DE68926356T2

DE68926356T2 - Vorrichtung zur Messung der thermischen Konduktivität

Info

Publication number: DE68926356T2
Application number: DE68926356T
Authority: DE
Inventors: Yoshiki Tsuchida
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1988-01-18
Filing date: 1989-01-18
Publication date: 1996-11-14
Anticipated expiration: 2009-01-19
Also published as: EP0325430A3; EP0325430A2; EP0325430B1; US4929089A; DE68926356D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit, die für das Messen der Wärmeleitfähigkeit von verschiedenen Materialien, die Wärmedämm- und Wärmehaltematerialien, usw. umfassen, bei einem gleichbleibenden Wärmestrom eingesetzt wird.

BISHERIGER STAND DER TECHNIK

Im allgemeinen ist die Wärmeleitfähigkeit der verschiedenen Materialien, die als Wärmedämm- und Wärmehaltematerialien eingesetzt werden, nicht gleichbleibend, sondern variiert entsprechend ihrer Temperatur. Ihre Wärmeleitfähigkeit nimmt mit dem Anstieg ihrer Temperatur zu, d. h., es wird für sie leicht, die Wärme zu leiten. Das bedeutet, daß, wenn die Wärmeleitfähigkeit eines Materials, das bei Temperaturen über 1000ºC eingesetzt wird, ermittelt werden soll, die Messung seiner Wärmeleitfähigkeit dann dadurch vorgenommen werden muß, daß es tatsächlich bis auf seine Betriebstemperatur erwärmt wird.
Ein konventionelles Verfahren für die Messung der Wärmeleitfähigkeit wird im ASTM c-177-85, usw. aufgeführt, und es wird beispielsweise in Fig. 18 gezeigt. Diese konventionelle Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit ist ausgestattet mit: einem Hauptheizkörper b und einem Hilfsheizkörper c, die entsprechend im oberen und im unteren Abschnitt des wärmeisolierten Gehäuses a angeordnet sind, wobei die Heizkörper einen gleichbleibenden nach unten gerichteten Wärmestrom um das Gehäuse a erzeugen; und einem Wärmestrommesser d, der im oberen Abschnitt des Hilfsheizkörpers c angeordnet ist, wobei dessen Platte für die Messung der Wärmestrommenge des gleichbleibenden Wärmestromes ausgelegt ist.
Im allgemeinen wird eine Vorrichtung verwendet, deren Wärmestrommesser d einen Strömungsweg für das Gas in spiralförmiger Form enthält, durch den das Wärmemeßgas hindurchgeht. Indem eine vorgeschriebene Menge des Wärmemeßgases, das auf eine vorgeschriebene Temperatur erwärmt ist, den Strömungsweg passiert, wird die Menge der aufgenommenen Wärme aus dem Temperaturanstieg und der Durchflußgeschwindigkeit des Wärmemeßgases berechnet.
Bei der konventionellen Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit, die so aufgebaut ist, wie vorangehend beschrieben wird, wird im Gehäuse a ein thermischer Gleichgewichtszustand mittels des Hauptheizkörpers b und des Hilfsheizkörpers c dadurch erzeugt, daß ein Prüfkörper S, dessen Wärmeleitfähigkeit gemessen werden soll, in der Mitte des Gehäuses a angeordnet wird, und indem genormte Wärmeübergangsplatten S&sub1; und S&sub2; mit einer bekannten Wärmeleitfähigkeit oberhalb und unterhalb des Prüfkörpers angeordnet werden. Der Temperaturgradient, der als Linie B angezeigt wird, wird auf diese Weise über den Prüfkörper S und die genormten Wärmeübergangsplatten S&sub1; und S&sub2; gebildet. Die Wärmeleitfähigkeit des Prüfkörpers S bei einer speziellen Temperatur wird aus der Temperaturdifferenz, die mit Hilfe der Thermometer e&sub1; und e&sub2; zwischen der oberen und der unteren Oberfläche des Prüfkörpers S im gleichbleibenden Zustand gemessen wird, während die mittlere innere Temperatur des Prüfkörpers S auf der zu messenden Temperatur gehalten wird, und aus der Wärmemenge berechnet, die mittels des Wärmestrommessers d bei einem gleichbleibenden Wärmestrom gemessen wird, d. h., der Menge des Wärmestromes durch den Prüfkörper S.
Wenn der Wärmestrom, der mittels des Wärmestrommessers gemessen wird, gleich Q (kcal/h) ist, die Wärmeleitfähigkeit des Prüfkörpers S gleich λ (kcal/m·h·Grad) ist, der Abstand von der Oberfläche des Prüfkörpers S zum inneren Abschnitt dieses gleich z (m) ist, die wirksame Querschnittsfläche des Prüfkörpers S gleich A (m²) ist und die Temperaturen der oberen und der unteren Oberfläche θ&sub1; und θ&sub2; (ºC) sind, dann wird folglich der folgende Ausdruck erhalten:
Q = (λ/t) · A (θ&sub1; - θ&sub2;)
Aus dieser Gleichung kann die Wärmeleitfähigkeit λ wie folgt ermittelt werden:
λ = Q · t/A(θ&sub1; - θ&sub2;) (1)
Die genormten Wärmeübergangsplatten S&sub1; und S&sub2; dienen nicht nur dazu, den Prüfkörper S auf einer hohen Temperatur zu halten, sondern ebenfalls dazu, den gemessenen Wert zu bestätigen und, wenn erforderlich, zu korrigieren, indem die Wärmeleitfähigkeit, die aus derartigen Temperaturen der Oberfläche ermittelt wird, und die vorangehend erwähnte Menge des Wärmestromes Q mit den bekannten Werten der Wärmeleitfähigkeit für S&sub1; und S&sub2; verglichen werden. Das Symbol g verkörpert die Heizkörper für die Kompensation der Wandtemperatur, was die Temperatur der Oberfläche des Gehäuses a so steuert, daß der Temperaturgradient des Gehäuses mit dem Temperaturgradienten im Gehäuse a übereinstimmt, um einen Wärmeübergang zwischen dem Gehäuse a und seinem Innenraum zu vermeiden, wodurch verhindert wird, daß sich der Strom von der peripheren Oberfläche des Gehäuses a aus zerstreut.
Bei der Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit, wie sie vorangehend beschrieben wird, muß man nicht sagen, daß das Erhalten einer angemessenen Genauigkeit der Messung erfordert, daß der Wärmestrom Q durch den Prüfkörper S genau gemessen werden muß. Folglich ist es wichtig dabei zu sehen, daß keine Streuung der Wärme durch die periphere Oberfläche am Gehäuse a zu verzeichnen ist, d. h., der Wärmestrom erfolgt nur nach unten zu und nicht seitwärts.
Obgleich aus diesem Grund die vorangehend erwähnte konventionelle Vorrichtung mit den Heizkörpern g für die Kompensation der Wandtemperatur versehen ist, können diese Heizkörper allein nicht in ausreichendem Maß verhindern, daß die Wärme im Prüfkörper S und den genormten Wärmeübergangsplatten S&sub1; und S&sub2; seitwärts strömt, wenn die Prüftemperatur des Prüfkörpers S höher wird (insbesondere über 1500ºC). Das führt zu einer Zunahme der Fehler bei der Messung des Wärmestromes.
Entsprechend der konventionellen Vorrichtung ist, weil die Temperatur mittels der Thermoelemente gemessen wird, die höchste meßbare Temperatur relativ niedrig begrenzt.
Die U.S. Patentbeschreibung 3266290 betrifft ein Verfahren für das Messen der Wärmeleitfähigkeit eines Prüfkörpers, indem er zwischen einer Wärmequelle und einem Wärmeableiter, die beide eine konstante Temperatur aufweisen, angeordnet wird, um die Wärme zu messen, die dem Wärmeableiter zugeführt wird, und um die Wärmeleitfähigkeit aus dem Wärmestrom und dem dazugehörenden Temperaturgradienten bei Anwendung des Fourierschen Gesetzes zu berechnen.
Die Französische Patentbeschreibung 2245247 betrifft eine Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit eines Prüfkörpers, bei der eine Wärmetauscherplatte und ein Flußmesser auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung, die angesichts der vorangehend angeführten Fakten gemacht wurde, hat sich als Ziel gestellt, eine Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, eine ausreichende Genauigkeit der Messung zu erhalten.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit eines Prüfkörpers (S) bereitgestellt, bei der der Prüfkörper eine erste und zweite Oberfläche und einen Umfang besitzt, wobei die Vorrichtung aufweist:
(a) eine Meßkammer (8), die einen Innenraum für das Halten des Prüfkörpers in dieser abgrenzt;
(b) eine Wärmequelle (9) für das gleichmäßige Erwärmen der ersten Oberfläche des Prüfkörpers;
(c) ein erstes Thermometer (34) für das Messen der Temperatur der ersten Oberfläche des Prüfkörpers; und
(d) ein zweites Thermometer (33) für das Messen der Temperatur der zweiten Oberfläche des Prüfkörpers;
wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß
der Innenraum adiabatisch geschlossen ist;
die Wärmequelle (9) sich im wesentlichen über den gesamten Querschnitt der Meßkammer so erstreckt, daß die Wärme gleichmäßig in den Innenraum gelenkt wird; und
eine Meßvorrichtung für den Wärmestrom (15, 30 bis 31), die sich über den Querschnitt der adiabatischen Kammer erstreckt, um eine Innenfläche dieser zu berühren, für das Berühren der zweiten Oberfläche des Prüfkörpers über dem Querschnitt der Kammer angeordnet ist, um die Temperatur der zweiten Oberfläche des Prüfkörpers auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten, und um die Wärmeenergie zu messen, die durch die zweite Oberfläche strömt;
worin die Meßkammer (8) den Prüfkörper so halten kann, daß die periphere Oberfläche des Prüfkörpers die Innenfläche der adiabatischen Kammer ebenso wie die Meßvorrichtung für den Wärmestrom über dem Querschnitt der Kammer berühren kann, wodurch die Wärmequelle gleichmäßig die erste Oberfläche des Prüfkörpers gleichmäßig über dem Querschnitt der Kammer erwärmen kann, wodurch ein im wesentlichen einseitig gerichteter Wärmestrom durch den Prüfkörper von der ersten Oberfläche des Prüfkörpers aus, durch den Prüfkörper hindurch und danach durch die zweite Oberfläche des Prüfkörpers erzeugt wird.

