CN111829694A - 用于热流传感器的热流敏感元件及具有其的热流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于热流传感器的热流敏感元件及具有其的热流传感器，该热流敏感元件包括：圆形导热基体；热电堆，热电堆包括多个热电偶丝对，多个热电偶丝对依次相连接且沿圆形导热基体的周缘设置在圆形导热基体的热流敏感侧表面，各个热电偶丝对的热端均靠近圆形导热基体的中心设置，各个热电偶丝对的冷端均靠近圆形导热基体的边缘设置，多个热电偶丝对的热端围成圆形结构，多个热电偶丝对的冷端围成圆形结构；其中，热流敏感元件根据热电堆的热端与冷端的温度差值来获取热流敏感元件吸收的热流密度。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中常规热流测试方法无法满足高速飞行器燃烧室壁面热流参数的测量的技术问题。

Description

用于热流传感器的热流敏感元件及具有其的热流传感器

技术领域

本发明涉及高温热流测试技术领域，尤其涉及一种用于热流传感器的热流敏感元件及具有其的热流传感器。

背景技术

高速飞行器发动机在高速燃烧过程中，其燃烧室等关键部位工作温度极高，发动机热防护是保证其稳定正常工作的关键，热流密度是发动机热防护设计的关键参数之一。其发动机燃烧室内部的高温燃气中含有氧、碳、氢等成分，在高温下强冲刷环境下，极易破环热流传感器结构，常规热流测试方法无法满足高速飞行器燃烧室壁面热流参数的测量。

发明内容

本发明提供了一种用于热流传感器的热流敏感元件及具有其的热流传感器，能够解决现有技术中常规热流测试方法无法满足高速飞行器燃烧室壁面热流参数的测量的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种用于热流传感器的热流敏感元件，热流敏感元件包括：圆形导热基体；热电堆，热电堆包括多个热电偶丝对，多个热电偶丝对依次相连接且沿圆形导热基体的周缘设置在圆形导热基体的热流敏感侧表面，各个热电偶丝对的热端均靠近圆形导热基体的中心设置，各个热电偶丝对的冷端均靠近圆形导热基体的边缘设置，多个热电偶丝对的热端围成圆形结构，多个热电偶丝对的冷端围成圆形结构；其中，热流敏感元件根据热电堆的热端与冷端的温度差值来获取热流敏感元件吸收的热流密度。

进一步地，圆形导热基体的材质为耐高温陶瓷材料。

进一步地，热流敏感元件还包括陶瓷材料涂层，陶瓷材料涂层涂覆在圆形导热基体的热电堆所在的端面，陶瓷材料涂层用于将热电堆与外界隔离。

进一步地，热流敏感元件还包括高发射率涂层，高发射率涂层涂覆在陶瓷材料涂层上。

进一步地，热流敏感元件根据

来获取热流敏感元件吸收的热流密度，其中，ΔT为所述热流敏感元件的中心与边缘的温度差，k与所述圆形导热基体(10)的厚度、直径以及导热系数相关，λ为所述圆形导热基体(10)的导热系数，R为所述圆形导热基体(10)的基体半径，S为所述圆形导热基体(10)的基体厚度。

根据本发明的另一方面，提供了一种热流传感器，热流传感器包括如上所述的热流敏感元件。

进一步地，热流传感器还包括热沉体，热流敏感元件采用金属熔焊法与热沉体连接。

进一步地，热流传感器还包括数据采集处理单元，数据采集处理单元与热流敏感元件连接，数据采集处理单元用于采集热流敏感元件的热电堆的热端与冷端的温度差值以计算获取热流敏感元件吸收的热流密度。

