Способ измерения коэффициента теплопроводности электропроводящего образца

(5 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Специальное конструкторское бюро"Теллур" с опытным производством Института Физики АН Азербайджанской республики(56) Осипова В.А, Экспериментальное исследование процессов теплообмена. - М,Энергия, 1979, 320 с,Авторское свидетельство СССРМ. 1636753, кл. О 01 И 25/18, 1988,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО ОБРАЗЦА(57) Изобретение относится к экспресметодам измерения коэффициента т,.Ы 2 1790759 А проводности электропроводящих материалов, в частности низкоомных полупроводниковых материалов для термоэлектрических преобразователей. При осуществлении способа устанавливают образец 5 на тепловыравнивающей пластине 3. Посредством термопар 9 и 10 измеряют разности температур между внешней средой и теплоконтактной и свободной гранями. Далее пропускают переменный ток через образец 5, при этом температура гепловыравнивающей пластины 3 поддерживается на прежнем уровне, Измеряют величину тока через образец и напряжения на нем, второе отношение разности температур между внешней средой и теплоконтактной и свободной гранями посредством термопар 9 и 10. Используя измеренные значения величин, рассчитывают коэффициент теплопроводности образца. 1 ил.Изобретение относится к экспрессным методам измерения коэффициентатеплопроводности электропроводящихматериалов, в частности низкоомных полупроводниковых материалов для термоэлектрических преобразователей,Известен способ Кольрауша измерениякоэффициента теплопроводности, состоящий в пропусканйи электрического тока через образец, устранения влияниятеплообмена с внешней, средой посредством экранных нагревателей, учете или расчете коэффициента теплопроводноститепловыделений в образце, геометрическихразмеров, значений электрических сигналов, снимаемых с термопар.Недостаток известного способа состоитв значительной сложности, обусловленнойнеобходимостью обеспечения идеальнойбоковой изоляции посредством экранныхнагревателей и установления термопар в эквипотенциальных точках образца,Наиболее близким к изобретения потехнической сущности и достигаемому результату является способ измерения коэффициента теплопроводности образца путемпропускания теплового потока через теплоконтактную грань, осуществления теплообмена с внешней средой, измерениягеометрических размеров образца и отношения электрических сигналов, определяющих разности температур между внешнейсредой и теплоконтактной и свободной гранями, учета этих параметров при расчетекоэффициента теплопроводности,Недостаток этого способа заключаетсяв экспериментальной сложности, состоящей в необходимости одновременного проведения комплекса измерений какпараметров, определяющих коэффициенттеплоотдачи, так и разности температурмежду боковой поверхностью и свободнойгранью образца и внешней средой,Цель изобретения - упрощение способаизмерения коэффициента теплопроводности электропроводящего образца путем исключения измерений коэффициентатеплоотдачи,Поставленная цель достигается тем, чтопропускают тепловой поток через теплоконтактную грань и осуществляют теплообменс внешней средой, измеряют геометрические размеры образца и отношение электрических сигналов, определяющихразности температур между внешней средой и теплоконтактной и свободной гранями, затем дополнительно пропускают черезобразец переменный ток и, обеспечиваяподдержание значений температуры теплоконтактной грани и интенсивносги теплообменами такими же, как и до пропускания тока через образец, измеряют тепловыделения в образце и второе значение отношения электрических сигналов, а при расчете коэффициента теплопроводности учитывают оба значения отношений.На чертеже показано устройство для реализации предложенного способа."0 Устройство включает в себя термобатарею 1, по одним спаям установленную натеплообменнике 2, а другими спаямиподключенную к тепловыравнивающейпластине 3, на которой через электроизолирующую пленку 4 установлены образцы 5,изготовленные из электропроводящего материала, например низкообмные полупроводниковые образцы для термобатареитермоэлектрического холодильника.20 Посредством коммутационных шин 6,припаянных к теплоконтактным граням образцов 5, и проволок 7, припаянных к свободным граням образцов 5, последниеоказываются электрически последователь 25 но соединенными между собой,В пространстве, окружающем образец,размещены пластина 8, на которой установлены побочные спаи термопар 9 и 10, приэтом главный спай термопары 9 установлен30 на одной из коммутационных шин 6 (предполагается, что в устройстве обеспечена высокая степень изотермичности шин 6 всехобразцов, установленных на изотермической пластине 3), а главные спаи термопар35 10 установлены на свободных гранях образцов 5, Свободные концы термопар подключены к коммутатору(на чертеже не показан),выход которого соединен с входом блокаизмерения (например, микровольтметра40 В 7-28),Способ осуществляют следующим образом.