專利名稱：機(jī)械壓力作用下接觸熱阻測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在加壓和加熱條件下接觸熱阻測(cè)量裝置及測(cè)量方法，可以用于 力-熱耦合實(shí)驗(yàn)、熱防護(hù)技術(shù)、激光加熱等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)熱流通過相互接觸表面時(shí)引起接觸熱阻，其實(shí)質(zhì)是固體表面與固體表面的直接 接觸只能發(fā)生在一些離散點(diǎn)或微小的面積上，由于表面之間間隙介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)與固體導(dǎo) 熱系數(shù)一般相差很大，因而引起接觸面附近熱流發(fā)生改變，形成熱流的附加阻力，這種接觸 界面引起的特殊現(xiàn)象在機(jī)械壓力作用下瞬態(tài)熱傳導(dǎo)領(lǐng)域(如空間飛行器的熱防護(hù)，激光加 工、激光武器等)是復(fù)雜的，接觸熱阻與其影響因素的關(guān)系是非線性的，需要測(cè)量。力-熱 耦合工程、熱防護(hù)、激光加熱等領(lǐng)域需要機(jī)械壓力作用下接觸熱阻的實(shí)驗(yàn)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種機(jī)械壓力作用下接觸熱阻測(cè)量裝置及測(cè)量方法。所述 機(jī)械壓力作用下接觸熱阻測(cè)量裝置放置于壓力機(jī)10中，機(jī)械壓力作用下接觸熱阻測(cè)量裝 置外圍設(shè)置圓筒式絕熱層2，絕熱層2放置在2個(gè)減震緩沖裝置II上，絕熱層2內(nèi)放置第 一試件71和第二試件711，第一試件71頂部放置有加熱裝置I，第二試件711放置在水 槽4內(nèi)，減震緩沖裝置II橫跨于水槽4上，在第一試件71和第二試件711柱身設(shè)置多個(gè) 測(cè)溫?zé)犭娕?，熱電偶1連接到集成式數(shù)采測(cè)試儀5(四川拓普測(cè)控科技有限公司型號(hào)為 UXI-10016/50016)，集成式數(shù)采測(cè)試儀5、壓力機(jī)10與電腦6相連接。所述的加熱裝置I包括標(biāo)定的銅塊8、鋼片9、石棉層11和電阻絲12，標(biāo)定的銅塊 8的凹槽中放置有電阻絲12，標(biāo)定的銅塊8上放置有鋼片9，鋼片9上放置石棉層11，標(biāo)定 的銅塊8上設(shè)置有兩個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕?。所述的第一試件71、第二試件711和絕熱層2設(shè)置相應(yīng)位置的小孔，標(biāo)定的銅塊8 上也設(shè)置兩個(gè)小孔，測(cè)溫?zé)犭婑?穿過絕熱層2分別插在標(biāo)定的銅塊8、第一試件71和第二 試件711上。所述的減震緩沖裝置II為兩個(gè)，分別設(shè)置在沿水槽4方向的絕熱層2兩邊，減震 緩沖裝置II包括彈簧3、支架13和套筒14，彈簧3設(shè)置在套筒14內(nèi)，支架13套在套筒14 外。本發(fā)明的測(cè)量方法是集成式數(shù)采測(cè)試儀5、壓力機(jī)10與電腦6相連接，分別傳輸并顯示試件(7I、7II) 測(cè)試點(diǎn)的溫度和壓力機(jī)10的工作壓力。把第一試件71和第二試件711裝入絕熱層2內(nèi)， 用壓力機(jī)10對(duì)第一試件71和第二試件711進(jìn)行預(yù)壓，然后使壓力機(jī)10的輸出壓力保持設(shè) 定值，水槽4中流過室溫的水，采用220V電壓，電阻絲(12)通電發(fā)熱，等達(dá)到熱穩(wěn)定后用集 成式數(shù)采測(cè)試儀5測(cè)量標(biāo)定的銅塊8、第一試件71和第二試件711上測(cè)試點(diǎn)的溫度值，將在 第一試件71和第二試件711上所測(cè)得的各點(diǎn)的溫度進(jìn)行線性回歸，即已知某函數(shù)的若干離散函數(shù)值{fl，f2，…，fn}，通過調(diào)整該函數(shù)中若干待定系數(shù)fUl，λ2，…，λ3)，使得該 函數(shù)與已知點(diǎn)集的差別(最小二乘法)最小。如果待定函數(shù)是線性，就叫線性擬合或者線 性回歸，然后得到線性回歸方程。