一種不同堆積狀態(tài)下顆粒體的導熱率測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種不同堆積狀態(tài)下顆粒體的導熱率測量裝置，底座和外殼構成導熱率測量裝置的殼體；壓板螺柱固定在所述底座上，用于提供施加堆積壓力時所需的支撐；壓板螺母與壓板螺柱配合，用于施加堆積壓力；壓板用于將壓力施加于堆積在保持架內(nèi)的顆粒體；壓力傳感器用于測量壓板作用于其下方的總壓力；主加熱器為圓形結構，輔助加熱器為與所述主加熱器同心的圓環(huán)形結構；加熱器和輔助加熱器放置在顆粒體頂部；保持架為具有一定高度的圓環(huán)形結構，其圓環(huán)內(nèi)部用于堆積顆粒體；冷卻器放置在底座上，用于控制堆積顆粒體底部的溫度。本發(fā)明可以有效地模擬顆粒體不同的堆積條件，消除了端面接觸熱阻。
【專利說明】
一種不同堆積狀態(tài)下顆粒體的導熱率測量裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于熱物理測量技術領域，特別是涉及一種不同堆積狀態(tài)下顆粒體的導熱率測量裝置。
【背景技術】
[0002]在材料導熱率測量領域，現(xiàn)在已經(jīng)有很多的測試方法。最常見的方法有保護熱板法、熱線法、同心管、同心球等方法。這些方法對于顆粒體導熱率的測量而言，都存在一定的弊端。例如，保護熱板法無法消除兩端接觸熱阻的影響，無法模擬不同氣氛條件下的導熱率;熱線法、同心圓管法和同心球法無法模擬不同堆積壓力條件下的導熱率，無法消除端面接觸熱阻的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提出一種不同堆積狀態(tài)下顆粒體的導熱率測量裝置，可以有效地模擬顆粒體不同的堆積條件，消除了端面接觸熱阻。
[0004]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種不同堆積狀態(tài)下顆粒體的導熱率測量裝置，其特征在于，包括底座、外殼、壓板螺柱、壓板螺母、壓板、壓力傳感器、主加熱器、輔助加熱器、冷卻器、保持架;所述底座和外殼構成所述導熱率測量裝置的殼體;所述壓板螺柱固定在所述底座上，用于提供施加堆積壓力時所需的支撐;所述壓板螺母與壓板螺柱配合，用于施加堆積壓力;所述壓板用于將壓力施加于堆積在保持架內(nèi)的顆粒體;所述壓力傳感器用于測量壓板作用于其下方的總壓力，位于與壓板與主加熱器之間；所述主加熱器為圓形結構，所述輔助加熱器為與所述主加熱器同心的圓環(huán)形結構；加熱器和輔助加熱器放置在顆粒體頂部;所述保持架為具有一定高度的圓環(huán)形結構，其圓環(huán)內(nèi)部用于堆積顆粒體;冷卻器放置在底座上，用于控制堆積顆粒體底部的溫度;在主加熱器的下表面和冷卻器的上表面，沿徑向分布若干熱電偶測溫點。
[0005]進一步，所述壓板為叉架狀板結構，其分叉與多個壓板螺柱相對應。
[0006]進一步，所述底座上設置有過孔。
[0007]進一步，包括多個保持架，保持架的底部和頂部分別設置有陰陽凸緣，用于多個保持架上下重疊時穩(wěn)固地相互拼接在一起;最下方的保持架的凸緣與冷卻器的外緣配合。
[0008]進一步，使用步驟為:
[0009]步驟一，調(diào)整好保持架的重疊高度，向保持架內(nèi)堆填顆粒體，堆填完畢并鋪平后，在顆粒體正上方放置主加熱器，在主加熱器外套上輔助加熱器;在主加熱器上方放置壓力傳感器并蓋上壓板；
