一种多温度工况、多气体环境下高效率测量界面接触热阻的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多温度工况、多气体环境下高效率测量界面接触热阻的装置和方法，属于接触热阻测试技术领域。该装置由五个部分组成，包括保温箱体、试件组件、冷却系统、加热系统和加压系统。保温箱体由圆柱型空腔和环形密闭筒体两部分组成，试件组件部分放置于圆柱型空腔内；试件组件主体部分由多个直径相同的圆柱形独立试件通过端面接触层层堆积组成；冷却系统位于圆柱型空腔内的部分由多个独立的冷却环组件组成，冷却环主体套在试件组件上，同时在试件组件的上、下端连接两个大型号的冷却环；加热系统由多个独立的加热丝和温控箱组成，加热丝直接缠绕在试件组件上；加压系统由加压部分和控制部分组成，加压部分将载荷传递给试件组件。本发明专利技术的装置操作简便、温度波动小、测量精度高，可一次性高效率完成多个不同温度工况、不同气体环境下不同材质、不同表面粗糙度的试件的接触热阻测试。粗糙度的试件的接触热阻测试。粗糙度的试件的接触热阻测试。

【技术实现步骤摘要】
一种多温度工况、多气体环境下高效率测量界面接触热阻的装置和方法


[0001]本专利技术属于热阻测试
，具体涉及一种多温度工况、多气体环境下高效率测量界面接触热阻的装置和方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的发展，无论科学研究，还是工程实用中接触热阻越来越得到重视。航空航天、核动力等工程上都面临着减少接触热阻来加大热通量，建立良好的导热通路的需求。对于空间核动力领域，真空、高低温及微重力是空间核动力的工作环境，在这样的极端环境中，占主要地位的换热方式并不是热对流，而是热传导和辐射。传导热阻主要由固体内部的导热热阻和固体界面间的接触热阻组成，接触热阻是确定多层固体组合温度分布的重要参数，是研究固体间接触传热必须解决的关键问题之一。
[0003]表面粗糙度Ra是影响界面接触热阻的关键因素之一，但因Ra是一维量，不能完全表征接触面的表面形貌，当Ra相同时，同种实验工况下不同次序加工的试件测得的接触热阻不一定相同。对多个试件进行不同Ra、不同温度工况、不同气体环境下的实验时，为确保单个试件的Ra在进行不同实验工况的测量时均相同，需在每次实验前对试件的接触表面重新加工。但Ra的加工不仅受人因、加工刀具、加工种类的影响，还受试件本身的金属性能影响，试件的金属性能主要受实验工况的影响，尤其是对于高温工况下的实验，试件的硬度在实验前后会发生较大变化。这些影响Ra加工的因素导致在不同时间、不同空间所加工的具有相同Ra的试件的表面形貌存在偏差，这种偏差使得接触热阻测量结果的精度严重下降。为提高界面接触热阻测量精度，有效避免试件接触表面在不同时空下的二次加工对测量结果的影响，有必要在同一时空加工出实验所需的所有试件。为避免加工好的试件的接触表面在实验前的保存过程中受到损坏以及节省多次实验所需的人力、物力、时间，有必要设计一种能够在单次实验中具备多种独立可调温度工况和气体环境功能的高效率测量大批量试件接触热阻的装置。
[0004]专利号ZL202110348478.3、ZL202011230625.9、ZL202010965520.1和ZL201811522277.5，公开的接触热阻测量装置，将待测试件布置在加热系统和冷却系统的中间，一次测试实验仅能测量一对试件的界面热阻，且单次实验中的温度工况和气体环境单一且固定，难以满足高效率测量大批量试件接触热阻的需要。且这种布置将加热系统的关键部分(加热体)设置在测试试件端部，使得加热体在实验过程中承受压力载荷，导致加热体的使用寿命缩减，尤其对于高压工况下的实验，加热体极可能会因受到巨大压力载荷而损毁导致加热系统不能正常工作，这限制了接触热阻测量装置所能工作的压力范围。论文《接触热阻实验与数值模拟》、《界面接触热阻影响因素的实验研究》、《界面接触热阻实验分析及参数优化设计》、《温度对接触热阻的影响》所公开的几种接触热阻测量装置均存在以上不足。专利号ZL201811522277.5所公开的接触热阻测量装置除以上不足外，其还将压力传感器布置在加热体的顶部，这种布置不可避免的会带来加热体轴向外泄的高温损坏压
力传感器的问题，为使加压系统能正常工作，接触热阻测量装置所能工作的温度上限必然会受到限制。
