Устройство для определения коэффициента теплопроводности материала


 


Владельцы патента RU 2495409:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") (RU)

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при прогнозировании эксплуатационных характеристик композиционных материалов. Заявлено устройство для определения коэффициента теплопроводности материала методом плоского горизонтального слоя, содержащее элемент, исключающий боковые тепловые потери, измерительный блок с нагревателем, измерительную ячейку, предназначенную для расположения образца исследуемого материала и выполненную в виде двух функционально независимых элементов, одного с функцией нагрева, другого - охлаждения, которые расположены соосно и с заданным зазором, обеспечивающим тепловой контакт, термопару, подключенную к измерительному блоку. Элемент измерительной ячейки с функцией охлаждения выполнен в виде соосно расположенных друг в друге колец внутреннего и внешнего. Кольца внутреннее и внешнее и объем между ними выполнены с возможностью заполнения одной и той же легко испаряющейся жидкостью с углом смачивания на образце исследуемого материала не более 90°. Расположены упомянутые кольца на лицевой стороне образца исследуемого материала, а термопара расположена с противоположной стороны образца исследуемого материала. Технический результат: повышение точности экспресс-измерений для определения коэффициента теплопроводности материала. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к технической физике, а именно к измерительной технике, и может быть использовано при разработке новых композиционных материалов, в том числе композиционных материалов для электронной техники.

При разработке указанных выше материалов, и особенно последних, и в процессе их использования необходимо прогнозирование их эксплуатационных характеристик, в том числе теплофизических, при этом одной из основных является коэффициент теплопроводности.

Известно устройство для определения коэффициента теплопроводности (далее теплопроводности) так называемым методом нагретой нити в коаксиальных цилиндрах [1].

Возможности данного метода чрезвычайно ограничены из-за:

а) высоких параметров состояний (концентрации, температуры, давления),

б) требований коррозионной стойкости в растворах неорганических кислот, щелочей и солей.

в) необходимости внесения поправок на электропроводность раствора в данном интервале концентрации, температуры и давления.

Все это сказывается на точности измерений.

Более того, данный метод используют преимущественно при работе с растворами и затруднителен для измерения теплопроводности твердых и пористых материалов.

Известен метод и устройство для определения теплофизических характеристик материала, заключающийся в размещении образца исследуемого материала в зазоре между двумя коаксиальными цилиндрическими стенками с нагревателем, расположенным по оси сборки и при известном стационарном потоке тепла по разности температур стенок определяется коэффициент теплопроводности по формуле бесконечного цилиндра [2].

Недостаток заключается в сложности изготовления образцов исследуемого материала, в виде длинных трубок со строго определенной толщиной стенок.

Более того, этот метод и устройство практически не осуществимы для экспресс определения теплофизических характеристик материала.

Известно устройство для экспресс определения теплофизических характеристик неметаллических материалов, которое с целью расширения функциональных возможностей, заключающихся в одновременном определении влажности и теплопроводности, содержит емкостной датчик, измерительный четырехполюсник с модулируемыми параметрами, высокочастотный генератор, управляемый напряжением, модулятор, фазовый компаратор, управитель частоты, делитель частоты, преобразователь частоты в пачки импульсов, микропроцессор, запоминающее устройство, блок управления и индикатор, соединенные электрически [3].

Данное устройство измеряет фактически не теплопроводность, а только поправки теплопроводности эталонного образца материала с учетом влажности.

И поэтому необходимость знания заранее теплопроводности эталонных образцов материала и поправочных коэффициентов к ним является одним из основных недостатков, который значительно усложняет процесс измерения.

Более того, использование данного устройства для экспресс измерений затруднительно.

Известно устройство для экспресс определения теплопроводности твердых материалов, содержащее платформу для размещения исследуемого и эталонного образцов материала, блок нагрева и регистрации, включающий источник нагрева образцов материала и датчик температуры, при этом платформа с образцами материала и блок нагрева и регистрации установлены с возможностью перемещения друг относительно друга, источник нагрева и датчик температуры расположены друг относительно друга с возможностью движения один за другим вдоль линии перемещения участка регистрации температуры по поверхности образцов материала.

В котором с целью повышения точности измерений, блок нагрева и регистрации выполнен с заданными параметрами и при этом дополнительно содержит формирователь пятна нагрева и элемент оптической связи датчика температуры с поверхностью образцов материала, при этом в блоке нагрева и регистрации источник нагрева или формирователь пятна нагрева и датчик температуры или элемент оптической связи установлены на заданном расстоянии и под заданным углом относительно поверхности образцов материала, а излучение от источника нагрева на образцы материала и излучение от них на датчик температуры сфокусировано или ограничено по площади и форме таким образом, что достигнута ширина пятна нагрева в заданном диапазоне между ее минимальным и максимальным значениями.

При этом устройство содержит четырехполюсник, генератор, делитель частоты, модулятор, компаратор, управитель частоты, преобразователь частоты, микропроцессор, запоминающее устройство, блок управления, индикатор, соединенные электрически [4].