KURZE ERKLÄRUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine vertikale Schnittdarstellung der Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit bei der ersten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Darstellung, die den Einfluß des Wärmeüberganges der Platte für die Kompensation der Wandtemperatur in der Vorrichtung erklärt;
Fig. 3 eine Darstellung, die den Einfluß des Wärmeüberganges erklärt, der erhalten wird, wenn die Dicke der Platte für die Kompensation der Wandtemperatur variiert wird;
Fig. 4(a) eine horizontale Schnittdarstellung des Wärmestrommessers in der Vorrichtung;
Fig. 4(b) eine seitliche Schnittdarstellung des Wärmestrommessers;
Fig. 5(a) eine horizontale Schnittdarstellung der kompensierenden Kühlplatte in der Vorrichtung;
Fig. 5(b) eine seitliche Schnittdarstellung der kompensierenden Kühlplatte;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der genormten Wärmeübergangsplatte in der Vorrichtung;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht, die ein weiteres Beispiel für die genormte Wärmeübergangsplatte zeigt;
Fig. 8 eine vertikale Schnittdarstellung der Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit bei einer zweiten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ein Blockdiagramm des Umlaufsystems in der Vorrichtung;
Fig. 10 eine Darstellung, die ein weiteres Beispiel für das Umlaufssystem zeigt;
Fig. 11 eine vertikale Schnittdarstellung der Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit bei einer dritten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 eine perspektivische Ansicht, die das Gehäuse in der Vorrichtung zeigt;
Fig. 13 eine teilweise vertikale Schnittdarstellung der Vorrichtung;
Fig. 14(a) eine teilweise vertikale Schnittdarstellung, die die Temperaturverteilung im inneren Abschnitt der Vorrichtung zeigt;
Fig. 14(b) eine Darstellung, die die Temperaturverteilung im Prüfkörper und im Zylinder für die Kompensation des Wärmestromes zeigt;
Fig. 15 eine teilweise vertikale Schnittdarstellung, die ein weiteres Beispiel für die Vorrichtung zeigt;
Fig. 16 eine perspektivische Ansicht, die ein weiteres Beispiel für den Zylinder für die Kompensation des Wärmestromes zeigt;
Fig. 17 eine vertikale Schnittdarstellung, die die vierte bevorzugte Ausführung der Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 18 eine vertikale Schnittdarstellung, die den Fall einer konventionellen Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Im folgenden wird die zweite bevorzugte Ausführung der Erfindung mit Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 erklärt.
Fig. 1 ist eine vertikale Zeichnung, die den allgemeinen Aufbau der Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit in dem Fall zeigt, der hier diskutiert wird. Die Zahl 1 zeigt ein Gehäuse, das aus einem Körper 2 mit einem Kühlwassermantel und einem Deckel 4, der mit dem Körper 2 mit einem Gelenk 3 verbunden ist, besteht.
Im Gehäuse 1 ist eine Meßkammer 8 eingebaut, die aus einem unteren und einem oberen scheibenförmigen Wärmeisolator 5 und 6 und einem zylindrischen seitlichen Wärmeisolator 7 besteht, in der der Prüfkörper S angeordnet wird. Im oberen Raum dieser Meßkammer 8 ist ein Hauptheizkörper 9 montiert, um die Meßkammer 8 auf einer vorgeschriebenen Temperatur zu halten, während im unteren Wärmeisolator 5 ein Kompensationsheizkörper 10 eingebettet ist, um die Innentemperatur des unteren Wärmeisolators 5 auf dem gleichen Niveau wie dem des Wärmestrommessers zu halten (wird später beschrieben). Mit dem Hauptheizkörper 9 und dem Kompensationsheizkörper 10 sind die Elektroden 11 und 12 verbunden, die durch den Deckel 4 des Gehäuses 1 und den Körper 2 hindurchgehen. Die Zahl 13 zeigt ein Strahlungsthermometer, um die Temperatur in der Meßkammer 8 zu messen.
Die Innenseite des seitlichen Wärmeisolators 7, die die Seitenwand der Meßkammer 8 bildet, wird mit einer Platte 14 für die Kompensation der Temperatur der Wandfläche (hierin nachfolgend als Wärmekompensationsplatte bezeichnet) bedeckt, die in einer zylindrischen Form aus Materialien gebildet wird, die eine angemessene Wärmebeständigkeit und eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wie beispielsweise Graphit, wärmebeständiger Stahl Molybdän, usw. Diese Wärmekompensationsplatte 14, die später beschrieben wird, überträgt die Wärme vom oberen zum unteren Abschnitt der Meßkammer 8 wegen ihrer ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit und dient daher dazu, den inneren Temperaturgradienten des seitlichen Wärmeisolators 7 auf dem gleichen Niveau zu halten wie das des Prüfkörpers S, usw.
In der Mitte des oberen Abschnittes des unteren Wärmeisolators 5 ist ein scheibenförmiger Wärmestrommesser 15 angeordnet, um den herum eine ringförmige kompensierende Kühlplatte 16 angebracht ist.
Der Wärmestrommesser 15, wie er in Fig. 4(a) und (b) gezeigt wird, enthält den Strömungsweg 17 für das Wärmemeßgas für die Messung der inneren aufgenommenen Wärme, bestehend aus der oberen und der unteren Platte sowie einer Trennplatte, die jeweils aus Metall bestehen, das wie eine Doppelspirale mit Strömungswegen auf der Eintrittsseite und der Austrittsseite, die aneinander angrenzen, ausgebildet ist. Ein Eintritt 18 und ein Austritt 19 für das Wärmemeßgas sind nebeneinander angeordnet, ein jeder an einem Ende des Strömungsweges 17a auf der Eintrittsseite und des Strömungsweges 17b auf der Austrittsseite. Die anderen Enden der Strömungswege, die sich in der Mitte des Wärmestrommessers 15 befinden, sind miteinander verbunden. Das Wärmemeßgas, das aus dem Eintritt 18 eingeführt wird, strömt daher in Richtung der Mitte vom Umfang im Strömungsweg 17a auf der Eintrittsseite, wie durch einen Pfeil in der Zeichnung gezeigt wird, damit es zur Mitte des Wärmestrommessers 15 in Richtung des Strömungsweges 17b auf der Austrittsseite geführt wird, durch den es zum Umfang zurückströmt. Mit dem vorangehend erwähnten Eintritt 18 und dem Austritt 19 sind ein Eintrittsrohr 20 und ein Austrittsrohr 21 verbunden, um das Wärmemeßgas hinein- und herauszuführen, wie durch die Pfeile in Fig. 1 gezeigt wird.
Die vorangehend erwähnte kompensierende Kühlplatte 16 ist in der gleichen Weise wie der Wärmestrommesser 15 eingebaut, außer daß sie ringförmig ist, und daß der Wärmestrommesser 15 in ihrer Mitte angeordnet ist. Das heißt, diese kompensierende Kühlplatte 16 enthält, wie in Fig. 5(a) und (b) gezeigt wird, einen Strömungsweg 22 für den Kühlgasstrom, der mit der oberen und der unteren Platte sowie einer Trennplatte gebildet wird, die jeweils aus Metall bestehen, das wie eine Doppelspirale mit einem Strömungsweg 22a auf der Eintrittsseite und einem Strömungsweg 22b auf der Austrittsseite, die aneinander angrenzen, ausgebildet ist. Ein Eintritt 23 und ein Austritt 24 für das Kühlgas sind nebeneinander angeordnet, ein jeder an einem Ende des Strömungsweges 22a auf der Eintrittsseite und des Strömungsweges 22b auf der Austrittsseite, angeordnet am innersten Umfang dieser kompensierenden Kühlplatte 16, während die anderen Enden der Strömungswege, die am äußeren Umfang der kompensierenden Kühlplatte 16 angeordnet sind, miteinander verbunden sind. Das Kühlgas, das vom Eingang 23 her eingeführt wird, wie durch einen Pfeil in der Zeichnung gezeigt wird, strömt daher durch den Strömungsweg 22a auf der Eintrittsseite vom inneren zum äußeren Umfang, von wo es zum Strömungsweg 22b auf der Austrittsseite geführt wird, danach durch den Strömungsweg 22b auf der Austrittsseite zurück zum inneren Umfang und danach aus dem Austritt 24 heraus zum Umfang. Mit dem vorangehend erwähnten Eintritt 23 und dem Austritt 24 sind ein Eintrittsrohr 25 und ein Austrittsrohr 26 verbunden, um das Kühlgas hinein- und herauszuführen, wie durch die Pfeile in Fig. 1 gezeigt wird.
Die vorangehend erwähnten Wärmemeß- und Kühlgase werden mittels der Gasvorerhitzer 27 und 28 (wie in Fig. 1 gezeigt wird), die im unteren Wärmeisolator 5 eingebettet sind, auf eine vorgeschriebene Temperatur erwärmt und danach in den Wärmestrommesser 15 und bzw. die kompensierenden Kühlplatte 16 geführt. Thermometer (nicht gezeigt) werden für das Messen der Temperatur im Eintritt 18 und im Austritt 19 für das Wärmemeßgas ebenso wie im Eintritt 23 und bzw. im Austritt 24 für das Kühlgas bereitgestellt.
Der vorangehend erwähnte Wärmestrommesser 15 soll wie der Wärmestrommesser d, der in der konventionellen Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit eingesetzt wird, die Temperatur im Eintritt 18 und im Austritt 19 messen und dadurch die vom Wärmemeßgas aufgenommene Wärme messen, d. h., die durch den Prüfkörper S übertragene Wärme, auf der Basis der Temperaturdifferenz zwischen dem Eintritt 18 und dem Austritt 19 und dem Gasstrom im Eintritt und im Austritt 19. Die kompensierende Kühlplatte 16, die um den Umfang des Wärmestrommessers 15 herum angeordnet ist, soll andererseits den Wärmestrom aus dem Wärmestrommesser 15 nach außen verhindern, indem seine Temperatur auf dem gleichen Niveau wie das des Wärmestrommessers 15 gehalten wird, und sie soll den Wärmestrom steuern, der aus der Meßkammer 8 zum Wärmestrommesser 15 strömt, wodurch ein seitlicher Strom entsteht.
Oben auf dem vorangehend erwähnten Wärmestrommesser 15 und der kompensierenden Kühlplatte 16 ist eine Wärmemeßplatte 29 angeordnet, auf der eine scheibenförmige genormte Wärmeübergangsplatte 30 aus einem Material mit einer bekannten Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist.
Diese genormte Wärmeübergangsplatte 30, die wie die vorangehend erwähnten genormten Wärmeübergangsplatten s&sub1; und s&sub2;, die in einer konventionellen Vorrichtung eingesetzt werden, die Temperatur des Prüfkörpers S auf einem hohen Niveau und die Temperatur der Oberfläche des Wärmestrommessers 15 auf einem niedrigen Niveau halten soll, und die gleichzeitig dazu da ist, einen gemessenen Wert des Wärmestromes, der aus der Temperaturdifferenz und der bekannten Wärmeleitfähigkeit ermittelt wird, zu bestätigen und zu korrigieren, indem die Temperatur der oberen und der unteren Oberfläche der Wärmeübergangsplatte 30 mit einem Thermometer (nicht gezeigt), das in die Wärmemeßplatte 29 eingesetzt wird, und einem Thermoelement 33, das in die untere Wärmemeßplatte, die später beschrieben wird, eingesetzt wird, gemessen wird, ist eine aus Schichten aufgebaute Konstruktion, die aus einem laminaren Wärmeisolator 30a besteht, wie beispielsweise eine geformte Platte aus Graphitfasern, die dicht in Spiralform gewickelt sind. Da ihr laminarer Wärmeisolator 30a eine gewickelte Form aufweist, zeigt diese genormte Wärmeübergangsplatte 30 eine Wärmeleitfähigkeit, die 2- bis 3-mal in der Dickenrichtung höher ist als in der Richtung des Durchmessers. Das bedeutet, daß diese genormte Wärmeübergangsplatte 30 die Wärme leicht in der Dickenrichtung überträgt, aber mit Schwierigkeiten in der Richtung des Durchmessers.