[0005]专利号ZL201910243647.X公开了一种双向热流法测定界面接触热阻的高精度方法，该专利技术侧重于高温加热体径向散热的防护，其将加热体布置在测试本体中心位置。虽然这种布置使得一次实验可测量两对试件的界面热阻，但未从根本上解决现有测量装置单次实验测量界面热阻少的问题，且单次实验的温度工况及气体环境依旧单一；该专利技术的加热体布置完全忽视了加热体在实验过程中承受压力载荷的问题，这种布置大大缩减了加热体的使用寿命；该专利技术在接触界面附近设置导光筒，采用非接触热成像技术进行温度采集。界面接触热阻R等于ΔT比q，ΔT是接触界面的温差，q是接触界面处的一维热流量。显然，稳定良好的一维导热是实现高精度测量界面接触热阻的关键。而该专利技术设置的导光筒会对接触界面的温度产生扰动，通过导光筒的热辐射损失会导致流过接触界面的热流减少，使得试件接触界面不再呈一维导热。且热成像技术测温本身就存在一些问题，热成像仪拍摄的图片对比度低，分辨细节能力差，难以对拍摄的温度场图片进行精确的温度分布数据提取，此外热成像仪造价贵、成本高。专利号ZL201510954538.0公开了一种具有补偿加热与隔热保温系统的接触热阻测试设备，其将试件布置在加热系统和冷却系统之间，并设计了一种补偿加热装置。虽然设计的补偿加热装置与加热系统配合使得该专利技术在轴向上有很好地一维导热，从而使该专利技术具有一次实验可测量多对试件界面热阻的可能，但主热流都来自于试件底部的加热系统。加热系统与冷却系统之间存在多个试件时，靠近加热系统的试件的温度与靠近冷却系统的试件的温度相差极大，且各试件的温度不具有按测试需要独立可调的能力，各试件间的接触界面的温度独立可调性极差，使得实验测试中各接触界面的温度充满随机性且不可独立调控；此外，由于该专利技术的多个试件处于同一密闭空间，各接触界面的气体环境相同，使得该专利技术的测试装置不具有单次实验进行多种气体环境下测量的能力；该专利技术设计的加热系统具有炉台，试件加热器位于炉台的炉腔内，炉台整体采用高温莫来石砖块和高铝砖块堆砌而成，具有堆砌而成的底部台座、底部台座上表面外缘周向上堆砌的侧壁，炉台顶部通过搭接的顶板密封。底部台座的外侧周向为非主承力部位，非主承力部位采用隔热性能优异但不耐高应力的高温莫来石砖，顶板和底部台座中上层砖块中除与侧壁相接的砖块外其余砖块作为直接承力部位，直接承力部位采用隔热效果差但耐高应力的高铝砖。虽然炉台可以解决加热系统的受压问题，但炉台本身的搭建过于复杂且对于结构完整性要求极高。综上，现有的接触热阻测试装置单次实验不具备独立调节多种温度工况和多种气体环境的能力，难以满足高效率测量大批量试件接触热阻的需要，且没有一种很好的加热体布置方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种多温度工况、多气体环境下高效率测量界面接触热阻的装置和方法。
[0007]本专利技术的目的通过如下技术方案来实现：
[0008]一种多温度工况、多气体环境下高效率测量界面接触热阻的装置，包括保温箱体、试件组件、冷却系统、加热系统和加压系统；
[0009]所述保温箱体包括圆柱型空腔和环形密闭筒体，试件组件位于圆柱型空腔内；
[0010]所述试件组件主体部分包括至少3个直径相同的圆柱形独立试件，并通过端面接触堆积连接；
[0011]所述冷却系统主体位于保温箱体外，冷却系统位于圆柱型空腔内的部分包括至少3个独立的冷却环组件；所述冷却环组件包括至少2个小型冷却环和2个大型冷却环，小型冷却环套在试件组件上，试件组件的上、下两端连接2个大型冷却环；
[0012]所述加热系统包括至少1个独立的加热丝。多个加热丝时，加热丝位于试件组件的不同轴向位置且远离各接触界面，且加热丝与小型冷却环交替布置在相邻独立试件上；
[0013]所述加压系统包括加压部分和控制部分，试件组件固定在加压系统的中线上，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多温度工况、多气体环境下高效率测量界面接触热阻的装置，其特征在于：包括保温箱体(1)、试件组件(2)、冷却系统(3)、加热系统(4)和加压系统(5)；所述保温箱体(1)包括圆柱型空腔(101)和环形密闭筒体(102)，试件组件(2)位于圆柱型空腔(101)内；所述试件组件(2)主体部分包括至少3个直径相同的圆柱形独立试件(201
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2011)，并通过端面接触堆积连接；所述冷却系统(3)主体位于保温箱体(1)外，冷却系统(3)位于圆柱型空腔(101)内的部分包括至少3个独立的冷却环组件(6)；所述冷却环组件(6)包括至少2个小型冷却环(601)和2个大型冷却环(6011)，小型冷却环(601)套在试件组件(2)上，试件组件(2)的上、下两端连接2个大型冷却环(6011)；所述加热系统(4)包括至少1个独立的加热丝(401)。多个加热丝(401)时，加热丝(401)位于试件组件(2)的不同轴向位置且远离各接触界面，且加热丝(401)与小型冷却环(601)交替布置在相邻独立试件(201
