一種導熱係數測定裝置的製作方法

2023-05-22 11:05:31 2

專利名稱：一種導熱係數測定裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種導熱係數測定裝置，尤其涉及一種採用熱電堆作為熱流，溫度檢測組件的導熱係數測定裝置。
背景技術：
導熱係數是物質最基本的熱物理性質之一，在能源、化工、製冷等行業有著廣泛的應用。在目前測定導熱係數的各種方法中，從原理上大致可分為穩態法和瞬態法。穩態法是目前在生產、科研、教學領域中最常用的一種方法，其理論依據是傅立葉導熱方程。
dQ=-ddZdsdt---(1)]]>它表示在物體內部，在dt時間內，垂直通過面積ds的熱量為dQ，式中 為溫度梯度，λ稱為該物質的導熱係數，負號表示熱量向溫度低的方向傳遞。對於一塊厚度為h，面積為S的平板，若達到穩態後維持其上下面有穩定的溫度θ1與θ2，則在t秒內沿著垂直於面積S的方向傳遞的熱量為Q=(1-2)Sth---(2)]]>由(2)式變形後可得到=hS(1-2)Qt---(3)]]>(3)式中 為穩態熱流。從(3)式中可看出，若知道h，S，θ1，θ2及 後，即可求得待測材料的導熱係數，其中穩態熱流的測量是最困難的。通常對於穩態熱流採用以下幾種方法測量1.在保證待測材料周圍絕熱的條件下，用已知大小的恆定功率的熱源加熱，達到穩態後，認為此熱源的加熱功率即為穩態熱流的大小；2.在待測材料的熱面和冷麵之間形成一個穩態溫差後，熱流從熱面流至冷麵並被水冷卻的量熱器帶走，根據中心量熱器的溫度升高及水流量則可測出被中心量熱器所吸收的熱量，從而可以求出穩態熱流；3.讓待測材料的冷麵與一塊已知質量和熱容的散熱板接觸，通過測量散熱板處於冷麵的穩態溫度時的冷卻速率，即可求得穩態熱流。對於穩態熱流測量的以上三種方法，第一種雖然熱流的大小可以通過電能加熱精確提供，但是為保證穩態法成立的基本條件必須使熱流只沿指定的方向傳導，在其它方向完全沒有熱流通過，這就對其它面的絕熱提出了相當高的要求，具體實施時有相當的困難，第二及第三種方法直接測量穩態熱流的大小，測量過程較繁瑣，並且在測量過程中很容易造成熱流損失，使得最後導熱係數測定結果的準確度降低。另外目前採用穩態法時，為了提高測定的準確度以及其它因素的原因，達到穩態時熱面和冷麵的溫差較大，這既使得達到穩態時間增加，延長了測定所需的時間，又使得為避免形成對流，穩態法一般多用於測定固態材料導熱係數而無法測定液態和氣態材料的導熱係數。

發明內容
本實用新型的目的在於提供了一種導熱係數測定裝置，結構簡單，方便實用，測定準確，可廣泛用於工業，科研，教學等領域測定各類材料的導熱係數。
為了實現上述任務，本實用新型採用以下技術措施目前熱電堆可以檢測到小至10-6K的溫度變化和微瓦級的熱流。熱電堆產生的電壓信號與熱電堆兩端的溫差，以及通過熱電堆的熱流成正比，因此可以將熱電堆應用於穩態法測定導熱係數，並能夠很好的解決目前常規方法測量穩態熱流所遇到的困難。熱電堆可以簡單方便的直接測量熱流，提高測量的準確度，減小了測量的誤差；熱電堆測量熱流靈敏度高，只需要形成很小的穩態溫差就可以檢測所形成的穩態熱流，從而極大的避免了對流的形成，使得穩態法也可以用於測定液態和氣態材料的導熱係數。另外採用熱電堆作為檢測組件，有利於測定裝置的小型化，可以極大的減少對待測材料的用量。
測量腔的上方為帶有溫度控制的加熱板，測量腔的下方為熱電堆；熱電堆的一個端面面向測量腔，熱電堆的另一個端面與恆溫塊緊密接觸；測量腔的其它面以及加熱板不與測量腔接觸的一面均與絕熱層緊密接觸；絕熱層外緊密包圍有恆溫塊。
於液態和氣態樣品也是儘可能避免對流的影響，另外還可以使測定的導熱係數是在最接近指定溫度處的數值。
同現有技術相比較，本實用新型有如下優點1.對穩態熱流測量準確；2.穩態溫升小，測定的導熱係數可認為是指定溫度下的導熱係數；3.樣品用量少；4.測定裝置有利於小型化；5.可用於測定固、液、氣態物質的導熱係數。


