Охлаждаемый датчик теплового потока Российский патент 2024 года по МПК G01K17/20 G01K7/02 H05K7/20 

Изобретение относится к области теплофизических измерений, а именно к измерению лучистого теплового потока при тепловых испытаниях элементов летательных аппаратов в установках радиационного нагрева.

В технике известны различные способы оценки высокоинтенсивного теплового излучения, основанные на использовании датчиков теплового потока.

Анализ научных публикаций показал, что в научных исследованиях при измерении плотности высокоинтенсивных тепловых потоков применяются, в основном, способы, основанные на схеме датчика Гордона, например, датчики теплового потока, описанные в работе: «Сапожников, В.Ю. Митяков, А.В. Митяков, Градиентные датчики теплового потока, СПб., Изд. СПбГПУ, 2003, 168 с.», а также в известных технических решениях: патент CN203745106U «Датчик теплового потока с жидкостным охлаждением», Китайская Народная Республика, заявка № CN 201320830684, заявл. 16.12.2013, опубл. 30.07.2014; авторские свидетельства СССР № 892232, Кл. G01 К 1/14, опубл. 23.12.81 Бюл.№47, №705281, Кл. G01К 17/06, опубл. 25.12.1979 Бюл.№47; патенты РФ на изобретения №2700726, МПК G01К 17/06, опубл. 19.09.2019 Бюл.№26, №2737681, МПК G01К 17/20, опубл. 02.12.2020 Бюл.№34.

Основными недостатками известных конструкций датчиков теплового потока является сложность конструкции и технология их изготовления, а также большая стоимость из-за сложности производства.

Известно техническое решение «Датчик теплового потока» (патент РФ № 2700726, МПК G01К 17/06, опубл. 19.09.2019 Бюл.№26), в котором тепловоспринимающий элемент выполнен в виде тонкостенного жаропрочного колпачка с установленным внутри него вкладышем из материала с ортогонально анизотропной теплопроводностью, причем коэффициент теплопроводности вдоль продольной оси датчика существенно меньше коэффициента теплопроводности в поперечном направлении к ней, а термопары выполнены в жаростойком исполнении из платино-родиевого сплава.

Недостатком известного технического решения является сложность конструкции, применение термопар из драгоценных металлов, что существенно повышает стоимость их изготовления.

Наиболее близким по технической сущности является техническое решение «Охлаждаемый датчик теплового потока» (патент РФ №2791676, МПК G01К 17/20, G01К 7/02, Н05К 7/20, опубл. 13.03.2023 Бюл.№8), в котором чувствительный элемент датчика выполнен по схеме Гордона с устройством охлаждения, а корпус чувствительного элемента используется в качестве составной части конструкции.

Недостатком известного технического решения является зависимость охлаждения от положения датчика. Этот недостаток содержится почти у всех охлаждаемых датчиков теплового потока с полой камерой для жидкости. Устранение этого недостатка позволит расширить функциональные возможности и надежность применения датчиков теплового потока.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерений теплового потока за счет расширения функциональных возможностей датчика и надежность их применения.

Технический результат достигается тем, что предложен:

1.Охлаждаемый датчик теплового потока, чувствительный элемент которого выполнен по схеме Гордона, отличающийся тем, что устройство охлаждения выполнено из трех составляющих: основа в виде цилиндра с внутренней резьбой для монтажа чувствительного элемента и с крупной резьбой снаружи, на которую монтируется второй цилиндр горячим способом таким образом, чтобы образовался непрерывный спиралевидный канал протекания охлаждающей жидкости от основания основы до верха цилиндра, а на полученную сборку монтируется внешний кожух с зазором относительно второго цилиндра, причем для ввода охлаждающей жидкости в начале спиралевидного канала в основание основы монтируется трубка ввода, а вывод охлаждающей жидкости осуществляется через зазор между вторым цилиндром и внешним кожухом через трубку вывода, смонтированную в основание основы.

2. Охлаждаемый датчик теплового потока по п.1, отличающийся тем, что высота корпуса чувствительного элемента датчика теплового потока равна высоте цилиндрической части основы.

3. Охлаждаемый датчик теплового потока по п.1, отличающийся тем, что в качестве охлаждающей жидкости может быть применена вода.

4. Охлаждаемый датчик теплового потока по п.1, отличающийся тем, что внешний кожух устройства может быть присоединен к основе сваркой или пайкой.

5. Охлаждаемый датчик теплового потока по п.1, отличающийся тем, что в основании основы выполнены отверстия для крепления к объекту исследования.

Изобретение поясняется чертежом.

