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CN106840464A - 一种水冷戈登量热计 - Google Patents

一种水冷戈登量热计 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水冷戈登量热计，包括康铜片、无氧铜本体、进水管和出水管；康铜片覆盖无氧铜本体的上端面；无氧铜本体为柱体结构，柱体结构的中部沿轴线方向具有截面为圆形的通孔，圆形的通孔的外部具有沿轴线方向设置有的内表面为圆柱面的环形降温槽，降温槽的顶端靠近无氧铜本体的上端面，降温槽的底端经封闭后留有与进水管匹配的进水口，和与出水管匹配的出水口；所述进水管和出水管连接在无氧铜本体的下端，分别连接进水口和出水口。本发明通过引入冷却水的方式降低了康铜片的工作温度，使康铜片的温度不超过200℃，维持在线性工作区域，实现了对高温热流的长时间监测，同时减少了量热计计算参数受温度波动的影响，提高了量热计的精度。

Description

一种水冷戈登量热计
技术领域
本发明涉及一种水冷戈登量热计，属于热量计量领域。
背景技术
高超声速飞行器在高空高速飞行时，其表面将经受严重的气动加热及辐射加热，要求飞行器表面安装能够满足防热要求的热防护系统。其防热材料或结构需要进行气动热地面模拟实验，以验证其防热性能。其中，气流总温和表面热流密度是实验需要模拟的两个主要参数。准确测量表面热流密度数据是实现气动热地面模拟实验高精度模拟的基础。
随着气动热地面模拟试验测试技术的发展，国内外先后研制了基于不同传热原理的多种瞬态和稳态量热计来。例如，瞬态热容式(塞式)量热计、水卡量热计、薄壁量热计、同轴量热计、零点量热计和圆箔式量热计(国外叫戈登量热计，Garden heat gage)等。这些量热计有各自的热流密度测量范围和使用方法，在气动热地面模拟实验中都有着各自不可或缺的应用环境。
在国外气动热模拟试验中，戈登量热计常作为标准量热计或者参考量热计大量使用。该量热计热响应快，测量精度高，热流密度测量范围广。然而戈登量热计无法长时间在高温热环境下正常工作。如何提供一种新型量热计，实现获取气动热实验设备在长时间运行情况下热流密度数据的波动情况，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种水冷戈登量热计，可以长时间在气动热高温热环境下正常工作。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种水冷戈登量热计，包括康铜片、无氧铜本体、进水管和出水管；
所述康铜片覆盖无氧铜本体的上端面；
所述无氧铜本体为柱体结构，柱体结构的中部沿轴线方向具有截面为圆形的通孔，圆形的通孔的外部具有沿轴线方向设置有的内表面为圆柱面的环形降温槽，降温槽的顶端靠近无氧铜本体的上端面，降温槽的底端经封闭后留有与进水管匹配的进水口，和与出水管匹配的出水口；
所述进水管和出水管连接在无氧铜本体的下端，分别连接进水口和出水口；
所述康铜片的中心经第一测试线引出，圆形的通孔和降温槽之间的无氧铜本体下表面经第二测试线引出。
提供另一种水冷戈登量热计，包括康铜片、无氧铜本体、连接件、进水管和出水管；
所述康铜片覆盖无氧铜本体的上端面；
所述无氧铜本体为向下凸起的柱体结构，柱体结构的中部沿轴线方向具有截面为圆形的通孔，圆形的通孔的外部具有沿轴线方向设置有的内表面为圆柱面的环形降温槽，降温槽的顶端靠近无氧铜本体的上端面延伸至无氧铜本体的底端，圆形的通孔和降温槽之间的无氧铜本体向下延伸形成圆柱形凸起；
所述连接件为环状结构，内表面与无氧铜本体的圆柱形凸起的外表面匹配；连接件的上端面连接无氧铜本体的下端面；所述连接件具有环形通道，连接至降温槽；环形通道的底端经封闭后留有与进水管匹配的进水口，和与出水管匹配的出水口；
