Способ определения тепловой проводимости контактов твердых тел



Способ определения тепловой проводимости контактов твердых тел
Способ определения тепловой проводимости контактов твердых тел

 


Владельцы патента RU 2569176:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) (RU)

Изобретение относится к области теплофизики и может быть использовано для определения тепловой проводимости контактов между прозрачными образцами или между прозрачным и высокотеплопроводным образцами. Систему, состоящую из двух прозрачных образцов либо двух прозрачных и закрепленного между ними высокотеплопроводного образца, где все образцы выполнены в форме прямоугольных параллелепипедов с одинаковыми основаниями, которыми образцы приведены в контакт, помещают в интерферометр. Световой пучок интерферометра направляют перпендикулярно одной из боковых граней каждого прозрачного образца. При создании в системе стационарного одномерного теплового потока, направленного перпендикулярно плоскости контакта, интерференционным методом измеряют изменение профиля фазы светового пучка интерферометра, проходящего через прозрачные образцы. Тепловую проводимость любого из контактов вычисляют из измеренного изменения профиля фазы светового пучка интерферометра, известной теплопроводности и геометрических размеров образцов. Технический результат - повышение достоверности получаемых результатов. 1 ил.

 

Изобретение относится к способу определения теплофизических характеристик твердых тел, а именно тепловой проводимости контактов твердых тел.

Способ позволяет определять тепловую проводимость контактов твердых тел в диапазоне от 400 до 200000 Вт/(м2 К) и наиболее подходит для контактов, созданных с использованием дополнительных материалов, улучшающих теплопередачу между телами, таких как теплопроводная паста, теплопроводный клей, эпоксидная смола, а также оптических контактов и контактов типа термодиффузионной сварки. Способ позволяет исследовать тепловой контакт между двумя прозрачными образцами твердых тел или между прозрачным образцом и образцом из высокотеплопроводного материала. В частности это широко востребовано в области разработки твердотельных лазеров и их компонентов, где в качестве прозрачного образца выступает прозрачный элемент лазерной системы, находящийся под тепловой нагрузкой, а в качестве высокотеплопроводного образца выступает радиатор. Тепловой контакт между двумя прозрачными образцами возникает при создании композитных оптических элементов с использованием методов сращивания, например термодиффузионной сварки, или метода оптического контакта.

Существует способ измерения тепловой проводимости контакта между прозрачным образцом и высокотеплопроводным материалом [S. Chernais, F. Druon, S. Forget, F. Balembois, P. Georges "On thermal sffect in solid-state lasers: the case of ytterbium-doped materials", Progress in Quantum Electronics, 30, р.89-153 (2006)], основанный на измерении распределения температуры на поверхности образца с помощью инфракрасной камеры, когда образец нагревают лазерным излучением и охлаждают через тепловые контакты с высокотеплопроводным материалом. Тепловую проводимость контактов вычисляют из измеренного распределения температуры, рассчитанного тепловыделения в образце, теплопроводности образца и геометрии системы.

Недостатки данного способа в том, что из-за использования лазерного нагрева в качестве образца может выступать только активный элемент лазера, для каждого образца необходимо применять греющее излучение на нужной длине волны, математический расчет сложен и требует точного знания тепловыделения в образце.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является взятый за прототип способ измерения коэффициента теплопередачи теплопроводных электроизоляционных материалов [Американский стандарт ASTM D5470, http://www.astm.org/5470.htm]. Способ включает создание стационарного одномерного теплового потока через систему, представляющую собой два металлических образца известной теплопроводности, выполненных в форме одинаковых прямых круговых цилиндров, приведенных в контакт основаниями, между которыми сжимают исследуемый материал. Тепловой поток направляют перпендикулярно плоскости контакта. Вдоль образцов закрепляют термопары для определения градиента температуры в образцах и скачка температуры между контактирующими гранями образцов. Коэффициент теплопередачи через контакт или тепловая проводимость контакта вычисляются из измеренного градиента температуры, скачка температуры и теплопроводности образцов. Система также обладает возможностью изменения давления на контакт и измерения толщины зазора между образцами.

Данный способ позволяет тестировать различные материалы. Однако коэффициент теплопередачи через контакт сильно зависит также и от материалов контактирующих поверхностей, которые на практике могут быть самыми разнообразными. Используемые в способе-прототипе образцы изготовлены из металла и не могут быть заменены прозрачными образцами из-за громоздкости системы, которая не может быть уменьшена из-за использования термопар для измерения температуры.

Задачей, на которую направлено изобретение, является создание способа, позволяющего определять тепловую проводимость контактов между прозрачными образцами или между прозрачным и высокотеплопроводным образцами.

