Was ist ein Wärmeleitfähigkeitsmessgerät?
Wärmeleitfähigkeitsmessgeräte sind Geräte, mit denen die Wärmeleitfähigkeit von Materialien gemessen wird.
Es gibt verschiedene Typen, z. B. solche, die eine Wärmeplatte, einen heißen Draht oder einen Laser verwenden. Die Wärmeleitfähigkeit ist der Wert für die Leichtigkeit der Wärmeübertragung in einem Material und ist eine Möglichkeit, ein Material zu charakterisieren. Zum Beispiel erhitzen sich Töpfe und Pfannen schneller, wenn die Wärmeleitfähigkeit hoch ist, und halten die Wärme besser zurück, wenn sie niedrig ist.
Anwendungen von Wärmeleitfähigkeitsmessgeräten
Wärmeleitfähigkeitsmessgeräten werden zur Bewertung von Produktherstellungsprozessen und zur Entwicklung neuer Materialien und Produkte eingesetzt.
1. Bewertung der Wärmerückhalteleistung
Ein Beispiel ist die Bewertung der Wärmerückhalteleistung von Lagerbehältern. Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit ist, desto besser sind die Isolationseigenschaften und desto länger kann das Produkt warm gehalten werden. Als Indikator für diese Leistung wird die Wärmeleitfähigkeit gemessen.
2. Entwicklung von wärmeableitenden Materialien
In jüngster Zeit wird die Wärmeleitfähigkeit zunehmend bei der Entwicklung von wärmeableitenden Materialien eingesetzt: Bei CPUs beispielsweise ist die Wärmeableitung ein wichtiger Faktor, um ein thermisches Durchdrehen aufgrund der Wärmeentwicklung zu verhindern.
Je höher beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit eines Wärmeleitfetts ist, das zur Verbesserung der Wärmeableitung verwendet wird, desto höher ist auch die Wärmeableitung.
Funktionsweise der Wärmeleitfähigkeitsmessgeräte
Wärmeleitfähigkeitsmessgeräte lassen sich grob in stationäre und instationäre Verfahren einteilen.
1. stationäres Verfahren
Bei dem stationären Verfahren wird die Wärmeleitfähigkeit direkt gemessen, indem ein stetiger Wärmegradient erzeugt wird. Ein gleichmäßiger Wärmestrom wird erzeugt, indem eine Seite der Probe heiß und die andere kalt gemacht wird.
Durch Messung des Wärmestroms mit einem Wärmestrommesser oder einem Material mit bekannter Wärmeleitfähigkeit und Temperatur kann die Wärmeleitfähigkeit anhand der in der Probe erzeugten Temperaturdifferenz gemessen werden. Das einfache Prinzip ermöglicht genaue Messungen, aber die Temperaturkontrolle der Probenoberfläche und die Wärmeabgabe an die Umgebung können zu Fehlern führen. Ein weiterer Nachteil ist, dass es viel Zeit braucht, um einen stabilen Zustand zu erreichen.
2. instationäres Verfahren
Das instationäre Verfahren ist eine Methode zur Messung der Wärmeleitfähigkeit, bei der eine Probe mit nicht konstanter Wärme beaufschlagt wird. Durch Messung der zeitlichen Veränderung der Probentemperatur nach der Wärmezufuhr kann die Wärmeleitfähigkeit berechnet werden. Zu den Methoden der Wärmezufuhr gehören die Laserblitzmethode, bei der ein Laserstrahl verwendet wird, und die Hitzdrahtmethode, bei der ein Heizdraht verwendet wird.
Bei der Laserblitzmethode wird die Probe mit einem Laserstrahl erhitzt und von einem Infrarotsensor erfasst. Der Nachteil ist, dass Objekte mit einer zu geringen Wärmeleitfähigkeit nur schwer erfasst werden können. Bei der Hitzedrahtmethode wird ein heißer Draht durch die Probe geführt und erhitzt. Mit dieser Methode können feste und flüssige Stoffe ohne Unterschied gemessen werden.
Weitere Informationen über Wärmeleitfähigkeitsmessgeräte
1. Unterschiede zu Temperaturleitfähigkeitsmessgeräten
Die Temperaturleitfähigkeit wird im Allgemeinen mit Messgeräten nach dem Laserblitzverfahren gemessen, nicht aber die Wärmeleitfähigkeit direkt. Die Wärmeleitfähigkeit kann durch Multiplikation der mit einem Laserblitzmessgerät ermittelten Temperaturleitfähigkeit mit der spezifischen Wärme und der Dichte bestimmt werden.
Die spezifische Wärme wird mit einem Differentialthermoanalysator (DSC) bestimmt, während die Dichte mit einer Methode wie der Verdrängungsmethode in Wasser, dem so genannten Archimedes-Verfahren, gemessen wird. Mit der Laser Flash-Methode kann die Temperaturleitfähigkeit einer Vielzahl von polymeren Materialien wie Gummi und Kunststoffen, keramischen Materialien und sogar metallischen Werkstoffen gemessen werden. Andererseits gibt es Einschränkungen bei den Prüfbedingungen, und die zu messenden Materialien sind eher dicht als porös.
Sie müssen frei von Defekten wie Schrumpfungsporosität und Rissen sein, die bei metallischen Werkstoffen üblich sind. Verbundwerkstoffe und laminierte Materialien aus Fasern oder körnigen Materialien können daher nicht gemessen werden.
Neben dem Laserblitzverfahren gibt es bei den Temperaturleitfähigkeitsmessgeräten auch ein zyklisches Aufheizverfahren. Bei dieser Methode wird der Temperaturgang bzw. die Phasendifferenz aus dem Temperaturgang bzw. der Phasendifferenz in einem bestimmten Abstand bestimmt, wenn periodisch variierende Wärmeenergie zugeführt wird. Allerdings kann auch dieses Verfahren die Wärmeleitfähigkeit nicht direkt messen.
2. Schnelles Wärmeleitfähigkeitsmessgerät (instationäres Feindrahtheizverfahren)
Schnelle Wärmeleitfähigkeitsmessgeräte, die das instationäre Dünndrahtheizverfahren verwenden, sind für die schnelle Messung von Wärmeleitfähigkeiten geeignet. Der Sensorteil besteht aus einem geradlinig gespannten Heizdraht und einem Thermoelement, und ein konstanter Strom wird angelegt, um die Heiztemperatur zu erhöhen.
Hat die Probe beispielsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit, wie Keramik, diffundiert die Wärme schnell in die Probe und die Temperatur des Heizdrahtes sinkt. Umgekehrt steigt bei einer Probe mit geringer Wärmeleitfähigkeit die Temperatur des Heizdrahtes an, und die Wärmeleitfähigkeit kann anhand der Steigung der Temperaturanstiegskurve zu diesem Zeitpunkt bestimmt werden.
Bei gleichmäßigen Proben kann die Wärmeleitfähigkeit schnell und einfach gemessen werden, und das Messgerät selbst ist kompakt und tragbar. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass die Messungen sofort vor Ort durchgeführt werden können. Es kann für ein breites Spektrum von Anwendungen eingesetzt werden, von industriellen Baumaterialien bis hin zu Lebensmitteln und Kleidung.
Beispiele für Prüfkörper, die gemessen werden können, sind folgende:
- Dämmstoffe auf Faserbasis und geschäumte Kunststoffe, usw.
- Kunststoffe, Glas, Holz, usw.
- Bleche, Häute, dünne Plattenproben, usw.
- Brotteig, geknetete Produkte, Pulver, etc.
- Feuerfeste Isoliermaterialien bei hohen Temperaturen, Keramik usw.