CN211043214U - 试件等效热阻测量装置 - Google Patents

Abstract

试件等效热阻测量装置，包括主测量系统和辅助测量系统，主测量系统包括：沿第一热流方向分别设置于第一试件上游和下游的主加热器和第一主制冷器，在主加热器与第一试件之间、第一试件与第一主制冷器之间分别设有温度传感器，辅助测量系统设置在主测量系统的垂直于第一热流方向周围，包括：垂直于第一热流方向分别与第一试件、主加热器和第一主制冷器对齐设置的第一辅助测量试件、辅助加热器以及第一辅助制冷器，使得辅助测量系统内部沿第一热流方向的温度梯度变化与主测量系统内的一致，在主测量系统与辅助测量系统之间设置有隔热区域。本实用新型的热阻测量装置可有效地减小热阻或热导率测量过程中的横向热损失，从而提高测量准确度。

Description

试件等效热阻测量装置

技术领域

本实用新型涉及飞机试验测量领域，具体涉及一种试件等效热阻测量装置，属于飞机结构材料热阻或热导率测量技术。

背景技术

温度对于飞机结构和系统的影响一直是飞机设计和适航认证必须考虑的一个重要因素。在计算全机温度场时，材料热导率或结构件热阻是必须的输入参数。此外，在计算分析驾驶舱、客舱等舱室的空调送风流量时，需要对各舱室的热载荷进行计算，其中，机身结构的热阻也是关键输入参数之一。

结构件热阻由结构材料本身的导热性能(热导率)和结构件尺寸共同决定。由于热导率与热阻之间存在函数关系，两者仅需确定其中一个即可，下文中仅以热阻为例来说明对该性能的测量。

目前公认的热阻测量方法分为稳态法和瞬态法两大类，这两类方法又各自可分为若干类子方法。

其中，稳态法主要基于傅里叶导热定律，理论上可以测量所有结构件或材料的热阻。但是，这类方法的测量时间一般较长，且对待测试件的尺寸有要求。在实际应用中，稳态法较多用于测量中高热阻的材料。常见的稳态法包括热流法、保护热板法等。

瞬态法在测量时发出一个信号，从而在试件中产生热量。通过测量该过程中试件温度对时间的响应，从而得到热阻数值。瞬态法的测量精度较高，且测量时间短。但是，由于瞬态热量较低，在大热阻材料中只能产生极微小的温度响应，因此这种方法往往不适合测量中高热阻材料。

对于飞机上典型的结构件，如“蒙皮－隔热层－内饰板”结构，其热阻通常非常大，一般只能采用稳态方法测量其热阻。因此，本文重点分析各类稳态测量方法(热流法、保护热板法等)。

目前市场上常见的稳态法测量仪器，均假设待测试件内部的热流是一维的，即(如图1中所示)热流只能从热板(加热器)10朝向冷板(制冷器)20沿一维方向流动，而在热板10的侧面和试件30的侧面不能发生横向热损失。但是实际上，热板10的侧面和试件30的侧面均不可避免地存在热损失(如图2中左右两侧的箭头所示)。

为了减小这种热损失对测量结果造成的影响，通常需要将试件尺寸做得非常大，并且需要在试件的侧方加装绝热防护层以减少热损失。如GB/T10294-2008中规定，保护热板法防护加热器的边长至少应为待测试件厚度的8倍，这要求试件的边长也应该为厚度的至少8倍。对于典型结构“蒙皮－隔热层－内饰板”，其厚度约为13cm，则为了测量其热阻，需要加热器、制冷器和试件的尺寸至少为8×0.13＝1.04m，这极大地提高了测量成本。而且，对于如此大的待测试件，其温度稳定时间也非常长，降低了测量效率。

