一种主动冷却棱镜折射式石英灯高温加热装置及方法与流程

本发明属于石英灯加热技术领域，具体涉及一种主动冷却棱镜折射式石英灯高温加热装置及方法。

背景技术：

先进燃气轮机、先进航空发动机、先进高超声速飞行器、先进原子能技术的发展不可避免地会遇见材料的耐热性设计与系统的热管理问题。如：先进高超声速飞行器的翼端前缘最高温度可达2200℃、燃气轮机的透平叶片的耐热性直接关系到燃气轮机的使用效率、航天器在使用时，将不可避免地遇见由于热障带来的通讯干扰问题等。为了有效地对材料极端高温的服役特性考核、系统极端高温热管理能力考核、系统高温热强度考核等，良好的试验装备具有至关重要的任务。

石英灯的加热，通过被卤素气体保护的特殊钨合金灯丝将电能转化成热辐射能，向试验件表面进行定向辐射。通过对辐射波段地设计，可使系统加热性能更为优良，加热效率更高。石英灯采用电能转化的方式进行加热，因此具有热惯性小、便于控制、清洁无污染的使用特点。并被广泛地应用在民用与工业加热领域。国际上，如美国nasa、中国航天702所实验室均有采用石英灯对飞行器进行热强度考核的案例。

石英灯虽然具有辐射波段易于选择、加热模块易于添加、加热系统易于控制的特点，但是石英灯的加热区域难以约束与控制，使得石英灯加热相比于氧丙烷火焰加热、电阻丝加热、感应式加热等难以进行高效的加热区域控制。

通常石英灯灯管的直径为9mm～13mm，加热距离约为10mm～100mm不等。因此难以实现小尺寸(小于50mm尺寸跨度)、大热流密度(1mw以上)、高加热温度(1000℃以上)的加热模拟任务(如航空发动机高压机的叶片等)。采用棱镜的折射的方式，可以良好的聚集石英灯的辐照光线，提高辐照强度与缩小加热范围。棱镜通常采用石英制成，石英在1000℃时将会产生石化现象，在石英中产生雾化区域。石英中的雾化区域将会显著降低石英的透光性，使得石英棱镜温度急剧上升，导致石英棱镜失效。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种主动冷却棱镜折射式石英灯高温加热装置及方法。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种主动冷却棱镜折射式石英灯高温加热装置，包括机架，以及顺次固定在机架上的辐照加热模块、可调冷却棱镜折射模块和工件固定模块。

本发明进一步的改进在于，机架包括机架主体，加工在机架主体内部的机架冷却流道，固定在机架主体上的辐照加热模块挂载架和冷却棱镜折射模块固定架，辐照加热模块通过辐照加热模块挂载架固定在机架上，可调冷却棱镜折射模块通过冷却棱镜折射模块固定架固定在机架上。

本发明进一步的改进在于，辐照加热模块包括固定在辐照加模块挂载架上的石英灯夹头，固定在石英灯夹头上的若干石英灯管道，以及贯通固定在石英灯管道内的石英灯。

本发明进一步的改进在于，可调冷却棱镜折射模块包括固定在可调冷却棱镜折射模块挂载架上的棱镜调整底座，球铰连接在棱镜调整底座上的一级调节臂，滑动副连接并能够通过拧紧螺丝变成固定在一级调节臂上的二级调节臂，通过球铰连接在二级调节臂上的棱镜纵擒夹，由2个棱镜纵擒夹固定的冷却折射棱镜，加工在冷却折射棱镜内的棱镜冷却流道，以及固定在棱镜冷却流道外部的管路接头。

本发明进一步的改进在于，通过向棱镜内部的棱镜冷却流道通入气体或液体冷却介质，使得棱镜在高温的环境下始终保持较低的温度，使得棱镜保持强度与通透，进一步使得棱镜能在超过1000℃的极端高温环境下始终保持良好的折射特性。

本发明进一步的改进在于，工件固定模块包括固定在机架主体上的夹具，以及加工在夹具内部的冷却流道，试验工件装夹在夹具上，试验工件上固定有测温传感器。

一种主动冷却棱镜折射式石英灯高温加热方法，该方法基于所述的一种主动冷却棱镜折射式石英灯高温加热装置，包括以下步骤：

步骤一、将需要加热的试验工件固定在夹具上，并将测温传感器布置在试验工件上，若试验工件需要冷却，则将夹具上的冷却流道连接到需要加热的试验工件上，若试验工件不需要冷却，则将夹具上的冷却流道外部接口封闭，用于夹具内部的流体冷却；

步骤二、根据任务需求，计算石英灯辐照的区域与强度，并考虑棱镜中通入气体或液体冷却介质后，依据计算结果，调整辐照加热模块的排布位置与调节可调棱镜折射模块的空间位置，当棱镜能实现对石英灯辐照区域的指定目标时，固定一级调节臂与二级调节臂以固定棱镜位置；