进一步地，热流传感器还包括耐高温壳体和气凝胶，热沉体设置在耐高温壳体内，气凝胶设置在热沉体与热流敏感元件之间。

进一步地，热沉体具有水冷通道，水冷通道用于保证热沉体的温场均匀。

应用本发明的技术方案，提供了一种用于热流传感器的热流敏感元件，该热流敏感元件充分分析考虑了高速飞行器发动机燃烧室内部高温高速的复杂的热环境条件，通过设置多个热电偶丝对以形成热电堆，测试时热流沿着圆形导热基体从圆形导热基体的中心向圆形导热基体的边缘径向方向流动，根据设置在圆形导热基体上的热电堆的热端与冷端的温度差值即可获取热流敏感元件吸收的热流密度。本发明所提供的热流敏感元件与现有技术相比，其能够满足高速飞行器燃烧室壁面热流参数的测量，具有耐高温、耐高速气流冲刷、耐有氧等复杂环境的技术特点。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的用于热流传感器的热流敏感元件的正视图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的用于热流传感器的热流敏感元件的侧视图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的热流传感器的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、圆形导热基体；20、热电堆；20a、热电堆热端点；20b、热电堆冷端点；20c、热电堆正极；20d、热电堆负极；30、陶瓷材料涂层；40、高发射率涂层；100、热流敏感元件；200、热沉体；200a、水冷通道；200b、水冷入口；200c、水冷出口；200d、引线孔；300、耐高温壳体；400、气凝胶；500、引线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1和图2所示，根据本发明的具体实施例提供了一种用于热流传感器的热流敏感元件，该热流敏感元件包括圆形导热基体10和热电堆20，热电堆20包括多个热电偶丝对，多个热电偶丝对依次相连接且沿圆形导热基体10的周缘设置在圆形导热基体10的热流敏感侧表面，各个热电偶丝对的热端均靠近圆形导热基体10的中心设置，各个热电偶丝对的冷端均靠近圆形导热基体10的边缘设置，多个热电偶丝对的热端围成圆形结构，多个热电偶丝对的冷端围成圆形结构，其中，热流敏感元件根据热电堆20的热端与冷端的温度差值来获取热流敏感元件吸收的热流密度。

应用此种配置方式，提供了一种用于热流传感器的热流敏感元件，该热流敏感元件充分分析考虑了高速飞行器发动机燃烧室内部高温高速的复杂的热环境条件，通过设置多个热电偶丝对以形成热电堆，测试时热流沿着圆形导热基体从圆形导热基体的中心向圆形导热基体的边缘径向方向流动，根据设置在圆形导热基体上的热电堆的热端与冷端的温度差值即可获取热流敏感元件吸收的热流密度。本发明所提供的热流敏感元件与现有技术相比，其能够满足高速飞行器燃烧室壁面热流参数的测量，具有耐高温、耐高速气流冲刷、耐有氧等复杂环境的技术特点。

进一步地，在本发明中，为了提高热流敏感元件的耐热性能，可将圆形导热基体10的材质配置为耐高温陶瓷材料。耐高温陶瓷材料的圆形导热基体10可用于超高温强剪切冲刷环境壁面热流测试。

此外，在本发明中，为了防止热电堆材料被高温氧化还原等恶劣环节污染，可将热流敏感元件配置为还包括陶瓷材料涂层30，陶瓷材料涂层30涂覆在圆形导热基体10的热电堆20所在的端面，陶瓷材料涂层30用于将热电堆20与外界隔离。

进一步地，在本发明中，为了提高热流敏感元件的表面发射率，可将热流敏感元件配置为还包括高发射率涂层40，高发射率涂层40涂覆在陶瓷材料涂层30上。

作为本发明的一个具体实施例，如图1和图2所示，热流敏感元件为圆箔片型陶瓷基热电堆，该热流敏感元件为圆箔片形状，其圆形导热基体10为耐高温陶瓷材料，耐高温陶瓷材料热流敏感面侧采用特殊工艺熔接热电堆测温结构，并镀上一层超薄的绝缘材料涂层30。热电堆20由六组热电偶丝对组成，六组热电偶丝对依次相连接且沿圆形导热基体10的周缘均匀设置在圆形导热基体10的表面，每一组热电偶丝对均采用铂铑10-铂热电偶，如图1所示，其中实线代表的是铂铑10热电偶丝，其为热电堆正极20c，虚线代表的是铂热电偶丝，其为热电堆负极20d，热电堆热端点20a为圆箔陶瓷材料面的中心温度，热电堆冷端点20b为圆箔陶瓷材料面的边缘温度。

该热流敏感元件根据热电堆热端与冷端温差，利用

可获取热流敏感元件吸收的热流密度。其中，ΔT为热流敏感元件的中心与边缘的温度差，k与圆形导热基体10的厚度、直径以及导热系数相关，λ为圆形导热基体10的导热系数，R为圆形导热基体10的基体半径，S为圆形导热基体10的基体厚度。此外，在本发明中，热电堆热端与圆形导热基体的中心之间的距离与圆形导热基体的直径、厚度以及导热系数相关。

根据本发明的另一方面，提供了一种热流传感器，该热流传感器包括如上所述的热流敏感元件100。由于本发明的热流敏感元件能够根据热电堆20的热端与冷端的温度差值来获取热流敏感元件吸收的热流密度，因此将热流敏感元件运用到热流传感器中，能够完成对高温壁面热流参数的测量。

