一种低热容动态量热计及其使用方法技术

本发明专利技术公开了一种低热容动态量热计及其使用方法，低热容动态量热计包括温控器、热泵组件、传感器、导热组件和隔热框，热泵组件为平板状，其上侧的受热面和下侧的散热面上分别设置有温度传感器，隔热框为由隔热材料制成的方形密封壳体，热泵组件镶嵌在隔热框上侧壁上，受热面与隔热框上表面齐平，导热组件为内部设有冷却水道的方板状部件，其在隔热框内，以上侧壁紧贴散热面的方式焊接在热泵组件上，冷却水道与位于隔热框外的水源连通，用以冷却水循环，温控器设置在所述隔热框内，其包括为热泵组件提供电流的电源，受热面和散热面上的温度传感器分别信号连接至所述温控器。本发明专利技术根据温控器测量的工作电流、电压可以计算得到此时的热流密度。

A Low Heat Capacity Dynamic Calorimeter and Its Application

The invention discloses a low heat capacity dynamic calorimeter and its use method. The low heat capacity dynamic calorimeter includes a thermostat, a heat pump assembly, a sensor, a heat conduction component and a heat insulation frame. The heat pump assembly is flat, and the upper heating surface and the lower cooling surface are respectively provided with temperature sensors. The heat insulation frame is a square sealed shell made of heat insulation material, and the heat pump assembly is embedded in the heat pump assembly. On the upper side wall of the heat insulating frame, the heating surface is level with the upper surface of the heat insulating frame, and the heat conducting component is a square plate-shaped component with cooling water channel inside the heat insulating frame. In the heat insulating frame, the upper side wall is welded on the heat pump assembly by the way of close contact with the radiating surface. The cooling water channel is connected with the water source outside the heat insulating frame for cooling water circulation, and the temperature controller is arranged in the heat insulating frame, which includes lifting the heat pump assembly. A power supply for supply current, a temperature sensor on the heating surface and a heat sink surface are connected to the temperature controller respectively. According to the working current and voltage measured by the thermostat, the heat flux density at this time can be calculated.

