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原文传递界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置及方法

专利名称：	界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置及方法
摘要：	界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置及方法，箱体内腔底部配置激光加热组件和绝热耐高温支撑座内，箱体内腔顶部设有冷却水箱，绝热耐高温支撑座和冷却水箱之间的箱体内设有试样组件，试样组件与箱体侧壁之间通过环形的绝热保温层隔热，冷却水箱紧贴试样组件上端以冷却试样组件，并且能够在压力驱动下朝向激光加热组件对试样组件加压；冷却水箱的压力驱动上设有压力传感器；试样组件的温度采集点上设有温度采集元件；激光加热组件与箱体外的激光发生器光纤连接；本装置工作中激光加热铸件对组合试样下表面均匀加热，冷却水箱对下表面均匀冷却，侧面绝热，保证了组合试样内部沿试样长度方向的一维传热，用于对热导率和界面换热系数的测量。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	上海;31
申请人：	上海工程技术大学
发明人：	何博;田运灿;蒋梦麒;潘宇飞
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-22T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-09T00:00:00+0800
申请号：	CN201910221550.9
公开号：	CN109991266A
代理机构：	上海唯智赢专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	李明洁
分类号：	G01N25/20(2006.01);G;G01;G01N;G01N25
申请人地址：	201620 上海市松江区龙腾路333号
主权项：	1.界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，其特征在于：箱体(2)内腔底部配置激光加热组件，激光加热组件固设于绝热耐高温支撑座(16)内，箱体(2)内腔顶部设有冷却水箱(12)，绝热耐高温支撑座(16)和冷却水箱(12)之间的箱体(2)内设有试样组件，试样组件与箱体(2)侧壁之间通过环形的绝热保温层(4)隔热，冷却水箱(12)紧贴试样组件上端以冷却试样组件，并且能够在压力驱动下朝向激光加热组件对试样组件加压，试样组件下端紧贴绝热耐高温支撑座(16)顶部；冷却水箱(12)的压力驱动上设有压力传感器(19)，压力传感器(19)与压力信号采集模块(20)信号连接；试样组件为第一组合试样(3)，或者第二组合试样(21)中的任意一种，其中，第一组合试样(3)包括第一铸型试样(301)和第一铸件试样(302)，第一铸型试样(301)朝向第一铸件试样(302)的一端端面上覆盖铸型涂层(22)；第二组合试样(21)包括标准试样(211)和第二铸型试样(212)或第二铸件试样(213)中的一种；任一组合试样中的两试样上下紧密贴合叠放；各试样上分别沿试样轴向、间隔均匀的在试样中心处设置至少三个温度采集点，每个温度采集点上分别设有温度采集元件；试样组件下端底部中心处也设有温度采集元件，所有温度采集元件均与温度信号采集模块(6)信号连接；激光加热组件与箱体外的激光发生器(14)光纤连接；压力信号采集模块(20)、温度信号采集模块(6)和激光发生器(14)分别与计算机信号连接。 2.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，其特征在于：所述冷却水箱(12)的压力驱动为液压组件(7)。 3.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，其特征在于：所述绝热保温层(4)为绝热石棉层，所述绝热耐高温支撑座(16)为硅酸铝支撑座。 4.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，其特征在于：所述冷却水箱(12)通过进水管(9)与箱体(2)外的水泵(8)连接、通过出水管(10)与箱体(2)外的回收水箱(11)连接；进水管(9)和出水管(10)分别从箱体(2)上的长条形开孔(201)活动穿过，开孔长度方向沿冷却水箱(12)的加压方向；回收水箱(11)高于冷却水箱(12)配置，回收水箱(11)上部设有排水孔。 5.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，其特征在于：所述第一铸型试样(301)和第一铸件试样(302)为直径相同的圆柱形试样；标准试样(211)和第二铸型试样(212)、第二铸件试样(213)为直径相同的圆柱形试样。 