Способ определения контактных термических сопротивлений

(51)5 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН нститутКлючниплоо иче,ТАКТИЙложным вследстечения высокой ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЫХ ТЕРМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛ. Изобретение относится к измерительной технике, приборостроению и может быть использовано в теплометрии,Известен способ определения контактных термических сопротивлений при исследовании теплообмена в зоне контакта твердых тел, заключающийся в пропускании теплового потока через образец, состоящий из цилйндрических стержней диаметром 40 мм;соприкасающихся торцами. К верхнему торцу образца прижимается регулируемый электродвигатель, нижний торец охлаждается водой, Интенсивность теплообмена в плоскости контакта оценивается по величине проводимости контактов пары обра з ца аТермическое сопротивление контакта определяется по формуле1Ви = -йкФЭтот способ является свие необходимости обесп(57) Изобретение относится к измерительной технике, приборостроению и может быть использовано в теплометрии. Цель изобретения - повышение точности определения контактных термических сопротивлений, Для этого последовательно пропускают одинаковый по величине тепловой поток через контактную пару и через единичный образец контактной пары, замеряют разность температур на нагреваемых и охлаждаемых торцовых поверхностях контактной пары и единичного образца и по полученным значениям рассчитывают контактное термическое сопротивление. 2 ил. точности в расстоянии заделки термопар и их обязательной идентичности показаний, что необходимо обеспечить при закреплении термопар перед каждым опытом во всех контактных парах образцов,Известен также способ определения контактных термических сопротивлений, в котором электрический нагреватель размещают между двумя парами контактных образцов, симметричные и равные по величине тепловые потоки пропускают через каждую контактную пару образцов, По измеренному перепаду температур Л с в двух сечениях до и после плоскости контакта с расстоянием 1 между ними и определенному по электрической мощности нагревателя тепловому потоку о рассчитываюттермическое сопротивление участка со стыком й 1, По известному коэффициенту теплопроводности А материала контактных образцов и сечению цилиндров вычисляюттермическое сопротивление цилиндра длиной 1, без стыка В, Термическое сопротивление контакта определяют как разность двух указанных сопротивлений, т.е.Лс 5В = Вг-Вг" = -- -ЦЭтот способ является сложным е экспериментальном осуществлении, так как каждая пара контактных образцов требует сверления отверстий для термопар, кото рые должны быть строго параллельны, т.е. типичный увод сверла при сверлении не допускается (этого требует точное знание расстояния заделки, термопар , необходимое для расчета В ). Кроме того, способ требует15 обеспечения симметричного одинакового контактного термического сопротивления в плоскостях стыка в каждом из двух контактных пар одновременно исследуемых об разцов, что сложно осуществить(т,е, трудно создать абсолютно одинаковое контактирование в отдельных пятнах ввиду неизбежности взаимного неприлегания плоскостей: - контактных пар вследствие наличия неров настей в виде шероховатости, волнистасти или макронеравнасти), что приводит к перераспределению теплового потока и существенна снижает точность определения конта ктн ых термических сопротивлений. 0 Расчет ВГ в данном способе требует также дополнительных экспериментое па определению коэффициента теплаправодности А, так как приводимые в таблицах значения 1 для различных материалов имеют су.цест еенный разброс в измерениях вследствие погрешностей, величина которых имеет тот же порядок, что и величина контактных термических сопротивлений, Это снижает точность в расчетах Вг" и, соответственно, в 40 определении контактного термического сопротивления ВкНаиболее близким к предлагаемому по технической сути является способ определения контактного термического сопротив ления, заключающийся в том, что в образце контактной пары создают тепловой поток, который замеряют по скорости испарения жидкого кислорода с помащью газового счетчика. Контактное термическое сапро тивление определяют кэк разность замеренного полного термического сопротивления образца Ваксп. и расчетного термического сопротивления образца толщиной д без учета контакта Врасч. Полное 55 термическое сопротивление образца Вэксп. определяют как отношение разности температур между теплым и холодным концами контактной пары к тепловому потоку, т.е. Ь дВк = Вэксп ВрасчЦНедостатком этого способа является низкая точность в определении контактных термических сопротивлений вследствие того, чта контактные термические сопротивления являются очень малыми определяемыми параметрами (в измерениях Вк в основном находится в пределах 10 2 - 10 4 м градИт), поэтому расчетЛВаксп = не обеспечивает достаточной степени точности вследствие используемого способа определения а, Кроме этого, расдчет Врасч -требует предварительного точного экспериментального определения коэффициента теплопроводностиА, при котором неизбежно будет внесена погрешность на контактные термические сопротивления в плоскостях соприкосновения образца с нагревателем и холодильником. В практике теплофизических измерений контактные термические сопротивления трудно определимы, поэтрму они да настоящего времени не учитываются и переводятся в разряд погрешностей, которые могут достигать до 5,Целью изобретения является повышение точности определения контактных термических сопротивлений.Исключение е измерениях коэффициента теплопроводности обеспечивает расширение области применения данного способа для образцов, в которых А соизмеримы с контактным термическим сопротивлением.