RU2569176C1 - Method of determining heat conduction of contacts of solid-state bodies - Google Patents
Method of determining heat conduction of contacts of solid-state bodies Download PDFInfo
- Publication number
- RU2569176C1 RU2569176C1 RU2014122742/28A RU2014122742A RU2569176C1 RU 2569176 C1 RU2569176 C1 RU 2569176C1 RU 2014122742/28 A RU2014122742/28 A RU 2014122742/28A RU 2014122742 A RU2014122742 A RU 2014122742A RU 2569176 C1 RU2569176 C1 RU 2569176C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- samples
- transparent
- interferometer
- contacts
- light beam
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к способу определения теплофизических характеристик твердых тел, а именно тепловой проводимости контактов твердых тел.The invention relates to a method for determining the thermophysical characteristics of solids, namely the thermal conductivity of contacts of solids.
Способ позволяет определять тепловую проводимость контактов твердых тел в диапазоне от 400 до 200000 Вт/(м2 К) и наиболее подходит для контактов, созданных с использованием дополнительных материалов, улучшающих теплопередачу между телами, таких как теплопроводная паста, теплопроводный клей, эпоксидная смола, а также оптических контактов и контактов типа термодиффузионной сварки. Способ позволяет исследовать тепловой контакт между двумя прозрачными образцами твердых тел или между прозрачным образцом и образцом из высокотеплопроводного материала. В частности это широко востребовано в области разработки твердотельных лазеров и их компонентов, где в качестве прозрачного образца выступает прозрачный элемент лазерной системы, находящийся под тепловой нагрузкой, а в качестве высокотеплопроводного образца выступает радиатор. Тепловой контакт между двумя прозрачными образцами возникает при создании композитных оптических элементов с использованием методов сращивания, например термодиффузионной сварки, или метода оптического контакта.The method allows to determine the thermal conductivity of the contacts of solids in the range from 400 to 200,000 W / (m 2 K) and is most suitable for contacts created using additional materials that improve heat transfer between bodies, such as heat-conducting paste, heat-conducting adhesive, epoxy resin, and also optical contacts and contacts such as thermal diffusion welding. The method allows to study the thermal contact between two transparent samples of solids or between a transparent sample and a sample of highly heat-conducting material. In particular, this is widely demanded in the field of development of solid-state lasers and their components, where a transparent element of the laser system that is under thermal load acts as a transparent sample, and a radiator acts as a highly heat-conducting sample. Thermal contact between two transparent samples occurs when creating composite optical elements using splicing methods, such as thermal diffusion welding, or the optical contact method.
Существует способ измерения тепловой проводимости контакта между прозрачным образцом и высокотеплопроводным материалом [S. Chernais, F. Druon, S. Forget, F. Balembois, P. Georges "On thermal sffect in solid-state lasers: the case of ytterbium-doped materials", Progress in Quantum Electronics, 30, р.89-153 (2006)], основанный на измерении распределения температуры на поверхности образца с помощью инфракрасной камеры, когда образец нагревают лазерным излучением и охлаждают через тепловые контакты с высокотеплопроводным материалом. Тепловую проводимость контактов вычисляют из измеренного распределения температуры, рассчитанного тепловыделения в образце, теплопроводности образца и геометрии системы. There is a method for measuring the thermal conductivity of a contact between a transparent sample and a highly heat-conducting material [S. Chernais, F. Druon, S. Forget, F. Balembois, P. Georges "On thermal sffect in solid-state lasers: the case of ytterbium-doped materials", Progress in Quantum Electronics, 30, pp. 89-153 (2006 )], based on measuring the temperature distribution on the surface of the sample using an infrared camera, when the sample is heated by laser radiation and cooled through thermal contacts with a highly heat-conducting material. The thermal conductivity of the contacts is calculated from the measured temperature distribution, the calculated heat release in the sample, the thermal conductivity of the sample and the geometry of the system.