【技术实现步骤摘要】
一种低热容动态量热计及其使用方法
本专利技术涉及一种用于测量热流密度的低热容动态量热计，特别是一种应用于航天飞行器热防护材料地面模拟试验中的量热计，可以在高温高速气流中动态测量热流密度。
技术介绍
航天飞行器外防热材料进行热防护地面模拟试验时，通常在电弧风洞中利用电弧加热空气形成高温高速气流流过材料表面并对其加热，此过程中常用热流密度来衡量气流对材料表面加热的严重程度，其范围通常在5×103W/m2～5×107W/m2。通常使用量热计有塞式量热计和水卡量热计，其有效测量范围分别为5×104W/m2～3×106W/m2和2×106W/m2～5×107W/m2能够满足中高热流密度的测量要求，但是在5×103W/m2～5×104W/m2的低热流密度范围内目前没有可以实际使用的量热计。此外塞式量热计热响应比较快，但是作为一种瞬态量热计不能够长时间测量热流密度动态变化，水卡量热计可以长时间测量热流密度变化，但是热容很大，温度响应很慢，不能及时反映热流密度的变化，因此需要设计一种能在5×103W/m2～5×104W/m2低热流密度范围内完成测量要求的低热容动态量热计。制冷半导体是利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的导体，在其两端即可分别吸收热量和放出热量，利用这个特点可以实现制冷的目。将制冷半导体的冷热两个端面分别与两块薄铜板通过钎焊连接，面间填充隔热材料，可以组合形成一个具有受热面和散热面的低热容热泵组件，通过改变工作电流可以快速，准确的调整冷热面的温差，实现将热量从受热面传递至散热面的热泵效果。制冷半导体主要优点是温度调节精度高、调整速度快、工作无噪音、不需要制冷剂、体积小，缺点是功率小，制冷效率低，难以实现大功率制冷要求，常见商业封装的制冷半导体长宽高尺寸为4cm×4cm×0.5cm，功率为180W。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：提供了一种低热容动态量热计，可长时间测量范围在5×103W/m2～5×104W/m2内的热流密度变化，以满足航天飞行器热防护地面模拟试验要求。本专利技术的低热容动态量热计包括温控器、热泵组件、传感器、导热组件和隔热框，所述热泵组件为平板状，其上侧的受热面和下侧的散热面上分别设置有温度传感器，所述隔热框为由隔热材料制成的方形的密封壳体，所述热泵组件镶嵌在所述隔热框的上侧壁上，且所述受热面与所述隔热框上表面齐平，所述导热组件为内部设有冷却水道方板状部件，其在所述隔热框内，以上侧壁紧贴所述散热面的方式焊接在所述热泵组件上，所述冷却水道与位于所述隔热框外的水源连通，用以冷却水循环，所述温控器设置在所述隔热框内，其包括为所述热泵组件提供电流的电源，所述受热面和所述散热面上的温度传感器分别信号连接至所述温控器，所述温控器能够根据两个所述传感器的传递来的数据调节制冷半导体的工作电流。优选所述热泵组件包括受热面，制冷半导体和散热面，所述受热面和所述散热面分别由1mm薄铜板构成，在两块薄铜板之间焊接有多组所述制冷半导体，并利用绝缘材料填充在两块所述薄铜板之间，制成为方板状夹层结构的热泵组件。优选所述薄铜板的尺寸为4cm×4cm×0.1cm，所述热泵组件的尺寸为4cm×4cm×0.5cm。优选所述导热组件形状与所述热泵组件的形状相同，两者焊接成一体的尺寸为4cm×4cm×10cm。优选所述温度传感器为热电偶式式传感器。本专利技术上述技术方案中任一项所述的低热容动态量热计的使用方法，包括：步骤一、将所述低热容动态量热计的受热面置于热流中；步骤二、通过大量的冷却水循环，将所述散热面的温度保持在需要的固定温度；步骤三、所述温控器连通所述热泵组件的电源，并根据所述受热面和散热面上的温度传感器传递来信号开始调节制冷半导体工作电流，保持受热面温度稳定在所述的固定值；和步骤四、根据测量到的受热面温度稳定后的工作电流和电压，通过以下公式计算气流热流密度动态变化：Q＝((U×I×δ))/s式中：Q—热流密度，单位：W/m2；U—工作电压，单位：V；I—工作电流，单位：A；δ—制冷效率，与冷热面温差和工作电流有关，可以查表得到；s—受热面积，单位：m2。本专利技术与现有技术相比的优点如下：(1)热泵组件受热面主要结构为薄铜板具有热容小、导热快、温度响应快；(2)热泵组件散热面与导热组件通过连接，能够将热量传导至冷却水，保持散热面温度稳定；(3)基于半导体制冷原理，通过调节工作电流控制热泵组件冷热面温度差，快速将高温高速气流的热量传至冷却水，具有精度高、速度快、无噪音、体积小的优点；(4)通过测量热泵组件工作电流、电压计算获得热流密度，测量精度高，速度快，采集频率可以达到100Hz附图说明图1为本专利技术的结构示意图。具体实施方式如图1所示，低热容动态量热计主要由温控器1、水泵及储水池2、热泵组件3、导热组件4和隔热框5构成。热泵组件3内部安装有多组制冷半导体，它们的制冷端面一同与一块4cm×4cm×0.1cm的铜板通过低温钎焊连接构成热泵组件的受热面，发热端面一同与一块4cm×4cm×0.1cm的铜板通过低温钎焊连接构成热泵组件的散热面，受热面和散热面间填充隔热胶，整体尺寸为4cm×4cm×0.5cm。然后将热泵组件的散热面通过低温钎焊与导热组件连接为一块尺寸为4cm×4cm×10cm整体，然后整体安装在隔热框中，受热面与隔热框表面齐平，与高温高速气流接触。导热组件内部加工有水流通道，由水泵从储水池抽取大量冷却水带走由热泵组件传递的热流，保持热泵组件的散热面温度稳定。温控器根据安装在热泵组件受热面和散热面的温度传感器信号，调整制冷半导体工作电流，进而控受热面温度稳定时，根据此时的工作电流、电压可以计算得到此时的热流密度。本专利技术的工作原理是：热泵组件的散热面与导热组件连接，然后安装在隔热框内，受热面与隔热框框平面齐平与待测的高温高速气流直接接触。热泵组件由温控器供电，导热组件由供水系统提供大量温度稳定的冷却水。温控器根据热泵组件的内安装的温度传感器通过调节工作电流控制热泵组件受热面和散热面的温度差不变，实现将高温高速气流传递给受热面的热量导出至冷却水带走。由于热泵组件散热面与导热组件连接，在大流量冷却水的作用下热泵组件散热面温度能保持稳定不变，而热泵组件受热面在气流作用下温度不断升高，温控器获得温差增大信号后，增加制冷半导体工作电流，使得冷面温度降低至初始温度，从而保持热泵组件受热面和散热面的温度差不变，通过测量工作电流和电压可以计算得到高温高速气流的流经热泵组件受热面的热流密度，由于热泵组件受热面热容小，制冷调节速度快，精度高，因此可以精确计算得到热流密度的动态变化，采集频率可以达到100Hz，热流密度计算公式如下：Q＝((U×I×δ))/s(1)式中：Q—热流密度，单位：W/m2；U—工作电压，单位：V；I—工作电流，单位：A；δ—制冷效率，与冷热面温差和工作电流有关，可以查表得到；s—受热面积，单位：m2；本专利技术的具体结构说明证明了本专利技术具有的特点，能够实现5×103W/m2～5×104W/m2低热流密度范围内倒台测量要求。本专利技术已经很有效地应用于航天飞行器防隔热材料气动热地面模拟试验中，特别是长时间条件下材料防隔热性能测试试验。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低热容动态量热计，其特征在于：包括温控器、热泵组件、传感器、导热组件和隔热框，所述热泵组件为平板状，其上侧的受热面和下侧的散热面上分别设置有温度传感器，所述隔热框为由隔热材料制成的方形的密封壳体，所述热泵组件镶嵌在所述隔热框的上侧壁上，且所述受热面与所述隔热框上表面齐平，所述导热组件为内部设有冷却水道的方板状部件，其在所述隔热框内，以上侧壁紧贴所述散热面的方式焊接在所述热泵组件上，所述冷却水道与位于所述隔热框外的水源连通，用以冷却水循环，所述温控器设置在所述隔热框内，其包括为所述热泵组件提供电流的电源，所述受热面和所述散热面上的温度传感器分别信号连接至所述温控器，所述温控器能够根据两个所述传感器的传递来的数据调节制冷半导体的工作电流。

