Способ определения контактных термических сопротивлений Советский патент 1992 года по МПК G01N25/18 

со

с

Изобретение относится к измерительной технике, приборостроению и может быть использовано в теплометрии. Цель изобретения - повышение точности определения контактных термических сопротивлений. Для этого последовательно пропускают одинаковый по величине тепловой поток через контактную пару и через единичный образец контактной пары, замеряют разность температур на нагреваемых и охлаждаемых торцовых поверхностях контактной пары и единичного образца и по полученным значениям рассчитывают контактное термическое сопротивление. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, приборостроению и может быть использовано в теплометрии.

Известен способ определения контактных термических сопротивлений при исследовании теплообмена в зоне контакта твёрдых тел, заключающийся в пропускании теплового потока через образец, состоящий из цилиндрических стержней диаметром 40 мм, соприкасающихся торцами. К верхнему торцу образца прижимается регулируемый электродвигатель, нижний торец охлаждается водой. Интенсивность теплообмена в плоскости контакта оценивается по величине проводимости контактов пары образца а. . Термическое сопротивление контакта определяется по формуле

й

Этот способ является сложным вследствие необходимости обеспечения высокой

точности в расстоянии заделки термопар и их обязательной идентичности показаний, что необходимо обеспечить при закреплении термопар перед каждым опытом во всех контактных парах образцов.

Известен также способ определения контактных термических сопротивлений, в котором электрический нагреватель размещают между двумя парами контактных образцов, симметричные и равные по величине тепловые потоки пропускают через каждую контактную пару образцов. По измеренному перепаду температур Ate двух сечениях до и после плоскости контакта с расстоянием Емежду ними и определенному по электрической мощности нагревателя тепловому потоку q рассчитывают термическое сопротивление участка со стыком Rf. По известному коэффициенту теплопроводности Я материала контактных образцов и сечению цилиндров вычисляют

00

о

Ю

термическое сопротивление цилиндра длиной f, без стыка R. Термическое сопротивление контакта определяют как разность двух указанных сопротивлений, т.е.

.-±Ч ..

Этот способ является сложным в экспериментальном осуществлении, так как каждая пара контактных образцов требует сверления отверстий для термопар, которые должны быть строго параллельны, т.е. типичный увод сверла при сверлении не допускается (этого требует точное знание расстояния заделки, термопар f, необходимое

для расчета R). Кроме того, способ требует обеспечения симметричного одинакового контактного термического сопротивления в плоскостях стыка в каждом из двух контактных пар одновременно исследуемых образцов, что сложно осуществить (т.е. трудно создать абсолютно одинаковое контактирование в отдельных пятнах ввиду неизбежности взаимного неприлегания плоскостей контактных пар вследствие наличия неровностей в виде шероховатости, волнистости или макронеровности), что приводит к перераспределению теплового потока и существенно снижает точность определения контактных термических сопротивлений.

Расчет RP в данном способе требует также дополнительных экспериментов по определению коэффициента теплопроводности Я, так как приводимые в таблицах значения Я для различных материалов имеют существенный разброс в измерениях вследствие погрешностей, величина которых имеет тот же порядок, что и величина контактных термических сопротивлений. Это снижает точность в расчетах RP и, соответственно, в определении контактного термического сопротивления RK.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути является способ определения контактного термического сопротивления, заключающийся в том, что в образце контактной пары создают тепловой поток, который замеряют по скорости испарения жидкого кислорода с помощью газового счетчика. Контактное термическое сопротивление определяют как разность замеренного полного термического сопротивления образца Кэксп. и расчетного термического сопротивления образца толщиной д без учета контакта Нрасч. Полное термическое сопротивление образца Рэксп- определяют как отношение разности температур между теплым и холодным концами контактной пары к тепловому потоку, т.е.

RK - Яэксп Roac4 -

At(5

эксп - гчрасч - -pi-

Недостатком этого способа является низкая точность в определении контактных термических сопротивлений вследствие того, что контактные термические сопротивления являются очень малыми определяемыми параметрами (в измерениях RK в основном находится в пределах

0 10

R

- 10 м At

град/Вт), поэтому расчет

эксп

не обеспечивает достаточной

5

0

5

0

5

0

5

степени точности вследствие используемого способа определения q. Кроме этого, расчет Ррасч требует предварительного

точного экспериментального определения коэффициента теплопроводности А , при котором неизбежно будет внесена погрешность на контактные термические сопротивления в плоскостях соприкоснове- ния образца с нагревателем и Холодильником. В практике теплофизических измерений контактные термические сопротивления трудно определимы, поэтрму они до настоящего времени не учитываются и переводятся в разряд погрешностей, которые могут достигать до 5%.

Целью изобретения является повышение точности определения контактных термических сопротивлений.

Исключение в измерениях коэффициента теплопроводности обеспечивает расширение области применения данного способа для образцов, в которых Я соизмеримы с контактным термическим сопротивлением.

Цель достигается тем, что после определения разности температур на поверхностях контактной пары такой же по величине тепловой поток, пропускают через единичный образец контактной пар, замеряют разность температур на его торцовых поверхностях, а величину контактного термического сопротивления рассчитывают по формуле

RK

ДТк.п.