把回歸值分別外推到第一試件71和第二試件711的接觸 界面處，即將第一試件71和第二試件711的接觸界面處到設(shè)定原點(diǎn)的距離帶入線性回歸方 程，得到第一試件71和第二試件711在接觸界面處的溫度值，將接觸界面處的兩個(gè)溫度值 進(jìn)行相減得到接觸界面處的溫降；然后由標(biāo)定的銅塊8上所測(cè)得的兩點(diǎn)溫度，根據(jù)導(dǎo)熱基 本定律求得通過第一試件71和第二試件711的熱流密度，最后根據(jù)接觸熱阻計(jì)算公式，求 得第一試件71和第二試件711的接觸熱阻。通過一些參數(shù)的變化，可以測(cè)試得到壓力作用 下接觸熱阻影響因素的函數(shù)關(guān)系。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明旨在提出機(jī)械壓力作用下接觸熱阻測(cè)量裝置，簡(jiǎn)單而且容易制作，所測(cè)結(jié) 果也相當(dāng)精確，方便于教學(xué)實(shí)驗(yàn)和科研。


圖1為機(jī)械壓力作用下接觸熱阻測(cè)量裝置的示意圖；圖2為加熱電阻絲的示意圖；圖3為圖1的A方向視角示意圖；圖4為加熱裝置的示意圖；圖5為本發(fā)明的在實(shí)施例二條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的雙曲面擬合圖。圖中1為測(cè)溫?zé)犭姺Q，2為絕熱層，3為彈簧，4為水槽，5為集成式數(shù)采測(cè)試儀，6 為電腦，71為第一試件，711為第二試件，8為標(biāo)定的銅塊，9為鋼片，10為壓力機(jī)，11為石棉 層，12為電阻絲，13為支架，14為套筒，15云母片，I為加熱裝置，II為減震緩沖裝置。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種機(jī)械壓力作用下接觸熱阻測(cè)量裝置及測(cè)量方法。下面對(duì)照附圖， 說明實(shí)現(xiàn)
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一(如圖1所示)集成式數(shù)采測(cè)試儀5、壓力機(jī)10與電腦6相連接，分別傳輸并顯示試件(7Ι、7ΙΙ) 測(cè)試點(diǎn)的溫度和壓力機(jī)10上的工作壓力；把第一試件71和第二試件71 I裝入絕熱層2 內(nèi)，用壓力機(jī)10對(duì)第一試件71和第二試件711進(jìn)行預(yù)壓，然后使壓力機(jī)10的輸出壓力保 持設(shè)定值，水槽4中流過室溫的水，采用220V電壓，電阻絲(12)通電發(fā)熱，達(dá)到熱傳遞穩(wěn)定 后，用集成式數(shù)采測(cè)試儀5測(cè)量標(biāo)定的銅塊8、第一試件71和第二試件711上測(cè)試點(diǎn)的溫度 值，并將在第一試件71和第二試件711上所測(cè)得的各點(diǎn)的溫度進(jìn)行線性回歸，把回歸值分 別外推到第一試件71和第二試件711的接觸界面處，得到第一試件71和第二試件711在 接觸界面處的溫度值，將接觸界面處的兩個(gè)溫度值進(jìn)行相減得到接觸界面處的溫降；然后 由標(biāo)定的銅塊8上所測(cè)得的兩點(diǎn)溫度，根據(jù)導(dǎo)熱基本定律求得通過第一試件71和第二試件 711的熱流密度，最后根據(jù)接觸熱阻計(jì)算公式，求得設(shè)定壓力作用下第一試件71和第二試 件711之間的接觸熱阻。在兩個(gè)試件(長(zhǎng)度為h)上各取4個(gè)點(diǎn)，測(cè)量次數(shù)為1次，以第一試件71為例，設(shè)試件上各點(diǎn)到第一試件71上端部的距離為所測(cè)得的各點(diǎn)溫度為Ti,列表如下
依據(jù)均勻材料的熱傳導(dǎo)特性，可假設(shè)方程形式為S1 (y) = a0+aiy, 90{y) 1， 00 = ，根據(jù)曲線擬合的最小二乘法公式，即 故 由式(1)得 由上式推導(dǎo)出
再由Sjy) = a。+aiy可得
同理可得 將界面處坐標(biāo)h代入上述兩式可得Ts (h)、Tx (h)，由此求得界面處的溫差Δ T為，Δ T = Ts (h) -Tx (h)(4)再由測(cè)溫?zé)犭娕妓鶞y(cè)得的銅塊上兩個(gè)溫度值分別為Tcul和Tcu2，