Недостаток данного устройства, как и предыдущего, заключается в необходимости знания заранее коэффициентов излучения и поглощения измеряемого образца материала, что исключено для новых композиционных материалов.

Эти коэффициенты должны быть получены другими методами, что соответственно усложняет процесс измерения теплопроводности.

Кроме того, достаточно сложно и само устройство.

Использование данного устройства, как и предыдущего, для экспресс измерений затруднительно.

Известно устройство для определения теплопроводности материала, методом плоского горизонтального слоя, предусматривающим исключение боковых тепловых потерь, содержащее измерительный блок с нагревателем, соединенные электрически.

Которое с целью расширения функциональных возможностей, содержит измерительную ячейку для расположения исследуемого образца, размещенную под измерительным блоком, при этом измерительная ячейка содержит верхнюю пластину-нагреватель, нижнюю пластину-холодильник, установленные с зазором относительно друг друга, и боковую стенку, обеспечивающую фиксацию зазора между пластинами, верхняя и нижняя пластины имеют толщину, достаточную для обеспечения жесткости, при этом в пластинах размещены термопары, подключенные к блоку измерения, а боковая стенка ячейки выполнена толщиной (0,5-1,0)×10-4 м, в нижней пластине вблизи боковой стенки выполнен кольцевой паз, выходящий в зазор между пластинами, измерительная ячейка снабжена кольцевым ободком на внешней боковой поверхности пластины-нагревателя, при этом измерительный блок дополнительно содержит в нижней торцевой части кольцо, выступающее в область измерительной ячейки, а внутренний диаметр кольца больше внешнего диаметра кольцевого ободка пластины-нагревателя, причем в пластине-холодильнике выполнены каналы, выходящие в зазор между пластинами и соединенные с резервуаром с исследуемым образцом [5 - прототип].

Недостаток устройства прототипа заключается в необходимости расположения образцов исследуемых материалов в резервуар - автоклав при определенной температуре и давлении.

Что соответственно значительно затрудняет возможности проведения экспресс-измерений.

Кроме того, достаточно сложно и устройство поскольку:

а) измерительная ячейка содержит большое количество деталей выполненных с большой точностью и соединяемых друг с другом, в том числе пластин нагревателя и холодильника по особой технологии,

б) содержит три термопары и соответственно три блока измерения температуры.

Техническим результатом изобретения является упрощение и повышение точности экспресс измерений для определения коэффициента теплопроводности материала при упрощении устройства.

Технический результат достигается устройством для определения коэффициента теплопроводности материала, методом плоского горизонтального слоя, содержащим элемент, исключающий боковые тепловые потери, измерительный блок с нагревателем, соединенные электрически, измерительную ячейку, предназначенную для расположения образца исследуемого материала и выполненную в виде двух функционально независимых элементов, одного с функцией нагрева, другого - охлаждения, которые расположены соосно и с заданным зазором, обеспечивающим тепловой контакт, термопару, подключенную к измерительному блоку.

В котором

элемент измерительной ячейки с функцией охлаждения выполнен в виде соосно расположенных друг в друге колец внутреннего и внешнего, с расстоянием между ними не менее 2×10-3 м, из материала с теплопроводностью менее 0,3 Вт/м°K, с радиусом, равным (6-100)×10-3 м и (20-140)×10-3 м соответственно, одинаковой высотой и толщиной стенок равной (1-5)×10-3 м,

при этом кольца внутреннее и внешнее и объем между ними выполнены с возможностью заполнения одной и той же легко испаряющейся жидкостью с углом смачивания на образце исследуемого материала не более 90°,

а расположены упомянутые кольца на лицевой стороне образца исследуемого материала герметично, горизонтально с уровнем не более 2° и с упомянутым заданным зазором, при этом заданный зазор равен толщине образца исследуемого материала, последний имеет чистоту обработки не менее 7 класса,

устройство дополнительно снабжено прижимным элементом усилием (2-20)×105 Н/м2, непосредственно расположенным на упомянутых кольцах,

термопара расположена с противоположной стороны образца исследуемого материала,

последний выполнен толщиной, равной (0,002-0,1)×10-3 м от радиуса внешнего кольца,

а коэффициент теплопроводности образца исследуемого материала определяют из выражения:

λ=R×M×L/S×ΔT×t, где

R - теплота испарения легко испаряющейся жидкости (джоуль),

M - масса легко испаряющейся жидкости (кг),

L - толщина образца исследуемого материала (м),

S - эффективная рабочая поверхность (площадь внутреннего кольца измерительной ячейки с функцией охлаждения), м2,

ΔT - перепад температуры на образце исследуемого материала, К,

t - время испарения легко испаряющейся жидкости (сек).

Упомянутые кольца могут быть прямоугольной либо трапецеидальной формы.

Упомянутые кольца выполнены из фторопласта либо пенополистирола, либо каучука.