[0010]步驟二，旋轉壓板螺母，控制壓板壓力的大小，通過壓力傳感器測量壓力值，同時測量顆粒體堆積體的高度；
[0011 ]步驟三，罩上外殼，調(diào)整測量裝置內(nèi)部的氣氛環(huán)境；
[0012]步驟四，開啟冷卻器、主加熱器和輔助加熱器，當冷卻器和主加熱器上的熱電偶測溫點的溫度均與設定工況的溫度一致時，記錄冷卻器、主加熱器和輔助加熱器的工作功率；
[0013]步驟五，根據(jù)所述溫度和工作功率計算熱阻；
[0014]步驟六，通過增加或者減少保持架的數(shù)量調(diào)整顆粒體堆積體的體積，然后重復步驟一至五;多次重復步驟六，獲得多組量顆粒體堆積體的高度值和熱阻值；
[0015]步驟七，使用最小二乘法擬合所述多組量顆粒體堆積體的高度值和熱阻值獲得兩個接觸端面的熱阻值；
[0016]步驟八，通過控制壓板螺母的壓緊程度，改變所施加的壓力大小，重復步驟一至七，獲得不同的單位長度的熱阻值，再進行曲線擬合獲得壓力大小與熱阻之間的關系。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點在于:
[0018]1、本發(fā)明加熱裝置采用同心的雙加熱器結構，外圈加熱器是保護用加熱器，彌補徑向的熱量散失。測量時，通過調(diào)節(jié)外圈的加熱功率，使得內(nèi)圓徑向上的溫度梯度足夠小，即可認為沒有熱量散失。
[0019]2、為了控制測量裝置的體積和重量，同時方便裝裝填待測材料，采用了多段保持架結構，而非在熱板兩側對稱布置待測材料。
[0020]3、密封的外殼可以保證各種需要的氣體或真空環(huán)境，施壓裝置可以可控地提供一定的壓力，這兩種裝置能夠有效地模擬顆粒體不同的堆積條件。
【附圖說明】
[0021]圖1是不同堆積狀態(tài)下顆粒體的導熱率測量裝置的結構示意圖。
[0022]圖2是主加熱器和冷卻器上的熱電偶分布示意圖。
[0023]圖3是使用本發(fā)明進行導熱率測量時最小二乘擬合結果示意圖。
【具體實施方式】
[0024]容易理解，依據(jù)本發(fā)明的技術方案，在不變更本發(fā)明的實質(zhì)精神的情況下，本領域的一般技術人員可以想象出本發(fā)明不同堆積狀態(tài)下顆粒體的導熱率測量裝置的多種實施方式。因此，以下【具體實施方式】和附圖僅是對本發(fā)明的技術方案的示例性說明，而不應當視為本發(fā)明的全部或者視為對本發(fā)明技術方案的限制或限定。
[0025]結合附圖，本發(fā)明不同堆積狀態(tài)下顆粒體的導熱率測量裝置包括如下部件:
[0026]外殼I，外殼I為一個一端封閉的殼體結構，用于在導熱率測量過程中阻隔外部氣體對測量結果的干擾。
[0027]壓板螺柱2，壓板螺柱2為一長螺柱，固定在底座8上，用于提供施加堆積壓力所需的支撐。
[0028]壓板螺母3，與壓板螺柱配合，用于施加堆積壓力。
[0029]壓板4，為一叉架狀板，用于將壓力施加于整個實驗段。
[0030]輔助加熱器5，一個與主加熱器同心的環(huán)形加熱裝置，用來提供輔助熱流，保證主加熱器的熱流流向與待測材料6上下軸線平行。
[0031]待測材料6，為需要測量導熱率的顆粒體，其在測量裝置內(nèi)堆積為圓柱狀，置于主加熱器10和冷卻器中間，上下表面分別緊貼加熱器和冷卻器。
