CN113552166A - 一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置，包括组合件加载测试装置、测温装置、保温加热装置、冷却装置，所述组合件加载测试装置安装在用于对组合件提供加热保温空间的保温加热装置的内腔底部，所述保温加热装置底部设置有与所述组合件加载测试装置贴合的所述冷却装置。本发明能够测量试样材料在不同温度和不同界面载荷下的接触热阻以及隔热材料的隔热性能；除常规材料外还适用于脆性隔热材料，实现通过加载弹簧的缓冲保证试件接触应力在材料受热膨胀后保持相对稳定，并能有效避免脆性隔热材料在试验中因受热膨胀而破碎；同时，装置对试件的开孔加工要求低，对脆性材料的适用性强。
Description
技术领域
本发明涉及换热及热防护领域，特别是涉及一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置。
背景技术
在刚性隔热材料热防护和固体传热研究中，如何获得隔热材料的隔热效果和界面接触热阻是非常重要的问题。在实际研究中往往需要通过试验测量获得不同温度及加载条件下的材料隔热效果和界面接触热阻。而现有的试验研究中，能够获得脆性材料的隔热效果并进行接触热阻测量的装置较少。大多数测量装置需要在试件上加工出一列测温点来计算试件接触界面的温度，这对较薄或者质地较脆不易在侧面打孔的脆性材料试件适用性不高。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置，包括组合件加载测试装置、测温装置、保温加热装置、冷却装置，所述组合件加载测试装置安装在用于对组合件提供加热保温空间的保温加热装置的内腔底部，所述保温加热装置底部设置有与所述组合件加载测试装置贴合的所述冷却装置，所述组合件加载测试装置上、所述保温加热装置内腔连接有所述测温装置。
进一步设置：所述组合件加载测试装置包括测试件A、测试件B、固定螺栓、加载弹簧、钢板，所述测试件A、所述测试件B为同等截面积的方形，且两者紧密贴合并在四角设置有圆形通孔，该圆形通孔内穿设有所述固定螺栓，所述固定螺栓外径上套设有对所述测试件A、所述测试件B进行固定的加载弹簧，所述测试件A的上端固定有所述钢板。
如此设置，便于通过所述固定螺栓、所述加载弹簧对所述测试件A、所述测试件B进行贴合，所述钢板用于分散加载螺栓的加载力，避免所述测试件A因为集中力而破碎。
进一步设置：四处所述加载弹簧在固定所述测试件A、所述测试件B时的弹性压缩量相同。
如此设置，使所述测试件A、所述测试件B在受热膨胀时，所述测试件B、所述测试件A间在纵向作用力下能获得定量载荷，保证界面载荷的相对稳定和避免脆性材料因膨胀挤压而破碎。
进一步设置：所述测温装置包括热电偶、数据采集系统，所述测试件A上侧面、所述测试件A与所述测试件B接触面、所述测试件B中间截面、所述测试件B下侧面均设置有所述热电偶，所述热电偶与所述数据采集系统连接，所述测试件B中间截面处设置有预埋槽。
如此设置，便于通过所述热电偶对所述测试件A上侧面、所述测试件A与所述测试件B接触面、所述测试件B中间截面、所述测试件B下侧面进行温度数据收集。
进一步设置：所述测试件A上侧面、所述测试件A与所述测试件B接触面、所述测试件B中间截面、所述测试件B下侧面的每个截面上均设置有四组所述热电偶，且左右各分布有两处。
如此设置，使所述热电偶温度数据得到所述组合件加载测试装置的温度梯度分布及其随时间变化情况，获得所述测试件A隔热效果的同时，可利用已知的所述测试件A与所述测试件B的导热系数，可计算出所述测试件A的下界面温度、所述测试件B上界面温度与穿过界面的热流量，从而得出接触热阻值。
进一步设置：所述保温加热装置包括金属外壳、内部固体保温材料层，所述金属外壳内部设置有所述内部固体保温材料层，所述金属外壳与所述内部固体保温材料层形成腔体，且该腔体内壁上安装有加热电阻丝，所述加热电阻丝外侧连接有整流控制箱，所述金属外壳的腔体上方可翻盖打开，且腔体底部设置有放置所述组合件加载测试装置的孔。
如此设置，通过所述整流控制箱对所述加热电阻丝进行加热功率控制，使所述内部固体保温材料层内的腔体进行热量储放。
进一步设置：所述组合件加载测试装置的测试件四周由所述内部固体保温材料层环绕，所述金属外壳的腔体内连接有所述测温装置的热电偶。
如此设置，便于对所述金属外壳的腔体内的温度进行监控，所述组合件加载测试装置四周由保温材料环绕，保证了热量仅从组合件的法向通过。
进一步设置：所述冷却装置包括控制阀、流量计、水冷套，所述控制阀安装在所述水冷套一端，所述水冷套另一端设置有所述流量计，所述水冷套的进出水口端分别连接有所述测温装置的热电偶。
如此设置，便于通过所述流量计监测冷却水流量，所述控制阀控制所述水冷套内冷却水流量，同时通过所述水冷套的热电偶测量进出水处水温。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
