一種三級隔熱式熱流計的製作方法

2023-05-07 16:23:21 2

一種三級隔熱式熱流計的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種三級隔熱式熱流計，包括敏感面、內膽、外殼、敏感面安裝架、內膽安裝架、外殼安裝架、敏感面熱電偶、內膽熱電偶、多層隔熱組件、黑漆塗層和鍍鋁膜；本發明基於熱流計測量原理，通過從敏感面到內膽、內膽到外殼、外殼到熱流計安裝面的三級隔熱構型設計，其中安裝架均選用低熱導率材料，並採用多層隔熱組件使得內膽到敏感面的輻射漏熱可以忽略，使得熱流計輔助部件到敏感面的漏熱為可修正的小量值；相對此前同類熱流計外熱流達到150W/m2時，仍然存在10W/m2以上的測量誤差，本熱流計將對熱流的測量精度提高到優於2W/m2，從而確保太空飛行器熱平衡試驗的準確性和有效性。
【專利說明】一種三級隔熱式熱流計

【技術領域】
[0001] 本發明屬於太空飛行器熱控制【技術領域】，特別涉及一種用於實現對熱平衡試驗中所模 擬紅外熱流的三級隔熱式熱流計。

【背景技術】
[0002] 太空飛行器熱平衡試驗是驗證太空飛行器熱設計的重要手段。在太空飛行器熱平衡試驗中，通 常採用紅外燈或紅外籠模擬太空飛行器所吸收的空間外熱流。決定熱平衡試驗有效性的關鍵因 素之一在於紅外輻射熱流的測量精度。目前型號熱平衡試驗中所使用的熱流計有兩種：一 種是多層隔熱式絕熱型熱流計，另外一種是熱屏等溫型熱流計。
[0003] 多層隔熱式絕熱型熱流計在應用中存在的主要問題有：1)測量精度一般；2)熱流 計個體差異較明顯；3)熱流計重複使用率低；4)熱流計安裝方式複雜。熱屏等溫型熱流計 在應用中存在的主要問題有：1)需定期標定且存在標定誤差；2)熱流測量系統複雜；3)所 需測控溫通道較多。鑑於現有熱流計存在上述不足，有必要研製一種新型熱流計，以提高熱 流測量精度，以確保太空飛行器熱平衡試驗的有效性，減小瞬態熱試驗的複雜程度，簡化熱平衡 試驗準備工作，節約型號熱平衡試驗成本和周期。減少甚至取消標定試驗，實現重複使用， 簡化安裝和測量系統。


【發明內容】

[0004] 有鑑於此，本發明提供了一種三級隔熱式熱流計，能夠在熱平衡試驗中實現高精 度測量、結構簡單、免標定且能重複使用。
[0005] 本發明的一種三級隔熱式熱流計，包括敏感面、內膽、外殼、敏感面安裝架、內膽安 裝架、外殼安裝架、敏感面熱電偶、內膽熱電偶、多層隔熱組件、黑漆塗層和鍍鋁膜；
[0006] 所述外殼和內膽均為一端封閉、一端開口的中空圓柱狀結構；所述內膽的開口一 端向外延伸出徑向凸緣；
[0007] 所述外殼安裝架、內膽安裝架以及敏感面安裝架均由上、下圓盤以及支撐於兩圓 盤之間的圓柱組成，其剖面呈"工"字形；
[0008] 所述外殼安裝架安裝在艙體表面的熱流計安裝面上，所述外殼同軸安裝於外殼安 裝架的上圓盤之上；
[0009] 所述內膽安裝架有4個，靠近外殼內表面並以90度間隔分布於外殼封閉一端的底 面上；
[0010] 所述內膽同軸置於所述外殼的空腔內，內膽的徑向凸緣由所述4個內膽安裝架支 撐並與外殼的開口端對應，所述徑向凸緣的下表面與外殼的開口的上表面之間留有間隙； 內膽下底面與外殼下底面之間有間隙，使內膽外表面與外殼內表面之間形成連通的隔熱 腔；
[0011] 所述敏感面安裝架同軸置於所述內膽封閉一端的底面上，圓形敏感面安裝於所述 敏感面安裝架之上，敏感面上表面與所述徑向凸緣上表面位於同一水平高度；
[0012] 所述敏感面熱電偶安裝於敏感面下表面圓心處；內膽熱電偶安裝於內膽封閉一端 的下表面的圓心處；敏感面的外沿與內膽的內表面之間留有間隙；
