СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ВНЕШНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕЛ С ВНУТРЕННИМ ИСТОЧНИКОМТЕПЛА Советский патент 1974 года по МПК G01J5/00 

1

Изобретение может быть исиользовано в тех областях техники, где требуется информация об интенсивности лучеионускания с внешней новерхности тела, имеющего внутренний нсточник тепла, например, в электронной технИКе для онределения теплового состояния полупроводниковых нриборов и надежности в разных условиях их экснлуатании.

Из1вестен снособ определения степени черноты внешней iHOBepxHOCTH тела путем размещения носледнего в вакууме с остаточным давлением газовой среды менее 10 мм рт. ст. и Площадью внутренней поверхностн оболочки, ограничивающей вакуумный объем, много большей площади внешней новерхности тела, измерения температуры новерхности последнего, температуры внутренней поверхности оболочки и величины рассеивания мощности. По найденным абсолютной температуре BHoaiней поверхности тела в вакуу.ме , абсолютной температуре внутренней новерхности оболочки, ограничивающей вакуум Гоб и ветичине рассеиваемой мощности Р производится вычисление степени черноты новерхности тела 8 по следующему известному соотношению Стефа1на-Больц.мана:

(об

100

где Со 5,6687 вт м коэффициент излучения абсолютно черного тела; 5 - площадь внешней поверхности тела.

Педостатком известного способа является практическая непригодность его для определения степени черпоты внешней поверхности тела в том случае, когда эта поверхность является неизотермической, нанример лолупроводиикового прибора, представляющего собой законченную малогабаритную конструкцию, состояную нз набора элементов с разными теплофизнческнми свойствами.

Для обеонечения получення информации о степени черноты внешней неизотермической паверхпости тела предлагается способ, по которому па поверхность ко.нтролируемого тела наносят слой вещества с известной стененью черпоты, нанрнмер с.месь клея БФ-4 с сажей, и вновь помещают тело в вакуумный объем; в той же точке внешней новерхности и при той же температуре оболочки ва-куумпого объема поддерживают прежнюю температуру виутренней поверхности оболочки изменением мощности источника тепла, вторично измеряют температуру тела в той же точке и мощность источника тепла, а искомую величину вычисляют

по формуле:

-ср -

f,,, + 273.16 у „. + 273.16 I

CnS

где бср - искомая степень черноты; Р и РЗ -.мощности внутреннего нсточлика тепла контролируемого тела в исходном состоянии и покрытого слоем вещества с известной степенью черноты соответственно; Со 5,6687 ,К, - коэффициент излучения абсолютно черного тела; 5-теплоизлучающая поверхность контрол.ируемого тела; i-te- fi, температуры в одной и той же точке поверхности контролируемого тела в исходном состоянии и покрытого слоем вещества с известной степенью черноты соответственно; Гоб - абсолютная температура внутренней поверхности оболочки, ограничивающей вакуумный объем.

Степени черноты внешней поверхности, папример, полупроводникового прибора определяют следующим: образом.

Полупроводниковый нрибор размещают примерно в центре вакуумного объема с остаточным давлением газовой среды менее 10 М.М рт. ст. и площадью внутренней поверхности оболочки, ограничивающей его, много большей площади внешней поверхности

, r

nfi Г„ „ I J

об

e,,Co5

прибора. В произвольной точке внешней поверхности прибора производят замер температуры обым известньгм способом, например термопарой, и фиксируют |Величину мощности источника тепла PI. Затем прибор извлекают из вакуумного объема, внешнюю поверхность его покрывают веществом с известной степенью черноты, например смесью клея БФ-4 и сажи, степень черноты которой в широком диапазоне температур сохраняется на уровне близком к 0,96, и снова помещают в вакуумный объем, изменяют мощность источника тепла так, чтобы те.мпература оболочки не изменилась. В той же точке внещней

5 поверхности прибора и при той же температуре оболочки вакуумного объема Tos прОИзводят второй замер температуры /твг„ и фиксируют МОЩНОСТЬ источника тепла PZ- По экспериментально полученным значениям температур t-r

(т

мощностям источника тепла PI и 2 и температуре оболочки Гоб степень черноты внешней поверхности полупроводникового прибора расчитывают по соотно25 шению:

-ср

CoS

Это соотношение получено на основе следующих предпосылок.