Oben auf der genormten Wärmeübergangsplatte 30 ist eine untere Wärmemeßplatte 31 angeordnet, auf der sich der Prüfkörper S befindet, dessen Wärmeleitfähigkeit gemessen werden soll, während eine obere Wärmemeßplatte auf dem Prüfkörper S angeordnet ist. In der unteren Wärmemeßplatte 31 und in der oberen Wärmemeßplatte 32 sind die Thermoelemente 33 und bzw. 34 eingesetzt, die die Temperatur der unteren und der oberen Oberfläche des Prüfkörpers S messen.
Die Zahl 35 verweist auf einen zylindrischen Wärmeisolator, der außerhalb der genormten Wärmeübergangsplatte 30 angeordnet ist.
Um die Wärmeleitfähigkeit λ des Prüfkörpers S bei einer hohen Temperatur mittels der Vorrichtung zu messen, die so aufgebaut ist, wie es vorangehend beschrieben wird, ist der Prüfkörper S zuerst in der Meßkammer 8 anzuordnen, die obere Meßplatte 32 ist auf dem Prüfkörper anzuordnen, und das Thermoelement 34 ist in die obere Meßplatte 32 einzusetzen. Die Meßkammer 8 ist mit dem oberen Wärmeisolator 6 fest zu verschließen, der Deckel 4 des Gehäuses 1 ist zu schließen, die Meßkammer 8 ist mit dem Haupt- und dem Kompensationsheizkörpern 9 und 10 bis zu einer vorgeschriebenen voreingestellten Temperatur zu erwärmen, um die Innentemperatur des Prüfkörpers S auf TºC zu halten, bei der die Wärmeleitfähigkeit gemessen werden soll. Ebenfalls sind die Meß- und Kühlgase mit den Vorerhitzern 27 und bzw. 28 bis zu einer vorgeschriebenen Temperatur zu erwärmen, und danach läßt man sie durch den Wärmestrommesser 15 und die kompensierende Kühlplatte 16 strömen, um die Temperaturen der Gase auf einem Niveau zu halten, das einander gleicht.
Wenn ein stationäres thermisches Gleichgewicht bei der Temperatur der Meßkammer 8 ebenso wie bei den Innentemperaturen des Prüfkörpers S und der genormten Wärmeübergangsplatte 30 erreicht ist, d. h., wenn keine Temperaturveränderung beobachtet wird, dann sind die Temperaturen θ&sub1; und θ&sub2; der oberen und der unteren Oberfläche des Prüfkörpers S mit den Thermoelementen 34 und 33 ebenso wie die Eintritts- und Austrittstemperaturen des Meßgases, das durch den Wärmestrommesser 15 strömt, zu messen, und die aufgenommene Wärme, d. h., die durch den Prüfkörper S übertragene Wärme, ist auf der Basis der Temperaturdifferenz und der Menge des Stromes des Meßgases zu ermitteln, und die Wärmeleitfähigkeit λ des Prüfkörpers S ist bei einer Temperatur von T mittels der vorangehend erwähnten Gleichung (1) aus der übertragenen Wärme und den Temperaturen θ&sub1; und θ&sub2; der oberen und der unteren Oberfläche sowie der Dicke t des Prüfkörpers S zu bestimmen. In diesem Fall gleicht die wirksame Fläche A des Prüfkörpers S der Fläche des Wärmestrommessers.
Es genügt ebenfalls, die Temperaturdifferenz zwischen der oberen und der unteren Oberfläche der genormten Wärmeübergangsplatte 30 zu messen, danach die Wärmeleitfähigkeit aus der Temperaturdifferenz und der vorangehend erwähnten übertragenen Wärme Q zu ermitteln und die Wärmeleitfähigkeit, die auf diese Weise ermittelt wird, mit der bekannten zu vergleichen, um das Ergebnis der Messung zu bestätigen und, wenn erforderlich, zu korrigieren.
Die Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit, die vorangehend erklärt wurde, und bei der die Innenseite der Meßkammer 8 mit der Wärmekompensationsplatte 14 abgedeckt wird, verhindert einen Wärmestrom von den Seiten des Prüfkörpers S ohne daß die Heizkörper g für die Kompensation der Wandtemperatur installiert werden müssen, die beim konventionellen Messen der Wärmeleitfähigkeit erforderlich sind und als solche genau die Wärmemenge messen können, die durch den Prüfkörper S geleitet wird.
Sogar bei dieser Vorrichtung wie der konventionellen ist es unmöglich, eine Wärmestrahlung vom seitlichen Wärmeisolator 7 infolge einer Temperaturdifferenz mit der Außenseite zu vermeiden. Wenn keine spezielle Maßnahme ergriffen wird, würde das daher zu einer Abnahme der Temperatur des unteren Abschnittes dieses seitlichen Wärmeisolators 7 führen, d. h., der Temperatur des Prüfkörpers S und des Umfanges der genormten Wärmeübergangsplatte 30. Die hierin betrachtete Vorrichtung, bei der die Innenseite der Meßkammer 8 mit einer Wärmekompensationsplatte 14 aus einem hochgradig wärmeleitfähigen Material versehen wird, die sich darin erstreckt, gestattet jedoch, daß eine derartige Wärmemenge, wie sie durch die Wirkung der Wärmeleitung verlorengehen könnte, durch die Wärmekompensationsplatte 14 zum seitlichen Wärmeisolator 7 geführt wird, so daß die Wärmestrahlung vom Prüfkörper S und der genormten Wärmeübergangsplatte 30 zu deren Umfängen wirksam vermieden werden kann. Da die Funktion der Wärmekompensationsplatte 14 die Übertragung der Wärme nach unten zu durch diese zum peripheren Abschnitt des Prüfkörpers ist, darf die Wärmekompensationsplatte 14 nicht angeordnet werden, um den gesamten Abschnitt der Kammer 8 über dem Prüfkörper abzudecken. Es ist ausreichend, daß die Wärmekompensationsplatte 14 in der Meßkammer 8 aus dem peripheren Abschnitt des Prüfkörpers herausragt.
Der folgende Text legt einen vollständigen Bericht zum vorangehend erwähnten Sachverhalt unter Bezugnahme auf Fig. 2 vor. Nehmen wir an, daß die durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit des seitlichen Wärmeisolators 7 gleich La&sub1; ist, der Abstand von der Oberfläche dieses gleich z&sub2;, der Innendurchmesser gleich D, die Höhe des Prüfkörpers S gleich l&sub1;, die Temperatur der oberen Oberfläche des Prüfkörpers S gleich θ&sub1; und die der unteren Oberfläche gleich θ&sub2; sowie die Temperatur der äußeren Oberfläche des seitlichen Wärmeisolators 7 gleich θ&sub3;, dann kann die verlorengegangene Wärmemenge Q&sub1; vom seitlichen Wärmeisolator 7 in Berührung mit dem Prüfkörper S durch die Wärmekompensationsplatte 14 annähernd wie folgt ausgedrückt werden (die folgende Gleichung ist eine Annäherung, die auf der Annahme erhalten wird, daß der Durchmesser des seitlichen Wärmeisolators 7 groß genug ist, um einen Annäherung in der Form eines Wärmeüberganges durch eine flache Platte zu gestatten, und daß der Abstand z&sub1; von der Oberfläche der Wärmekompensationsplatte, der ein extrem kleiner Wert verglichen mit D ist, vernachlässigbar ist):
Q&sub1; = (λ&sub1;/δ&sub2;)·π·D·l&sub1;·[{(θ&sub1;+θ&sub2;)/2} - θ&sub3;]
Der obere Abschnitt der Wärmekompensationsplatte 14, der der Innenseite der Meßkammer 8 gegenüberliegt, weist andererseits eine ausreichend hohe Temperatur auf. Wenn jetzt diese Temperatur im Ergebnis des vorangehend erwähnten Wärmeverlustes vom seitlichen Wärmeisolator abnimmt, dann führt das zu einem wirksamen Wärmeübergang vom oberen zum unteren Abschnitt der Wärmekompensationsplatte 14. wie durch einen Pfeil in der Zeichnung gezeigt wird, wodurch die Wärme vom oberen Raum der Meßkammer 8 durch die Wärmekompensationsplatte 14 zum seitlichen Wärmeisolator 7 übertragen wird. Die übertragene Wärme, die auf diese Weise Q&sub2; übertrug, kann annähernd wie folgt ausgedrückt werden, wenn wir die durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit der Wärmekompensationsplatte 14 mit λ&sub2; und den Abstand von deren Oberfläche mit z&sub1; annehmen:
Q&sub2; = {λ&sub2;/(l&sub2;/2)}·π·D·d&sub1;·{(θ&sub1;-θ&sub2;)/2}
Daher wird durch ein sachgemäßes Einsetzen der Werte der Wärmeleitfähigkeit λ&sub2; und des Abstandes z&sub1; der Wärmekompensationsplatte 14 keine Abnahme der Temperatur des seitlichen Wärmeisolators 7 zu verzeichnen sein, und daher auch nicht eine Abnahme der Temperatur der Wärmekompensationsplatte 14, so daß die Temperatur der Wärmekompensationsplatte 14 natürlich auf dem gleichen Niveau wie dem des Prüfkörpers S bleiben wird. Im Ergebnis dessen kann die Wärme, die durch den Prüfkörper 5 strömt, daran gehindert werden, daß sie durch die Wärmekompensationsplatte 14 und den seitlichen Wärmeisolator 7 nach außen strömt.
Obgleich das vorangegangene Berechnungsbeispiel den äußeren Umfang des Prüfkörpers S betrifft, ist ebenfalls ein gleicher seitlicher Wärmestrom am äußeren Umfang der genormten Wärmeübergangsplatte 30 zu verzeichnen. Man muß daher nicht sagen, daß der tatsächliche Abstand z&sub1; der Wärmekompensationsplatte 14 ermittelt wird, indem eine Berechnung vorgenommen wird, die den gesamten Bereich der möglichen seitlichen Wärmeströme berücksichtigt.
Da die Vorrichtung bei der ersten bevorzugten Ausführung den Wärmestrommesser 15 mit dem Strömungsweg 17 für den Gasstrom in Form einer Doppelspirale einsetzt, wird die Temperatur der Oberfläche des Wärmestrommessers niemals ungleichmäßig, wodurch es möglich wird, eine angemessene Genauigkeit der Messung zu erhalten.
Das bedeutet, daß, wenn wir beim vorangegangenen Wärmestrommesser 15 die Gastemperatur im Eintritt 18 mit t&sub0;ºC und die im Austritt 19 mit t&sub0;ºC annehmen, die folgende Gleichung erhalten wird, weil es möglich ist, eine nahezu mittlere Temperatur der Temperaturen aufrechtzuerhalten:
T = (t&sub0;+te)/2
Der folgende Text legt einen vollständigen Bericht über diesen Sachverhalt mit Bezugnahme auf Fig. 4 vor. Die Strömungswege von der Seite des äußeren Umfanges des Strömungsweges der Eintrittsseite des vorangehend erwähnten Wärmestrommessers 15 sollen in regelmäßiger Reihenfolge mit A, B, C und D gekennzeichnet werden und jene von der Mitte des Strömungsweges 17 der Austrittsseite in regelmäßiger Reihenfolge mit E, F, G und H, und die Gastemperaturen in den entsprechenden Strömungswegen A bis H auf der Linie P, die in einem Rotationswinkel von Beta-Graden vom Eintritt 18 und vom Austritt 19 angeordnet wird, sollen t&sub1; bis t&sub8; sein, und wenn man jetzt die Strömungswege A und H überprüft, dann kann, da wir die Radien dieser Strömungswege A und H als annähernd einander gleich betrachten können, die Temperatur t&sub1; auf der Linie P im Strömungsweg A, wenn wir jeden der Radien mit R und den spezifischen Wert des Anstieges der Gastemperatur pro Längeneinheit der Strömungswege A und H des Gases mit Δt annehmen, wie folgt ausgedrückt werden, weil die Menge der von einem Meßgas aufgenommenen Wärme als proportional der Länge eines Strömungsweges des Gases angenommen werden kann.
