专利名称：一种可变导热系数的测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种导热系数测量的装置，特别涉及导热系数对温度 变化比较敏感的材料，在不同温度段下试样的可变导热系数的测量装 置及方法。
背景技术：
导热系数是材料的一个重要热性能参数，在材料的应用过程中， 很多地方都涉及到热量的传递问题，因此导热系数的准确测量成为一 个非常重要的课题，由于材料的导热系数通常是材料自身温度的函 数，所以一般只能采用实验的方法来测量。测量导热系数的方法有很 多种，主要分稳态法和非稳态法，前者主要有平板法，后者主要包括 热线法、热丝法、激光散射法等。
非稳态测量法是最近几十年内开发出的导热系数测量方法，多用 于研究高导热系数材料，或在高温条件下进行测量。在瞬态法中，测 量时样品的温度分布随时间变化， 一般通过测量这种温度的变化来推 算导热系数。动态法的特点是测量时间短、精确性高、对环境要求低， 但受测量方法的限制，多用于比热基本趋于常数的中、高温区导热系 数的测量。该方法所使用的仪器价格昂贵，成本高，对试样的要求也 非常严格。
稳态测量法具有原理清晰，可准确、直接地获得热导率绝对值等 优点，并适于较宽温区的测量，缺点是测定时间较长和对环境(如测 量系统的绝热条件、测量过程中的温度控制以及样品的形状尺寸等) 要求苛刻。常用于低导热系数材料的测量，其原理是利用稳定传热过 程中，传热速率等于散热速率的平衡条件来测得导热系数，主要依据 傅立叶导热定律，其具体表述为在导热过程中，单位时间内通过给 定截面的热量，与该截面的面积以及垂直该截面方向的温度梯度成正 比，其一维稳态表达式为<formula>formula see original document page 3</formula>式中AZ —测量时间间隔，S;g —稳态时通过试样有效传热面积热量，J; Af—试样热面温度7;和冷面温度7^之差，°C;d —两试样的平均厚度，m; ^一试样有效传热面积，m2; 假设q为通过试样有效传热面积的热流密度，即将式(2)代入式(1)得《 (3)这主要是基于导热系数不随温度变化的前提下，即导热系数与温 度无关，在导热系数随温度而变化的情况下，则不能使用该表达式。 由此可见，该方法的前提条件是热流保持恒定不变，具有良好的绝热 条件以及保持试样与测试装置工作表面完全接触。一般基于稳态法的导热系数测试装置如中国专利第01208893号、 第93115076号、第200420076964号等提供的导热系数测试装置及方法 成本低，使用方便，但也存在一些缺点。多数的设备均忽略了加热器 本身由于电阻随温度变化而造成的热流变化。通常由一次实验只能测 得某个规定温度值下的导热系数。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种可变导热系数的测量装置，能够 较好地解决现有技术存在的一些缺点，提高了测试精度和测试效率。为了实现上述目的，本发明的技术方案是 一种可变导热系数的 测量装置，包括一个封闭的支撑框架，其特征在于该支撑框架内设有 试样，加热器与试样的一端接触，试样的另一端还设有散热块，试样 的两端均设有热电偶，热电偶与数据采集器连接，试样与加热器的四 周设有绝热层。根据本发明的一个实施例，支撑框架内设有第一试样 和第二试样，第一试样和第二试样之间设有平面加热器，该平面加热 器与第一试样的下端及第二试样的上端接触，第一试样的上端与上散 热块接触，第二试样的下端与下散热块接触，第一试样的上端和下端 以及第二试样的上端与下端均设有热电偶，热电偶与数据采集器连 接。为了使得试样的温度快速达到平衡，在上散热块的上端和下散热 块的下端分别设有上紧固盖板和下紧固盖板。本发明的另一 目的是提供一种可变导热系数的测量方法，能够较 好地解决现有技术存在的一些缺点，提高了测试精度和测试效率。为了实现上述目的，本发明的技术方案是 一种可变导热系数的 测量方法，其特征在于它包括以下步骤A、在一个封闭的支撑框架内设有试样，试样的一端与平面加热器紧密接触，试样的另一端与散 热块紧密接触，在试样的两端分别设有热电偶，热电偶与数据采集器 接触；B、平面加热器对试样进行加热，由数据采集器采集热电偶测 量值，计算试样的热面温度和冷面温度，根据冷面温度和热面温度计 算导热系数；C、当计算出的导热系数值在10分钟内变化不超过0.01 时，该计算出的导热系数即为该试样的导热系数。