Технический эффект достигается тем, что создают стационарный одномерный тепловой поток через систему из не менее чем двух образцов твердых тел с известной теплопроводностью, где образцы выполнены в форме прямых цилиндров с одинаковыми основаниями, которыми они приведены в контакт, при этом образцы в системе, расположенные по краям, изготавливают из одного материала, а тепловой поток в системе направляют перпендикулярно плоскости контакта.

Новым является то, что в системе используют два либо три образца, прямые цилиндры выполняют в виде прямоугольных параллелепипедов, образцы, расположенные по краям, изготавливают с длинами сторон не менее 1 мм из прозрачного материала, в случае системы из трех образцов твердых тел средний образец изготавливают из высокотеплопроводного материала, систему помещают в интерферометр, при этом световой пучок интерферометра направляют перпендикулярно одной из боковых граней каждого прозрачного образца, при создании в системе стационарного одномерного теплового потока интерференционным методом измеряют изменение профиля фазы светового пучка интерферометра, проходящего через прозрачные образцы, а тепловую проводимость любого из контактов вычисляют из измеренного изменения профиля фазы светового пучка интерферометра, известной теплопроводности и геометрических размеров образцов.

Способ поясняется Фиг. 1, на которой изображена система из приведенных в контакт образцов твердых тел, а также нагреватель и радиатор, которые создают через систему стационарный одномерный тепловой поток.

Способ осуществляют следующим образом. Используют систему, представленную на Фиг. 1. Система из двух образцов представляет собой два скрепленных прозрачных образца 4 одинаковой формы, выполненных из одного материала. В системе из трех образцов между прозрачными образцами закреплен высокотеплопроводный образец 3. Теплопроводность всех образцов известна. Все образцы выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов с одинаковыми основаниями, которыми они и приведены в контакт. Прозрачные образцы 4 имеют высоту от 2 до 5 мм. Высокотеплопроводный образец - высоту 1 мм. Определяют тепловую проводимость контактов 5. С одной стороны к системе прикрепляют нагреватель 1, с другой - радиатор с проточным охлаждением 2, которые в момент измерений создают в системе стационарный одномерный тепловой поток, направленный перпендикулярно плоскости контакта. Систему помещают в интерферометр и интерференционным методом измеряют изменение профиля фазы светового пучка интерферометра, проходящего через прозрачные образцы 4, которое появляется при включении в системе стационарного теплового потока. При этом световой пучок интерферометра перпендикулярен одной из боковых граней каждого из прозрачных образцов 4.

Из измеренного изменения профиля фазы светового пучка интерферометра (L) вычисляют градиент изменения профиля фазы пучка в прозрачных образцах 4 (dL1/dx и dL2/dx) и скачок изменения профиля фазы пучка между обращенными друг к другу основаниями прозрачных образцов 4 (ΔL).

В случае системы из двух прозрачных образцов 4 тепловую проводимость контакта вычисляют по формуле:

,

где dL/dx - среднее арифметическое от dL1/dx и dL2/dx, κ0 - теплопроводность прозрачных образцов 4. Данная формула получается из формулы, используемой для расчета в способе-прототипе:

,

где Т - изменение температуры при включении в системе стационарного теплового потока, ΔT - скачок изменения температуры между обращенными друг к другу основаниями прозрачных образцов 4, dT/dx - среднее арифметическое градиентов изменения температуры в прозрачных образцах 4. При этом используется линейная связь изменения профиля фазы светового пучка интерферометра, проходящего через прозрачные образцы 4, с изменением распределения температуры в них:

,

где L0 - толщина одного из прозрачных образцов 4 в том направлении, в котором направлен световой пучок интерферометра, dn/dT - температурное изменение показателя преломления одного из прозрачных образцов 4, α - коэффициент теплового расширения одного из прозрачных образцов 4.

В случае системы из трех образцов величина ΔL связана со скачком температуры на двух контактах 5 и скачком температуры на высокотеплопроводном образце 3. В этом случае тепловую проводимость любого из контактов вычисляют по формуле:

,

где h - высота высокотеплопроводного образца 3, κ - теплопроводность высокотеплопроводного образца 3.

Мощность тепла, уходящего в атмосферу, оценивают из разности градиентов изменения профиля фазы пучка в прозрачных образцах 4. Она должна быть много меньше мощности тепла, протекающей через систему. Если это условие не выполняется, систему покрывают теплоизолирующей оболочкой или помещают в вакуумную камеру.