t&sub1; = (β/180)·π·R·Δt+t&sub0;
Die Temperatur t&sub8; auf der Linie P im Strömungsweg H kann andererseits wie folgt ausgedrückt werden:
t&sub8; = te-(β/180)·π·R·Δt
Daher erhalten wir:
t&sub1; - t&sub8; = ti + t&sub0;
Wenn wir die durchschnittliche Temperatur zwischen den Strömungswegen A und H auf der Linie P mit T&sub1;&sub8; annehmen, dann erhalten wir daher:
T&sub1;&sub8; = (t&sub1; + t&sub8;)/2 = (ti - t&sub0;)/2
Gleichermaßen gilt die folgende Gleichung:
t&sub2; + t&sub7; = t&sub3; + t&sub6; = t&sub4; = t&sub5; = ti + t&sub0;
wenn wir die durchschnittliche Gastemperatur in den Strömungswegen B und G mit T&sub2;&sub7; annehmen, die in den Strömungswegen C und F mit T&sub3;&sub6; und die in den Strömungswegen D und E mit T&sub4;&sub5;, dann erhalten wir daher:
T&sub2;&sub7; = T&sub3;&sub6; = T&sub4;&sub5; = (ti + t&sub0;)/2
Wie aus dem Vorangegangenen zu ersehen ist, sind im Wärmestrommesser 15 die durchschnittlichen Temperaturen der Meßgase, die die Strömungswege passieren, die aneinander angrenzen, alle die gleichen, und daher ist die Temperatur der Oberfläche des Wärmestrommessers ebenfalls die gleiche, so daß schließlich der Wärmestrommesser 15 als Ganzes fast eine gleichmäßige Temperatur aufweist.
Außerdem wird die Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit, die hierbei betrachtet wird, mit jener ringförmigen kompensierenden Kühlplatte 16 um den Wärmestrommesser 15 herum versehen, die wie der Wärmestrommesser 15 ebenfalls eine gleichmäßige Temperatur über die gesamte Oberfläche aufrechterhält. Im Ergebnis dessen können wir durch Regulieren der Temperatur des Kühlgases im Eintritt 23 und im Austritt 24, um sie mit der des Meßgases im Eintritt 18 und im Austritt 19 gleichzusetzen, den Wärmestrom zwischen dem Wärmestrommesser 15 und der kompensierenden Kühlplatte 16 eliminieren. In dieser Hinsicht können wir ebenfalls die Genauigkeit der Messung verbessern.
Da in der Vorrichtung entsprechend der ersten bevorzugten Ausführung die eingesetzte genormte Wärmeübergangsplatte 30 außerdem eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die in der axialen Richtung kleiner ist als in der radialen Richtung infolge der speziellen Spiralform des laminaren Wärmeisolators 30a, strömt die gleichmäßig übertragene Wärme durch den Prüfkörper S nur nach unten durch die genormte Wärmeübergangsplatte 30 und wird hinsichtlich eines seitlichen Strömens begrenzt. Folglich wird der Verlust der Wärme, die seitlich von der genormten Wärmeübergangsplatte 30 strömt, natürlich minimiert. In dieser Hinsicht ist die Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit, die hierin betrachtet wird, ebenfalls in der Lage, die übertragene Wärme Q genau zu messen und daher die Genauigkeit der Messung zu verbessern.
In der vorangehend erwähnten ersten bevorzugten Ausführung muß beachtet werden, daß es, obgleich Graphit, wärmebeständiger Stahl oder Molybdän als Material für die Wärmekompensationsplatte eingesetzt wird, durchaus möglich ist, irgendein anderes Material einzusetzen, solange wie ein derartiges Material wärmebeständig genug ist, um einen Einsatz bei hohen Temperaturen auszuhalten, und es eine viel größere Wärmeleitfähigkeit als der eingesetzte Wärmeisolator aufweist.
In der vorangehend erwähnten ersten bevorzugten Ausführung wird andererseits die Annahme gemacht, daß die Wärme, die vom seitlichen Wärmeisolator 7 verlorengeht, und die übertragene Wärme von der Wärmekompensationsplatte 14 zum Wärmeisolator 7 beide in der Dickenrichtung des Prüfkörpers S konstant sind, so daß angenommen wird, daß die Dicke der Wärmekompensationsplatte 14 konstant ist, was sich in den normalen Fällen als ausreichend wirksam erweist. Es ist jedoch tatsächlich ein Temperaturgradient zu verzeichnen, der sich im Prüfkörper S entwickelt hat, so daß der vorangehend erwähnte Wärmeverlust Q&sub1; und die übertragene Wärme Q&sub2; in der Dickenrichtung des Prüfkörpers S nicht konstant sind. Wenn wir veranlassen, daß die zu allen Abschnitten des seitlichen Wärmeisolators 7 übertragene Wärme entsprechend der Menge variiert, die dadurch verlorengeht, daß die Dicke der Wärmekompensationsplatte 14 allmählich vom oberen zum unteren Abschnitt kleiner wird, dann können wir folglich eine höhere Genauigkeit der Messung erhalten.
Das Folgende gibt einen vollständigen Bericht über diesen Sachverhalt 3 durch Bezugnahme auf Fig. 3. Die Wärmebilanz ist in einem Abstand bei lx vom unteren Abschnitt des Prüfkörpers S zu betrachten, wie in Fig. 3 gezeigt wird, und wenn der Wärmeverlust in dieser Position lx vom seitlichen Wärmeisolator 7 mit Q&sub1; angenommen wird, dann kann dieses Q&sub1;' annähernd wie folgt ausgedrückt werden:
Q&sub1;' = (λ&sub1;/d&sub2;)·π·D·lx·{θ&sub2;+(θ&sub1;.θ&sub2;)·lx/2l&sub1;-θ&sub3;}
Ebenfalls bei der Betrachtung der Wärmebilanz in der Wärmekompensationsplatte 14 in der vorangehend erwähnten Position lx und unter der Annahme einer extrem kleinen Länge Δ1 in diesem Abschnitt kann dann die übertragene Wärme Q&sub2;' durch diesen Abschnitt Δ1 annähernd wie folgt ausgedrückt werden, wenn wir annehmen, daß die durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit der Wärmekompensationsplatte 14 λ&sub2; beträgt und der Abstand von dieser Stelle der Wärmekompensationsplatte 14 gleich z&sub1;' ist:
Q&sub2;' = (λ&sub2;/Δ1)·π·D·d&sub1;'·Δθ
worin Delta Theta die Temperaturdifferenz zwischen der Innentemperatur θx der Wärmekompensationsplatte 14 in der Position lx und der der gleichen im extrem kleinen Abstand Δ1 von der Position lx ist. Diese Temperaturdifferenz Δθ ist eine Konstante, die Δ1 in dem Fall proportional ist, daß der Temperaturgradient des Prüfkörpers S (d. h., der Grad der Veränderung zwischen der Temperatur θ&sub1; der oberen Oberfläche und der Temperatur θ&sub2; der unteren Oberfläche) linear ist (alle Berechnungsbeispiele, die bisher vorgelegt wurden, sind derartige Fälle).
Durch Ermitteln eines Abstandes z&sub1;' derart, daß die vorangehenden Gleichungen zu Q&sub2; = Q&sub1;' führen, d. h., indem eine derartige Veränderung hinsichtlich des Abstandes z&sub1;' bewirkt wird, die dem Wert Q&sub1;' proportional sein kann, wird es folglich möglich, daß bewirkt wird, daß der Wärmeverlust in jeder der Positionen in der Dickenrichtung des Prüfkörpers S vom seitlichen Wärmeisolator der durch die Wärmekompensationsplatte 14 übertragenen Wärme gleicht. Für diesen Zweck reicht es aus, den Abstand z&sub1;' so zu verändern, daß die folgende Beziehung erfüllt wird:
d&sub1;'/d&sub1; ist lx/l&sub1; proportional.
Das bedeutet, daß es ausreicht, die Dicke der Wärmekompensationsplatte 14 so angemessen einzustellen, daß sie allmählich vom oberen zum unteren Abschnitt kleiner wird, wie in Fig. 3 gezeigt wird. Indem man so verfährt, können die Innenseite des Prüfkörpers S und die Wärmekompensationsplatte 14, die mit ihm in Kontakt ist, ein und dieselbe Temperatur über die gesamte Oberfläche entsprechend aufrechterhalten, und im Ergebnis dessen können wir eine Genauigkeit der Messung erhalten, die viel besser ist als die, die in jenem vorangehend erwähnten Fall erhalten wird, bei dem die Dicke der Wärmekompensationsplatte 14 konstant ist.
Es muß beachtet werden, daß das vorangehend angeführte Berechnungsbeispiel auf der Annahme basiert, daß der Temperaturgradient im Prüfkörper S linear ist, und daß das Material (die Wärmeleitfähigkeit) des seitlichen Wärmeisolators 7 und der Wärmekompensationsplatte 14 das gleiche ist. Wenn eine Veränderung bei diesen Bedingungen zu verzeichnen ist, dann wird die Veränderung in der Dicke der Wärmekompensationsplatte 14 nicht linear sein, sondern komplizierter.
Es muß ebenfalls beachtet werden, daß der Strömungsweg 17 für das Gas, obgleich er in der vorangehend erwähnten ersten bevorzugten Ausführung in der Form einer Doppelspirale im Wärmestrommesser 15 ausgebildet ist, wobei ein Abschnitt fast konzentrisch und der andere nach innen gebogen ist, natürlich in der Form einer vollständigen Spirale realisiert werden kann. Obgleich beim Wärmestrommesser im vorangehend erwähnten Fall der Eintritt 18 und der Austritt 19 für das Gas auf der äußeren Umfangsseite installiert sind, können sie außerdem genausogut in der Mitte des Wärmestrommessers 15 so installiert werden, daß das Meßgas von der Mitte zum äußeren Umfang und danach zurück zur Mitte strömen kann.
Beim vorangehend erwähnten Fall, obgleich eine Formplatte aus Graphitfasern als laminarer Wärmeisolator 30a verwendet wird, der die genormte Wärmeübergangsplatte 30 bildet, wird außerdem jedes andere Material ebenso funktionieren, wenn es wärmeisolierende und wärmebeständige Eigenschaften aufweist. Wie in Fig. 7 gezeigt wird, kann man außerdem genausogut die genormte Wärmeübergangsplatte 30 dadurch herstellen, daß zwei Schichten aus zwei verschiedenen Materialarten, eine auf die andere gelegt, gewickelt werden. Wenn wir in diesem Fall einen laminaren Wärmeisolator 30a einsetzen, wie beispielsweise Aluminiumoxid- Siliciumdioxid-Papier als eine der zwei Schichten, und ein Material mit einem hohen Wärmeübergang, wie beispielsweise eine Metallplatte 30b, als die andere Schicht, dann können wir eine gute Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung infolge der Metallplatte 30b sichern und ebenfalls die Möglichkeit erhalten, das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit Dicke-zu- Durchmesser infolge des Wärmeisolators zu vergrößern, der die Wärmeleitfähigkeit in der radialen Richtung begrenzt. Die Mehrschichtwicklung einer Kombination des Wärmeisolators aus Graphit und der Graphitfolie erweist sich für einen Einsatz bei hohen Temperaturen als wirksam.
Im vorangehend erwähnten Fall wird die genormte Wärmeübergangsplatte 30 nur auf der unteren Oberfläche des Prüfkörpers S angeordnet. Man kann jedoch ebensogut eine andere Ausführung der genormten Wärmeübergangsplatte, die in der gleichen Weise wie vorangehend gebildet wird, auf der oberen Oberfläche des Prüfkörpers anordnen.