6.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，其特征在于：所述激光加热组件包括炉体(23)，激光头(17)和分束器(18)，炉体(23)上的激光头(17)正对试样组件下端中心配置，分束器(18)外缘尺寸与试样组件下端外缘尺寸对应。 7.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置，其特征在于：所述温度采集元件为热电偶(5)。 8.一种应用权利要求1～7任一所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置进行材料热导率测量的方法，包括以下步骤：第一步，将第二组合试样(21)安放在绝热耐高温支撑座(16)上；冷却水箱(12)紧贴第二组合试样(21)顶部并保持加压值为设定值；第二步，激光加热组件以设定输出功率开始加热第二铸件试样(213)下端，并经标准试样(211)上端传热给冷却水箱(12)，温度采集元件测得温度后通过温度信号采集模块(6)传至计算机，计算机根据温度信息进一步调节激光发生器(14)功率，直至从第二铸件试样(213)下端底部中心处的温度采集元件获得的温度值为稳定的设定值，且第二组合试样(21)上每个温度采集点的温度信号稳定；通过温度信号采集模块(6)采集每个温度采集点的温度：根据第二铸型试样(212)或第二铸件试样(213)各温度采集点的温度，获得各自的轴向温度梯度值，根据标准试样(211)各温度采集点的温度获得其轴向温度梯度值；结合标准试样(211)的热导率计算待测的第二铸型试样(212)或第二铸件试样(213)的热导率，热导率公式为：式中，λ为标准试样(211)的热导率，k1为标准试样(211)的轴向温度梯度值，k为待测的第二铸型试样(212)或第二铸件试样(213)的温度梯度值；第三步，改变激光发生器(14)的输出功率以改变加热温度，重复上述第二步，直至测得不同加热温度下的第二铸型试样(212)和第二铸件试样(213)的热导率。 9.一种应用权利要求1～7任一所述所述的界面换热系数及材料热导率的激光加热测量装置进行界面换热系数测量的方法，包括以下步骤：第一步，将第一组合试样(3)安放在绝热耐高温支撑座(16)上；冷却水箱(12)紧贴第一组合试样(3)顶部并保持加压值为设定值；第二步，激光加热组件以设定输出功率开始加热第一铸件试样(302)下端，并经第一组合试样(3)上端传热给冷却水箱(12)，温度采集元件测得温度通过温度信号采集模块(6)传至计算机，计算机根据温度信息进一步调节激光发生器(14)功率，直至从第一铸件试样(302)下端底部中心处的温度采集元件获得的温度值为稳定的设定值，且第一组合试样(3)上每个温度采集点的温度信号稳定；通过温度信号采集模块(6)读取第一铸型试样(301)和第一铸件试样(302)上的每个温度采集点的温度值，从而获得第一铸型试样(301)和第一铸件试样(302)中心处的轴向温度梯度；第三步，根据第一铸型试样(301)和第一铸件试样(302)的轴向温度分析计算界面换热系数： Ⅰ、计算通过第一铸型试样(301)横截面的热流，热流公式为：式中，Aα为第一铸型试样(301)的横截面积；λ1为第一铸型试样(301)的热导率；ΔL1为第一铸型试样(301)距第一铸件试样(302)最近的两个相邻温度采集元件之间的距离；ΔT1为第一铸型试样(301)距第一铸件试样(302)最近的两个相邻温度采集元件之间的温度差； Ⅱ、计算通过第一铸件试样(302)横截面的热流，热流公式为：式中，Aα为第一铸件试样(302)的横截面积；λ2为第一铸件试样(302)的热导率；ΔL2为第一铸件试样(302)距第一铸型试样(301)最近的两个相邻温度采集元件之间的距离；ΔT2为第一铸件试样(302)距第一铸型试样(301)最近的两个相邻温度采集元件之间的温度差； Ⅲ、计算通过界面的平均热流，平均热流公式为： Ⅳ、根据第一铸型试样(301)的轴向温度梯度，结合外推法获得第一铸型试样(301)与第一铸件试样(302)接触面处第一铸型试样(301)一侧的界面温度；根据第一铸件试样(302)的轴向温度梯度，结合外推法获得第一铸件试样(302)与第一铸型试样(301)接触面处第一铸件试样(302)一侧的界面温度；利用两个界面温度之间的温度差推导出固-固界面换热系数，换热系数计算公式为：式中，Aα为界面接触面积；ΔTC为两个界面温度之间的温度差；Q为通过界面的平均热流；改变冷却水箱(12)的加压值以改变界面压力，和/或改变第一铸型试样(301)的铸型涂层(22)厚度，和/或改变第一铸型试样(301)与第一铸件试样(302)接触面处的表面粗糙度，和/或改变激光发生器(14)的输出功率以改变加热温度，重复上述步骤，直至测得不同界面压力、涂层厚度、表面粗糙度、加热温度下的固-固界面换热系数。
所属类别：	发明专利