进一步地，在本发明中，为了保持热流敏感元件的边缘温度稳定，可将热流传感器配置为还包括热沉体200，热流敏感元件100采用金属熔焊法与热沉体200连接。

作为本发明的一个具体实施例，热沉体200可采用纯铜材料制成，热流敏感元件100与热沉体200采用金属熔焊法实现紧密连接。在使用本发明的热流传感器进行高温壁面热流参数测量时，热流敏感元件100作为热流测量核心器件，其与热沉体200构成热流传感器的主要结构体。热流敏感元件100用于吸收辐射到元件表面的热流，其形状为圆箔片型。热流敏感元件100很小，可近似将热流来流看成是均匀热流输入条件。热流沿着圆箔片从圆箔中心向圆箔边缘径向方向流动，敏感元件边缘处流向热沉体200，热沉体200的作用是保持敏感元件边缘温度稳定，其最终作用结果是敏感元件中心温度高，边缘温度低，其温差与热流密度成正比关系，熔接在敏感元件的热电堆用于测量热流敏感元件中心与边缘微弱的温度差，用于热流密度的推算。

进一步地，为了能够更加直观快速获取待测高温壁面的热流密度，可将热流传感器配置为还包括数据采集处理单元，数据采集处理单元与热流敏感元件连接，数据采集处理单元用于采集热流敏感元件的热电堆的热端与冷端的温度差值以计算获取热流敏感元件吸收的热流密度。

作为本发明的一个具体实施例，如图3所示，热流敏感元件100的热电堆20通过引线500与数据采集处理单元连接，数据采集处理单元根据热流敏感元件的热电堆的热端与冷端的温度差值能够计算获取热流敏感元件吸收的热流密度。

进一步地，在本发明中，为了防止高温环境对热沉体造成烧蚀以及提高热流测量精度，可将热流传感器配置为还包括耐高温壳体300和气凝胶400，热沉体200设置在耐高温壳体300内，气凝胶400设置在热沉体200与热流敏感元件100之间以实现隔热。

此外，在本发明中，为了保证热沉体200的温场均匀，热沉体200具有水冷通道200a，水冷通道200a用于保证热沉体200的温场均匀。作为本发明的一个具体实施例，热沉体200还具有水冷入口200b和水冷出口200c，冷却水通过水冷入口200b进入水冷通道200a以对热沉体200进行冷却，保证热沉体200的温场均匀，冷却后的冷却水由水冷出口200c排出。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图3对本发明的热流敏感元件及热流传感器进行详细说明。

如图1至图3所示，根据本发明的具体实施例提供了一种热流敏感元件及热流传感器，该热流传感器充分分析考虑了高速飞行器发动机燃烧室内部高温高速的复杂的热环境条件，能够满足燃烧室热流测试，本发明所提供的热流传感器具有耐高温、耐高速气流冲刷、耐有氧等复杂环境的技术特点。

该热流传感器包括热流敏感元件100、热沉体200、耐高温壳体300、气凝胶400、引线500和数据采集处理单元，热沉体200采用纯铜材料制成，热流敏感元件100与热沉体200采用金属熔焊法实现紧密连接。热沉体200具有方槽型水冷通道200a、水冷入口200b、水冷出口200c以及引线孔200d，方槽型水冷通道200a用于保证热沉体200温场均匀。引线500穿过引线孔200d分别与热流敏感元件100和数据采集处理单元连接，数据采集处理单元根据采集到的热流敏感元件的热电堆的热端与冷端的温度差值计算获取热流敏感元件吸收的热流密度。热沉体200的外侧设置有耐高温壳体300，耐高温壳体300采用高温合金材料制成，耐高温壳体300用于防止高温环节对热沉体200造成烧蚀。

热流敏感元件100包括圆形导热基体10、热电堆20、陶瓷材料涂层30和高发射率涂层40，热流敏感元件100为圆箔形状，厚度很小，采用耐高温陶瓷材料作为其圆形导热基体材料，其可用于热流的导体，具有耐高温、耐强剪切冲刷、耐氧化等环境的技术特点。

热流敏感元件100的热电堆20为六组温差热电偶丝对组成，用于圆形导热基体中敏感元件边缘与中心点温差的测量，其结构布局如图1所示，每一组热电偶丝对均采用铂铑10-铂热电偶，其中实线代表的是铂铑10热电偶丝，虚线代表的是铂热电偶丝，热电堆热端点20a为圆箔陶瓷材料面的中心温度，热电堆冷端点20b为圆箔陶瓷材料面的边缘温度。

热电堆20位于热流敏感元件100的陶瓷基表面热流敏感侧，且热电堆20与陶瓷基材料表面端面齐平。热流敏感元件100的热电堆所在侧的端面上镀有一层超薄的陶瓷材料涂层30，陶瓷材料涂层30用于将热电堆材料与外界隔离，防止热电堆材料被高温氧化还原等恶烈环境污染。陶瓷材料涂层30的外侧镀有耐高温高吸收率涂层。

