2734062C1 (ru) | Способ измерения теплопроводности строительных материалов | |
SU1165957A1 (ru) | Способ определени теплофизических характеристик плоских образцов материалов и устройство дл его осуществлени | |
SU932292A1 (ru) | Способ измерени расхода тепла | |
RU2755330C1 (ru) | Способ измерения теплопроводности | |
RU156904U1 (ru) | Стенд для качественной оценки теплоизоляционных свойств материалов | |
RU2330271C1 (ru) | Способ контроля качества соединений | |
SU1069527A1 (ru) | Способ определени теплофизических характеристик материала под давлением | |
Azme et al. | Design & Construction of An Experimental Setup for Measuring Thermal Conductivity of Versatile Range of Solid Materials | |
RU2752398C1 (ru) | Способ совокупного измерения теплопроводности разнородных твердых материалов и устройство для его осуществления | |
RU2722088C1 (ru) | Способ измерения удельного теплового сопротивления и устройство для его осуществления | |
SU1062586A1 (ru) | Устройство дл определени теплофизических свойств материалов | |
SU1718079A1 (ru) | Способ определени контактных термических сопротивлений | |
RU2380641C1 (ru) | Способ контроля качества заправки тепловой трубы | |
SU1120185A1 (ru) | Устройство дл градуировки термопреобразовател |