CN110907492B - 一种均温性高温发热组件及用于热导率测试的加热装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种均温性高温发热组件及用于热导率测试的加热装置，属于热导率测试技术领域，解决了现有技术中发热组件不能承受1200℃以上温度的问题。本申请的均温性高温发热组件包括铑丝元件。本申请的加热装置包括依次层叠的均温板、隔热层、热电偶走线板、上冷板以及设于均温板上的多个热电偶，均温板上设有用于容纳热电偶的热电偶安装孔，发热组件位于均温板与隔热层之间。本申请的均温性高温发热组件及用于热导率测试的加热装置可用于部件的加热。

Description

一种均温性高温发热组件及用于热导率测试的加热装置

技术领域

本申请涉及一种热导率测试设备，尤其涉及一种均温性高温发热组件及用于热导率测试的加热装置。

背景技术

现有技术中，很多设备均需要配备专用的发热组件，以实现对某些部件的加热。发热组件能够承受的温度以及温度均匀性对此种设备的性能和应用范围至关重要。

对于金属热源，如铜合金、镍铬合金和铁铬铝合金等，无法承受较高的温度，其能承受的温度一般不超过1200℃，限制了此种设备的应用范围。

发明内容

鉴于上述的分析，本申请旨在提供一种均温性高温发热组件及用于热导率测试的加热装置，以解决现有技术中发热组件不能承受1200℃以上温度的问题。

本申请的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本申请提供了一种均温性高温发热组件，包括铑丝元件。

在一种可能的设计中，铑丝元件的形状为光滑的曲线。

在一种可能的设计中，铑丝元件的形状为螺旋线。

在一种可能的设计中，沿逐渐远离铑丝元件的中心的方向，相邻两圈螺旋线之间的距离逐渐减小。

在一种可能的设计中，螺旋线为费马螺旋线。

本申请还提供了一种用于热导率测试的加热装置，包括上述均温性高温发热组件。

在一种可能的设计中，还包括依次层叠的均温板、隔热层、热电偶走线板、上冷板以及设于均温板上的多个热电偶，均温板上设有用于容纳热电偶的热电偶安装孔，发热组件位于均温板与隔热层之间。

在一种可能的设计中，热电偶的数量为12个；以均温板上表面的几何中心为原点在均温板上表面建立直角坐标系，横向为x方向，纵向为y方向，12个热电偶的布置位置坐标分别为(0，0)、(a，0)、(-a，0)、(a，a)、(-a，-a)、(2a，2a)、(-2a，-2a)、(-a，a)、(a，-a)、(-3a，0)、(0，-a)和(0，-2a)，a为单位长度。

在一种可能的设计中，均温板通过多根连接杆与上冷板连接。

在一种可能的设计中，铑丝元件通过多根支撑杆架设在均温板上。

与现有技术相比，本申请至少可实现如下有益效果之一：

a)本申请提供的均温性高温发热组件采用铑丝，当被加热部件需要被加热到1400℃时，铑丝元件自身能够承受1400℃甚至更高温度，具有较高的熔点，在大气气氛或常规真空/惰性气氛中长时间耐高温性能，同时还具有良好的可加工性或成型能力。

b)本申请提供的均温性高温发热组件中，铑丝元件的形状可以为光滑的曲线，也就是说，上述铑丝元件中的铑丝不具有折角，能够避免上述热应力的产生，从而减少铑丝元件损伤和断裂情况的发生。

c)本申请提供的均温性高温发热组件中，沿逐渐远离铑丝元件的中心，相邻两圈螺旋线之间的距离逐渐减小，也就是说，上述铑丝元件采用内疏外密的对称构型，这样能够抵消发热组件侧面的热损失，从而进一步提高均温性高温发热组件的加热均匀性。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本申请的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本申请实施例一提供的均温性高温发热组件的结构示意图；

图2为本申请实施例一提供的均温性高温发热组件的发热状态图；

图3为本申请实施例二提供的用于热导率测试的加热装置的传热学计算示意图；

图4为本申请实施例二提供的用于热导率测试的加热装置的结构示意图；

图5为本申请实施例二提供的用于热导率测试的加热装置中均温板的热电偶分布示意图；

图6为本申请实施例二提供的用于热导率测试的加热装置中上冷板、隔热层、加热板和均温板之间的连接示意图。

附图标记：

1-铑丝元件；2-均温板；3-隔热层；4-热电偶走线板；5-上冷板；6-热电偶；7-热应力释放缝；8-连接杆；9-支撑杆；10-试样。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本申请的优选实施例，其中，附图构成本申请的一部分，并与本申请的实施例一起用于阐释本申请的原理。

