[發明專利]一種可大范圍調節加載力和溫度的接觸熱阻測量裝置

有效

• 申請號: 201310030125.4
• 申請日: 2013-01-25
• 公開（公告）號: CN103115940A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 厲彥忠;鄭江;來歡
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

技術領域

本發明涉及固體材料熱物理性質測量技術領域，具體涉及一種可大范圍調節加載力和溫度的接觸熱阻測量裝置。

背景技術

接觸熱阻是指熱量通過固體之間的接觸界面傳遞時遇到的附加阻力。接觸熱阻的形成機理主要包括實際固體表面凹凸不平導致的不完全接觸、以及載熱子在接觸界面處的散射；前者在常溫區和高溫區占主導作用，后者在低溫區占主導作用。在航空航天、超導、核電、微電子等技術領域，固體界面之間的接觸換熱是常采用的散熱形式。某些情況下接觸熱阻在整個系統的熱阻中占可觀的比例，例如高溫超導系統中超導體與氮化鋁之間的接觸熱阻是氮化鋁材料本身熱阻的數十倍。因此獲取特定材料和接觸條件下的接觸熱阻對工程系統的散熱設計有重要的意義。由于接觸熱阻受溫度、加載條件、熱流方向、接觸面幾何形貌、接觸介質等多種因素的綜合影響，用現有的一些計算模型得到的預測結果往往與實際值偏差較大，工程應用中需通過實驗測量得到接觸熱阻的值。受測量原理和傳感器性能等的限制，通常難以實現對實際接觸面的原位測量，目前的接觸熱阻測量裝置均是通過模擬實際接觸條件，得到特定材料和接觸條件下的接觸熱阻。

現有的接觸熱阻測量方法主要是一維穩態導熱法，相應的測量裝置一般包括抽真空系統、控溫系統、加載系統、測量系統等。例如徐烈等（雙熱流法測定低溫真空下固體界面的接觸熱阻.《低溫工程》.1999,(第4期),185-189.）提出了用雙熱流計測量接觸熱阻的方法及裝置，文中所述裝置可以方便地在真空腔外部調節加載力，但波紋管本身的伸縮應力使加載力難以準確測量，尤其在加載力小的情況下；且該裝置不易實現從液氮溫區到常溫區的連續控溫。徐圣亞和洪國同（真空低溫下螺釘壓緊的Cu-Cu界面間接觸熱阻的實驗研究.《真空與低溫》.2010,第16卷(第3期),153-156.）提出了在接觸面溫度固定時測螺釘壓緊的界面間接觸熱阻的實驗方法及裝置，該裝置能模擬低溫和真空的接觸條件，但無法在真空腔外部調節加載力，故不便于對同組試件進行相同溫度、不同加載力的接觸熱阻測量，也得不到加載——卸載過程中接觸熱阻的滯環變化規律。黃海明等（機械壓力作用下接觸熱阻測量裝置及測量方法.2011,CN101887041B.）提出的裝置用專用壓力機加載，Kwabena?A.Narh等（Apparatus?and?method?for?simultaneously?determining?thermal?conductivity?and?thermal?contact?resistance.2011,US6142662A.）提出的裝置加載力可達3MPa;但上述兩種裝置中均采用包裹隔熱材料的方式減小試件的徑向散熱，這種絕熱方式比高真空絕熱的效果差,當接觸面溫度遠低于環境溫度時會給軸向熱流的測量帶入顯著的誤差。洪軍等（一種固定結合面真空接觸熱導測量裝置.2011,CN102141529A.）提出的裝置采用壓電陶瓷調節加載力，適用于加載力不大的工況；該裝置用液氮直接冷卻制冷液，而常壓下液氮溫度約為-163℃，易造成制冷液凍結。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種可大范圍調節加載力和溫度的接觸熱阻測量裝置，采用高真空絕熱，用加載螺栓、推力軸承等調節加載力，用液氮槽、電加熱圈等調節溫度，具有測量精確、工況范圍大、操作方便的優點。

為達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種可大范圍調節加載力和溫度的接觸熱阻測量裝置，包括測量單元1，測量單元1的真空腔固定腳36連接到機架7，機架7的底部與萬向輪8連接，機架7的上表面放置水平儀5，測量單元1的進液管67通過液氮充注管33連接到液氮儲罐10的供液口，測量單元1的排氣管66通過氮氣放空管3連通到大氣環境。

測量單元1的抽真空接口44通過波紋管12連接到分子泵13的進氣口，分子泵13的排氣口通過電磁擋板閥14連接到機械泵15的進氣口，測量單元1的熱偶規卡口34與熱偶規31連接，熱偶規31通過熱偶規電纜17連接到復合真空計18，測量單元1的電離規卡口35與電離規30連接，電離規30通過電離規電纜16連接到復合真空計18，測量單元1的充氣接口43通過充氣管32連接到高壓氣瓶9的供氣口。