能够测量试样材料在不同温度和不同界面载荷下的接触热阻以及隔热材料的隔热性能；除常规材料外还适用于脆性隔热材料，实现通过加载弹簧的缓冲保证试件接触应力在材料受热膨胀后保持相对稳定，并能有效避免脆性隔热材料在试验中因受热膨胀而破碎；同时，装置对试件的开孔加工要求低，对脆性材料的适用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置的结构示意图；
图2是本发明所述一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置的主视剖视结构示意图；
图3是本发明所述一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置的组合件加载测试装置的结构示意图；
图4是本发明所述一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置的组合件加载测试装置的主视结构示意图。
附图标记说明如下：
1、组合件加载测试装置；11、测试件A；12、测试件B；13、固定螺栓；14、加载弹簧；15、钢板；2、测温装置；21、热电偶；22、数据采集系统；3、保温加热装置；31、金属外壳；32、内部固体保温材料层；33、加热电阻丝；34、整流控制箱；4、冷却装置；41、控制阀；42、流量计；43、水冷套。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-图4所示，一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置，包括组合件加载测试装置1、测温装置2、保温加热装置3、冷却装置4，组合件加载测试装置1安装在用于对组合件提供加热保温空间的保温加热装置3的内腔底部，保温加热装置3底部设置有与组合件加载测试装置1贴合的冷却装置4，组合件加载测试装置1上、保温加热装置3内腔连接有测温装置2。
优选的：组合件加载测试装置1包括测试件A11、测试件B12、固定螺栓13、加载弹簧14、钢板15，测试件A11、测试件B12为同等截面积的方形，且两者紧密贴合并在四角设置有圆形通孔，该圆形通孔内穿设有固定螺栓13，固定螺栓13外径上套设有对测试件A11、测试件B12进行固定的加载弹簧14，测试件A11的上端固定有钢板15，便于通过固定螺栓13、加载弹簧14对测试件A11、测试件B12进行贴合，钢板15用于分散加载螺栓的加载力，避免测试件A11因为集中力而破碎；四处加载弹簧14在固定测试件A11、测试件B12时的弹性压缩量相同，使测试件A11、测试件B12在受热膨胀时，测试件B12、测试件A11间在纵向作用力下能获得定量载荷，保证界面载荷的相对稳定和避免脆性材料因膨胀挤压而破碎；测温装置2包括热电偶21、数据采集系统22，测试件A11上侧面、测试件A11与测试件B12接触面、测试件B12中间截面、测试件B12下侧面均设置有热电偶21，热电偶21与数据采集系统22连接，测试件B12中间截面处通过电加工0.8mm的预埋槽，便于放置热电偶21，便于通过热电偶21对测试件A11上侧面、测试件A11与测试件B12接触面、测试件B12中间截面、测试件B12下侧面进行温度数据收集，而测试件A11内部无热电偶21，对材料加工要求低；测试件A11上侧面、测试件A11与测试件B12接触面、测试件B12中间截面、测试件B12下侧面的每个截面上均设置有四组热电偶21，且左右各分布有两处，使热电偶21温度数据得到组合件加载测试装置1的温度梯度分布及其随时间变化情况，获得测试件A11隔热效果的同时，可利用已知的测试件A11与测试件B12的导热系数，可计算出测试件A11的下界面温度、测试件B12上界面温度与穿过界面的热流量，从而得出接触热阻值；保温加热装置3包括金属外壳31、内部固体保温材料层32，金属外壳31内部设置有内部固体保温材料层32，金属外壳31为不锈钢材料制成，内部固体保温材料层32由保温棉制成，有效降低腔体内热量散失，避免热量在组合件加载测试装置1内的侧向散失，金属外壳31与内部固体保温材料层32形成腔体，且该腔体内壁上安装有加热电阻丝33，加热电阻丝33外侧连接有整流控制箱34，金属外壳31的腔体上方可翻盖打开，且腔体底部设置有放置组合件加载测试装置1的孔，通过整流控制箱34对加热电阻丝33进行加热功率控制，使内部固体保温材料层32内的腔体进行热量储放；组合件加载测试装置1的测试件四周由内部固体保温材料层32环绕，金属外壳31的腔体内连接有测温装置2的热电偶21，便于对金属外壳31的腔体内的温度进行监控，组合件加载测试装置1四周由保温材料环绕，保证了热量仅从组合件的法向通过；冷却装置4包括控制阀41、流量计42、水冷套43，控制阀41安装在水冷套43一端，水冷套43另一端设置有流量计42，水冷套43的进出水口端分别连接有测温装置2的热电偶21，便于通过流量计42监测冷却水流量，控制阀41控制水冷套43内冷却水流量，同时通过水冷套43的热电偶21测量进出水处水温。