Легко испаряющаяся жидкость представляет собой воду, либо этиловый спирт.

Заполнение упомянутых колец и объема между ними легко испаряющейся жидкостью осуществляют, например, через отверстия в прижимном элементе.

Образцом исследуемого материала может быть твердый материал, в том числе композиционный материал для электронной техники.

Функционально независимый элемент с функцией нагрева выполнен из высоко теплопроводящего материала, например, меди, алюминия.

Прижимной элемент представляет собой, например, прижимную пластину с прижимными болтами.

Элемент, исключающий боковые тепловые потери представляет собой, например, тепловой экран из плохо теплопроводящего материала, фторопласта либо пенополистирола, либо каучука, повторяющий форму измерительной ячейки и расположенный относительно нее с минимальным техническим зазором.

Раскрытие сущности изобретения.

Каждый существенный признак заявленного устройства для определения теплопроводности материала и их совокупность, а именно:

Выполнение в устройстве

элемента измерительной ячейки с функцией охлаждения в виде соосно расположенных друг в друге колец внутреннего и внешнего с указанными конструкционными и иными технологическими параметрами

и в совокупности

с определением коэффициента теплопроводности образца исследуемого материала согласно указанного выражения, в котором все физические величины: теплота испарения легко испаряющейся жидкости R, масса легко испаряющейся жидкости М, толщина образца исследуемого материала L, эффективная рабочая поверхность (площадь внутреннего кольца измерительной ячейки с функцией охлаждения) S, перепад температуры на образце исследуемого материала ΔТ, время испарения легко испаряющейся жидкости t, могут быть измерены с достаточно высокой точностью простыми инструментами (штангенциркуль, секундомер, весы) обеспечат:

Во-первых, иной метод определения теплопроводности, а именно основанный на знании указанных выше физических величин.

Во-вторых, при этом который отличается максимальной простотой.

В-третьих, упрощение конструкции, в следствие:

а) сокращения числа термопар (с трех до одной) и соответственно измерительных блоков к ним,

б) исключения необходимости расположения образцов исследуемых материалов в автоклаве при определенной температуре и давлении, что технически обеспечить достаточно сложно.

В-четвертых, повышение точности определения коэффициента теплопроводности, в следствие:

а) предложенной совокупности конструкционного выполнения внутреннего и внешнего колец элемента измерительной ячейки с функцией охлаждения и образца исследуемого материала, а именно в пределах (1-10) процентов от теоретических расчетов, что является вполне приемлемой точностью определения коэффициента теплопроводности для экспресс измерений.

б) возможности измерения необходимых физических величин для определения коэффициента теплопроводности материала (теплоты испарения легко испаряющейся жидкости R, массы легко испаряющейся жидкости M, толщины образца исследуемого материала L, эффективной рабочей поверхности - площади внутреннего кольца измерительной ячейки с функцией охлаждения S, перепада температуры на образце исследуемого материала ΔT, времени испарения легко испаряющейся жидкости t) простыми инструментами и с достаточно высокой точностью.

Расположение внутреннего и внешнего колец на лицевой стороне образца исследуемого материала герметично, горизонтально с уровнем не более 2° и с упомянутым заданным зазором, при этом, когда заданный зазор равен толщине образца исследуемого материала, и когда последний имеет чистоту обработки не менее 7 класса обеспечат:

во-первых, максимально хороший тепловой контакт,

во-вторых, герметичность за счет указанного класса чистоты,

в-третьих, исключение недопустимого перетекания легко испаряющейся жидкости из объема внутреннего кольца в объем внешнего.

И как следствие этого - повышение точности измерения.

Наличие в устройстве дополнительно прижимного элемента усилием (2-20) Н/м2 обеспечит стабильный тепловой контакт между нагревателем и образцом исследуемого материала.

Более того, указанный достаточно широкий предел геометрических размеров образцов исследуемого материала обеспечит расширение функциональных возможностей устройства.

Выполнение элемента измерительной ячейки с функцией охлаждения в виде соосно расположенных друг в друге колец внутреннего и внешнего, с расстоянием между ними менее 2×10-3 м, равно как и из материала с теплопроводностью более 0,3 Вт/м K не допустимо из-за нарушения их технической функциональности, а более ограничено конструкционными параметрами устройства.

Выполнение внутреннего кольца с радиусом, равным менее 6×10-3 м, равно как и внешнего - менее 20×10-3 м не желательно, так как приводит к снижению точности измерений и затруднительно с точки зрения практической реализации устройства, а более - 100×10-3 м и 140×10-3 м соответственно не целесообразно экономически.

Вода либо этиловый спирт являются наиболее доступными легко испаряющимися жидкостями, что значительно упрощает практическую применимость заявленного устройства.

Выполнение зазора величиной как менее, так и более толщины образца исследуемого материала недопустимо, в первом случае из-за конструкционных соображений, во втором - из-за возможного нарушения технической функции зазора.