[0013] 所述敏感面和敏感面安裝架安裝成為一體的敏感面組件後，多層隔熱組件敷設於 敏感面組件的下表面；
[0014] 所述敏感面上表面、徑向凸緣上表面和內膽內表面均塗覆有發射率大於0. 85的 黑漆塗層；所述內膽外表面和外殼內、外表面均粘貼鍍鋁膜。
[0015] 所述內膽安裝架、外殼安裝架和敏感面安裝架均選用聚醯亞胺或玻璃鋼材料加工 而成。
[0016] 內膽的徑向凸緣寬度彡5mm。
[0017] 所述敏感面外沿與內膽內側表面之間間隙範圍在0. 1mm至1. 0mm之間。
[0018] 所述內膽的徑向凸緣下表面與外殼邊緣上表面之間間隙範圍在0. 1mm至1. 0mm之 間。
[0019] 所述多層隔熱組件包括第一多層隔熱組件和第二多層隔熱組件，依次敷設在所述 敏感面組件的下表面；所述敏感面熱電偶的引線緊貼敏感面下表面並繞敏感面安裝架上圓 盤的外圓盤繞，從第一多層隔熱組件穿出後在第一多層隔熱組件和第二多層隔熱組件之間 繞敏感面安裝架上圓盤的外圓盤繞，再從第二多層隔熱組件穿出，引至內膽封閉一端的圓 心處，並從圓心處穿出最後從外殼引出。
[0020] 所述敏感面熱電偶的引線在第一多層隔熱組件和第二多層隔熱組件之間盤線盤 線長度> 50mm。
[0021] 所述敏感面的厚度小於或等於〇· 15mm。
[0022] 所述內膽電熱偶的引線緊貼內膽下底面的圓心盤繞，並從外殼封閉一端的開口引 出。
[0023] 本發明的一種三級隔熱式熱流計的外熱流測量方法，利用所述敏感面熱電偶測量 得到的溫度T m以及內膽熱電偶測得的溫度Tn，所述外熱流大小Q根據如下公式獲得：
[0024] ε。Tm4 = Q+a (Tn_Tm) +b (Tn4_Tm4)
[0025] 其中，ε表示敏感面的半球發射率，σ表示史蒂芬波爾茲曼常數，a為敏感面和內 膽之間基於導熱換熱的係數，b為敏感面和內膽之間基於輻射換熱的係數。
[0026] 與現有技術相比本發明具有如下有益效果：
[0027] (1)本發明基於熱流計測量原理，通過從敏感面到內膽、內膽到外殼、外殼到熱流 計安裝面的三級隔熱構型設計，其中安裝架均選用低熱導率材料，並採用多層隔熱組件使 得內膽到敏感面的輻射漏熱可以忽略，使得熱流計輔助部件到敏感面的漏熱為可修正的小 量值。相對此前同類熱流計外熱流達到150W/m 2時，仍然存在10W/m2以上的測量誤差，通過 仿真分析軟體IDEAS-TMG建立本熱流計數學模型，可分析得到本熱流計將對熱流的測量精 度提高到優於2W/m 2,從而確保太空飛行器熱平衡試驗的準確性和有效性。
[0028] (2)本發明針對現有熱流計很少考慮的熱電偶絲漏熱進行抑制，對敏感面熱電偶 延長線及其走線方式進行精細化設計，大大減小熱電偶的漏熱，使其漏熱可以忽略，從而有 效地提高了本熱流計測量精度，特別是在低熱流範圍段，對於有深低溫空間外熱流模擬需 求的熱平衡試驗很有應用價值。
[0029] (3)本發明相對於現有的熱流計，主要零件均可機加而成，多級隔熱構型方式結構 牢固，其產品一致性高，不會在拆裝過程中輕易破壞其傳熱特性，重複使用性好，可以節省 大量的熱流計研製費用。
[0030] (4)本發明熱流計既可用於穩態熱流測量，又可用於瞬態熱流測量，相對於之前的 多層隔熱式絕熱型熱流計和熱屏等溫型熱流計具有更廣泛的適用性。
[0031] (5)本發明的熱流計無需定期標定，也不需要恆溫控制系統即可實現熱流的高精 度測量，在簡化試驗準備工作和複雜程度、節約型號熱平衡試驗成本和周期方面具備優勢。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1為本發明三級隔熱式熱流計的結構示意圖；
