Инфракрасный нагревательный блок Российский патент 2020 года по МПК G01M5/00 G01N25/72 H05B3/24 

Изобретение относится к экспериментальной технике для теплопрочностных статических испытаний конструкций летательных аппаратов, в частности к инфракрасным нагревательным средствам.

При теплопрочностных испытаниях различных конструкций в определенных условиях требуется длительное (>500 с) нагревание конструкций до Т=2700 К со скоростью до 100 К/с.Для нагревания требуется лучистый поток с плотностью до 2000 кВт/м², который возможно получить с помощью вакуумной камеры при низком (менее 100 Па) давлении воздуха или с помощью камеры, заполненной нейтральным газом (например, азотом или аргоном).

Реализация выше поставленной задачи по созданию необходимой температуры нагревания и скорости потока выполняется с помощью создания инфракрасных нагревательных блоков, в конструкцию которых входят высокотемпературные излучатели и экраны.

Известен инфракрасный нагревательный блок (патент RU №2539974, МПК Н05В 3/24, 2013 г.) содержащий каркас, инфракрасные излучатели, выполненные из композиционного углеродного материала в виде П-образной, не имеющей соединений пластины, представляющей собой тело накала, токоподводящие концы которой толще тела накала в 4-5 раз и перпендикулярны ему. Экран изготовлен из высокотемпературной волокнистой теплоизоляционной плиты (Ultra Board) и разрезан на отдельные квадратные плитки пазами глубиной 4-5 мм, а на его облучаемую поверхность нанесено покрытие из материала с хорошей отражательной способностью.

С точки зрения требования получения температуры до Т=2700 К со скоростью до 100 К/с в течение длительного времени недостатками инфракрасного нагревателя (патент №2539974) являются:

1) Разрушение экрана. В процессе длительной эксплуатации (>500 с) происходит нагрев экрана выше эксплуатационной температуры (Т_экс.=2000 К) вызывая его последующее разрушение. Кроме того, при высоких темпах нагрева может происходить расслоение поверхностного слоя плиты (Ultra Board) из-за температурных напряжений в материале.

2) Разрушение подводящих ток шин и кабелей. При длительной эксплуатации инфракрасного нагревательного блока (>500 с) до температуры Т=2200 К токоподводящие концы нагреваются до температуры выше 1200 К вызывая разрушение шин и кабелей.

3) Возможность возникновения электрического пробоя при высокой температуре токоподводящих концов излучателей и низком вакуумном давлении.

Задачей и техническим результатом настоящего изобретения являются создание инфракрасного нагревательного блока, обеспечивающего повышение максимальной температуры нагреваемой конструкции (до 2700 К) и увеличение плотности падающего на нее лучистого потока, необходимого для быстрого нагревания объекта испытаний (до 2000 кВт/м²).

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в инфракрасном нагревательном блоке, содержащем каркас, инфракрасные излучатели, токоподводящие шины и теплоизоляционный экран, теплоизоляционный экран содержит выполненный из низкотемпературного термоизолирующего материала корпус с продольными боковыми стенками и дном, и последовательно установленные высокотемпературные термоаккумулирующую и термоизолирующую пластины, а также высокотемпературные электроизоляторы, одна пара которых изолирует внутренние стенки корпуса и излучателей от термоаккумулирующей и термоизолирующей пластин, а вторая пара изолирует внешние стороны излучателей и внешние стенки корпуса от дополнительно установленной термоизолирующей пластины, а токоподводящие части излучателей дополнительно содержат компенсаторы температуры. Корпус выполнен из низкотемпературного термоизолирующего материала ULTRA BOARD, теплоаккумулирующая пластина выполнена из графита, термоизолирующие пластины выполнены из высокотемпературного малотеплопроводного материала УКМК-1. Высокотемпературные электроизоляторы установлены с зазором относительно инфракрасных излучателей и выполнены из нитрида бора BN. Токоподводящие части инфракрасных излучателей выполнены термостойкими, состоящими из углеродной части и компенсатора температуры, выполненного из меди, при этом углеродная часть и компенсатор излучателя соединены между собой через термостойкую электропроводящую пасту.

На фигуре 1 представлен общий вид нагревательного блока.

На фигуре 2 показана схема экрана нагревательного блока

На фигуре 3 представлен график потребляемый мощности нагревательного блока КМЭ-4,6 с четырьмя и шестью излучателями в зависимости от напряжения.

