[发明专利]一种棒体材料导热系数测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于导热系数测量技术领域，具体来说，是一种基于稳态法的棒体材料导热系数测量装置及测量方法。

背景技术

导热系数是描述材料导热性能的重要参数，对工程热设计有重要作用，因此准确地测量导热系数一直是传热领域研究的重要课题。导热系数的测试方法有很多，美国普渡大学热物理性能研究中心(Thermal Physical Research Center of Purdue University)的CINDAS对各种方法做过归纳，根据导热过程的宏观机理可分为稳态法和非稳态法。其中稳态法由于可以得到可靠的结果且计算简单是目前应用广泛的测定方法。稳态法测定的一般过程为：在待测试样一端加热，另一端冷却，同时进行隔热处理，形成近似的一维导热模型来测量材料的导热系数。但当对导热系数较小或测量段长度较长的材料进行导热系数测量时，材料周向隔热是稳态导热系数测试中必须关注的问题，其效果会影响测量精度。

通常采用比较法测量试验中通过待测材料的热流量，即将已知导热系数的标准试样和待测试样串连在一起，使得通过标准试样的热流密度与待测试样相同，再通过测定等温面间的温差和相关的几何尺寸得到材料的导热系数。这种方法中，隔热方法通常采用真空防辐射隔热和保温材料隔热两种，真空隔热结构较复杂，成本较高；保温材料隔热由于材料绝热性能有限，材料本身也有吸热，在被测材料冷热两端温差较大时隔热效果很差，可能会导致测试结果不正确；且目前采用的比较法测量试验中，不易安排和匹配热保护加热器，使得隔热结构的隔热效果不佳，增大了热损失，降低了测试精度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种用来测量棒体材料导热系数的测量装置及测量方法，通过在传统的稳态法导热系数测试装置中加入热保护加热器以及主动热控部分，从而提高隔热结构的隔热效果，减小热损失，提高测试精度。

本发明一种棒体材料导热系数测量装置，包括装置部分与监测控制部分；装置部分用来安装待测棒体材料，通过监控部分实现待测棒体材料导热系数的测量。

其中，装置部分包括隔热结构、安装平台、主加热器、热保护组件、散热器与制冷器；在安装平台上设置有顶部封闭的筒状隔热结构；隔热结构底端面与安装平台贴合，使隔热结构内部形成密封的用来放置待测棒体材料与标准试样的空腔；隔热结构内部顶面上固定安装有主加热器，主加热器用来对待测棒体材料高温端加热；主加热器的加热面上安装有加热垫片，用来将主加热器产生的热量在加热垫片底面形成均一的温度，使待测棒体材料上部体积内热流均匀；制冷器固定安装在安装平台上，制冷器与隔热结构内部顶面相对，制冷器通过安装在安装平台底面上的散热片进行散热。

所述热保护组件包括辅加热器和热保护垫片；热保护垫片为筒状结构，设置在隔热结构内部周向上，热保护垫片顶端面与待测棒体材料高温端的测温点所在水平平面共面，底端面与待测棒体材料低温端的测温点所在水平平面共面；所述待测棒体材料高温端的测温点与待测棒体材料低温端的测温点均选取在待测棒体材料外壁周向上；热保护垫片外壁上安装有辅加热器。

所述监控部分包括控制模块、可控硅调功模块、温度采集模块、监测模块与控制。其中，控制模块用来向可控硅调功模块发送主加热器与辅加热器的功率控制信号，从而控制可控硅调功模块调节主加热器与辅加热器的输出功率；所述温度采集模块实时采集待测棒体材料与标准试样上的各测温点的温度数据，并通发送给监测模块；监控模块用来对接收的温度数据进行显示、保存，且根据测量装置整体达到热平衡时接收到的各个测温点的温度数据，以及在监测模块中输入的环境温度与主加热器额定功率得出待测棒体材料的导热系数。

基于上述导热系数测量装置的测量方法，其特征在于：通过下述步骤来完成：

步骤1：设置待测棒状材料与标准试样；

将待测棒状材料放置在隔热结构内部，将一个导热系数已知且与待测棒体材料横截面均相同的标准试样置于待测棒体材料下部；标准试样的长度可以与待测棒体材料长度相同，且标准试样的导热系数与待测棒体材料的导热系数间相差1个数量级范围内；待测棒体材料高温端紧贴加热垫片，低温端与标准试样高温端贴合，标准试样低温端与安装平台上的制冷器贴合；将隔热结构底端与安装平台固定。

步骤2：装置部分与监控部分的连接；