在上海交通大学的中国发明专利申请公布CN 102809581 A中公开了一种基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置。如图3中所示，其中，该测试装置包括真空外罩、盲板端盖法兰、上保护腔、测试腔、下保护腔、背压稳定装置、可控电加热系统、温度与流量传感系统、液氮充注系统、数据采集处理系统、抽真空系统；其中：上、下保护腔起隔绝竖直方向漏热的作用，并通过薄壁钢管，与真空外罩的盲板端盖法兰相连。测试腔与盲板端盖法兰的连接方式采用与保护腔相同的薄壁钢管结构。该测试装置的不足之处在于，需要将整个真空外罩中的空间抽为真空，抽真空的空间较大。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述技术问题而作，目的在于提出一种新的试件等效热阻测量装置，其可以有效减少热阻测量过程中的热量损失，保证测量结果更加精确，或者在同等测量精度下，减小被测试件的尺寸大小。

为此本实用新型提供了一种试件等效热阻测量装置，包括主测量系统，所述主测量系统包括：

沿第一热流方向设置于所述试件的第一试件上游的主加热器和沿所述第一热流方向设置于所述第一试件下游的第一主制冷器，且在所述主加热器与所述第一试件之间以及在所述第一试件与所述第一主制冷器之间分别布设有温度传感器，以测量所述第一试件相应侧面的温度，

其特征在于，

所述试件等效热阻测量装置还包括辅助测量系统，所述辅助测量系统设置在所述主测量系统的垂直于所述第一热流方向周围，所述辅助测量系统包括：

垂直于所述第一热流方向与所述第一试件对齐设置的第一辅助测量试件、垂直于所述第一热流方向与所述主加热器对齐设置的辅助加热器以及垂直于所述第一热流方向与所述第一主制冷器对齐设置的第一辅助制冷器，使得所述辅助测量系统内部沿所述第一热流方向的温度梯度变化与所述主测量系统内的一致，并且，

在所述主测量系统与所述辅助测量系统之间设置有隔热区域。

通过设置辅助测量系统并在辅助测量系统与主测量系统之间设置隔热区域，本实用新型的热阻测量装置可有效地减小热阻或热导率测量过程中的横向热损失，从而提高测量准确度。

根据本实用新型的试件等效热阻测量装置的优选实施例，所述隔热区域是真空区域。

将隔热区域设置为真空区域能够实现更好的隔热效果，主测量系统与辅助测量系统之间几乎不存在直接导热和对流换热，从而有助于进一步提高测量准确度。

根据本实用新型的试件等效热阻测量装置的优选实施例，包括与所述真空区域连通的真空抽气装置，用以在所述真空区域中形成真空。

通过设置真空抽气装置，可以在需要进行测量时根据实际需要形成适宜的真空环境，操作灵活。

根据本实用新型的试件等效热阻测量装置的优选实施例，所述隔热区域由两个间隔布置的防辐射屏围成的空间形成。

防辐射屏的设置可以阻挡横向热辐射，以进一步减小测量中的横向热损失，提高测量准确度。并且由两个防辐射屏所限定的需抽真空的空间体积较小。

根据本实用新型的试件等效热阻测量装置的优选实施例，在所述主测量系统和所述辅助测量系统外周包覆有绝热防护层。

绝热防护层的设置有助于阻挡测量装置向外界的传热，可以很好地减少辅助测量系统外侧的散热，从而保证辅助测量系统内部的温度梯度变化与主测量系统内的一致，在同一水平面上，两个的系统的温差非常小，因而有利于提高测量准确度。

根据本实用新型的试件等效热阻测量装置的优选实施例，所述主加热器还设置成沿与所述第一热流方向相反的第二热流方向设置于所述试件的第二试件的上游，

所述主测量系统还包括：

沿所述第二热流方向设置于所述第二试件下游的第二主制冷器，且在所述主加热器与所述第二试件之间以及在所述第二试件与所述第二主制冷器之间分别布设有温度传感器，以测量所述第二试件相应侧面的温度，并且，

所述辅助测量系统还包括：

垂直于所述第二热流方向与所述第二试件对齐设置的第二辅助测量试件以及垂直于所述第二热流方向与所述第二主制冷器对齐设置的第二辅助制冷器，使得所述辅助测量系统内部沿所述第二热流方向的温度梯度变化与所述主测量系统内的一致。

