SU1718079A1 - Способ определени контактных термических сопротивлений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике, приборостроению и может быть использовано в теплометрии. Цель изобретени  - повышение точности определени  контактных термических сопротивлений . Дл  этого последовательно пропускают одинаковый по величине тепловой поток через контактную пару и через единичный образец контактной пары, замер ют разность температур на нагреваемых и охлаждаемых торцовых поверхност х контактной пары и единичного образца и по полученным значени м рассчитывают контактное термическое сопротивление. 2 ил.

Description

со

с

Изобретение относитс  к измерительной технике, приборостроению и может быть использовано в теплометрии.

Известен способ определени  контактных термических сопротивлений при исследовании теплообмена в зоне контакта твёрдых тел, заключающийс  в пропускании теплового потока через образец, состо щий из цилиндрических стержней диаметром 40 мм, соприкасающихс  торцами. К верхнему торцу образца прижимаетс  регулируемый электродвигатель, нижний торец охлаждаетс  водой. Интенсивность теплообмена в плоскости контакта оцениваетс  по величине проводимости контактов пары образца а. . Термическое сопротивление контакта определ етс  по формуле

й

Этот способ  вл етс  сложным вследствие необходимости обеспечени  высокой

точности в рассто нии заделки термопар и их об зательной идентичности показаний, что необходимо обеспечить при закреплении термопар перед каждым опытом во всех контактных парах образцов.

Известен также способ определени  контактных термических сопротивлений, в котором электрический нагреватель размещают между двум  парами контактных образцов , симметричные и равные по величине тепловые потоки пропускают через каждую контактную пару образцов. По измеренному перепаду температур Ate двух сечени х до и после плоскости контакта с рассто нием Емежду ними и определенному по электрической мощности нагревател  тепловому потоку q рассчитывают термическое сопротивление участка со стыком Rf. По известному коэффициенту теплопроводности Я материала контактных образцов и сечению цилиндров вычисл ют

00

о

Ю

термическое сопротивление цилиндра длиной f, без стыка R. Термическое сопротивление контакта определ ют как разность двух указанных сопротивлений, т.е.

.-±Ч ..

Этот способ  вл етс  сложным в экспериментальном осуществлении, так как кажда  пара контактных образцов требует сверлени  отверстий дл  термопар, которые должны быть строго параллельны, т.е. типичный увод сверла при сверлении не допускаетс  (этого требует точное знание рассто ни  заделки, термопар f, необходимое

дл  расчета R). Кроме того, способ требует обеспечени  симметричного одинакового контактного термического сопротивлени  в плоскост х стыка в каждом из двух контактных пар одновременно исследуемых образцов , что сложно осуществить (т.е. трудно создать абсолютно одинаковое контактирование в отдельных п тнах ввиду неизбежности взаимного неприлегани  плоскостей контактных пар вследствие наличи  неровностей в виде шероховатости, волнистости или макронеровности), что приводит к перераспределению теплового потока и существенно снижает точность определени  контактных термических сопротивлений.

Расчет RP в данном способе требует также дополнительных экспериментов по определению коэффициента теплопроводности Я, так как приводимые в таблицах значени  Я дл  различных материалов имеют существенный разброс в измерени х вследствие погрешностей, величина которых имеет тот же пор док, что и величина контактных термических сопротивлений. Это снижает точность в расчетах RP и, соответственно, в определении контактного термического сопротивлени  RK.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути  вл етс  способ определени  контактного термического сопротивлени , заключающийс  в том, что в образце контактной пары создают тепловой поток, который замер ют по скорости испарени  жидкого кислорода с помощью газового счетчика. Контактное термическое сопротивление определ ют как разность замеренного полного термического сопротивлени  образца Кэксп. и расчетного термического сопротивлени  образца толщиной д без учета контакта Нрасч. Полное термическое сопротивление образца Рэксп- определ ют как отношение разности температур между теплым и холодным концами контактной пары к тепловому потоку, т.е.

