Способ измерения коэффициента теплопроводности электропроводящего образца

 

Изобретение относится к экспрессным методам измерения коэффициента теплопроводности электропроводящих материалов , в частности низкоомных полупроводниковых материалов для термоэлектрических преобразователей. При осуществлении способа устанавливают образец 5 на тепловыравнивающей пластине 3. Посредством термопар 9 и 10 измеряют разности температур между внешней средой и теплоконтактной и свободной гранями. Далее пропускают переменный ток через .образец 5, при этом температура гепловыравнивающей пластины 3 поддерживается на прежнем уровне. Измеряют величину тока через образец и напряжения на нем, второе отношение разности температур между внешней средой и теплоконтактной и свободной гранями посредством термопар 9 и 10. Используя измеренные значения величин, рассчитывают коэффициент теплопроводности образца. 1 ил. ел с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sr)s G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4912591/25 (22) 21.02.91 (46) 23,01.93. Бюл. К 3 (71) Специальное конструкторское бюро

"Теллур" с опытным производством Института Физики АН Азербайджанской республики (72) А.И.Грядунов и А,Ш,Алиев (73) А,И.Грядунов и А,Ш,Алиев (56) Осипова B.À. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. — М.;

Энергия, 1979, 320 с.

Авторское свидетельство СССР

N 1636753, кл. G 01 N 25/18, 1988. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭcDÔÈÖÈFHTA ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО ОБРАЗЦА (57) Изобретение относится к экспрессным методам измерения коэффициента тепло„„5lJ 1790759 А3 проводности электропроводя щих материалов, в частности низкоомных полупроводниковых материалов для термоэлектрических преобразователей. При осуществлении способа устанавливают образец 5 на тепловыравнивающей пластине 3. Посредством термопар 9 и 10 измеряют разности температур между внешней средой и теплоконтактной и свободной гранями. Далее пропускают переменный ток через образец

5, при этом температура гепловыравнивающей пластины 3 поддерживается на прежнем уровне. Измеряют величину тока через образец и напряжения на нем, второе отношение разности температур между внешней средой и теплоконтактной и свободной гранями посредством термопар 9 и 10. Используя измеренные значения величин, рассчитывают коэффициент теплопроводности образца. 1 ил.

1790759

Изобретение относится к экспрессным методам измерения коэффициента теплопроводности электропроводящих материалов, в частности низкоомных полупроводниковых материалов для термоэлектрических преобразователей.

Известен способ Кольрауша измерения коэффициента теплопроводности, состоящий в пропусканйи электрического тока через образец, устра нения влияния теплообмена с внешней, средой посредством экранных нагревателей, учете или расчете коэффициента теплопроводности тепловыделений в образце, геометрических размеров, значений электрических сигналов, снимаемых с термопар.

Недостаток известного способа состоит в значительной сложности, обусловленной необходимостью обеспечения идеальной боковой изоляции посредством экранных нагревателей и установления термопар в эквипотенциальных точках образца, Наиболее близким к изобретения по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения коэффициента теплопроводности образца путем пропускания теплового потока через теплоконтактную грань, осуществления теплообмена с внешней средой, измерения геометрических размеров образца и отношения электрических сигналов, определяющих разности температур между внешней средой и теплоконтактной и свободной гранями, учета этих параметров при расчете коэффициента теплопроводности, Недостаток этого способа заключается в экспериментальной сложности, состоящей в необходимости одновременного проведения комплекса измерений как параметров, определяющих коэффициент теплоотдачи, так и разности температур между боковой поверхностью и свободной гранью образца и внешней средой.

Цель изобретения — упрощение способа измерения коэффициента теплопроводности электропроводящего образца путем исключения измерений коэффициента теплоотдачи, Поставленная цель достигается тем, что пропускают тепловой поток через теплоконтактную грань и осуществляют теплообмен с внешней средой, измеряют геометрические размеры образца и отношение электрических сигналов, определяющих разности температур между внешней средой и теплоконтактной и свободной гранями, затем дополнительно пропускают через образец переменный ток и, обеспечивая поддер>кание значений температуры теплоконтактной грани и интенсивносги теплообменами такими же, как и до пропускания тока через образец, измеряют тепловыделения в образце и второе значение отношения электрических сигналов, а при расчете коэффициента теплопроводности учитывают оба значения отношений.

На чертеже показано устройство для реализации предложенного способа.

Устройство включает в себя термобатарею 1, по одним спаям установленную на теплообменнике 2, а другими спаями подключенную к тепловыравнивающей пластине 3, на которой через электроизолирующую пленку 4 установлены образцы 5, изготовленные из электропроводящего материала, например низкообмные полупроводниковые образцы для термобатареи термоэлектрического холодильника.

