一种半球面热源稳态法导热系数测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，包括装置部分（1）和监控部分（2）；装置部分（1）的内层半球容器（107）嵌于下层绝热垫（105）内，并与上层绝热垫层（106）叠放在底座（101）上；使用六对紧固螺栓（103）和紧固螺母（104）将测量容器上盖（102）与底座（101）连接，电阻加热丝（108）通过导线（203）直流稳压电源（204）与相连；测温点处热电偶通过导线（203）穿过上层绝热垫（106）及测量容器上盖（102）与温度采集模块（201）相连；同时还提供利用上述装置进行导热系数的测量方法；利用本装置和方法，可对液体，泡沫流体及颗粒状固体等易形变物体的导热系数进行有效测试。
【专利说明】一种半球面热源稳态法导热系数测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种物体导热系数的测量装置及方法，具体是一种半球面热源稳态法导热系数测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]导热系数是描述物质导热能力的主要参数，对工程热设计有重要作用，因此准确地测量导热系数一直是传热领域研究的重要课题。目前，导热系数的理论研究已经得到充分发展，导热系数的测试方法也有很多，根据测试过程的宏观机理不同，可将其分为稳态法和非稳态法:其中稳态法由于可以得到可靠的结果且计算简单是目前应用广泛的测定方法。稳态法测定导热系数的一般过程为:在待测试样一端加热，另一端冷却，使整个体系形成近似一维导热的模型，然后根据一维导热系数的计算公式来测量计算待测材料的导热系数。
[0003]稳态法进一步可分为两类，一类是按上述方法直接测定，另一类则是使用已知导热系数的标准试样，控制标准试样的热流密度与待测试样相同，再测定等温面间的温差和相关的几何尺寸，最终通过化简计算得到待测试样的导热系数。但是，无论哪一类稳态法，在测量材料导热系数的过程中，都要求对待测试样周边进行隔热处理，以保证测量结果的正确性。同时，这些方法的测试对象一般是固体材料，并将其制备成规则的柱体，以方便计算。而对于液体，泡沫流体及颗粒状固体，其状态易于变化，不受容器形状限制，故其导热系数难以测试。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种半球面热源稳态法导热系数测量装置及方法，可对液体，泡沫流体及颗粒状固体等易形变物质的导热系数进行有效测试。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，包括装置部分和监控部分；
[0006]装置部分包括底座、测量容器上盖、紧固装置、下层绝热垫、上层绝热垫、内层半球容器和电阻加热丝；下层绝热垫呈圆环状态，并对称地出现一段凹槽，用于安装固定内层半球容器，内层半球容器外层至内层依次为待测材料腔、标准材料腔和内腔；上层绝热垫覆盖于内层半球容器之上，并与下层绝热垫外周对齐，紧固装置将测量容器上盖与底座相连接，并将下层绝热垫、上层绝热垫、内层半球容器和电阻加热丝固定在测量容器上盖和底座之间；
[0007]监控部分包括温度采集模块、计算机控制模块、导线和直流稳压电源；温度采集模块输入端通过导线连接至标准材料腔测温点a、测温点b和待测材料腔的测温点c和测温点d处的热电偶，输出端则与计算机控制模块相通；直流稳压电源通过导线对电阻加热丝通电加热。
[0008]内层半球容器嵌于下层绝热垫中间；下层绝热垫嵌于底座半球容器中；上层绝热垫为圆柱形，其截面半径与下层绝热垫外径一致。
[0009]内层半球容器半球壁面厚度均匀，内层半球容器内用于分隔内腔和标准材料腔的球面厚度亦均匀，且两层球面使用桥接连接，形成一侧完全开放的内腔和标准材料腔。
[0010]内层半球容器由高导热材料制成，内腔内充填的低热容材料为环氧树脂；所述的上层绝热垫及下层绝热垫均由石棉制成。
[0011]紧固装置为紧固螺栓和紧固螺母，数量均为6个且相互配合连接。
[0012]待测材料腔外侧设置散热肋板。
[0013]本发明还同时提供了利用上述装置所进行的半球面热源稳态法导热系数测量方法，其特征在于，步骤为:
[0014]I)旋松紧固螺母，取下紧固螺栓，打开测量容器上盖，取下上层绝热垫，取出内层半球容器；
[0015]2)将已知导热系数的标准试样注入并装满标准材料腔；将内层半球容器放置在下层绝热垫上，使其稳嵌在下层绝热垫上预留的凹槽中；向待测材料腔内注入待测试样，注入速度应当缓慢稳定，最终待测试样上表面与内层半球容器上表面平齐；在内层半球容器上方，放置上层绝热垫，并使其与下层绝热垫对齐；
[0016]3)在标准材料腔的高温端和低温端分别选取一个测温点a和测温点b，在待测材料腔的高温端和低温端分别选取一个测温点c和测温点d ;测温点a，测温点b，测温点c和测温点d上布置热电偶，并通过导线穿过上层绝热垫及测量容器上盖的走线孔与温度采集模块相连接；在内腔中布置电阻加热丝，并与直流稳压电源相连接；
[0017]4)盖上测量容器上盖，并装上紧固螺栓，旋紧紧固螺母，使得整个装置部分组装成一个整体；
[0018]5)打开直流稳压电源，加热电阻加热丝，同时打开温度采集模块及计算机控制模块，实时监测测温点a，测温点b，测温点c和测温点d的温度，等到温度不再变化时，采集测温点a，测温点b，测温点c和测温点d的温度，并分别记为Ta，Tb，Tc和Td，单位K。