Нарушение чистоты обработки исследуемого образца (менее 7 класса) приводит к перетеканию жидкости и соответственно к снижению точности измерения вплоть до отказа работы устройства.

Итак, совокупность существенных признаков заявленного устройства в полной мере обеспечит технический результат, а именно упрощение и повышение точности экспресс измерений при определении коэффициента теплопроводности материала при упрощении устройства.

Изобретение поясняется чертежом.

На чертеже дан общий вид заявленного устройства для определения теплопроводности материала, где:

- элемент, исключающий боковые тепловые потери - 1,

- измерительный блок - 2,

- нагреватель - 3,

- измерительная ячейка - 4, предназначенная для расположения образца исследуемого материала - 5 и выполненная в виде двух функционально независимых элементов, одного с функцией нагрева - 6, другого с функцией охлаждения - 7,

- заданный зазор между двумя функционально независимыми элементами - 8,

- термопара - 9, подключенная к измерительному блоку,

- кольца внутреннее - 7а и внешнее - 7б элемента измерительной ячейки с функцией охлаждения 7,

- легко испаряющаяся жидкость - 10.

- прижимной элемент - 11, с отверстиями - 12 (частный случай выполнения).

Заявленное устройство для определения теплопроводности материала работает следующим образом.

Тепло, выделяемое нагревателем 3 последовательно проходит снизу вверх через элементы измерительной ячейки 4 и образец исследуемого материала 5 (элемент с функцией нагрева 6 - образец исследуемого материала 5 - элемент с функцией охлаждения 7.

В результате на образце исследуемого материала 5 возникает градиент температуры между функционально независимым элементом с функцией нагрева 6 и температурой кипения легко испаряющейся жидкости 10, который оценивают посредством термопары 9, расположенной с противоположной стороны образца исследуемого материала 5.

Зная теплоту испарения легко испаряющейся жидкости R 10, ее массу M, толщину образца исследуемого материала L 5, эффективную рабочую поверхность (площадь внутреннего кольца измерительной ячейки с функцией охлаждения) S 7а, перепад температуры на образце исследуемого материала ΔT, определяют коэффициент теплопроводности образца исследуемого материала согласно указанного выражения (для стационарного метода плоского - горизонтального слоя).

Пример конкретного выполнения заявленного устройства для определения коэффициента теплопроводности материала.

Устройство содержит:

Элемент, исключающий боковые тепловые потери 1, представляющий собой, например, тепловой экран из плохо теплопроводящего материала, фторопласта, повторяющий форму измерительной ячейки и расположенный относительно нее с минимальным техническим зазором,

измерительный блок 2, представляющий собой измеритель-регулятор ТРМ-1 ГОСТ Р-52931-2008, с нагревателем 3, в виде керамической электроплитки тип IKA модель C-MAG HP4,

измерительную ячейку 4, предназначенную для расположения образца исследуемого материала 5 и выполненную в виде двух функционально независимых элементов, одного элемента с функцией нагрева 6, выполненного в виде сплошного цилиндра из высоко теплопроводящего материала, например, вакуумной меди и другого элемента с функцией охлаждения 7.

При этом

заданный зазор 8 между элементом с функцией нагрева 6 и элементом с функцией охлаждения 7 выполнен равным толщине образца исследуемого материала 5,

элемент с функцией охлаждения 7 выполнен в виде соосно расположенных друг в друге колец внутреннего 7а и внешнего 7б, с расстоянием между ними не менее 2×10-3 м, выполненных из материала с теплопроводностью менее 0,3 Вт/м°K, например, из фторопласта 4 марки ТУ-05-810-88 с радиусом, равным 53×10-3 м и 80×10-3 м соответственно и одинаковой высотой и толщиной стенок равной 3×10-3 мм,

кольца внутреннее 7а и внешнее 7б расположены герметично, горизонтально с уровнем не более 2° на лицевой стороне образца исследуемого материала 5, например, композиционного материала, состава эпоксидная смола СЭДМ 8, нитрид бора марки СК-22, отвердитель МТГ-8А в количестве (20, 20, 15)×10-3 кг соответственно,

устройство снабжено прижимным элементом 11 с усилием 11,0×105 Н/м2, в виде прижимной пластины с прижимными болтами с отверстиями 12 и расположенным непосредственно на упомянутых кольцах 7а и 7б,

упомянутые кольца 7а и 7б и объем между ними заполнены одной и той же легко испаряющейся жидкостью 10, например, этиловым спиртом через отверстия 12,

образец исследуемого материала 5 выполнен толщиной, равной 4,8×10-3 м (0,06×80 - радиус внешнего кольца), который расположен на элементе с функцией нагрева 6,

устройство содержит одну термопару 9 - дифференциальную хромель-копелевую, расположенную с противоположной стороны образца исследуемого материала 5, в отверстии, выполненном в функционально независимом элементе с функцией нагрева 6 и подключенную к измерительному блоку 2.

