CN103369743A - 一种石墨加热器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种石墨加热器，包括中空通水冷却结构的主反射器(1)、侧反射器(2)、电源汇流机构(4)和冷却水箱(8)，还包括石墨加热元件(3)、绝缘机构(5)、集水器(6)、安装支撑机构(7)和补偿端(9)。本发明根据石便于多组加热模块的串联，可以满足平板、圆柱形、圆锥形等各种形状和大小的物体的加热需要，可提供的最大加热热流超过3000kW/m2，最大加热热流变化率超过200kW/m2/s，并可以按照设定的控制曲线进行精确控制，弥补了石英灯加热器和国内现有石墨加热器的不足，能够满足高热流试验的加热需要。

Description

一种石墨加热器
技术领域
本发明属于热环境技术领域，具体涉及一种为导弹等高速飞行器结构热试验提供高热流的石墨加热器
背景技术
模拟导弹等飞行器结构气动热环境所需要的加热器需要能够提供快速变化的热流条件，并且根据试验对象的形状需要可以组合成所需要的形状。而目前进行飞行器结构热试验一般采用石英灯加热器，根据试验需要进行结构设计，但是普通石英灯加热器能够提供的最大加热热流约为1200kW/m2，经过模块化特殊设计的石英灯加热器最大能力为1600kW/m2，超过此值后石英灯加热器无能为力。
石墨作为加热元件被广泛应用于高温炉领域，在金属热处理、石油化工、晶体制造(如石英玻璃)等行业得到广泛应用，一般采用长条一字形石墨块组合成圆筒形或者方形的箱体，通电后形成所需要的高达2000℃以上的高温环境，加热温升率一般低于每秒10℃，加热热流变化率低于10kW/m2·s一般最快需要几分钟的时间加热到所需要的高温环境。但目前国内没有将应用于航天飞机等局部结构的热试验的石墨加热器的相关报道了；资料中美国NASA曾使用石墨加热器用于航天飞机等局部结构的热试验，但图片模糊，并且无相关的技术资料可以查询。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，根据石墨加热的特点，提供一种可以满足高热流结构热试验场合加热需要的石墨加热器。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为，一种石墨加热器，包括主反射器、侧反射器、石墨加热元件、电源汇流机构、绝缘机构、集水器、安装支撑机构、冷却水箱和补偿端；其中主反射器、侧反射器、电源汇流机构和冷却水箱均为中空通水冷却结构，均开有进水口和出水口，石墨加热元件为细长U型结构，主反射器和侧反射器均为平板式结构，其尺寸与石墨加热元件相匹配，绝缘机构为方U型结构，主反射器的两端连接固定有2个绝缘机构；在2个绝缘机构之间平行设置有2组集水器，一组为进水集水器，一组为排水集水器，两件结构完全相同，中均设有一个内径较大的水管接口，内径较大的水管接口两边设有6个内径较小的水管接口，每组集水器通过与其上下两端焊接固定的2个安装支撑机构与2个绝缘机构相对的一侧U型壁固定连接；2个绝缘机构的外侧U型壁分别和2个电源汇流机构、1个冷却水箱固定连接；2个绝缘机构的两侧U型端面上各固定连接一个侧反射器；电源汇流机构通过其下部的支撑杆和绝缘机构的外侧U型壁固定连接，电源汇流机构的一侧为加热元件安装面，加热元件安装面配打螺纹孔，通过螺钉与石墨加热元件的两个电极固定连接；补偿端正对石墨加热元件的一面上配打腰形孔，通过双耳结构与石墨加热元件的U型底端连接固定，另一端为螺栓杆；冷却水箱外形为长方体，其一面设置有滑槽，与滑槽相邻面设有螺栓杆，通过螺栓杆与绝缘机构的外侧U型壁固定连接，通过滑槽与补偿端的双耳结构连接；补偿端通过螺栓杆与石墨加热元件的U型底部固定连接；安装后主反射器、侧反射器和石墨加热元件呈平行设置；进水集水器内径较大的水管接口为进水口，连接外部进出水管，内径较小的6个水管接口分别与冷却水箱、主反射器和2个侧反射器、2个电源汇流机构的各个进水口通过软管相连接，排水集水器内径较大的水管接口与排水管相连，内径较小的6个水管接口分别与电源汇流机构、冷却水箱、主反射器和2个侧反射器的各个出水口通过软管相连接。
进一步，所述石墨加热元件的U型臂间距不小于7mm。
进一步，所述两个电源汇流机构的间距不小于5mm。