где RK - контактное термическое сопротивление;

q - удельный тепловой поток;

A t,A Тк.п. - перепад температур между охлаждаемой и нагреваемой поверхностями единичного образца и контактной пары соответственно;

hi - высота единичного образца контактной пары;

h2 - высота контактной пары.

На фиг.1 показано устройство для осуществления предлагаемого способа при замере перепада температуры на поверхностях единичного образца;

на фиг.2 - то же, в исследуемой контактной паре.

Устройство содержит теплоизоляционный корпус 1, нагреватель 2. холодильник 3, исследуемые образцы 4 и 5 контактной пары, дифференциальную термопару 6, задат- чик 7 теплового режима, измеритель 8 температуры, датчик 9 теплового потока, измеритель 10 теплового потока.

Способ осуществляется следующим образом.

Образцы 4 и 5. составляющие контактную пару, имеющую высоту П2, изготавливают из одного и того же материала. В теплоизоляционный корпус 1 между нагревателем 2 и холодильником 3 устанавливают вначале образец 4. Задатчиком 7 теплового режима создают требуемый тепловой поток. После достижения стационарного теплового режима производят замер перепада температуры At по высоте hi образца 4 с помощью дифференциальной термопары. Затем между нагревателем 2 и холодильником 3 размещают второй образец 5 контактной пары. Задатчиком 7 теплового режима с помощью датчика 9 теплового потока создают тепловой поток, равный пропускаемому ранее через образец 4. После установления стационарного теплового режима дифференциальной термопарой 6 замеряют перепад температуры ДТк.п. между нагреваемой и охлаждаемой торцовыми поверхностями образцов 4 и 5, составляющих контактную пару высотой ha. Расчет контактного термического сопротивления производят по предлагаемой расчетной формуле.

Преимуществом этого способа является возможность использования образцов контактной пары в виде тонких пластин, что исключает использование системы автоматизации, обеспечивающей адиабэтность в измерениях, повышается точность путем уменьшения ошибок, связанных с неизбежностью теплопотерь боковых поверхностей образцов контактных пар, упрощается способ осуществления замеров контактных термических сопротивлений.

Пример. Эксперименты по определению контактных термических сопротивлений в контактных парах сталь-45 - еталь-45 проводили в лаборатории Воронежского ордена Дружбы народов лесотехнического института на установках, использующих предлагаемый способ определения контактных термических сопротивлений.

Для реализации предлагаемого способа готовили образцы диаметром 30 мм, Контактный образец представлял собой два соприкасающихся торцовыми поверхностями цилиндра высотой 5 мм каждый. Между холодильником и нагревателем при измерениях последовательно размещали единичный

образец контактной пары и контактную пару, Дифференциальная хромелькопелевая термопара находилась на нагреваемых и охлаждаемых торцовых поверхностях единичного образца и контактной пары. При

проведении экспериментов равный по величине тепловой поток q -37,5 103 Вт/м2 пропускали последовательно через единичный образец контактной пары и через контактную пару. Нагрузка контактной пары

соответствовала Р 26,1 105 Н/м2. Расчет контактных термических сопротивлений производили по формуле

RK

ATK.n.

Каждый эксперимент повторялся не менее пяти раз.

Результаты экспериментов следующие:

р Ю5- нагрузка, создаваемая в контактной паре, 26,1 Н/м2;

q -10 - удельный тепловой поток, пропускаемый через контактную пару, 37,5 Вт/м2;

А Т - температурный перепад в зоне

контакта исследуемой контактной пары в пяти проводимых опытах 19,2; 18,8; 19,6; 19.0; 18.6 °С;

AT,

ср

ЈЈдтni i

среднее значение

5

температурного перепада из пяти измерений 19,0°С;

AS

/ЛАТср-АТ2

( - 1)

Средняя квадратная погрешность результа- JOB пяти измерений 0,14°С;

е -;г-г относительная по0А СР

грешность в определении АТСр 2,76%;

RK Ю4- контактное термическое сопротивление в исследуемых образцах, рассчитанное по А Тер, 5.1 м2 °С/Вт. 5 Формул а изобретения

Способ определения контактных термических сопротивлений, включающий пропускание теплового потока через контактную пару, состоящую из двух соприкасающихся торцами образцов, выполненных из одного

и того же материала, путем нагревания одной торцовой поверхности контактной пары и охлаждения ее противоположной поверхности, определение разности температур между нагреваемой и охлаждаемой торцовыми поверхностями контактной пары и расчет контактного термического сопротивления, от л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности определения контактных термических сопротивлений, дополнительно пропускают такой же по величине тепловой поток через один из образцов контактной пары, замеряют разность температур на его торцовых поверхностях, .а величину контактного термического сопротивления рассчитывают по формуле

ЛТк.п.

RK -

hi

где RK - контактное термическое сопротивление;

q - удельный тепловой поток, проходящий через контактную пару и образец контактной пары;

Л1,ДТк.п. - перепад температур межт ду охлаждаемой и нагреваемой поверхностями одного из образцов и контактной пары и контактной пары соответственно; hi - высота единичного образца;

h2 - высота контактной пары.

Фиг.2