Измеряют - определяют физические величины:

теплоту испарения легко испаряющейся жидкости R 10, ее массу М, толщину образца исследуемого материала L 5, эффективную рабочую поверхность (площадь внутреннего кольца измерительной ячейки с функцией охлаждения) S 7а, перепад температуры на образце исследуемого материала ΔT посредством секундомера, весов, штангенциркуля, указанной термопары 9 соответственно.

Определяют коэффициент теплопроводности образца исследуемого материала согласно указанному математическому выражению.

Примеры 2-15

Аналогично примеру 1 определяют коэффициент теплопроводности материала, но при других конструкционных и иных технологических параметрах, указанных в формуле изобретения, и за ее пределами.

О точности измерений судят по сравнению с эталонным образцом.

Данные представлены в таблице.

Как видно из таблицы устройство для определения коэффициента теплопроводности материала выполненное с конструкционными и иными технологическими параметрами согласно формуле изобретения обеспечивает проведение экспресс измерений с достаточно высокой точностью, не менее (1-10) процентов (примеры 1-3, 8-10) в отличии, когда устройство выполнено с упомянутыми параметрами за пределами указанными в формуле изобретения (примеры 4-5, 11-12), равно как в прототипе (примеры 7, 14).

Таким образом, заявленное устройство для экспресс определения коэффициента теплопроводности материала по сравнению с прототипом обеспечит:

во-первых, значительное упрощение устройства,

во-вторых, упрощение способа проведения экспресс измерений.

в-третьих, повышение точности в пределах (1-10) процентов,

При сохранении диапазона измеряемых материалов с точки зрения их коэффициента теплопроводности.

Источники информации

1. Шашков А.Г., Волохов Г.М., Абраменко Т.Н. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. М.: Энергия, 1973, 336 с.

2. Патент РФ №2189581 МПК G01N 25/18, приоритет 14.12.2000, опубл. 20.09.2002.

3. Патент РФ №2431134 МПК G01N 27/22, 25/18, приоритет 25.06.2010, опубл. 10.10.2011.

4. Патент РФ №2153664 МПК G01N 25/18, приоритет 04.03.1999, опубл. 27.07.2000.

5. Патент РФ №2096773 МПК G01N 25/20, приоритет 04.10.1994, опубл. 20.11.1977 - прототип.

Технологические параметры устройства Результаты измерения
№ п/п Элемент с функцией охлаждения в виде колец внутреннего и внешнего Легко испаряемая жидкость, заполняющая кольца Образец используемого материала Усилие прижимного элемента (10-5 H/м2) Коэффициент теплопроводности, λ (Вт/м°K) Точность измерения %
Радиус внутреннего (М×10-3) Радиус внешнего (М×10-3) Расстояние между кольцами (М×10-3) Толщина стенок (М×10-3) Материал и его коэффицент теплопроводности (Вт/м°K) Уровень расположения на образце (град.) Угол смачиваемости на образце (град.) Вид жидкости Материал (М×10-3) Толщина (М×10-3) Класс чистоты обработки поверх ности
1 53 80 3 3 Фторопласт 0,26 2 45 спирт композит сэдм-8 / борнилит (120%) 0,48 8 11 0,8 3
2 6 20 3 1 1 45 0,48 7 2 0,84 6
3 100 140 3 5 0,3 45 0,48 7 2 0,76 3
4 3 15 1 0,5 3 45 4 5 1 0,64 20
5 105 145 10 6 3 45 6 5 25 0,92 15
6 эталон Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует сэдм-8+борнилит (120%) 0,5 7 Отсутствует 0,82 3
7 прототип Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует сэдм-8+борнилит (120%) 0,5 7 Отсутствует 0,86 5
8 53 80 3 3 Пенополистирол 0,04 2 60 вода Керамика SiC 0,48 8 2 84,5 4
9 6 20 3 1 1 60 0,48 7 2 82 6
10 100 140 3 5 0,3 60 0,48 7 2 83 5
11 3 15 1 0,5 3 60 4 5 1 0,68 18
12 105 145 10 6 3 60 6 5 25 кольцо сплющилось кольцо сплющилось
13 эталон Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Керамика SiC 2 7 Отсутствует 84 3
14 прототип Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Керамика SiC 2 7 Отсутствует 80 5