圖1為一種導熱係數測定裝置的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步描述測量腔3為長方形；測量腔3的上方有溫度控制的加熱板2，測量腔3的下方有熱電堆4；測量腔3除上方、下方外被絕熱層1包圍；帶有溫度控制的加熱板2的四周嵌入絕熱層1中，溫度控制的加熱板2除面向測量腔3的面外被絕熱層1所緊密包圍；熱電堆4固定在恆溫塊5上，熱電堆4的一面朝向測量腔3，熱電堆4與測量腔3相對的一面與恆溫塊5緊密接觸；恆溫塊5將整個絕熱層1從外面包圍起來並與絕熱層1緊密接觸，絕熱層1的外部被恆溫塊5緊密包圍。
帶有溫度控制的加熱板由熱傳導性能良好的材料製成，其作用是讓待測材料的上面在測量時保持一個恆定的已知溫度；熱電堆的作用是測量待測材料與熱電堆接觸面的溫度以及通過待測材料的熱流；恆溫塊的作用是給熱電堆提供一個參考端溫度，同時恆溫塊還為整個測定裝置提供一個穩定的測定溫度；絕熱層的作用是確保在該導熱係數測定裝置中只有從帶有溫度控制的加熱板向熱電堆方向的熱傳導，儘可能避免其它方向的熱傳導。
將待測的固態材料加工成與測量腔3形狀相同的長方體放入測量腔3中；長方體待測材料的一個面與帶有溫度控制的加熱板2緊密接觸，長方體待測材料與加熱板2相對的一個面與熱電堆4緊密接觸，其它的面與絕熱層1緊密接觸；熱電堆4的一個端面與長方體待測材料緊密接觸，另一個端面與恆溫塊5緊密接觸；絕熱層1的外部被恆溫塊5緊密包圍。
將待測材料放入到測量腔3後，讓導熱係數測定裝置恆溫至指定的測定溫度方體待測材料的一個面與帶有溫度控制的加熱板2緊密接觸，長方體待測材料與加熱板2相對的一個面與熱電堆4緊密接觸，其它的面與絕熱層1緊密接觸；熱電堆4的一個端面與長方體待測材料緊密接觸，另一個端面與恆溫塊5緊密接觸；絕熱層1的外部被恆溫塊5緊密包圍。
將待測材料放入到測量腔3後，讓導熱係數測定裝置恆溫至指定的測定溫度T(要測定待測材料在某一溫度下的導熱係數，則T即為該溫度)。開始對帶有溫度控制的加熱板2加熱，控制其溫度比恆溫塊的控溫溫度T高一個確定的值ΔT1(ΔT1在可以被準確測量時應儘可能小)，檢測熱電堆4的輸出電壓信號，直到輸出電壓信號達到穩態值U。此時待測材料熱面的溫度為T+ΔT1，冷麵的溫度此時也會比恆溫塊的控溫溫度T高出ΔT2，ΔT2的具體數值可通過熱電堆測定U＝kΔT2(4)(4)式中k為熱電堆的特性常數(已知)。而通過熱電堆的穩態熱流P可以表示為P＝εU (5)(5)式中ε也為熱電堆的一個特性常數(已知)。設待測材料是一個長方體，底面積為S，高為h，則到達穩態時有P=Sh[(T+T1)-(T+T2)]---(6)]]>化簡後可得導熱係數λ=UhS(T1-Uk)---(7)]]>
權利要求1.一種導熱係數測定裝置，其特徵在於測量腔(3)的上方有溫度控制的加熱板(2)，測量腔(3)的下方有熱電堆(4)；測量腔(3)除上方、下方外被絕熱層(1)包圍；溫度控制的加熱板(2)的四周嵌入絕熱層(1)中，溫度控制的加熱板(2)除面向測量腔(3)的面外被絕熱層(1)緊密包圍；熱電堆(4)固定在恆溫塊(5)上，熱電堆(4)的一面朝向測量腔(3)，熱電堆(4)與測量腔(3)相對的面與恆溫塊(5)緊密接觸。
2.根據權利要求1所述的一種導熱係數測定裝置，其特徵在於恆溫塊(5)將絕熱層(1)從外面包圍並與絕熱層(1)緊密接觸。
3.根據權利要求1所述的一種導熱係數測定裝置，其特徵在於絕熱層(1)的外部被恆溫塊(5)緊密包圍。
專利摘要本實用新型公開了一種導熱係數測定裝置，其特徵在於測量腔的上方有溫度控制的加熱板，測量腔的下方有熱電堆，溫度控制的加熱板的四周嵌入絕熱層中，溫度控制的加熱板除面向測量腔的面外被絕熱層緊密包圍，熱電堆在恆溫塊上，熱電堆的一面朝向測量腔，熱電堆與測量腔相對的一面與恆溫塊緊密接觸。本實用新型結構簡單，測量準確度高，方便實用，可廣泛用於工業、科研、教學等領域測定各類材料的導熱係數。
文檔編號G01N25/18GK2752768SQ20042007696
公開日2006年1月18日 申請日期2004年10月14日 優先權日2004年10月14日
發明者張恆, 汪存信, 劉欲文, 王志勇 申請人:武漢大學