本发明工作原理及使用流程：使用固定螺栓13、加载弹簧14将已经在各个截面布置好热电偶21的测试件A11、测试件B12连接固定，利用纵向作用力测量装置确定测试件外部加载载荷，完成组合件加载测试装置1的组装，将组合件加载测试装置1固定在炉腔底部，连接上冷却水源，确认无误后盖上炉腔；通过整流控制箱34控制加热电阻丝33加热功率为2kw，加热至温度分布稳定后，上调加热功率至3kw，直至温度分布稳定后，开始依次降低加热功率至2.5kw、2.0kw、1.5kw、1.0kw、0.5kw，分别记录下不同加热功率下达到稳态的温度梯度数据；温度梯度数据包括：试验全过程记录下的测试件A11上侧面温度t1、两块测试件接触面温度t2、测试件B12中间截面温度t3、测试件B12下侧面温度t4；稳态下，通过t3、t4与测试件B12的导热系数计算出穿过截面的热流量；通过所得热流量、测试件B12导热系数与t3计算得到测试件B12的界面温度；通过所得热流量、测试件A11导热系数与t1计算得到测试件A11界面温度；由计算得出的两个界面温度与穿过的热流密度，可以计算出界面的接触热阻，同时，选取两个稳态过渡阶段内的温度梯度随时间变化数据，可获得测试件11的隔热效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (8)
1.一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置，其特征在于：包括组合件加载测试装置(1)、测温装置(2)、保温加热装置(3)、冷却装置(4)，所述组合件加载测试装置(1)安装在用于对组合件提供加热保温空间的保温加热装置(3)的内腔底部，所述保温加热装置(3)底部设置有与所述组合件加载测试装置(1)贴合的所述冷却装置(4)，所述组合件加载测试装置(1)上、所述保温加热装置(3)内腔连接有所述测温装置(2)。
2.根据权利要求1所述的一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置，其特征在于：所述组合件加载测试装置(1)包括测试件A(11)、测试件B(12)、固定螺栓(13)、加载弹簧(14)、钢板(15)，所述测试件A(11)、所述测试件B(12)为同等截面积的方形，且两者紧密贴合并在四角设置有圆形通孔，该圆形通孔内穿设有所述固定螺栓(13)，所述固定螺栓(13)外径上套设有对所述测试件A(11)、所述测试件B(12)进行固定的加载弹簧(14)，所述测试件A(11)的上端固定有所述钢板(15)。
3.根据权利要求2所述的一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置，其特征在于：四处所述加载弹簧(14)在固定所述测试件A(11)、所述测试件B(12)时的弹性压缩量相同。
4.根据权利要求2所述的一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置，其特征在于：所述测温装置(2)包括热电偶(21)、数据采集系统(22)，所述测试件A(11)上侧面、所述测试件A(11)与所述测试件B(12)接触面、所述测试件B(12)中间截面、所述测试件B(12)下侧面均设置有所述热电偶(21)，所述热电偶(21)与所述数据采集系统(22)连接，所述测试件B(12)中间截面处设置有预埋槽。
5.根据权利要求4所述的一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置，其特征在于：所述测试件A(11)上侧面、所述测试件A(11)与所述测试件B(12)接触面、所述测试件B(12)中间截面、所述测试件B(12)下侧面的每个截面上均设置有四组所述热电偶(21)，且左右各分布有两处。
6.根据权利要求1所述的一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置，其特征在于：所述保温加热装置(3)包括金属外壳(31)、内部固体保温材料层(32)，所述金属外壳(31)内部设置有所述内部固体保温材料层(32)，所述金属外壳(31)与所述内部固体保温材料层(32)形成腔体，且该腔体内壁上安装有加热电阻丝(33)，所述加热电阻丝(33)外侧连接有整流控制箱(34)，所述金属外壳(31)的腔体上方可翻盖打开，且腔体底部设置有放置所述组合件加载测试装置(1)的孔。
7.根据权利要求6所述的一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置，其特征在于：所述组合件加载测试装置(1)的测试件四周由所述内部固体保温材料层(32)环绕，所述金属外壳(31)的腔体内连接有所述测温装置(2)。
8.根据权利要求1所述的一种可测量脆性材料隔热效果和接触热阻的装置，其特征在于：所述冷却装置(4)包括控制阀(41)、流量计(42)、水冷套(43)，所述控制阀(41)安装在所述水冷套(43)一端，所述水冷套(43)另一端设置有所述流量计(42)，所述水冷套(43)的进出水口端分别连接有所述测温装置(2)。
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