CN108020582A - 一种真空条件下材料间接触热阻测试平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空条件下材料间接触热阻测试平台，以测量EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）托卡马克装置面向等离子体部件材料间的接触热阻，该测试平台主要包括：压力加载和测量系统、加热和热流测量系统、冷却系统、真空系统、温度测量及采集系统、保温材料和测试件几个部分。其中，真空环境由真空罐和外部抽气系统提供，压力加载与真空罐的密封采用波纹管。本发明可推广到所有真空条件下材料间接触热阻的测量。
Description
技术领域
本发明涉及接触热阻测试平台领域，具体是一种真空条件下材料间接触热阻测试平台。
背景技术
固体材料表面间接触不紧密会使得材料间存在接触热阻，该接触热阻是影响部件温度场的重要因素。对于热端部件而言，精确了解其温度场的分布状态对部件的安全性设计、可靠性分析与寿命评估等方面非常重要。因此，准确获得不同参数条件下材料间的接触热阻对于热端部件的工程设计十分重要。EAST（Experimental Advanced SuperconductingTokamak）托卡马克装置低热负荷区域面对等离子体的部件，通常由螺栓连接的石墨瓦和带有冷却结构的铬锆铜热沉等零件组成，该部件需承受高达1MW/m2的稳态热负荷，为典型的热端部件。该部件位于EAST的真空室中。目前国内外接触热阻的测量多在大气环境下进行，而大气环境中自然对流的存在，会使得其接触热阻的测量结果应用于EAST实际真空环境下时数值偏小，进而给部件带来安全隐患。因此，发明一种能在真空环境下测量材料间接触热阻的测试平台非常必要。
发明内容 本发明的目的是针对现有技术所存在的不足，提供一种用于测试真空环境下材料间接触热阻的测试平台，为面对等离子体部件这类真空条件下热端部件的工程设计提供技术支撑。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种真空条件下材料间接触热阻测试平台，其特征在于：包括真空罐，真空罐顶部盖合连接有法兰，真空罐内底部设有支撑板，支撑板上设置有马弗炉，马弗炉上设有保温体，马弗炉顶部设有竖直的通孔，保温体中设有与马弗炉顶部通孔同轴连通的另一通孔，马弗炉内设有传热棒，传热棒上端穿过马弗炉顶部通孔并伸入保温体通孔内，保温体内通孔从下至上依次设有测试件A、测试件B、铜热流计，其中测试件A下端与传热棒上端接触，测试件B下端与测试件A上端接触，铜热流计下端与测试件B上端接触，铜热流计上端与保温体顶面齐平或超出保温体顶面，保温体顶面盖合安装有冷却板，冷却板与铜热流计上端接触，马弗炉中热量经传热棒依次传递至测试件A、测试件B、铜热流计并最终被冷却板吸收，冷却板顶面设有压力传感器，真空罐顶部法兰上设有压力加载机构，压力加载机构向压力传感器施加压力且压力依次向冷却板、铜热流计、测试件B、测试件A、传热棒传递。
所述的一种真空条件下材料间接触热阻测试平台，其特征在于：所述冷却板内设有供冷却水通入的通道，真空罐侧部设有进出口水管，进出口水管与冷却板内通道连通。
所述的一种真空条件下材料间接触热阻测试平台，其特征在于：所述保温体由硅酸铝耐火砖构建而成。
所述的一种真空条件下材料间接触热阻测试平台，其特征在于：所述传热棒为纯钨传热棒，传热棒下端设有刚玉。
