Контактное термическое сопротивление в соединениях

Êîíòàêòíîå òåðìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå â ñîåäèíåíèÿõ êåðàìèêà–ìåòàëë â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð 77–300 Ê
Êîíòàêòíîå òåðìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå â
ñîåäèíåíèÿõ êåðàìèêà–ìåòàëë â èíòåðâàëå
òåìïåðàòóð 77–300 Ê
Ðàéìóíäàñ Áîëøàéòèñ,
ßí Áàëüöåâè÷,
Âèîëåòà Ìàòóë¸íåíå,
Þðàòå ×åñíåíå
Ëèòîâñêèé ýíåðãåòè÷åñêèé
èíñòèòóò, Ëàáîðàòîðèÿ
èññëåäîâàíèé è èñïûòàíèé
ìàòåðèàëîâ,
Áðåñëàó¸ñ, 3, 3035, Êàóíàñ
Äàíî îïèñàíèå ìåòîäèêè, ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè è ðåçóëüòàòîâ
èññëåäîâàíèÿ êîíòàêòíîãî òåðìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ äëÿ íèòðèäíîé
êåðàìèêè è ìåäè. Ïîêàçàíî âëèÿíèå íàïðàâëåíèÿ òåïëîâîãî ïîòîêà íà
òåðìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå êîíòàêòà ìåòàëë–êåðàìèêà.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: òåðìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå, òåïëîâîé ïîòîê, êîíòàêòíûé
òåïëîîáìåí, òåðìîïðî÷íîñòü, ýôôåêòèâíûé çàçîð, êîíòàêòíàÿ ïàðà
1. ÂÂÅÄÅÍÈÅ
Ýôôåêòèâíîñòü ïðèìåíåíèÿ íîâûõ êîíñòðóêöèîííûõ êåðàìè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ â çíà÷èòåëüíîé
ñòåïåíè çàâèñèò îò èçó÷åíèÿ è çíàíèÿ èõ òåïëîôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ. Èñïîëüçîâàíèå òàêèõ ìàòåðèàëîâ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ðàçëè÷íûõ äåòàëåé è
óçëîâ ýíåðãåòè÷åñêèõ óñòðîéñòâ ñâÿçàíî òàêæå ñ
êîíòàêòíûìè òåðìè÷åñêèìè ñîïðîòèâëåíèÿìè
ìåñò ñîåäèíåíèé. Íàëè÷èå êîíòàêòíîãî òåðìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ïðèâîäèò ê òåìïåðàòóðíîìó
ñêà÷êó ìåæäó ñîïðèêàñàþùèìèñÿ ïîâåðõíîñòÿìè
â ñîñòàâíûõ äåòàëÿõ, êîòîðûé ïðè òåïëîâûõ ïîòîêàõ âûñîêîé ïëîòíîñòè ìîæåò äîñòèãàòü äåñÿòêîâ
è ñîòåí ãðàäóñîâ [1]. Ñàìè ìàòåðèàëû êîíñòðóêöèîííîé êåðàìèêè ïî ñâîåé ïðèðîäå ÿâëÿþòñÿ
ïîëèêðèñòàëëè÷åñêèìè è ñîäåðæàò ïîðû, ìèêðîòðåùèíû, âñåâîçìîæíûå íåîäíîðîäíîñòè, íà ãðàíèöàõ êîòîðûõ, àíàëîãè÷íî çîíàì êîíòàêòà ïðè
íåðàâíîâåñíûõ òåïëîâûõ óñëîâèÿõ, âîçíèêàþò
ñëîæíûå òåìïåðàòóðíûå ïîëÿ, ïðèâîäÿùèå ìàòåðèàë èçäåëèÿ ê ðàçóïðî÷íåíèþ è ðàçðóøåíèþ.
Ñëîæíîñòü ãðàíè÷íûõ óñëîâèé è çàâèñèìîñòü
òåïëîôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ ñèñòåìû îò òåìïåðàòóðû
äåëàþò ïîñòàíîâêó àíàëèòè÷åñêîãî ðåøåíèÿ çàäà÷è ïî êîíòàêòíîìó òåïëîîáìåíó òðóäíîâûïîëíèìîé, ïîýòîìó ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå
è àíàëèç îòäåëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ ïðè èçó÷åíèè
êîíòàêòíîãî òåðìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ â ñîåäèíåíèÿõ êåðàìèêà–êåðàìèêà, êåðàìèêà–ìåòàëë
èìåþò ïåðâîî÷åðåäíîå çíà÷åíèå.
2. ÝÊÑÏÅÐÈÌÅÍÒÀËÜÍÀß ÓÑÒÀÍÎÂÊÀ È
ÌÅÒÎÄÈÊÀ ÏÐÎÂÅÄÅÍÈß
ÝÊÑÏÅÐÈÌÅÍÒÀ
Ýêñïåðèìåíòû ïî îïðåäåëåíèþ êîíòàêòíîãî òåðìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ïðîâîäèëèñü íà êàëîðèìåòðè÷åñêîé óñòàíîâêå (ðèñ. 1).
Ðèñ. 1. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà êàëîðèìåòðè÷åñêîé óñòàíîâêè
ISSN 0235–7208. E n e r g e t i k a . 2001. Nr. 1
79
Ðàéìóíäàñ Áîëøàéòèñ, ßí Áàëüöåâè÷, Âèîëåòà Ìàòóë¸íåíå, Þðàòå ×åñíåíå
Ñîçäàííàÿ ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêà ïîçâîëÿåò:
– èññëåäîâàòü êîíòàêòíûé òåïëîîáìåí ìåæäó
ìåòàëëè÷åñêèìè è êåðàìè÷åñêèìè ïîâåðõíîñòÿìè
â çàâèñèìîñòè îò ñæèìàþùåãî óñèëèÿ, óðîâíÿ
ãðàíè÷íûõ òåìïåðàòóð, äàâëåíèÿ îñòàòî÷íîãî ãàçà
è íàïðàâëåíèÿ òåïëîâîãî ïîòîêà;
– èññëåäîâàòü ðàäèàöèîííûé òåïëîîáìåí ìåæäó
ïîâåðõíîñòÿìè â çàâèñèìîñòè îò ðàññòîÿíèÿ ìåæäó
íèìè;
– îïðåäåëÿòü òåïëîïðîâîäíîñòü ìàòåðèàëîâ.