Der folgende Text erklärt jetzt mit Bezugnahme auf Fig. 8 bis 10 die zweite bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung. Hierbei werden jedoch die gleichen Bauelemente wie jene der Vorrichtung, die in der vorangehend erwähnten ersten bevorzugten Ausführung diskutiert werden, mit den identischen Zahlen versehen, und es wird diesbezüglich keine detaillierte Erklärung vorgelegt.
Die Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit, die bei der zweiten bevorzugten Ausführung betrachtet wird, ist in einer derartigen Weise eingerichtet, daß der Kompensationsheizkörper 10, auf den man sich in der ersten bevorzugten Ausführung bezieht, weggelassen wird, und daß die Wärmekompensationsplatte 50 im unteren Wärmeisolator 5 bereitgestellt wird. Die Wärmekompensationsplatte 50 enthält wie der Wärmestrommesser 15 und die kompensierende Kühlplatte 16 einen Strömungsweg, der darin in Form einer Spirale (nicht gezeigt) ausgebildet ist, für das Wasser, das als fließendes Medium für die Wärmemessung mittels eines Umlaufsystems der Wärmemeßplatte 15, der kompensierenden Kühlplatte 16 und der Wärmekompensationsplatte 50 zugeführt wird.
Dieses Umlaufsystem, das aus den Hauptbauteilen besteht, die in Fig. 9 gezeigt werden, die eine Umlaufpumpe 51 (Vorrichtung für die Zuführung unter Druck) und einen Kühler 52 (Vorrichtung für die Regulierung der Temperatur), der auf der Druckseite der Umlaufpumpe 51 installiert ist, umfassen, ist so konstruiert, daß das Wasser für den Wärmeübergang durch Pumpen des Wassers mittels der Umlaufpumpe 51 zum Kühler 52 in Umlauf gebracht wird, wo das Wasser auf eine vorgeschriebene Temperatur abgekühlt wird, bevor es durch die verzweigten Zuführrohre 55 und 56 über die Durchflußregler 53 und 54 zum Wärmestrommesser 15 und die kompensierende Kühlplatte 16 und danach durch diese hindurch geführt wird, wie durch die Pfeile und die gestrichelten Linien in Fig. 8 gezeigt wird, worauf es durch die Verbindungsrohre 57 und 58 (als Rohrleitungsverläufe in Fig. 9 gezeigt), die im unteren Wärmeisolator 5 vorhanden sind, und danach durch die vorangehend erwähnte Wärmekompensationsplatte 50 gelangt und danach durch ein Rücklaufrohr 59 und einen Behälter 60 zum Kühler 52 zurückgepumpt wird.
Mit dem vorangehend erwähnten Kühler 52 sind ein Zuführrohr 61, das mit einem Durchflußregler 63 für das primäre Kühlwasser ausgestattet ist, und ein Rücklaufrohr 62 verbunden. Der Grad der Öffnung dieses Durchflußreglers 63 wird durch den Temperaturanzeiger/regler 65 entsprechend der Temperatur im Austritt des Kühlers 52 eingestellt, wodurch es möglich wird, diese Temperatur auf einem bestimmten Niveau (beispielsweise 50ºC) zu halten.
Die Temperatur des Wassers, das dem Wärmestrommesser 15 durch das Zuführrohr 55 zugeführt wird, wird mittels eines Thermoelementes 66 gemessen, während die Durchflußmenge durch die Einstellung des Durchflußreglers 53 reguliert wird. Diese Durchflußmenge wird so eingestellt, daß der Temperaturanstieg, wenn das Wasser durch den Wärmestrommesser 15 hindurchgeht, ein bestimmter Wert ist (beispielsweise 5ºC oder so etwa). Ist sie erst einmal eingestellt, so wird die Durchflußmenge durch den Durchflußregler konstant gehalten, der automatisch durch einen Durchflußmesser 67 und einen Durchflußmesser 68 gesteuert wird.
Die Menge des Wassers, die durch das Zuführrohr 56 der kompensierenden Kühlplatte 16 zugeführt wird, wird durch den vorangehend erwähnten Durchflußregler 54 gesteuert, der durch einen Temperaturanzeiger/regler 71 entsprechend der Austrittstemperatur des Wärmestrommessers 15 und der der kompensierenden Kühlplatte 16, die durch die Thermoelemente 69 und 70 gemessen werden, eingestellt wird, so daß die Austrittstemperaturen einander gleich sein können, während die Menge des Durchflusses durch einen Durchflußmesser 72 angezeigt wird.
Außerdem sind, wie in Fig. 9 gezeigt wird, die untere Oberfläche der genormten Wärmeübergangsplatte 30, die untere Wärmemeßplatte 31 und die obere Wärmemeßplatte 32 mit den Thermoelementen 73, 74 und bzw. 75 ausgestattet, während die Innenseite und die Außenseite des Wärmeisolators 35 mit zwei Paaren von Thermoelementen ausgestattet sind, die aneinander angrenzen, d. h., insgesamt entsprechend vier Thermoelemente 76.
Um die Wärmeleitfähigkeit des Prüfkörpers S bei einer hohen Temperatur mit der Anordnung der Vorrichtung, wie sie vorangehend beschrieben wird, zu messen, ist der Prüfkörper S zuerst in der Meßkammer 8 anzuordnen, die Meßkammer 8 ist mit dem oberen Wärmeisolator 6 fest zu verschließen, und gleichzeitig ist der Deckel 4 des Ofens 1 zu schließen, die Meßkammer 8 ist mit dem Hauptheizkörper 9 bis zu einer vorgeschriebenen voreingestellten Temperatur zu erwärmen, und die Innentemperatur des Prüfkörpers S ist auf der Temperatur zu halten, bei der die Wärmeleitfähigkeit gemessen werden soll.
Die Umlaufpumpe 51 des Umlaufsystems ist ebenfalls in Betrieb zu nehmen, die Wassertemperatur im Austritt des Kühlers 52 ist konstant zu halten, beispielsweise auf 50ºC, und durch die Zuführrohre 55 und 56 ist Wasser dem Wärmestrommesser 15 und bzw. der kompensierenden Kühlplatte 16 mit den vorgeschriebenen Durchflußmengen zuzuführen. Im Falle einer Einstellung ist die Durchflußmenge des Wassers, das dem Wärmestrommesser 15 zugeführt wird, wie vorangehend beschrieben, so zu regulieren, daß ein Anstieg der Wassertemperatur um 5ºC oder so etwa erhalten wird (d. h. so, um eine Austrittstemperatur aus dem Wärmestrommesser 15 von 55ºC oder so etwa zu erhalten). Gleichzeitig wird die Durchflußmenge des Wassers zur kompensierenden Kühlplatte 16 automatisch durch die Thermoelemente 69 und 70, den Temperaturanzeiger/regler 71 und den Durchflußregler 54 so eingestellt, daß die Wassertemperatur im Austritt der kompensierenden Kühlplatte 16 der Wassertemperatur im Austritt des Wärmestrommessers 15 gleicht (d. h., 55ºC oder so etwa). Im Ergebnis dessen werden die Temperatur des Wärmestrommessers 15 und die der kompensierenden Kühlplatte auf dem gleichen Niveau gehalten, während Wasser mit einer Temperatur von etwa 55ºC in die Wärmekompensationsplatte 50 von sowohl der Meßplatte 15 für den Wärmestrom als auch der kompensierenden Kühlplatte 16 strömt, wodurch bewirkt wird, daß diese Wärmekompensationsplatte die Austrittstemperatur beibehält.
Wenn eine unveränderliche Temperatur in der Meßkammer 8, dem Prüfkörper S und dem Wasser als fließendem Medium für die Wärmemessung erreicht ist, ist die Temperatur an der oberen (vorderen) Oberfläche 1 und der unteren (hinteren) Oberfläche 2 des Prüfkörpers S mit den Thermoelementen 75 und 74 zu messen. Ebenfalls sind die Temperatur des Wassers, das durch den Wärmestrommesser 15 strömt, im Eintritt und im Austritt mit den Thermoelementen 66 und 69 ebenso wie die Durchflußmenge mit dem Durchflußmesser 67 genau zu messen, um die durch den Wärmestrommesser 15 aufgenommene Wärme zu ermitteln, d. h., die durch den Prüfkörper S übertragene Wärme Q. Die Wärmeleitfähigkeit Lambda bei der eingestellten Temperatur des Prüfkörpers S ist ebenfalls mittels der vorangehend erwähnten Gleichung (1) aus dem Wärmestrom Q, der Temperatur θ&sub1; der oberen Oberfläche und der Temperatur θ&sub2; der unteren Oberfläche des Prüfkörpers S sowie dem Abstand z von dessen Oberfläche zu ermitteln. In diesem Fall gleicht die wirksame Fläche A des Prüfkörpers S der Fläche des Wärmestrommessers 15.
In der Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit bei der bisher beschriebenen zweiten bevorzugten Ausführung wird Wasser als zirkulierendes fließendes Medium eingesetzt, und aus diesem Grund muß ein Meßgas nicht in großen Mengen verbraucht werden, und es besteht dabei auch nicht die Notwendigkeit einer großen Wärmemenge für das Vorerwärmen des Meßgases, so daß die Betriebskosten wesentlich reduziert werden können.
Da bei der vorangehend erwähnten Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit außerdem ein fließendes Medium mit der gleichen Temperatur wie der des Wassers, das dem Wärmestrommesser 15 zugeführt wird, ebenfalls der kompensierenden Kühlplatte 16 zugeführt wird, werden die Temperaturen der beiden Platten auf einem Niveau gehalten, das einander gleicht, wodurch es möglich wird, den Wärmestrom zwischen den Platten zu eliminieren, und da die Wassermassen, die durch die Platten hindurchgegangen sind, mit der gleichen Temperatur zur Wärmekompensationsplatte 50 strömen, wird die Temperatur des unteren Wärmeisolators 5 auf einem Niveau gehalten, das etwas höher ist als das der Platten, so daß der Wärmestrom zwischen dem Wärmestrommesser 15 und dem unteren Wärmeisolator 5 klein genug wird, so daß er vernachlässigt werden kann. Bei dieser Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit ist es daher möglich, den Fehler bei der Messung der Menge des Wärmestromes, der durch den Wärmestrommesser gemessen wird, zu minimieren und weiter die Genauigkeit der Messung der Wärmeleitfähigkeit weiter zu verbessern. Im Ergebnis dessen wird es möglich, den Kompensationsheizkörper 10 wegzulassen, der in der Vorrichtung erforderlich war, die in Fig. 1 gezeigt wird, und daher die Vereinfachung und Miniaturisierung der Vorrichtung zu realisieren.
In der Vorrichtung entsprechend der zweiten bevorzugten Ausführung kann andererseits ein Meßfehler infolge der Wärmestrahlung zum äußeren Abschnitt vom Wärmeisolator 35 aus, der um den Prüfkörper S herum angeordnet ist, in Betracht gezogen werden. Wir können jedoch leicht den gemessenen Wert korrigieren und daher weiter die Genauigkeit der Messung verbessern, indem die Innentemperatur des Isolators 35 mit den Thermoelementen 76 gemessen und die Wärmemenge berechnet wird, die vom Wärmeisolator 35 verlorengeht.
Ebenfalls in den Fällen, beispielsweise wenn die vorangehend erwähnte Kompensationsplatte nicht eingesetzt wird, kann die Dicke des unteren Wärmeisolators 5 groß genug gemacht werden, um das Risiko eines Meßfehlers zu vermeiden, und die Wärmekompensationsplatte 50 kann weggelassen werden. Wenn sich in diesem Fall die Wassermassen, die aus dem Wärmestrommesser 15 und der kompensierenden Kühlplatte 16 herausströmen, in einem Kanal treffen können, dessen Rückführung im unteren Wärmeisolator 5 schlängelartig verläuft, dann kann man eine gleichwertige Wirkung wie in dem Fall erreichen, bei dem die Wärmekompensationsplatte 50 vorhanden ist.