(5)有導(dǎo)熱基本定律，可知垂直導(dǎo)過等截面的熱流密度
(6)式中負(fù)號(hào)表示熱流密度與溫度梯度的方向相反，萬是該點(diǎn)等溫線上的法向單位矢
AT
量，指向溫度升高的方向，-為熱流密度矢量，λ為熱導(dǎo)率，——為物體沿X方向的溫度梯
qΔλ
度，即溫度變化率。由上述導(dǎo)熱基本定律得
(7)式中q為通過試件的熱流密度，λ cu為銅塊的標(biāo)定導(dǎo)熱系數(shù)，Δ L為銅塊兩個(gè)測(cè)溫 點(diǎn)的距離。最后根據(jù)接觸熱阻計(jì)算公式 得出接觸熱阻R。除此之外，根據(jù)導(dǎo)熱基本定律，還可測(cè)得試件的導(dǎo)熱率 , qxAL, A777 =(10)式中Δ L1為第一試件71上兩個(gè)相臨測(cè)溫點(diǎn)之間的距離，Δ Ta為第一試件71兩個(gè) 相臨測(cè)溫點(diǎn)之間溫度差；Δ L2為第二試件711上兩個(gè)相臨測(cè)溫點(diǎn)之間的距離，Δ Tb為第二 試件711兩個(gè)相臨測(cè)溫點(diǎn)之間的溫度差。
實(shí)施例二(如圖5所示)與實(shí)施例一不同之處在于該例控制試件材料一致和試件表面粗糙度Ra保持一 定值，改變壓力機(jī)所提供之壓力P (壓力設(shè)定范圍依據(jù)材料力學(xué)性能而定)和試件表面所取 各點(diǎn)的溫度值T，然后通過計(jì)算得出各個(gè)壓力P和溫度值T下的接觸熱阻R，通過擬合得出 方程R = f (q，P)，最后通過列表得出在試件材料和試件表面粗糙度Ra —致的條件下接觸 熱阻R、壓力P和熱流q三者間的三維關(guān)系。實(shí)施例三與實(shí)施例一和實(shí)施例二不同之處在于該例控制試件材料一致和壓力P保持一定 值，改變?cè)嚰砻嫠「鼽c(diǎn)的溫度值T和試件表面的粗糙度Ra，然后通過計(jì)算得出各個(gè)溫 度值T和粗糙度Ra下的接觸熱阻R，通過擬合得出方程R = f (Ra, P)，最后通過列表得出在 試件材料一致和壓力P保持定值的條件下接觸熱阻R、熱流q和粗糙度Ra三者間的三維關(guān) 系。實(shí)施例四與實(shí)施例一、實(shí)施例二和實(shí)施例三不同之處在于該例使兩個(gè)試件材料不一致和 保持試件表面粗糙度Ra不變，改變壓力機(jī)所提供之壓力P和新試件表面所取各點(diǎn)的溫度值 T，然后通過計(jì)算得出各個(gè)壓力P和溫度值T下的接觸熱阻R，通過擬合得出方程R = f (q， P)，最后通過列表得出在新試件材料一致和試件表面粗糙度Ra不變的條件下接觸熱阻R、 壓力P和熱流q三者間的三維關(guān)系。實(shí)施例五與實(shí)施例一、實(shí)施例二、實(shí)施例三和實(shí)施例四不同之處在于該例使試件材料不一 致和保持壓力P不變，改變新試件表面所取各點(diǎn)的溫度值τ和新試件表面的粗糙度Ra，然 后通過計(jì)算得出各個(gè)溫度值T和粗糙度Ra下的接觸熱阻R，通過擬合得出方程R = f (Ra， P)，最后通過列表得出在新試件材料一致和壓力P保持定值的條件下接觸熱阻R、熱流q和 粗糙度Ra三者間的三維關(guān)系。
權(quán)利要求
一種機(jī)械壓力作用下接觸熱阻測(cè)量裝置，其特征在于，所述機(jī)械壓力作用下接觸熱阻測(cè)量裝置放置于壓力機(jī)(10)中，該接觸熱阻測(cè)量裝置的外層設(shè)置一個(gè)圓筒式絕熱層(2)，絕熱層(2)放置在兩個(gè)減震緩沖裝置(II)上，絕熱層(2)內(nèi)放置第一試件(7I)和第二試件(7II)，第一試件(7I)頂部放置有加熱裝置(I)，第二試件(7II)露出絕熱層(2)的一部分放置在水槽(4)內(nèi)，減震緩沖裝置(II)橫跨于水槽(4)上，在第一試件(7I)和第二試件(7II)柱身上設(shè)置多個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕?1)，熱電偶(1)連接到集成式數(shù)采測(cè)試儀(5)，集成式數(shù)采測(cè)試儀(5)、壓力機(jī)(10)與電腦(6)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械壓力作用下接觸熱阻測(cè)量裝置，其特征在于，所述 