【技术特征摘要】
1.一种低热容动态量热计，其特征在于：包括温控器、热泵组件、传感器、导热组件和隔热框，所述热泵组件为平板状，其上侧的受热面和下侧的散热面上分别设置有温度传感器，所述隔热框为由隔热材料制成的方形的密封壳体，所述热泵组件镶嵌在所述隔热框的上侧壁上，且所述受热面与所述隔热框上表面齐平，所述导热组件为内部设有冷却水道的方板状部件，其在所述隔热框内，以上侧壁紧贴所述散热面的方式焊接在所述热泵组件上，所述冷却水道与位于所述隔热框外的水源连通，用以冷却水循环，所述温控器设置在所述隔热框内，其包括为所述热泵组件提供电流的电源，所述受热面和所述散热面上的温度传感器分别信号连接至所述温控器，所述温控器能够根据两个所述传感器的传递来的数据调节制冷半导体的工作电流。2.根据权利要求1所述的低热容动态量热计，其特征在于：所述热泵组件包括受热面、制冷半导体和散热面，所述受热面和所述散热面分别由1mm薄铜板构成，在两块薄铜板之间焊接有多组所述制冷半导体，并利用绝缘材料填充在两块所述薄铜板之间，制成为方板状夹层结构的热泵组件。3.根据权利要求1所述的低热容动态量热计，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈智铭，欧东斌，张友华，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11