[0033] 圖2為本發明三級隔熱式熱流計的熱電偶引線在敏感面下表面的走線示意圖；
[0034] 圖3為本發明三級隔熱式熱流計的熱電偶引線在敏感面兩層多層隔熱組件之間 的走線示意圖。
[0035] 其中，1-敏感面，2-內膽，3-外殼，4-敏感面安裝架，5-內膽安裝架，6-外殼安裝 架，7-敏感面熱電偶，8-內膽熱電偶，9-第一多層隔熱組件，10-第二多層隔熱組件，11-黑 漆塗層，12-鍍鋁膜，13-熱流計安裝面。

【具體實施方式】
[0036] 下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。
[0037] 本發明提供了一種三級隔熱式熱流計，如圖1所示，包括敏感面1、內膽2、外殼3、 敏感面安裝架4、內膽安裝架5、外殼安裝架6、敏感面熱電偶7、內膽熱電偶8、多層隔熱組 件、黑漆塗層11和鍍鋁膜12 ;外殼3和內膽2均為一端封閉、一端開口的中空圓柱狀結構； 內膽2的開口一端向外延伸出徑向凸緣；
[0038] 外殼安裝架6、內膽安裝架5以及敏感面安裝架4均由上、下圓盤以及支撐於兩圓 盤之間的圓柱組成，其剖面呈"工"字形；
[0039] 外殼安裝架6安裝在艙體表面的熱流計安裝面13上，外殼3同軸安裝於外殼安裝 架6的上圓盤之上；
[0040] 內膽安裝架5有4個，靠近外殼3內表面並以90度間隔分布於外殼3封閉一端的 底面上；
[0041] 內膽2同軸置於外殼3的空腔內，內膽2的徑向凸緣由4個內膽安裝架5支撐並 與外殼3的開口端對應，徑向凸緣的下表面與外殼3的開口的上表面之間留有間隙；內膽2 下底面與外殼3下底面之間有間隙，使內膽2外表面與外殼3內表面之間形成連通的隔熱 腔；
[0042] 敏感面安裝架4同軸置於內膽2封閉一端的底面上，圓形敏感面1安裝於敏感面 安裝架4之上，敏感面1上表面與徑向凸緣上表面位於同一水平高度；
[0043] 敏感面熱電偶7安裝於敏感面1下表面圓心處；內膽熱電偶8安裝於內膽2封閉 一端的下表面的圓心處；敏感面1的外沿與內膽2的內表面之間留有間隙；
[0044] 敏感面1和敏感面安裝架4安裝成為一體的敏感面組件後，多層隔熱組件敷設於 敏感面組件的下表面；
[0045] 敏感面1上表面、徑向凸緣上表面和內膽2內表面均塗覆有發射率大於0. 85的黑 漆塗層11 ;內膽2外表面和外殼3內、外表面均粘貼鍍鋁膜12。
[0046] 內膽安裝架5、外殼安裝架6和敏感面安裝架4均選用聚醯亞胺或玻璃鋼材料低熱 導率的材料加工而成。
[0047] 採用低傳導率材料加工外殼安裝架6將熱流計固定在艙體表面的熱流計安裝面 13上，作為第一級隔熱結構，以此降低艙體表面對外殼3的熱傳導；內膽2外表面和外殼3 內表面之間的空間形成了第二級隔熱結構，在內膽2外表面、外殼3內、外表面粘貼鍍鋁膜 12,減小外殼3和內膽2之間的輻射漏熱；敏感面1與內膽2之間的空間形成第二級隔熱結 構，同時在敏感面1、徑向凸緣上表面和內膽2內表面塗覆黑漆塗層11，使得內膽2和敏感 面1的溫度儘量保持一致，儘量減小內膽2到敏感面1的輻射漏熱；最終使得艙體表面的熱 輻射對來自空間的熱流測量精度的影響降到減小。
[0048] 考慮到內膽2與敏感面1的溫度均勻，內膽2的徑向凸緣寬度> 5mm。
[0049] 考慮到要儘量降低敏感面1與內膽2的溫差，減小漏熱量，內膽2與敏感面1外沿 不能接觸，要留有間隙，而且該間隙要儘量小，最大程度減小漏熱，同時兼顧到裝配方便，本 發明中敏感面1外沿與內膽2內側表面之間間隙範圍控制在0· 1mm至1.0mm之間；同理，內 膽2的徑向凸緣下表面與外殼3邊緣上表面之間間隙範圍控制在0. 1_至1.0mm之間。