In der Vorrichtung entsprechend dem vorangehend erwähnten Fall besteht das Temperaturregelsystem aus einem Kühler 52, und das zirkulierende Wasser wird auf einer konstanten Temperatur gehalten, indem die Menge des primären Kühlwassers, das diesem Kühler 52 zugeführt wird, reguliert wird. Es ist dennoch durchaus möglich, das Temperaturregelsystem in einer anderen Weise einzurichten, beispielsweise wie es in Fig. 10 gezeigt wird. Das Temperaturregelsystem 80, das in Fig. 10 gezeigt wird, und das aus einem Kühler 81, der mit dem Kühler 52 identisch ist, auf den man sich im vorangegangenen Fall bezog, und einer Heizvorrichtung 83, die mit einem Heizkörper 82 ausgestattet ist, besteht, muß so betrieben werden, daß das Wasser, das mit einer erhöhten Temperatur zurückkommt (etwa 55ºC im Anwendungsbeispiel entsprechend dem vorangehend erwähnten Fall), übermäßig auf 45ºC oder so etwa abgekühlt und danach durch die Heizvorrichtung 83 auf eine vorgeschriebene Temperatur (50ºC) erwärmt wird. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, die Wassertemperatur im Austritt des Kühlers 81 genau zu regulieren (daher kann der Durchflußregler, auf den man sich im vorangehend erwähnten Fall bezog, weggelassen werden), sondern es reicht aus, die Wassertemperatur im Austritt des Heizkörpers 83 nur durch Regulieren der Ausgangsleistung des Heizkörpers 82 zu regulieren. Die Einrichtung eines Temperaturregelsystems 80 auf diese Weise ermöglicht eine genauere und leichtere Regulierung der Temperatur des zirkulierenden Wassers.
Außerdem können als fließendes Medium für die Wärmemessung nicht nur eben Wasser, sondern auch Öle oder Gase verwendet werden. In dem Fall, daß ein bestimmtes Gas als fließendes Medium für die Wärmemessung eingesetzt wird, reicht es dann aus, beispielsweise ein Gebläse anstelle der Umlaufpumpe einzusetzen und Durchflußregler und Durchflußmesser für die Gase zu verwenden.
Obgleich im vorangehend erwähnten Fall die Vorrichtung in einer aufrechtstehenden Ausführung realisiert ist, ist es außerdem auch durchaus möglich, die Vorrichtung als horizontale Ausführung zu realisieren, die so eingerichtet wird, daß der Prüfkörper S in einer vertikalen Position in der Meßkammer angeordnet wird.
Jetzt wird im folgenden Text die dritte bevorzugte Ausführung mit Bezugnahme auf Fig. 11 bis 16 erklärt.
Die Vorrichtung entsprechend der dritten bevorzugten Ausführung weicht von der entsprechend der zweiten bevorzugten Ausführung darin ab, daß die genormte Wärmeübergangsplatte 30 weggelassen und der Prüfkörper S in deren Position angeordnet wird; daß der Prüfkörper S in einem Gehäuse 100 anstelle des Wärmeisolators 35 vorhanden ist; und daß das Gehäuse 100 und die obere Seite des Prüfkörpers S mit einer Wärmeübergangsplatte 101 abgedeckt sind.
Das Gehäuse 100, das eine zylindrische Form aufweist, ist so angeordnet, daß seine untere Seite einen guten Kontakt mit der oberen Seite der kompensierenden Kühlplatte 16 aufweist, während seine Außenseite einen guten Kontakt mit der Innenseite des seitlichen Wärmeisolators 7 zeigt. Dieses Gehäuse 100, wie es in Fig. 12 gezeigt wird, besteht aus dünnen Schichten des Wärmeisolators 100a, der beispielsweise aus Formplatten aus Graphitfasern besteht, die dicht zu einer Spirale einer mehrschichtigen Konstruktion gewickelt sind. Infolge der besonderen Form, die durch das Wickeln der dünnen Schicht des Wärmeisolators 100a, wie es vorangehend beschrieben wird, erhalten wird, weist dieses Gehäuse 100 eine Wärmeleitfähigkeit in der axialen Richtung (Dickenrichtung) auf, die wesentlich (beispielsweise etwa 10-mal) größer ist als die in der radialen Richtung. Das bedeutet, daß das Gehäuse 100 die Wärme leicht in der axialen Richtung überträgt, aber mit Schwierigkeiten in der radialen Richtung. Die Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses 100 in der axialen Richtung ist im wesentlichen ebenfalls größer als die des vorangehend erwähnten seitlichen Wärmeisolators 7 (beispielsweise etwa 5-mal). Es ist wünschenswert, daß die Leitfähigkeit in der axialen Richtung wesentlich größer ist als sogar die erwartete Wärmeleitfähigkeit des Prüfkörpers S.
Im Inneren dieses Gehäuses 100 ist eine untere Wärmemeßplatte 102 angeordnet, die mit ihrer unteren Oberfläche einen guten Kontakt mit der oberen Oberfläche des Wärmestrommessers 15 und mit der kompensierenden Kühlplatte 16 aufweist, während auf ihrer oberen Seite der Prüfkörper S angeordnet wird, dessen Wärmeleitfähigkeit gemessen werden soll, und auf dessen oberen Oberfläche wird die vorangehend erwähnte Wärmeübergangsplatte 101 angeordnet. Diese Wärmeübergangsplatte 101 bedeckt die obere Oberfläche des Prüfkörpers S und die des Gehäuses 100, um die Temperatur der oberen Oberfläche des Prüfkörpers S auf dem gleichen Niveau wie dem des Gehäuses 100 zu halten. Die Thermoelemente (nicht gezeigt) für die Messung der oberen und bzw. der unteren Temperatur des Prüfkörpers S werden in die vorangehend erwähnte untere Wärmemeßplatte 102 und die Wärmeübergangsplatte 101 eingesetzt.
Die Wärmeübergangsplatte 101, die in Fig. 11 als eine Platte gezeigt wird, kann ebensogut in zwei Abschnitte unterteilt werden, wenn erforderlich, wobei einer die obere Oberfläche des Prüfkörpers S und der andere die des Gehäuses 100 bedeckt.
In der vorangehend erwähnten Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit entsprechend der dritten bevorzugten Ausführung wird das Gehäuse 100 innerhalb der Meßkammer 8 angeordnet, während der Prüfkörper S im Inneren des Gehäuses 100 angeordnet wird, dessen Wärmeleitfähigkeit in der axialen Richtung wesentlich größer ist als in der radialen Richtung (d. h., die Wärme wird leichter geleitet), so daß der Wärmestrom in diesem Gehäuse 100, wie durch die Pfeile in Fig. 14(a) gezeigt wird, hauptsächlich in der axialen Richtung stattfindet, d. h., nach unten zu, während der Strom in der radialen Richtung, d. h., der seitliche Strom, begrenzt wird. Da ein Wärmeisolator 7 außerhalb des Gehäuses bereitgestellt wird, wird der Wärmestrom vom Gehäuse 100 zum Wärmeisolator 7 durch diesen begrenzt, wobei ebenfalls der Wärmestrom in der axialen Richtung unterdrückt wird.
Da die obere Oberfläche des Prüfkörpers S und die des Gehäuses 100 mit der Wärmeübergangsplatte 101 abgedeckt wird, werden ebenfalls ihre beiden Temperaturen auf einem gleichen Niveau gehalten. Da die untere Oberfläche des Gehäuses 100 mit der kompensierenden Kühlplatte 16 abgedeckt wird, um deren Temperatur der unteren Oberfläche auf dem gleichen Wert wie dem des Prüfkörpers S zu halten, werden außerdem die Innentemperaturen des Prüfkörpers S und des Gehäuses 100 auf fast dem gleichen Wert im gleichen horizontalen Schnitt gehalten, wodurch der Wärmestrom zwischen ihnen wirksam verhindert werden kann. Eine weitere Erklärung betreffs dieser Tatsache wird im folgenden mit Bezugnahme auf Fig. 14 vorgelegt. Nimmt man die Temperatur an der Stelle A auf der oberen Oberfläche und der Stelle B auf der unteren Oberfläche des Prüfkörpers S mit T&sub1; und bzw. T&sub2; an, dann wird die Innentemperatur des Prüfkörpers S durch eine Temperaturkurve x gekennzeichnet, wie sie mittels der Vollinie in Fig. 14(b) gezeigt wird. Die Kurve der Innentemperatur in einem derartigen Fall ist im allgemeinen extrem gleich, selbst zwischen Materialien mit im Grunde genommen unterschiedlichen Werten der Wärmeleitfähigkeit. Folglich wird dann in dem Fall, wenn die Temperatur an der Stelle C auf der oberen Oberfläche des Gehäuses 100 gleich T&sub1; ist, d. h., die gleiche wie an der Stelle A, und die Temperatur an der Stelle D auf der unteren Oberfläche des Gehäuses im gleichen horizontalen Schnitt wie die untere Oberfläche des Prüfkörpers S gleich T&sub2; ist, d. h., die gleiche wie an der Stelle B, die Innentemperatur des Gehäuses 100 eine Charakteristik annehmen, wie sie durch die Temperaturkurve Y gezeigt wird, die mittels einer gestrichelten Linie in Fig. 14(b) gezeichnet wurde. Diese Temperaturkurven X und Y scheinen fast identisch miteinander zu sein, d. h. beide Innentemperaturen sind miteinander fast an jeder Stelle im gleichen horizontalen Schnitt identisch. Diese Tatsache wird noch deutlicher, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses 100 größer ist als die erwartete Wärmeleitfähigkeit des Prüfkörpers S. Folglich ist es wünschenswert, die Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses 100 in der axialen Richtung entsprechend größer einzustellen.
Um das Auftreten eines Fehlers infolge einer Differenz bei der Kurve des relativen Temperaturanstieges der Wärmeleitfähigkeit zu verhindern, ist es wünschenswert, mehrere Gehäuse 100 anzufertigen, wobei ein jedes aus einem Material besteht, das von den anderen hinsichtlich seiner Eigenschaften abweicht, und jenes für einen Einsatz auszuwählen, das hinsichtlich der Eigenschaften dem Prüfkörper S gleicht.
Aus der vorangegangenen Beschreibung kann gesehen werden, daß die Temperaturen des Prüfkörpers S, des Gehäuses 100 und des Wärmeisolators 7 die Verteilungszustände darstellen, wie sie durch die Isothermen R&sub1; bis R&sub6; in Fig. 13 gezeigt werden, die zeigt, daß die Innentemperatur des seitlichen Wärmeisolators 7 in starkem Maße in der Richtung nach außen reduziert wird, während keine Temperaturdifferenz zu verzeichnen ist, die sich im gleichen horizontalen Schnitt des Prüfkörpers S und des Kompensationszylinders 100 für den Wärmestrom entwickelt hat. Folglich findet fast überhaupt kein Wärmestrom zwischen dem Prüfkörper S und dem Gehäuse 100 statt, und die Wärme im Inneren des Prüfkörpers S strömt ausschließlich in der Dickenrichtung und nicht seitwärts. Im Ergebnis dessen ist es bei dieser Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit möglich, die Genauigkeit der Messung der Menge des Wärmestromes Q durch den Wärmestrommesser 15 wesentlich zu verbessern und daher die Genauigkeit der Messung der Wärmeleitfähigkeit.
