Experimentelle Bestimmung der effektiven ... · Übergangswiderstände, am Beispiel der Honeycomb...

09.03.2015 - Vortrag auf der Sitzung des AKT 1

Experimentelle Bestimmung

der effektiven Wärmeleitfähigkeit

von komplexen anisotropen Strukturen F. Hemberger

Sitzung des AKT 09.03.2015 in Aachen

Kontakt:

ZAE Bayern │ Frank Hemberger │ Am Galgenberg 87 │ 97074 Würzburg

T +49 931 70564-326 │[email protected]

© ZAE Bayern

Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.


Überblick

1. Motivation

2. Fallbeispiele

3. Messeinrichtung

– evakuierbare Zweiplattenapparatur

4. Thermische Kontaktwiderstände

– Korrekturverfahren

5. Laterale Wärmeströme

– Korrekturverfahren


Warum messen und nicht nur simulieren?

• Thermische Kontaktwiderstände

und Übergangskoeffizienten

– unbekannt oder nur teilweise zugänglich

• Konvektion und Strahlung

in Hohlräumen und im Außenbereich

– oft nur stark vereinfacht umgesetzt

• Multi-Skalenproblematik

bei numerischen Simulationen

ZAE Bayern: Simulation des U-Wertes

eines Fensterrahmenprofils nach DIN


Honeycomb Tragstrukturen

Ziel: • thermische Optimierung der Tragestrukturen für die Solarpaneele der Mercury Sonde „Bepi

Colombo“

• zuverlässige Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit im Vakuum

• λeff = 1 – 2 W(m∙K)-1

• Oberflächen aus CFC

• Wabenkern aus CFC oder Aluminium

• verschiedene Verklebungen

©ZAE-Bayern


Multi-Layer Insulation

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• sehr niedrige effektive Wärmeleitfähigkeit

im Hochvakuum

• vergleichsweise hohe laterale Wärmeleitfähigkeit, metallisierte

Kunststoff- oder Keramikfolien

• unterschiedlichste Konzepte bei den Abstandshaltern

Quelle: NASA


Stützstruktur für Vakuumisolationsverglasung

experimentelle Bestimmung

des Beitrags der Stützen

zum Wärmetransport

Experimenteller Aufbau in der Zweiplattenapparatur (©ZAE Bayern)

Querschnitt durch den Messaufbau (©ZAE Bayern)

Vakuumisolationsverglasung

mit innerer Stützstruktur

(©ZAE Bayern)


Ausgefrorenes Gas in einer Kryoisolation

- speziell entwickelter Probenbehälter für die Zweiplattenapparatur

resealable gas-tight bellow

gas inlet

hot plate → T = 290 K

cold plate → T = 80 K

λtotal, dtotal

electrical

feedthrough

T1

T2

T3

T4

T5

λ1, d1

λ2, d2

λ3, d3

λ4, d4

temperature

λ1

λ2

λ3 λ4

T2

T1

T3

T4

T5

d1 d2 d3 d4

position x


Latentwärmespeicher

• effektive Wärmeleitfähigkeit eines

PCM‘s während des Phasenübergangs

• effektive Wärmeleitfähigkeit kompletter

Komponenten

Experimentelle Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit

eines Systems mit makroverkapseltem PCM (©ZAE Bayern)

Numerische Simulation

eines Systems mit

makroverkapseltem

PCM (©ZAE Bayern)

Kühldeckenelement mit PCM (©ZAE Bayern)

Kristallisation bei einem Salzhydrat (©ZAE Bayern)


Wärmewiderstand von kompletten Baugruppen

incl. Wärmebrücken

Gebäudebereich

Automotive

Appliances

Hot Box Probenhalter mit Dachfenster (©ZAE-Bayern)

ZAE Bayern:

Simulation des

U-Wertes eines

Fensterrahmenprofils

nach DIN


Plattenverfahren – Messung nach DIN EN 12667

Einige Anforderungen aus der Norm:

Mindestwärmedurchlasswiderstand 0.5 m² K / W, (entspricht bei 0.02 W/(mK) einer Dicke von 1 cm)

homogene Proben (Inhomogenität kleiner 10% Prüfkörperdicke, Ausnahme Schichtproben)

Einschränkungen bei starren Proben infolge von Kontaktwiderständen (0.5% des

Wärmewiderstandes der Probe) (z. B. Probe mit 0.02 W/(mK) und 2 cm Dicke erlaubt max. äquivalent Luftspalt von 0.13 mm )

Probendimensionen beschränkt durch

Gerätegröße

Wärmewiderstand der Probe (Kontaktwiderstand)

Querwärmeströme

Cold Plate

Sample

Hot Plate

Cold Plate

Sample

Guard Ring Guard Ring

Cold Plate

Sample

Hot Plate

Cold Plate

Sample

Guard Ring Guard Ring

Zweiplattengerät


Evakuierbare Zweiplattenapparatur

External load

on stack

Temperatur: -190°C bis +500°C

interner Gasdruck: 10-5 bis 1000 mbar

(Luft, N2, Ar, He etc.)

