专利名称：具有壁面绝热性能的热流加热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种加热器，具体地涉及一种具有壁面绝热性能的热流加 热器。
背景技术：
科学实验中很多场合需要单位表面上发热热流密度大、热流密度能够 调节、小型化的高热流加热器。例如，大功率激光器是国家发展高技术的 一个重要方向，激光器都是在很小的空间发出很大的功率。喷雾冷却是未 来激光器的一个重要热管理方法，如何实现小型化、与喷雾腔结合良好的 加热器，是科研和生产中的一个难题。目前在科学实验中，高热流加热器 多存在隔热不好、体积过大、能够实现的高热流加热有限等众多缺点，因 此能否实现具有极小漏热性能、小型化甚至微型化、超高热流是大功率激 光器发展的关键技术之一。
发明内容
本发明的的目的在于提供一种具有壁面绝热性能的热流加热器，该加 热器具有极小漏热性能。
为实现上述目的，本发明提供的热流加热器，其结构为
一加热器壳体，内部为多层金属材质的盒体结构，每层盒体之间用金 属柱或螺栓固定连接，为支撑骨架和各层盒体之间漏热的导热路径，相邻 的双层盒体间的金属柱或螺栓固定的位置不相同；
每层盒体之间设有间隙；
每层盒体均有单独的隔热盖；
一铜芯，呈若干栅格状，固定在加热器壳体的中心；该铜芯露出的部 分为发热表面；
3铜芯的每一栅格内安置一发热板，该些发热板的左右两侧绕设有电热
丝；
电热丝外套有小瓷管，实现高温下的电绝缘。
所述的具有壁面绝热性能的热流加热器，其中，铜芯固定在一金属支撑件上。
所述的具有壁面绝热性能的热流加热器，其中，金属支撑件为碳钢或不锈钢材质。
所述的具有壁面绝热性能的热流加热器，其中，每层盒体之间的间隙处填充隔热材料或为抽真空夹层。
所述的具有壁面绝热性能的热流加热器，其中，将套有瓷管的加热丝通过薄片固定在发热板上。
所述的具有壁面绝热性能的热流加热器，其中，铜芯为紫铜制成。
所述的具有壁面绝热性能的热流加热器，其中，金属材质的盒体为碳钢或不锈钢制成。
本发明的有益效果是
(1) 发热元件布置的空间紧凑，在有效空间内要能布置更多的换热面，实了大功率加热，使发热面能够达到高热流密度；
(2) 发热元件与环境间的隔热好，通过多层隔热，甚至真空隔热、导热漏热的路径长，漏热最低；
(3) 电热丝的电绝缘最好，瓷管绝缘材料要具有耐更高温度的性能；
(4) 加热器的重量和体积小，满足喷雾冷却等特殊实验要求的需要；
(5) 发热面可以设计成不同大小、不同形状；
(6) 发热面至发热体之间的热流段可以布置二个以上热电偶测点，通过付立叶定律换算得到加热热流密度。
图1为本发明的正面剖视图；图2a为铜芯的正面视图；图2b为铜芯的侧面视图；图3为本发明的立体剖面图-,图3b为本发明的立体视图4a为公知技术中采用直穿螺栓或金属柱结构的漏热示意图；图4b为本发明采用不同位置螺栓或金属柱结构的漏热示意图。
具体实施例方式
本发明的高热流加热器采用了不同位置螺栓的长导热路径方式。为说明本发明的效果，现与公知的同一位置的直穿螺栓进行比较以进一步说明本发明的创造性。图4a为公知技术的直穿螺栓或金属柱，图4b为本发明不同位置螺栓或金属柱的长导热路径方式。两种情况下漏热通过三种方式从芯体热源温度T:s到环境温度Tw，在芯体温度和环境温度都相同的情况下，漏热的多少取决于T4的大小。现从三种漏热机理分析如下
1) 导热根据付立叶定律，图4a结构的漏热0^-W教^^，图4b
:>、
结构的漏热込=-^ ^|^
上述公式中X是螺栓或金属柱的导热系数，』《为螺栓或金属柱的横截面积。
因为力〉>^，因此图4b结构的漏热极小，T4也比图4a结构小很多。再者，结构设计使发热芯体与第一层壳体之间尽量采用点接触连接和固定，会进一步减小发热芯体向壳体的漏热。另外，在各层支撑强度足够的情况下，尽量减小螺栓的横截面积，也会有效地减小导热漏热。
2) 对流根据牛顿定律，图4a中的外璧面温度T4大于图4b图中的T4， 2 = ^壁0;-7>^，可见图4b结构的对流漏热因T4很低而很小。
上述公式中a是外层盒体向环境空气的自然对流换热系数，jtf为外层盒体的表面积。
3) 辐射根据辐射换热的遮热板原理，在各板黑度相同的情况下，每增加一层隔热壳体，其辐射换热量减小了一半。因此，采用多层壳体会大大减少高温发热芯体的漏热量。
本发明提供具有极小漏热性能的热流加热器，其主要结构为(l)发热体采用内多栅发热芯结构，发热芯采用双面发热元件布置；(2) 发热元件与环境间采用多层空气层、甚至多层真空层隔热；多隔热层间的连接结构一方面尽量采用点接触，减小漏热通路面积，另一方面采用不同位置连接，使漏热传输的距离大大加长方案，使导热漏热的路径长，漏热最低；
