一種水冷戈登量熱計的製作方法

2023-08-07 20:00:31 2

本發明涉及一種水冷戈登量熱計，屬於熱量計量領域。

背景技術：

高超聲速飛行器在高空高速飛行時，其表面將經受嚴重的氣動加熱及輻射加熱，要求飛行器表面安裝能夠滿足防熱要求的熱防護系統。其防熱材料或結構需要進行氣動熱地面模擬實驗，以驗證其防熱性能。其中，氣流總溫和表面熱流密度是實驗需要模擬的兩個主要參數。準確測量表面熱流密度數據是實現氣動熱地面模擬實驗高精度模擬的基礎。

隨著氣動熱地面模擬試驗測試技術的發展，國內外先後研製了基於不同傳熱原理的多種瞬態和穩態量熱計來。例如，瞬態熱容式(塞式)量熱計、水卡量熱計、薄壁量熱計、同軸量熱計、零點量熱計和圓箔式量熱計(國外叫戈登量熱計，Garden heat gage)等。這些量熱計有各自的熱流密度測量範圍和使用方法，在氣動熱地面模擬實驗中都有著各自不可或缺的應用環境。

在國外氣動熱模擬試驗中，戈登量熱計常作為標準量熱計或者參考量熱計大量使用。該量熱計熱響應快，測量精度高，熱流密度測量範圍廣。然而戈登量熱計無法長時間在高溫熱環境下正常工作。如何提供一種新型量熱計，實現獲取氣動熱實驗設備在長時間運行情況下熱流密度數據的波動情況，是本領域亟待解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種水冷戈登量熱計，可以長時間在氣動熱高溫熱環境下正常工作。

本發明目的通過如下技術方案予以實現：

提供一種水冷戈登量熱計，包括康銅片、無氧銅本體、進水管和出水管；

所述康銅片覆蓋無氧銅本體的上端面；

所述無氧銅本體為柱體結構，柱體結構的中部沿軸線方向具有截面為圓形的通孔，圓形的通孔的外部具有沿軸線方向設置有的內表面為圓柱面的環形降溫槽，降溫槽的頂端靠近無氧銅本體的上端面，降溫槽的底端經封閉後留有與進水管匹配的進水口，和與出水管匹配的出水口；

所述進水管和出水管連接在無氧銅本體的下端，分別連接進水口和出水口；

所述康銅片的中心經第一測試線引出，圓形的通孔和降溫槽之間的無氧銅本體下表面經第二測試線引出。

提供另一種水冷戈登量熱計，包括康銅片、無氧銅本體、連接件、進水管和出水管；

所述康銅片覆蓋無氧銅本體的上端面；

所述無氧銅本體為向下凸起的柱體結構，柱體結構的中部沿軸線方向具有截面為圓形的通孔，圓形的通孔的外部具有沿軸線方向設置有的內表面為圓柱面的環形降溫槽，降溫槽的頂端靠近無氧銅本體的上端面延伸至無氧銅本體的底端，圓形的通孔和降溫槽之間的無氧銅本體向下延伸形成圓柱形凸起；

所述連接件為環狀結構，內表面與無氧銅本體的圓柱形凸起的外表面匹配；連接件的上端面連接無氧銅本體的下端面；所述連接件具有環形通道，連接至降溫槽；環形通道的底端經封閉後留有與進水管匹配的進水口，和與出水管匹配的出水口；

所述進水管和出水管連接在連接件的下端，分別連接進水口和出水口；冷卻水經進水管進入連接件的環形通道後，進入無氧銅本體的降溫槽進行降溫，再經連接件的環形通道流至出水管流出；

所述康銅片的中心經第一測試線引出，圓形的通孔和降溫槽之間的無氧銅本體下表面經第二測試線引出。

優選的，所述康銅片與無氧銅本體之間通過擴散焊的方式焊接為一體。

優選的，第一測試線為無氧銅絲，通過低溫釺焊的方式固定在康銅片的中心。

優選的，利用公式，q＝KΔT，對量熱計進行標定，確定係數K的值，q為量熱計表面的熱流密度，ΔT為康銅片中心與圓形的通孔和降溫槽之間的無氧銅本體之間的溫度差；當K和之間偏差小於20％時合格，其中λ0為溫度0℃時康銅的導熱係數；R為無氧銅本體圓形的通孔的半徑，d為康銅片的厚度。

優選的，所述連接件的材質為無氧銅或不鏽鋼。

優選的，所述連接件通過釺焊、擴散焊的方式連接到無氧銅本體。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