Не имеющие соединений инфракрасные излучатели 1, число которых может меняться (до 6 штук), выполнены из композиционного материала углерод-углерод в виде П-образной пластины с утолщенными концами 2, снабженными медными компенсаторами температуры 3. Они вместе с утолщенными концами 2 представляют собой токоподводящую шину излучателя 1 (Фиг. 1).

Экран изготовлен многослойным, каждый слой которого выполняет определенную цель. Он содержит выполненный из низкотемпературного термоизолирующего материала, работающего только до Т=2000 К (например, волокнистой теплоизоляционной плиты "Ultra Board"), корпус 4 с продольными боковыми стенками и дном, и последовательно установленные высокотемпературные термоаккумулирующую пластину 5, выполненную из графита и служащую поглотителем тепла за счет высокой теплоемкости, и термоизолирующую пластину 6 с низкой теплопроводностью (λ=0,75 Вт/мК), но высокой термостойкостью до Т_раб=3000 К из углерод-углеродного композиционного материала (например, УКМТ-1), а также высокотемпературные электроизоляторы.

Так как углерод-углеродный композиционный материал УКМТ-1 и графит являются электропроводными материалами, то инфракрасные излучатели с двух сторон защищены высокотемпературными электроизоляторами 7 и 8 из нитрида бора BN, которые не касаются токоподводов излучателей, образуя зазор 9 в зоне высоких температур, где материал BN может терять свои электроизоляционные свойства (Фиг. 1). Для защиты токоподводящих концов 2 инфракрасных излучателей в зоне высоких температур электроизоляторы 7 выдвинуты над пластиной 6 и выступают как экраны, снижающие тепловой поток.

По периметру нагревательный блок снабжен также боковым экраном 10 из композиционного материала УКМТ-1, и боковым экраном 18 из нитрида бора BN (Фиг. 2).

На основании каркаса 11, который выполнен в виде пластины с отбортовкой из нержавеющей стали, в центральной части приварен кронштейн 12, с помощью которого крепится инфракрасный нагревательный блок. На кронштейне установлены также несущие державки 13 и изоляторы 14, на которых укреплены токоведущие шины инфракрасного нагревательного блока 15 и инфракрасные излучатели 1 с медными компенсаторами температуры 3. Компенсаторы температуры 3, обеспечивающие снижение до приемлемого уровня температуры утолщенных концов инфракрасных излучателей и места подсоединения токоподводящих шин 15, с помощью вольфрамовых шпилек 16 через графитовую пасту плотно (жестко) соединены с утолщенными концами 2 инфракрасных излучателей 1, подключенных параллельно к токоподводящим шинам 15. нагревательного блока. Места подсоединения токоподводящих шин 15 нагревательного инфракрасного блока с компенсаторами температуры 3 также соединены через графитовую пасту.

Утолщенные концы 2 инфракрасных излучателей проходят через прямоугольные отверстия в корпусе 4, прикрепленного к основанию каркаса при помощи стяжек 17. С помощью стяжек 17 укреплены также боковые экраны 10 и 18. По периметру корпуса экрана 4 установлены термостойкие электроизолирующие экраны 18 из нитрида бора. Между электроизоляторами 7 на днище корпуса экрана 4 уложена теплоаккумулирующая пластина 5 из графита и теплоизолирующая пластина 6 из УКМТ-1 (Фиг. 1).

Предлагаемый нагревательный блок работает следующим образом:

При протекании электрического тока через излучатели, при напряжении U=49 B на площади нагревательного блока размером 230 мм × 230 мм реализуется тепловой поток с плотностью q=2200 кВт/м² (Фиг. 3). Поступающий от системы электропитания нагревательной установки ток нагревает тела накала излучателей, которые испускают лучистый поток, падающий на поверхность объекта испытаний и экран блока. Поверхность экрана быстро нагревается, излучая поток значительной плотности на нагреваемую поверхность конструкции. Регулируя напряжение, подаваемое на инфракрасный нагревательный блок, и соответственно, силу тока в его излучателях, изменяют температуру их тел накала и плотность лучистого потока, падающего на объект испытаний, таким образом, чтобы изменять температуру его поверхности в соответствии заданной зависимостью ее от времени.

