Охлаждаемый датчик теплового потока Российский патент 2025 года по МПК G01K17/20 G01K7/02 

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 Гардона, например: С.З.Сапожников, В.Ю.Митяков, А.В.Митяков. Градиентные датчики теплового потока, СПб., Изд. СПбГПУ, 2003, 168 с.; патент CN203745106 «Датчик теплового потока с жидкостным охлаждением» опубл. 30.07.2014; авторские свидетельства СССР № 892232 опубл. 23.12.1981 и № 705281 25.12.1979г; патенты РФ № 2700726, № 2737681 и др.

Практически все известные датчики теплового потока (далее – ДТП) по схеме Гордона выполнены на основе дифференциальной медь-константановой термопаре: где центральный электрод и корпус выполнены из меди, а тепловоспринимающий элемент из константана. Такие датчики широко применяются в различных отраслях промышленности, где требуется измерить величину плотности тепловых потоков, однако технология изготовления таких датчиков достаточно громоздкая из-за ограниченных технических возможностей соединения константановой пластины с медным корпусом.

Наиболее близким по технической сущности является охлаждаемый датчик теплового потока по патенту РФ №2791676 опубл.12.03.2023. Этот датчик выполнен по классической схеме Гордона: центральный электрод и корпус выполнены из меди, а тепловоспринимающий элемент из константановой фольги.

Недостатком данного датчика является громоздкая технология изготовления из-за ограниченных технических возможностей соединения константановой пластины с медным корпусом.

Технический результатом предлагаемого изобретения заключается в упрощение технологии изготовления датчика теплового потока.

Указанный технический результат достигается тем, что представлен:

1. Охлаждаемый датчик теплового потока (ДТП), выполненный по схеме Гордона, содержащий чувствительный элемент, соединенный с корпусом, электроды и устройство охлаждения, причем ДТП и устройство охлаждения выполнены как отдельные элементы с возможностью их сборки в единое целое за счет нанесения на наружной части корпуса ДТП резьбы, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен на основе дифференциальной железо-константановой термопары таким образом, что центральный электрод и корпус выполнены из железа, а тепловоспринимающая часть выполнена из константановой фольги.

2. Охлаждаемый датчик теплового потока (ДТП) по п.1, отличающийся тем, что пространство под тепловоспринимающим элементом выполнено в виде трех цилиндров разного диаметра: первый цилиндр под тепловоспринимающим элементом выполнен с большим диаметром из материала с теплопроводностью, близкой к теплопроводности сухого воздуха, а второй меньшего диаметра заполнен керамическим материалом или керамической трубкой, через которой проходит центральный электрод дифференциальной термопары, который соединен с центром тепловоспринимающего элемента, а в третьем цилиндре крепится второй электрод дифференциальной термопары к корпусу, причем пространство третьего цилиндра после того, как на электроды дифференциальной термопары монтируются гибкие трубки из высокотемпературного электроизолирующего материала, заполняется высокотемпературным клеем таким образом, чтобы фиксировать электроды и гибкие трубки в одном положении относительно корпуса ДТП.

Применение дифференциальной железо-константановой термопары дает возможность использовать точечную сварку для соединения константановой пластины с железным корпусом и с центральным электродом. Это упрощает технологию изготовления датчика.

На фигуре приведен чертеж предлагаемой конструкции ДТП, где корпус чувствительного элемента ДТП 1 с тепловоспринимающим элементом 2 ввинчен в первой цилиндрической части устройства охлаждения 8 с внутренним резьбовым отверстием 10, причем внутреннее пространство корпуса ДТП состоит из трех цилиндров: первый цилиндр 3 заполнен тепло электро изоляционным материалом с низкой теплопроводностью; промежуточный цилиндр 4 заполнен керамическим материалом (керамической трубкой); третий цилиндр 5 заполнен электро изолирующим клеевым составом, который фиксирует положение электродов дифференциальной термопары 6 и 7 в одном положении, причем центральный электрод дифференциальной термопары 6 проходит через ось симметрии корпуса 1, цифрой 7 обозначен второй электрод дифференциальной термопары. Устройство охлаждения состоит из двух цилиндрических частей: первая цилиндрическая часть 8 склеена со второй частью 9 высокотемпературным герметиком 12, причем после нанесения герметика обе части 8 и 9 стягиваются в единое целое с помощью корпуса 1 ДТП. Для охлаждения корпуса ДТП охлаждающая жидкость 13 нагнетается через трубку 11, а выводится через трубку 14. Цифрой 15 обозначена вытекающая жидкость. Следует отметить, что составные части 8 и 9 устройства охлаждения должны быть выполнены из материала с высокой теплопроводностью, например из меди.

Экспериментальные исследования датчика теплового потока предлагаемой конструкции при регистрации плотности теплового потока в диапазоне до 2 мВт/м² показали, что для варианта с камерой охлаждения (см.фигуру) температура корпуса при длительной работе не превышает 50 °С, а чувствительность равна чувствительности датчика теплового потока 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 (ДТП), выполненный по схеме Гордона, содержащий чувствительный элемент, соединенный с корпусом, электроды и устройство охлаждения, причем ДТП и устройство охлаждения выполнены как отдельные элементы с возможностью их сборки в единое целое за счет нанесения на наружной части корпуса ДТП резьбы, при этом чувствительный элемент выполнен на основе дифференциальной железоконстантановой термопары таким образом, что центральный электрод и корпус выполнены из железа, а тепловоспринимающая часть выполнена из константановой фольги. Также в данном охлаждаемом ДТП пространство под тепловоспринимающим элементом выполнено в виде трех цилиндров разного диаметра. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении высокой точности измерений теплового потока, а также в упрощении технологии изготовления датчика теплового потока. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Охлаждаемый датчик теплового потока (ДТП), выполненный по схеме Гордона, содержащий чувствительный элемент, соединенный с корпусом, электроды и устройство охлаждения, причем ДТП и устройство охлаждения выполнены как отдельные элементы с возможностью их сборки в единое целое за счет нанесения на наружной части корпуса ДТП резьбы, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен на основе дифференциальной железоконстантановой термопары таким образом, что центральный электрод и корпус выполнены из железа, а тепловоспринимающая часть выполнена из константановой фольги.

2. Охлаждаемый датчик теплового потока (ДТП) по п.1, отличающийся тем, что пространство под тепловоспринимающим элементом выполнено в виде трех цилиндров разного диаметра: первый цилиндр под тепловоспринимающим элементом выполнен с большим диаметром из материала с теплопроводностью, близкой к теплопроводности сухого воздуха, а второй меньшего диаметра заполнен керамическим материалом или керамической трубкой, через которую проходит центральный электрод дифференциальной термопары, который соединен с центром тепловоспринимающего элемента, а в третьем цилиндре крепится второй электрод дифференциальной термопары к корпусу, причем пространство третьего цилиндра после того, как на электроды дифференциальной термопары монтируются гибкие трубки из высокотемпературного электроизолирующего материала, заполняется высокотемпературным клеем таким образом, чтобы фиксировать электроды и гибкие трубки в одном положении относительно корпуса ДТП.