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2011)上；所述加压系统(5)包括加压部分和控制部分，试件组件(2)固定在加压系统(5)的中线上，加压部分为刚性试验框架，保温箱体(1)位于刚性试验框架内，加压部分将载荷传递给试件组件(2)，控制部分控制压力大小。2.根据权利要求1所述的一种多温度工况、多气体环境下高效率测量界面接触热阻的装置，其特征在于：所述保温箱体(1)为内外两层，内层部分为直径200mm圆柱型空腔(101)，试件组件(2)位于其中部位置，试件组件(2)与圆柱型空腔(101)之间的空间由气凝胶隔热毡填充，并用珍珠岩粉末填补隔热毡与试件组件(2)之间的缝隙；外层部分为环形密闭筒体(102)，内部填充满气凝胶隔热毡；环形密闭筒体(102)的内壁与试件组件(2)之间沿高度方向上等间距设有凸台(103)，凸台(103)上等距设有螺栓孔；相邻凸台(103)之间的环形密闭筒体(102)的上、下对角位置各设1个通气口，通过通气口将圆柱形空腔(101)抽真空或置换实验气体。3.根据权利要求1所述的一种多温度工况、多气体环境下高效率测量界面接触热阻的装置，其特征在于：所述试件组件(2)主体由独立圆柱形试件(201
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2011)组成；各独立圆柱形试件(201
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2011)的直径相同；试件组件(2)的两端试件(201、2011)与大型冷却环(6011)连接，连接处采用高温密封垫片(602)进行密封和密封卡箍(603)进行紧固；位于大型冷却环(6011)内的部分试件的中部，沿小型冷却环(601)流通方向开通孔，使端部冷却强化；各独立圆柱形试件(201
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2011)在沿轴向位置处设置测温点，每个测温点设置一根热电偶(7)，热电偶的(7)另一端与温度采集系统(8)连接。4.根据权利要求1所述的一种多温度工况、多气体环境下高效率测量界面接触热阻的装置，其特征在于：所述冷却系统(3)还包括空压机(301)、恒温水箱(302)、回收水箱(303)、水泵(304)、流量计(305)和流量调节阀(306)；小型冷却环(601)套在试件组件(2)的不同轴向位置，且远离各接触界面的位置；试件组件(2)的两端连接2个大型冷却环(6011)，使试件组件(2)两端的独立试件(201、2011)双重冷却，保护加压系统(5)；小型冷却环(601)和大型冷却环(6011)的进口管道上均设独立的流量调节阀(306)，流量调节阀(306)位于保温箱体(1)外部。5.根据权利要求1所述的一种多温度工况、多气体环境下高效率测量界面接触热阻的
装置，其特征在于：所述至少3个独立的冷却环组件(6)还包括至少3个独立的可拆卸冷却环支架(604)和至少3个绝热薄板(605)；小型冷却环(601)和大型冷却环(6011)的内径尺寸与试件组件(2)的外径相等，内径上带有密封沿(606)，密封沿(606)和试件组件(2)间采用高温密封垫片(602)进行密封和密封卡箍(603)进行紧固；小型冷却环(601)和大型冷却环(6011)的进出口金属管道(607)固定在可拆卸冷却环支架(604)上；各可拆卸冷却环支架(604)通过支架上的连接卡扣(608)相互连接；各冷却环支架(604)的高度可根据冷却环(601)在试件组件(2)上的位置调节；组合完整的冷却环支架(604)使小型冷却环(601)和大型冷却环(6011)的圆心位于同一直线上；绝热薄板(605)呈圆形，中心处有使试件组件(2)穿过的圆形缺口，圆形缺口带有密封沿(606)；绝热薄板(605)固定在冷却环支架(604)上，调节支架的高度使密封薄板(605)外边缘位于凸台(103)上，冷却环支架(604)和凸台(103)支撑绝热薄板(605)；相邻绝热薄板(605)之间至少有一个接触界面；绝热薄板(605)与凸台(103)之间用高温密封垫片(602)进行密封和密封螺栓(609)进行紧固，高温密封垫片(...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟兆明，曹安，严睿豪，黄宇森，李文哲，姜和睿，孙中宁，丁铭，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
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