專利名稱：測量導熱系數的裝置的制作方法
技術領域：
本發明是關于材料導熱系數的測量裝置，特別是關于具有良好絕熱效果的測量導熱系數的裝置。
背景技術：
在開發功能材料過程中，經常需要對材料的導熱性能進行測量，特別是導熱材料，其導熱系數影響最終產品的導熱性能。在電子設備散熱器的設計過程中，需要預先計算、模擬其散熱性能，精確測量導熱材料的導熱系數成為設計成功的關鍵所在。
目前測量材料的導熱系數主要有以下二種方法第一種方法是激光閃爍法，該方法采用高能激光作為熱源，短時間內迅速將一定熱量沉積在樣品的表面，并測量樣品另一表面的溫度變化，測得樣品的熱擴散率，再通過公式計算得出該樣品材料的導熱系數。該方法測量儀器昂貴，成本較高，且因材料的密度變化使得測量的誤差較大。
第二種方法是溫度梯度法，該方法將待測樣品置于一熱源與一低溫熱沉之間，測量其間形成的溫度梯度，從而計算得到材料的導熱系數。該方法較為簡單，易操作，易實現。
理想狀態下，熱源的所有熱量應通過待測樣品傳遞至低溫熱沉，但實際上不可避免會有一部份熱量從其它方向散發，從而導致測量誤差。所以，上述方法的測量精度主要取決于測量設備所用絕熱層的絕熱性能，一般絕熱層會使用絕熱材料，如氧化鋁陶瓷等，將熱源與外界環境隔絕，盡量減少熱量損失。但是，部份熱量仍會通過氧化鋁陶瓷向外傳導。
請參見圖7，2000年9月20日公告的中國專利第93115076.0號揭露一種測量材料導熱系數的方法及其裝置。該裝置9包括外殼13，其內填充有絕熱材料形成一絕熱罩14；一熱源15，其功率為P；一加熱盤10，其面積為S，是緊貼熱源15設置；待測材料12，其厚度為L，其一表面與加熱盤10表面緊密接觸，另一表面與一受熱盤11緊密接觸；加熱盤10與受熱盤11分別設置有一溫度傳感器16，用以分別感測加熱盤10與受熱盤11的溫度。為提高測量精度，加熱盤10與受熱盤11的徑向尺寸需遠遠大于待測材料12的厚度L。
測量待測材料12的導熱系數時，僅需利用溫度傳感器16分別測得加熱盤10及受熱盤11的溫度T1及T2，并將待測材料12的厚度L、加熱盤10的面積S、熱源15的功率P代入導熱方程式P＝kS(T1-T2)/L即可得出導熱系數k值。其中，熱源15可為電加熱，則其功率P可用P＝IV求得，I為流過熱源15的電流，V為熱源15的電壓。
上述專利揭露的方法及裝置使用方便，測量成本亦較低，然而，這種裝置需將絕熱材料填充外殼13里面以形成于絕熱罩14，并將熱源15、溫度傳感器16及加熱盤10預先包覆于絕熱罩14內以防止熱量散失，這種設計不利于熱源15及溫度傳感器16的安裝、檢修；且現有技術的絕熱材料如氧化鋁陶瓷，其絕熱性能仍有不足，不能滿足更高測量精度的要求。
有鑒于此，提供一種易操作、絕熱性優良且測量精度更高的測量導熱系數的裝置實為必要。
發明內容為克服現有技術的上述缺點，本發明的目的在于提供一種易操作、絕熱性優良的測量導熱系數的裝置。
本發明測量導熱系數的裝置包括一用以產生熱量的熱源；一第一金屬塊，緊貼熱源設置；一待測樣品，緊貼該第一金屬塊設置；一第二金屬塊，緊貼該待測樣品設置；一冷卻裝置；多個溫度傳感器，用以測量該第一、第二金屬塊的溫度；一絕熱裝置，其形成有一內部空間，上述熱源、兩金屬塊、待測樣品及冷卻裝置可容納于該內部空間；另外，一壓力器可施加預定壓力將容納于內部空間的組件壓緊；其中，該絕熱裝置是由碳納米管有序排列分散于氧化鋁陶瓷基體材料中，且碳納米管是垂直熱量傳遞的方向排列。
相對于現有技術，本發明利用碳納米管徑向不導熱的特性，使得傳遞至碳納米管的熱量反射回去，提高測量裝置的絕熱性能，使得熱量僅能向預定方向傳遞，可提高最終測量精度；且無需填充其它絕熱材料，方便使用及檢修。
圖1是本發明測量導熱系數的裝置的立體示意圖。
圖2是本發明測量導熱系數的裝置的內部結構示意圖。
圖3是本發明測量導熱系數的裝置的方形側壁示意圖。
圖4是本發明測量導熱系數的裝置的方形側壁示意圖。
圖5是本發明測量導熱系數的裝置的圓柱形側壁示意圖。
圖6是熱電偶測得銅金屬的溫度與距離的關系圖。
圖7是現有技術測量導熱系數的裝置的示意圖。