20 Посредством коммутационных шин 6, припаянных к теплоконтактным граням образцов 5, и проволок 7, припаянных к свободным граням образцов 5, последние оказываются электрически последовательно соединенными между собой, В пространстве, окружающем образец, размещены пластина 8, на которой установлены побочные спаи термопар 9 и 10, при этом главный спай термопары 9 установлен

30 на одной из коммутационных шин 6 (предполагается, что в устройстве обеспечена высокая степень изотермичности шин 6 всех образцов, установленных на изотермической пластине 3), а главные спаи термопар

35 10 установлены на свободных гранях образцов 5. Свободные концы термопар подключены к коммутатору (на черте>ке не показан), выход которого соединен с входом блока измерения (например, микровольтметра

40 В7-28), Способ осуществляют следующим образом.

Подключают термобатарею 1 к источнику питания (на чертеже не показан) и обес45 печивают достижение и последующую стабилизацию температуры пластины 3 на некотором уровне То, отличающемся от температуры окружающей среды Т .

Предварительно проводят измерение

50 геометрических размеров образцов: длины (, площади поперечного сечения S, периметра P.

Вследствие теплообмена с внешней средой температурой Тс, определяемого ко55 эффициентом теплоотдачи а, на образцах 5 установятся перепады температур, а именно: температура теплоконтактной грани будет равна То, а температура свободной грани — равной Т1().

1790759

То — Тс

Pо1

Т1 — Tc

15 (2) где в = l ар

Чз о с

Т вЂ” Т т1(Т - т, (3) 50

Далее для определения коэффициента теплопроводности последовательно проводят два цикла измерений, 1-й цикл включает в себя измерения отношения p>i электрических сигналов, определяющих разности температур между внешней средой Тс) и теплоконтактной (То) и свободной (Т1г ) гранями образцов 5, т,е.

Из теории способа определения коэффициента теплопроводности следует, что

p< = ch co+g shm, s

Уравнение (2) устанавливает трансцедентную зависимость между теплопроводностью образца А, его геометрическими размерами, коэффициентом теплоотдачи

Q.

Здесь - параметр, определяющий увеличение интенсивности теплообмена на свободной поверхности в связи с использованием термопар 10.

После проведения 1-го цикла измерений проводят 2-й цикл, пропуская через образцы 5 переменный ток, При этом температуру тепловыравнивающей пластины 3 посредством термобатареи 1 поддерживают на прежнем уровне То, а интенсивность теплообмена не изменяют, На свободных гранях образцов 5 устанавливаются новые значения температур

Т1И которые, в свою очередь, определяют новые значения р1".

Формула изобретения

Способ измерения коэффициента теплоп роводности электроп роводя щего образца путем пропускания теплового потока через теплоконтактную грань, осуществления теплообмена с внешней средой, измерения геометрических размеров образца и отношения электрических сигналов, определяюших разности температур между внешней средой и теплоконтактной гранью, а также между внешней средой и свободной гранью образца, отличающийся тем, 20

Измеряют тепловыделение в образцах, например, посредством измерения тока через образец и падения напряжения на нем, т.е, Q =1U.

При расчете коэффициента теплопроводности il образцов в соответствии с формулой

k — - - —, (4)

8 ("о Тс)

p1i где f (p<; ) = (сh со — 1 )ж учитывая как отношение рок измеренное при I = О, так и отношения р1;, измеряемые при пропускании через образцы тока 3.

При этом зависимость f (poi), входящая в формулу (4), может быть предварительно построена для выбранных значений I, s и р с весьма высокой степенью точности с использованием уравнения (2).

Таким образом, в предложенном способе определения коэффициента теплопроводности электропроводящих образцов нет необходимости как в осуществлении экранирования боковой поверхности, так и в определении коэффициента теплоотдачи между поверхностью образца и внешней средой: способ сводится к измерению величины электрической мощности, выделяющейся в образце, а также значения отношений электрических сигналов, определяющих разности температур между внешней средой и теплоконтактной и свободной гранями до и после пропускания переменного тока.

Предложенный способ может быть применен для экспрессного определения коэффициентов теплопроводности непосредственно в ветвях термобатарей, не скоммутированных по одним из спаев, в процессе их изготовления. что, с целью упрощения за счет исключения измерений коэффициента теплопередачи, дополнительно пропускают через образец переменный ток и поддерживают значение температуры теплоконтактной грани и интенсивность теплообмена такими же, как и до пропускания тока через образец, при этом измеряют тепловыделения в образце и значение отношения электрических сигналов, а при расчете коэффициента теплопроводности учитывают оба значения отношений.