(3) 每个发热芯采用双侧穿小瓷管电热丝加不锈钢点焊固定，电绝缘最好，绝缘材料要具有耐更高温度的能力；
(4) 隔热的层与层之间考虑必要的连接所需空间，其它不考虑，使结构设计更加紧凑，使加热器的重量和体积最小。
以下结合附图和实施例进行说明。
请参阅图l所示，本发明的加热器壳体，内部为多层金属材质的盒体结构，本例采用四层盒体进行说明。为便于叙述，将各层盒体按由内到外的顺序分别称之为内一盒4、内二盒5、内三盒6和外盒7 (图1中的4、5、 6、 7所示)，每层盒体之间用金属柱或螺栓(图1中的点1、点2、点3、点4所示)固定连接，这些金属柱螺栓为支撑各层盒体之间的骨架和各层盒体之间漏热的导热路径，相邻的双层盒体间的金属柱或螺栓固定的位置不相同(具体固定位置仍请参阅图1的点1、点2、点3、点4所示)；每层盒体均有单独的隔热盖，结合图l，内一盒4的隔热盖为内一盒盖8，内二盒5的隔热盖为内二盒盖9，内三盒6的隔热盖为内三盒盖10，外盒7的隔热盖为外盒盖11，由各盒体和的盒盖分别形成四个封闭的独立盒体。为了加强盒体之间的隔热效果，在每层盒体之间设置的间隙中，填充有隔热材料或为抽真空的夹层。
结合图2所示，在内一盒4的中心通过一支撑3固定一铜芯1，该铜
芯l呈若干栅格状，该铜芯露出的部分为发热表面；该铜芯从栅格到发热面之间有一很短的过渡段，该过渡段的截面可根据需要确定。
在本实施例中为呈四个栅格(该铜芯的材质可采用紫铜)。在铜芯1的四个栅格内，各安装有一个发热板2 (该些发热板2可以用碳钢或不锈钢材质制成)，该些发热板2的左右两侧都布有穿电热丝的瓷管，通过金属薄片固定，实现高温下的电绝缘。
实际工作时，导热漏热通过点1再通过内一盒4的壁面向上到点2，再通过内二盒5的壁面向下到点3，再通过内三盒6的壁面向上到点4，再到外盒7,漏热通过点接触减少漏热面积和漏热路径加长两种结构的设计降到最低。铜芯内发热芯所产生的热量除漏热以外，绝大部分被输送到上端的发热表面，使其产生高热流密度。
附图2中的15、 16、 17三点代表三个热电偶测温井，加热器工作时可通过在测温井内布置的热电偶等温度传感器来测量的温度，并通过横截面积等来推算出热流密度值。
权利要求
1、一种具有壁面绝热性能的热流加热器，其结构为一加热器壳体，内部为多层金属材质的盒体结构，每层盒体之间用金属柱或螺栓固定连接，为支撑骨架和各层盒体之间漏热的导热路径，相邻的双层盒体间的金属柱或螺栓固定的位置不相同；每层盒体之间设有间隙；每层盒体均有单独的隔热盖；一铜芯，呈若干栅格状，固定在加热器壳体的中心；该铜芯露出的部分为发热表面；铜芯的每一栅格内安置一发热板，该些发热板的左右两侧绕设有电热丝；电热丝外套有小瓷管，实现高温下的电绝缘。
2、 如权利要求1所述的具有壁面绝热性能的热流加热器，其中，铜芯固定在一金属支撑件上。
3、 如权利要求2所述的具有壁面绝热性能的热流加热器，其中，金 属支撑件为碳钢或不锈钢材质。
4、 如权利要求1所述的具有壁面绝热性能的热流加热器，其中，每 层盒体之间的间隙处填充隔热材料或为抽真空夹层。
5、 如权利要求1所述的具有壁面绝热性能的热流加热器，其中，将 套有瓷管的加热丝通过薄片固定在发热板上。
6、 如权利要求1所述的具有壁面绝热性能的热流加热器，其中，铜 芯为紫铜制成。
7、 如权利要求1所述的具有壁面绝热性能的热流加热器，其中，金 属材质的盒体为碳钢或不锈钢制成。
全文摘要
一种具有壁面绝热性能的热流加热器，其结构为一加热器壳体，内部为多层金属材质的盒体结构，每层盒体之间用金属柱或螺栓固定连接，为支撑骨架和各层盒体之间漏热的导热路径，相邻的双层盒体间的金属柱或螺栓固定的位置不相同；每层盒体之间设有间隙；每层盒体均有单独的隔热盖；一铜芯，呈若干栅格状，固定在加热器壳体的中心；该铜芯露出的部分为发热表面；铜芯的每一栅格内安置一发热板，该些发热板的左右两侧绕设有电热丝；电热丝外套有小瓷管，实现高温下的电绝缘。本发明的发热元件布置的空间紧凑，在有效空间内要能布置更多的换热面，使漏热减至极小，实现了高温下发热元件的电绝缘，实现了大功率加热，使发热面能够达到高热流密度。
文档编号B01L7/00GK101513621SQ20081005789
公开日2009年8月26日 申请日期2008年2月20日 优先权日2008年2月20日
发明者伟 曲 申请人:中国科学院工程热物理研究所