[0019]在标准材料腔内，沿球径方向上，距离球心距离极小变化dr范围内，其温度变化dT满足如下关系式:
[0020]
【权利要求】
1.一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，包括装置部分(I)和监控部分(2);其特征在于， 装置部分(I)包括底座(101)、测量容器上盖(102)、紧固装置、下层绝热垫(105)、上层绝热垫(106)、内层半球容器(107)和电阻加热丝(108);下层绝热垫(105)呈圆环状态，并对称地出现一段凹槽，用于安装固定内层半球容器(107)，内层半球容器(107)外层至内层依次为待测材料腔(111 )、标准材料腔(110)和内腔(109);上层绝热垫(106)覆盖于内层半球容器(107)之上， 并与下层绝热垫(105)外周对齐，紧固装置将测量容器上盖(102)与底座(101)相连接，并将下层绝热垫(105)、上层绝热垫(106)、内层半球容器(107)和电阻加热丝(108)固定在测量容器上盖(102)和底座(101)之间； 监控部分(2 )包括温度采集模块(201)、计算机控制模块(202 )、导线(203 )和直流稳压电源(204);温度采集模块(201)输入端通过导线(203 )连接至标准材料腔(110 )测温点a、测温点b和待测材料腔(111)的测温点c和测温点d处的热电偶，输出端则与计算机控制模块(202)相通；直流稳压电源(204)通过导线(203)对电阻加热丝(108)通电加热。
2.根据权利要求1所述的一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，其特征在于，所述的内层半球容器(107)嵌于下层绝热垫(105)中间；下层绝热垫(105)嵌于底座(101)半球容器中；上层绝热垫(106)为圆柱形，其截面半径与下层绝热垫(105)外径一致。
3.根据权利要求1或2所述的一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，其特征在于，所述的内层半球容器(107)半球壁面厚度均匀，内层半球容器(107)内用于分隔内腔(109)和标准材料腔(110)的球面厚度亦均匀，且两层球面使用桥接连接，形成一侧完全开放的内腔(109 )和标准材料腔(110)。
4.根据权利要求3所述的一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，其特征在于，所述的内层半球容器(107)由高导热材料制成，内腔(109)内充填的低热容材料为环氧树脂；所述的上层绝热垫(106)及下层绝热垫(105)均由石棉制成。
5.根据权利要求4所述的一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，其特征在于，所述的紧固装置为紧固螺栓(103)和紧固螺母(104)，数量均为6个且相互配合连接。
6.根据权利要求1或2所述的一种半球面热源稳态法导热系数测量装置，其特征在于，所述待测材料腔(111)外侧设置散热肋板。
7.一种基于半球面热源稳态法导热系数测量方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)旋松紧固螺母(104)，取下紧固螺栓(103)，打开测量容器上盖(102)，取下上层绝热垫(106)，取出内层半球容器(107)； 2)将已知导热系数的标准试样注入并装满标准材料腔(110);将内层半球容器(107)放置在下层绝热垫(105)上，使得内层半球容器(107)两端嵌在下层绝热垫(105)上预留的凹槽中；向待测材料腔(111)内注入待测试样，注入速度应当缓慢稳定，最终待测试样上表面与内层半球容器(107)上表面平齐；在内层半球容器(107)上方，放置上层绝热垫(106)，并使其与下层绝热垫(105)对齐； 3)在标准材料腔(110)的高温端和低温端分别选取一个测温点a和测温点b，在待测材料腔(111)的高温端和低温端分别选取一个测温点C和测温点d ;测温点a，测温点b，测温点c和测温点d上布置热电偶，并通过导线(203)穿过上层绝热垫(106)及测量容器上盖(102)上的走线孔与温度采集模块(201)相连接；在内腔(109)中布置电阻加热丝(108)，并通过导线(203)穿过走线孔与直流稳压电源(204)连接； 4)盖上测量容器上盖(102)，并装上紧固螺栓(103)，旋紧紧固螺母(104)，使得整个装置部分(I)组装成一个整体； 5)打开直流稳压电源(204)，加热电阻加热丝(108)，同时打开温度采集模块(201)及计算机控制模块(202)，通过热电偶实时监测测温点a，测温点b，测温点c和测温点d的温度，等到温度不再变化(热平衡状态)时，采集测温点a，测温点b，测温点c和测温点d的温度，并分别记为Ta，Tb，Tc和Td，待测材料的导热系数为:
【文档编号】G01N25/20GK103954648SQ201410143838
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】秦波涛, 贾玉威, 鲁义, 李方磊, 史全林 申请人:中国矿业大学