通过在主测量系统中设置第二试件，能保证主加热器所发出的所有热量均被试件直接吸收，从而使得在处理测量数据时无需考虑主加热器本身的发热量损耗，有助于提高测量准确度。

根据本实用新型的试件等效热阻测量装置的优选实施例，所述主加热器与所述第一试件的相面对的侧面具有相同的形状和尺寸。

这样的设置有助于保证试件的垂直于热流方向的各部分的热量分布是相同的，从而有利于提高测量准确度。

根据本实用新型的试件等效热阻测量装置的优选实施例，所述主加热器、所述第一试件和所述第一主制冷器沿所述第一热流方向具有相同的截面形状和尺寸。

这样的设置有利于减小测量装置的整体体积，且有助于隔热区域的一件式设计。

根据本实用新型的试件等效热阻测量装置的优选实施例，所述第一试件与所述第一辅助测量试件是彼此相同的试件。

选用相同构造的第一试件和第一辅助测量试件使得保持所述辅助测量系统内部沿所述第一热流方向的温度梯度变化与所述主测量系统内的一致变得更为简单。

根据本实用新型的试件等效热阻测量装置的优选实施例，所述第一试件是至少由蒙皮、隔热板和内饰板叠成的结构件。

上述较为复杂的结构件如背景技术中所述不适于采用现有技术测量装置进行等效热阻测量，而能通过本实用新型的测量装置便利地进行等效热阻测量。

综上所述，本实用新型的试件等效热阻测量装置的优选实施例的有益效果至少在于：主测量系统内的热流方向为一维线性，几乎没有向横向泄漏热量，可以利用傅里叶导热定律，求得被测试件的热阻。

应了解的是，上文的一般描述和下文的详细描述说明了各种实施例并且旨在提供理解要求保护的主题的性质和特征的概述或框架。本文件包括附图，以提供对各种实施例的进一步理解。附图纳入于本说明书中并且构成本说明书的部分。附图示出了本文所描述的各种实施例，并且与文字描述一起用来解释要求保护的主题的原理和操作。

附图说明

参考以上目的，本实用新型的技术特征在下文中清楚地描述，并且其优点从以下参考附图的详细描述中显而易见，附图以示例方式示出了本实用新型的优选实施例，而不限制本实用新型的范围。

附图中：

图1是现有技术中的试件等效热阻测量装置的理想的热流示意图，其中，热流仅沿一维方向从热板流向冷板；

图2是现有技术中的试件等效热阻测量装置的实际的热流示意图，其中，示出了热流的实际横向热损失；

图3是另一根据现有技术的测试装置的示意图；

图4是根据本实用新型的试件等效热阻测量装置的优选实施例的剖视示意图。

附图标记列表

10 热板(加热器)

20 冷板(制冷器)

30 试件

100 试件等效热阻测量装置

110 主加热器

120A 第一主制冷器

120B 第二主制冷器

130A 第一辅助测量试件

130B 第二辅助测量试件

140 辅助加热器

150A 第一辅助制冷器

150B 第二辅助制冷器

160 防辐射屏

170 绝热防护层

180 真空抽气装置

200A 第一试件

200B 第二试件

H1 第一热流方向

H2 第二热流方向

具体实施方式

现在将详细地描述本实用新型的实施方式，这些实施方式的示例被显示在附图中并在下文中被描述。尽管本实用新型将与示例性实施例相结合进行描述，但是应当意识到，本说明书并非旨在将本实用新型限制为所例示的那些实施例。相反，本实用新型旨在不但覆盖这些示例性实施例，而且还覆盖可以被包括在本实用新型的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等效形式及其他实施例。为了便于解释和精确定义本实用新型的技术方案，术语“上”、“下”、“内”和“外”用于参考在附图中所示的示例性实施例的特征的位置来对这些特征进行描述。