[0050] 多層隔熱組件包括第一多層隔熱組件9和第二多層隔熱組件10,依次敷設在敏感 面組件的下表面；敏感面熱電偶7的引線緊貼敏感面1下表面繞敏感面安裝架4上圓盤外 圓盤繞後，從第一多層隔熱組件9穿出，引線在第一多層隔熱組件9和第二多層隔熱組件10 之間繞敏感面安裝架4上圓盤外圓盤繞，再從第二多層隔熱組件10穿出，引至內膽2下底 面的中心處，並從中心處穿出最後從外殼3引出。熱電偶的引線在敏感面1下底面盤繞，保 證引線與敏感面1有足夠的接觸長度，使得熱電偶儘可能表徵敏感面1溫度；引線在兩層多 層隔熱組件之間盤繞，是為了延長引線長度，減少漏熱。敏感面熱電偶7的引線在第一多層 隔熱組件9和第二多層隔熱組件10之間盤線盤線長度彡50mm。
[0051] 為了提高敏感面1對溫度的響應速度，使得本發明的熱流計可用於瞬態熱流測 量，要減小敏感面1厚度，因此敏感面1的厚度要滿足小於或等於〇. 15mm。
[0052] 為了使內膽熱電偶8儘可能的表徵內膽2的溫度，內膽電熱偶的引線緊貼內膽2 封閉一端的下表面的圓心盤繞，並從外殼3引出。
[0053] 根據能量守恆原理，敏感面熱電偶7測得的熱量等於實際空間輻射的熱流、內膽2 對於敏感面1基於導熱換熱的漏熱以及基於輻射換熱的漏熱之和，即：
[0054] ε。Tm4 = Q+a (Tn_Tm) +b (Tn4_Tm4)
[0055] 其中，ε表示敏感面1的半球發射率，σ表示史蒂芬波爾茲曼常數，a為敏感面1 和內膽2之間基於導熱換熱的係數，b為敏感面1和內膽2之間基於輻射換熱的係數，L為 敏感面熱電偶7測量得到的溫度，T n為內膽2熱電偶測得的溫度，Q為外熱流大小；
[0056] 獲得與實際空間輻射熱流儘量趨近的測量值，需對公式右邊後兩項（即傳導和輻 射寄生漏熱）進行抑制，本發明中採用的三級隔熱結構，很大程度上抑制了寄生漏熱，在測 量精度允許範圍內，寄生漏熱可以忽略，外熱流即為敏感面1溫度的單調函數。若測量精度 要求較高，寄生漏熱不能忽略，也可通過定量計算修正準確獲得外熱流大小。
[0057] 本實施例中：敏感面1外沿與內膽2內側表面的間隙為0· 50mm±0. 1mm，以保 證敏感面1外沿與內膽2內側表面無接觸；內膽2下表面與外殼3邊緣上表面的間隙為 0. 30mm±0. 1mm，以保證內膽2下表面與外殼3邊緣上表面無接觸；第一多層隔熱組件9和 第二多層隔熱組件10之間熱電偶盤線長度> 50mm，盤繞時注意引線不能相互搭接。
[0058] 綜上，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在 本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護 範圍之內。
【權利要求】
1. 一種三級隔熱式熱流計，其特徵在於，包括敏感面（1)、內膽（2)、外殼（3)、敏感面安 裝架（4)、內膽安裝架（5)、外殼安裝架（6)、敏感面熱電偶（7)、內膽熱電偶（8)、多層隔熱組 件、黑漆塗層（11)和鍍鋁膜（12); 所述外殼（3)和內膽（2)均為一端封閉、一端開口的中空圓柱狀結構；所述內膽（2)的 開口一端向外延伸出徑向凸緣； 所述外殼安裝架（6)、內膽安裝架（5)以及敏感面安裝架（4)均由上、下圓盤以及支撐 於兩圓盤之間的圓柱組成，其剖面呈"工"字形； 所述外殼安裝架（6)安裝在艙體表面的熱流計安裝面（13)上，所述外殼（3)同軸安裝 於外殼安裝架（6)的上圓盤之上； 所述內膽安裝架（5)有4個，靠近外殼（3)內表面並以90度間隔分布於外殼（3)封閉 