Подключают термобатарею 1 к источнику питания (на чеотеже не показан) и обес 45 печивают достижение и последующуюстабилизацию температуры пластины 3 нанекотором уровне То, отличающемся от температуры окружающей среды ТсПредварительно проводят измерение50 геометрических размеров образцов: длины1, площади поперечного сечения Я, периметра Р.Вследствие теплообмена с внешнейсредой температурой Т, определяемого ко 55 эффициентом теплоотдачи а, на образцах 5установятся перепады температур, а именно: температура теплоконтактной грани будет равна То, а температура свободнойграни - равной Т 1.(2) где в =1ар о с Т - Тт 77:т,(3) 50 55 Далее для определения коэффициента теплопроводности последовательно проводят два цикла измерений,1-й цикл включает в себя измерения отношения уЪ электрических сигналов, определяющих разности температур между внешней средой Тс) и теплоконтактной (То) и свободной (Тц гранями образцов 5, т,е. Из теории способа определения коэффициента теплопроводности следует, что Уравнение (2) устанавливает трансцедентную зависимость между теплопроводностью образца Л, его геометрическими размерами, коэффициентом теплоотдачи а.Здесь - параметр, определяющий увеличение интенсивности теплообмена на свободной поверхности в связи с использованием термопар 10.После проведения 1-го цикла измерений проводят 2-й цикл, пропуская через образцы 5 переменный ток, При этом температуру тепловыравнивающей пластины 3 посредством термобатареи 1 поддерживают на прежнем уровне То, а интенсивность теплообмена не изменяют,На свободных гранях образцов 5 устанавливаются новые значения температур Т 1 Р которые, в свою очередь, определяют новые значения ри. Формула изобретения Способ измерения коэффициента теплоп роводности электроп роводя щего образца путем пропускания теплового потока через теплоконтактную грань, осуществления теплообмена с внешней средой, измерения геометрических размеров образца и отношения электрических сигналов, определяюших разности температур между внешней средой и теплоконтактной гранью, а также между внешней средой и свободной гранью образца, о т л и ч а ю щ и й с я тем,20 25 30 35 40 45 Измеряют тепловыделение в образцах, например, посредством измерения тока через образец и падения напряжения на нем, т.е, 0 =10.При расчете коэффициента теплопроводности Л образцов в соответствии с фор- мулой Ь - -. - , (4) з (То Тс) где 1(рю) =(сосо - 1)ж учитывая как отношение рок измеренное при 1= О, так и отношения р 1 ь измеряемые при пропускании через образцы тока 1.При этом зависимость 1 (ро), входящая в формулу (4), может быть предварительно построена для выбранных значений , з и р с весьма высокой степенью точности с использованием уравнения (2).Таким образом, в предложенном способе определения коэффициента теплопроводности электропроводящих образцов нет необходимости как в осуществлении экранирования боковой поверхности, так и в определении коэффициента теплоотдачи между поверхностью образца и внешней средой: способ сводится к измерению величины электрической мощности, выделяющейся в образце, а также значения отношений электрических сигналов, определяющих разности температур между внешней средой и теплоконтактной и свободной гранями до и после пропускания переменного тока.Предложенный способ может быть применен для экспрессного определения коэффициентов теплопроводности непосредственно в ветвях термобатарей, не скоммутированных по одним из спаев, в процессе их изготовления,что, с целью упрощения за счет исключения измерений коэффициента теплопередачи, дополнительно пропускают через образец переменный ток и поддерживают значение температуры теплоконтактной грани и интенсивность теплообмена такими же, как и до пропускания тока через образец, при этом измеряют тепловыделения в образце и значение отношения электрических сигналов, а при расчете коэффициента теплопроводности учитывают оба значения отношений.