CN1624466A - 测量导热系数的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量导热系数的装置，该装置包括一封闭的绝热装置，其内可容纳有热源，二金属块，待测样品，一冷却装置等。其中，该绝热装置是由碳纳米管有序排列分散于氧化铝陶瓷基体材料中。该等碳纳米管是垂直于热量传递的方向排布，利用碳纳米管径向不导热的特性，使得传递至碳纳米管的热量反射回去，提高测量装置的绝热性能，使得热量仅能向预定方向传递，可提高最终测量精度，且无需填充其它绝热材料，方便使用及检修。

Description

测量导热系数的装置

【技术领域】

本发明是关于材料导热系数的测量装置，特别是关于具有良好绝热效果的测量导热系数的装置。

【背景技术】

在开发功能材料过程中，经常需要对材料的导热性能进行测量，特别是导热材料，其导热系数影响最终产品的导热性能。在电子设备散热器的设计过程中，需要预先计算、模拟其散热性能，精确测量导热材料的导热系数成为设计成功的关键所在。

目前测量材料的导热系数主要有以下二种方法：

第一种方法是激光闪烁法，该方法采用高能激光作为热源，短时间内迅速将一定热量沉积在样品的表面，并测量样品另一表面的温度变化，测得样品的热扩散率，再通过公式计算得出该样品材料的导热系数。该方法测量仪器昂贵，成本较高，且因材料的密度变化使得测量的误差较大。

第二种方法是温度梯度法，该方法将待测样品置于一热源与一低温热沉之间，测量其间形成的温度梯度，从而计算得到材料的导热系数。该方法较为简单，易操作，易实现。

理想状态下，热源的所有热量应通过待测样品传递至低温热沉，但实际上不可避免会有一部份热量从其它方向散发，从而导致测量误差。所以，上述方法的测量精度主要取决于测量设备所用绝热层的绝热性能，一般绝热层会使用绝热材料，如氧化铝陶瓷等，将热源与外界环境隔绝，尽量减少热量损失。但是，部份热量仍会通过氧化铝陶瓷向外传导。

请参见图7，2000年9月20日公告的中国专利第93115076.0号揭露一种测量材料导热系数的方法及其装置。该装置9包括外壳13，其内填充有绝热材料形成一绝热罩14；一热源15，其功率为P；一加热盘10，其面积为S，是紧贴热源15设置；待测材料12，其厚度为L，其一表面与加热盘10表面紧密接触，另一表面与一受热盘11紧密接触；加热盘10与受热盘11分别设置有一温度传感器16，用以分别感测加热盘10与受热盘11的温度。为提高测量精度，加热盘10与受热盘11的径向尺寸需远远大于待测材料12的厚度L。

测量待测材料12的导热系数时，仅需利用温度传感器16分别测得加热盘10及受热盘11的温度T1及T2，并将待测材料12的厚度L、加热盘10的面积S、热源15的功率P代入导热方程式：

P＝kS(T1-T2)/L

即可得出导热系数k值。其中，热源15可为电加热，则其功率P可用P＝IV求得，I为流过热源15的电流，V为热源15的电压。

上述专利揭露的方法及装置使用方便，测量成本亦较低，然而，这种装置需将绝热材料填充外壳13里面以形成于绝热罩14，并将热源15、温度传感器16及加热盘10预先包覆于绝热罩14内以防止热量散失，这种设计不利于热源15及温度传感器16的安装、检修；且现有技术的绝热材料如氧化铝陶瓷，其绝热性能仍有不足，不能满足更高测量精度的要求。

有鉴于此，提供一种易操作、绝热性优良且测量精度更高的测量导热系数的装置实为必要。

【发明内容】

为克服现有技术的上述缺点，本发明的目的在于提供一种易操作、绝热性优良的测量导热系数的装置。

本发明测量导热系数的装置包括：一用以产生热量的热源；一第一金属块，紧贴热源设置；一待测样品，紧贴该第一金属块设置；一第二金属块，紧贴该待测样品设置；一冷却装置；多个温度传感器，用以测量该第一、第二金属块的温度；一绝热装置，其形成有一内部空间，上述热源、两金属块、待测样品及冷却装置可容纳于该内部空间；另外，一压力器可施加预定压力将容纳于内部空间的组件压紧；其中，该绝热装置是由碳纳米管有序排列分散于氧化铝陶瓷基体材料中，且碳纳米管是垂直热量传递的方向排列。

