[發明專利]一種液體冷卻夾層的鹵素燈與模塊化平面加熱裝置

在審

• 申請號: 201810246750.5
• 申請日: 2018-03-23
• 公開（公告）號: CN108170186A
• 公開（公告）日: 2018-06-15
• 發明（設計）人: 王鐵軍;蔣昊南;范學領;李鴻宇;江鵬
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G05D23/32
• 分類號: G05D23/32;G01N3/02;G01N3/60
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開一種液體冷卻夾層的鹵素燈與模塊化平面加熱裝置，包括液體冷卻夾層鹵素燈結構、平面加熱裝置結構、部分零部件的技術處理；其中，平面加熱裝置用于布置內部冷卻管路、電氣線路、與固定鹵素燈；由液體冷卻夾層鹵素燈結構組成的燈管組負責對表面加熱；通過部分零部件的技術處理，優化在加熱過程中，燈管的冷卻性能與燈結構件的冷卻性能。本發明克服了傳統燃氣熱沖擊及等溫熱循環試驗裝置成本高、噪音大、效率低及無法模擬梯度溫度環境的缺點，克服了傳統石英燈加熱裝置，無法對不同加熱面適應性使用同時進行強制冷卻的缺點，并將石英燈平面正常加熱溫度極限提升到了1700℃，實現了經濟、安全、清潔、安靜和高效的加熱試驗。

技術領域

本發明涉及一種液體冷卻夾層的鹵素燈與模塊化平面加熱裝置，適用于大面積復雜異型結構復雜熱環境加熱實驗，可用于高超聲速飛行器、航空發動機等極端熱環境試驗模擬。

背景技術

在過去的幾十年中，世界各國對高超聲速飛行器越來越重視，我國高超聲速飛行器的發展也正在尋求新的突破，飛行器高超聲速飛行后出現的氣動加熱現象非常嚴重，飛機以馬赫數3飛行時，其表面駐點溫度就可高達500℃，馬赫數為8-9的高超音速巡航導彈彈翼前緣溫度將超過1200℃。由于氣動熱產生的高溫，會降低材料的強度極限和飛行器結構的承載能力，使飛行器材料產生熱變形，破壞部件的氣動外形并影響安全飛行。為保證高速飛行器的安全，確認飛行器材料是否能經得起高速飛行時所產生的熱沖擊及高溫熱應力破壞，必須對高速飛行器所使用的材料與結構進行靜、動態的氣動熱模擬試驗與熱-載聯合試驗。模擬飛行材料在高速飛行時的受熱狀況，測試并分析瞬態熱沖擊條件下材料的熱強度、熱應力、熱變形、熱膨脹量等高溫力學性能參數的變化對飛行安全的影響。

目前對于高超聲速飛行器大型復雜曲面氣動加熱實驗問題，當前的方法為采用定制化加熱設備，根據所需加熱形面搭建與之適應的支架，支架間布置裸露的鹵素燈加熱管，對曲面進行加熱測試。其中，鹵素燈加熱管不做強制冷卻；鹵素燈燈管的電線直接接入加熱控制電源總線。實驗過程中，首先將加熱曲面推入到加熱設備的支架內。傳統的加熱方式有以下幾個問題：

1、裸露的鹵素燈加熱管，燈管背部輻射不用高效地利用到加熱過程。

2、鹵素燈燈管不做強制冷卻，其加熱極限受到燈管極限耐溫限制。

3、單一化定制設備，不具有對于不同類型、大小的曲面氣動加熱試驗適應性。

4、高超聲速飛行器氣動加熱的溫度場分布復雜，對于定制設備，控制系統編寫難度大，實驗周期長。

同時，在過去的幾十年中，薄膜基底系統的研究已經成為材料科學與工程領域發展中的主題之一，固態薄膜已成功應用于電子、信息、航天航天、醫藥等諸多領域的多種工程系統，并實現了多種功能。例如集成電路中的薄膜器件、柔性微機電系統中的薄膜傳感器、高溫熱端部件表面的隔熱涂層以及摩擦磨損零件表面的耐磨涂層。然而，薄膜基底系統中薄膜材料與基底材料自身材料屬性的不匹配，往往會導致薄膜產生足夠大的內應力，造成薄膜的脫層、斷裂，甚至失效。對于以熱障涂層為代表的高溫隔熱涂層而言，熱失配引起的內應力是導致涂層系統剝離失效的主要原因之一，熱沖擊性能是評價高溫隔熱涂層服役性能的主要實驗手段。

目前，高溫隔熱涂層熱沖擊性能大多通過燃氣熱沖擊試驗裝置或者等溫熱循環試驗裝置完成。燃氣熱沖擊試驗裝置的基本原理是利用高溫火焰噴槍產生高溫高速火焰直接加熱被測試樣，同時利用壓縮空氣對試樣的背面進行冷卻，保持一段時間后停止加熱，繼續利用壓縮空氣使被測試樣降至常溫，完成一次熱沖擊，然后以此循環，實現溫度梯度環境下的熱沖擊測試。然而，以熱障涂層為例，在燃氣加熱1250℃、保溫5min、壓縮空氣強制冷卻至常溫以及表面剝離15％認定為失效的情況下，其熱沖擊壽命往往可達8000次以上，一次完整的實驗往往需要耗費數月，這對實驗操作的可行性及可重復性帶來了巨大困難。總體來說，傳統的熱沖擊性能評價方式存在以下幾個方面的問題：

1、燃料的需求量非常大，成本居高不下；