进一步，所述主反射器和侧反射器采用抛光铝板制造，面向石墨加热元件的一侧采用剖光镀金处理。
进一步，所述绝缘机构采用胶木板材料加工。
本发明根据石墨加热的使用特点，进行了石墨加热器的模块化设计：对石墨加热元件进行了U型设计，便于多组加热模块的串联；可拆卸的侧反射器的设计，方便了加热器模块的多组联合扩展使用，可以满足平板、圆柱形、圆锥形等各种形状和大小的物体的加热需要；根据结构试验需要组合拼装成各种形状，可提供的最大加热热流超过3000kW/m2，最大加热热流变化率超过200kW/m2/s，并可以按照设定的控制曲线进行精确控制，弥补了石英灯加热器和国内现有石墨加热器的不足，能够满足高热流试验的加热需要。
附图说明
图1为石墨加热器的俯视图。
图2为石墨加热器的侧视图。
图3为石墨加热器的仰视图。
图4为电源汇流机构的剖视图。
图5为冷却水箱外形示意图。
图6为冷却水箱剖视图。
图7为补偿器外形示意图。
图8为绝缘机构外形示意图。
图9为集水器和安装支撑机构焊接后的结构示意图。
图10为石墨加热元件结构示意图。
图中，1-主反射器，2-侧反射器，3-石墨加热元件，4-电源汇流机构，5-绝缘机构，6-集水器，7-安装支撑机构，8-冷却水箱，9-补偿端，31-电极，41-支撑杆，42-加热元件安装面，71-模块安装杆，81-滑槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。
一种石墨加热器，其整体结构如图1、图2、图3所示，包括主反射器1、侧反射器2、石墨加热元件3、电源汇流机构4、绝缘机构5、集水器6、安装支撑机构7、冷却水箱8和补偿端9；其中主反射器1、侧反射器2、电源汇流机构4和冷却水箱8均为中空通水冷却结构，均开有进水口和出水口。主反射器1和侧反射器2均为平板式中空通水冷却结构，其尺寸与石墨加热元件3相匹配，均采用抛光铝板制造，面向石墨加热元件3的一侧均采用剖光处理，以提高反射面的反射率，提高石墨加热其3的加热效率；为进一步提高反射率，可对剖光面进行镀金处理；主反射器1的背面靠近上下两端配打绝缘机构5的连接螺纹孔，采用配套的螺钉安装固定绝缘机构5。
石墨加热元件3外形如图10所示，采用石墨材料加工，为细长U型结构，U型臂间距为7mm，其目的是为了防止石墨加热元件3的U型臂顶端2电极31之间产生引电弧；U型结构的两个端头为电极31，通过螺钉与电源汇流机构4固定连接，U型结构的底部与补偿端9连接；石墨加热元件3的电极31和与补偿端9连接的U型底部局部增厚，电极31配打沉孔，尺寸与电极31连接使用的螺钉配合紧密；补偿端9配打圆孔，尺寸与补偿端连接螺钉相适应。
绝缘机构5的结构如图8所示，为方U型结构，采用胶木板材料加工，共2个，2个绝缘机构5的外侧U型壁分别和电源汇流机构4、冷却水箱8固定连接，2个绝缘机构5的两侧U型端面上各固定连接一个侧反射器2，2个绝缘机构5的外侧U型壁分别和2个电源汇流机构4和1个冷却水箱8固定连接。绝缘机构5除了起到将主反射器1、侧反射器2、石墨加热元件3、电源汇流机构、补偿端9等部件相互绝缘防止短路的只用外，还起到将主反射器1、侧反射器2、补偿端9、电源汇流机构、集水器7和安装支撑机构7等部件连接固定在一起组成整体结构的作用。
电源汇流机构4的结构如图4所示，采用铜合金材料制造，下部设有支撑杆41，通过支撑杆41和绝缘机构5的外侧U型壁固定连接；电源汇流机构4的一侧设有加热元件安装面42，加热元件安装面42配打M10螺纹孔，通过螺钉与石墨加热元件3的两个电极31固定连接；其中通过空通水冷却结构，能够引导水流方向以对加热元件安装面42进行充分的冷却；为了防止产生引电弧，两个电源汇流机构4的间距不小于5mm。
集水器6和安装支撑机构7焊接后外形如图9所示，2个绝缘机构5之间平行设置有2组集水器6，集水器6采用不锈钢加工，一组为进水集水器6，一组为排水集水器6，两件结构完全相同，中均设有一个内径较大的水管接口，内径较大的水管接口两边设有6个内径较小的水管接口，每组集水器6通过与其上下两端焊接固定的2个安装支撑机构7与2个绝缘机构5相对的一侧U型壁固定连接；安装支撑机构7焊接于集水器6的两端，采用钢材料加工成长条形，其端部向外设有模块安装杆71，用于安装固定多组加热器模块，安装支撑机构7的侧面配打螺纹孔，用于和绝缘机构5固定链接后安装2个侧反射器2。