Способ может быть применен для измерения при температурах от 10 К до 400 К помещением системы в вакуумную камеру и использованием системы охлаждения с возможностью стабилизации температуры на любом уровне из заданного диапазона.

При этом в качестве хладагентов используют воду (от 280 К), жидкий азот (от 80 К) или жидкий гелий (от 10 К).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять тепловую проводимость контактов между прозрачными образцами или между прозрачным и высокотеплопроводным образцами.

Результаты измерений могут быть использованы при расчетах распределения температуры и для оптимизации тепловых контактов в конструкциях, состоящих из контактирующих прозрачных и высокотеплопроводных элементов, в частности при разработке твердотельных лазеров и их компонентов.

Способ определения тепловой проводимости контактов твердых тел, в котором создают стационарный одномерный тепловой поток через систему из не менее чем двух образцов твердых тел с известной теплопроводностью, где образцы выполнены в форме прямых цилиндров с одинаковыми основаниями, которыми они приведены в контакт, при этом образцы в системе, расположенные по краям, изготавливают из одного материала, а тепловой поток в системе направляют перпендикулярно плоскости контакта, отличающийся тем, что в системе используют два либо три образца, прямые цилиндры выполняют в виде прямоугольных параллелепипедов, образцы, расположенные по краям, изготавливают с длинами сторон не менее 1 мм из прозрачного материала, в случае системы из трех образцов твердых тел средний образец изготавливают из высокотеплопроводного материала, систему помещают в интерферометр, при этом световой пучок интерферометра направляют перпендикулярно одной из боковых граней каждого прозрачного образца, при создании в системе стационарного одномерного теплового потока интерференционным методом измеряют изменение профиля фазы светового пучка интерферометра, проходящего через прозрачные образцы, а тепловую проводимость любого из контактов вычисляют из измеренного изменения профиля фазы светового пучка интерферометра, известной теплопроводности и геометрических размеров образцов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности жидких теплоизоляционных материалов.

Изобретение относится к области технической физики и предназначено для измерения теплопроводности строительных и теплоизоляционных и иных материалов. Устройство для измерения теплопроводности включает тепловой блок, состоящий из малого измерительного нагревателя, малого охранного нагревательного элемента, выполняющего охранную функцию в случае измерения образцов малых размеров или единичного образца крупноформатной конструкции или выполняющего функцию большого измерительного нагревателя в случае измерения образцов больших размеров, большого охранного нагревательного элемента и двух охранных пластин, холодильный блок, состоящий из основания и охранной пластины, установленной под основанием, и измерительную зону, расположенную между тепловым и холодильным блоками.

Изобретение относится к области изучения теплофизических свойств материалов и может быть использовано для определения теплопроводности материалов. Способы характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов предусматривают нагрев поверхности образцов неоднородных материалов в процессе движения относительно друг друга образцов, источника нагрева и блока регистрации температуры.

Изобретение относится к способам определения теплофизических характеристик твердых тел и позволяет измерять теплопроводность образцов твердых тел, являющихся малыми во всех трех измерениях.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано в теплофизическом приборостроении. Способ заключается в нагревании одной из поверхностей образца или ее участка до максимальной температуры, которую поддерживают до момента времени, когда измеряемая разность температур на границах исследуемого участка уменьшится до заданного значения.

Изобретение относится к стационарным способам определения теплопроводности твердого тела и может быть использовано в строительстве и теплоэнергетике для проведения в натурных условиях теплофизических исследований теплоизоляционных материалов, установленных на трубопроводах круглого сечения.

Изобретение относится к области исследования теплофизических свойств материалов и может быть использовано в теплофизическом приборостроении. Способ осуществляют путем двух тепловых воздействий на двухслойную пластину с последующими охлаждениями, измерения разности температур и теплового потока.

Изобретение относится к способам измерений теплопроводности веществ, материалов и изделий и может быть использовано в теплофизическом приборостроении. Способ осуществляют путем теплового воздействие на образец с последующим охлаждением, измерения разности температур на границах исследуемого участка образца и количества тепла, поступившего в него за время интегрирования разности.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и касается определения тепловых свойств пород, слагающих разрез скважины и пласт в целом. Техническим результатом является повышение точности измерения среднеинтегрального значения теплопроводности горных пород по разрезу скважины и определение коэффициентов теплопередачи через НКТ и через обсадную колонну, а также длины циркуляционной системы скважины.

