CN103335743A

CN103335743A - 非接触式核热源功率测量敏感装置

Info

Publication number: CN103335743A
Application number: CN2013101056014A
Authority: CN
Inventors: 李运泽; 张红生; 李淼; 任保国; 侯旭峰; 李运华; 彭磊
Original assignee: Beihang University; CETC 18 Research Institute
Current assignee: Beihang University; CETC 18 Research Institute
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2013-10-02

Abstract

本发明涉及一种非接触式核热源功率测量敏感装置。它由康铜薄片、康铜侧翼、纯铜水冷头、隔热材料及支撑结构组成，康铜薄片围成筒状测试洞，康铜侧翼对称焊接在康铜薄片两侧，纯铜水冷头紧贴康铜侧翼，康铜薄片与纯铜水冷头构成热电偶。测量时，核热源放入测试洞，与洞壁不接触；康铜薄片与核热源辐射换热，纯铜水冷头带走康铜薄片吸收的热量，康铜薄片腰部中心位置温度最高，与纯铜水冷头相接部位温度最低，热平衡时，该最大温差与核热源热功率成正比，同时温差在热电偶内部产生热电势，该热电势与核热源热功率成正比。隔热材料用于减少热损。康铜薄片与核热源不接触，该装置既保护核热源表面状态，又减少敏感装置核污染；且结构简单，性能可靠。

Description

非接触式核热源功率测量敏感装置

技术领域

本发明涉及一种非接触式核热源功率测量敏感装置，该装置用于柱状热源的热功率和热流测量，尤其适用于核热源热功率测量。

背景技术

核热源利用其内部放射性核同位素衰变产生热量，该热量可用于超低温环境的电子设备的加热保温，也可与半导体温差电池相结合形成核温差发电装置用于电子设备的供电，由于其结构简单、可靠性性高、有着十分广阔的应用前景。

核热源的热功率精确测量是实现核热源利用的前提。目前，针对热源的热功率测量技术主要有三个方面：

－水浴温升法，平板薄壁式瞬态热流法，薄膜型瞬态热流计。水浴温升法主要是将热源进行密封后，浸泡在一定容积的水浴池中，待热平衡时，测定水池温升计算出热源的热功率；该方法主要用于易密封热源和热源外表面不受水浴影响的热功率测定，常用于煤粉燃烧热测定；因核热源不同一般热源，不易密封，而且其表面状态易受影响，因此水浴温升法不适合核热源热功率的测量。

－平板薄壁式瞬态热流法，主要是用于测量瞬态热流密度而非热功率测量，而且其平板结构不适合测量柱状核热源的热功率。

－薄膜型瞬态热流计，主要采用镀膜技术将半导体和金属薄膜镀在不同的基片上形成电阻式温度探头或热电堆，通过测量温度探头的温度变化或热电堆的热电势得到热流值。常用的金属镀膜技术由真空蒸发、溅射镀膜、光蚀技术、表面打印、表面抛光技术和物理蒸汽沉积等，这些金属镀膜技术造价高，实现难度大，而且镀膜的基板材质、厚度等性能参数都有严格要求。

因此现有的热流和功率测量技术难以满足核热源功率测量的需求。

发明内容

根据本发明的一个方面，为了克服现有技术的不足，提供一种非接触式的、多路冗余的、输出信号易于处理的非接触式核热源功率测量敏感装置。

根据本发明的一个实施例的非接触式核热源功率测量敏感装置包括康铜薄片，康铜侧翼，纯铜水冷头，敏感元件底座，敏感元件顶板，弹簧压缩套筒，弹簧顶部支架，热源顶部支架，弹簧、上隔热薄片、下隔热薄片，上隔热板、下隔热板，信号测量支架。康铜薄片为核热源功率测量敏感元件，围成核热源的热功率测量洞，康铜侧翼对称焊接在作为敏感元件的康铜薄片外侧，纯铜水冷头紧贴铜片侧翼，因为筒状敏感元件的康铜薄片与纯铜水冷头因材质不同而构成一对热电偶。测量时，核热源放入测试洞，与筒状敏感元件康铜薄片保持一定间距；康铜薄片与核热源辐射换热，温度升高，纯铜水冷头带走康铜薄片吸收的热量，此时康铜薄片的横截面温度沿圆周方向分布，腰部中心位置温度最高，与纯铜水冷头相接部位温度最低，热平衡时，该最大温差与核热源热功率成正比，同时温差在热电偶内部产生热电势，该热电势与核热源热功率成正比。上隔热薄片、下隔热薄片，上隔热板、下隔热板用于隔热，减少敏感装置的热损；敏感元件底座，敏感元件顶板，热源顶部支架，为敏感元件的支撑固定结构，弹簧压缩套筒，弹簧顶部支架，弹簧用于热源放入和取出测试洞时的缓冲。