所述的一种真空条件下材料间接触热阻测试平台，其特征在于：所述压力加载机构包括设置在真空罐顶部法兰上的支架，以及竖直穿过真空罐顶部法兰的压力传递杆，支架顶部螺纹转动装配有竖直的螺杆，螺杆下端伸入支架中，压力传递杆上端与螺杆下端同轴相对，压力传递杆下端伸入真空罐内并压在冷却板顶面的压力传感器上。
所述的一种真空条件下材料间接触热阻测试平台，其特征在于：支架内的压力传递杆外套有波纹管，波纹管、压力传递杆、真空罐顶部法兰焊接为一体。
本发明可用于托卡马克装置面向等离子体部件材料间的接触热阻测量，并可推广到所有真空条件下材料间接触热阻的测量。
附图说明
图1一种真空条件下材料间接触热阻的测量装置系统图。
图2真空条件下山西煤化所掺杂石墨/铬锆铜，以及德国阿泰克石墨/铬锆铜之间接触热阻测量结果。
具体实施方式
如图1所示，一种真空条件下材料间接触热阻测试平台，包括真空罐7，真空罐7顶部盖合连接有法兰，真空罐7内底部设有支撑板9，支撑板9上设置有马弗炉12，马弗炉12上设有保温体13，马弗炉12顶部设有竖直的通孔，保温体13中设有与马弗炉12顶部通孔同轴连通的另一通孔，马弗炉12内设有传热棒11，传热棒11上端穿过马弗炉12顶部通孔并伸入保温体13通孔内，保温体13内通孔从下至上依次设有测试件A6、测试件B5、铜热流计4，其中测试件A6下端与传热棒11上端接触，测试件B5下端与测试件A6上端接触，铜热流计4下端与测试件B5上端接触，铜热流计4上端与保温体13顶面齐平或超出保温体13顶面，保温体13顶面盖合安装有冷却板14，冷却板14与铜热流计4上端接触，马弗炉12中热量经传热棒依次传递至测试件A6、测试件B5、铜热流计4并最终被冷却板14吸收，冷却板14顶面设有压力传感器3，真空罐7顶部法兰上设有压力加载机构，压力加载机构向压力传感器3施加压力且压力依次向冷却板14、铜热流计4、测试件B5、测试件A6、传热棒11传递。
冷却板14内设有供冷却水通入的通道，真空罐7侧部设有进出口水管8，进出口水管8与冷却板14内通道连通。
保温体13由硅酸铝耐火砖构建而成。
传热棒11为纯钨传热棒，传热棒11下端设有刚玉10。
压力加载机构包括设置在真空罐7顶部法兰上的支架，以及竖直穿过真空罐7顶部法兰的压力传递杆15，支架顶部螺纹转动装配有竖直的螺杆1，螺杆1下端伸入支架中，压力传递杆15上端与螺杆1下端同轴相对，压力传递杆15下端伸入真空罐7内并压在冷却板14顶面的压力传感器3上。
支架内的压力传递杆15外套有波纹管2，波纹管2、压力传递杆15、真空罐7顶部法兰焊接为一体。
本发明主要包括：压力加载和测量系统、加热和热流测量系统、冷却系统、真空系统、温度测量及采集系统、保温体和测试件几个部分。
压力加载和测量系统，包括施加压力的螺杆1及其支架、压力传递杆15、波纹管2和压力传感器3。通过旋转螺杆1向下施加压力，压力经压力传递杆15传递至压力传感器3进行测量，压力传递杆15通过真空罐壁时，采用波纹管2进行真空密封。
加热和热流测量系统，包括马弗炉12、传热棒11和铜热流计4。马弗炉12顶部开有圆形孔，钨材质的传热棒11将马弗炉12产生的热量导出至测试件A和B。铜热流计4位于测试件上方，用于测量通过测试件A和B的热流。
冷却系统，指内部通有冷却水的冷却板14，其位于压力传感器3和铜热流计4之间。
真空系统，包括真空罐7和其配套的真空抽气系统。真空罐7采用316L材质，真空抽气系统包括机械泵和分子泵。
温度测量及采集系统，包括K型热电偶和温度数据采集器，温度采集器位于真空罐7外部。
保温体13由硅酸铝耐火砖构建而成，其具有良好的保温性能。