相对于现有技术，本发明利用碳纳米管径向不导热的特性，使得传递至碳纳米管的热量反射回去，提高测量装置的绝热性能，使得热量仅能向预定方向传递，可提高最终测量精度；且无需填充其它绝热材料，方便使用及检修。

【附图说明】

图1是本发明测量导热系数的装置的立体示意图。

图2是本发明测量导热系数的装置的内部结构示意图。

图3是本发明测量导热系数的装置的方形侧壁示意图。

图4是本发明测量导热系数的装置的方形侧壁示意图。

图5是本发明测量导热系数的装置的圆柱形侧壁示意图。

图6是热电偶测得铜金属的温度与距离的关系图。

图7是现有技术测量导热系数的装置的示意图。

【具体实施方式】

下面结合说明书附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

请一起参阅图1及图2，本发明测量导热系数的装置第一实施方式的立体示意图及其内部结构示意图。该测量装置包括一绝热装置100，该绝热装置100是一方形结构，由保温层110围合而成，顶端具有一可上下移动的顶盖115，该顶盖115也具保温效果；另外，顶盖115上方设置一压力器200，用以施加一标准压力至该顶盖115。

本实施方式的绝热装置100，其保温层110包括四侧壁114及一底壁116，一起围合形成一具有开口的方形内部空间，顶盖115的形状与该开口形状相配，并可上下移动。一冷却装置140设置于该内部空间底部，即靠近该底壁116处。一铜块126、待测样品130及铜块124顺序堆垒在冷却装置140上，这样，使得待样品130夹在两铜块126、124之间。其中，上述两铜块126、124及待测样品具有相同截面积A，并且该截面尺寸远大于待测样品130的厚度H。一热源120设置于铜块124与顶盖115之间，而前述压力器200施加一标准压力至该顶盖115，将上述各组件紧压。

为减小界面热阻，铜块126与样品130的接触表面、及铜块124与样品130的接触表面均应抛光，使接触面平整光滑为佳。

上述侧壁114、底壁116及顶盖115均是由氧化铝陶瓷113及碳纳米管112形成的复合材料制成，该复合材料是以氧化铝陶瓷113为基体，碳纳米管112为填充物，经电浆烧结(spark-plasma sintering)而成。其中碳纳米管112是垂直于热传递方向排布，本实施方式中，碳纳米管112是垂直侧壁114、底壁116及顶盖115的厚度方向而排列，碳纳米管112的质量含量为5～10％。

碳纳米管112是由石墨层碳原子卷曲而成的管状材料，其直径一般为几纳米到几十纳米，可为连续排列，亦可不连续排列。碳纳米管112具有独特导热性能，其轴向导热性极优异，但径向不导热，当热量垂直碳纳米管112传递时，不会沿其径向传递，碳纳米管112将热量反射回去。所以，本发明使用的绝热装置100具有优良的绝热性能，较传统的氧化铝陶瓷具有更高绝热效果，可确保热源120产生的热量仅能沿铜块124向样品130方向传递，并且避免了热量在传递过程中透过侧壁114散发到绝热装置100外面。

请一起参见图3及图4，当上述复合材料制成方形的侧壁114、底壁116或顶盖115时，其中碳纳米管112可以有二种排布方式。第一种是沿x轴方向，即侧壁114宽度方向排布，第二种是沿y轴方向，即侧壁114长度方向排布。如此，当热量沿z轴方向，即侧壁114的厚度方向传递时，因碳纳米管112径向不导热特性，热量被反射回去，从而达到保温绝热的优异效果。

当然，因绝热装置100亦可为其它形状，如常用圆柱形测量装置来测量表面为圆形的样品，这种情况下，绝热装置100是由一圆柱形侧壁及圆形底壁及顶盖构成。

请参见图5，本发明第二实施例的圆柱形侧壁117的剖面示意图，其中碳纳米管119是沿圆柱的轴向方向排布，亦即垂直于圆柱的径向方向。圆柱形侧壁117需与圆形底壁(图未标示)及圆形顶盖(图未标示)配合使用，可由第一实施例的底壁116及顶盖115制成尺寸相配的圆形即可。当热量由圆柱内向外传递时，因碳纳米管119的径向不导热特性，将热量反射回去，从而达到保温绝热的优异效果。