所述进水管和出水管连接在连接件的下端，分别连接进水口和出水口；冷却水经进水管进入连接件的环形通道后，进入无氧铜本体的降温槽进行降温，再经连接件的环形通道流至出水管流出；
所述康铜片的中心经第一测试线引出，圆形的通孔和降温槽之间的无氧铜本体下表面经第二测试线引出。
优选的，所述康铜片与无氧铜本体之间通过扩散焊的方式焊接为一体。
优选的，第一测试线为无氧铜丝，通过低温钎焊的方式固定在康铜片的中心。
优选的，利用公式，q＝KΔT，对量热计进行标定，确定系数K的值，q为量热计表面的热流密度，ΔT为康铜片中心与圆形的通孔和降温槽之间的无氧铜本体之间的温度差；当K和之间偏差小于20％时合格，其中λ0为温度0℃时康铜的导热系数；R为无氧铜本体圆形的通孔的半径，d为康铜片的厚度。
优选的，所述连接件的材质为无氧铜或不锈钢。
优选的，所述连接件通过钎焊、扩散焊的方式连接到无氧铜本体。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明的水冷戈登量热计，通过引入冷却水的方式降低了康铜片的工作温度，使康铜片的温度不超过200℃，维持在线性工作区域，实现了对高温热流的长时间监测，同时减少了量热计计算参数受温度波动的影响，提高了量热计的精度。
(2)本发明在康铜片与无氧铜本体之间采用扩散焊的方式焊接，二者之间无需添加任何焊接材料，实现了二者无孔隙的紧密接触连接，大大减小了接触热阻，且形成无数对测量接触面温度的并联T型热电偶，克服了传统的焊接方式引入焊料带来的测量误差。
(3)本发明设置了连接件和无氧铜本体分体的结构，小巧的无氧铜本体与康铜片扩散焊，提高扩散焊的效率。
附图说明
图1为本发明水冷戈登量热计结构示意图；
图2为本发明具有连接件的水冷戈登量热计结构示意图；
图3为本发明具有连接件的水冷戈登量热计结构A-A剖视图。
具体实施方式
如图1所示，水冷戈登量热计由康铜片1、无氧铜本体2、进水管4、无氧铜丝5和出水管6组成。所述康铜片1为圆片结构，覆盖无氧铜本体2的上端面。
所述无氧铜本体2为柱体结构，优选圆柱体，柱体结构的轴线穿过康铜片1的圆心。圆形的通孔的外部具有沿轴线方向设置有的内表面为圆柱面的环形降温槽，降温槽的顶端靠近无氧铜本体2的上端面，降温槽的底端经封闭后留有与进水管4匹配的进水口，和与出水管6匹配的出水口；进水管4和出水管6连接在无氧铜本体2的下端，分别连接进水口和出水口；所述康铜片1的中心经、圆形的通孔和降温槽之间的无氧铜本体2下表面经无氧铜丝(5)引出。经无氧铜丝5测量的电压和图1中ΔT的关系由T型热电偶的分度表决定，基本为线性关系，一般利用计算模块由T型热电偶的分度表数据插值得到。
康铜片1、无氧铜本体2和无氧铜丝5能够组成一对测量康铜片1中心与边沿温差的T型热电偶，依据该温差ΔT可以计算得到量热计表面吸收热量的热流密度。高压冷却水的强制冷却使量热计各组件在常温或较低温度下工作，提高了量热计的测量精度，实现了量热计的长时间测量。
所述的康铜片1所用材料为铜镍合金(Cu:55％，Ni:45％)，常称之为康铜；所述的无氧铜本体2所用材料为纯铜(Cu:100％)；二者分别为T型热电偶的负极和正极材料。
所述的康铜片1和无氧铜本体2直接接触的扩散焊连接。康铜片1和无氧铜丝5低温钎焊密封连接，实现了二者无缝隙的固定连接，并形成一对测量康铜片1中心温度的T型热电偶。无氧铜本体2和无氧铜丝5接触式铆接，其余部件相互密封固定焊接。
为了提高扩散焊的效率，还可以降低铜本体的体积，设置连接件3，参见图2、3。所述无氧铜本体2为向下凸起的柱体结构，柱体结构的中部沿轴线方向具有截面为圆形的通孔，圆形的通孔的外部具有沿轴线方向设置有的内表面为圆柱面的环形降温槽，降温槽的顶端靠近无氧铜本体2的上端面延伸至无氧铜本体2的底端，圆形的通孔和降温槽之间的无氧铜本体2向下延伸形成圆柱形凸起；