根据本发明的一个方面，提供了一种非接触式核热源功率测量敏感装置，其特征在于包括：

核热源功率测量敏感和检测元件，用于与被测量的核热源进行辐射换热，

底座装置，用于承载被测量的核热源。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)非接触测量：康铜薄片与核热源不接触，该装置既保护核热源表面状态，又减少敏感装置核污染；

2)结构简单：采用康铜薄片作为筒状敏感元件，围成和受测核热源形状一致的测试洞，纯铜水冷头作为热沉元件，带走筒状敏感元件吸收的热量。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的非接触核热源功率敏感装置组装结构示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的敏感元件组装结构示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的康铜侧翼结构示意图。

图4是根据本发明的一个实施例的隔热片结构示意图。

图5是根据本发明的一个实施例的信号测量支架结构示意图。

图6是根据本发明的一个实施例的敏感元件支撑结构示意图。

图7是根据本发明的一个实施例的弹簧套筒结构示意图。

图8是根据本发明的一个实施例的隔热板示意图。

图9是根据本发明的一个实施例的敏感元件支座结构示意图及正视图。

图10是根据本发明的一个实施例的弹簧结构示意图。

图11是根据本发明的一个实施例的弹簧顶板结构示意图及正视图。

图12是根据本发明的一个实施例的热源顶部支架及核热源结构示意图。

图13是根据本发明的一个实施例的纯铜水冷头示意图。

附图标号说明

100 核热源

101 康铜薄片 102 康铜侧翼 103 热功率测量洞

104 电势测点A 105 温度测点 106 温度测点

107 电势测点B 201 纯铜水冷头 301 敏感元件底座

302 敏感元件顶板 303 弹簧压缩套筒 304 弹簧顶部支架

305 热源顶部支架 306 弹簧 307A 上隔热薄片

307B 下隔热薄片 308 安装孔 401A 上隔热板

401B 下隔热板 501 信号测量支架 502 安装槽

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步说明本发明。应理解，它们仅是对本发明的描述，而不是对本发明的限定。

图1是根据本发明的一个实施例的非接触核热源功率敏感装置的组装结构示意图。如图1所示的非接触核热源功率敏感装置包括康铜薄片101，康铜侧翼102，热功率测量洞103，纯铜水冷头201，敏感元件底座301，敏感元件顶板302，弹簧压缩套筒303，弹簧顶部支架304，热源顶部支架305，弹簧306，上隔热薄片307A，下隔热薄片307B、上隔热板401A、下隔热板401B，信号测量支架501。

图2是图1所示实施例的非接触核热源功率敏感装置的组装结构示意图。其中，康铜薄片101被用作为核热源100功率测量敏感元件，围成核热源100的热功率测量洞103。康铜侧翼102（如图3所示）对称焊接在作为敏感元件的康铜薄片101外侧，纯铜水冷头201紧贴康铜侧翼102，筒状敏感元件的康铜薄片101与纯铜水冷头201因材质不同而构成一对热电偶。

为了避免温度传感器和电势信号线的安装对作为测量敏感元件的康铜薄片101的温度分布产生影响，采用了如图5所示的带有安装槽502的信号测量支架501。这样，由于温度传感器和电势信号线并没有直接焊接在康铜薄片101上，因此对康铜薄片101的圆柱型对称结构没有任何改变，故避免了对其温度分布的影响。）