Недостатки данного способа в том, что из-за использования лазерного нагрева в качестве образца может выступать только активный элемент лазера, для каждого образца необходимо применять греющее излучение на нужной длине волны, математический расчет сложен и требует точного знания тепловыделения в образце.The disadvantages of this method are that, due to the use of laser heating, only the active element of the laser can act as a sample, for each sample it is necessary to apply heating radiation at the desired wavelength, the mathematical calculation is complicated and requires accurate knowledge of the heat in the sample.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является взятый за прототип способ измерения коэффициента теплопередачи теплопроводных электроизоляционных материалов [Американский стандарт ASTM D5470, http://www.astm.org/5470.htm]. Способ включает создание стационарного одномерного теплового потока через систему, представляющую собой два металлических образца известной теплопроводности, выполненных в форме одинаковых прямых круговых цилиндров, приведенных в контакт основаниями, между которыми сжимают исследуемый материал. Тепловой поток направляют перпендикулярно плоскости контакта. Вдоль образцов закрепляют термопары для определения градиента температуры в образцах и скачка температуры между контактирующими гранями образцов. Коэффициент теплопередачи через контакт или тепловая проводимость контакта вычисляются из измеренного градиента температуры, скачка температуры и теплопроводности образцов. Система также обладает возможностью изменения давления на контакт и измерения толщины зазора между образцами.Closest to the proposed invention in technical essence is the prototype method of measuring the heat transfer coefficient of heat-conducting electrical insulation materials [American standard ASTM D5470, http://www.astm.org/5470.htm]. The method includes the creation of a stationary one-dimensional heat flux through a system consisting of two metal samples of known thermal conductivity, made in the form of identical straight circular cylinders brought into contact by bases between which the test material is compressed. The heat flow is directed perpendicular to the plane of contact. Thermocouples are fixed along the samples to determine the temperature gradient in the samples and the temperature jump between the contacting faces of the samples. The heat transfer coefficient through the contact or thermal conductivity of the contact is calculated from the measured temperature gradient, temperature jump and thermal conductivity of the samples. The system also has the ability to change the pressure on the contact and measure the thickness of the gap between the samples.
Данный способ позволяет тестировать различные материалы. Однако коэффициент теплопередачи через контакт сильно зависит также и от материалов контактирующих поверхностей, которые на практике могут быть самыми разнообразными. Используемые в способе-прототипе образцы изготовлены из металла и не могут быть заменены прозрачными образцами из-за громоздкости системы, которая не может быть уменьшена из-за использования термопар для измерения температуры.This method allows you to test various materials. However, the coefficient of heat transfer through contact also strongly depends on the materials of the contacting surfaces, which in practice can be very diverse. The samples used in the prototype method are made of metal and cannot be replaced with transparent samples due to the bulkiness of the system, which cannot be reduced due to the use of thermocouples to measure temperature.
Задачей, на которую направлено изобретение, является создание способа, позволяющего определять тепловую проводимость контактов между прозрачными образцами или между прозрачным и высокотеплопроводным образцами.The objective of the invention is to provide a method for determining the thermal conductivity of contacts between transparent samples or between transparent and highly heat-conducting samples.
Технический эффект достигается тем, что создают стационарный одномерный тепловой поток через систему из не менее чем двух образцов твердых тел с известной теплопроводностью, где образцы выполнены в форме прямых цилиндров с одинаковыми основаниями, которыми они приведены в контакт, при этом образцы в системе, расположенные по краям, изготавливают из одного материала, а тепловой поток в системе направляют перпендикулярно плоскости контакта.The technical effect is achieved by creating a stationary one-dimensional heat flow through a system of at least two samples of solids with known thermal conductivity, where the samples are made in the form of straight cylinders with the same bases by which they are brought into contact, while the samples in the system located at the edges are made of one material, and the heat flux in the system is directed perpendicular to the plane of contact.