[0032]冷卻器7，為圓形換熱器，其內(nèi)部通冷卻水或冷卻油?？刂拼郎y材料底部的溫度，以便測量不同溫度區(qū)間內(nèi)的材料導熱率。
[0033]底座8，一個圓形底板，用以支承整個實驗裝置，同時與外殼I一起構成封閉空間，防止內(nèi)外部氣體交換。底座8上設置有過孔，用于測量線的引出、氣栗的連接和冷卻液的循環(huán)。
[0034]保持架9，保持架9為具有一定高度的圓環(huán)形結構，其圓環(huán)內(nèi)部用于堆積待測材料
6。保持架9的底部和頂部分別有陰陽凸緣，用于多個保持架9上下重疊時可以穩(wěn)固地相互拼接在一起。使用時，可以根據(jù)待測材料6的多少來確定保持架9重疊的個數(shù)，從而在多個保持架9內(nèi)部形成相應體積的堆積容量，用于防止待測材料向四周散落。最下方的保護圈凸緣和冷卻器外緣配合，坐于冷卻器上。
[0035]主加熱器10，一個圓形的加熱裝置，實驗中位于待測材料的上方，輔助加熱器的內(nèi)偵U，用以提供實驗中被測量的主要加熱功率。
[0036]壓力傳感器11，圓形的測量裝置，位于壓板4和主加熱器10之間，用于測量壓板4作用于下方的總壓力。
[0037]在主加熱器10的下表面和冷卻器7的上表面，沿徑向分布若干熱電偶測溫點，用于測量主加熱器10和冷卻器7的溫度。
[0038]本發(fā)明不同堆積狀態(tài)下顆粒體的導熱率測量裝置的使用過程如下:
[0039]1、根據(jù)需要測量導熱率的顆粒材料的體積，調(diào)整保持架9的重疊高度，使之略長于待測顆粒材料的堆積厚度。
[0040]2、向保持架9內(nèi)填顆粒材料，堆完鋪平后，在顆粒材料正上方放置主加熱器10，在主加熱器10外套上輔助加熱器5。
[0041]3、在加熱器上方放置壓力傳感器11并蓋上壓板4，通過旋緊壓板4上部的壓板螺母3，控制施加壓力的大小，壓力通過壓力傳感器11輸出顯示在計算機上，同時通過測量壓板4頂部高度，計算壓緊后待測物料的厚度LI。
[0042]4、罩上外殼I，通過真空栗或者氣瓶控制測量裝置內(nèi)部的氣氛環(huán)境。
[0043]5、啟動冷卻板循環(huán)栗，讓冷卻水通入冷卻器7，再打開主、輔加熱器的電源進行加熱。
[0044]6、通過調(diào)整主加熱器、輔助加熱器以及冷卻栗的功率，使得沿著徑向分布的熱電偶測溫點a、b、c、d、e的溫度均與設定工況的溫度一致。如圖2所示，黑點為熱電偶測點位置，黑線為測量線槽。
[0045]7、調(diào)整完畢后，等待溫度穩(wěn)定，記錄溫度數(shù)據(jù)和對應的加熱器和冷卻第的功率，以此求得此時的熱阻Rl。
[0046]8、通過增加或者減少保持架9的數(shù)量，調(diào)整待測顆粒體的體積，然后重復步驟I至7，獲得L2、L3……與R2、R3……。
[0047]9、如圖3所示，用最小二乘法擬合L1、L2、L3……與R1、R2、R3……，擬合結果中，直線的斜率為單位長度顆粒體圓柱的熱阻，與R軸的交點即為兩個接觸端面的接觸熱阻。
[0048]10、通過控制壓板螺母的壓緊程度，改變所施加的壓力大小，重復I至9過程，可以獲得不同的單位長度熱阻，再以合適的方式進行曲線擬合，就能獲得壓力大小與熱阻之間的關系。
【主權項】
