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相關原理
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熱傳導分析儀
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其他熱傳導量測標準方法4
https://www.amtech.com.tw/custom_121616.html 其他熱傳導量測標準方法 其他熱傳導量測標準方法 熱傳導量測標準 熱傳導的量測標準方法存在好幾種。依照量測方式,主要分成:穩態法、瞬態法指讓樣品在長時間、處於穩定的情況下,量測其熱傳導。穩態法的好處在於量測環境與數據通常能夠更接近樣品在使用當中的狀態,相當適合模擬樣品的實際工況。穩態法常應用到熱墊片、熱絕緣層、防火磚、護熱板等材料。穩態法常見的標準有ASTM C177、ASTM C518、ATSM E1530、ASTM D5470。   ASTM C177:護熱板法 護熱板法藉由將熱板置於兩個上下對稱的樣品之間,來讓熱板的能量全部被吸收,再藉由控制護熱板溫度讓兩側之溫度保持平衡來達到有效的護熱控制。 (圖源:ASTM)   ASTM C518:熱流計法 使用熱流計透過平板型樣品,直接量測穩態中的熱傳導。由於熱流計的概念相對簡單且被廣泛使用,所以能夠以更快的方式量測並適用於各種樣品。熱流計法適用情形為環境攝氏10~40度、平板厚度為250毫米以下、板內溫度為攝氏-195~540度。  (圖源:ASTM) ASTM E1530:隔絕熱流計法 ASTM E1530的裝置和方法與ASTM D5470相當類似。主要差異在於ASTM E1530要求要在樣品與加熱、冷卻元件的外側加裝熱絕緣層,以避免熱能的額外散失來提高測量精度。相關應用包含岩石及土壤的熱傳分析,如用於天然氣管路、地下輸電系統,放射性廢棄物的管制、石油管路,地熱及太陽能儲電裝置。理論上可以應用於矽膠片的相關量測,但由於樣品厚度與樣品的上下面溫度的高精度測量具有較高的技術性難度,所以很少使用此手法量測矽膠片。且其量測數據雖更接近物質本身,較不接近真實操作狀況使得常與ASTM D5470和ASTM E1461等方法差異很大。  (圖源:https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=11518) 通常實驗過程能夠很快速的得到量測數據,所以稱為瞬態法。瞬態法能夠節省更多的時間成本,並且因其靈活性,在樣品種類的應用上通常存在更多變化。瞬態法常使用熱脈衝、熱線、閃光法等等來做實驗量測。瞬態法常見的標準有ASTM E1461、ASTM D5930、ISO22007-2等等。   ASTM E1461:閃光法 以高功率的能量脈衝對小而薄的樣品進行短時間內的照射,其能量將被樣品的前表面(受光面)吸收,透過紅外線檢測器記錄後表面(背光面)的溫度變化,來計算樣品的熱導率的實驗手法。該量測手法常應用於薄膜樣品。  (圖源‵:https://www.electronics-cooling.com/2002/05/flash-diffusivity-method-a-survey-of-capabilities/) ASTM D5930:熱絲法 透過將加熱絲通以固定電流使其升溫,利用金屬電阻與溫度的線性關係來量測溫度變化情形,再藉由加熱絲的一部份熱能會被樣品導走,利用加熱絲的阻抗變化計算熱傳導係數。   ISO 22007-2:平面熱源法    將帶有加熱功能的鎳探頭放置於圓形的樣品當中,給予探頭一個固定的加熱功率使其溫度上升,透過鎳的溫度與電阻成線性關係的特性,去了解電阻的變化即可確認熱量的散失,進而對應到樣品所受到的熱流。再藉由探頭本身與圓形樣品邊緣的溫度差異,便可利用數學模型擬合樣品的導熱係數與熱擴散能力。量測過程僅約10分鐘,且實驗的再現性高,並適用各種類型的樣品。缺點在於樣品必須使用均質性高的物質,且不考慮接觸熱阻則無法反映到樣品在實際工況下的熱傳導。 (圖源:https://link.springer.com/article/10.1007/s00339-018-1759-2)