Èçìåðåíèå òåïëîâîãî ïîòîêà, ïðîõîäÿùåãî
âäîëü îáðàçöà ÷åðåç èññëåäóåìóþ çîíó, îñóùåñòâëÿåòñÿ ïî êîëè÷åñòâó èñïàðèâøåéñÿ êðèîãåííîé æèäêîñòè èç êîíòðîëüíîãî ñîñóäà. Èññëåäóåìàÿ çîíà êîíòàêòà íàõîäèòñÿ â ïëîñêîñòè
ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ñîñòàâíîãî îáðàçöà 8, èìåþùåãî ôîðìó ïàðàëëåëåïèïåäà èëè öèëèíäðà
äëèíîé 50–80 mm. Äèàìåòð ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ
âûáèðàëñÿ â çàâèñèìîñòè îò òåïëîïðîâîäíîñòè
îáðàçöà è ñîñòàâëÿë 15–20 mm. Íèæíÿÿ òîðöåâàÿ
ïîâåðõíîñòü îáðàçöà íàãðåâàåòñÿ ñ ïîìîùüþ
ýëåêòðîíàãðåâàòåëÿ, ïðåäñòàâëÿþùåãî ñîáîé ìåäíûé öèëèíäð 9 ðàçìåðîì 40 × 40 mm2 ñ íàâèòîé
âîêðóã íåãî èçîëèðîâàííîé íèõðîìîâîé ïðîâîëîêîé 10 äèàìåòðîì 0,2 mm è ïîëíûì ñîïðîòèâëåíèåì 40 Om. Òàêàÿ êîíñòðóêöèÿ ïîçâîëÿåò ðàçâèâàòü íåîáõîäèìóþ äëÿ èçìåðåíèé
ìîùíîñòü ïðè òåìïåðàòóðå ãîðÿ÷åé ïîâåðõíîñòè
îáðàçöà äî 400 Ê. Âåðõíÿÿ òîðöåâàÿ ïîâåðõíîñòü
îáðàçöà óïèðàåòñÿ â ìåäíîå äíèùå 18 êîíòðîëüíîãî ñîñóäà 19 åìêîñòüþ 0,744 l, èçãîòîâëåííîãî èç íåðæàâåþùåé ñòàëè, è ìîæåò íàõîäèòüñÿ ïðè äèñêðåòíûõ òåìïåðàòóðàõ 77, 50, 4 Ê
â çàâèñèìîñòè îò èñïîëüçóåìîé êðèîãåííîé æèäêîñòè (àçîò, âîäîðîä, ãåëèé). Âíåøíèå ñòåíêè
êîíòðîëüíîãî ñîñóäà îòïîëèðîâàíû ìåõàíè÷åñêèì
ñïîñîáîì. Êîíòðîëüíûé ñîñóä ïîäâåøèâàåòñÿ íà
òîíêîñòåííîé äðåíàæíîé òðóáêå 3 äèàìåòðîì 10
mm è ïîìåùàåòñÿ âíóòðè âàêóóìíîé êàìåðû,
ñîñòîÿùåé èç âåðõíåé 20 è íèæíåé 14 ÷àñòåé,
êîòîðûå ñîåäèíÿþòñÿ ÷åðåç èíäèåâûå óïëîòíåíèÿ
16 è ñòÿãèâàþòñÿ áîëòàìè. Âåðõíÿÿ ÷àñòü, âûïîëíÿþùàÿ ôóíêöèè îõðàííîãî ñîñóäà, èçãîòîâëåíà
èç íåðæàâåþùåé ñòàëè, âíóòðè îêðàøåíà â
÷åðíûé öâåò äëÿ ïîãëîùåíèÿ ïàðàçèòíîãî òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ, êîòîðîå ìîæåò ïðîíèêíóòü ÷åðåç
êîëüöåâîé çàçîð. Âåëè÷èíà çàçîðà ìåæäó âåðõíåé
÷àñòüþ âàêóóìíîé êàìåðû è êîíòðîëüíûì ñîñóäîì
îáóñëîâëåíà èõ ðàçìåðàìè è ñîñòàâëÿåò 5 mm.
Íèæíÿÿ ÷àñòü âàêóóìíîé êàìåðû ïðåäñòàâëÿåò
ñîáîé ñèëüôîí äèàìåòðîì 90 mm. Âàêóóìíàÿ
òðóáêà ïîäâåøèâàåòñÿ íà òðóáêå 4 (30 × 0,5 mm,
1Õ18Í9Ò), ñëóæàùåé äëÿ îòêà÷êè âàêóóìíîãî
îáúåìà êàëîðèìåòðà, è çàêðåïëÿåòñÿ íà êðûøêå
80
êðèîñòàòà 23. Äëÿ îòðàæåíèÿ ðàäèàöèîííîé ýíåðãèè, ïðîíèêàþùåé îò íàãðåâàòåëÿ ê êîíòðîëüíîìó
ñîñóäó, ïðèìåíåíû ýêðàíû 17. Îäíîìåðíûé
òåïëîâîé ïîòîê âäîëü îáðàçöà îáåñïå÷èâàåòñÿ
çàùèòîé åãî áîêîâûõ ïîâåðõíîñòåé ìíîãîñëîéíîé
òåïëîâîé èçîëÿöèåé 15 èç àëþìèíèçèðîâàííîé
ôòîðîïëàñòîâîé ïëåíêè. Âûâîä òåðìîïàð 7 è
ñîåäèíèòåëüíûõ ïðîâîäîâ ýëåêòðîíàãðåâàòåëÿ èç
âàêóóìíîé êàìåðû îñóùåñòâëÿåòñÿ ÷åðåç òðóáêó
2, êîíåö êîòîðîé âûâåäåí ÷åðåç êðûøêó êðèîñòàòà
22 â òåïëóþ çîíó è îêàí÷èâàåòñÿ ìíîãîýëåêòðîäíûì âàêóóìíûì ââîäîì 1. Íåîáõîäèìîå óñèëèå íà èññëåäóåìóþ çîíó ïåðåäàåòñÿ ÷åðåç äíèùå
âàêóóìíîé êàìåðû 13, öåíòðèðóþùèé øàðèê 12,
íàãðåâàòåëü 9, ôòîðîïëàñòîâûå ïðîêëàäêè-òåïëîèçîëÿòîðû 11 è 6, îáîéìó 5 ñ ïîìîùüþ òðåõ
âèíòîâ 25 è ñòàëüíûõ ñòðóí 21 äèàìåòðîì 3 mm.