根据本发明的一个 实施例，步骤A为在一个封闭的支撑框架内设有下紧固盖板，在下紧固盖板上设有下散热块，下散热块上设有第二试样，第二试样上 设有平面加热器，平面加热器上设有第一试样，在第一试样的上端和 下端以及第二试样的上端和下端分别设有热电偶，在第一试样、第二 试样和平面加热器的四周设置绝热层，第一试样上还设有上散热块，上散热块上设有上紧固盖板，将热电偶与数据采集器连接；接着在上 紧固盖板和下紧固盖板之间加压，使得试样与平面加热器以及散热块 均紧密接触。与现有的技术相比，本发明有如下优点(l)保证了热流的稳定 性；(2)采用了绝热层，减少了由于试样热量从侧面而散失带来的误 差；(3)在导热系数计算时，对热损失进行了修正，提高了测量精度。
附图为本发明一实施例的示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。 如图1所示，整个实验装置包括一个封闭的支撑框架，试样、加 热器、绝热层、散热块、紧固盖板以及热电偶等均置于其中，封闭的 区间可排除空气流动等因素对系统绝热的影响，热电偶置于试样的上 下表面，试样的表面温度变化由热电偶测得，散热块紧贴试样使得试 样的温度快速达到平衡，通过紧固盖板可施加高的压力给散热块，使 得散热块与试样紧密结合，从而降低了散热块与试样以及加热器与试 样接触面的热阻；将绝热材料包围在试样及加热器周围，保证系统良 好的绝热性；加热器与通过可调节的恒功率输出电源相连，热电偶与 数据采集器相连，数据采集器是即插即用的，可直接插在计算机的主 板上，通过专用的数据处理系统直接得出所需导热系数值。试验前先测量试件的实际尺寸，采取必要措施尽量减小实验室室 温的变化。将恒功率电源调节到需要的功率值，然后在预热电路上预 热10分钟左右。然后按下述步骤进行试验A、按图1布置实验装置在一个封闭的支撑框架1内设有下紧 固盖板2，在下紧固盖板2上设有下散热块3，下散热块3上设有第 二试样4，第二试样4上设有平面加热器5，平面加热器5上设有第 一试样6，在第一试样6的上端和下端以及第二试样4的上端和下端分别设有热电偶7，在第一试样6、第二试样4和平面加热器5的四 周设置绝热层8，第一试样6上还设有上散热块9，上散热块9上设 有上紧固盖板IO，将热电偶7与数据采集器11连接；接着在上紧固 盖板10和下紧固盖板2之间加压，使得第一试样6、第二试样4与 平面加热器5以及散热块9均紧密接触；B、平面加热器5对第一试 样6和第二试样4进行加热，由数据采集器11采集热电偶7测量值， 计算试样的热面温度和冷面温度，根据冷面温度和热面温度计算导热 系数，其中靠平面加热器5的热电偶7即第一试样6下端及第二试样 4上端的热电偶7测得的温度为热面温度，第一试样6上端和第二试 样4下端的热电偶7测得的温度为冷面温度；C、当计算出的导热系 数值在10分钟内变化不超过0.01时，该计算出的导热系数即为该试 样的导热系数。其中步骤B和步骤C均为现有技术，在此不再赘述。做完一次测试后，改变功率，进行下次测试。试验全部结束后， 切断加热电源，并将试样取出。第一试样6和第二试样4之间采用高密度、高电阻康铜箔平面加 热器5，使得加热面产生的热保持均匀，试样与加热器5紧密相贴； 第一试样上方的上散热块9及第二试样下方的下散热块3为散热铝合 金块，该铝合金块是由铜铝构成，铜与试样接触，铜快速的把热量传 给铝，再由大面积的铝把热量散去，充分利用了铜的快速传热，铝的 快速散热特点，二者有机的结合，达到急速传热快速散热的效果，该 散热装置可使得试样的温度快速达到平衡；加热器5与可调节的恒功 率输出电源12相连，该恒功率电源12装置保证了热流在外界电压波 动以及加热器本身电阻波动时热流的恒定，同时该电源是功率可调电 源，可连续改变恒定的输出功率，从而测出不同温度下试样的导热系 数；试样周围的绝热层8采用优良的高真空纳米绝热材料，该材料中 心为多孔超细纤维结构及纳米绝热填料，内含多种超长效高性能吸收 剂；外部为特殊结构的高阻隔性复合金属膜并配备具有自闭性的特种 胶膜进行局部加强，其导热率仅为0.003W/nrK左右，绝热性能是传 统绝热材料的4 10倍，从而有效地保证了试样及加热器的绝热性 能；散热铝块上面采用紧固盖板；试样中布有T型热电偶；热电偶与 数据采集器相连；所获得的数据通过数据处理系统13处理。