УСТРОЙСТВО для ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДПОСТИ Советский патент 1971 года по МПК G01N25/18 

Изобретение от1юсится к области теплофизических измерений.

Известны устройства для измерений теплоироводности однородных твердых тел абсолютным методом стационарного лродольногп теплового потока.

Известн зге устройства для определения теилопроводности содержат нагреватель оОразца, теплоприеА1ник, теплопровод от теп.иь приемника к хладоа-генту, термочувствительные элементы для измерения разности температур концов образца, радиационный экра;; II термостатирующий экран с расположенным ца нем нагревателем.

Во всех существуюпдих устройствах температуры и распределение температур по падиационным экранам значительно (1-10° К и более) отличаются от температур и распределения температур по образцу и нагревателк.

В этом случае основной вклад в теплов1,1о потери дает теплообмен излучением. Теплоиые потери излучением s существующих ycTpoiiствах могут достигать значительных велпчи; и, как правило, не учитываются.

Целью настояшего изобретения является уменьшение погрешности определения коэффициента теплопроводпости однородных твердых тел абсолютным :методом стационарного продолыюго теплового потока в диапазоне температур 4,2-450° К.

Это достигается тем, что в предлагае.мом устройстве радиационный экран из высокотеплопроводного материала, например меди пли серебра, выполиенпый в виде двух коакспальных цилппдров, снабжен нагревателем, установленным концентрцчно с нагревателем образца, а геплопровод выполнен в виде щл1П1Дрпческо1 оболочки из малотеплопроводiioro материала, например нержавеющей стали, заполненной теилообмепны.м газом, на0: ример гcлпe i, с nepeMCHHiiiM регулируемым давлением.

На фиг. I изображено описываемое устройство; на фиг. 2 - конструкция теплопро5вода.

Устройство состопт из образна /, зажатого при помощи нитей 2 (например, из капро г. нейлона) и регулировочных BiniTOB между нагревателем 3 образца и теплолриемпнком . Образец 7 окружен радиацио;1нымн экрана Г 1 5. 6 с собственным нагревателем 7, которые имеют д, /, равную длине пб.ккгца /о ц выполнены из высокотеп,тоироводного тонкостемпого материала (напрп.мер медь, серебро). Внутренние и внешние поверхности радиационных экранов 5, 6, нагреватели 7, иоверхпости теилоприемника 4 и нагревателя 3 образца носеребрены и отполированы для умепьше 1ия теплообмена излучением (если

ооразец -поддается полировке, его желательно отполировать).

Экраны располончены максимально близко к поверхности образца / и имеют такую же геометрическую форму сечения, как и образец. Нагреватель 3 окружен со всех сторон, кроме стороны, .контактирующей с образцом 1, нагревателем 7 радиационных экранов, температуру которого поддерживают равной температуре нагревателя 3 и контролируют ее при помощи двух или многоспайной дифференциальной гермоцары S.

В нагревателе 7 радиационных экранов 5, 6 и в теплоприемнике 4 расположены образцовые (или лабораторные) термометры 9 сопротивления типа ТСГ или ТСПН. Термостатирующий экран 10 (поверхности экрана серебрятся ,и полируются), имеющий свой нагреватель 11, находится в тепловом контакте с теплоприемником 4.

Между теплоприемником 4 и фланцем вакуумной камеры 12 расположен теплопровод 13, представляющий собой устройство цилнндричвской формы с оболочкой 14 из малотеплопроводиого материала, например из нержавеющей стали (см. фиг. 2). Внутренняя полость теплопровода представляет собой два блока тонкостенных цилиндров 15 из материала с высокой теплопроводностью, налр:Имер из меди, размещенпых с минимальным зазоро м между собой и закрепленных попеременно на нижнем 16 и верхнем 17 фланцах теплопровода. Теплопровод заполняется тенлообменным газоМ, например гелием, под давленпем в пределах 5. 10 -760 тор/5, через капилляр 18. Все устройство крепится к внутренней по-верхности вакуумной камеры 12, которая помещена в сосуд Дьюар а, на.полненный хладагентом, напри мер жидмим гелием, 1водородом, аеотом и т. п.