Ïðèëîæåííàÿ íàãðóçêà èçìåðÿåòñÿ òåíçîðåçèñòîðíûì äàò÷èêîì 24.
Ñèñòåìà èçìåðåíèÿ êîëè÷åñòâà èñïàðèâøåéñÿ
æèäêîñòè ñîñòîèò èç êîíòðîëüíîãî ñîñóäà 19, ãåðìåòè÷åñêèõ òðóáîïðîâîäîâ, òåðìîñòàòà 29 ñ
òåïëîîáìåííèêîì 30, ãàçîñ÷åò÷èêà áàðàáàííîãî
òèïà 31, U-îáðàçíîãî æèäêîñòíîãî ìàíîìåòðà 32,
ñëóæàùåãî äëÿ êîíòðîëÿ äàâëåíèÿ ãàçà íàä ïîâåðõíîñòüþ èñïàðèâøåéñÿ êðèîãåííîé æèäêîñòè.
Îòêà÷êà âàêóóìíîé êàìåðû ïðîèçâîäèòñÿ ôîðâàêóóìíûì 28 è äèôôóçèîííûì 27 íàñîñàìè.
×åðåç âàêóóìíûé âåíòèëü 26 ïðîèçâîäèòñÿ íàïóñê
âîçäóõà â ñèñòåìó.
Àâòîìàòè÷åñêîå ïîääåðæàíèå çàäàííîãî óðîâíÿ
òåìïåðàòóðû íàãðåâàòåëÿ îñóùåñòâëÿëîñü ñ ïîìîùüþ óñòðîéñòâà, ñîçäàííîãî íà áàçå âûñîêîòî÷íîãî ðåãóëÿòîðà òåìïåðàòóðû ÂÐÒ-2.  êà÷åñòâå òåðìî÷óâñòâèòåëüíîãî äàò÷èêà ïðèìåíåíà ìåäüêîíñòàíòàíîâàÿ òåðìîïàðà ñ ýëåêòðîäàìè äèàìåòðîì 0,1 è 0,15 mm ñîîòâåòñòâåííî. Ãîðÿ÷èé
(èçìåðèòåëüíûé) ñïàé òåðìîïàðû ïðèñîåäèíÿåòñÿ
ïðèïîåì ÏÎÑ-61 íåïîñðåäñòâåííî ê êîðïóñó
ýëåêòðîíàãðåâàòåëÿ, ÷åì ñîçäàåòñÿ íàäåæíûé òåïëîâîé êîíòàêò. Õîëîäíûé (ñðàâíèòåëüíûé) ñïàé
ïîääåðæèâàåòñÿ ïðè òåìïåðàòóðå êèïåíèÿ àçîòà.
Ýòî ïîçâîëèëî ôèêñèðîâàòü íåáîëüøèå èçìåíåíèÿ
òåðìîÝÄÑ âî âñåì èíòåðâàëå òåìïåðàòóð è ïîäàâàòü ñèãíàë îò òåðìîïàðû íåïîñðåäñòâåííî íà
âõîäíîé óñèëèòåëü èçìåðèòåëüíîãî áëîêà ÂÐÒ-2.
Ïðàâèëüíî îòðåãóëèðîâàííûé àâòîìàò ïîñëå
âûõîäà íà ðåæèì îáåñïå÷èâàë òî÷íîñòü ïîääåðæèâàíèÿ òåìïåðàòóðû íå õóæå ±0á03 Ê â òå÷åíèå
âñåãî öèêëà èçìåðåíèé.
Äëÿ îïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóðíîãî ïðîôèëÿ â
èññëåäóåìîé ñèñòåìå áûëè èñïîëüçîâàíû ìåäüêîíñòàíòàíîâûå òåðìîïàðû. Ïîëíàÿ îøèáêà ïðè
èçìåðåíèè òåìïåðàòóðû 77,36 Ê ñîñòàâèëà 0,88
µV èëè 0,06 Ê, ÷òî ïîëíîñòüþ óäîâëåòâîðÿåò
óñëîâèÿì ýêñïåðèìåíòà.
Êîíòàêòíîå òåðìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå â ñîåäèíåíèÿõ êåðàìèêà–ìåòàëë â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð 77–300 Ê
Ïîäãîòîâêà îáðàçöîâ ê èçìåðåíèÿì è çàäåëêà
òåðìîïàð ïðîèçâîäèëèñü àíàëîãè÷íî [1].