1.一種不同堆積狀態(tài)下顆粒體的導熱率測量裝置，其特征在于，包括底座(8)、外殼(I)、壓板螺柱(2)、壓板螺母(3)、壓板(4)、壓力傳感器(11)、主加熱器(10)、輔助加熱器(5)、冷卻器(7)、保持架(9); 所述底座(8)和外殼(I)構成所述導熱率測量裝置的殼體； 所述壓板螺柱(2)固定在所述底座(8)上，用于提供施加堆積壓力時所需的支撐； 所述壓板螺母(3)與壓板螺柱(2)配合，用于施加堆積壓力； 所述壓板(4)用于將壓力施加于堆積在保持架(9)內(nèi)的顆粒體； 所述壓力傳感器(11)用于測量壓板(4)作用于其下方的總壓力，位于與壓板(4)與主加熱器(10)之間； 所述主加熱器(10)為圓形結構，所述輔助加熱器(5)為與所述主加熱器(10)同心的圓環(huán)形結構;主加熱器(10)和輔助加熱器(5)放置在顆粒體頂部； 所述保持架(9)為具有一定高度的圓環(huán)形結構，其圓環(huán)內(nèi)部用于堆積顆粒體； 冷卻器(7)放置在底座(8)上，用于控制堆積顆粒體底部的溫度； 在主加熱器(10)的下表面和冷卻器(7)的上表面，沿徑向分布若干熱電偶測溫點。2.如權利要求1所述導熱率測量裝置，其特征在于，所述壓板(4)為叉架狀板結構，其分叉與多個壓板螺柱(2)相對應。3.如權利要求1所述導熱率測量裝置，其特征在于，所述底座(8)上設置有過孔。4.如權利要求1所述導熱率測量裝置，其特征在于，包括多個保持架(9)，保持架(9)的底部和頂部分別設置有陰陽凸緣，用于多個保持架(9)上下重疊時穩(wěn)固地相互拼接在一起；最下方的保持架(9)的凸緣與冷卻器(7)的外緣配合。5.如權利要求1所述導熱率測量裝置，其特征在于，使用步驟為: 步驟一，調(diào)整好保持架(9)的重疊高度，向保持架(9)內(nèi)堆填顆粒體，堆填完畢并鋪平后，在顆粒體正上方放置主加熱器(10)，在主加熱器(10)外套上輔助加熱器(5);在主加熱器(10)上方放置壓力傳感器(11)并蓋上壓板(4); 步驟二，旋轉壓板螺母(3)，控制壓板(4)壓力的大小，通過壓力傳感器(11)測量壓力值，同時測量顆粒體堆積體的高度； 步驟三，罩上外殼(I)，調(diào)整測量裝置內(nèi)部的氣氛環(huán)境； 步驟四，開啟冷卻器(7)、主加熱器(10)和輔助加熱器(5)，當冷卻器(7)和主加熱器(10)上的熱電偶測溫點的溫度均與設定工況的溫度一致時，記錄冷卻器(7)、主加熱器(10)和輔助加熱器(5)的工作功率； 步驟五，根據(jù)所述溫度和工作功率計算熱阻； 步驟六，通過增加或者減少保持架(9)的數(shù)量調(diào)整顆粒體堆積體的體積，然后重復步驟一至五;多次重復步驟六，獲得多組量顆粒體堆積體的高度值和熱阻值； 步驟七，使用最小二乘法擬合所述多組量顆粒體堆積體的高度值和熱阻值獲得兩個接觸端面的熱阻值； 步驟八，通過控制壓板螺母(3)的壓緊程度，改變所施加的壓力大小，重復步驟一至七，獲得不同的單位長度的熱阻值，再進行曲線擬合獲得壓力大小與熱阻之間的關系。
【文檔編號】G01N25/20GK106093113SQ201610692192
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月19日 公開號201610692192.6, CN 106093113 A, CN 106093113A, CN 201610692192, CN-A-106093113, CN106093113 A, CN106093113A, CN201610692192, CN201610692192.6
【發(fā)明人】周文翰, 朱曙光, 張后雷, 劉心志
【申請人】南京理工大學連云港研究院