实施例一

本实施例提供了一种均温性高温发热组件，参见图1至图2，该发热组件包括铑丝元件1(Rh丝)。

与现有技术相比，本实施例提供的均温性高温发热组件采用铑丝，当被加热部件需要被加热到1400℃时，铑丝元件1自身能够承受1400℃甚至更高温度，具有较高的熔点，在大气气氛或常规真空/惰性气氛中长时间耐高温性能，同时还具有良好的可加工性或成型能力。

为了提高上述均温性高温发热组件的发热均匀性，上述铑丝元件1的形状可以为光滑的曲线，也就是说，上述铑丝元件1中的铑丝不具有折角。这是因为，升温或降温时铑丝会产生明显的由热胀冷缩现象导致的热应力，当有折角存在时，铑丝元件1极易在折角处发生损伤甚至断裂，将铑丝元件1的形状设置为光滑的曲线，不具有折角，能够避免上述热应力的产生，从而减少铑丝元件1损伤和断裂情况的发生。

示例性地，上述铑丝元件1的形状为螺旋线，一方面是因为可以避免出现热应力产生的折角损坏和断裂，另一方面是因为螺旋形呈现为近似圆形结构的对称，能够进一步提高均温性高温发热组件的发热均匀性。

考虑到在发热过程中，发热组件靠近边缘处会有一定量的侧面热损失，因此，沿逐渐远离铑丝元件1的中心，相邻两圈螺旋线之间的距离逐渐减小，也就是说，上述铑丝元件1采用内疏外密的对称构型，这样能够抵消发热组件侧面的热损失，从而进一步提高均温性高温发热组件的加热均匀性。

从安装的角度考虑，上述螺旋线可以为费马螺旋线，需要说明的是，费马螺旋线是一种内疏外密对称构型的螺旋线，此种结构能够有效地保证上述均温性高温发热组件的发热均匀性，此外，由于费马螺旋线的两端均位于螺旋的外圈，从而便于与其他供电装置的连接。

实施例二

本实施例提供了一种用于热导率测试的加热装置，参见图3至图6，包括实施例一提供的均温性高温发热组件。

与现有技术相比，本实施例提供的用于热导率测试的加热装置采用铑丝，当试样10热面需要被加热到1400℃时，铑丝元件1自身能够承受1400℃甚至更高温度，具有较高的熔点，在大气气氛或常规真空/惰性气氛中长时间耐高温性能，同时还具有良好的可加工性或成型能力，能够用于低导热(0.01W/m·K～2W/m·K)材料高温(1400℃以上)热导率的测试。

需要说明的是，现有技术中，受到发热组件能够承受的温度限制，几乎无法实现低导热材料的高温热导率测试，本申请通过采用铑丝作为发热组件，并对铑丝元件1的形状进行优化设计，使得发热组件能够承受1400℃以上的高温，从而能够实现低导热材料的高温热导率测试。示例性地，上述低导热材料包括刚性隔热瓦材料或纤维增强气凝胶复合材料，两者均为典型的低导热热防护材料。

具体来说，上述加热装置还包括依次层叠的均温板2、隔热层3、热电偶走线板4、上冷板5以及设于均温板2上的多个热电偶6，均温板2上设有用于容纳热电偶6的热电偶安装孔，发热组件位于均温板2与隔热层3之间。

对于热电偶6的排布方式，以均温板2的形状为正方形为例，参见图5，在各种典型位置加工了12个热电偶6的安装孔，并切割了4条对称分布的热应力释放缝7。以上述均温板2上表面的几何中心为原点在均温板上表面建立直角坐标系，横向为x方向，纵向为y方向，12个热电偶的布置位置坐标分别为(0，0)、(a，0)、(-a，0)、(a，a)、(-a，-a)、(2a，2a)、(-2a，-2a)、(-a，a)、(a，-a)、(-3a，0)、(0，-a)和(0，-2a)，a为单位长度，热应力释放缝7的端点坐标分别为(a，a)、(a、3a)，(-a，a)、(-3a、a)，(-a，-a)、(-a、-3a)和(a，-a)、(3a、-a)，a为单位长度，热电偶6采用上述热电偶6布置方式，能够更加准确地测得均温板2不同位置处的温度均匀性，同时，将上述热应力释放缝7布置在上述位置能够更好地释放均温板2在升降温过程中产生的热应力，避免均温板2的热胀冷缩变形。

需要说明的是，对于均温板2其需要具有高热导率以保证快速导热均温、良好的高温刚性以承受热应力变形、良好的可加工性以实现热电偶测温组件的排布和安装，示例性地，可以选取不锈钢(310S不锈钢，06Cr25Ni20)作为均温板2的基材，厚度为10mm～20mm。