(1)本發明的水冷戈登量熱計，通過引入冷卻水的方式降低了康銅片的工作溫度，使康銅片的溫度不超過200℃，維持在線性工作區域，實現了對高溫熱流的長時間監測，同時減少了量熱計計算參數受溫度波動的影響，提高了量熱計的精度。

(2)本發明在康銅片與無氧銅本體之間採用擴散焊的方式焊接，二者之間無需添加任何焊接材料，實現了二者無孔隙的緊密接觸連接，大大減小了接觸熱阻，且形成無數對測量接觸面溫度的並聯T型熱電偶，克服了傳統的焊接方式引入焊料帶來的測量誤差。

(3)本發明設置了連接件和無氧銅本體分體的結構，小巧的無氧銅本體與康銅片擴散焊，提高擴散焊的效率。

附圖說明

圖1為本發明水冷戈登量熱計結構示意圖；

圖2為本發明具有連接件的水冷戈登量熱計結構示意圖；

圖3為本發明具有連接件的水冷戈登量熱計結構A-A剖視圖。

具體實施方式

如圖1所示，水冷戈登量熱計由康銅片1、無氧銅本體2、進水管4、無氧銅絲5和出水管6組成。所述康銅片1為圓片結構，覆蓋無氧銅本體2的上端面。

所述無氧銅本體2為柱體結構，優選圓柱體，柱體結構的軸線穿過康銅片1的圓心。圓形的通孔的外部具有沿軸線方向設置有的內表面為圓柱面的環形降溫槽，降溫槽的頂端靠近無氧銅本體2的上端面，降溫槽的底端經封閉後留有與進水管4匹配的進水口，和與出水管6匹配的出水口；進水管4和出水管6連接在無氧銅本體2的下端，分別連接進水口和出水口；所述康銅片1的中心經、圓形的通孔和降溫槽之間的無氧銅本體2下表面經無氧銅絲(5)引出。經無氧銅絲5測量的電壓和圖1中ΔT的關係由T型熱電偶的分度表決定，基本為線性關係，一般利用計算模塊由T型熱電偶的分度表數據插值得到。

康銅片1、無氧銅本體2和無氧銅絲5能夠組成一對測量康銅片1中心與邊沿溫差的T型熱電偶，依據該溫差ΔT可以計算得到量熱計表面吸收熱量的熱流密度。高壓冷卻水的強制冷卻使量熱計各組件在常溫或較低溫度下工作，提高了量熱計的測量精度，實現了量熱計的長時間測量。

所述的康銅片1所用材料為銅鎳合金(Cu:55％，Ni:45％)，常稱之為康銅；所述的無氧銅本體2所用材料為純銅(Cu:100％)；二者分別為T型熱電偶的負極和正極材料。

所述的康銅片1和無氧銅本體2直接接觸的擴散焊連接。康銅片1和無氧銅絲5低溫釺焊密封連接，實現了二者無縫隙的固定連接，並形成一對測量康銅片1中心溫度的T型熱電偶。無氧銅本體2和無氧銅絲5接觸式鉚接，其餘部件相互密封固定焊接。

為了提高擴散焊的效率，還可以降低銅本體的體積，設置連接件3，參見圖2、3。所述無氧銅本體2為向下凸起的柱體結構，柱體結構的中部沿軸線方向具有截面為圓形的通孔，圓形的通孔的外部具有沿軸線方向設置有的內表面為圓柱面的環形降溫槽，降溫槽的頂端靠近無氧銅本體2的上端面延伸至無氧銅本體2的底端，圓形的通孔和降溫槽之間的無氧銅本體2向下延伸形成圓柱形凸起；

所述連接件3為環狀結構，內表面與無氧銅本體2的圓柱形凸起的外表面匹配；連接件3的上端面連接無氧銅本體2的下端面；所述連接件3具有環形通道，連接至降溫槽；環形通道的底端經封閉後留有與進水管4匹配的進水口，和與出水管6匹配的出水口；

所述進水管4和出水管6連接在連接件3的下端，分別連接進水口和出水口；冷卻水經進水管4進入連接件3的環形通道後，進入無氧銅本體2的降溫槽進行降溫，再經連接件3的環形通道流至出水管6流出；由連接件3和進水管4導入的高壓冷卻水，對康銅片1和無氧銅本體2進行強制冷卻後從出水管6導出，使水冷戈登量熱計各組件在常溫或較低溫度下工作，減少了量熱計計算參數受溫度波動的影響，提高了量熱計的測量精度，實現了量熱計的長時間正常工作。

