一种导热系数测试装置及测量导热系数的方法与流程

本申请涉及测量技术领域，尤其涉及一种导热系数测试装置及测量导热系数的方法。

背景技术：

随着电子设备高集成度以及小型化的发展，散热问题显得尤为重要。在热设计中往往需要考虑功率器件与散热器之间的热传导问题，而绝缘导热材料成为其首选的传递介质，为电子设备的高度集成，以及超小超薄提供了有力的散热措施。越来越多的产品开始应用绝缘导热材料提高散热效率，达到可靠性的要求。因而在热设计中，准确、快速获得绝缘导热材料的稳态热性能参数成为必不可少的要求。

导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温度差为1度(k，℃)在1s内，通过1m²面积传递的热量。导热系数是导热材料重要的稳态热性能参数之一。

目前，常用的稳态导热系数测试方法可以是防护热板法，通过该方法测量固态绝缘材料稳态导热系数的具体实现可以是：

防护热板法测量导热系数装置如图1所示。图中，1为冷却板，维持在低于加热单元的温度，可采用恒温流体等方式达到效果；2为被测试件；3为加热板，通常与冷却板采用相同的金属制成(例如铜板)；4为加热装置，要求输入加热板的功率可测，对被测试件2构造温度梯度；5为绝缘隔热材料，防止热量由非计量面散出。

采用图1所示的装置测量固态绝缘材料稳态导热系数的具体实现步骤可以是：

a1，测量试件的厚度d和计量面积a；

a2，当系统达到热稳定传热状态后通过热电偶6读取试件热面(靠近加热板的一面)温度t1和冷面(靠近冷却板的一面)温度t2。测量流过试件表面的热流量φ。此步骤要求该装置增加热流计或要求加热装置可测量功率，且全部功率输入加热板；

a3，利用公式(1)计算导热系数：

式中：λ是导热系数，单位为w/(m²·k)；φ是加热单元计量部分的平均加热功率，单位为瓦(w)；d是试件平均厚度，单位为米(m)；a是试件计量面积，单位为平方米(m²)；t1是试件热面温度平均值，单位为开(k)；t2是试件冷面温度平均值，单位为开(k)

采用上述防护热板法测量固态绝缘材料稳态导热系数要求装置具有准确测量传热功率的能力；并且要求冷却板维持恒定的低于加热单元的温度，导致装置的复杂度增加。

技术实现要素：

本申请提供一种导热系数测试装置及测量导热系数的方法，用以解决现有技术中导热系数测量实现的难度大，装置复杂度高的技术问题。

第一方面，一种导热系数测试装置，该装置包括加热部件、防护部件、温度测量部件、比对基准部件和待测部件；

所述防护部件用于防止比对基准部件和待测部件的非计量面散热，所述防护部件包括第一部分和第二部分；其中，所述第一部分为u型，且所述加热部件、温度测量部件、比对基准部件、待测部件和第二部分设置于所述第一部分内；

所述加热部件设置于所述第一部分的底部，所述第二部分设置在该加热部件上，并且该第二部分将所述第一部分形成的容置空间分割为两个容置空间；所述比对基准部件和待测部件分别设置于所述两个容置空间内；

其中，所述比对基准部件包括层叠设置的第一加热板、标准试件和第一散热板；所述待测部件包括层叠设置的第二加热板、被测试件和第二散热板；所述第一加热板和第二加热板设置在所述加热部件上；

所述温度测量部件设置于所述标准试件和被测试件的上下表面，用于监测标准试件和被测试件表面温度的变化。

在一种可选的实施方式中，所述加热部件为恒定功率加热或恒定温度加热。

在一种可选的实施方式中，所述防护部件为绝缘隔热材料。

在一种可选的实施方式中，所述标准试件与所述第一散热板的长和宽相同；所述被测试件与所述第二散热板的长和宽相同；并且所述标准试件与所述被测试件的厚度相同。

在一种可选的实施方式中，所述温度测量部件为热电偶。

第二方面，利用第一方面及第一方面各实施方式中任一所述的导热系数测试装置测量导热系数的方法，包括：

对所述标准试件和被测试件进行加热，在系统处于稳定状态时，得到第一散热板的温度t0和第二散热板的温度t0′、以及温度测量部件得到的所述标准试件上表面温度t1、下表面的温度t2、所述被测试件上表面温度t1′和下表面的温度t2′；