值得注意的是，由于铑丝元件1在高温下会发生一定程度的软化，不具备自支撑和维型能力，需要发热组件自身不受力或承重，以保证发热组件能够长时间稳定工作，因此，上述均温板2可以通过多根连接杆8与上冷板5连接，即由均温板2承重，通过连接杆8将均温板2和铑丝元件1的重量传递至上冷板5，铑丝元件1仅需放置在均温板2上即可，自身不受力或承重，从而能够减少铑丝元件1加热后的变形和熔断情况的发生，从而能够保证发热组件能够长时间稳定工作。示例性地，上述连接杆8的数量可以为2～6根(例如，4根，每侧前后两根)，采用氧化铝制成，氧化铝材料具有良好的耐温性和高温电绝缘性，能够承受1800℃以上的高温。

为了使铑丝元件1与均温板2之间绝缘且不受隔热层3压载，因此，铑丝元件1可以通过多根支撑杆9(例如，氧化铝支撑杆9)架设在均温板2上，多根支撑杆9均匀分布，将铑丝元件1与均温板2及隔热层3隔离，实现绝缘，同时支撑杆9还可以承受隔热层3的重量，从而能够对导电类试样10进行测试，提高上述加热装置的适应性。

为了使热电偶6能够直接与试样10热面接触，上述热电偶走线板4可以设于上冷板5与隔热层3之间，热电偶6贯穿隔热层3、加热板和均温板2后与试样10热面相接触，可以理解的是，隔热层3、加热板和均温板2上设有贯穿三者的热电偶6通孔。相比于现有的热电偶6从试样10侧面插入，将热电偶走线板4设于上冷板5与隔热层3之间，热电偶6从试样10的上方插入，其位于热电偶6底端的触点可以直接与试样10热面相接触，从而能够提高测量的准确性；同时，热电偶6从试样10的上方插入，能够避免均温板2与试样10热面之间产生缝隙，保证均温板2与试样10热面紧密接触，同样可以提高测量的准确性；此外，值得注意的是，由于热电偶6自身存在热传导，热电偶6从侧面插入会对一维稳态热流造成影响，而热电偶6从试样10的上方插入，其与一维稳态热流的方向相同，从而不会影响一维稳态热流。

为了进一步证明本申请提供的均温性高温发热组件能够承受1400℃以上的高温，可以采用纯Rh丝作为铑丝元件1、C/SiC作为均温板2，根据传热学理论对加热结构在满足试样10热面温度达到1400℃情况下的加热功率、发热元件尺寸参数进行计算，将上述均温性高温发热组件用于1400℃加热装置后的传热学计算示意图，参见图3。

具体计算过程如下：(需要说明的是，此种计算方法仅适用于此类一维均匀加热的加热结构)

1)穿过试样的一维纵向热流密度Q_试下及消耗的功率P_下

P_下＝A_试·Q_试下

λ_试为试样热导率，T_试上为试样上表面温度，T_试下为试样下表面温度，δ_试为试样厚度，A_试为试样垂直于厚度方向截面积。

2)穿过均温板的热流密度Q_均下及均温板上表面温度T_均上

Q_均下为穿过均温板的热流密度，T_均上为均温板上表面温度，T_均下为均温板下表面温度，δ_均为均温板厚度，λ_均为均温板热导率。

3)发热组件与均温板之间的单位面积辐射换热量Q_下

Q＝Q_上+Q_下

根据玻尔兹曼热辐射定律：

Q_下为发热组件与均温板之间的单位面积辐射换热量，

为发热组件与均温板之间的辐射换热量，

为发热组件与均温板之间的辐射换热面积，E_加热为发热组件向均温板方向的辐射力，ε_加热为发热组件的发射率，E_均上为均温板上表面的辐射力，ε_均上为均温板上表面的发射率，T_加热为发热组件的温度，T_均上为均温板上表面温度。

4)穿过隔热层的热流密度Q_上

Q_上为穿过隔热层的热流密度，λ_隔为隔热层的热导率，T_隔下为隔热层下表面温度，T_隔上为隔热层上表面温度，δ_隔为隔热层厚度，T_上水为隔热层上表面处循环冷却水的温度。

5)加热组件的总热流Q及加热组件的功率P

Q＝Q_上+Q_下，P＝A·Q，A＝A_试

Q为加热组件的总热流，P为加热组件的功率，A_试为试样垂直于厚度方向截面积。

6)加热组件的设计

其中，U为加热组件的输入电压，ρ为加热组件的电阻率，l为加热组件的长度，d为加热组件的直径。

上述计算中所用到的参数及根据上述计算过程获得的计算结果分别如表1和表2所示。

表1: 1400℃加热装置传热计算输入参数

	试样	均温板	隔热层	发热元件
					材质	隔热材料	C/SiC	隔热材料	Rh丝
热导率(W/m·K)	1	λ<sub>均</sub>*	1	电阻率ρ<sub>Rh</sub>**(Ω·m)
					发射率(估计值)	/	0.7	/	0.7
厚度(m)	0.03	0.01	0.06	/
					长度(m)	0.3	0.3	0.3	/
宽度(m)	0.3	0.3	0.3	/
					面积(m<sup>2</sup>)	0.09	0.09	0.09	/
热面温度T<sub>上</sub>(K)	1673	/	/	/
					冷面温度T<sub>下</sub>(K)	298	1673	298	/