Òåïëîâîé ïîòîê ê êîíòðîëüíîìó ñîñóäó âû÷èñëÿåòñÿ ïî êîëè÷åñòâó èñïàðèâøåãîñÿ èç íåãî
ñæèæåííîãî ãàçà. Ïîëàãàÿ, ÷òî ìåõàíè÷åñêèé óíîñ
æèäêîñòè îòñóòñòâóåò, òåïëî, ïðèòåêàþùåå ê æèäêîñòè, èñïîëüçóåòñÿ òîëüêî íà åå èñïàðåíèå, à
íàãðåâà ïàðà ïðè ýòîì íå ïðîèñõîäèò, òåïëîâîé
ïîòîê ñ ó÷åòîì ôîíîâîãî ýôôåêòà Of ìîæíî ïðåäñòàâèòü [2]:
Q = JVñ1
P2T1
ρ − Qf ,
P1T2 τ
(1)
ãäå J – òåïëîòà èñïàðåíèÿ àçîòà; V – îáúåìíûé
ðàñõîä ãàçà çà âðåìÿ τ; P1, T1 è ρ1 – äàâëåíèå,
òåìïåðàòóðà è ïëîòíîñòü ïàðà àçîòà íàä æèäêîñòüþ â êîíòðîëüíîì ñîñóäå; P2 – äàâëåíèå
âîçäóõà îêðóæàþùåé ñðåäû; T2 – òåìïåðàòóðà ãàçà
â èçìåðèòåëå ðàñõîäà; ρ –êîýôôèöèåíò, ó÷èòûâàþùèé çàìåíó èñïàðèâøåéñÿ æèäêîñòè ãàçîì.
Ñóììàðíûé ïàðàçèòíûé òåïëîïðèòîê Of, êîòîðûé ïåðåäàåòñÿ ê êîíòðîëüíîìó ñîñóäó ïî
ñòåíêå äðåíàæíîé òðóáêè è çà ñ÷åò òåïëîïðîâîäíîñòè îñòàòî÷íûõ ãàçîâ, à òàêæå èç-çà èçëó÷åíèÿ íàãðåâàòåëÿ, áûë îöåíåí ýêñïåðèìåíòàëüíî.
Ñïåöèàëüíûå èññëåäîâàíèÿ â óñëîâèÿõ, àíàëîãè÷íûõ óñëîâèÿì ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòîâ,
ïîêàçàëè, ÷òî ïîñëå âûõîäà êàëîðèìåòðà íà
ñòàöèîíàðíûé ðåæèì ïàðàçèòíûé òåïëîïðèòîê
ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâîâàë. Ïðè ýòîì ïî÷òè âñÿ
ìîùíîñòü (98%), ïîäâîäèìàÿ ê ýëåêòðîíàãðåâàòåëþ, äàæå ïðè åãî ìàêñèìàëüíûõ òåìïåðàòóðàõ
ðàñõîäîâàëàñü íà èñïàðåíèå êðèîãåííîé æèäêîñòè,
÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î íàäåæíîé òåïëîâîé èçîëÿöèè, óäà÷íîé îðãàíèçàöèè ðàáî÷åãî ó÷àñòêà è
îäíîìåðíîñòè òåïëîâîãî ïîòîêà.
Íåîáõîäèìûì óñëîâèåì ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòà ÿâëÿåòñÿ îáåñïå÷åíèå â âàêóóìíîé êàìåðå äîñòàòî÷íî ãëóáîêîãî âàêóóìà äëÿ èñêëþ÷åíèÿ
âëèÿíèÿ òåïëîïðîâîäíîñòè îñòàòî÷íûõ ãàçîâ íà
ðåçóëüòàò èçìåðåíèé. Îöåíî÷íûé ðàñ÷åò ïî èçâåñòíîìó óðàâíåíèþ Êíóäñåíà ïîêàçûâàåò, ÷òî â
îáëàñòè äàâëåíèé îò àòìîñôåðíîãî äî 1,33 × 10–4 Pà
÷èñëî Êíóäñåíà Ê = 1 è ïðîöåññ òåïëîïåðåíîñà
èìåþò ñëîæíûé õàðàêòåð. Ïðè ñíèæåíèè äàâëåíèÿ
íèæå 1,33 × 10–2 Ðà (K>>1) êîëè÷åñòâî òåïëîâîé
ýíåðãèè, ïåðåíîñèìîé ìîëåêóëàìè ãàçà ïðîïîðöèîíàëüíî äàâëåíèþ ãàçà è ìîëåêóëÿðíûì òåïëîïåðåíîñîì, â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü [3].
 íàøèõ ýêñïåðèìåíòàõ ñîáðàííûé êàëîðèìåòð îòêà÷èâàëñÿ â òå÷åíèå 6–8 ÷ äî ðàáî÷åãî
âàêóóìà íèæå 1,33 × 10–5 Pà. Ñòàöèîíàðíûé ðåæèì íàñòóïàë, â çàâèñèìîñòè îò ýôôåêòèâíîé
òåïëîïðîâîäíîñòè èññëåäóåìîé ñèñòåìû, ÷åðåç
1–3 ÷ ïîñëå çàëèâêè â êîíòðîëüíûé ñîñóä àçîòà
è óñòàíîâêè çàäàííîãî óðîâíÿ òåìïåðàòóðû íàãðåâàòåëÿ ñ ïîìîùüþ àâòîìàòè÷åñêîãî ðåãóëÿòîðà. Î
âûõîäå ñèñòåìû íà ðåæèì ñâèäåòåëüñòâîâàëî
ñîâïàäåíèå òðåõ, ñëåäóþùèõ îäèí çà äðóãèì ñ
15-ìèíóòíûì èíòåðâàëîì, çàìåðîâ ïîêàçàíèé
òåðìîïàð. Ðàñõîæäåíèå çíà÷åíèé òåðìîÝÄÑ ïðè
ýòîì íå äîëæíî ïðåâûøàòü ±1 µV (ïðè ìèíèìàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ìåäü-êîíñòàíòàíîâîé
òåðìîïàðû â îáëàñòè 77–400 Ê ïîðÿäêà 15 µV/Ê
ýòî ñîîòâåòñòâóåò ïîãðåøíîñòè ±0,1%, èëè
±0,07 Ê).
Èçìåðåíèå òåìïåðàòóðíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ â
îáðàçöå è ðàñõîä ãàçà ïðè çàäàííîì ñæèìàþùåì
óñèëèè íà êîíòàêò èëè îïðåäåëåííîé âåëè÷èíå
çàçîðà ïðîèçâîäèëèñü ïðè ôèêñèðîâàííûõ çíà÷åíèÿõ òåìïåðàòóðû íàãðåâàòåëÿ îò 100 äî 400 Ê
ñòóïåíÿìè ÷åðåç 50 Ê.