RK - Яэксп Roac4 -

At(5

эксп - гчрасч - -pi-

Недостатком этого способа  вл етс  низка  точность в определении контактных термических сопротивлений вследствие того , что контактные термические сопротивлени   вл ютс  очень малыми определ емыми параметрами (в измерени х RK в основном находитс  в пределах

0 10

R

- 10 м At

град/Вт), поэтому расчет

эксп

не обеспечивает достаточной

5

0

5

0

5

0

5

степени точности вследствие используемого способа определени  q. Кроме этого, расчет Ррасч требует предварительного

точного экспериментального определени  коэффициента теплопроводности А , при котором неизбежно будет внесена погрешность на контактные термические сопротивлени  в плоскост х соприкоснове- ни  образца с нагревателем и Холодильником . В практике теплофизических измерений контактные термические сопротивлени  трудно определимы, поэтрму они до насто щего времени не учитываютс  и перевод тс  в разр д погрешностей, которые могут достигать до 5%.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности определени  контактных термических сопротивлений.

Исключение в измерени х коэффициента теплопроводности обеспечивает расширение области применени  данного способа дл  образцов, в которых Я соизмеримы с контактным термическим сопротивлением .

Цель достигаетс  тем, что после определени  разности температур на поверхност х контактной пары такой же по величине тепловой поток, пропускают через единичный образец контактной пар, замер ют разность температур на его торцовых поверхност х , а величину контактного термического сопротивлени  рассчитывают по формуле

RK

ДТк.п.

где RK - контактное термическое сопротивление;

q - удельный тепловой поток;

A t,A Тк.п. - перепад температур между охлаждаемой и нагреваемой поверхност ми единичного образца и контактной пары соответственно;

hi - высота единичного образца контактной пары;

h2 - высота контактной пары.

На фиг.1 показано устройство дл  осуществлени  предлагаемого способа при замере перепада температуры на поверхност х единичного образца;

на фиг.2 - то же, в исследуемой контактной паре.

Устройство содержит теплоизол ционный корпус 1, нагреватель 2. холодильник 3, исследуемые образцы 4 и 5 контактной пары , дифференциальную термопару 6, задат- чик 7 теплового режима, измеритель 8 температуры, датчик 9 теплового потока, измеритель 10 теплового потока.

Способ осуществл етс  следующим образом .

Образцы 4 и 5. составл ющие контактную пару, имеющую высоту П2, изготавливают из одного и того же материала. В теплоизол ционный корпус 1 между нагревателем 2 и холодильником 3 устанавливают вначале образец 4. Задатчиком 7 теплового режима создают требуемый тепловой поток. После достижени  стационарного теплового режима производ т замер перепада температуры At по высоте hi образца 4 с помощью дифференциальной термопары . Затем между нагревателем 2 и холодильником 3 размещают второй образец 5 контактной пары. Задатчиком 7 теплового режима с помощью датчика 9 теплового потока создают тепловой поток, равный пропускаемому ранее через образец 4. После установлени  стационарного теплового режима дифференциальной термопарой 6 замер ют перепад температуры ДТк.п. между нагреваемой и охлаждаемой торцовыми поверхност ми образцов 4 и 5, составл ющих контактную пару высотой ha. Расчет контактного термического сопротивлени  производ т по предлагаемой расчетной формуле.

Преимуществом этого способа  вл етс  возможность использовани  образцов контактной пары в виде тонких пластин, что исключает использование системы автоматизации , обеспечивающей адиабэтность в измерени х, повышаетс  точность путем уменьшени  ошибок, св занных с неизбежностью теплопотерь боковых поверхностей образцов контактных пар, упрощаетс  способ осуществлени  замеров контактных термических сопротивлений.

Пример. Эксперименты по определению контактных термических сопротивлений в контактных парах сталь-45 - еталь-45 проводили в лаборатории Воронежского ордена Дружбы народов лесотехнического института на установках, использующих предлагаемый способ определени  контактных термических сопротивлений .