externer Lastdruck: 0 bis 3 bar

Emissivität der Plattenoberflächen: 0.8

Wärmeleitfähigkeitsbereich: 0.0001 bis 0.1 W(m∙K)-1

Zweiplattenapparatur Lola3 (©ZAE Bayern)


Plattenverfahren - Messgrößen

Elektrische Heizleistung P

Temperaturgradient: ∆T

Fläche der zentralen Messplatte: A

Probendicke: d

Gemessener Wärmedurchgangskoeffizient:

Wärmedurchlasskoeffizient:

(Effektive) Wärmeleitfähigkeit:

Km

Wk

2enoeffizientÜbergangsk

Km

W

TA

Pk

22

Km

Wd


Vermessung von harten Proben mit hoher Wärmeleitfähigkeit

0.0 0.1 0.2 0.3 0.40

25

50

75

100

50°C

300°C

500°C

Wärmeleitfähigkeit des Koppelgases

[Wm-1K-1]

Wärm

ed

urc

hla

ssko

eff

izie

nt

[W

m-2

K-1

]

Helium

Stickstoff

BK7-Referenzprobe – Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit


Wärmeleitfähigkeit BK7 Referenzproben

Harte Proben mit hoher Wärmeleitfähigkeit


Übergangswiderstände, am Beispiel der Honeycomb Struktur

z. B. Grafitfolie oder Silikonplatte

GR Schutzring

Cold Plate

Hot Plate

Ins.

GR

Ins.

GR GR GR

Ins. Ins.

Cold Plate

Reference Specimen

Reference Specimen

Mit der bekannten Wärmeleitfähigkeit der Referenzprobe (BK7) wird der

Wärmewiderstand der eingesetzten Grafitfolien bzw. Silikonplatten bestimmt.

Thermischer Kontaktwiderstand bekannt

Cold Plate

Hot Plate

Ins.

GR

Ins.

GR GR GR

Ins. Ins.

Cold Plate

©ZAE-Bayern


Korrektur von lateralen Wärmeströmen

Cold Plate

Hot Plate GR

Ins.

GR GR GR

Ins. Ins.

Cold Plate

Sample

Sample

P

Pl

Annahme: Laterale Verluste unabhängig von ∆T.

- mit zunehmenden ∆T, verringert sich der Anteil der lateralen Verluste an der

gemessenen Heizleistung

- Verlustkorrektur: zwei unterschiedliche ∆T bei jeder Mitteltemperatur

- Extrapolation ∆T → ∞ liefert wahren Wert für die (effektive) Wärmeleitfähigkeit


Experimentelle Korrektur von lateralen Wärmeströmen

NIST

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.110.01

0.02

0.03

0.04

NIST

Detuning = -0.5KDetuning = 0KDetuning = +0.5KDetuning = +1KDetuning = +2K

1/dT

Th

erm

al co

nd

ucti

vit

y

/

W/(mK

)20K 10K

NIST SRM 1450 C

Prove of concept: Testmessung mit der GHP TITAN 456

→ absichtliche Verstimmung des Schutzrings

Präzise Korrektur von lateralen Wärmeströmen möglich


Relative uncertainty of

Reference material thermal conductance 5.00%

Reference material thermal conductance measurement 3.85%

Contact resistance 32.90%

Sample conductance measurement 7.19%

Corrected sample transmittance 10.70%

Sample thickness 0.27%

Corrected sample effective thermal conductivity 10.70%

Expanded corrected sample effective thermal conductivity (k=2): 21.50%

Thermal resistance of honeycomb structures -

overview of uncertainties according to GUM

Messunsicherheit


Beispiel: Evakuierte „Multi-Layer Insulation“ bei 498K

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.050

2

4

6

8

10

12

14

The

rma

l co

ndu

ctivity /

10-3

W/(

mK

)

1/dT / 1/K

1.77 10-3 W/(mK)

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Zusammenfassung

Fortgeschrittene Korrekturverfahren ermöglichen die Vermessung von

• anisotropen Proben

• mit harten Oberflächen

• mit hoher oder sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit

in Plattenapparaturen mit geeigneter experimenteller Ausstattung, d. h.

• Freie Wahl der Atmosphäre

• Reproduzierbare oder besser kontrollierbare

mechanische Belastung des Probenstapels während der Messung


Vielen Dank für

Ihre Aufmerksamkeit!

Aktuelle und ehemalige Mitarbeiter des ZAE Bayern die an den vorgestellten Inhalten u. a. gearbeitet haben:

Matthias Geißler, Ulrich Heinemann, Jörg Hetfleisch, Stefan Rausch, Katrin Swimm, Stephan Vidi

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