确定预设散热板散热时温度随时间的变化曲线t-t在所述t0处的斜率和在t0′处的斜率

根据公式确定标准试件的导热系数λ，其中，m为所述预设散热板的质量、s为所述预设散热板的散热面积、s1为所述导热系数测试装置中散热板的总面积、h为所述标准试件的厚度、c为所述散热板的比热容；

根据公式确定所述被测试件的导热系数λ’。

在一种可选的实施方式中，所述预设散热板为所述第一散热板，则所述对所述标准试件和被测试件进行加热之前，还包括：

将所述第一散热板加热至大于设定阈值的第一温度后，记录所述第一散热板在室温环境下自行散热时，温度随时间的变化；

当所述第一散热板降至室温时，确定所述第一散热板散热时温度随时间的变化曲线t-t。

本申请有益效果如下：

本申请提供的方法及装置：使用一个加热装置同时对标准试件和被测试件并行加热和测量，有效避免分次测量由于环境或人为因素导致的误差；

另外，本申请所提供装置中的加热部件选择恒定功率加热或恒温加热，无需控制冷却板的温度保持恒定，无需具备准确测量传热功率的能力。

并且本申请所提供的方法合理利用标准试件的导热系数与被测试件导热系数之间的关系，简化测试项及计算过程，提高导热系数测量的可操作性。

附图说明

图1为现有技术中防护热板法测量导热系数装置的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供一种导热系数测试装置的结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的导热系数测试方法的流程示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供的方案中，使用一个加热装置对标准试件和被测试件并行加热，并同时测量导热系数，在有效避免分次测量由于环境或人为因素导致的误差情况下，还合理利用标准试件的导热系数与被测试件导热系数之间的关系，简化测试项及计算过程，提高导热系数测量的可操作性。

首先对本申请所提供方案的测试原理进行具体说明：

傅里叶热传导定律指出：如果热量沿z方向传导，那么在z上任一位置z0处取一个垂直截面积δs，以表示z处的温度梯度，以表示z处的热传导速率(单位时间内通过截面积δs的热量)，那么热传导定律可表示成：

试件较薄时，忽略侧面散热，式(1)可表示为：

式中：t1表示试件散热面温度，t2表示试件吸热面温度。

当系统达到稳定状态时，整个系统的传热速率等于散热板的散热速率，即：

其中，表示试件吸热面温度为t2时的吸热速率，表示散热板温度为t0时的散热速率。

散热速率与冷却速率的关系如下：

式中：m为散热板质量，c为散热板比热容。

由(2)(3)(5)式可得：

式(6)中t1、t2、h、s、s1、m、c、均为已知数，可计算得出标准试件导热系数λ。

同样对于被测试件有：

其中，h＝h′，s＝s′，s1＝s1′，(5)、(6)两式相比得：

即：

从公式(9)可知，使用一个加热装置对标准试件和被测试件并行加热并测试导热系数，只需要读取稳定状态下标准试件与被测试件的上下表面温度即可，散热板的冷却速率可通过t-t曲线作图求得。结合上述测试原理本申请提供一种导热系数测试装置，如图2所示本申请所提供的装置包括：

加热部件4、防护部件、温度测量部件6、比对基准部件7(包括第一散热板1、标准试件2和第一加热板3)和待测部件8(包括第二散热板1’被测试件2’和第二加热板3’)；

其中，防护部件用于防止比对基准部件和待测部件的非计量面散热，所述防护部件包括第一部分5和第二部分5’；其中，所述第一部分5为u型，为了保证导热系数测试装置中各部件能够在可测试条件下散热，导热系数测试装置中各部件都设置在防护部件中。即所述加热部件4、温度测量部件6、比对基准部件7、待测部件8和第二部分5’都设置于所述第一部分5内；

可选的，该防护部件可以是绝缘隔热材料。因为采用绝缘隔热材料可以防止在导热系数测量过程中试件及散热板的非计量面散热，从而提高测量结果的准确性。

加热部件4用于对比对基准部件7和待测部件8中的标准试件2和被测试件2’进行加热，所以该加热部件4可以设置于第一部分5的底部，所述第二部分5’设置在该加热部件上，并且该第二部分5’与加热部件4结合将所述第一部分5形成的容置空间分割为两个容置空间；所述比对基准部件7和待测部件8分别设置于所述两个容置空间内；