1. Устройство для определения коэффициента теплопроводности материала методом плоского горизонтального слоя, содержащее элемент, исключающий боковые тепловые потери, измерительный блок с нагревателем, соединенные электрически, измерительную ячейку, предназначенную для расположения образца исследуемого материала и выполненную в виде двух функционально независимых элементов, одного с функцией нагрева, другого - охлаждения, которые расположены соосно и с заданным зазором, обеспечивающим тепловой контакт, термопару, подключенную к измерительному блоку, отличающееся тем, что элемент измерительной ячейки с функцией охлаждения выполнен в виде соосно расположенных друг в друге колец, внутреннего и внешнего, с расстоянием между ними не менее 2×10-3 м, из материала с теплопроводностью менее 0,3 Вт/м·K, с радиусом, равным (6-100)×10-3 м и (20-140)×10-3 м соответственно, одинаковой высотой и толщиной стенок, равной (1-5)×10-3 м, при этом кольца внутреннее и внешнее и объем между ними выполнены с возможностью заполнения одной и той же легко испаряющейся жидкостью с углом смачивания на образце исследуемого материала не более 90°, а расположены упомянутые кольца на лицевой стороне образца исследуемого материала герметично, горизонтально с уровнем не более 2° и с упомянутым заданным зазором, при этом заданный зазор равен толщине образца исследуемого материала, последний имеет чистоту обработки не менее 7-го класса, устройство дополнительно снабжено прижимным элементом усилием (2-20)×10-5 Н/м2, непосредственно расположенным на упомянутых кольцах, термопара расположена с противоположной стороны образца исследуемого материала, последний выполнен толщиной, равной (0,002-0,1)×10-3 м радиуса внешнего кольца, а коэффициент теплопроводности образца исследуемого материала определяют из выражения
λ=R·M·L/S·ΔT·t,
где R - теплота испарения легко испаряющейся жидкости, Дж,
M - масса легко испаряющейся жидкости, кг,
L - толщина образца исследуемого материала, м,
S - эффективная рабочая поверхность (площадь внутреннего кольца
измерительной ячейки с функцией охлаждения), м2,
ΔТ - перепад температуры на образце исследуемого материала, K,
t - время испарения легко испаряющейся жидкости, с.

2. Устройство для определения теплопроводности материала по п.1, отличающееся тем, что упомянутые кольца могут быть прямоугольной либо трапецеидальной формы.

3. Устройство для определения теплопроводности материала по п.1, отличающееся тем, что упомянутые кольца выполнены из фторопласта, либо пенополистирола, либо каучука.

4. Устройство для определения теплопроводности материала по п.1, отличающееся тем, что легко испаряющаяся жидкость представляет собой воду либо этиловый спирт.

5. Устройство для определения теплопроводности материала по п.1, отличающееся тем, что заполнение упомянутых колец и объема между ними легко испаряющейся жидкостью осуществляют, например, через отверстия в прижимном элементе.

6. Устройство для определения теплопроводности материала по п.1, отличающееся тем, что образцом исследуемого материала может быть твердый материал, в том числе композиционный материал для электронной техники.

7. Устройство для определения теплопроводности материала по п.1, отличающееся тем, что функционально независимый элемент с функцией нагрева выполнен из высоко теплопроводящего материала, например меди, алюминия.

8. Устройство для определения теплопроводности материала по п.1, отличающееся тем, что прижимной элемент представляет собой, например, прижимную пластину с прижимными болтами, величину его усилия определяет материал колец, внутреннего и внешнего.

9. Устройство для определения теплопроводности материала по п.1, отличающееся тем, что элемент, исключающий боковые тепловые потери представляет собой, например, тепловой экран из плохо теплопроводящего материала, фторопласта, либо пенополистирола, либо каучука, повторяющий форму измерительной ячейки и расположенный с минимальным техническим зазором.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области физико-химического анализа и может быть использовано при тепловых испытаниях. Исследуемое тело приводят в тепловой контакт с эталонным телом по плоскости, в которой находится локальный круглый нагреватель.

Изобретение относится к области изучения физических свойств пористых неоднородных материалов и может быть использовано для определения характеристик порового пространства и теплопроводности образцов горных пород и минералов.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в промысловой геофизике для оценки глубинных тепловых полей, процессов мембранного разделения в химической промышленности и других отраслях.

Изобретение относится к области исследования теплофизических свойств материалов и может быть использовано при определении коэффициента эффективности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий - u.

Изобретение относится к стационарным способам определения теплопроводности плоских однослойных конструкций и может быть использовано в строительстве и теплоэнергетике.

Изобретение относится к области тепловых испытаний и может быть использовано для испытаний теплозащиты летательных аппаратов (ЛА) для определения ее теплофизических свойств и работоспособности.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения теплопроводности материалов. .

Изобретение относится к области тепловых испытаний теплоизоляционных материалов. .

Изобретение относится к строительной технике и может быть преимущественно использовано для измерения теплофизических характеристик различных строительных конструкций, например, стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др.

Изобретение относится к строительной технике и может быть преимущественно использовано для измерения теплофизических характеристик различных строительных конструкций, например стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др.