图6－11是根据本发明的一个实施例的敏感元件支撑结构的示意图，其中，首先将弹簧压缩套筒303（如7所示）放置在敏感元件支座301（如图9所示）上，然后弹簧306（如图10所示）放置在弹簧压缩套筒303内，然后将上、下隔热板401A、401B（如图8所示）分别设置在弹簧压缩套筒303的上、下端，在弹簧306的顶端放置弹簧顶板支架304（如图11所示），并将下隔热薄片307B（如图4所示）放置在弹簧顶部支架304的凹槽内，需要注意的是弹簧顶部支架304的内部凹槽的深度大于下隔热薄片（307B）的厚度，内部凹槽对核热源100起到限位作用，同时弹簧306的弹力大于弹簧顶部支架304和核热源100的重量之和，保证核热源100被放置在弹簧顶部支架304的凹槽内后，核热源100的顶部能够超出热功率测量洞103，以方便核热源100的取出。同时在核热源100放入热功率测量洞103时弹簧306起到缓冲作用。

如图1所示，将如图2所示的敏感元件101、102、103、201组装结构放置在如图6所示的敏感元件支撑结构301、303、304、306、307B、308、401B上，通过安装孔308进行固定，并将如图5所示的带有安装槽502的信号测量支架501的下端通过安装孔固定在如图6所示的敏感元件支撑结构的下隔热板401B上，

将上隔热板401A和敏感元件顶板302放置在如图2所示的敏感元件组装结构的康铜侧翼102的上端，然后通过安装孔308进行固定，形成整个非接触核热源功率敏感装置。

测量时，将核热源100放入由康铜薄片101围成的热功率测量洞103内的弹簧顶板304的凹槽内，然后，如图12所示，用热源顶部支架305压在核热源100的顶部，将整个核热源100全部压进热功率测量洞103内，此时，弹簧306刚好全部压缩在弹簧压缩套筒303内部。康铜薄片101与核热源100之间进行辐射换热，温度升高，纯铜水冷头201带走康铜薄片101吸收的辐射热能。此时康铜薄片101的横截面上形成温度梯度，在靠近康铜侧翼102和康铜薄片101焊接的部位温度较低，远离焊接部位温度较高，在康铜薄片101的腰部横截面上，康铜侧翼102与康铜薄片101焊接部位温度最低，垂直方向位置温度最高，待敏感装置热平衡时，此最高温度T_max与最低温度T_min间的温差与核热源100的热功率Q成正比，即

热平衡时，受测核热源100热功率Q与敏感元件最高温度T_max，最低温度T_min之差成正比，K_t为比例系数，即：

Q=K_t（T_max-T_min）

同时由于康铜薄片101与纯铜水冷头201为不同材质，康铜薄片101与纯铜水冷头201组成了一对热电偶；当康铜薄片101与纯铜水冷头201存在温差时，热电偶输出热电势，因此，敏感装置热平衡时，在康铜薄片101的最高温度和纯铜水冷头201的最低温度之间的热电势与核热源100的功率成正比，从而实现了核热源100热功率测量，即

受测核热源100热功率Q与热电偶输出热电势E成正比，Ke为比例系数：

Q=Ke E

根据本发明的一个具体实施例，所述上、下隔热薄片（307A，307B）和所述上、下隔热板（401A，401B）均用隔热材料（如云母片）制成；上隔热板401A被设置在敏感元件顶板（302）与康铜薄片（101）、康铜侧翼（102）、纯铜水冷头（201）、信号测量支架（501）之间，下隔热板401B被设置在康铜薄片（101）、康铜侧翼（102）、纯铜水冷头（201）、信号测量支架（501）与弹簧压缩套筒（303）之间。

敏感元件底座301、敏感元件顶板302、弹簧压缩套筒303、弹簧顶部支架304、信号测量支架501均是采用有一定强度的耐高温材料（如铝等金属材料，这些材料表面均需要进行绝缘）；在根据本发明的一个具体实施例中，它们采用铝材料制作，表面进行电镀绝缘层。根据本发明的一个实施例，纯铜水冷头201内部有水流动，对纯铜水冷头201进行冷却。