Известно, что в вакууме с остаточным давлением газовой среды менее ilO мм рт. ст. стОК тепла с впеншей поверхности любого тела, паходящегося в неограниченном объеме, происходит, В основном, путем лучеиспускания. Перенос тепла конвекцией и теплопроводностью в этих условиях пренебрежимо мал и в практических тепловых расчетах может не учитываться.

Поэтому, располагая данными о степени черноты Ей и площади внещней поверхности тела S, температуре внутренней поверхности оболочки, ограничивающей вакуум, Гоб и МОЩНОСТИ .источника тепла Р, можно рассчитать абсолютную температуру внещней поо

верхнасти тела Гсрв, по следующему известному соотношению Стефана-Больцмана:

0,25 „

/ Г I 1П«

С.

- М об + 1U

aC,S

. Полученное по этому соотношению значение температуры Гсрв является средней температурой внешней поверхности тела, соответствующей мощности Р внутреннего источника тепла. По величине и абсолютной температуре произвольной точки внешней поверхности тела (/тв5„+273,16), измеренной при той же мощности Р IB условиях вакуума, дюжет быть определен некоторый коэффициент

неизотермичности л, показывающий во скольо

ко раз средняя температура больше абсолютной температуры точки (/ТВЕ +273,16).

pS СрВ

+ 273,16

Значение коэффициента К, как показывают эксперименты и теоретические расчеты, для произвольно выбранной точки достаточно 0 близко к постоянному.

Температура /ТВЕ„ и любой точки внешней поверхности тела, измеренная в одних и тех же условиях вакуума до и после нанесения на него покрытия, различна. Объясняется это изменением коэффициента излучения поверхности тела после нанесения на него покрытия.

Изменение интенсивности стока тепла с поверхности тела происходит пропорционально изменению степени ее черноты.

Коэффициент неизотермичности К не меняет своего значения Б зависимости от налич«я или отсутствия покрытия на внешней поверхности тела.

В связи с этим он может быть использован для вычисления средней абсолютной температуры тела с неизвестной степенью черноты 8н ПО соотношению, полученному на основе следующих преобразований:

Пр.-„--А(4р.„+273Л6)::

, 0,25

Гоб +

Г 9

Зная мощность источника тепла PI, при которой измерялась темлература точки /тв „ и среднюю температуру внешней поверхности по соотношению Стефана-Больцмана нетрудно найти и степень ее черноты вер

-ср

Г/.е.„Ч-273.1бу/

Со5 .«+273,16 Д Л

Точность расчета по полученному соотношению .повышается с приближением формы тела к форме шара, куба или цилиндра, высота которого paiBHa диаметру основания, и при отсутствии на внешней по верхности значительных вогнутостей.

Предмет изобретения

Способ определения степени черноты внешней поверхности тел с внутренним источником тепла путем измерения температуры в произвольной точке внешней поверхности тела, предварительно раз,мешениого в вакуумном объеме с остаточиым давлением газовой среды менее 10 мм рт. ст. и площадью внутренней по1верхности оболочки, ограничивающей вакуумный объем, много больщей внешней

поверхности тела, измерения температуры внутрепней поверхности оболочки и мощности источника тепла, отличающийся тем, что, с целью реализации его на телах с неизотермической внешней поверхностью, например полупроводниковых приборах, на поверхность контролируемого тела наносят слой вещества с известной степенью черноты, например смесь клея БФ-4 с сажей, и вновь помещают тело в вакуумный объем; в той же точке внешней поверхности и при той же температуре оболочки вакуумного объема поддерживают прежнюю температуру внутренней поверхности оболочки изменением мощности источиика тепла, втор,ич«о измеряют температуру тела в той же точке и мощность источника тепла, а искомую величину определяют по формуле:

-ср

тв.„ + 273,16

С,5

гтв-:„ + 273,16

- г

об где Бср-искомая степень черноты; Р и Р2 - МОЩНОСТИ внутреннего источника тепла тела в исходном состоянии и покрытого слоем 30 вещества с известной степенью черноты соответственно; Со 5,6687 6OT/.« °K -коэффициент излучения абсолютно черного тела; S - теплоизлучающая поверхность тела; и тв-.ц- температуры в одной и той же точ1;е тела в исходном состоянии и покрытого слоем вещества с известной степенью черноты; Гоб - абсолютная температура внутренней поверхности оболочки, ограничивающей вакуумный объем.