Тепловые расчеты предлагаемого нагревательного блока показали, что при выполнении программы нагревания испытываемой конструкции до Т=2700 К результирующим тепловым потоком с плотностью до 2000 кВт/м² с последующей выдержкой конструкции при этой температуре в течение 2000 секунд, температура горячей поверхности экрана может достигать 2800 К, а за счет теплоизолирующих экрана 4 и пластин 5, 6 температура металлического корпуса 11 не будет превышать 500-600 К, что вполне допустимо.

Тела накала излучателей при этом нагреваются до температуры 2700-2800 К, а их утолщенные концы, снабженные медными компенсаторами температуры, могут нагреться до температуры, не превышающей 500-600 К, что вполне допустимо при работе блока в вакууме или среде инертных и нейтральных (азот или аргон) газах.

Изобретение относится к экспериментальной технике для теплопрочностных статических испытаний конструкций летательных аппаратов, в частности к инфракрасным нагревательным средствам. При теплопрочностных испытаниях различных конструкций в определенных условиях требуется длительное (>500 с) нагревание конструкций до Т=2700 К со скоростью до 100 К/с и лучистым потоком с плотностью до 2000 кВт/м². Разработан инфракрасный нагревательный блок, содержащий каркас, инфракрасные излучатели, токоподводящие шины и теплоизоляционный экран, отличающийся тем, что теплоизоляционный экран, выполненный из низкотемпературного термоизолирующего материала, содержит корпус с продольными боковыми стенками и дно с последовательно установленными высокотемпературными термоаккумулирующей и термоизолирующей пластинами, а также высокотемпературные электроизоляторы, одна пара которых изолирует внутренние стенки корпуса и излучателей от термоаккумулирующей и термоизолирующей пластин, а вторая пара изолирует внешние стороны излучателей и внешние стенки корпуса от дополнительно установленной термоизолирующей пластины; а токоподводящие шины инфракрасных излучателей дополнительно содержат компенсаторы температуры. Тепловые расчеты предлагаемого нагревательного блока показали, что при выполнении программы нагревания испытываемой конструкции до Т=2700 К результирующим тепловым потоком с плотностью до 2000 кВт/м² с последующей выдержкой конструкции при этой температуре в течение 2000 секунд температура горячей поверхности экрана может достигать 2800 К. Технический результат – повышение максимальной температуры нагреваемой конструкции и увеличение плотности падающего на нее лучистого потока, необходимого для быстрого нагревания объекта испытаний. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Инфракрасный нагревательный блок, содержащий каркас, инфракрасные излучатели, токоподводящие шины и теплоизоляционный экран, отличающийся тем, что теплоизоляционный экран содержит выполненный из низкотемпературного термоизолирующего материала корпус с продольными боковыми стенками и дном и последовательно установленные высокотемпературные термоаккумулирующую и термоизолирующую пластины, а также высокотемпературные электроизоляторы, одна пара которых изолирует внутренние стенки корпуса и излучателей от термоаккумулирующей и термоизолирующей пластин, а вторая пара изолирует внешние стороны излучателей и внешние стенки корпуса от дополнительно установленной термоизолирующей пластины, а токоподводящие шины инфракрасных излучателей дополнительно содержат компенсаторы температуры.

2. Инфракрасный нагревательный блок по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен из низкотемпературного термоизолирующего материала ULTRA BOARD.

3. Инфракрасный нагревательный блок по п. 1, отличающийся тем, что теплоаккумулирующая пластина выполнена из графита.

4. Инфракрасный нагревательный блок по п. 1, отличающийся тем, что термоизолирующие пластины выполнены из высокотемпературного малотеплопроводного материала УКМК-1.

5. Инфракрасный нагревательный блок по п. 1, отличающийся тем, что высокотемпературные электроизоляторы установлены с зазором относительно излучателей.

6. Инфракрасный нагревательный блок по п. 1, отличающийся тем, что высокотемпературные электроизоляторы выполнены из нитрида бора BN.

7. Инфракрасный нагревательный блок по п. 1, отличающийся тем, что токоподводящие шины инфракрасных излучателей выполнены термостойкими, состоящими из углеродной части и компенсатора температуры, выполненного из меди.

8. Инфракрасный нагревательный блок по п. 7, отличающийся тем, что части токоподводящих шин инфракрасного излучателя соединены между собой через термостойкую электропроводящую пасту.

9. Инфракрасный нагревательный блок по п. 8, отличающийся тем, что токоподводящие шины нагревательного блока соединены с компенсатором температуры через термостойкую электропроводящую пасту.