量熱計的傳熱部件康銅片1厚度很薄，且與無氧銅本體2的接觸熱阻很小，使得量熱計熱響應極快。

量熱計表面受到加熱後，大部分熱量通過康銅片1和無氧銅本體2的直接接觸區域直接熱傳導給無氧銅本體2；而康銅片1中心圓形區域由於其底面與無氧銅本體2無直接接觸，需要在康銅片1內部建立橫向熱傳導，將熱量傳導到康銅片1與無氧銅本體2的直接接觸區域後，再熱傳導給無氧銅本體2。此時，在康銅片1的中心點和中心圓形區域邊沿之間會有一個較明顯的溫差ΔT。

根據以上傳熱過程，假定量熱計表面受到均勻的加熱環境，對康銅片1中心圓形區域建立了熱傳導微分方程：

邊界條件為：

式中，α為康銅片1的熱擴散係數，q為量熱計表面的熱流密度，λ為康銅片1的導熱係數，d為康銅片1的厚度；R為康銅片1中心圓形區域的半徑；Tp為康銅片1中心圓形區域邊沿的溫度。T為溫度，t為時間。

同時考慮到康銅片1在整個傳熱過程中內部溫度各不相同，所以假定康銅材料導熱係數λ隨溫度線性變化，即

λ＝λ0(1+λ1T)

λ0為溫度為0℃時康銅的導熱係數；λ0λ1為每單位溫升時康銅導熱係數的變化率。

可以計算得到，量熱計表面的熱流密度q與ΔT的關係為：

所述的無氧銅本體2、連接件3、進水管4和出水管6組成了一個對無氧銅本體2強制冷卻的冷卻水通道。高壓冷卻水的強制冷卻使得無氧銅本體2的溫度處於常溫或較低溫度的很小範圍內，而與量熱計表面的熱流密度q無明顯的直接關係。

所述的康銅片1和無氧銅本體2的直接接觸區域形成了無數個測量該區域溫度的並聯T型熱電偶，即該熱電偶測量的是該區域的平均溫度。由於高壓冷卻水的強制冷卻，使得該平均溫度與康銅片1中心圓形區域邊沿溫度Tp無明顯差異。

所述的康銅片1的中心處和無氧銅絲5形成了一對測量康銅片1中心溫度的T型熱電偶。將該T型熱電偶與康銅片1和無氧銅本體2直接接觸區域形成的T型熱電偶串聯後，形成測量康銅片1中心與邊沿溫度差ΔT的T型熱電偶。通過選取不同的康銅片1厚度d和中心圓形區域的半徑R，可以使ΔT處於一個相對固定的範圍內，比如20℃～50℃。

由於Tp和ΔT處於一個相對固定的範圍內，比如50℃～80℃，而在該範圍內康銅的導熱係數波動不大(小於6％)，所以可以假定康銅材料導熱係數λ不隨溫度變化，為常數λ0，由此可以得到：

此時，只需要獲得量熱計康銅片1中心圓形區域的半徑R和厚度d，就可以根據測量得到的康銅片1中心和中心圓形區域邊沿之間的溫差ΔT，計算得到量熱計表面的熱流值q。

由於T型熱電偶的測量精度較高，所以溫差ΔT的測量偏差對熱流值q的精度影響較小；由於康銅片(1)中心圓形區域的半徑R和厚度d本身為較小值，特別是厚度d大部分情況為0.3mm以下，有時甚至小於0.1mm，如此機械加工精度以及焊接變形產生的影響將對半徑R和厚度d的精度有較大影響。因此實際應用中，一般採用黑體爐標準熱源對水冷戈登量熱計進行標定，得到該量熱計輸出的熱流值q與測量的溫差ΔT的線性關係係數K，而理論公式的計算值僅作為參考。

理論公式計算過程中未考慮康銅片1與無氧銅本體2之間的接觸熱阻問題，所以康銅片1與無氧銅本體2之間接觸越好，接觸熱阻越小，測量值與理論計算參考值越接近，一般二者偏差小於20％。

利用擴散焊的方法，使康銅片1與無氧銅本體2無孔隙的直接接觸，二者之間無需添加任何焊接材料，大大減小了接觸熱阻，並且形成了測量接觸面溫度且正負極直接接觸的T型熱電偶，既提高了量熱計的測量精度，又加快了量熱計的熱響應速度。

本發明採用低溫釺焊的方法，使康銅片1中心與無氧銅絲5實現了無縫隙的固定連接，並形成一對測量康銅片1中心溫度的T型熱電偶。

本發明在無氧銅本體2內部建立了一個能耐高壓的冷卻水通道，利用常溫的高壓冷卻水對無氧銅本體2進行了強制冷卻，使其溫度一直穩定在常溫或較低溫度的範圍內，既減少了量熱計計算參數受溫度波動的影響，提高了量熱計的精度，又使量熱計能夠長時間正常工作。

以上所述，僅為本發明最佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。