下面将参考附图对本实用新型的示例性实施例进行详细描述。

在图4中示出了根据本实用新型的优选实施例的试件等效热阻测量装置100。本实用新型中所指的试件可以是至少由蒙皮、隔热板和内饰板叠成的结构件、特别是飞机上所使用的结构件。

试件等效热阻测量装置100包括主测量系统。主测量系统至少包括主加热器110、第一主制冷器120A和温度传感器。主加热器110沿第一热流方向H1设置于试件中的第一试件200A上游。第一主制冷器120A沿第一热流方向H1设置于第一试件200A下游。温度传感器分别布设在主加热器110与第一试件200A之间以及在第一试件200A与第一主制冷器120A之间，温度传感器优选地分别与第一试件200A的上下侧面贴合，以测量第一试件200A相应侧面的温度。

试件等效热阻测量装置100还包括辅助测量系统。辅助测量系统设置在主测量系统的垂直于第一热流方向H1周围。换言之，辅助测量系统相对于主测量系统横向地偏置。优选地，如图4中的优选实施例中所示的，辅助测量系统围绕主测量系统设置在主测量系统之外，从而在与热流方向H1垂直的平面中将主测量系统完全包围在辅助测量系统中。

辅助测量系统包括第一辅助测量试件130A、辅助加热器140以及第一辅助制冷器150A。第一辅助测量试件130A垂直于第一热流方向H1与第一试件200A对齐设置。辅助加热器140垂直于第一热流方向H1与主加热器110对齐设置。第一辅助制冷器150A垂直于第一热流方向H1与第一主制冷器120A对齐设置。如上配置的主测量系统和辅助测量系统使得辅助测量系统内部沿第一热流方向H1的温度梯度变化与主测量系统内的一致。

此外，如图4中的优选实施例中所示的那样，优选地，主加热器110还可设置成沿与第一热流方向H1相反的第二热流方向H2设置于试件的第二试件200B的上游。换言之，试件除了包括布置在主加热器110第一侧上的第一试件200A之外，试件还可优选地包括布置在主加热器110的与第一侧相对的第二侧上的第二试件200B。

在设置上述第二试件200B的情形中，主测量系统还包括：沿第二热流方向H2设置于第二试件200B下游的第二主制冷器120B，且在主加热器110与第二试件200B之间以及在第二试件200B与第二主制冷器120B之间分别布设有温度传感器，以测量第二试件200B相应侧面的温度，并且，辅助测量系统还可包括：垂直于第二热流方向H2与第二试件200B对齐设置的第二辅助测量试件130B以及垂直于第二热流方向H2与第二主制冷器120B对齐设置的第二辅助制冷器150B，使得辅助测量系统内部沿第二热流方向H2的温度梯度变化与主测量系统内的一致。

换言之，在设置上述第二试件200B的优选实施例中，试件等效热阻测量装置100相对于主加热器110和辅助加热器140可具有大致镜像对称的布置。

第一试件200A与第一辅助测量试件130A优选是彼此相同的试件。类似地，第二试件200B与第二辅助测量试件130B优选是彼此相同的试件。要指出的是，此处所指的彼此相同至少是指两个结构件沿热流方向对热量分布产生影响的结构分布是彼此相同的。

主加热器110与第一试件200A和/或第二试件200B的相面对的侧面可具有相同的形状和尺寸。

主加热器110、第一试件200A和/或第二试件200B以及第一主制冷器120A和/或第二主制冷器120B沿第一热流方向H1可具有相同的截面形状和尺寸。

例如，优选地，主加热器110、第一主制冷器120A和第二主制冷器120B的形状可以为方形或圆形，且方形的边长或圆形直径分别相等。

辅助加热器140、第一辅助测量试件130A和/或第二辅助测量试件130B以及第一辅助制冷器150A和第二辅助制冷器150B的形状可以为环状。

这里要指出的是，为了测量的方便和准确，可以将辅助测量系统选择为与主测量系统具有相同的配置，故而以上针对主测量系统所描述的各种技术特征也可同样适用于辅助测量系统。此外，辅助测量系统的各部件可以做成一件式的，也可由可彼此组装的多个部件可拆卸地组装而成。