Изобретение относится к бесконтактным методам исследований теплофизических характеристик твердых тел и может быть использовано для исследований теплофизических характеристик изделий, используемых в авиакосмической, машиностроительной и энергетической промышленности.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения относительной теплопроводности материалов. Плоский исследуемый образец известной толщины помещают между двумя алмазными наковальнями с теплопроводностью, существенно превышающей теплопроводность образца, и подвергают высокому давлению, предварительно установив в верхнюю наковальню нагреватель. Затем изменяют величину внешнего воздействия давления. По изменению разности температур между верхней и нижней наковальнями рассчитывают относительное изменение теплопроводности образца при изменении давления. Мощность источника теплоты при этом постоянна. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 2 ил.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности. Согласно заявленному способу осуществляют нагрев исследуемого объекта воздействием импульса СВЧ-излучения, измерение в заданный момент времени после воздействия импульса СВЧ-излучения избыточной температуры на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого изделия в двух точках, находящихся на расстояниях Х1 и Х2 от плоскости электромагнитного воздействия. Определяют зависимость затухания мощности теплового воздействия от глубины исследуемого тела. Затем осуществляют прямолинейную аппроксимацию участка полученной кривой, ограниченного поверхностью исследуемого объекта и точкой, расстояние до которой берется равным значению, превышающим на порядок расстояние до наиболее удаленной от линии теплового воздействия точки контроля х2 избыточной температуры. Измеряют угол α между аппроксимирующей прямой и поверхностью исследуемого тела. Устанавливают рупорную антенну СВЧ-излучения под углом α к поверхности исследуемого тела и осуществляют импульсное тепловое воздействие. Имея информацию о мощности теплового воздействия на исследуемое изделие и измеренных избыточных температур в точках контроля, искомые теплофизические характеристики определяют на основе полученных математических соотношений. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 5 ил., 3 табл.

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике. Для нагрева пленочного образца и измерения его электрического сопротивления помещают образец в корпус кварцевого реактора. Внутри корпуса образец размещают в С-образных зажимах с плоскими губками, выполненными из вольфрамовой проволоки. Образец устанавливают в плоских губках с натягом, величина которого достаточна для удержания образца в заданном положении при нагреве С-образных зажимов. С-образные зажимы раскрепляют на растяжках, выполненных в виде пружин из вольфрамовой проволоки меньшего диаметра. При помощи резистивного подогревателя, размещенного на поверхности корпуса, производят нагрев образца до заданной температуры. Через С-образные зажимы и растяжки на образец подают измерительный ток и определяют напряжение. Измерение температуры образца осуществляют при помощи термопары, которую предварительно устанавливают в центральной части корпуса. Необходимое расстояние от поверхности образца до измерительного элемента термопары и его центрирование по отношению к термопаре осуществляют при помощи упомянутых растяжек. Обеспечивается стабильность электрического контакта и равномерный прогрев образцов. 1 ил.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности. Согласно заявленному способу на поверхность исследуемого твердого строительного материала воздействуют электромагнитным полем СВЧ-диапазона с частотой не менее 10 ГГц, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела. Имея информацию о мощности генератора СВЧ-излучения, воздействующего на исследуемый объект, информацию о тепловом потоке с поверхности круговой области, искомые теплофизические характеристики (ТФХ) определяют по математическим соотношениям, полученным на основании модельных представлений физических процессов, происходящих в исследуемых объектах при воздействии на их поверхность высокочастотным электромагнитным полем. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к способам измерения теплофизических свойств веществ и может быть использовано в геофизике для оценки глубинных тепловых полей, условий образования и разрушения гидратов углеводородных газов в флюидонасыщенных породах пластовых резервуаров месторождений углеводородов, исследования анизотропии теплопроводности насыщенных горных пород. Заявлен способ измерения влияния давления до 100 МПа на теплопроводность флюидонасыщенных пористых тел, представляющий собой разновидность стационарного способа плоского слоя, в котором одинаковые образцы, расположенные симметрично относительно нагревателя, гидравлически изолированы друг от друга. Технический результат - повышение информативности за счет обеспечения возможности в одном опыте измерять влияние гидростатического давления на теплопроводность насыщенного пористого образца относительно теплопроводности такого же образца, находящегося при атмосферном давлении. 1 ил.