Новым является то, что в системе используют два либо три образца, прямые цилиндры выполняют в виде прямоугольных параллелепипедов, образцы, расположенные по краям, изготавливают с длинами сторон не менее 1 мм из прозрачного материала, в случае системы из трех образцов твердых тел средний образец изготавливают из высокотеплопроводного материала, систему помещают в интерферометр, при этом световой пучок интерферометра направляют перпендикулярно одной из боковых граней каждого прозрачного образца, при создании в системе стационарного одномерного теплового потока интерференционным методом измеряют изменение профиля фазы светового пучка интерферометра, проходящего через прозрачные образцы, а тепловую проводимость любого из контактов вычисляют из измеренного изменения профиля фазы светового пучка интерферометра, известной теплопроводности и геометрических размеров образцов.What is new is that two or three samples are used in the system, straight cylinders are made in the form of rectangular parallelepipeds, samples located at the edges are made with side lengths of at least 1 mm from a transparent material, in the case of a system of three samples of solids, an average sample is made of a highly heat-conducting material, the system is placed in an interferometer, while the light beam of the interferometer is directed perpendicular to one of the side faces of each transparent sample, when creating a stationary one The measurement of the phase profile of the light beam of the interferometer passing through transparent samples is measured by the interference measurement method, and the thermal conductivity of any of the contacts is calculated from the measured change in the phase profile of the light beam of the interferometer, the known thermal conductivity and geometric dimensions of the samples.
Способ поясняется Фиг. 1, на которой изображена система из приведенных в контакт образцов твердых тел, а также нагреватель и радиатор, которые создают через систему стационарный одномерный тепловой поток.The method is illustrated in FIG. 1, which shows a system of contacted samples of solids, as well as a heater and a radiator, which create a stationary one-dimensional heat flow through the system.
Способ осуществляют следующим образом. Используют систему, представленную на Фиг. 1. Система из двух образцов представляет собой два скрепленных прозрачных образца 4 одинаковой формы, выполненных из одного материала. В системе из трех образцов между прозрачными образцами закреплен высокотеплопроводный образец 3. Теплопроводность всех образцов известна. Все образцы выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов с одинаковыми основаниями, которыми они и приведены в контакт. Прозрачные образцы 4 имеют высоту от 2 до 5 мм. Высокотеплопроводный образец - высоту 1 мм. Определяют тепловую проводимость контактов 5. С одной стороны к системе прикрепляют нагреватель 1, с другой - радиатор с проточным охлаждением 2, которые в момент измерений создают в системе стационарный одномерный тепловой поток, направленный перпендикулярно плоскости контакта. Систему помещают в интерферометр и интерференционным методом измеряют изменение профиля фазы светового пучка интерферометра, проходящего через прозрачные образцы 4, которое появляется при включении в системе стационарного теплового потока. При этом световой пучок интерферометра перпендикулярен одной из боковых граней каждого из прозрачных образцов 4.The method is as follows. The system shown in FIG. 1. The system of two samples is two bonded transparent samples 4 of the same shape, made of the same material. In a system of three samples, a highly heat-conducting sample 3 is fixed between the transparent samples. The thermal conductivity of all samples is known. All samples are made in the form of rectangular parallelepipeds with the same bases, by which they are brought into contact. Transparent samples 4 have a height of 2 to 5 mm. Highly conductive sample - 1 mm high. The thermal conductivity of the contacts is determined 5. On the one hand, a heater 1 is attached to the system, and on the other, a radiator with flow cooling 2, which at the time of measurement creates a stationary one-dimensional heat flow in the system directed perpendicular to the contact plane. The system is placed in an interferometer and the interference method measures the change in the phase profile of the light beam of the interferometer passing through transparent samples 4, which appears when a stationary heat flux is switched on in the system. In this case, the light beam of the interferometer is perpendicular to one of the side faces of each of the transparent samples 4.
Из измеренного изменения профиля фазы светового пучка интерферометра (L) вычисляют градиент изменения профиля фазы пучка в прозрачных образцах 4 (dL1/dx и dL2/dx) и скачок изменения профиля фазы пучка между обращенными друг к другу основаниями прозрачных образцов 4 (ΔL).From the measured change in the phase profile of the light beam of the interferometer (L), calculate the gradient of the change in the profile of the beam phase in transparent samples 4 (dL 1 / dx and dL 2 / dx) and the jump in the change in the profile of the phase of the beam between the bases of the transparent samples 4 facing each other (ΔL) .