所述连接件3为环状结构，内表面与无氧铜本体2的圆柱形凸起的外表面匹配；连接件3的上端面连接无氧铜本体2的下端面；所述连接件3具有环形通道，连接至降温槽；环形通道的底端经封闭后留有与进水管4匹配的进水口，和与出水管6匹配的出水口；
所述进水管4和出水管6连接在连接件3的下端，分别连接进水口和出水口；冷却水经进水管4进入连接件3的环形通道后，进入无氧铜本体2的降温槽进行降温，再经连接件3的环形通道流至出水管6流出；由连接件3和进水管4导入的高压冷却水，对康铜片1和无氧铜本体2进行强制冷却后从出水管6导出，使水冷戈登量热计各组件在常温或较低温度下工作，减少了量热计计算参数受温度波动的影响，提高了量热计的测量精度，实现了量热计的长时间正常工作。
量热计的传热部件康铜片1厚度很薄，且与无氧铜本体2的接触热阻很小，使得量热计热响应极快。
量热计表面受到加热后，大部分热量通过康铜片1和无氧铜本体2的直接接触区域直接热传导给无氧铜本体2；而康铜片1中心圆形区域由于其底面与无氧铜本体2无直接接触，需要在康铜片1内部建立横向热传导，将热量传导到康铜片1与无氧铜本体2的直接接触区域后，再热传导给无氧铜本体2。此时，在康铜片1的中心点和中心圆形区域边沿之间会有一个较明显的温差ΔT。
根据以上传热过程，假定量热计表面受到均匀的加热环境，对康铜片1中心圆形区域建立了热传导微分方程：
边界条件为：
式中，α为康铜片1的热扩散系数，q为量热计表面的热流密度，λ为康铜片1的导热系数，d为康铜片1的厚度；R为康铜片1中心圆形区域的半径；Tp为康铜片1中心圆形区域边沿的温度。T为温度，t为时间。
同时考虑到康铜片1在整个传热过程中内部温度各不相同，所以假定康铜材料导热系数λ随温度线性变化，即
λ＝λ0(1+λ1T)
λ0为温度为0℃时康铜的导热系数；λ0λ1为每单位温升时康铜导热系数的变化率。
可以计算得到，量热计表面的热流密度q与ΔT的关系为：
所述的无氧铜本体2、连接件3、进水管4和出水管6组成了一个对无氧铜本体2强制冷却的冷却水通道。高压冷却水的强制冷却使得无氧铜本体2的温度处于常温或较低温度的很小范围内，而与量热计表面的热流密度q无明显的直接关系。
所述的康铜片1和无氧铜本体2的直接接触区域形成了无数个测量该区域温度的并联T型热电偶，即该热电偶测量的是该区域的平均温度。由于高压冷却水的强制冷却，使得该平均温度与康铜片1中心圆形区域边沿温度Tp无明显差异。
所述的康铜片1的中心处和无氧铜丝5形成了一对测量康铜片1中心温度的T型热电偶。将该T型热电偶与康铜片1和无氧铜本体2直接接触区域形成的T型热电偶串联后，形成测量康铜片1中心与边沿温度差ΔT的T型热电偶。通过选取不同的康铜片1厚度d和中心圆形区域的半径R，可以使ΔT处于一个相对固定的范围内，比如20℃～50℃。
由于Tp和ΔT处于一个相对固定的范围内，比如50℃～80℃，而在该范围内康铜的导热系数波动不大(小于6％)，所以可以假定康铜材料导热系数λ不随温度变化，为常数λ0，由此可以得到：
此时，只需要获得量热计康铜片1中心圆形区域的半径R和厚度d，就可以根据测量得到的康铜片1中心和中心圆形区域边沿之间的温差ΔT，计算得到量热计表面的热流值q。
由于T型热电偶的测量精度较高，所以温差ΔT的测量偏差对热流值q的精度影响较小；由于康铜片(1)中心圆形区域的半径R和厚度d本身为较小值，特别是厚度d大部分情况为0.3mm以下，有时甚至小于0.1mm，如此机械加工精度以及焊接变形产生的影响将对半径R和厚度d的精度有较大影响。因此实际应用中，一般采用黑体炉标准热源对水冷戈登量热计进行标定，得到该量热计输出的热流值q与测量的温差ΔT的线性关系系数K，而理论公式的计算值仅作为参考。
理论公式计算过程中未考虑康铜片1与无氧铜本体2之间的接触热阻问题，所以康铜片1与无氧铜本体2之间接触越好，接触热阻越小，测量值与理论计算参考值越接近，一般二者偏差小于20％。