一端的底面上； 所述內膽⑵同軸置於所述外殼⑶的空腔內，內膽⑵的徑向凸緣由所述4個內膽 安裝架（5)支撐並與外殼（3)的開口端對應，所述徑向凸緣的下表面與外殼（3)的開口的 上表面之間留有間隙；內膽（2)下底面與外殼（3)下底面之間有間隙，使內膽（2)外表面與 外殼（3)內表面之間形成連通的隔熱腔； 所述敏感面安裝架（4)同軸置於所述內膽（2)封閉一端的底面上，圓形敏感面（1)安 裝於所述敏感面安裝架（4)之上，敏感面（1)上表面與所述徑向凸緣上表面位於同一水平 高度； 所述敏感面熱電偶（7)安裝於敏感面（1)下表面圓心處；內膽熱電偶（8)安裝於內膽 (2)封閉一端的下表面的圓心處；敏感面⑴的外沿與內膽⑵的內表面之間留有間隙； 所述敏感面（1)和敏感面安裝架（4)安裝成為一體的敏感面組件後，多層隔熱組件敷 設於敏感面組件的下表面； 所述敏感面（1)上表面、徑向凸緣上表面和內膽（2)內表面均塗覆有發射率大於0.85 的黑漆塗層（11);所述內膽（2)外表面和外殼（3)內、外表面均粘貼鍍鋁膜（12)。
2. 根據權利要求1所述的一種三級隔熱式熱流計，其特徵在於，所述內膽安裝架（5)、 外殼安裝架（6)和敏感面安裝架（4)均選用聚醯亞胺或玻璃鋼材料加工而成。
3. 根據權利要求1所述的一種三級隔熱式熱流計，其特徵在於，內膽（2)的徑向凸緣寬 度 > 5mm。
4. 根據權利要求1所述的一種三級隔熱式熱流計，其特徵在於，所述敏感面（1)外沿與 內膽⑵內側表面之間間隙範圍在〇· 1mm至1. 〇mm之間。
5. 根據權利要求1所述的一種三級隔熱式熱流計，其特徵在於，所述內膽（2)的徑向凸 緣下表面與外殼（3)邊緣上表面之間間隙範圍在0. 1mm至1. 0mm之間。
6. 根據權利要求1所述的一種三級隔熱式熱流計，其特徵在於，所述多層隔熱組件包 括第一多層隔熱組件（9)和第二多層隔熱組件（10)，依次敷設在所述敏感面組件的下表 面；所述敏感面熱電偶（7)的引線緊貼敏感面（1)下表面並繞敏感面安裝架（4)上圓盤的 外圓盤繞，從第一多層隔熱組件（9)穿出後在第一多層隔熱組件（9)和第二多層隔熱組件 (10)之間繞敏感面安裝架（4)上圓盤的外圓盤繞，再從第二多層隔熱組件（10)穿出，引至 內膽（2)封閉一端的圓心處，並從圓心處穿出最後從外殼（3)引出。
7. 根據權利要求1所述的一種三級隔熱式熱流計，其特徵在於，所述敏感面熱電偶（7) 的引線在第一多層隔熱組件（9)和第二多層隔熱組件（10)之間盤線盤線長度> 50mm。
8. 根據權利要求1所述的一種三級隔熱式熱流計，其特徵在於，所述敏感面（1)的厚度 小於或等於〇· 15mm。
9. 利要求1所述的一種三級隔熱式熱流計，其特徵在於，所述內膽電熱偶的引線緊貼 內膽⑵下底面的圓心盤繞，並從外殼⑶封閉一端的開口引出。
10. -種基於權利要求1所述的熱流計的外熱流測量方法，其特徵在於，利用所述敏感 面熱電偶⑵測量得到的溫度^以及內膽熱電偶⑶測得的溫度1；，所述外熱流大小Q根 據如下公式獲得： ε 〇Tm4 = Q+a(Tn-Tm)+b(Tn4_Tm 4) 其中，ε表示敏感面（1)的半球發射率，〇表示史蒂芬波爾茲曼常數，a為敏感面（1) 和內膽（2)之間基於導熱換熱的係數，b為敏感面（1)和內膽（2)之間基於輻射換熱的系 數。
【文檔編號】G01K17/06GK104062036SQ201410256983
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】周宇鵬, 趙啟偉, 趙欣, 鍾奇, 張寧莉, 趙劍鋒, 王帥 申請人:北京空間飛行器總體設計部