3. ÎÖÅÍÊÀ ÏÎÃÐÅØÍÎÑÒÈ
ÝÊÑÏÅÐÈÌÅÍÒÀ
Ñèñòåìàòè÷åñêàÿ ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèÿ êîíòàêòíîãî òåðìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ çàâèñèò îò:
– èíñòðóìåíòàëüíîé ïîãðåøíîñòè èçìåðåíèÿ
ïàðàìåòðîâ, âõîäÿùèõ â ðàñ÷åòíóþ ôîðìóëó
R=
P1T2 F∆T
,
JT1ρ1ρP2Vτ
(2)
ãäå ∆Ò – ñêà÷îê òåìïåðàòóðû ìåæäó ñîïðèêàñàþùèìèñÿ ïîâåðõíîcòÿìè, îïðåäåëÿåìûé èç ýêñòðàïîëÿöèè òåìïåðàòóðíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ âäîëü
îáðàçöà äî è ïîñëå ñòûêà, F – ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ îáðàçöà;
– ïîãðåøíîñòè, ñâÿçàííîé ñ êîëåáàíèÿìè òåìïåðàòóðíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ â îáðàçöå â òå÷åíèå
âðåìåíè èç-çà íåñòàáèëüíîñòè ïîääåðæàíèÿ òåìïåðàòóðû íàãðåâàòåëÿ (îêîëî 0,04%);
– ïîãðåøíîñòè, âíîñèìîé íåîäíîìåðíîñòüþ
òåïëîâîãî ïîòîêà âäîëü îáðàçöà çà ñ÷åò ïîòåðü
òåïëà îò îáðàçöà ê ñòåíêàì âàêóóìíîé êàìåðû
(íå áîëåå 2%);
– ïîãðåøíîñòè â îïðåäåëåíèè òåïëîâîãî ïîòîêà, ñâÿçàííîé ñ ïàðàçèòíûì òåïëîïðèòîêîì ê êîíòðîëüíîìó ñîñóäó (ïðàêòè÷åñêè ðàâåí íóëþ);
– íàëè÷èÿ ïðèìåñåé â çàëèâàåìîé êðèîãåííîé
æèäêîñòè (èñïîëüçóåìûé äëÿ çàëèâêè àçîò ñîäåðæèò íå áîëåå 2% æèäêîãî êèñëîðîäà, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîâûøåíèþ òåìïåðàòóðû êèïåíèÿ íà 0,4%
[4]);
– ïîãðåøíîñòè îïðåäåëåíèÿ ñæèìàþùåãî óñèëèÿ íà èññëåäóåìûé êîíòàêò (äëÿ òåíçîðåçèñòîðíîãî äàò÷èêà ñèëû 1805 ÄÑÒÂ-0,05 ïðè èçìåðåíèè âûõîäíîãî ñèãíàëà ïðèáîðîì Ô-30 íà
ïðåäåëå 100 mV, 0,7%).
81
Ðàéìóíäàñ Áîëøàéòèñ, ßí Áàëüöåâè÷, Âèîëåòà Ìàòóë¸íåíå, Þðàòå ×åñíåíå
250
T,K
220
p =1.33 MPa
190
160
p=1.74 MPa
130
0
10
20
30
40
80
12
10
1.74
2
.
4
p=1.33 MPa
8
6
4
80
90
100
110
120
T, K
,
(3)
4
2
1
3
.
ãäå Si – îòíîñèòåëüíàÿ ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèé
îòäåëüíûõ âåëè÷èí; êîýôôèöèåíò k = 1,4 ïðè
äîâåðèòåëüíîé âåðîÿòíîñòè 0,99 íå ïðåâûøàåò
5,5%.
5
2
i
70
èñïîëüçîâàëñÿ îáðàçåö äëèíîé 84 mm ñ ïîïåðå÷íûì ñå÷åíèåì 35 × 15 mm2. Ðàñïðåäåëåíèå
òåìïåðàòóðû âäîëü îáðàçöà îïðåäåëÿëîñü ïî ïîêàçàíèÿì 20 òåðìîïàð. Òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòåé
íàãðåâàòåëÿ è õîëîäèëüíèêà èçìåðÿëèñü òåðìîïàðàìè, êîðîëüêè êîòîðûõ ïðèïàèâàëèñü ê ñîîòâåòñòâóþùèì ïîâåðõíîñòÿì â íåïîñðåäñòâåííîé
áëèçîñòè îò êîíòàêòíîé çîíû. Äëÿ ñîçäàíèÿ íàäåæíîãî òåïëîâîãî êîíòàêòà ñîïðèêàñàþùèåñÿ ïîâåðõíîñòè îáðàçöà, íàãðåâàòåëÿ è õîëîäèëüíèêà
îáðàáàòûâàëèñü ïî ìåòîäèêå [1]. Ñðåäíÿÿ âûñîòà
âûñòóïîâ ìèêðîíåðîâíîñòåé îáðàáîòàííûõ ïîâåðõíîñòåé íå ïðåâûøàëà 2 µm.
4
i =1
60
Ðèñ. 2. Òåìïåðàòóðíîå ðàñïðåäåëåíèå â îáðàçöå èç
êåðàìèêè Si3N4. Òåìïåðàòóðà íàãðåâàòåëÿ 300 Ê
n
∑S
50
l , mm
R 10 ,m K/W
S=k
280
R 10 ,m K/W
Çíà÷åíèÿ J, T1, ρ1 è ρ, âõîäÿùèå â (2), ïîëó÷åííûå èç òàáëèö [5] ïî èçâåñòíîìó äàâëåíèþ
ãàçà â êîíòðîëüíîì ñîñóäå P1, îïðåäåëåíû ñ
òî÷íîñòüþ 0,002–0,005% è íå âíîñÿò ñóùåñòâåííîé ïîãðåøíîñòè â ðåçóëüòàò èçìåðåíèé.