Устройство, помещенное в вакуумную камеру 12 криостата, принимает тем/пературу, близкую к температуре хладагента. В вакуумной камере поддерживается давление до 5 10- торр.

При помощи нагревателей 3, 7 устройство выводится в нужную область температур. Температура нагревателя 7, при помощи регулирования то.Ка через сопротивление нагревателя поддерживается равной температуре нагревателя «3 образца, контроль осуществляется при помощи дифференциальной термопары 8. Температуру нагревателя 7 и тенлоприемника 4 измеряют образцовыми нли лабораторными термометрами 9 сопротивления. Радиационные экраны 5, 6 и образец имеют одинаковую длину, р асположены на одинаковых уровнях и имеют строго одинаковую темлературу концов, что приводит (с учетом хорощей теплопроводности материала экрана для пренебрежения тепловыми потерями от экрана наружу по сравнению с потоком тепла по экрану от нагревателя 7 к теплоприемнику 4) к самопроизвольному установлению на них одинаковых градиентов температуры в .стационарном режиме. Это обеспечивает существенное уменьшение теплообмена между экраном и образцом.

Внутренний экран 5 для дальнейшего уменьшения теплообмена излучением между ним и образцом 1 расположен максимально близко к образцу. Внешний экран о служит для минимизации теплообмена между внутренним экраном 5 и окружающим пространством, т. е. для обеспече:1ия строго одинаковых градиеитов температуры но образцу н внутреннему экрану по всей их длине. Термостатирующий экран 10 с самостоятельным нагревателем 11 предназначается для уменьшения теплообмена излучением между измерительной частью ycTpoiiCTBa и поверхностью вакуумной камеры 12, имеющей температуру хладагента, и позволяет обеспечить оппп;ало ные режимы измерений во всем диапазоне температур за счет уменьшения уровня мощности, выделяемой на нагревателях 3, 7, уменьшение возможных градиентов температуры но нагревателям 3, 7 и т. д.

Теплопровод 13 предназначен для задания температуры теплоприемника 4 и для осуществлетаия возможпости измерений как при М инимальных температурах (близких к температуре хладагента), так и npin максимальных (т. е. вплоть до 450° К).

Внутреннее пространство теплопровода 13 для осуществления измерений при минимальных температурах заполняется теплообменным газом, например гел1ием, при требуемом давлении (до 760 торр), что обеспечивает достаточно большую теплопроводность теплопровода, т. е. минимальную разницу темнератур теплоприемника и хладагента. При максимальны-х температурах теплообменный газ из теплопровода откачивается до давления торр, что приводит к суще .:твенному уменьшению теплопроводностн теплопровода (практически остается лишь теплопроводность тонкостенной оболочки 14 из малотеплопроводного материала) и, следовательно, к уменьшению расхода хладагента при сохранении оптимальной для измепеии величнно градиента температуры по образцу.

При промежуточных температурах давление в теплопроводе задается таким, чтобы осуществить оптимальные режимы опытов.

Расчет теплопроводности производится по известной формуле

1 -1 тs

где Q - поток тепла, проходящий в единицу

времени через образец; 1о - длина образца;

5 - площадь поперечного сечения образца;

47 - установившаяся раз 1ость температур на всей длине образца. Характеристики образца /о и 5 известны до опыта.

приемника, рсагревателя рад.иационных экранов, нагревателя образца, термостатирующего экрана, теплопровода выбираются с учетом тенлопроводности измеряемого образца, его длины и диаметра.

Предмет изобретения

Устройство для определения теплопроводности твердых тел, содержащее термочувствительные элементы, нагреватель образца, расположенный концентричио с образцом радиационный экран, окруженный термостатирующим экраном, находящимся в тепловом

контакте с теплоприемником, соединенным с фланцем вакуумной камеры теплопроводом, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, радиационный экран из высокотеплопроводного материала, например меди или серебра, выполненный в виде двух коаксиальных цилиндров, снабл ен нагревателем, установленным концентрично с нагревателем образца, а теплопровод выполнен в виде цилиндрической оболочки из малотеплоироводного материала, например «ержавеющей стали, заиолненной теплообменным газом, например гелием, с переменным регулируемым давлением.

- (ладагент

Фиг /

к хяадаг.енту Теплооб1 енный газ

5

А теплоприемнику

Фия.2