此外，根据本实用新型的测量装置在主测量系统与辅助测量系统之间设置有隔热区域。换言之，在主加热器110与辅助加热器140之间、在第一试件200A与第一辅助测量试件130A以及在第一主制冷器120A与第一辅助制冷器150A之间设置有隔热区域。并且在设置上述第二试件200B的优选实施例中，在第二试件200B与第二辅助测量试件130B以及在第二主制冷器120B与第二辅助制冷器150B之间设置有隔热区域。

上述主测量系统与辅助测量系统之间的隔热区域可以是一件式的。例如在图4中所示的优选实施例中，隔热区域可为截面呈圆环的柱状体。

在优选的实施例中，上述隔热区域可以设置成真空区域。为了形成该真空区域，本实用新型的测量装置还可优选地包括与真空区域连通的真空抽气装置180，用以在真空区域中形成真空。

在进一步优选的实施例中，如图4中所示的那样，上述隔热区域可由两个间隔布置的防辐射屏160围成的空间形成。防辐射屏160选用防热辐射的材料制成。要指出的是，在优选的实施例中，可以如以上所描述的那样，将由防辐射屏160之间的空间设置成真空区域。

优选地，本实用新型的测量装置还可在主测量系统和辅助测量系统外周包覆有绝热防护层170。绝热防护层170可完全围绕主测量系统和辅助测量系统设置。且绝热防护层170可选用现有技术中常见的合适材料。

以下结合图4描述使用本实用新型提出的试件等效热阻测量装置进行试件热阻测量的示意性方法步骤，本领域技术人员可以根据实际需要选用不同的方法或顺序。

首先，提供上文中所述、优选如图4中所示的试件等效热阻测量装置，其包括主测量系统、辅助测量系统以及由真空区域和绝热防护层组成的防护系统。其中，主测量系统包括主加热器110、第一主制冷器120A、第二主制冷器120B和若干温度传感器。辅助测量系统包括辅助加热器140、第一辅助制冷器150A和第二辅助制冷器150B，防护系统包括防辐射屏160(包括内侧防辐射屏和外侧防辐射屏)、真空抽气装置180、绝热防护层170等，辅助测量系统和防护系统的形状及尺寸按照测量要求与主测量系统的形状和尺寸相对应。

在要测量热阻时，对于主测量系统，将两块与主加热器110形状尺寸相同的被测试件200A、200B分别放置在主加热器110与主制冷器120A、120B之间，并在被测试件200A、200B的上下表面紧贴温度传感器，由下至上排列顺序为“第二(下侧)主制冷器120B－第二试件200B－主加热器－110－第一试件200A－第一(上侧)主制冷器120A”。对于辅助测量系统，将两块与辅助加热器140形状尺寸相同的辅助测量试件130A、130B放置在辅助加热器140与辅助制冷器150A、150B之间，排列顺序为“第二(下侧)辅助制冷器150B－第二辅助测量试件130B－辅助加热器140－第一辅助测量试件150A－第一(上侧)辅助制冷器150A”。

在组装好主测量系统和辅助测量系统之后，将主测量系统置于内侧防辐射屏围成的空间内，且与内侧防辐射屏紧贴，并在主测量系统的上侧和下侧均设有绝热防护层170。将辅助测量系统置于外侧防辐射屏和外侧绝热防护层170之间，且在辅助测量系统的上侧和下侧均设有绝热防护层170。在内外防辐射屏中间，留有一定的空间，并且利用真空抽气装置180，将此部分空间抽为真空。

在主测量系统一侧及辅助测量系统一侧，例如在所述真空层内的主测量系统一侧及辅助测量系统一侧并且与被测样品同样高度位置处，可以分别设置温度传感器，分别用于测量两侧的温度。通过比较两侧温度，可以更好地监测真空层的工作效果。