Изобретение относится к области измерения теплофизических характеристик физических сред и может быть использовано в морской биологии и химии для расчета температурных условий существования биологических объектов и течения химических реакций в верхнем слое донных осадков в условиях изменяющейся температуры водного слоя. Способ включает измерение и регистрацию температуры на двух горизонтах в донных осадках и температуры придонного слоя воды в течение 12-15 час, с последующим вычислением эквивалентного коэффициента температуропроводности (а экв) по формуле а э к в = ∂ T ∂ t ∂ 2 T ∂ z 2 , где ∂Т - изменение температуры; ∂t - изменение времени, ∂z - изменение глубины от поверхности осадка. Суть способа основана на использовании морских приливов в качестве естественного источника тепла, температура которого периодически изменяется во времени, доставляя в максимуме прилива более холодную придонную воду из больших глубин в менее глубокие районы акваторий. Технический результат - повышение точности измерений эквивалентной температуропроводности донного грунта. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для теплофизических исследований теплозащитных покрытий на днище поршня и наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня по скорости повышения температуры его внутренней поверхности при нагреве с внешней стороны, и может быть использовано для исследования эффективности влияния теплозащитного покрытия на температуру поршня. Устройство наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня для оценки эффективности теплозащитных покрытий на нем включает баллон сжиженного газа с насадкой, соединенный через регулировочный кран с ротаметром, соединенным шлангом с горелкой Бунзена, которая установлена под испытуемым поршнем, помещенным в цилиндре, имеющем отверстие в нижней части и закрепленном на штативе, на котором также закреплен тепловизор, расположенный над поршнем с его внутренней стороны, причем в нижней части цилиндра установлен защитный экран, а также подвижная заслонка с возможностью перекрытия отверстия в цилиндре. Применение заявляемого устройства позволяет повысить точность определения температуры внутренней поверхности днища поршня во всех ее точках и, соответственно, повысить эффективность оценки теплозащитных покрытий на днище поршня. 1 ил.

Изобретение относится к технологиям сушки и термовлажностной обработки пористых проницаемых материалов, в частности к способам определения коэффициентов тепло- и массопроводности пористых материалов. Данный способ заключается в определении значений физических констант (объемной плотности, удельной теплоемкости, массоемкости), разности температур или парциальных давлений, определении внутренней эффективной поверхности переноса субстанций (теплоты, влаги) и расчете коэффициентов тепло- и массопроводности по квантово-термодинамическим уравнениям, полученным аналитическим путем. Техническим результатом изобретения является упрощение процесса определения коэффициентов тепло- и массопроводности, а также обеспечение получения точных и однозначных результатов измерения указанных параметров. 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при теплофизических исследованиях теплозащитных покрытий. Заявлена установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий, содержащая вакуумную камеру и источник нагрева образца с теплозащитным покрытием. В качестве источника нагрева образца с теплозащитным покрытием использован плазмотрон, расположенный в вакуумной камере так, что плазменный поток направлен на теплозащитное покрытие образца. Образец с теплозащитным покрытием установлен в кожухе цилиндрического корпуса для охлаждения образца. Кожух со стороны плазмотрона снабжен упорным буртиком для установки образца с теплозащитным покрытием, а с противоположной стороны - крепежными элементами для закрепления образца между буртиком кожуха и цилиндрическим корпусом. В цилиндрическом корпусе выполнен центральный канал для подачи охлаждающей образец воды и по крайней мере два канала для отвода нагретой воды от образца, расположенные симметрично и на равном расстоянии от центрального канала. В центральном и одном из отводных каналов установлены термопары. Внутренняя поверхность цилиндрического корпуса и поверхность образца образуют полость, сообщающуюся с центральным каналом и каналом для отвода воды. На торцевой поверхности цилиндрического корпуса со стороны установки образца выполнена канавка с установленным в нее уплотнительным кольцом. Технический результат - повышение достоверности получаемых результатов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения суммарного теплового сопротивления текстильных материалов. Предложен контрольно-измерительный прибор для определения теплотехнических параметров текстильных материалов, включающий тепловой аккумулятор, состоящий из геля в герметической упаковке, термопары с электроиндикатором и сам образец исследуемых материалов. Герметической упаковке теплового аккумулятора придана форма полого цилиндра, вокруг вертикальных стенок которого оборачивается лента, выполненная из исследуемых материалов. Тепловой аккумулятор вводится в пакет из теплозащитной пленки, размещаемый в свою очередь в прямоугольном прозрачном корпусе со съемной или открывающейся крышкой, дополнительно оснащенном системой подогрева, а также системой определения суммарного теплового сопротивления образца исследуемых материалов, устроенной из двух термопар, переключателей, проводников и электроиндикатора, в роли которого используется измеритель ЭДС. Прибор также оснащен секундомером и портативным трехфункциональным контрольно-измерительным прибором, обеспечивающим дефиницию местных метеорологических данных, в том числе барометрического давления, влажности и температуры воздуха. Технический результат - обеспечение точности и надежности результатов измерений. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх