190960. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és mérőberendezés hővezetési együttható és hőkapacitás meghatározására
1 190 960 2 A találmány tárgya eljárás és mérőelrendezés hővezetési együttható és hőkapacitás meghatározására. A hővezetési együttható úgy elméleti, mint gyakorlati szempontból egyike az anyag leglényegesebb paramétereinek. A hővezetés lényeges szerepet játszik valamennyi fizikai és kémiai folyamatnál, amelyeknél a reakció vagy átalakulás során hő keletkezik. A hővezetési együtthatót az alábbi egyenlettel definiáljuk : = —X grad T, (1) ahol „Q” a „s” felületen időegységenként átfolyó hőáram, „T” pedig a hőmérséklet. A hőáram térbeli változását a (2) egyenlet írja le : ahol „Q” a „s” felületen időegységenként átfolyó hőáram, „c” a vizsgált anyag hőkapacitása az adott körülmények között. Az (1) és (2) egyenletek leírják az anyag állapotát, azaz az anyagon belüli hőmérséklet-eloszlást és hőáramot. A két egyenlet összevonásával kapjuk a hővezetési egyenletet: — = - V2T. (3) dt c A fenti egyenletben két anyagállandó, „c” hőkapacitás és „X” hővezetési együttható szerepel. A hővezetési együttható mérési elve az (1) egyenletre alapul, tehát időtől független, azaz stacionárius állapotot feltételez. Ismertek olyan mérőelrendezések, amelyek a hővezetési együttható stacionárius körülmények közötti meghatározására alkalmasak. Ilyen megoldást ismertet például a 37 33 887 sz. USA-beli szabadalmi leírás. A mérőelrendezés fűtőelemet tartalmaz, amely két, hőmérsékletstabilizáló berendezéssel összekötött anyagminta között van elrendezve. Az anyagminták hőelvezetőkkel termikus kapcsolatban állnak. Valamennyi ismert mérőelrendezésnél a hő vezetési együttható mérése adott hőmérsékletkülönbség mellett az anyagmintán átfolyó hőáram mérésén, illetve meghatározott hőáram által kiváltott hőmérsékletkülönbség mérésén alapul. Az ilyen méréseknek azonban rendszeres hibájuk van. Az anyagmintában általában transzverzális hőmérsékletgradiens lép fel, valamint a hőszállítás és sugárzás következtében jelentős a hőszórás. Ezeknek a hibáknak a kiküszöbölése érdekében lemezszerű anyagmintákat használnak, amelyek vastagsága oldalirányú méreteihez képest igen kicsi, továbbá fűtőgyűrűt alkalmaznak, amellyel a transzverzális hőmérsékletgradiens kiküszöbölhető, és a hőszállítás megakadályozására vákuumot létesítenek. Gyakran alkalmaznak szimmetrikus elrendezést : két hőelvezetőt és két lemezszerű anyagmintát, amelyek hőáramot előállító fűtőelem két oldalán vannak elrendezve. A hővezetési együtthatót az anyagminta két oldala közötti hőmérsékletkülönbség határozza meg. Tekintve azonban, hogy a hőmérsékletkülönbség általában több fok, az a hőmérséklet, amelyen a hővezetési együttható értékét meghatározzuk, nem adható meg pontosan. Az ismert megoldások további hiányossága, hogy a hőmérsékletkülönbség meghatározása konstans hőáram mellett, illetve a hőáram meghatározása konstans hőmérsékletkülönbség mellett stacionárius hőáramot követel, ami az ismert berendezések segitségével több perc, vagy akár több óra alatt érhető el. Lehetőség van a hővezetési együttható meghatározására hőmérsékletvezetési együttható mérése által is, ami a hővezetési együttható és a hőkapacitás hányadosával arányos mennyiség. A mérés alapja a hőimpulzus anyagrétegen való áthatolási idejének meghatározása. A hőmérsékletvezetési együttható meghatározásának két módszere ismert: a „forró drót”-módszer [Sandberg, Anderson, Bäckström: J. Physics E. Sei. Instr. 10., 474(1977.)] és a „villanás”-módszer [Chen, Poon, Choy : Polymer 18, 129 (1977); Chang, Bestül: J. Chem. Phys. 55, 503 (1972.); Parker, Jenkins, Butler, Abbott: J. Appl. Phys. 32, 1679 (1961.)]. A hővezetési együttható (X.) valamennyi ismertetett megoldásnál ahhoz a hőmérsékletértékhez rendelhető, amelynek környezetében a méréseket végeztük. A hővezetési együttható meghatározására ismert továbbá kvázi-stacionárius módszer [Eiermann, Hellwege, Knappe; Kolloid Z. 174, 134 (1961)], amely az anyagminta két felülete között a hővezetés következtében kialakuló hőmérsékietkülönbség mérésén alapul, ahol az anyagminták között hidegebb fémlemez van elhelyezve. Az anyagmintákon belüli hőmérséklétgradiens tetszőleges linearitását feltételezve az anyagminta hővezetési együtthatóját az anyagminta átlagos hőmérsékletének tartományában az alábbi egyenlet határozza meg: dT ahol „m” az anyagminták között elhelyezett fémlemez tömege, „c,” az anyagminta fajlagos hőkapacitása, „I” az anyagminta vastagsága, „S” az anyagminta felszíne, „AT,” és „AT2” a hőmérsékletküdT” lönbségek az anyagminta két oldalán, és „— a dt fémlap hőmérsékletváltozási sebességének pillanatnyi értéke. Ebben az elrendezésben a transzverzális gradienseket fűtőgyűrű alkalmazásával küszöbölték ki, a hőszállítást és hőszórást pedig a mérőelrendezés vákuumban való elhelyezésével, valamint két anyagminta szimmetrikus rendszerben való elhelyezésével csökkentették. A módszer korlátjai az anyagmintán belüli hőmérsékletgradiens linearitásának és stabilitásának feltételezése. A találmánnyal célunk olyan megoldás kidolgozása, amellyel az ismert módszerek hiányosságai kiküszöbölhetők. A megoldandó feladat tehát olyan mérőelrendezés megvalósítása, amellyel a hővezetési együttható és hőkapacitás megfelelő pontossággal meghatározható. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