Использование: для неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий. Сущность: заключается в том, что перпендикулярно поверхности исследуемого изделия воздействуют импульсом высокочастотного электромагнитного поля СВЧ-диапазона по линии заданной длины, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела по плоскости, перпендикулярной плоскости внешней поверхности исследуемого объекта и уходящей внутрь него, причем для организации такого воздействия электромагнитное излучение рупорной антенны СВЧ-генератора фокусируют с использованием рупорно-линзовой антенны в линию заданной длины, измеряют в заданный момент времени после воздействия импульса СВЧ-излучения избыточную температуру на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого изделия в двух точках, находящихся, соответственно, на расстояниях x1 и x2 от плоскости высокочастотного электромагнитного воздействия, длину волны и мощность электромагнитного СВЧ-излучения задают такими, чтобы глубина проникновения электромагнитного поля была не менее, чем на порядок больше заданных расстояний x1 и x2 до точек контроля температуры, имея информацию о мощности теплового воздействия на исследуемое изделие в плоскости СВЧ-нагрева и измеренных в заданный момент времени значений избыточных температур в точках контроля, искомые теплофизические характеристики определяют на основе полученных математических соотношений. Технический результат: повышение оперативности и точности определения теплофизических характеристик строительных материалов. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения физических свойств материалов путем тепловых и электрических измерений, и может быть использовано для оперативного контроля теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий и сооружений в натурных условиях. Способ неразрущающего контроля теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий заключается в том, что измеряют фактические значения теплопроводности внутреннего и наружного поверхностных слоев конструкции. Затем вычисляют значения сопротивлений теплопередаче этих слоев по формулам: Rв=δв/λв и Rн=δн/λн, где Rв и Rн - значения сопротивлений теплопередаче внутреннего и наружного поверхностных слоев конструкции, соответственно; δв и δн - толщина внутреннего и наружного поверхностных слоев, соответственно; λв и λн - теплопроводность внутреннего и наружного поверхностных слоев, соответственно. Далее вычисляют значение сопротивления теплопередаче теплоизоляционного слоя по формуле: Rт=Rк-1/αв-1/αн-Rв-Rн, где Rт - сопротивление теплопередаче теплоизоляционного слоя; Rk - общее сопротивление теплопередаче конструкции; αв, αн - коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей конструкции, соответственно. Затем вычисляют фактическое значение теплопроводности материала теплоизоляционного слоя конструкции по формуле: λт,=δт/Rт, где λт - теплопроводность материала; δт - толщина слоя. После чего определяют фактическое значение влажности материала теплоизоляционного слоя по формуле: Wт=(λт-λ0)/Δλw, где Wt - влажность материала; λ0 теплопроводность материала в сухом состоянии; Δλw - приращение теплопроводности материала на 1% влажности. Техническим результатом изобретения является определение теплофизических характеристик теплоизоляционного слоя многослойных строительных конструкций без нарушения их целостности. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных керамических и стеклообразных материалов с учетом их прозрачности. Способ включает нестационарный нагрев поверхности образца в виде пластины радиационными импульсами, измерение температуры в не менее трех точках по толщине образца с последующим вычислением искомой величины посредством решения коэффициентной обратной задачи теплопроводности. Интервалы между импульсами составляют 5-10 секунд, при этом измерение температуры производится синхронно в момент окончания импульса. Технический результат: снижение погрешности определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов более чем в 2 раза. 2 ил.

Изобретение относится к газоизмерительному устройство для измерения присутствия заданного газа в текучей среде. Устройство содержит датчик, имеющий чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагрева чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры, причем чувствительный элемент является восприимчивым к заданному газу таким образом, что, по меньшей мере, одно электрическое свойство чувствительного элемента изменяется в зависимости от присутствия заданного газа, причем электрическое свойство чувствительного элемента измеряется газоизмерительным устройством; и цепь управления, имеющую контроллер нагревательного элемента, связанный с нагревательным элементом и измеряющий его электрическое свойство, причем цепь управления имеет источник энергии подогрева, подающий энергию к нагревательному элементу, причем контроллер нагревательного элемента связан с источником энергии подогрева и регулирует его работу в зависимости от измерения электрического свойства нагревательного элемента; средство импульсной модуляции, соединенное с контроллером нагревательного элемента, источником энергии подогрева для управления величиной энергии, подаваемому к нагревательному элементу. При этом средство импульсной модуляции выполнено с возможностью формирования первого набора импульсов энергии, имеющего определенную продолжительность, и второго набора импульсов энергии, имеющего другую, более короткую продолжительность для поддержания температуры нагревательного элемента, по существу, на постоянном уровне. Также изобретение относится к способу изготовления и способу работы газоизмерительного устройства. Предлагаемое устройство изготавливается и эксплуатируется рентабельным и надежным образом. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к нестационарным способам определения теплопроводности сыпучих материалов и может применяться при изучении термических свойств почв, рыхлых горных пород, сыпучих строительных и прочих дисперсных материалов. Сущность способа заключается в предварительном нагреве до требуемой температуры металлической пластины и ее последующем погружении в слой сыпучего материала, расположенного в опытной площадке, которая изнутри покрыта слоем теплогидроизоляции. Контроль за равномерным нагревом металлической пластины до требуемой температуры осуществляют бесконтактным способом с помощью инфракрасного термометра. Нижняя кромка металлической пластины заточена под углом 45°. Термопреобразователи, установленные в сыпучем материале и в толще металлической пластины по центру, регистрируют с определенной дискретностью и продолжительностью во времени тепловые режимы нагрева сыпучего материала и охлаждения металлической пластины. С учетом измеренных параметров рассчитывают коэффициент теплопроводности сыпучего материала. Технический результат: повышение точности измерения коэффициента теплопроводности сыпучего материала при нестационарном тепловом режиме. 5 ил.