熱傳導量測標準

熱傳導的量測標準方法存在好幾種。依照量測方式,主要分成:穩態法、瞬態法

指讓樣品在長時間、處於穩定的情況下,量測其熱傳導。穩態法的好處在於量測環境與數據通常能夠更接近樣品在使用當中的狀態,相當適合模擬樣品的實際工況。穩態法常應用到熱墊片、熱絕緣層、防火磚、護熱板等材料。穩態法常見的標準有
ASTM C177ASTM C518ATSM E1530ASTM D5470

 

ASTM C177:護熱板法

護熱板法藉由將熱板置於兩個上下對稱的樣品之間,來讓熱板的能量全部被吸收,再藉由控制護熱板溫度讓兩側之溫度保持平衡來達到有效的護熱控制。

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(圖源:ASTM)

 

ASTM C518:熱流計法

使用熱流計透過平板型樣品,直接量測穩態中的熱傳導。由於熱流計的概念相對簡單且被廣泛使用,所以能夠以更快的方式量測並適用於各種樣品。熱流計法適用情形為環境攝氏10~40度、平板厚度為250毫米以下、板內溫度為攝氏-195~540度。

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(圖源:ASTM)


ASTM E1530:隔絕熱流計法

ASTM E1530的裝置和方法與ASTM D5470相當類似。主要差異在於ASTM E1530要求要在樣品與加熱、冷卻元件的外側加裝熱絕緣層,以避免熱能的額外散失來提高測量精度。相關應用包含岩石及土壤的熱傳分析,如用於天然氣管路、地下輸電系統,放射性廢棄物的管制、石油管路,地熱及太陽能儲電裝置。理論上可以應用於矽膠片的相關量測,但由於樣品厚度與樣品的上下面溫度的高精度測量具有較高的技術性難度,所以很少使用此手法量測矽膠片。且其量測數據雖更接近物質本身,較不接近真實操作狀況使得常與ASTM D5470ASTM E1461等方法差異很大。

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(圖源:https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=11518)




通常實驗過程能夠很快速的得到量測數據,所以稱為瞬態法。瞬態法能夠節省更多的時間成本,並且因其靈活性,在樣品種類的應用上通常存在更多變化。瞬態法常使用熱脈衝、熱線、閃光法等等來做實驗量測。瞬態法常見的標準有
ASTM E1461ASTM D5930ISO22007-2等等。

 

ASTM E1461:閃光法

以高功率的能量脈衝對小而薄的樣品進行短時間內的照射,其能量將被樣品的前表面(受光面)吸收,透過紅外線檢測器記錄後表面(背光面)的溫度變化,來計算樣品的熱導率的實驗手法。該量測手法常應用於薄膜樣品。

 7751eac5226f1b2a02304fb346405e55.jpg(圖源‵:https://www.electronics-cooling.com/2002/05/flash-diffusivity-method-a-survey-of-capabilities/)



ASTM D5930:熱絲法

透過將加熱絲通以固定電流使其升溫,利用金屬電阻與溫度的線性關係來量測溫度變化情形,再藉由加熱絲的一部份熱能會被樣品導走,利用加熱絲的阻抗變化計算熱傳導係數。

 

ISO 22007-2:平面熱源法

   將帶有加熱功能的鎳探頭放置於圓形的樣品當中,給予探頭一個固定的加熱功率使其溫度上升,透過鎳的溫度與電阻成線性關係的特性,去了解電阻的變化即可確認熱量的散失,進而對應到樣品所受到的熱流。再藉由探頭本身與圓形樣品邊緣的溫度差異,便可利用數學模型擬合樣品的導熱係數與熱擴散能力。量測過程僅約10分鐘,且實驗的再現性高,並適用各種類型的樣品。缺點在於樣品必須使用均質性高的物質,且不考慮接觸熱阻則無法反映到樣品在實際工況下的熱傳導。

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(圖源:https://link.springer.com/article/10.1007/s00339-018-1759-2)