界面热阻的存在，也是导致测量误差的一个重要原因，为了减小 界面热阻的影响，首先保证试样与加热器以及试样与散热块接触面的 光滑平整，然后通过紧固盖板使得它们之间保持紧密接触。本发明的数据处理系统13在计算导热系数时，考虑到试样侧面 与侧面隔热层存在一定的热交换，导致部分热损失，我们在计算中对 这部分热损失进行了补偿。试样外表面温度在没有侧面热量损失时的 温度为《，由于存在热量损失，导致实际测得的温度12要小于《，他们之间的关系跟传递的热量有比例关系，艮卩<formula>formula see original document page 7</formula>(4)2S 表示侧面热量损失，侧面的热量损失可通过侧面绝热层的温度变化获得.即込,=^"， c为绝热材料比热，m为绝热材料的质量，a,为绝热材料的温度变化。获得e-^i，结合2)、 3)r 一r式可对导热系数表达式进行修正，获得导热系k^达式<formula>formula see original document page 7</formula>本发明所涉及的元器件均属于现有技术，在市场上均可买到。其 中所涉及的电路连接，也属于现有技术，因此不再赘述。数据处理系 统13也为现有技术，根据上面得到导热系数表达式计算导热系数， 并判断10分钟内变化是否超过0.01，当不超过0.01时，该计算出的导热系数即为该试样的导热系数。
权利要求
1、一种可变导热系数的测量装置，包括一个封闭的支撑框架，其特征在于该支撑框架内设有试样，加热器与试样的一端接触，试样的另一端还设有散热块，试样的两端均设有热电偶，热电偶与数据采集器连接，试样与加热器的四周设有绝热层。
2、 如权利要求1所述的可变导热系数的测量装置，其特征在于 支撑框架内设有第一试样和第二试样，第一试样和第二试样之间设有 平面加热器，该平面加热器与第一试样的下端及第二试样的上端接 触，第一试样的上端与上散热块接触，第二试样的下端与下散热块接 触，第一试样的上端和下端以及第二试样的上端与下端均设有热电 偶，热电偶与数据采集器连接。
3、 如权利要求2所述的可变导热系数的测量装置，其特征在于 在上散热块的上端和下散热块的下端分别设有上紧固盖板和下紧固 盖板。
4、 一种可变导热系数的测量方法，其特征在于它包括以下步骤A、在一个封闭的支撑框架内设有试样，试样的一端与平面加热器紧密接触，试样的另一端与散热块紧密接触，在试样的两端分别设有热电偶，热电偶与数据采集器接触；B、平面加热器对试样进行加热， 由数据采集器采集热电偶测量值，计算试样的热面温度和冷面温度， 根据冷面温度和热面温度计算导热系数；C、当计算出的导热系数值 在10分钟内变化不超过0.01时，该计算出的导热系数即为该试样的 导热系数。
5、 如权利要求4所述的可变导热系数的测量方法，其特征在于 步骤A为在一个封闭的支撑框架内设有下紧固盖板，在下紧固盖 板上设有下散热块，下散热块上设有第二试样，第二试样上设有平面 加热器，平面加热器上设有第一试样，在第一试样的上端和下端以及 第二试样的上端和下端分别设有热电偶，在第一试样、第二试样和平 面加热器的四周设置绝热层，第一试样上还设有上散热块，上散热块 上设有上紧固盖板，将热电偶与数据采集器连接；接着在上紧固盖板 和下紧固盖板之间加压，使得试样与平面加热器以及散热块均紧密接 触。
全文摘要
本发明公开了一种可变导热系数的测量方法，其特征在于它包括以下步骤A.在一个封闭的支撑框架内设有试样，试样的一端与平面加热器紧密接触，试样的另一端与散热块紧密接触，在试样的两端分别设有热电偶，热电偶与数据采集器接触；B.平面加热器对试样进行加热，由数据采集器采集热电偶测量值，计算试样的热面温度和冷面温度，根据冷面温度和热面温度计算导热系数；C.当计算出的导热系数值在10分钟内变化不超过0.01时，该计算出的导热系数即为该试样的导热系数。本发明的优点在于(1)保证了热流的稳定性；(2)采用了绝热层，减少了由于热量散失带来的误差；(3)在导热系数计算时，对热损失进行了修正，提高了测量精度。
文档编号G01N25/20GK101290299SQ20071003951
公开日2008年10月22日 申请日期2007年4月16日 优先权日2007年4月16日
发明者丁建平, 刘运春, 姚忠尧, 林惠音, 隆有明, 勤 顾 申请人:上海轮胎橡胶(集团)股份有限公司轮胎研究所;华南理工大学