Изобретение относится к нестационарным способам определения температуропроводности твердых тел и может применяться в строительстве и теплоэнергетике при проведении тепловых испытаний однородных строительных объектов, теплопроводных и теплоизоляционных материалов. Сущность заявленного способа заключается в нагреве твердого тела с помощью бесконтактного теплового воздействия на переднюю лицевую поверхность последнего источником инфракрасного излучения. Температурное поле твердого тела регистрируют с помощью системы термопреобразователей в течение нестационарного теплового режима, определяемого расчетным способом. По экспериментальным данным строят одномерное нестационарное температурное поле твердого тела. По результатам построения температурного поля твердого тела в режиме нагрева и дифференциальному уравнению теплопроводности вычисляют коэффициент температуропроводности твердого тела. Технический результат: повышение точности измерения коэффициента температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме. 6 ил.

Использование: для определения теплопроводности керна. Сущность: заключается в том, что подготавливают образец керна и рентгеновский микрокомпьютерный томограф для сканирования указанного образца керна и получения изображения для каждого сканирования, сканируют указанный образец керна, передают для обработки трехмерное сканированное изображение с томографа на компьютер, предназначенный для анализа изображений, задают толщину слоя внутри полученного трехмерного сканированного изображения для анализа, определяют слой с максимальной теплостойкостью внутри полученного трехмерного сканированного изображения и определяют эффективную теплопроводность образца керна. Технический результат: обеспечение возможности быстрой оценки эффективной теплопроводности, не требующей численного решения уравнения теплопроводности. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для технической диагностики неоднородных конструкций. Устройство для определения сопротивления теплопередачи многослойной конструкции включает датчики температуры и теплового потока и тепловизионное устройство. Согласно изобретению включены счетчик времени измерения, блоки вычисления сопротивления теплопередачи, блок вычисления изменения сопротивления теплопередачи, блок сравнения изменения сопротивления теплопередачи и максимального изменения сопротивления теплопередачи, блок присвоения сопротивления теплопередачи, счетчик периодов времени и блок вычисления приведенного сопротивления теплопередачи. Технический результат - повышение точности результатов исследования. 1 з.п. ф-лы, 14 ил., 2 табл.

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована при решении задач энергетического аудита. Заявлен способ и устройство интеллектуального энергосбережения, согласно которым измеряют температуру теплоносителя на входе и выходе энергопотребляющего объекта, измеряют массу теплоносителя за определенный промежуток времени, определяют количество энергии, потребляемой объектом. Последовательно измеряют значения температуры на противоположных сторонах конструкции, тепловой поток на внутренней стороне конструкции и наружной стороне конструкции на противоположной стороне. Определяют сопротивление теплопередачи многослойной конструкции в точке контролируемого участка поверхности исследуемого объекта для каждого интервала измерения. Проводят тепловизионное обследование путем измерения температурного поля поверхности с пространственным периодом, определяемым размерами минимального дефекта конструкции. Определяют приведенное сопротивление теплопередаче по всей поверхности исследуемого объекта в произвольных координатах. Определяют сверхнормативные потери тепла. Определяют энергоэффективность по отношению к сверхнормативным потерям тепла и осуществляют формирование управляющего воздействия для интеллектуализации энергосбережения. Технический результат: повышение эффективности энергосбережения. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 15 ил, 1 табл.

Изобретение относится к области тепловых измерений и может быть при изучении особенностей нестационарного теплового режима, нахождении теплового баланса и определении теплофизических показателей твердых материалов различного предназначения. Сущность заявленного способа заключается в формировании нестационарного теплового режима твердого тела с помощью бесконтактного неразрушающего теплового воздействия на переднюю лицевую поверхность твердого тела источником инфракрасного излучения. Температурное состояние твердого тела регистрируют в фиксированных точках координатного пространства по схеме: в толще твердого тела при y=0 и z=0 на участке x∈[0, δ], где δ - толщина твердого тела, в точках в количестве N+1 с координатами x=0, δ/N, 2δ/N, …, (N-1)δ/N, δ; на поверхностях твердого тела при x=0 и x=δ в координатах, удовлетворяющих условиям |y|≤(0,9÷0,95)a и z≤(0,8÷0,9)b, где a и b - геометрические характеристики поверхностей твердого тела. На основании экспериментальных данных строят нестационарное температурное поле твердого тела по пространственно-временным координатам. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 7 ил., 1 табл.
Наверх