Дл  реализации предлагаемого способа готовили образцы диаметром 30 мм, Контактный образец представл л собой два соприкасающихс  торцовыми поверхност ми цилиндра высотой 5 мм каждый. Между холодильником и нагревателем при измерени х последовательно размещали единичный

образец контактной пары и контактную пару , Дифференциальна  хромелькопелева  термопара находилась на нагреваемых и охлаждаемых торцовых поверхност х единичного образца и контактной пары. При

проведении экспериментов равный по величине тепловой поток q -37,5 103 Вт/м2 пропускали последовательно через единичный образец контактной пары и через контактную пару. Нагрузка контактной пары

соответствовала Р 26,1 105 Н/м2. Расчет контактных термических сопротивлений производили по формуле

RK

ATK.n.

Каждый эксперимент повтор лс  не менее п ти раз.

Результаты экспериментов следующие:

р Ю5- нагрузка, создаваема  в контактной паре, 26,1 Н/м2;

q -10 - удельный тепловой поток, пропускаемый через контактную пару, 37,5 Вт/м2;

А Т - температурный перепад в зоне

контакта исследуемой контактной пары в п ти проводимых опытах 19,2; 18,8; 19,6; 19.0; 18.6 °С;

AT,

ср

ЈЈдтni i

среднее значение

5

температурного перепада из п ти измерений 19,0°С;

AS

/ЛАТср-АТ2

( - 1)

Средн   квадратна  погрешность результа- JOB п ти измерений 0,14°С;

е -;г-г относительна  по0А СР

грешность в определении АТСр 2,76%;

RK Ю4- контактное термическое сопротивление в исследуемых образцах, рассчитанное по А Тер, 5.1 м2 °С/Вт. 5 Формул а изобретени 

Способ определени  контактных термических сопротивлений, включающий пропускание теплового потока через контактную пару, состо щую из двух соприкасающихс  торцами образцов, выполненных из одного

и того же материала, путем нагревани  одной торцовой поверхности контактной пары и охлаждени  ее противоположной поверхности , определение разности температур между нагреваемой и охлаждаемой торцовыми поверхност ми контактной пары и расчет контактного термического сопротивлени , от л и ч а ю щ и и с   тем, что, с целью повышени  точности определени  контактных термических сопротивлений, дополнительно пропускают такой же по величине тепловой поток через один из образцов контактной пары, замер ют разность температур на его торцовых поверхност х, .а величину контактного термического сопротивлени  рассчитывают по формуле

ЛТк.п.

RK -

hi

где RK - контактное термическое сопротивление;

q - удельный тепловой поток, проход щий через контактную пару и образец контактной пары;

Л1,ДТк.п. - перепад температур межт ду охлаждаемой и нагреваемой поверхност ми одного из образцов и контактной пары и контактной пары соответственно; hi - высота единичного образца;

h2 - высота контактной пары.

Фиг.2

Claims (1)

1. 55 Формула изобретения

   Способ определения контактных термических сопротивлений. включающий пропускание теплового потока через контактную пару, состоящую из двух соприкасающихся торцами образцов, выполненных из одного и того же материала, путем нагревания одной торцовой поверхности контактной пары и охлаждения ее противоположной поверхности, определение разности температур между нагреваемой и охлаждаемой торцо- 5 выми поверхностями контактной пары и расчет контактного термического сопротивления, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности определения контактных термических сопротивлений, дополни- 10 тельно пропускают такой же по величине тепловой поток через один из образцов контактной пары, замеряют разность температур на его торцовых поверхностях, а величину контактного термического сопро- 15 тивления рассчитывают по формуле h₂ hi

   At где R_K - контактное термическое сопротивление;

   q - удельный тепловой поток, проходящий через контактную пару и образец контактной пары;

   Δΐ,ΔΤκ.π. - перепад температур между охлаждаемой и нагреваемой поверхностями одного из образцов и контактной пары и контактной пары соответственно;

   hi - высота единичного образца: hz - высота контактной пары.