В случае системы из двух прозрачных образцов 4 тепловую проводимость контакта вычисляют по формуле:In the case of a system of two transparent samples 4, the thermal conductivity of the contact is calculated by the formula:
где dL/dx - среднее арифметическое от dL1/dx и dL2/dx, κ0 - теплопроводность прозрачных образцов 4. Данная формула получается из формулы, используемой для расчета в способе-прототипе:where dL / dx is the arithmetic mean of dL 1 / dx and dL 2 / dx, κ 0 is the thermal conductivity of transparent samples 4. This formula is obtained from the formula used for calculation in the prototype method:
где Т - изменение температуры при включении в системе стационарного теплового потока, ΔT - скачок изменения температуры между обращенными друг к другу основаниями прозрачных образцов 4, dT/dx - среднее арифметическое градиентов изменения температуры в прозрачных образцах 4. При этом используется линейная связь изменения профиля фазы светового пучка интерферометра, проходящего через прозрачные образцы 4, с изменением распределения температуры в них:where T is the temperature change when the stationary heat flux is turned on in the system, ΔT is the temperature change jump between the bases of the transparent samples facing each other 4, dT / dx is the arithmetic average of the temperature gradients in the transparent samples 4. In this case, a linear relationship of the phase profile change is used the light beam of the interferometer passing through the transparent samples 4, with a change in the temperature distribution in them:
где L0 - толщина одного из прозрачных образцов 4 в том направлении, в котором направлен световой пучок интерферометра, dn/dT - температурное изменение показателя преломления одного из прозрачных образцов 4, α - коэффициент теплового расширения одного из прозрачных образцов 4.where L 0 is the thickness of one of the transparent samples 4 in the direction in which the light beam of the interferometer is directed, dn / dT is the temperature change in the refractive index of one of the transparent samples 4, α is the thermal expansion coefficient of one of the transparent samples 4.
В случае системы из трех образцов величина ΔL связана со скачком температуры на двух контактах 5 и скачком температуры на высокотеплопроводном образце 3. В этом случае тепловую проводимость любого из контактов вычисляют по формуле:In the case of a system of three samples, ΔL is associated with a temperature jump at two contacts 5 and a temperature jump at a highly conductive sample 3. In this case, the thermal conductivity of any of the contacts is calculated by the formula:
где h - высота высокотеплопроводного образца 3, κ - теплопроводность высокотеплопроводного образца 3.where h is the height of the highly conductive sample 3, κ is the thermal conductivity of the highly conductive sample 3.
Мощность тепла, уходящего в атмосферу, оценивают из разности градиентов изменения профиля фазы пучка в прозрачных образцах 4. Она должна быть много меньше мощности тепла, протекающей через систему. Если это условие не выполняется, систему покрывают теплоизолирующей оболочкой или помещают в вакуумную камеру.The power of heat entering the atmosphere is estimated from the difference in the gradients of the change in the profile of the beam phase in transparent samples 4. It should be much less than the power of heat flowing through the system. If this condition is not met, the system is covered with a heat insulating shell or placed in a vacuum chamber.
Способ может быть применен для измерения при температурах от 10 К до 400 К помещением системы в вакуумную камеру и использованием системы охлаждения с возможностью стабилизации температуры на любом уровне из заданного диапазона.The method can be applied for measurement at temperatures from 10 K to 400 K by placing the system in a vacuum chamber and using a cooling system with the ability to stabilize the temperature at any level from a given range.
При этом в качестве хладагентов используют воду (от 280 К), жидкий азот (от 80 К) или жидкий гелий (от 10 К).In this case, water (from 280 K), liquid nitrogen (from 80 K) or liquid helium (from 10 K) are used as refrigerants.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять тепловую проводимость контактов между прозрачными образцами или между прозрачным и высокотеплопроводным образцами.Thus, the proposed method allows to determine the thermal conductivity of the contacts between transparent samples or between transparent and highly heat-conducting samples.