测试件，指"ϕ" 30mm×65mm的圆柱形测试件，每个试件上加工四个径向热电偶孔，孔尺寸为"ϕ" 1.5×15mm，相邻热电偶孔之间的距离是15mm，距试件两个交界面的距离为10mm。
该测试平台的真空环境由Φ590mm*800mm的真空罐7和外部抽气系统提供，极限真空度优于9×10-4Pa（冷态、空载）。提供热源的马弗炉12放置于支撑板9上，马弗炉的热量通过其内部的传热棒11导出，导出的热流依次经过测试件A6和测试件B5，并通过放置于测试件上部的铜热流计4测量具体数值，最终由铜热流计上部的冷却板14带走，冷却板内通有冷却水。测试件A6和测试件B5和铜热流计4的外部包有硅酸铝耐火砖构建的保温体13。测试件A6和测试件B5之间的界面压力由压力加载系统提供。通过旋转真空罐顶部螺杆1使其向下移动加载压力，压力传递过程是：压力传递杆15→压力传感器3→冷却板14→铜热流计4→测试件B5→测试件A6→纯钨传热棒11→马弗炉12。测试件A6和测试件B5之间的界面压力由压力传感器3测量。其中压力传递杆15穿过真空罐顶部法兰。压力传递杆15、波纹管2和真空罐顶部法兰焊为一体，进而解决了压力传递杆15穿过顶部法兰时的密封问题。由于波纹管2可以在一定程度上压缩或者拉伸，因此不影响压力的传递。
采用该测试平台测量了真空条件下山西煤化所掺杂石墨/铬锆铜之间，以及德国阿泰克石墨/铬锆铜之间接触热阻，测量结果如图2所示。
Claims (6)
1.一种真空条件下材料间接触热阻测试平台，其特征在于：包括真空罐，真空罐顶部盖合连接有法兰，真空罐内底部设有支撑板，支撑板上设置有马弗炉，马弗炉上设有保温体，马弗炉顶部设有竖直的通孔，保温体中设有与马弗炉顶部通孔同轴连通的另一通孔，马弗炉内设有传热棒，传热棒上端穿过马弗炉顶部通孔并伸入保温体通孔内，保温体内通孔从下至上依次设有测试件A、测试件B、铜热流计，其中测试件A下端与传热棒上端接触，测试件B下端与测试件A上端接触，铜热流计下端与测试件B上端接触，铜热流计上端与保温体顶面齐平或超出保温体顶面，保温体顶面盖合安装有冷却板，冷却板与铜热流计上端接触，马弗炉中热量经传热棒依次传递至测试件A、测试件B、铜热流计并最终被冷却板吸收，冷却板顶面设有压力传感器，真空罐顶部法兰上设有压力加载机构，压力加载机构向压力传感器施加压力且压力依次向冷却板、铜热流计、测试件B、测试件A、传热棒传递。
2.根据权利要求1所述的一种真空条件下材料间接触热阻测试平台，其特征在于：所述冷却板内设有供冷却水通入的通道，真空罐侧部设有进出口水管，进出口水管与冷却板内通道连通。
3.根据权利要求1所述的一种真空条件下材料间接触热阻测试平台，其特征在于：所述保温体由硅酸铝耐火砖构建而成。
4.根据权利要求1所述的一种真空条件下材料间接触热阻测试平台，其特征在于：所述传热棒为纯钨传热棒，传热棒下端设有刚玉。
5.根据权利要求1所述的一种真空条件下材料间接触热阻测试平台，其特征在于：所述压力加载机构包括设置在真空罐顶部法兰上的支架，以及竖直穿过真空罐顶部法兰的压力传递杆，支架顶部螺纹转动装配有竖直的螺杆，螺杆下端伸入支架中，压力传递杆上端与螺杆下端同轴相对，压力传递杆下端伸入真空罐内并压在冷却板顶面的压力传感器上。
6.根据权利要求5所述的一种真空条件下材料间接触热阻测试平台，其特征在于：支架内的压力传递杆外套有波纹管，波纹管、压力传递杆、真空罐顶部法兰焊接为一体。
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