在实际测量过程中，主加热器110、主制冷器120A(120B)、辅助加热器140、辅助制冷器150A(150B)按照设定的热功率和温度工作，并测量被测试件200A(200B)上下表面的温度，待温度稳定之后，即可根据傅里叶导热定律求得被测试件200A(200B)的热阻。

以上已详细描述了本实用新型的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。

考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。

Claims (10)

1.一种试件等效热阻测量装置(100)，包括主测量系统，所述主测量系统包括：

沿第一热流方向(H1)设置于所述试件的第一试件(200A)上游的主加热器(110)和沿所述第一热流方向(H1)设置于所述第一试件(200A)下游的第一主制冷器(120A)，且在所述主加热器(110)与所述第一试件(200A)之间以及在所述第一试件(200A)与所述第一主制冷器(120A)之间分别布设有温度传感器，以测量所述第一试件(200A)相应侧面的温度，

其特征在于，

所述试件等效热阻测量装置(100)还包括辅助测量系统，所述辅助测量系统设置在所述主测量系统的垂直于所述第一热流方向(H1)周围，所述辅助测量系统包括：

垂直于所述第一热流方向(H1)与所述第一试件(200A)对齐设置的第一辅助测量试件(130A)、垂直于所述第一热流方向(H1)与所述主加热器(110)对齐设置的辅助加热器(140)以及垂直于所述第一热流方向(H1)与所述第一主制冷器(120A)对齐设置的第一辅助制冷器(150A)，使得所述辅助测量系统内部沿所述第一热流方向(H1)的温度梯度变化与所述主测量系统内的一致，并且，

在所述主测量系统与所述辅助测量系统之间设置有隔热区域。

2.根据权利要求1所述的试件等效热阻测量装置(100)，其特征在于，

所述隔热区域是真空区域。

3.根据权利要求2所述的试件等效热阻测量装置(100)，其特征在于，

包括与所述真空区域连通的真空抽气装置(180)，用以在所述真空区域中形成真空。

4.根据权利要求1所述的试件等效热阻测量装置(100)，其特征在于，

所述隔热区域由两个间隔布置的防辐射屏(160)围成的空间形成。

5.根据权利要求1所述的试件等效热阻测量装置(100)，其特征在于，

在所述主测量系统和所述辅助测量系统外周包覆有绝热防护层(170)。

6.根据权利要求1所述的试件等效热阻测量装置(100)，其特征在于，

所述主加热器(110)还设置成沿与所述第一热流方向(H1)相反的第二热流方向(H2)设置于所述试件的第二试件(200B)的上游，

所述主测量系统还包括：

沿所述第二热流方向(H2)设置于所述第二试件(200B)下游的第二主制冷器(120B)，且在所述主加热器(110)与所述第二试件(200B)之间以及在所述第二试件(200B)与所述第二主制冷器(120B)之间分别布设有温度传感器，以测量所述第二试件(200B)相应侧面的温度，并且，

所述辅助测量系统还包括：

垂直于所述第二热流方向(H2)与所述第二试件(200B)对齐设置的第二辅助测量试件(130B)以及垂直于所述第二热流方向(H2)与所述第二主制冷器(120B)对齐设置的第二辅助制冷器(150B)，使得所述辅助测量系统内部沿所述第二热流方向(H2)的温度梯度变化与所述主测量系统内的一致。

7.根据权利要求1所述的试件等效热阻测量装置(100)，其特征在于，

所述主加热器(110)与所述第一试件(200A)的相面对的侧面具有相同的形状和尺寸。

8.根据权利要求7所述的试件等效热阻测量装置(100)，其特征在于，

所述主加热器(110)、所述第一试件(200A)和所述第一主制冷器(120A)沿所述第一热流方向(H1)具有相同的截面形状和尺寸。

9.根据权利要求1所述的试件等效热阻测量装置(100)，其特征在于，

所述第一试件(200A)与所述第一辅助测量试件(130A)是彼此相同的试件。

10.根据权利要求1所述的试件等效热阻测量装置(100)，其特征在于，

所述第一试件(200A)是至少由蒙皮、隔热板和内饰板叠成的结构件。

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