本发明能够用于核热源100热功率Q测量，非接触测量，结构简单。也可用于类似核热源100的柱状热源的热功率Q或热流密度的测量。

本发明中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

应当理解的是，以上结合附图和实施例对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。

Claims

1.非接触式核热源功率测量敏感装置，其特征在于包括：

核热源功率测量敏感和检测元件（101，102，201），用于与被测量的核热源（100）进行辐射换热，

底座装置（303，301，306，401A，401B，304，307B），用于承载被测量的核热源（100）。

2.根据权利要求1的非接触式核热源功率测量敏感装置，其特征在于核热源功率测量敏感和检测元件（101，102，201）包括：

作为核热源功率测量敏感元件的康铜薄片（101），其围成所述核热源（100）的热功率测量洞（103），

对称焊接在康铜薄片（101）外侧的康铜侧翼（102），

紧贴康铜侧翼（102）的纯铜水冷头（201），

其中

康铜薄片（101）与纯铜水冷头（201）因材质不同而构成一对热电偶。

3.根据权利要求2的非接触式核热源功率测量敏感装置，其特征在于底座装置（303，301，306，401A，401B，304，307B）包括：

敏感元件支座（301），

设置在敏感元件支座（301）上的弹簧压缩套筒（303），

设置在弹簧压缩套筒（303）内的弹簧（306），

设置在弹簧压缩套筒（303）上端的上隔热板（401A），

设置在弹簧压缩套筒（303）下端的下隔热板（401B），

设置在弹簧（306）的顶端的弹簧顶板支架（304），其带有凹槽，

设置在弹簧顶部支架（304）的凹槽内的下隔热薄片（307B），

其中

弹簧（306）的弹力大于弹簧顶部支架（304）和核热源100的重量之和，从而保证核热源100被放置在弹簧顶部支架（304）的凹槽内时，核热源100的顶部能够超出热功率测量洞（103），以方便核热源100的取出。

4.根据权利要求3的非接触式核热源功率测量敏感装置，其特征在于进一步包括：

信号测量支架（501），其下端固定在下隔热板（401B）上，其上端固定在上隔热板（401A）上，信号测量支架（501）上带有安装槽（502）用于布置电势测点（104）和温度测点（105），以避免电势测点（104）和温度测点（105）的布置对康铜薄片（101）的温度分布产生影响。

5.根据权利要求4的非接触式核热源功率测量敏感装置，其特征在于进一步包括：

敏感元件顶板（302），用于固定康铜薄片（101）、康铜侧翼（102）、纯铜水冷头（201）、信号测量支架（501）的上端，

上隔热板401A，

其中

将上隔热板（401A）和敏感元件顶板（302）设置在康铜薄片（101）、康铜侧翼（102）、纯铜水冷头（201）、信号测量支架（501）的上端，通过安装孔（308）进行固定。

6.根据权利要求5的非接触式核热源功率测量敏感装置，其特征在于进一步包括：

热源顶部支架（305），用于压在核热源100的顶部，从而将整个核热源100全部压进热功率测量洞（103）内；

设置在热源顶部支架（305）内部的上隔热薄片（307A）。

7.如权利要求6所述的非接触式核热源功率测量敏感装置，其特征在于：

热平衡时，受测核热源100热功率Q与康铜薄片（101）的最高温度，即温度测点105所测温度T_max，纯铜水冷头最低温度，即温度测点106所测温度T_min之差成正比，K_t为比例系数，即：Q=K_t（T_max-T_min）

受测核热源100的热功率Q与所述热电偶的输出热电势，即热电势测点104和107所测电势E成正比，Ke为比例系数即：

Q=Ke E。

8.如权利要求6所述的非接触式核热源功率测量敏感装置，其特征在于：

所述上、下隔热薄片（307A，307B）和所述上、下隔热板（401A，401B）均用云母片制成；

上隔热板401A被设置在敏感元件顶板（302）与康铜薄片（101）、康铜侧翼（102）、纯铜水冷头（201）、信号测量支架（501）之间，

下隔热板401B被设置在康铜薄片（101）、康铜侧翼（102）、纯铜水冷头（201）、信号测量支架（501）与弹簧压缩套筒（303）之间。

9.如权利要求8所述的非接触式核热源功率测量敏感装置，其特征在于：敏感元件底座301，敏感元件顶板302，弹簧压缩套筒303，弹簧顶部支架304，热源顶部支架305，信号测量支架501表面均带有电镀绝缘层，以避免影响敏感装置的输出信号。

10.如权利要求8所述的非接触式核热源功率测量敏感装置，其特征在于：

弹簧顶部支架304的内部凹槽的深度大于下隔热薄片（307B）的厚度，所述内部凹槽对核热源100起到限位作用。