Результаты измерений могут быть использованы при расчетах распределения температуры и для оптимизации тепловых контактов в конструкциях, состоящих из контактирующих прозрачных и высокотеплопроводных элементов, в частности при разработке твердотельных лазеров и их компонентов.The measurement results can be used in calculating the temperature distribution and for optimizing thermal contacts in structures consisting of contacting transparent and highly heat-conducting elements, in particular, in the development of solid-state lasers and their components.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014122742/28A RU2569176C1 (en) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | Method of determining heat conduction of contacts of solid-state bodies |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014122742/28A RU2569176C1 (en) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | Method of determining heat conduction of contacts of solid-state bodies |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2569176C1 true RU2569176C1 (en) | 2015-11-20 |
Family
ID=54598344
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014122742/28A RU2569176C1 (en) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | Method of determining heat conduction of contacts of solid-state bodies |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2569176C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114487008A (en) * | 2022-01-28 | 2022-05-13 | 深圳大学 | System and method for measuring composite thermal parameters of phase-change concrete member |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2287152C1 (en) * | 2005-05-11 | 2006-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) | Method for non-destructive detection of thermo-physical properties of solid materials |
| RU2343466C1 (en) * | 2007-06-14 | 2009-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" | Method of materials testing for thermal conduction |
| RU2387981C1 (en) * | 2009-03-11 | 2010-04-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО "ТГТУ") | Method for complex detection of thermal characteristics of materials |
-
2014
- 2014-06-03 RU RU2014122742/28A patent/RU2569176C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2287152C1 (en) * | 2005-05-11 | 2006-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) | Method for non-destructive detection of thermo-physical properties of solid materials |
| RU2343466C1 (en) * | 2007-06-14 | 2009-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" | Method of materials testing for thermal conduction |
| RU2387981C1 (en) * | 2009-03-11 | 2010-04-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО "ТГТУ") | Method for complex detection of thermal characteristics of materials |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ASTM D5470, Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114487008A (en) * | 2022-01-28 | 2022-05-13 | 深圳大学 | System and method for measuring composite thermal parameters of phase-change concrete member |
| CN114487008B (en) * | 2022-01-28 | 2022-10-04 | 深圳大学 | System and method for measuring composite thermal parameters of phase-change concrete member |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhao et al. | Measurement techniques for thermal conductivity and interfacial thermal conductance of bulk and thin film materials | |
| Wang et al. | Determination of thermoelectric module efficiency: A survey | |
| Assael et al. | New measurements of the thermal conductivity of PMMA, BK7, and Pyrex 7740 up to 450K | |
| US11169102B2 (en) | Method and measurement device for ascertaining the thermal conductivity of a fluid | |
| CN109781780B (en) | Simple and easy high heat conduction material coefficient of heat conductivity steady state test system | |
| JP2011102768A (en) | Measuring method of heat characteristic | |
| Chen et al. | Determination of thermal contact conductance between thin metal sheets of battery tabs | |
| Muscio et al. | Thermal diffusivity measurement in slabs using harmonic and one-dimensional propagation of thermal waves | |
| Zhang et al. | Determination of temperature dependent thermophysical properties using an inverse method and an infrared line camera | |
| RU2569176C1 (en) | Method of determining heat conduction of contacts of solid-state bodies | |
| JP2011122859A (en) | Method and system for diagnosis of defect | |
| JP5078703B2 (en) | Apparatus and method for measuring thermal conductivity of thermal bonding material | |
| Cardenas et al. | Thermoreflectance measurement of temperature and thermal resistance of thin film gold | |
| KR101889818B1 (en) | Thermal conductivity mearsuring device and measuring method thereof | |
| Bhattacharya et al. | Characterization of the temperature oscillation technique to measure the thermal conductivity of fluids | |
| CN109470740A (en) | Characterize the double wave long flash Raman method of the thermal diffusivity of body material | |
| JP7232513B2 (en) | Seebeck coefficient measuring device and its measuring method | |
| Anatychuk et al. | On improvement of the accuracy and speed in the process of measuring characteristics of thermoelectric materials | |
| RU2558273C2 (en) | Method for determining thermal conductivity of solid bodies | |
| Hatakeyama et al. | Fundamental study of surface roughness dependence of thermal and electrical contact resistance | |
| Bison et al. | Fast estimate of solid materials thermal conductivity by IR thermography | |
| RU148273U1 (en) | DEVICE FOR CONTROL OF THERMAL CONDUCTIVITY OF PLATES FROM ALUMONITRIDE CERAMICS | |
| RU2625599C1 (en) | Method for determining thermal conductivity of solid bodies | |
| RU2811342C1 (en) | Thermal conductivity measuring device | |
| JP2016024083A (en) | Method for measuring physical property by steady state method, and measurement device therefor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190604 |