专利名称：高热流密度太阳能全谱辐射加热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种太阳能全谱段辐射加热装置，具体涉及一种高热流密度太阳能全谱辐射加热装置。
背景技术：
航空航天技术的不断发展使得高超声速飞行器成为现阶段各国发在的重点。突破“热障”是发展高超声速飞行器必须首先突破的关键技术问题。为使高超声速飞行器具有更好的气动外形提高其可操作性能和机动性能，未来的高超声速飞行器要求建立以非烧蚀或者低烧蚀防热结构和材料为主的热防护系统，达到减小因烧蚀退化引起的飞行器气动性能下降以及满足长时间服役的要求。这对高温环境下防/隔热材料的耐温极限、烧蚀、热冲击等使用性能提出了苛刻的要求。为了研究并测试新型防/隔热材料的使用性能，建立一系列地面测试设备。
目前测试与评价防/隔热材料使用性能的地面加热方式主要分为气动加热、辐射加热、通电加热以及感应加热等。气动加热装置主要有电弧风洞、高频等离子风洞、氧乙炔，可产生高热流密度的稳定流场，用于测试与评价防/隔热材料的烧蚀、热冲击、耐温、密封等性能，风洞能够在一定程度上模拟且适用结构广、模拟范围宽，但该设备系统构成复杂、建造与运行成本高、热流参数的调节与标定较为困难，对实验环境、水电要求较高，配套设施要求较高，特别是电弧、高频风洞数量较少；氧乙炔燃烧产生的气体干扰流场环境，因此基于气动加热的测试装置无法对防/隔热材料进行大规模原理性试验。感应、通电加热装置对供电具有较高要求，热载荷加载不均匀，材料表面及内部存在一定的温度梯度，且电场和磁场对材料有一定的影响。因此对防/隔热材料进行原理性测试，消除测试装置的干扰，分析与评价防/隔热材料耐温、烧蚀、热冲击等使用性能最佳的地面加热方式应为辐射加热。
辐射加热装置主要有电热辐射热、红外辐射加热等。高真空平板石墨加热炉是一种典型的电热辐射 加热装置，将石墨平板通电加热，利用石墨辐射热载荷对材料进行加热，石英灯阵列光电加热炉是一种红外辐射加热装置，通过红外石英灯管阵列获得红外光线，利用高强红外光线对材料进行辐射加热。由于石墨红外辐射和石英灯红外辐射不是全谱辐射，被测材料对各谱段辐射吸收率不同，导致这两种加热装置加热效率不高，产生的热流密度较低，加热速率较低，最大加热温度不超过1600°C，因此存在很大的局限性，急需一种高热流密度全谱段辐射加热装置对防/隔热材料进行测试与评价。发明内容
本发明的目的在于提供一种快速升温、静态加载的辐射式高温试验环境，对防/隔热材料在其服役环境下的防/隔热性能进行地面模拟的加热装置。
本发明的目的是这样实现的:一种高热流密度太阳能全谱辐射加热装置，电动狭缝、菲涅尔平面聚光透镜、二次棱镜、调整支架、石英窗口、三维旋转支架、追日子系统、电磁阀、热电偶温度传感器探头、步进电机、PLC控制子系统、制冷机、管道、真空电磁阀、真空泵、试样、水冷试样托架、真空调节阀和环境舱，热子系统包括电动狭缝、菲涅尔平面聚光透镜和二次棱镜，热子系统通过调整支架固定于三维旋转支架上，可沿轴向上下移动；三维旋转支架内部设有石英窗口，环境舱固定于三维旋转支架上，环境舱内设有水冷试样托架，试样放置在水冷试样托架上，环境舱底部设有真空调节阀，真空调节阀通过排气管道与真空泵连接，排气管道上设有真空电磁阀，追日子系统与三维旋转支架连接，水冷试样托架通过水通过管道与制冷机连接，热电偶温度传感器探头从水冷试样托架侧面穿过与试样连接。
本发明还有这样一些技术特征:太阳光经所述三维旋转支架顶端的菲涅尔平面聚光透镜、中部的二次聚光棱镜、石英窗口汇聚至水冷托架上试样表面；通过改变二次聚光棱镜的位置调节汇聚斑点的大小和位置；
试验舱内的真空度、水冷试样托架的位置、三维旋转支架的角度以及追日控制均通过PLC控制子系统进行调节。
本发明所提供的全谱段辐射加热装置高热流密度、参数可调、科学简易、操作简单、低成本。通过菲涅尔平面聚光透镜和二次聚光棱镜将太阳光高效汇聚，产生高热流密度载荷，对环境舱内防/隔热材料进行加载，实现其烧蚀、热冲击等使用性能的测试与评价。