步骤三、对石英灯管道中通入对石英灯进行冷却的气体，对机架与固定模块中通入气体或液体冷却流质，用于对装置进行冷却，对冷却折射棱镜内部通入冷却介质；

步骤四、开启石英灯的电源与控制系统，对试验工件进行热加载任务；

步骤五、完成热加载任务后，关闭电源，待石英灯关闭完成五分钟后冷却，关闭石英灯冷却管道的冷却流道内的供气、关闭石英灯灯座内部的冷却流质、试验结束。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种主动冷却棱镜折射式石英灯高温加热装置，通过改变装置上的调整架连杆组，使用棱镜折射石英灯辐射的光束，以重新分配辐射光束的照射位置，实现对被加热区域热流密度的控制。通过该装置对热流密度进行控制，可实现对被加热的小型工件实现不同热流密度的加热，实现高温(大于1000℃)的大梯度(大于200℃/cm)的加热效果。更进一步地为了保护棱镜在使用过程中发热问题，采用向棱镜中内置冷却水管路通入冷却液体冷却的方式有效降低了棱镜在加热过程中的发热问题，延长棱镜的使用寿命。

本发明提供的一种主动冷却棱镜折射式石英灯高温加热方法，针对小范围的试验工件不好实现高温梯度的问题，通过基于棱镜原理来改变石英灯加热过程中的加热光束。更进一步地为了保护棱镜使用过程中发热问题，采用冷却液体冷却的方式带有棱镜中的热量，延长棱镜的使用寿命。为了能有效地使得棱镜发生位置变化，采用连杆组对棱镜进行固定。

附图说明

图1为本发明一种主动冷却棱镜折射式石英灯高温加热装置的结构示意图。

图2为本发明辐照加热模块的结构示意图。

图3为本发明辐照加热模块中石英灯管道结构示意图。

图4为本发明可调冷却棱镜折射模块的结构示意图。

图5为本发明可调冷却棱镜折射模块中棱镜冷却流道的结构示意图。

图6为本发明工件固定模块的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的一种主动冷却棱镜折射式石英灯高温加热装置，包括机架1，以及顺次固定在机架1上的辐照加热模块2、可调冷却棱镜折射模块3和工件固定模块4。

如图1所示，机架1包括机架主体101，加工在机架主体101内部的机架冷却流道102，固定在机架主体101上的辐照加热模块挂载架103和冷却棱镜折射模块固定架104，辐照加热模块2通过辐照加热模块挂载架103固定在机架1上，可调冷却棱镜折射模块3通过冷却棱镜折射模块固定架104固定在机架1上。

如图2和图3所示，辐照加热模块2包括固定在辐照加模块挂载架103上的石英灯夹头201，固定在石英灯夹头201上的若干石英灯管道202，以及贯通固定在石英灯管道202内的石英灯203。

如图4和图5所示，可调冷却棱镜折射模块3包括固定在可调冷却棱镜折射模块挂载架104上的棱镜调整底座301，球铰连接在棱镜调整底座301上的一级调节臂302，滑动副连接并能够通过拧紧螺丝变成固定在一级调节臂302上的二级调节臂303，通过球铰连接在二级调节臂303上的棱镜纵擒夹304，由2个棱镜纵擒夹304固定的冷却折射棱镜305，加工在冷却折射棱镜305内的棱镜冷却流道306，以及固定在棱镜冷却流道306外部的管路接头307。通过向棱镜内部的棱镜冷却流道306通入冷却介质，使得棱镜在高温的环境下始终保持较低的温度，使得棱镜保持强度与通透，进一步使得棱镜能在超过1000℃的极端高温环境下始终保持良好的折射特性。

如图6所示，工件固定模块4包括固定在机架主体101上的夹具401，以及加工在夹具401内部的冷却流道402，试验工件403装夹在夹具401上，试验工件403上固定有测温传感器404。

本发明提供的一种主动冷却棱镜折射式石英灯高温加热方法，包括以下步骤：

步骤一、将需要加热的试验工件403固定在夹具401上，并将测温传感器404布置在试验工件403上。若试验工件403需要冷却，则将夹具401上的冷却流道402连接到需要加热的试验工件403上，若试验工件403不需要冷却，则将夹具401上的冷却流道外部接口封闭，用于夹具401内部的流体冷却；

步骤二、根据任务需求，计算石英灯辐照的区域与强度，并考虑棱镜中通入冷却介质(如：水、氮气、氦气、水氮气混合雾)后，依据计算结果，调整辐照加热模块2的排布位置与调节可调棱镜折射模块3的空间位置，当棱镜能实现对石英灯辐照区域的指定目标时，固定一级调节臂302与二级调节臂303的螺栓以固定棱镜位置；

步骤三、对石英灯管道202中通入对石英灯203进行冷却的气体，对机架1与固定模块4中通入冷却介质(如：水、氮气、氦气、水氮气混合雾)，用于对装置进行冷却，对冷却折射棱镜305内部通入冷却介质；

步骤四、开启石英灯的电源与控制系统，对试验工件进行热加载任务；

步骤五、完成热加载任务后，关闭电源，待石英灯关闭完成五分钟后冷却，关闭石英灯冷却管道的冷却流道内的供气、关闭石英灯灯座内部的冷却流质、试验结束。

需要说明的是，本发明通过改变可调冷却棱镜折射模块中折射棱镜的固定方式，仍都采用液体冷却策略，任然属于该权利要求保护技术范围之内。通过改变冷却流道在折射棱镜中的形状，仍属于权利要求所保护的技术范围之内。通过更换冷却介质仍然属于技术保护范围之内。