Èçìåðåíèå äàâëåíèÿ ãàçà â êîíòðîëüíîì ñîñóäå
P1 îñóùåñòâëÿëîñü ñ ïîìîùüþ æèäêîñòíîãî ìàíîìåòðà ñ òî÷íîñòüþ íå õóæå 0,2%.
Îòíîñèòåëüíàÿ ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðû â èçìåðèòåëå ðàñõîäà ãàçà ∆T 2/T 2
îïðåäåëÿëàñü ïîãðåøíîñòüþ ïîääåðæàíèÿ òåìïåðàòóðû â òåðìîñòàòå òèïà ÑÆÌË-19/2,5-È1,
ðàâíîé 0,02 Ê, è ïîãðåøíîñòüþ îïðåäåëåíèÿ
òåìïåðàòóðû âîäû è ñîñòàâëÿëà íå áîëåå 0,2%.
Ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèÿ ïëîùàäè ïîïåðå÷íîãî
ñå÷åíèÿ îáðàçöà ∆F/F ðàâíÿëàñü 0,25%. Îòíîñèòåëüíàÿ ïîãðåøíîñòü îïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóðíîãî ñêà÷êà ∆T ñêëàäûâàëàñü èç èíñòðóìåíòàëüíîé ïîãðåøíîñòè èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðû
ïðèáîðîì Ô-30 (1,5%), ïîãðåøíîñòè, ñâÿçàííîé
ñ ïåðåâîäîì òåðìîÝÄÑ â ãðàäóñû òåðìîäèíàìè÷åñêîé øêàëû (ïî äàííûì ãðàäóèðîâêè èñïîëüçóåìûõ òåðìîïàð â òî÷êå êèïåíèÿ àçîòà – íå
áîëåå 0,1%), è ïîãðåøíîñòè ýêñòðàïîëÿöèè òåìïåðàòóðíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ â îáðàçöå äî è ïîñëå
çîíû êîíòàêòà (ïðè ýêñòðàïîëÿöèè ïî 6–10 òî÷êàì
îêîëî 1,5%). Òàêèì îáðàçîì, ∆(∆Ò)/∆Ò ñîñòàâëÿåò
3,1%.
Àòìîñôåðíîå äàâëåíèå Ð2 èçìåðÿëîñü áàðîìåòðîì – àíåðîèäîì ñ ïîãðåøíîñòüþ 0,5%.
Îòíîñèòåëüíàÿ ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèÿ îáúåìà
èñïàðèâøåéñÿ æèäêîñòè ∆V/V, îïðåäåëÿåìàÿ ñ
ïîìîùüþ ãàçîñ÷åò÷èêà ÃÑÁ-400, íå ïðåâûøàåò
1%. Ïîãðåøíîñòü îïðåäåëåíèÿ ïðîìåæóòêà âðåìåíè ∆τ/τ õðîíîìåòðîì ñ öåíîé äåëåíèÿ 0,1 s
ñîñòàâëÿåò 0,2%.
Òàêèì îáðàçîì, ñóììàðíàÿ îòíîñèòåëüíàÿ
ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèÿ R, îïðåäåëÿåìàÿ ïî
âûðàæåíèþ
4. ÐÅÇÓËÜÒÀÒÛ ÈÇÌÅÐÅÍÈÉ
ÊÎÍÒÀÊÒÍÎÃÎ ÒÅÐÌÈ×ÅÑÊÎÃÎ
ÑÎÏÐÎÒÈÂËÅÍÈß
Íà ðèñ. 2 ïðèâåäåíî òåìïåðàòóðíîå ðàñïðåäåëåíèå â îáðàçöå èç íèòðèäíîé êåðàìèêè Si3N4 ïðè
ðàçëè÷íûõ óäåëüíûõ äàâëåíèÿõ. Äëÿ èññëåäîâàíèé
82
2
1
90
150
210
270
T, K
Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòü òåðìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ êîíòàêòîâ êåðàìèêà–ìåòàëë (à) è ìåòàëë–êåðàìèêà (á) îò
ñðåäíåé òåìïåðàòóðû êîíòàêòíîé çîíû
Êîíòàêòíîå òåðìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå â ñîåäèíåíèÿõ êåðàìèêà–ìåòàëë â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð 77–300 Ê
80
T, K
60
1
40
3
2
20
4
0
0
25
50
2
q, kW/m
75
100
Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòü ñêà÷êà òåìïåðàòóðû îò ïëîòíîñòè
òåïëîâîãî ïîòîêà ïðè íàãðóçêàõ: 1 è 3 – 1,33 ÌÐà; 2
è 4 – 1,74 ÌÐà äëÿ êîíòàêòíûõ ïàð: êåðàìèêà–ìåòàëë
(ñïëîøíûå ëèíèè) è ìåòàëë–êåðàìèêà (ïóíêòèð)
Íà ðèñ. 5 ïðèâåäåíà çàâèñèìîñòü R îò óäåëüíîé íàãðóçêè p íà êîíòàêò ïðè ðàçëè÷íûõ òåìïåðàòóðàõ êîíòàêòíîé çîíû. Âî âñåõ ñëó÷àÿõ
çíà÷åíèå R ñ ðîñòîì óäåëüíîãî äàâëåíèÿ íà êîíòàêò ðåçêî óìåíüøàåòñÿ, ÷òî ñâÿçàíî ñî çíà÷èòåëüíûì óâåëè÷åíèåì ïëîùàäè ôàêòè÷åñêîãî êàñàíèÿ ïðè èçìåíåíèè p âáëèçè íóëåâûõ çíà÷åíèé
(1–2,5 ÌÐà). Èç àíàëèçà ðèñóíêà ñëåäóåò, ÷òî ïðè
îäèíàêîâûõ ñðåäíèõ òåìïåðàòóðàõ êîíòàêòíîé
–
çîíû (íàïðèìåð, T = 98 Ê) âî âñåì èíòåðâàëå
èçìåðåíèé çíà÷åíèå R äëÿ êîíòàêòíîé ïàðû
15
T = 82 K
R .104, m2 K/W
Íà ðèñ. 3 ïðèâåäåíû çàâèñèìîñòè êîíòàêòíîãî
òåðìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ îò ñðåäíåàðèôìå–
òè÷åñêîé òåìïåðàòóðû T êîíòàêòíîé çîíû ìåæäó
èññëåäóåìûì îáðàçöîì è õîëîäèëüíèêîì, à òàêæå
íàãðåâàòåëåì è îáðàçöîì (à è á ñîîòâåòñòâåííî)
ïðè ðàçëè÷íûõ óäåëüíûõ äàâëåíèÿõ.  îáîèõ
ñëó÷àÿõ îáíàðóæåíî àñèìïòîòè÷åñêîå ñíèæåíèå
çíà÷åíèÿ R â 2 ðàçà ñ ðîñòîì òåìïåðàòóðû, ÷òî
ñâÿçàíî ñî çíà÷èòåëüíûì óâåëè÷åíèåì ïðèâåäåí–
íîé òåïëîïðîâîäíîñòè λ = 2 λ1 λ2 / (λ1 + λ2)
êîíòàêòèðóþùèõ ìàòåðèàëîâ ñ òåïëîïðîâîäíîñòÿìè λ1 è λ2 [6, 7].