图1为发明的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅只局限于下面的实施例:
实施例一
本实施例是一种高热流密度太阳能全谱辐射加热装置，包括电动狭缝I，下方的菲涅尔平面聚光透镜2和二次棱镜3，通过调整支架4固定于三维旋转支架6上，可沿轴向上下移动，太阳光经透镜2、棱镜3,穿过环境舱19上方石英窗口 5汇聚于试样16上,试样置于水冷托架17上，冷却循环水通过管道13与制冷机12相连，由PLC控制子系统11控制，热电偶温度传感器探头9从侧面穿过水冷托架置于试样背壁，温度信号传输并存储至PLC，追日子系统7与三维旋转支架相连，通过电磁阀8和步进电机10调整三维旋转支架6角度并由PLC进行控制，真空调节阀18置于环境舱19底部，排气管道经真空电磁阀14与真空泵15相连，通过调节真空 调节阀控制环境舱19内压力，舱内压力由电阻真空计监控，并通过PLC记录压力变化。
本实施例能够对防/隔热材料进行高热流密度全谱辐射加热，首先将试件16装夹至水冷托架17上，根据试样16大小及加热区域设计光路，通过调整支架4确定二次棱镜3的位置以及水冷托架17的高度确定以满足光路要求，确定加热区域，连接热电偶温度传感器探头9至试样16背壁，通过万用表测试信号传输正常后关闭舱门，通过PLC集中控制系统开启制冷机12，冷却循环水通过管道13进入水冷托架，确保加热前冷却循环水运行正常，以防止托架烧坏，开启真空电磁阀14启动真空泵15，通过真空调节阀18调节环境舱19的压力，利用电阻真空计监控舱内压力变化，数据传输并存储至PLC，待真空舱19内压力达到试验要求后，PLC控制步进电机10调节调整三维旋转支架6与太阳位置，校正后通过PLC启动追日子系统7，进行三维旋转支架6对太阳的自动追踪，同时开启温度传感器信号采集存储，信号传输正常后，开启电动狭缝1，即开始加热，整个操作均通过PLC控制子系统操作面板进行集中控制，试验结束后，关闭点动狭缝1、信号采集开关和追日子系统7，关闭真空电磁阀14，停止真空泵15，开启进气阀门后打开环境舱19，取出试样并获取PLC中存储数据，关闭制冷剂，断电。
高娃氧材料高温加热试验，试件尺寸:直径为IOmm,厚度为3mm。将试件固定于水冷托架上，通过控制子系统改变托架和二次棱镜的位置调节加载光斑直径至10mm，改变真空阀大小调节环境舱内压力KT2Pa ;开启狭缝进行加载，追日子系统自动追踪太阳运动，进行连续加热同时利用热电偶温度传感器记录试样背壁温度历程；试验表明，试验进行到60s时，试件背壁温度已达到1600°C。
实施例二
本实施例是一种高热流密度太阳能全谱辐射加热装置，包括电动狭缝I，下方的菲涅尔平面聚光透镜2和二次棱镜3，通过调整支架4固定于三维旋转支架6上，可沿轴向上下移动，太阳光经透镜2、棱镜3,穿过环境舱19上方石英窗口 5汇聚于试样16上,试样置于水冷托架17上，冷却循环水通过管道13与制冷机12相连，由PLC控制子系统11控制，热电偶温度传感器探头 9从侧面穿过水冷托架置于试样背壁，温度信号传输并存储至PLC，追日子系统7与三维旋转支架相连，通过电磁阀8和步进电机10调整三维旋转支架6角度并由PLC进行控制，真空调节阀18置于环境舱19底部，排气管道经真空电磁阀14与真空泵15相连，通过调节真空调节阀控制环境舱19内压力，舱内压力由电阻真空计监控，并通过PLC记录压力变化。