**：参考Ir的电阻率，

ρ_Rh(293K～2273K)＝

19.70×10^-3T-2.59×10^-6T²+4.64×10^-9T³-1.08×10^-15T⁴(μΩ·cm)

表2: 1400℃加热装置传热计算结果

发热元件	铱丝
		直径(mm)	0.8
长度(m)	～7.4
		横截面积(mm<sup>2</sup>)	～0.5
表面积(mm<sup>2</sup>)	～18520
		表面功率负荷(W/cm<sup>2</sup>)	～34
电阻(Ω)	～7.65
		温度(K)	～1764
总热流(W/m<sup>2</sup>)	～70270
		所需功率(W)	～6324
供电电压(V)	220
		供电电流(A)	～29

由表2中的计算结果可知，理论情况下若采用直径为0.8mm的Rh丝作发热元件，需要约7.4m长的Rh丝盘绕在一个平面上，并利用220V的电压输入约6.3KW的功率。此时，Rh丝自身温度将达到约1491℃(1764K)，且其表面功率负荷高达约34W/cm²。

基于上述传热学理论计算结果，利用直流电源对Rh丝(直径0.8mm，长～7m)作为1400℃加热系统的发热元件进行了简化装置的加热验证试验。试验时，将直径0.8mm的Rh丝采用阿基米德螺旋线的方式盘绕在隔热材料上，在Rh丝螺旋盘中心附近安装了热电偶6进行温度测量，并在上方和四周均放置了隔热材料进行保温。试验结果表明，该发热组件可以升温至1400℃以上。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于热导率测试的加热装置，其特征在于，包括均温性高温发热组件，所述均温性高温发热组件为铑丝元件（1）；

所述用于热导率测试的加热装置还包括从下至上依次层叠的均温板（2）、均温性高温发热组件、隔热层（3）、热电偶走线板（4）和上冷板（5），所述均温板（2）上设有多个热电偶（6）和多个热应力释放缝（7），所述均温板（2）上设有用于容纳热电偶（6）的热电偶安装孔；

所述均温板（2）通过多根连接杆（8）与上冷板（5）连接；

所述热电偶（6）的数量为12个；以均温板（2）上表面的几何中心为原点在均温板（2）上表面建立直角坐标系，横向为x方向，纵向为y方向，12个热电偶（6）的布置位置坐标分别为（0，0）、（a，0）、（-a，0）、（a，a）、（-a，-a）、（2a，2a）、（-2a，-2a）、（-a，a）、（a，-a）、（-3a，0）、（0，-a）和（0，-2a），a为单位长度；所述热应力释放缝（7）的端点坐标分别为（a，a）、（a、3a），（-a，a）、（-3a、a），（-a，-a）、（-a、-3a）和（a，-a）、（3a、-a），a为单位长度；

所述铑丝元件（1）通过多根支撑杆（9）架设在均温板（2）上，多根支撑杆（9）均匀分布，将铑丝元件（1）与均温板（2）及隔热层（3）隔离实现绝缘，所述支撑杆（9）承受隔热层（3）的重量；

所述热电偶（6）贯穿隔热层（3）上的通孔、均温性发热组件、均温板（2）上的通孔后与试样（10）热面相接触，所述热电偶（6）从试样（10）的上方插入；

所述铑丝元件（1）仅需放置在均温板（2）上，由均温板（2）承重；

所述铑丝元件（1）的形状为螺旋线；

沿逐渐远离铑丝元件（1）的中心的方向，相邻两圈螺旋线之间的距离逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的用于热导率测试的加热装置，其特征在于，所述铑丝元件（1）的形状为光滑的曲线。

3.根据权利要求1所述的用于热导率测试的加热装置，其特征在于，所述螺旋线为费马螺旋线。

4.根据权利要求1所述的用于热导率测试的加热装置，其特征在于，所述均温板（2）的基材为不锈钢。

5.根据权利要求1所述的用于热导率测试的加热装置，其特征在于，所述均温板（2）的厚度为10mm~20mm。

6.根据权利要求1所述的用于热导率测试的加热装置，其特征在于，所述支撑杆（9）为氧化铝支撑杆。

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