利用扩散焊的方法，使康铜片1与无氧铜本体2无孔隙的直接接触，二者之间无需添加任何焊接材料，大大减小了接触热阻，并且形成了测量接触面温度且正负极直接接触的T型热电偶，既提高了量热计的测量精度，又加快了量热计的热响应速度。
本发明采用低温钎焊的方法，使康铜片1中心与无氧铜丝5实现了无缝隙的固定连接，并形成一对测量康铜片1中心温度的T型热电偶。
本发明在无氧铜本体2内部建立了一个能耐高压的冷却水通道，利用常温的高压冷却水对无氧铜本体2进行了强制冷却，使其温度一直稳定在常温或较低温度的范围内，既减少了量热计计算参数受温度波动的影响，提高了量热计的精度，又使量热计能够长时间正常工作。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种水冷戈登量热计，其特征在于：包括康铜片(1)、无氧铜本体(2)、进水管(4)和出水管(6)；
所述康铜片(1)覆盖无氧铜本体(2)的上端面；
所述无氧铜本体(2)为柱体结构，柱体结构的中部沿轴线方向具有截面为圆形的通孔，圆形的通孔的外部具有沿轴线方向设置有的内表面为圆柱面的环形降温槽，降温槽的顶端靠近无氧铜本体(2)的上端面，降温槽的底端经封闭后留有与进水管(4)匹配的进水口，和与出水管(6)匹配的出水口；
所述进水管(4)和出水管(6)连接在无氧铜本体(2)的下端，分别连接进水口和出水口；
所述康铜片(1)的中心经第一测试线引出，圆形的通孔和降温槽之间的无氧铜本体(2)下表面经第二测试线引出。
2.一种水冷戈登量热计，其特征在于：包括康铜片(1)、无氧铜本体(2)、连接件(3)、进水管(4)和出水管(6)；
所述康铜片(1)覆盖无氧铜本体(2)的上端面；
所述无氧铜本体(2)为向下凸起的柱体结构，柱体结构的中部沿轴线方向具有截面为圆形的通孔，圆形的通孔的外部具有沿轴线方向设置有的内表面为圆柱面的环形降温槽，降温槽的顶端靠近无氧铜本体(2)的上端面延伸至无氧铜本体(2)的底端，圆形的通孔和降温槽之间的无氧铜本体(2)向下延伸形成圆柱形凸起；
所述连接件(3)为环状结构，内表面与无氧铜本体(2)的圆柱形凸起的外表面匹配；连接件(3)的上端面连接无氧铜本体(2)的下端面；所述连接件(3)具有环形通道，连接至降温槽；环形通道的底端经封闭后留有与进水管(4)匹配的进水口，和与出水管(6)匹配的出水口；
所述进水管(4)和出水管(6)连接在连接件(3)的下端，分别连接进水口和出水口；冷却水经进水管(4)进入连接件(3)的环形通道后，进入无氧铜本体(2)的降温槽进行降温，再经连接件(3)的环形通道流至出水管(6)流出；
所述康铜片(1)的中心经第一测试线引出，圆形的通孔和降温槽之间的无氧铜本体(2)下表面经第二测试线引出。
3.根据权利要求1或2所述的水冷戈登量热计，其特征在于，所述康铜片(1)与无氧铜本体(2)之间通过扩散焊的方式焊接为一体。
4.根据权利要求1或2所述的水冷戈登量热计，其特征在于，第一测试线为无氧铜丝，通过低温钎焊的方式固定在康铜片(1)的中心。
5.根据权利要求1或2所述的水冷戈登量热计，其特征在于，利用公式，q＝KΔT，对量热计进行标定，确定系数K的值，q为量热计表面的热流密度，ΔT为康铜片(1)中心与圆形的通孔和降温槽之间的无氧铜本体(2)之间的温度差；当K和之间偏差小于20％时合格，其中λ0为温度0℃时康铜的导热系数；R为无氧铜本体(2)圆形的通孔的半径，d为康铜片(1)的厚度。
6.根据权利要求2所述的水冷戈登量热计，其特征在于，所述连接件(3)的材质为无氧铜或不锈钢。
7.根据权利要求2所述的水冷戈登量热计，其特征在于，所述连接件(3)通过钎焊、扩散焊的方式连接到无氧铜本体(2)。
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