具體實施方式下面結合說明書附圖及具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。
請一起參閱圖1及圖2，本發明測量導熱系數的裝置第一實施方式的立體示意圖及其內部結構示意圖。該測量裝置包括一絕熱裝置100，該絕熱裝置100是一方形結構，由保溫層110圍合而成，頂端具有一可上下移動的頂蓋115，該頂蓋115也具保溫效果；另外，頂蓋115上方設置一壓力器200，用以施加一標準壓力至該頂蓋115。
本實施方式的絕熱裝置100，其保溫層110包括四側壁114及一底壁116，一起圍合形成一具有開口的方形內部空間，頂蓋115的形狀與該開口形狀相配，并可上下移動。一冷卻裝置140設置于該內部空間底部，即靠近該底壁116處。一銅塊126、待測樣品130及銅塊124順序堆壘在冷卻裝置140上，這樣，使得待樣品130夾在兩銅塊126、124之間。其中，上述兩銅塊126、124及待測樣品具有相同截面積A，并且該截面尺寸遠大于待測樣品130的厚度H。一熱源120設置于銅塊124與頂蓋115之間，而前述壓力器200施加一標準壓力至該頂蓋115，將上述各組件緊壓。
為減小界面熱阻，銅塊126與樣品130的接觸表面、及銅塊124與樣品130的接觸表面均應拋光，使接觸面平整光滑為佳。
上述側壁114、底壁116及頂蓋115均是由氧化鋁陶瓷113及碳納米管112形成的復合材料制成，該復合材料是以氧化鋁陶瓷113為基體，碳納米管112為填充物，經電漿燒結(spark-plasma sintering)而成。其中碳納米管112是垂直于熱傳遞方向排布，本實施方式中，碳納米管112是垂直側壁114、底壁116及頂蓋115的厚度方向而排列，碳納米管112的質量含量為5～10％。
碳納米管112是由石墨層碳原子卷曲而成的管狀材料，其直徑一般為幾納米到幾十納米，可為連續排列，亦可不連續排列。碳納米管112具有獨特導熱性能，其軸向導熱性極優異，但徑向不導熱，當熱量垂直碳納米管112傳遞時，不會沿其徑向傳遞，碳納米管112將熱量反射回去。所以，本發明使用的絕熱裝置100具有優良的絕熱性能，較傳統的氧化鋁陶瓷具有更高絕熱效果，可確保熱源120產生的熱量僅能沿銅塊124向樣品130方向傳遞，并且避免了熱量在傳遞過程中透過側壁114散發到絕熱裝置100外面。
請一起參見圖3及圖4，當上述復合材料制成方形的側壁114、底壁116或頂蓋115時，其中碳納米管112可以有二種排布方式。第一種是沿x軸方向，即側壁114寬度方向排布，第二種是沿y軸方向，即側壁114長度方向排布。如此，當熱量沿z軸方向，即側壁114的厚度方向傳遞時，因碳納米管112徑向不導熱特性，熱量被反射回去，從而達到保溫絕熱的優異效果。
當然，因絕熱裝置100亦可為其它形狀，如常用圓柱形測量裝置來測量表面為圓形的樣品，這種情況下，絕熱裝置100是由一圓柱形側壁及圓形底壁及頂蓋構成。
請參見圖5，本發明第二實施例的圓柱形側壁117的剖面示意圖，其中碳納米管119是沿圓柱的軸向方向排布，亦即垂直于圓柱的徑向方向。圓柱形側壁117需與圓形底壁(圖未標示)及圓形頂蓋(圖未標示)配合使用，可由第一實施例的底壁116及頂蓋115制成尺寸相配的圓形即可。當熱量由圓柱內向外傳遞時，因碳納米管119的徑向不導熱特性，將熱量反射回去，從而達到保溫絕熱的優異效果。
請一并參見圖2及圖6，本發明測量導熱系數的裝置使用時，順序將冷卻裝置116、銅塊126、待測樣品130、銅塊124及熱源120放入絕熱裝置100內部，并將頂蓋115密合后，利用壓力器200施加一標準壓力至該頂蓋115，其中該冷卻裝置116可包括冷卻水管等，熱源120可為電加熱，如此在熱源120與冷卻裝置116之間形成一溫度梯度場。壓力器200施加的壓力一般為20～251bf范圍內。
另外，在銅塊124一側面，距離樣品130上表面a1、a2、a3距離處分別設置溫度感測點D1、D2、D3，利用溫度感測裝置(圖未標示)可測得此三點位置的溫度T1、T2、T3，溫度感測裝置包括熱電偶等。同樣，在銅塊126一側面，距離樣品130下表面s1、s2、s3距離處分別設置溫度感測點M1、M2、M3，利用溫度感測裝置可測得該三點的溫度T4、T5、T6。
