Thermal conductivity measurement method using Peltier as heat flow sensor

Abstract

Since many parameters such as additives, ratios, sintering temperature and time are studied in the development of inorganic thermal insulation materials, it is necessary to measure the thermal conductivity of many samples. In addition, since the samples are sintered in a small furnace after shaping, the mold sizes are generally chosen small. In R&D studies, it is very difficult to find a cost-effective system to determine the heat transfer coefficient of these small-sized samples. In this study, an alternative device with an affordable cost has been developed to be used in determining the heat transfer coefficient, in which Peltier is used as a heat flow sensor. The measurement principle is based on the determination of the sample placed between two plates with different temperatures, based on the ratio between the heat transfer coefficient and the heat flow passing over it, in other words, the voltage measured from the Peltier. Here, materials with known absolute heat transmission coefficient were measured with this device and a correlation was established between the voltage read in the Peltier placed between the hot block and the sample. After this correlation, the thermal conductivity coefficient was calculated. It has been seen that the heat transmission coefficient of the samples can be determined with a deviation of 3% between the heat transmission coefficient determined in this arrangement and the known values.

Keywords

• Peltier
• Thermal conductivity
• Heat flow sensor
• Insulation

Peltier'in ısı akış sensörü olarak kullanıldığı ısıl iletkenlik ölçüm metodu

Öz

İnorganik ısı yalıtım malzemesi geliştirilmesinde, katkılar, oranları, sinterleme sıcaklığı ve süresi gibi birçok parametre çalışıldığından çok sayıda numunenin ısıl iletkenliğini ölçmek gerekmektedir. Ayrıca şekillendirilme sonrası da numuneler küçük fırında sinterlendiğinden, genellikle kalıp ebatları küçük seçilmektedir. ARGE çalışmalarında bu küçük ebatlı numunelerin ısı iletim katsayısını tespit etmeye yönelik uygun maliyette sistem bulmak çok zordur. Bu çalışmada, Peltier’in ısı akış sensörü olarak kullanıldığı ısı iletim katsayısını belirlenmesinde kullanılmak üzere uygun maliyette alternatif cihaz geliştirilmiştir. Ölçüm prensibi, sıcaklıkları farklı iki plaka arasına yerleştirilen numunenin ısı iletim katsayısı ile üzerinden geçen ısı akışı bir başka deyişle Peltier’den ölçülen gerilim arasındaki orantıdan yola çıkarak belirlenmesine dayanmaktadır. Burada, mutlak ısı iletim katsayısı bilinen malzemelerin bu düzenekle ölçümünü yapılmış ve sıcak blok ile numune arasına yerleştirilen Peltier’de okunan gerilim arasında korelasyon kurulmuştur. Bu korelasyon sonrasında ısı iletkenlik katsayısı hesaplanmıştır. Bu düzenekle tespit edilen ısı iletim katsayısı ile bilinen değerler arasında %3 seviyelerinde sapma ile numunelerin ısı iletim katsayısın tespit edilebileceği görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

• Peltier
• Isıl iletkenlik
• Isı akış sensörü
• Yalıtım

References

1. N. Yüksel, The review of some commonly used methods and techniques to measure the thermal conductivity of insulation materials, Insulation Materials in Context of Sustainability, IntechOpen 2016. https://doi.org/10.5772/64157
2. Y. Jannot,1, S. Schaefer, A. Degiovanni, J. Bianchin, V. Fierro, and A. Celzard, A new method for measuring the thermal conductivity of small insulating samples, Review of Scientific Instruments, 90, 054901-9, 2019. https://doi.org/10.1063/1.5065562
3. G. Rizzo, R. Christen, and M. Stöck, Calibration methodology for contact heat flux sensors with enhanced accuracy, Measurement Science and Technology, 32(4), 045003, 2021. https://iopscience. iop.org/article/10.1088/1361-6501/abcf62
4. 2019ASTM C518-17, Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2017. https://doi.org/ 10.1520/C0518-17
5. Y. Işıker, ve B. Yeşilata, Yapı malzemelerinin isı iletim katsayılarının tespitine yönelik yeni bir yöntem geliştirilmesi, Harran Unv. Muh. Der., 01, 14-21, 2017. https://dergipark.org.tr/tr/pub/humder/issue/30491/341142
6. S. Sadati, N. Rahbar H. Kargarsharifabad, and K. Doost, Low thermal conductivity measurement using thermoelectric technology - Mathematical modeling and experimental analysis, International Communications in Heat and Mass Transfer, 127, 2021. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer. 2021.105534
7. M. Austin, T. Vogt, W. A. Sempey, A. Sommier, ve J. Dumoulin, Investigation into the use of thermoelectric modules as an alternative to conventional flux meters: application to convective and radiative heat flux in buildings. International Journal of Thermal Sciences, 160, 1-13, 2021.