请一并参见图2及图6，本发明测量导热系数的装置使用时，顺序将冷却装置116、铜块126、待测样品130、铜块124及热源120放入绝热装置100内部，并将顶盖115密合后，利用压力器200施加一标准压力至该顶盖115，其中该冷却装置116可包括冷却水管等，热源120可为电加热，如此在热源120与冷却装置116之间形成一温度梯度场。压力器200施加的压力一般为20～251bf范围内。

另外，在铜块124一侧面，距离样品130上表面a1、a2、a3距离处分别设置温度感测点D1、D2、D3，利用温度感测装置(图未标示)可测得此三点位置的温度T1、T2、T3，温度感测装置包括热电偶等。同样，在铜块126一侧面，距离样品130下表面s1、s2、s3距离处分别设置温度感测点M1、M2、M3，利用温度感测装置可测得该三点的温度T4、T5、T6。

根据傅利叶公式：

Q＝-kAΔT/ΔD

上式中A为样品130表面积，ΔD为热量流过样品130的距离，即样品130的厚度。要测得样品130的导热系数K值，需要先确定通过样品130的热通量Q值及其上下表面温度差：

ΔT＝Tlow-Tup

即上表面温度Tup及下表面温度Tlow的差值。

因绝热装置100的侧壁114及顶盖115不能传递热量，热量只能够从热源120向冷却装置116传递，且传递过程中没有热量散失。如此，从D3流至D2的热通量Q32、从D2流至D1的热通量Q21、流过样品的热通量Q、从M1流至M2的热通量Q12，以及从M2流至M3的热通量Q23均相等，如此仅需求得任何一个热通量即可得知样品130的热通量。而铜块124、126的导热系数k1为已知值，则根据傅利叶公式，可得流过铜块124、136的热通量值Q。

根据铜块124的各点温度呈线性关系，如图6所示，可由D3、D2、D1点的温度T1、T2、T3求得样品130上表面温度Tup，同理，由铜块126上三点M1、M2、M3的温度T4、T5、T6可求得样品下表面温度Tlow。将上述热通量及温度Tup及Tlow代入公式即可得出样品130导热系数。

所属领域人员应明白，本发明利用碳纳米管112的径向不导热性，使得绝热装置100绝热性能大为提高，使得热量仅能向预定方向传递，可提高最终测量精度；而热源120并不限于电加热，其它能够提供足够热量的方式均可适用，另外，冷却装置140亦不限于冷却水管，液氮等其它冷却方式亦可适用本发明，铜块124、126亦可用其它金属代替，其目的仅在于根据现有已知导热系数的材料来测得热通量及样品130表面温度Tup及Tlow。

Claims (10)

1.一种测量导热系数的装置，其包括：一热源，其可产生热量；一第一金属块，紧贴该热源设置；一待测样品，紧贴该第一金属块设置；一第二金属块，紧贴该待测样品设置；一冷却装置，紧贴于该第二金属块；及一绝热装置，其形成有一内部空间，上述热源、第一金属块、待测样品、第二金属块及冷却装置可容纳于该内部空间；其特征在于，该绝热装置包括复数碳纳米管，且该等碳纳米管是垂直于热量传递的方向排布。

2.如权利要求1所述的测量导热系数的装置，其特征在于该热源是电加热。

3.如权利要求1所述的测量导热系数的装置，其特征在于该第一金属块包括铜。

4.如权利要求1所述的测量导热系数的装置，其特征在于该第二金属块包括铜。

5.如权利要求1所述的测量导热系数的装置，其特征在于该第一金属块、第二金属块以及待测样品具有相同截面积。

6.如权利要求1所述的测量导热系数的装置，其特征在于该绝热装置是以氧化铝陶瓷作为基体材料，所述碳纳米管有序排列分散于所述基体材料中。

7.如权利要求6所述的测量导热系数的装置，其特征在于该绝热装置是将所述氧化铝陶瓷与所述碳纳米管经电浆绕结制成。

8.如权利要求6所述的测量导热系数的装置，其特征在于所述碳纳米管的质量含量为5～10％。

9.如权利要求1所述的测量导热系数的装置，其特征在于该装置进一步包括温度传感器，用以测量金属块的温度。

10.如权利要求1所述的测量导热系数的装置，其特征在于该装置进一步包括一可移动的顶盖及一压力器，该压力器可施加预定压力于该顶盖。

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