На чертеже приведена предлагаемая конструкция датчика теплового потока (ДТП), где цифрой 1 обозначена основа рубашки охлаждения, цилиндрическая часть которой выполнена с внутренней резьбой для монтажа корпуса чувствительного элемента 4, а на наружной поверхности цилиндрической части основы выполнена крупная резьба. На цилиндрической части основы 1 рубашки охлаждения монтируется горячим способом сжимающий цилиндр 2, а после монтируется внешний кожух 3, который соединяется с верхней частью цилиндра основы 1, а в нижней части с основанием основы. Чувствительный элемент 4 выполнен по схеме Гордона, где пластина 5 из константана монтируется в гнездо корпуса чувствительного элемента 4 для обеспечения центровки, а центральный электрод 6 крепится сваркой. Электрические провода от центрального электрода 6 и корпуса чувствительного элемента 4 отмечены цифрой 7. Цифрой 9 отмечена охлаждающая жидкость в спиралевидном канале и в камере между внешним кожухом 3 и сжимающим цилиндром 2.

Охлаждающая жидкость подается в устройство охлаждения через трубку 8.

На чертеже цифрой 10 обозначен теплоизолирующий материал, который заполняет камеру под константановой пластиной 5.

Устройство работает следующим образом.

Охлаждающая жидкость поступает в устройство через трубку 8 и по крупной резьбе основы 1, которая образует спиралевидный канал рубашки охлаждения, омывает всю цилиндрическую часть. Далее через щель между сжимающим цилиндром 2 и верхней частью внешнего конуса 3 поступает в щель между прижимающим цилиндром 2 и внешним кожухом 3 и через трубку выхода сливается или поступает в магистраль охлаждения. Так как корпус чувствительного элемента 4 ввинчивается только в верхней части основы, в этой части происходит более интенсивный теплообмен между чувствительным элементом 4 и устройством охлаждения.

Из конструкции устройства видно, что при избыточном давлении охлаждающей жидкости во входной трубке 8 охлаждение корпуса чувствительного элемента 4 датчика теплового потока не зависит от его положения в пространстве. Это дает возможность смонтировать датчик теплового потока в любом положении для регистрации и оценки плотности падающего на него радиационного теплового потока. Электрический сигнал от дифференциальной термопары, которая образовывается между центральным электродом 6 и корпусом чувствительного элемента 4 подается в систему измерения.

Экспериментальные исследования датчика теплового потока (ДТП) предлагаемой конструкции при регистрации плотности теплового потока в диапазоне до 2 мВт/м² показали, что для предлагаемого варианта охлаждения в любом положении температура корпуса при длительной работе не превышает 50 °С, а чувствительность равна чувствительности датчика типа ФОА 013 в этом же диапазоне.

Изобретение относится к области теплофизических измерений, а именно к измерению лучистого теплового потока при тепловых испытаниях элементов летательных аппаратов в установках радиационного нагрева. Предложен охлаждаемый датчик теплового потока, чувствительный элемент которого выполнен по схеме Гордона, где устройство охлаждения выполнено из трех составляющих: основа в виде цилиндра с внутренней резьбой для монтажа чувствительного элемента и с крупной резьбой снаружи, на которую монтируется второй цилиндр горячим способом таким образом, чтобы образовался непрерывный спиралевидный канал протекания охлаждающей жидкости от основания основы до верха цилиндра, а на полученную сборку монтируется внешний кожух с зазором относительно второго цилиндра, причем для ввода охлаждающей жидкости в начале спиралевидного канала в основание основы монтируется трубка ввода, а вывод охлаждающей жидкости осуществляется через зазор между вторым цилиндром и внешним кожухом через трубку вывода, смонтированную в основание основы. Технический результат – повышение точности измерений теплового потока за счет расширения функциональных возможностей датчика и надежность применения. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Охлаждаемый датчик теплового потока, чувствительный элемент которого выполнен по схеме Гордона, отличающийся тем, что устройство охлаждения выполнено из трех составляющих: основа в виде цилиндра с внутренней резьбой для монтажа чувствительного элемента и с крупной резьбой снаружи, на которую монтируется второй цилиндр горячим способом таким образом, чтобы образовался непрерывный спиралевидный канал протекания охлаждающей жидкости от основания основы до верха цилиндра, а на полученную сборку монтируется внешний кожух с зазором относительно второго цилиндра, причем для ввода охлаждающей жидкости в начале спиралевидного канала в основание основы монтируется трубка ввода, а вывод охлаждающей жидкости осуществляется через зазор между вторым цилиндром и внешним кожухом через трубку вывода, смонтированную в основание основы.

2. Охлаждаемый датчик теплового потока по п.1, отличающийся тем, что высота корпуса чувствительного элемента датчика теплового потока равна высоте цилиндрической части основы.

3. Охлаждаемый датчик теплового потока по п.1, отличающийся тем, что в качестве охлаждающей жидкости может быть применена вода.

4. Охлаждаемый датчик теплового потока по п.1, отличающийся тем, что внешний кожух устройства может быть присоединен к основе сваркой или пайкой.

5. Охлаждаемый датчик теплового потока по п.1, отличающийся тем, что в основании основы выполнены отверстия для крепления к объекту исследования.