可选的，该实施例中的加热部件4可以是恒定功率加热或恒定温度加热；无需具备功率测量的能力。

其中，所述比对基准部件7包括层叠设置的第一散热板1、标准试件2和第一加热板3；具体可以是：第一加热板3设置在加热部件4上，然后标准试件2设置在第一加热板3上，第一散热板1设置在标准试件2上。其中第一加热板3通常与第一散热板1采用相同的金属制成(例如铜板)。

待测部件8包括层叠设置的第二散热板1’被测试件2’和第二加热板3’；所述第一加热板和第二加热板设置在所述加热部件上；待测部件8中各组成部件的设置方式与比对基准部件7相同。

可选的，为了提高检测测试结果的准确性，标准试件2与第一散热板1的长和宽相同；被测试件2’与第二散热板1’的长和宽相同；并且所述标准试件2与被测试件2’的厚度相同。

温度测量部件6设置于所述标准试件2和被测试件2’的上下表面，用于监测标准试件和被测试件表面温度的变化。

在该实施例中，该温度测量部件6为可以是热电偶。

本申请实施例所提供的装置，使用一个加热装置同时对标准试件和被测试件并行加热和测量，有效避免分次测量由于环境或人为因素导致的误差；提供导热系数测试的准确性。

实施例二

如图3所示，结合实施例一所提供的装置，本申请实施例还提供一种利用实施例一所提供的导热系数测试装置测量试样导热系数的方法，该方法包括步骤：

步骤301，对所述标准试件和被测试件进行加热，在系统处于稳定状态时，得到比对基准部件7和待测部件8中设定部件的温度。

其中，比对基准部件7和待测部件8中设定部件的温度包括：第一散热板的温度t0、第二散热板的温度t0′、标准试件上表面温度t1、下表面的温度t2、被测试件上表面温度t1′和下表面的温度t2′；其中标准试件2和被测试件2’上下表面的温度通过温度测量测量部件得到；

步骤302，确定预设散热板散热时温度随时间的变化曲线t-t在所述t0处的斜率和在t0’处的斜率即散热板分别在t0、t0’处的散热速率。

其中，是指散热板在温度t0时的散热速率；其中，δt指示温度变化，δt为时间变化，即指一定时间内温度变化的平均值(即散热速率)。

步骤303，根据公式确定标准试件的导热系数λ，其中，m为所述预设散热板的质量、s为所述预设散热板的散热面积、s1为所述导热系数测试装置中散热板的总面积，h为所述标准试件的厚度；

步骤304，根据公式确定所述被测试件的导热系数λ’。

在该实施例中，因为散热板散热时温度随时间的变化曲线t-t只需测量一次即可，可延续使用，后续测试任何材料的导热系数只需测量标准试件与被测试件上下表面温度差即可，所以该实施例所使用的第一散热板散热时温度随时间的变化曲线t-t可以预先得到，在测量某一个被测试件时提取使用就可以了，也可以在进行测试时直接试验得到，具体得到第一散热板散热时温度随时间的变化曲线t-t的方式可以是：

a1，将所述第一散热板加热至大于设定阈值的第一温度后，记录所述第一散热板在室温环境下自行散热时，温度随时间的变化；

a2，当所述第一散热板降至室温时，确定所述第一散热板散热时温度随时间的变化曲线t-t。

因为第一散热板散热时温度随时间的变化曲线t-t一次测量之后可以反复使用，所以可以简化测量流程，提高本实施例的可操作性。

本申请提供的方法及装置：使用一个加热装置同时对标准试件和被测试件并行加热和测量，有效避免分次测量由于环境或人为因素导致的误差；

另外，本申请所提供装置中的加热部件选择恒定功率加热或恒温加热，无需控制冷却板的温度保持恒定，无需具备准确测量传热功率的能力。

并且本申请所提供的方法合理利用标准试件的导热系数与被测试件导热系数之间的关系，简化测试项及计算过程，提高导热系数测量的可操作性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。