在使用本发明的热流传感器进行高温壁面热流参数测量时，热流敏感元件100作为热流测量核心器件，其与热沉体200构成热流传感器的主要结构体。热流敏感元件100用于吸收辐射到元件表面的热流，其形状为圆箔片型。热流敏感元件100很小，可近似将热流来流看成是均匀热流输入条件。热流沿着圆箔片从圆箔中心向圆箔边缘径向方向流动，敏感元件边缘处流向热沉体200，热沉体200的作用是保持敏感元件边缘温度稳定，其最终作用结果是敏感元件中心温度高，边缘温度低，其温差与热流密度成正比关系，熔接在敏感元件的热电堆用于测量热流敏感元件中心与边缘微弱的温度差，用于热流密度的推算。

综上所述，本发明提供了一种用于热流传感器的热流敏感元件及具有其的热流传感器，该热流传感器适用于高速飞行器发动机燃烧室、燃气锅炉等高温壁面热流测试，其充分分析考虑了高速飞行器发动机燃烧室内部高温高速的复杂的热环境条件，通过设置多个热电偶丝对以形成热电堆，测试时热流沿着圆形导热基体从圆形导热基体的中心向圆形导热基体的边缘径向方向流动，根据设置在圆形导热基体上的热电堆的热端与冷端的温度差值即可获取热流敏感元件吸收的热流密度。本发明与现有技术相比，其能够满足高速飞行器燃烧室壁面热流参数的测量，具有耐高温、耐高速气流冲刷、耐有氧等复杂环境的技术特点。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于热流传感器的热流敏感元件，其特征在于，所述热流敏感元件包括：圆形导热基体(10)；

热电堆(20)，所述热电堆(20)包括多个热电偶丝对，多个所述热电偶丝对依次相连接且沿所述圆形导热基体(10)的周缘设置在所述圆形导热基体(10)的热流敏感侧表面，各个所述热电偶丝对的热端均靠近所述圆形导热基体(10)的中心设置，各个所述热电偶丝对的冷端均靠近所述圆形导热基体(10)的边缘设置，多个所述热电偶丝对的热端围成圆形结构，多个所述热电偶丝对的冷端围成圆形结构；

其中，所述热流敏感元件根据所述热电堆(20)的热端与冷端的温度差值来获取所述热流敏感元件吸收的热流密度。

2.根据权利要求1所述的用于热流传感器的热流敏感元件，其特征在于，所述圆形导热基体(10)的材质为耐高温陶瓷材料。

3.根据权利要求2所述的用于热流传感器的热流敏感元件，其特征在于，所述热流敏感元件还包括陶瓷材料涂层(30)，所述陶瓷材料涂层(30)涂覆在所述圆形导热基体(10)的热电堆(20)所在的端面，所述陶瓷材料涂层(30)用于将所述热电堆(20)与外界隔离。

4.根据权利要求3所述的用于热流传感器的热流敏感元件，其特征在于，所述热流敏感元件还包括高发射率涂层(40)，所述高发射率涂层(40)涂覆在所述陶瓷材料涂层(30)上。

5.根据权利要求4所述的用于热流传感器的热流敏感元件，其特征在于，所述热流敏感元件根据

来获取所述热流敏感元件吸收的热流密度，其中，ΔT为所述热流敏感元件的中心与边缘的温度差，k与所述圆形导热基体(10)的厚度、直径以及导热系数相关，λ为所述圆形导热基体(10)的导热系数，R为所述圆形导热基体(10)的基体半径，S为所述圆形导热基体(10)的基体厚度。

6.一种热流传感器，其特征在于，所述热流传感器包括如权利要求1至5中任一项所述的热流敏感元件(100)。

7.根据权利要求6所述的热流传感器，其特征在于，所述热流传感器还包括热沉体(200)，所述热流敏感元件(100)采用金属熔焊法与所述热沉体(200)连接。

8.根据权利要求7所述的热流传感器，其特征在于，所述热流传感器还包括数据采集处理单元，所述数据采集处理单元与所述热流敏感元件连接，所述数据采集处理单元用于采集所述热流敏感元件的热电堆的热端与冷端的温度差值以计算获取所述热流敏感元件吸收的热流密度。

9.根据权利要求8所述的热流传感器，其特征在于，所述热流传感器还包括耐高温壳体(300)和气凝胶(400)，所述热沉体(200)设置在所述耐高温壳体(300)内，所述气凝胶(400)设置在所述热沉体(200)与所述热流敏感元件(100)之间。

10.根据权利要求9所述的热流传感器，其特征在于，所述热沉体(200)具有水冷通道(200a)，所述水冷通道(200a)用于保证所述热沉体(200)的温场均匀。

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