Êîíòàêòíîå òåðìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå â ñîåäèíåíèÿõ êåðàìèêàìåòàëë â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð 77300 Ê Êîíòàêòíîå òåðìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå â ñîåäèíåíèÿõ êåðàìèêàìåòàëë â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð 77300 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 ìåòàëëêåðàìèêà. 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 êåðàìèêàêåðàìèêà, êåðàìèêàìåòàëë 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 02357208. 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 5080 mm. Äèàìåòð ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ âûáèðàëñÿ â çàâèñèìîñòè îò òåïëîïðîâîäíîñòè îáðàçöà è ñîñòàâëÿë 1520 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 êåðàìèêàìåòàëë â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð 77300 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 68 ÷ äî ðàáî÷åãî âàêóóìà íèæå 1,33 × 10–5 Pà. Ñòàöèîíàðíûé ðåæèì íàñòóïàë, â çàâèñèìîñòè îò ýôôåêòèâíîé òåïëîïðîâîäíîñòè èññëåäóåìîé ñèñòåìû, ÷åðåç 13 ÷ 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 77400 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 0,0020,005% 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 610 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 êåðàìèêàìåòàëë (à) è ìåòàëëêåðàìèêà (á) îò ñðåäíåé òåìïåðàòóðû êîíòàêòíîé çîíû Êîíòàêòíîå òåðìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå â ñîåäèíåíèÿõ êåðàìèêàìåòàëë â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð 77300 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: êåðàìèêàìåòàëë (ñïëîøíûå ëèíèè) è ìåòàëëêåðàìèêà (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 (12,5 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 êåðàìèêàìåäü îêàçàëèñü ïðèáëèçèòåëüíî íà 100% áîëüøå, ÷åì äëÿ ïàðû ìåäüêåðàìèêà. 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 êåðàìèêàìåòàëë (ñïëîøíûå ëèíèè) è ìåòàëë êåðàìèêà (ïóíêòèð) îò äàâëåíèÿ êåðàìèêàìåäü â 1,52 ðàçà ïðåâûøàåò R êîíòàêòà ìåäüêåðàìèêà. 5. ÂÛÂÎÄÛ 1. Ïðåäëîæåíà è ðåàëèçîâàíà îðèãèíàëüíàÿ ìåòîäèêà äëÿ èññëåäîâàíèÿ êîíòàêòíîãî òåðìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ â çîíàõ êåðàìèêàêåðàìèêà, êåðàìèêàìåòàëë â îáëàñòè íèçêèõ òåìïåðàòóð 77300 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 3001000 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 50100% ïðè ðåâåðñèðîâàíèè òåïëîâîãî ïîòîêà äëÿ êîíòàêòíûõ ïàð ñ ðàçëè÷íûìè òèïàìè ïðîâîäèìîñòåé (ìåäüêåðàìèêà) â èíòåðâàëå ñðåäíèõ òåìïåðàòóð ñîåäèíåíèÿ 100150 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. 4663. 2. Êðîïèò Ð. Íèçêîòåìïåðàòóðíàÿ èçîëÿöèÿ // Âîïðîñû ãëóáîêîãî îõëàæäåíèÿ: Ñá. íàó÷í. òðóäîâ. Ìîñêâà, 1961. Ñ. 320324. 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. 148155. 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. 694700. 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 77300 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 metalaskeramika 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 77300 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 metalceramics is shown. Key words: thermal resistance, heat flux, contact heat transfer, offective distance, contactive pairs