的加熱裝置(I)包括標(biāo)定的銅塊(8)、鋼片(9)、石棉層(11)、電阻絲(12)和云母片(15)； 標(biāo)定的銅塊(8)的凹槽中順序放置有云母片(15)和電阻絲(12)，標(biāo)定的銅塊(8)上放置有 鋼片(9)，鋼片(9)上放置石棉層(11)，標(biāo)定的銅塊⑶上設(shè)置有兩個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕?1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械壓力作用下接觸熱阻測(cè)量裝置，其特征在于，所述 的第一試件(71)、第二試件(711)和絕熱層(2)上設(shè)置相應(yīng)位置的小孔，測(cè)溫?zé)犭娕?1)穿 過絕熱層(2)插在第一試件(71)和第二試件(711)上，標(biāo)定的銅塊(8)上也設(shè)置兩個(gè)小孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種機(jī)械壓力作用下接觸熱阻測(cè)量裝置，其特征在于， 所述的減震緩沖裝置(II)為兩個(gè)，分別設(shè)置在沿水槽(4)方向的絕熱層(2)兩邊，減震緩 沖裝置(II)包括彈簧(3)、支架(13)和套筒(14)，彈簧(3)設(shè)置在套筒(14)內(nèi)，支架(13) 套在套筒(14)夕卜。
5.一種機(jī)械壓力作用下接觸熱阻測(cè)量方法，其特征在于，所述測(cè)量方法是集成式數(shù)采測(cè)試儀(5)、壓力機(jī)(10)與電腦(6)相連接，分別傳輸并顯示試件(71、 711)測(cè)試點(diǎn)的溫度和壓力機(jī)(10)上的工作壓力；把第二試件(711)和第一試件(71)順序 裝入絕熱層(2)內(nèi)，用壓力機(jī)(10)對(duì)第一試件(71)和第二試件(711)進(jìn)行預(yù)壓，然后使壓 力機(jī)(10)的輸出壓力保持設(shè)定值(壓力設(shè)定范圍依據(jù)材料力學(xué)性能而定)，水槽(4)中流 過室溫的水，采用220V電壓，電阻絲(12)通電發(fā)熱，達(dá)到熱傳遞穩(wěn)定后，用集成式數(shù)采測(cè)試 儀(5)測(cè)量標(biāo)定的銅塊(8)、第一試件(71)和第二試件(711)上測(cè)試點(diǎn)的溫度值，并將在第 一試件(71)和第二試件(71 I)上所測(cè)得的各點(diǎn)的溫度進(jìn)行線性回歸，把回歸值分別外推 到第一試件(71)和第二試件(711)的接觸界面處，得到第一試件(71)和第二試件(711)在 接觸界面處的溫度值，將接觸界面處的兩個(gè)溫度值進(jìn)行相減得到接觸界面處的溫降；然后 由標(biāo)定的銅塊⑶上所測(cè)得的兩點(diǎn)溫度，根據(jù)導(dǎo)熱基本定律求得通過第一試件(71)和第二 試件(711)的熱流密度，最后根據(jù)接觸熱阻計(jì)算公式，求得設(shè)定壓力作用下第一試件(71) 和第二試件(711)之間的接觸熱阻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機(jī)械壓力作用下接觸熱阻的測(cè)量裝置及測(cè)量方法。通過集成式數(shù)采測(cè)試儀和熱電偶測(cè)得設(shè)定壓力作用下標(biāo)定的銅塊、第一試件(7I)和第二試件(7II)上測(cè)試點(diǎn)的溫度值，并將在每個(gè)試件上所測(cè)得的溫度進(jìn)行直線回歸，把回歸值分別外推到接觸界面處，得到試件在接觸界面處的溫度值，將接觸界面處的兩個(gè)溫度值進(jìn)行相減得到接觸界面處的溫降；由標(biāo)定的銅塊上所測(cè)得的兩點(diǎn)溫度，根據(jù)導(dǎo)熱基本定律計(jì)算得到通過試件的熱流密度；然后根據(jù)接觸熱阻計(jì)算公式，求得設(shè)定機(jī)械壓力作用下第一試件(7I)和第二試件(7II)的接觸熱阻。
文檔編號(hào)G01N25/20GK101887041SQ201010205070
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者吳登倍, 徐曉亮, 章梓茂, 翟秀慧, 黃海明 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)