Способ контроля термического контактного сопротивления Советский патент 1981 года по МПК G01N25/00 

(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕРМИЧЕСКОГО КОНТАКТНОГО

СОПРОТИВЛЕНИЯ

Изобретение относится к теплоI физике и может быть использовано для контроля термического контактного сопротивления при теплофизических измерениях.

В известных способах исследования теплофизических свойств нёпосредст венный контроль термического контактного сопротивления не производят Для оценки термического контактного сопротивления в контактных методах исследования теплофизических свойств используются данные, известные из литературы l.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения величины термического сопротивления контакта двух теп, участвующих в теплообмене, путем линейной графической экстраполяции распределения температур в каждом из тел и определением величи-i ны скачка температуры в области контакта. JDiH учета погрешности, связанной с усилием прижима датчика температуры к образцу, операцию повторяют при различных усилиях прижима и делают вывод о зависимости величины скачка температуры термического

контактного сопротивления) от давления в области контакта 2 .

Однако сложность и длительность операции по экстраполяции распределения температур существенно ограни-, чивает возможности применения данного способа, так как при исследовании образцов малых размеров способ неприемлем.

10

Цель изобретения - упрощение и снижение длительности измерений за счет непосредственного измерения контактного сопротивления в процессе исследования теплофизических свойств.

15

Указаннс1я цель достигается тем, что согласно способу, заключающемуся в прижиме датчика температуры к одной стороне плоского образца, нагреве противоположной стороны и оценки

20 термического сопротивления по сигналу датчика, нагрев производят импульсами тепловой мощности, причем время р&спространения тепловой волны в образцах должно более, чем в десять

25 раз превышать длительность импульса, и оценивают величину термического сопротивления контакта по изменению температуры во времени.

Кроме того, усилие прижима выбирается таким, чтобы время нарастания

30

емпературы не зависело от величины силия прижима, а деформации образа и датчика были упругими.

Основу предлагаемого способа контоля контактного термического сопроивления составляет решение уравнения еплопроводности для неограниченной ластины и определение температуры дной ее стороны, которая ндгревается под действием теплового возмущения, вызванного импульсом радиационной энергии, поглощенным противо-положной ее стороной,

Контроль термического контактного сопротивления производят следукяцим образом.

Датчик температуры вводят в контакт со стороной образца, противоположной нагреваемой. Начальное усилие прижима датчика к образцу не пр вьшшет 0,1 усилия, соответствующего пределу упругости исследуемо-, го материала.

Подают кратковременный импульс тепла на поверхность образца с помощью излучения (лампа-вспышка), (лазер). Длительность импульса не должна превышать 0,1 времени распространения тепловой волны в образ це, Изменяющийся во времени сигнал датчика, соответствующий изменению температуры образца на стороне, противоположной нагреваемой, регистрируют осциллографически.

На чертеже показан характер изменения температуры во времени (осциллограмма) ,

Полученное на основании анализа кривой 1 значение коэффициента температуропроводности соответствует эффективной температуропроводности системы образец-область контакта. После достижения теплового равновесия образца с окружающей средой увеличивают усилие прижима датчика на величину кратную начальному усилию и вновь нагревают образец импульсом тепла. Эффективная температуропроводность, определяемая на основании повторного нагрева (кривая 2), превышает исходную на величину, соответствующую снижению термического контактного сопротивления за счет увеличения усилия прижима датчика.

Увеличение усилия прижима производят до тех пор, пока наблюдается различие в эффективных температурою, проводностях, полученных с помощью 1-ого и (1-1) нагрева.

Последняя полученная кривая п соответствует минимально возможному контактному термическому сопротивлению системы датчик - образец.

Пример., Для определения температуропроводности никеля изготовляют образец -ф 8 мм и толщиной о 1 мм. Датчик из монокристалла полупроводникового алмаза в виде куба с размером ребра 200 мкм прижимают

к неосвещаемой стороне образца с нарастающим усилием. Регистрацию нарастания сигнала датчика произво- . дят с помощью осциллографа С8-13. При увеличении прижимающего усилия 5 более 3,3 Н изменение временной характеристики нарастания температуры стает меньше разрешающей способности прибора. Для расчета температуропроводности используют формулу

,-,4тс Ц/г где а - температуропроводность,

сГ - толщина пластины, t-.j- время, при котором темпера5 тура достигает величины,равной половине максимальной температу ял.

Обработка кривой нарастания температуры для средней температуры образQ ца дает значение ,41 мс.

И 1п- отсюда а 1,37 -ШИ.----.,65

it -sTH. 10-

. сПолученный результат хорошо согласуется со справочными данными. Снижение длительности измерений термического контактного сопротивления и получение надежного теплового контакта образца и датчика представляет

собой сложную технически и методически задачу. Другой сложной задачей является оценка контактного сопротивления в условиях быстропеременного процесса, например при нагреве тепловым импульсом. Решение этой задачи возможно при прижиме датчика к образцу с усилиями, вызывающими деформацию образца и датчика в области контакта.Поэтому выбор материала датчика определяется прочностными характеристиками.Алмаз является наиболее перспективным материалом для изготовления датчиков многократного использования с очень малой инерционностью (теплопроводность алмаза превышает теплопроводность

хромеля и алюмеля, широко применяемых для измерений более чем в 20 раз) .

Известный способ основан на стационарном тепловом режиме, длительность которого может составлять от нескольких минут до нескольких часов, в зависимости от размеров образца и его теплофизических свойств. Импульсный же метод (предлагаемый) позволяет проводить измерения за время, не превышающее 0,5 с.

Формула изобретения

нагреве противоположной стороны и оценки термического сопротивления по сигналу датчика, отличающийся тем, что, с целью упрощения и снижения длительности измерений, нагрев производят импульсами тепловой мощности, длительность которых в десять раз меньше времени распространения тепловой волны в образце, и измеряют изменение температуры во времени, по которому. оценивают термическое сопротивление контакта.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Шлыков Ю.Г,, Ганин Е.А. Контактный теплообмен, М.-л., Госэнергоиздат, 1963, с.21.

2.Там же,с.24 (прототип).