根據傅利葉公式
Q＝-kAΔT/ΔD上式中A為樣品130表面積，ΔD為熱量流過樣品130的距離，即樣品130的厚度。要測得樣品130的導熱系數K值，需要先確定通過樣品130的熱通量Q值及其上下表面溫度差ΔT＝Tlow-Tup即上表面溫度Tup及下表面溫度Tlow的差值。
因絕熱裝置100的側壁114及頂蓋115不能傳遞熱量，熱量只能夠從熱源120向冷卻裝置116傳遞，且傳遞過程中沒有熱量散失。如此，從D3流至D2的熱通量Q32、從D2流至D1的熱通量Q21、流過樣品的熱通量Q、從M1流至M2的熱通量Q12，以及從M2流至M3的熱通量Q23均相等，如此僅需求得任何一個熱通量即可得知樣品130的熱通量。而銅塊124、126的導熱系數k1為已知值，則根據傅利葉公式，可得流過銅塊124、136的熱通量值Q。
根據銅塊124的各點溫度呈線性關系，如圖6所示，可由D3、D2、D1點的溫度T1、T2、T3求得樣品130上表面溫度Tup，同理，由銅塊126上三點M1、M2、M3的溫度T4、T5、T6可求得樣品下表面溫度Tlow。將上述熱通量及溫度Tup及Tlow代入公式即可得出樣品130導熱系數。
所屬領域人員應明白，本發明利用碳納米管112的徑向不導熱性，使得絕熱裝置100絕熱性能大為提高，使得熱量僅能向預定方向傳遞，可提高最終測量精度；而熱源120并不限于電加熱，其它能夠提供足夠熱量的方式均可適用，另外，冷卻裝置140亦不限于冷卻水管，液氮等其它冷卻方式亦可適用本發明，銅塊124、126亦可用其它金屬代替，其目的僅在于根據現有已知導熱系數的材料來測得熱通量及樣品130表面溫度Tup及Tlow。
權利要求
1.一種測量導熱系數的裝置，其包括一熱源，其可產生熱量；一第一金屬塊，緊貼該熱源設置；一待測樣品，緊貼該第一金屬塊設置；一第二金屬塊，緊貼該待測樣品設置；一冷卻裝置，緊貼于該第二金屬塊；及一絕熱裝置，其形成有一內部空間，上述熱源、第一金屬塊、待測樣品、第二金屬塊及冷卻裝置可容納于該內部空間；其特征在于，該絕熱裝置包括復數碳納米管，且該等碳納米管是垂直于熱量傳遞的方向排布。
2.如權利要求1所述的測量導熱系數的裝置，其特征在于該熱源是電加熱。
3.如權利要求1所述的測量導熱系數的裝置，其特征在于該第一金屬塊包括銅。
4.如權利要求1所述的測量導熱系數的裝置，其特征在于該第二金屬塊包括銅。
5.如權利要求1所述的測量導熱系數的裝置，其特征在于該第一金屬塊、第二金屬塊以及待測樣品具有相同截面積。
6.如權利要求1所述的測量導熱系數的裝置，其特征在于該絕熱裝置是以氧化鋁陶瓷作為基體材料，所述碳納米管有序排列分散于所述基體材料中。
7.如權利要求6所述的測量導熱系數的裝置，其特征在于該絕熱裝置是將所述氧化鋁陶瓷與所述碳納米管經電漿繞結制成。
8.如權利要求6所述的測量導熱系數的裝置，其特征在于所述碳納米管的質量含量為5～10％。
9.如權利要求1所述的測量導熱系數的裝置，其特征在于該裝置進一步包括溫度傳感器，用以測量金屬塊的溫度。
10.如權利要求1所述的測量導熱系數的裝置，其特征在于該裝置進一步包括一可移動的頂蓋及一壓力器，該壓力器可施加預定壓力于該頂蓋。
全文摘要
本發明提供一種測量導熱系數的裝置，該裝置包括一封閉的絕熱裝置，其內可容納有熱源，二金屬塊，待測樣品，一冷卻裝置等。其中，該絕熱裝置是由碳納米管有序排列分散于氧化鋁陶瓷基體材料中。該等碳納米管是垂直于熱量傳遞的方向排布，利用碳納米管徑向不導熱的特性，使得傳遞至碳納米管的熱量反射回去，提高測量裝置的絕熱性能，使得熱量僅能向預定方向傳遞，可提高最終測量精度，且無需填充其它絕熱材料，方便使用及檢修。
文檔編號G01N25/18GK1624466SQ200310112520
公開日2005年6月8日 申請日期2003年12月5日 優先權日2003年12月5日
發明者黃文正, 黃全德 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司, 鴻海精密工業股份有限公司