冷却水箱8结构如图5、图6所示，补偿端9如图7所示，补偿端9正对石墨加热元件3的一面上配打腰形孔，通过双耳结构与石墨加热元件3的U型底端连接固定，另一端为螺栓杆，冷却水箱8外形为长方体，采用铜合金制造，其一面设置有滑槽81，与滑槽81相邻面设有螺栓杆，补偿端9通过螺栓杆与石墨加热元件3的U型底部固定连接；通过双耳结构与冷却水箱8的滑槽81连接。
完成安装后，主反射器1、侧反射器2和石墨加热元件3呈平行设置；进水集水器6内径较大的水管接口为进水口，连接外部进出水管，内径较小的6个水管接口分别与冷却水箱8、主反射器1和2个侧反射器2、2个电源汇流机构4的各个进水口通过软管相连接，排水集水器内径较大的水管接口与排水管相连，内径较小的6个水管接口分别与电源汇流机构4、冷却水箱8、主反射器1和2个侧反射器2的各个出水口通过软管相连接；在加热面积较大需要多个加热器模块组合时，可以根据需要将多组上述石墨加热器通过模块安装杆71组装在一固定面上，将多个石墨加热元件3中间的侧反射器2拆除，形成一组平行布置、紧密结合的加热器，可以满足平板、圆柱形、圆锥形等各种形状和大小的物体的加热需要。
上面对本发明的实施例对作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种石墨加热器，其特征在于包括主反射器(1)、侧反射器(2)、石墨加热元件(3)、电源汇流机构(4)、绝缘机构(5)、集水器(6)、安装支撑机构(7)、冷却水箱(8)和补偿端(9)；其中主反射器(1)、侧反射器(2)、电源汇流机构(4)和冷却水箱(8)均为中空通水冷却结构，均开有进水口和出水口，石墨加热元件(3)为细长U型结构，主反射器(1)和侧反射器(2)均为平板式结构，其尺寸与石墨加热元件(3)相匹配，绝缘机构(5)为方U型结构，主反射器(1)的两端连接固定有2个绝缘机构(5)；在2个绝缘机构(5)之间平行设置有2组集水器(6)，一组为进水集水器(6)，一组为排水集水器(6)，两件结构完全相同，中均设有一个内径较大的水管接口，内径较大的水管接口两边设有6个内径较小的水管接口，每组集水器(6)通过与其上下两端焊接固定的2个安装支撑机构(7)与2个绝缘机构(5)相对的一侧U型壁固定连接；2个绝缘机构(5)的外侧U型壁分别和2个电源汇流机构(4)、1个冷却水箱(8)固定连接；2个绝缘机构(5)的两侧U型端面上各固定连接一个侧反射器(2)；电源汇流机构(4)通过其下部的支撑杆(41)和绝缘机构(5)的外侧U型壁固定连接，电源汇流机构(4)的一侧为加热元件安装面(42)，加热元件安装面(42)配打螺纹孔，通过螺钉与石墨加热元件(3)的两个电极(31)固定连接；补偿端(9)正对石墨加热元件(3)的一面上配打腰形孔，通过双耳结构与石墨加热元件(3)的U型底端连接固定，另一端为螺栓杆；冷却水箱(8)外形为长方体，其一面设置有滑槽(81)，与滑槽(81)相邻面设有螺栓杆，通过螺栓杆与绝缘机构(5)的外侧U型壁固定连接，通过滑槽(81)与补偿端(9)的双耳结构连接；补偿端(9)通过螺栓杆与石墨加热元件(3)的U型底部固定连接；安装后主反射器(1)、侧反射器(2)和石墨加热元件(3)呈平行设置；进水集水器(6)内径较大的水管接口为进水口，连接外部进出水管，内径较小的6个水管接口分别与冷却水箱(8)、主反射器(1)和2个侧反射器(2)、2个电源汇流机构(4)的各个进水口通过软管相连接，排水集水器(6)内径较大的水管接口与排水管相连，内径较小的6个水管接口分别与电源汇流机构(4)、冷却水箱(8)、主反射器(1)和2个侧反射器(2)的各个出水口通过软管相连接。
2.如权利要求1所述的一种石墨加热器，其特征在于所述石墨加热元件(3)的U型臂间距不小于7mm。
3.如权利要求1所述的一种石墨加热器，其特征在于所述两个电源汇流机构(4)的间距不小于5mm。
4.如权利要求1所述的一种石墨加热器，其特征在于所述主反射器(1)和侧反射器(2)采用抛光铝板制造，面向石墨加热元件(3)的一侧采用剖光镀金处理。
5.如权利要求1所述的一种石墨加热器，其特征在于所述绝缘机构(5)采用胶木板材料加工。
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