Àáñîëþòíûå çíà÷åíèÿ R ïðè îäèíàêîâîì
óðîâíå ñðåäíèõ òåìïåðàòóð êîíòàêòíîé çîíû (80–
110 Ê) äëÿ ïàðû êåðàìèêà–ìåäü îêàçàëèñü
ïðèáëèçèòåëüíî íà 100% áîëüøå, ÷åì äëÿ ïàðû
ìåäü–êåðàìèêà. Ïðè ýòîì ïîëó÷åíî, ÷òî â äàííîì
èíòåðâàëå çàâèñèìîñòü ∆Ò îò ïëîòíîñòè òåïëîâîãî
ïîòîêà äëÿ îáåèõ ïàð â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè
áëèçêà ê ëèíåéíîé (ðèñ. 4). Îòêëîíåíèå îò ëèíåéíîãî çàêîíà èçìåíåíèÿ ∆Ò ñ ðîñòîì òåïëîâîé
íàãðóçêè ñâÿçàíî ñ íåëèíåéíûì õàðàêòåðîì
–
çàâèñèìîñòè λ èññëåäóåìîé êîíòàêòíîé ïàðû îò
ñðåäíåé òåìïåðàòóðû êîíòàêòà [8].
98
10
110
9
5
195
29
0
0
1
1,5
2
2,5
p , MPa
Ðèñ. 5. Çàâèñèìîñòü òåðìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ êîíòàêòîâ êåðàìèêà–ìåòàëë (ñïëîøíûå ëèíèè) è ìåòàëë–
êåðàìèêà (ïóíêòèð) îò äàâëåíèÿ
êåðàìèêà–ìåäü â 1,5–2 ðàçà ïðåâûøàåò R êîíòàêòà
ìåäü–êåðàìèêà.
5. ÂÛÂÎÄÛ
1. Ïðåäëîæåíà è ðåàëèçîâàíà îðèãèíàëüíàÿ ìåòîäèêà äëÿ èññëåäîâàíèÿ êîíòàêòíîãî òåðìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ â çîíàõ êåðàìèêà–êåðàìèêà, êåðàìèêà–ìåòàëë â îáëàñòè íèçêèõ òåìïåðàòóð
77–300 Ê â óñëîâèÿõ âàêóóìà ïðè îïðåäåëåíèè
ïðîõîäÿùåãî òåïëîâîãî ïîòîêà ïî ñêîðîñòè èñïàðåíèÿ êðèîãåííîé æèäêîñòè èç êîíòðîëüíîãî
ñîñóäà. Ïîëó÷åííûå äàííûå ïîäòâåðæäàþò îñíîâíûå çàêîíîìåðíîñòè êîíòàêòíîãî òåïëîîáìåíà,
ïðèâåäåííûå â [1] äëÿ ñîåäèíåíèé êåðàìèêà–
ìåòàëë â îáëàñòè òåìïåðàòóð 300–1000 Ê â
àòìîñôåðå âîçäóõà.
2. Ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîäòâåðæäåíà ïðîïîðöèîíàëüíàÿ çàâèñèìîñòü ñêà÷êà òåìïåðàòóðû îò
ïëîòíîñòè òåïëîâîãî ïîòîêà â êîíòàêòàõ êåðàìèêà–
ìåòàëë â óñëîâèÿõ âàêóóìà è íèçêèõ òåìïåðàòóð
ïðè îäíîé è òîé æå øåðîõîâàòîñòè ñîïðèêàñàþùèõñÿ ïîâåðõíîñòåé è îäèíàêîâîì êîíòàêòíîì
äàâëåíèè. Íàñòîÿùèé âûâîä ïîçâîëÿåò ïîäîéòè ê
èññëåäîâàíèþ òåðìîïðî÷íîñòè êåðàìè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ ïðè òåðìîóäàðàõ, ñâÿçûâàÿ òåìïåðàòóðíîå
ïîëå â ìàòåðèàëå ñ âåëè÷èíîé òåïëîâîãî ïîòîêà, à
òàêæå ïîäáèðàòü òåõíîëîãè÷åñêèå ðåæèìû ïóñêà è
îñòàíîâêè óñòðîéñòâ è àãðåãàòîâ â öåëÿõ óâåëè÷åíèÿ èõ äîëãîâå÷íîñòè.
3. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå çàâèñèìîñòè
êîíòàêòíîãî òåðìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ îò íàãðóçêè ïðè äàííîé ÷èñòîòå îáðàáîòêè ñîïðèêàñàþùèõñÿ ïîâåðõíîñòåé õàðàêòåðèçóþòñÿ àñèìïòîòè÷åñêèì ïðèáëèæåíèåì ê íåêîòîðîìó ïðåäåëó,
îáóñëîâëåííîìó, â îñíîâíîì, âåëè÷èíîé ýôôåêòèâíîãî çàçîðà, óðîâíåì òåìïåðàòóðû â êîíòàêòíîé çîíå, ñâîéñòâàìè ìàòåðèàëà ïîâåðõíîñòåé
è ñðåäû â çàçîðå.
83
Ðàéìóíäàñ Áîëøàéòèñ, ßí Áàëüöåâè÷, Âèîëåòà Ìàòóë¸íåíå, Þðàòå ×åñíåíå
Âìåñòå ñ òåì ýêñïåðèìåíòàëüíî îáíàðóæåíî
èçìåíåíèå êîíòàêòíîãî òåðìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ íà 50–100% ïðè ðåâåðñèðîâàíèè òåïëîâîãî
ïîòîêà äëÿ êîíòàêòíûõ ïàð ñ ðàçëè÷íûìè òèïàìè
ïðîâîäèìîñòåé (ìåäü–êåðàìèêà) â èíòåðâàëå ñðåäíèõ òåìïåðàòóð ñîåäèíåíèÿ 100–150 Ê. Ñóùåñòâîâàíèå ýôôåêòà âîçìîæíî ñâÿçàíî ñ îñîáåííîñòÿìè âçàèìîäåéñòâèÿ áëèæíèõ êâàçèñòàöèîíàðíûõ
ïîëåé äèýëåêòðè÷åñêèõ è ìåòàëëè÷åñêèõ ïîâåðõíîñòåé ïðè ìàëûõ òîëùèíàõ çàçîðà [9] è òðåáóåò
äàëüíåéøåãî èçó÷åíèÿ.
Ïîñòóïèëî
15.12.1999
Ëèòåðàòóðà
1. Áàëüöåâè÷ ß. À., Áîëøàéòèñ Ð. À. Êîíòàêòíîå
òåðìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ïðè áîëüøèõ òåïëîâûõ
ïîòîêàõ // Energetika. 1990. Nr. 3. P. 46–63.
2. Êðîïèò Ð. Íèçêîòåìïåðàòóðíàÿ èçîëÿöèÿ // Âîïðîñû
ãëóáîêîãî îõëàæäåíèÿ: Ñá. íàó÷í. òðóäîâ. Ìîñêâà,
1961. Ñ. 320–324.
3. Ìèõàëü÷åíêî Ð. Ñ., Ãåðøèí À. Ã., Àðõèïîâ Â. Ò. è äð.
Òåïëîïåðåíîñ îñòàòî÷íûìè ãàçàìè â ñëîèñòî-âàêóóìíûõ èçîëÿöèÿõ // Èíæ. ôèç. æóðíàë. 1977. Ò. 4, ¹ 1.
Ñ. 148–155.
4. Îðëîâà Ì. Ï., Ïîãîðåëîâà Î. Ô., Óëûáêèí Ñ. À.
Íèçêîòåìïåðàòóðíàÿ òåðìîìåòðèÿ. Ìîñêâà, 1987.
280 ñ.
5. Ìàëêîâ Ì. Ï., Äàíèëîâ È. Á., Çåëüäîâè÷ À. Ã. è äð.
Ñïðàâî÷íèê ïî ôèçèêî-òåõíè÷åñêèì îñíîâàì
êðèîãåíèêè / Ïîä ðåä. Ì. Ï. Ìàëêîâà. Ìîñêâà, 1973.
382 ñ.
6. Îõîòèí À. Ñ., Áîðîâèêîâ Ð. Ï., Íå÷àåâà Ò. Â. è äð.
Òåïëîïðîâîäíîñòü òâåðäûõ òåë: Ñïðàâî÷íèê / Ïîä.
ðåä. À. Ñ. Îõîòèíà. Ìîñêâà, 1984. 320 ñ.
84
7. Ñïðàâî÷íèê ïî êîìïîçèöèîííûì ìàòåðèàëàì: â 2-õ
êíèãàõ / Ïîä ðåä. Äæ. Ëþáèíà. Ìîñêâà, 1988. 448 ñ.
8. Kazakevièius K., Bolðaitis R. and Balceviè J. Determination of the temperature dependence of thermal
Conductivities of Solids in the criogenic range // Heat
Transfer Research. 1993. Vol. 25, N 5, P. 694–700.
9. Ïîëåâîé Â. Ã. Òåïëîîáìåí ôëóêòóàöèîííûì ýëåêòðîìàãíèòíûì ïîëåì. Ìîñêâà, 1990. 190 ñ.
Raimundas Bolðaitis, Jan Balceviè, Violeta Matulionienë,
Jûratë Èësnienë
KONTAKTINË TERMINË VARÞA KERAMIKA–
METALAS JUNGINIUOSE 77–300 K TEMPERATÛRØ
INTERVALE
Santrauka
Pateikta metodikos apraðymas, eksperimentinio árengimo ir
kontaktinës terminës varþos nitrido keramika ir varis tyrimø
rezultatai. Parodyta ðilumos srauto krypties átaka kontakto
metalas–keramika terminei varþai.
Raktaþodþiai: terminis pasiprieðinimas, ðilumos srautas,
kontaktiniai ðilumos mainai, patvarumas, efektyvus tarpas,
kontaktinë pora
Raimundas Bolðaitis, Jan Balceviè, Violeta Matulionienë,
Jûratë Èësnienë
CONTACT THERMAL RESISTANCE OF CERAMIC–
METAL CONNECTIONS AT TEMPERATURE RANGE
77–300 K
Summary
The technique, experimenal apparatus and results of the
thermal contact resistance investigation for nitride ceramics and copper are given. The influence of heat flux direction on contact thermal resistance of metal–ceramics is
shown.
Key words: thermal resistance, heat flux, contact heat
transfer, offective distance, contactive pairs