Цель достигается тем, что после определения разности температур на поверхностях контактной пары такой же по величинетепловой поток пропускают через единичный образец контактной пары, замеряют разность температур на его торцовых поверхностях, а величину контактного термического сопротивления рассчитывают по формулеЬТк,п, -- Ьтп 2 .ЬВкэЦгде Вк - контактное термическое сопротивление;а - удельный тепловой поток;Ь 1,ЛТк.п. - перепад температур между охлаждаемай и нагреваемой поверхностями единичного образца и контактной пары соответственно;п 1 - высота единичного образца контактной пары;Ь 2 - высота контактной пэры.деления контактных термических сопротивлений,Для реализации предлагаемого способаГотовили Образцы диаметром 30 мм, Контак тный образец представлял собой два соприкасающихся торцовыми поверхностями цилиндра высотой 5 мм каждый. Между холодильником и нагревателем при измерениях последовательно размещали единичный 10 образец контактной пары и контактную пару. Дифференциальная хромелькопелевая термопара находилась на нагреваемых и ох.- лаждаемых торцовых поверхностях единичного образца и контактной пары. При 15 проведении экспериментов равный по величине тепловой поток О =- 37,5 10 Вт/м пропускали последовательно через единич. ный образец контактной пары и через контактную пару. Нагрузка контактной пары 20 соответствовала Р =26,1 10 Н/м . Расчетконтактных термических сопротивлений производили по формулеЛТ,п. -- ЛтЙгЬ 125Каждый эксперимент повторялся не менее пяти раз.Результаты экспериментов следующие: 30 Р 10 - нагрузка, создаваемая в кон 5тактной паре, 26,1 Н/м;3о 10 - удельный тепловой поток, пропускаемый через контактную пару, 37,5Вт/м;35 Л Т - температурный перепад в зонеконтакта исследуемой контактной пары впяти проводимых опытах 19,2; 18,8; 19,6;19,0; 18.6 С;1 Ь40 ЬТср = - ЛТ - среднее значениеп 1температурного перепада из пяти измерений 19,0 Су сть результа со- асНа фиг.1 показано устройство для осуществления предлагаемого способа при замере перепада температуры на поверхностях единичного образца;на фиг.2 - то же, в исследуемой контактной паре.Устройство содержит теплоизоляционный корпус 1, нагреватель 2, холодильник 3, исследуемые образцы 4 и 5 контактной пары, дифференциальную термопару 6, задатчик 7 теплового режима, измеритель 8 температуры, датчик 9 теплового потока, измеритель 10 теплового потока.Способ осуществляется следующим образом.Образцы 4 и 5, составляющие контактную пару, имеющую высоту пг, изготавливают иэ одного и того же материала. В теплоизоляционный корпус 1 между нагревателем 2 и холодильником 3 устанавливают вначале образец 4. Задатчиком 7 теплового режима создают требуемый тепловой поток, После достижения стационарного теплового режима производят замер перепада температуры й по высоте п 1 образца 4 с помощью дифференциальной термопары. Затем между нагревателем 2 и холодильником 3 размещают второй образец 5 контактной пары. Задатчиком 7 теплового режима с помощью датчика 9 теплового потока создают тепловой поток, равный пропускаемому ранее через образец 4. После установления стационарного теплового режйма дифференциальной термопарой 6 замеряют перепад температуры ЬТк.п. между нагреваемой и Охлаждаемой торцовыми поверхностями образцов 4 и 5, составляющих контактную пару высотой пг, Расчет контактного термического сопротивления производят по предлагаемой расчетной формуле.Преимуществом этого способа является возможность использования образцов контактной пары в виде тонких пластин, что исключает использование системы автома тиэации, обеспечивающей адиабатность в измерениях, повышается точность путем уменьшения ошибок, связанных с неизбежностью теплопотерь боковых поверхностей образцов контактных пар, упрощается спо соб осуществления замеров контактных термических сопротивлений.П р и м е р, Эксперименты по определению контактных термических сопротивлений в контактных парах "сталь- 5 сталь" проводили в лаборатории Воронежского ордена Дружбы народов лесотехнического института на установках, использующих предлагаемый способ опресредняя квадратная погрешно , тов пяти измерений 0,14 С; 1 ап ЛБотносительная поср грешность в определении ЬТср 2,76 ф;йк 104- контактное термическое противление в исследуемых образцах, р считанное по ЛТср, 5,1 мг С/Вт, 5 Формула изобретенияСпособ определения контактных терми ческих сопротивлений, включающий пропу скание теплового потока через контактную пару, состоящую из двух соприкасающихся торцами образцов, выполненных из одного1718079 ЛТ -- Л 12 )1 Я оставитель В, Бело ехред М,Моргентал в рректор И. Муска ипта едактор Заказ 875 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 и того же материала, путем нагревания одной торцовой поверхности контактной пары и охлаждения ее противоположной поверх-. ности, определение разности температур между нагреваемой и охлаждаемой торцовыми поверхностями контактной пары и расчет контактного термического сопротивления, о т л и ч а.ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности определения контактных термических сопротивлений, дополнительно пропускают такой же по величине тепловой поток через один из образцов контактной пары, замеряют разность темпера.тур на его торцовых поверхностях, а величину контактного термического сопротивления рассчитывают по формуле 5 где В - контактное термическое сопротивление;с 1 - удельный тепловой поток, проходящий через контактную пару и образец контактной пары;10 Ь 1,ЬТ., - перепад температур между охлаждаемой и нагреваемой поверхностями одного из образцов и контактнойпары и контактной пары соответственно;п 1 - высота единичного образца:пг - высота контактной пары,