Wie in Fig. 15 gezeigt wird, kann man ebensogut einen weiteren Wärmeisolator 103 in zylindrischer Form im Inneren des Gehäuses 100 anordnen. In diesem Fall kann dieser Wärmeisolator 103 in einer normalen Ausführung vorhanden sein oder in der gleichen Weise eingerichtet werden, wie der vorangehend erwähnte Kompensationszylinder 100 für den Wärmestrom. Wie daraus zu ersehen ist, können wir durch ein zusätzliches Bereitstellen des Wärmeisolators 103 im Inneren des Gehäuses 100 weiter den Einfluß einer eventuellen nicht vernachlässigbaren Differenz bei den Temperaturkurven x und Y, die in Fig. 14(b) gezeigt werden, reduzieren.
Obwohl in der vorangegangenen Beschreibung ein Beispiel vorgelegt wurde, bei dem das Gehäuse 100 als Spirale aufgebaut ist, die durch Wickeln von dünnen Streifen des Wärmeisolators 100a hergestellt wurde, wobei eine Formplatte aus Graphitfasern als Wärmeisolator 100a eingesetzt wird, ist die Konfiguration des Gehäuses nicht nur auf die vorangehend erwähnte Ausführung begrenzt, sondern es kann ebenfalls ein Gehäuse 100 eingesetzt werden, das durch Wickeln von zwei dünnen Plattenstreifen aus unterschiedlichen Materialien, wobei einer oben auf den anderen gelegt wird, hergestellt wird.
Wenn wir in diesem Fall den laminaren Wärmeisolator 100a einsetzen, wie beispielsweise Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Papier als eine der zwei Schichten und ein stark wärmeleitfähiges Material, wie beispielsweise eine Metallplatte 100b, als die andere Schicht, dann können wir nicht nur eine gute Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung infolge der Metallplatte 100b sichern, sondern ebenfalls die Möglichkeit erhalten, das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit Dicke-zu-Durchmesser infolge des Wärmeisolators 100a, der die Wärmeleitfähigkeit in der radialen Richtung unterdrückt, zu vergrößern. Außerdem erweist sich die Mehrschichtwicklung einer Kombination des Wärmeisolators aus Graphit und der Graphitfolie als wirksam für einen Einsatz bei hohen Temperaturen. Oder man kann ebensogut das Gehäuse herstellen, indem eher ein Material mit einer derartigen Eigenschaft verwendet wird, daß seine Wärmeleitfähigkeit entsprechend der Richtung verändert wird, anstelle daß das Wickeln der Schichten zur Anwendung gebracht wird, wie es vorangehend beschrieben wird.
Jetzt wird im folgenden Text die vierte bevorzugte Ausführung mit Bezugnahme auf Fig. 17 erklärt.
Die Vorrichtung entsprechend der vierten bevorzugten Ausführung besteht aus einem zweiten Ofen, dessen Innenseite durch eine Schicht 120 in die Meßkammer 8, in der der Prüfkörper S angeordnet wird, und eine Vakuumkammer 121, in der ein Vakuum gebildet werden kann, geteilt wird.
Die Schicht 120, die eine scheibenartige Form aufweist, wird so eingebaut, daß ihr Umfang zwischen den ringförmigen Flanschen 122 und 123, die an der inneren Oberfläche des Gehäuses 1 befestigt sind, eingesetzt wird, während zwischen dem Flansch 122 und der Schicht 120 eine Dichtung 124 für die Beibehaltung eines Vakuums, das in der Vakuumkammer 121 gebildet wird, angeordnet wird. Diese Schicht 120, die aus einer Metallplatte mit einer ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit besteht (beispielsweise einer Platte aus nichtrostendem Stahl), und deren Dicke angemessen dünn ist (beispielsweise etwa 0,3 mm), muß eine angemessene Festigkeit aufweisen, um den Differenzdruck zwischen der Vakuumkammer 121 und der Meßkammer 8 auszuhalten.
An der unteren Innenseite der Meßkammer 8 ist ein Wärmeisolator 35 in zylindrischer Ausführung auf dem oberen Abschnitt der Schicht 120 angeordnet, wobei dessen Innenseite so angeordnet ist, daß die genormte Wärmeübergangsplatte 30 einen festen Kontakt mit der oberen Oberfläche der Schicht 120 aufweist. Auf der oberen Oberfläche der genormten Wärmeübergangsplatte 30 ist eine untere Wärmemeßplatte 31 angeordnet, auf der der Prüfkörper S angeordnet wird, dessen Wärmeleitfähigkeit gemessen werden soll, und auf dessen Oberseite eine obere Wärmemeßplatte 32 angeordnet ist.
Im Inneren der Vakuumkammer 121 ist auf der unteren Seite der Schicht 120 die scheibenförmige Wärmemeßplatte 29 angeordnet, die fest an der unteren Seite der Schicht 120 angebracht ist, und in der Mitte der unteren Seite dieser ist der Wärmestrommesser 15 angeordnet, um den herum die kompensierende Kühlplatte 16 angeordnet ist, die durch eine Stütze 125 getragen wird, die auf dem Boden des Ofens 1 aufliegt, während die vorangehend erwähnte Wärmemeßplatte 15 durch eine Haltevorrichtung 126 getragen wird, die an der kompensierenden Kühlplatte 16 befestigt ist. Auf der unteren Oberfläche dieser kompensierenden Kühlplatte ist eine reflektierende Platte 127 angeordnet, die die untere Seite des Wärmestrommessers 15 bedeckt. Die reflektierende Platte 127 besteht aus einem Metall mit einer ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit, wobei ihre obere Oberfläche (die Oberfläche, die dem Wärmestrommesser 15 gegenüberliegt) mit einer Spiegelfläche mit der Güteklasse eines Metallglanzes mit einem extrem kleinen Strahlungskoeffizienten versehen wurde.
Bei dieser Vorrichtung entsprechend der vierten bevorzugten Ausführung kann die Wärmestrahlung auf einen fast vernachlässigbaren Grad reduziert werden, wenn die Messungen durchgeführt werden, indem die Vakuumkammer 121 unter einem Vakuum gehalten wird, so daß eine angemessene Genauigkeit der Messung erhalten werden kann.
Mit anderen Worten, da der Wärmestrommesser 15 in dieser Vorrichtung in der Vakuumkammer 121 angeordnet ist, tritt die Wärme, die aus diesem Wärmestrommesser 15 an die Umgebung verlorengeht, fast ausschließlich durch Strahlung auf, ohne daß es zu einem großen Wärmeverlust kommt, wie es der Fall bis jetzt durch den Wärmeübergang und die Konvektion gewesen ist. Außerdem ist ebenfalls beabsichtigt, daß die reflektierende Platte selbst, die auf der unteren Seite des Wärmestrommessers 15 angeordnet ist, den Verlust an Strahlungswärme von der kompensierenden Kühlplatte 16 so reduziert, daß die kompensierende Kühlplatte 16 eine Temperatur annimmt, die ebenfalls der des Wärmestrommessers 15 gleichwertig ist.
Ein möglicher anderer Wärmeverlust als der durch die Strahlung ist der Wärmeübergang vom Wärmestrommesser 15 zur kompensierenden Kühlplatte 16 durch die Haltevorrichtung 126, die den Wärmestrommesser 15 trägt. Der Wärmestrom durch die Haltevorrichtung 126 kann jedoch fast vernachlässigt werden, da fast die gleiche Temperatur zwischen dem Wärmestrommesser 15 und der kompensierenden Kühlplatte 16 aufrechterhalten wird.
Betreffs der Schicht 120 selbst kann man andererseits davon ausgehen, daß der Wärmeübergang von der kompensierenden Kühlplatte 16 an die Umgebung erfolgt, wodurch eine Temperaturdifferenz zwischen der kompensierenden Kühlplatte 16 und dem Wärmestrommesser 15 hervorgerufen wird. Die übertragene Wärme kann jedoch fast vernachlässigt werden, da die Dicke der Schicht 120 ausreichend gering ist. Genauer gesagt, die Wärme, die von der kompensierenden Kühlplatte 16 an die Umgebung durch die Schicht 120 übertragen wird, ist der Fläche des Wärmeüberganges A&sub1; proportional, die als Produkt der Länge des Umfanges der kompensierenden Kühlplatte 16, multipliziert mit der Dicke der Schicht 120, erhalten wird. Diese Fläche des Wärmeüberganges A&sub1; kann wie folgt ausgedrückt werden, wenn die äußere Abmessung der kompensierenden Kühlplatte 16 gleich D und die Dicke der Schicht 120 gleich z angenommen wird:
A&sub1; = dπD
Mittlerweile kann die Wärmeübergangsfläche A&sub2; zwischen der Schicht 120 einerseits und der kompensierenden Kühlplatte 16 und dem Wärmestrommesser 15 wie folgt ausgedrückt werden:
A&sub2; = (π/4)D²
Daher wird das Verhältnis der zwei Flächen betragen:
α = A&sub2;/A&sub1; = D/4d
Dieser Wert α wird beträchtlich groß, wenn der Wert z wesentlich kleiner ist als der Wert D. Beispielsweise, wenn D = 50 cm, z = 0,03 cm (0,3 mm), dann ist α gleich etwa 417. Das bedeutet, daß die zum äußeren Umfang durch die Schicht 120 übertragene Wärme in der Größenordnung von 1/100 der in der Dickenrichtung liegt und als solche, so kann man sagen, nahezu vernachlässigbar ist. Mittlerweile, wenn wir die Temperatur der kompensierenden Kühlplatte 16 immer auf dem gleichen Niveau wie dem des Wärmestrommessers 15 halten, indem die Temperatur oder die Menge des Stromes des fließenden Mediums für die Wärmemessung, das der kompensierenden Kühlplatte 16 zugeführt wird, reguliert wird, können wir dann den Einfluß der vorangehend erwähnten übertragenen Wärme auf die Genauigkeit der Messung eliminieren, selbst wenn diese Wärmemenge nicht vernachlässigbar ist.
Mittlerweile bewirkt bei dieser Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit die Vakuumkammer 121, die luftleer gemacht wurde, die Entwicklung eine Differenzdruckes zwischen der Meßkammer 8 und der Vakuumkammer 121. der dann auf die Schicht 120 ausgeübt wird. Die Schicht 120 selbst, die eine angemessene Festigkeit aufweist, wird jedoch mittels der Flansche 122 und 123 am Umfang befestigt und durch die Stütze 125 durch die kompensierende Kühlplatte 16 hindurch getragen.
Mittlerweile wird die Schicht 120 infolge des Differenzdruckes zwischen der oberen und der unteren Seite der Schicht 120 fest gegen die Wärmemeßplatte 29 gepreßt, während die obere Wärmemeßplatte 32, der Prüfkörper S und die untere Wärmemeßplatte 31 sowie die genormte Wärmeübergangsplatte 30 alle auch fest gegen die Schicht 120 gepreßt werden, so daß die Entwicklung eines Spaltes zwischen ihnen natürlich vermieden wird, und daher wird der Wärmeübergang zwischen ihnen in einem günstigen Zustand gehalten. In dieser Hinsicht kann auch die Genauigkeit der Messung verbessert werden.
Es muß ebenfalls beachtet werden, daß die genormte Wärmeübergangsplatte, die auf der oberen Seite der Schicht 120 angeordnet ist, weggelassen werden kann, wenn keine besondere Notwendigkeit dafür vorhanden ist, wodurch bewirkt wird, daß die untere Wärmemeßplatte 31 fest an der oberen Seite der Schicht 120 haftet.
Obgleich im vorangehend erwähnten Fall ein Beispiel vorgelegt wird, bei dem eine Metallplatte, wie beispielsweise eine aus nichtrostendem Stahl, als Schicht 120 eingesetzt wird, kann ebensogut auch irgendein anderes Material verwendet werden, solange wie ein derartiges Material angemessen dünn maschinell bearbeitet werden kann und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Claims

1. Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit eines Prüfkörpers (S), bei der der Prüfkörper eine erste und eine zweite Oberfläche und einen Umfang besitzt, wobei die Vorrichtung aufweist:

(a) eine Meßkammer (8), die einen Innenraum für das Halten des Prüfkörpers in dieser abgrenzt;

(b) eine Wärmequelle (9) für das gleichmäßige Erwärmen der ersten Oberfläche des Prüfkörpers;

(c) ein erstes Thermometer (34) für das Messen der Temperatur der ersten Oberfläche des Prüfkörpers; und

(d) ein zweites Thermometer (33) für das Messen der Temperatur der zweiten Oberfläche des Prüfkörpers;

und wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Innenraum adiabatisch geschlossen ist;

die Wärmequelle (9) sich im wesentlichen über den gesamten Querschnitt der Meßkammer so erstreckt, daß die Wärme gleichmäßig in den Innenraum gelenkt wird; und

eine Meßvorrichtung für den Wärmestrom (15, 30 bis 31), die sich über den Querschnitt der adiabatischen Kammer erstreckt, um eine Innenfläche dieser zu berühren, für das Berühren der zweiten Oberfläche des Prüfkörpers über dem Querschnitt der Kammer angeordnet ist, um die Temperatur der zweiten Oberfläche des Prüfkörpers auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten, und um die Wärmeenergie zu messen, die durch die zweite Oberfläche strömt;

worin die Meßkammer (8) den Prüfkörper so halten kann, daß die periphere Oberfläche des Prüfkörpers die Innenfläche der adiabatischen Kammer ebenso wie die Meßvorrichtung für den Wärmestrom über dem Querschnitt der Kammer berühren kann, wodurch die Wärmequelle gleichmäßig die erste Oberfläche des Prüfkörpers gleichmäßig über dem Querschnitt der Kammer erwärmen kann, wodurch ein im wesentlichen einseitig gerichteter Wärmestrom durch den Prüfkörper von der ersten Oberfläche des Prüfkörpers, durch den Prüfkörper hindurch und danach durch die zweite Oberfläche des Prüfkörpers erzeugt wird.

2. Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit nach Anspruch 1, bei der die Meßkammer (8) eine Außenschicht (6, 7) mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit und eine Innenschicht (14) mit einer starken Wärmeleitfähigkeit, die innerhalb der Außenschicht angeordnet ist, aufweist, und bei der der Prüfkörper (S) in einer Position gehalten wird, in der sein Umfang mit der Innenschicht in Berührung ist, um zu gestatten, daß die Wärme von der Wärmequelle dem Umfang des Prüfkörpers durch die Innenschicht zugeführt wird, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen den mittleren und den äußeren Abschnitten des Prüfkörpers minimiert wird.

3. Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit nach Anspruch 1, bei der die Meßvorrichtung für den Wärmestrom (15, 30-32) aufweist:

(a) eine erste Meßeinrichtung (15), die in Berührung mit der zweiten Oberfläche des Prüfkörpers (S) installiert ist, um die Temperatur der zweiten Oberfläche auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten, und um den Wärmestrom durch den Prüfkörper zu messen; und

(b) eine zweite Meßeinrichtung (16), die in Berührung mit dem Umfang der ersten Meßeinrichtung installiert ist, um die Temperatur des Umfangs auf der vorgegebenen Temperatur zu halten, und um den Wärmestrom durch den Umfang zu messen, wodurch der Wärmeverlust durch den Umfang der ersten Meßeinrichtung begrenzt wird.

4. Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit nach Anspruch 1, bei der die Meßvorrichtung für den Wärmestrom aufweist:

(a) eine Meßvorrichtung (15) für den Wärmestrom, die darin einen Strömungsweg (17) aufweist;

(b) eine Einrichtung (20, 21) für die Zuführung des fließenden Mediums, um dem Strömungsweg ein fließendes Medium mit einer vorgeschriebenen Temperatur zuzuführen, und um das fließende Medium aus dem Strömungsweg zurückzugewinnen; und

(c) eine Meßvorrichtung für die Temperaturdifferenz, um die Temperaturdifferenz zwischen dem zugeführten und dem zurückgewonnenen fließenden Medium zu messen, wodurch der Wärmestrom durch den Prüfkörper hindurch aus der Temperaturdifferenz des fließenden Mediums gemessen wird.

5. Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit nach Anspruch 4, bei der die Meßvorrichtung für den Wärmestrom aufweist: einen Eintritt (18) für das fließende Medium und einen Austritt (19) für das fließende Medium, die am äußeren peripheren Abschnitt dieser gebildet werden, und wobei der Strömungsweg (17) spiralförmig vom Eintritt für das fließende Medium zu einem mittleren Abschnitt des Wärmestrommessers und vom mittleren Abschnitt zum Austritt des fließenden Mediums gebildet wird, wodurch die mittleren Temperaturen der fließenden Medien, die aneinander angrenzen, etwa gleich sind, und wobei der Mittelwert der Temperatur über der zweiten Oberfläche des Prüfkörpers ermittelt wird.

6. Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit nach Anspruch 3, bei der die erste Meßeinrichtung der Meßvorrichtung für den Wärmestrom aufweist:

(a) eine Meßvorrichtung (15) für den Wärmestrom, das darin einen Strömungsweg (17) aufweist;

(b) eine erste Einrichtung für die Zuführung eines ersten fließenden Mediums, um ein erstes fließendes Medium mit einer vorgeschriebenen Temperatur dem Strömungsweg zuzuführen, und um das fließende Medium aus dem Strömungsweg zurückzugewinnen; und

(c) eine erste Meßvorrichtung für die Temperaturdifferenz, um die Temperaturdifferenz zwischen dem zugeführten und dem zurückgewonnenen ersten fließenden Medium zu messen; und bei der die zweite Meßeinrichtung (16) aufweist:

(d) einen Meßring für den Wärmestrom, der darin einen Strömungsweg (22) aufweist;

(e) eine zweite Einrichtung für die Zuführung des fließenden Mediums, um ein zweites fließendes Medium mit einer vorgeschriebenen Temperatur dem Strömungsweg zuzuführen, und um das zweite fließende Medium aus dem Weg zurückzugewinnen; und

(f) eine zweite Meßvorrichtung für die Temperaturdifferenz, um die Temperaturdifferenz zwischen dem zugeführten zweiten fließenden Medium und dem zurückgewonnenen zweiten fließenden Medium zumessen, wodurch der Wärmestrom durch den Prüfkörper entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten fließenden Medium gemessen wird.

7. Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit nach Anspruch 1, bei der die Kammer (8) so konstruiert ist, daß sie den zweiten Raum im Zustand des Vakuums hält, um somit den Wärmeverlust infolge der Konvektion von der Meßvorrichtung für den Wärmestrom zum zweiten Raum zu begrenzen.

8. Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß:

(a) eine Bezugsplatte (30) mit einer bekannten Wärmeleitfähigkeit so bereitgestellt wird, daß die erste Oberfläche der Bezugsplatte mit der zweiten Oberfläche des Prüfkörpers in Berührung ist;

(b) die Meßvorrichtung (15, 30) für den Wärmestrom in Berührung mit der zweiten Oberfläche der Bezugsplatte (31) angeordnet ist, um die Temperatur der zweiten Oberfläche der Bezugsplatte auf der vorgegebenen Temperatur zu halten, und um die Wärmeenergie zu messen, die durch die zweite Oberfläche hindurchströmt; und

(c) das zweite Thermometer für das Messen der Temperatur der zweiten Oberfläche der Bezugsplatte angeordnet ist.

9. Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit nach Anspruch 8, bei der das längliche laminare Wärmeübergangselement für Bezugszwecke spiralförmig von einem mittleren Abschnitt der Bezugsplatte aus zu dessen peripheren Abschnitt gewickelt ist, wobei ein Spalt zwischen den benachbarten Abschnitten des Elementes gebildet wird, wodurch die Wärmeleitfähigkeit der Bezugsplatte in der radialen Richtung kleiner ist als in der Dickenrichtung.

10. Vorrichtung für das Messen der Wärmeleitfähigkeit nach Anspruch 8, bei der die Bezugsplatte ein längliches laminares Wärmeübergangselement aufweist, das koaxial gewickelt ist, wobei ein Spalt zwischen den benachbarten Abschnitten des Elementes gebildet wird, wodurch die Wärmeleitfähigkeit der Bezugsplatte in der radialen Richtung kleiner ist als in der Dickenrichtung.