本实施例能够对防/隔热材料进行高热流密度全谱辐射加热，首先将试件16装夹至水冷托架17上，根据试样16大小及加热区域设计光路，通过调整支架4确定二次棱镜3的位置以及水冷托架17的高度确定以满足光路要求，确定加热区域，连接热电偶温度传感器探头9至试样16背壁，通过万用表测试信号传输正常后关闭舱门，通过PLC集中控制系统开启制冷机12，冷却循环水通过管道13进入水冷托架，确保加热前冷却循环水运行正常，以防止托架烧坏，开启真空电磁阀14启动真空泵15，通过真空调节阀18调节环境舱19的压力，利用电阻真空计监控舱内压力变化，数据传输并存储至PLC，待真空舱19内压力达到试验要求后，PLC控制步进电机10调节调整三维旋转支架6与太阳位置，校正后通过PLC启动追日子系统7，进行三维旋转支架6对太阳的自动追踪，同时开启温度传感器信号采集存储，信号传输正常后，开启电动狭缝1，即开始加热，整个操作均通过PLC控制子系统操作面板进行集中控制，试验结束后，关闭点动狭缝1、信号采集开关和追日子系统7，关闭真空电磁阀14，停止真空泵15，开启进气阀门后打开环境舱19，取出试样并获取PLC中存储数据，关闭制冷剂，断电。
石墨材料静态加热试验，试件尺寸:直径为IOmm,厚度分别为3mm、5mm和10mm。将试件固定于水冷托架上，通过控制子系统改变托架和二次棱镜的位置调节加载光斑直径至10mm，改变真空阀大小调节环境舱内压力10_2Pa ;开启狭缝进行加载，追日子系统自动追踪太阳运动，进行连续加热同时利用热电偶温度传感器记录试样背壁温度历程；试验结果如下:
权利要求
1.一种高热流密度太阳能全谱辐射加热装置，电动狭缝(I)、菲涅尔平面聚光透镜(2)、二次棱镜(3)、调整支架(4)、石英窗口(5)、三维旋转支架(6)、追日子系统(7)、电磁阀(8)、热电偶温度传感器探头(9)、步进电机(10)、PLC控制子系统(11)、制冷机(12)、管道(13)、真空电磁阀(14)、真空泵(15)、试样(16)、水冷试样托架(17)、真空调节阀(18)和环境舱(19)，其特征在于:热子系统包括电动狭缝(I)、菲涅尔平面聚光透镜(2)和二次棱镜(3)，热子系统通过调整支架(4)固定于三维旋转支架(6)上，可沿轴向上下移动；三维旋转支架￠)内部设有石英窗口(5)，环境舱(19)固定于三维旋转支架(6)上，环境舱(19)内设有水冷试样托架(17),试样(16)放置在水冷试样托架(17)上,环境舱(19)底部设有真空调节阀(18)，真空调节阀(18)通过排气管道与真空泵(15)连接，排气管道上设有真空电磁阀(14)，追日子系统(7)与三维旋转支架(6)连接，水冷试样托架(17)通过水通过管道(13)与制冷机(12)连接，热电偶温度传感器探头(9)从水冷试样托架(17)侧面穿过与试样(16)连接。
2.根据权利要求1所述的一种高热流密度太阳能全谱辐射加热装置，其特征在于:太阳光经所述三维旋转支架(6)顶端的菲涅尔平面聚光透镜(2)、中部的二次聚光棱镜(3)、石英窗口(5)汇聚至水冷托架上试样(16)表面；通过改变二次聚光棱镜(2)的位置调节汇聚斑点的大小和位置。
3.根据权利要求1所述的一种高热流密度太阳能全谱辐射加热装置，其特征在于:试验舱内的真空度、水冷试样托架(17)的位置、三维旋转支架￠)的角度以及追日控制均通过PLC控制子系统( 11)进行调节。
全文摘要
本发明提供一种高热流密度太阳能全谱辐射加热装置，电动狭缝、菲涅尔平面聚光透镜、二次棱镜、调整支架、石英窗口、三维旋转支架、追日子系统、电磁阀、热电偶温度传感器探头、步进电机、PLC控制子系统、制冷机、管道、真空电磁阀、真空泵、试样、水冷试样托架、真空调节阀和环境舱。本发明所提供的全谱段辐射加热装置高热流密度、参数可调、科学简易、操作简单、低成本。通过菲涅尔平面聚光透镜和二次聚光棱镜将太阳光高效汇聚，产生高热流密度载荷，对环境舱内防/隔热材料进行加载，实现其烧蚀、热冲击等使用性能的测试与评价。
文档编号G01N25/00GK103234998SQ20131014596
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月25日 优先权日2013年4月25日
发明者孟松鹤, 易法军, 朱燕伟, 金华, 王伟 申请人:哈尔滨工业大学