一种高热流密度加热表面的透镜式模拟装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高热流密度加热表面的透镜式模拟装置，其结构包括固定部件、平行光发生器、凸透镜、冷却器和遮光板；其中平行光发生器安装在固定部件上，用于发出平行光，该平行光具有低能流密度；沿该平行光发射方向依次设置有凸透镜和冷却器，凸透镜能够使具有低能流密度的平行光在冷却器表面形成高热流密度加热表面。本发明的模拟装置获取的高热流密度加热表面具有分布均匀、热流密度大、无接触热阻，发热效率高、升温迅速的优点，而且热流密度和加热区域半径具有可调性，同时可以通过改变遮光板透光孔的形状和尺寸得到不同形状和面积的加热边界区域，能够满足热工测试和物理实验领域的各类高热流密度加热的要求。
【专利说明】一种高热流密度加热表面的透镜式模拟装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种加热表面的模拟装置，尤其涉及一种高热流密度加热表面的透镜式模拟装置，属于热工测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前实验室模拟高热流密度加热表面大多采用的是薄膜加热、电阻丝加热以及加热块加热的方式。采用薄膜加热时，高温下薄膜与热沉材料属性的不同会导致巨大的热应力的产生，电阻丝加热时会产生热流密度分布不均，加热块加热表面和热沉表面具有很大的接触热阻，因此高热流密度加热表面无法到达模拟的要求。
[0003]目前已存在的高热流密度加热表面的模拟方法存在热流密度较低、加热块与换热表面热阻较大、热流密度计算不准确或加热响应太慢等缺点。
【发明内容】
[0004]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够模拟高热流密度加热表面、结构简单、操作灵活、有效的模拟装置和方法，使获取的高热流密度加热表面具有热流密度大、发热效率高、升温迅速的特点。
[0005]为实现上述目的，本发明提供了一种高热流密度加热表面的透镜式模拟装置，其结构包括固定部件、平行光发生器、凸透镜、冷却器和遮光板；所述平行光发生器安装在所述固定部件上，用于发出平行光，所述平行光具有低能流密度；沿所述平行光发射方向依次设置有所述凸透镜和所述冷却器，所述凸透镜能够使具有所述低能流密度的所述平行光在所述冷却器表面形成高热流密度加热表面。
[0006]进一步地，所述固定部件上还安装有调距部件，所述调距部件用于调节所述平行光发生器在所述固定部件上的位置。
[0007]进一步地，所述高热流密度加热表面的透镜式模拟装置还包括风扇，所述风扇设置在所述凸透镜的一侧，用于对所述凸透镜进行冷却。
[0008]进一步地，所述凸透镜与所述平行光发生器之间的距离为第一距离，所述第一距离具有可调性，通过调节所述第一距离能够改变所述高热流密度加热表面的半径。
[0009]进一步地，所述凸透镜与所述冷却器之间的距离为第二距离，所述第二距离具有可调性，通过调节所述第二距离能够改变所述高热流密度加热表面的半径。
[0010]进一步地，所述平行光发生器为平行光光源，通过改变所述光源的强度和点阵数能够调整所述高热流密度加热表面的热流密度。
[0011]进一步地，所述平行光发生器由相互平行的光源阵列组成。
[0012]进一步地，所述高热流密度加热表面为所述平行光通过所述凸透镜在所述冷却器表面形成的光斑，所述光斑的热流密度为102-108W/m2。
[0013]进一步地，所述遮光板具有透光孔，所述透光孔的形状为圆形或多边形。
[0014]本发明还提供了一种利用如上述任意一种高热流密度加热表面的透镜式模拟装置进行高热流密度加热表面模拟的方法。
[0015]本发明的高热流密度加热表面的透镜式模拟装置利用凸透镜对平行光的聚焦作用，将平行光发生器产生的具有低能流密度的平行光光束汇聚到一个较小的区域，从而得到高热流密度加热表面，所述高热流密度加热表面具有分布均匀、热流密度大、无接触热阻，发热效率高、升温迅速的优点，而且热流密度和加热区域半径具有可调性，同时可以通过切换具有不同形状和尺寸的透光孔的遮光板来调节聚光表面的高热流区域的形状和面积，从而获得不同形状和面积的加热区域，完全能够满足热工测试和物理实验领域的各类高热流密度加热的要求。本发明还利用风扇对凸透镜进行冷却，有效避免了凸透镜在聚光过程中由于温度升高造成的损坏。
[0016]以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的一个较佳实施例的高热流密度加热表面的透镜式模拟装置的示意图；
[0018]图2是本发明的较佳实施例的具有圆形透光孔的遮光板示意图；
[0019]图3是本发明的较佳实施例的具有三角形透光孔的遮光板示意图；
[0020]图4是本发明的较佳实施例的具有正方形透光孔的遮光板示意图；
[0021]图5是本发明的较佳实施例的具有长方形透光孔的遮光板示意图。
【具体实施方式】
[0022]如图1?图5所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种高热流密度加热表面的透镜式模拟装置，其结构包括固定部件1、平行光发生器3、凸透镜5和冷却器7。其中，平行光发生器3安装在固定部件I上，平行发生器3由一组相互平行的光源阵列组成，用于发出平行光4，平行光4具有低能流密度；沿平行光4发射方向依次设置有凸透镜5、遮光板6和冷却器7，遮光板6的中心设置有透光孔10。凸透镜5能够使具有所述低能流密度的平行光4穿过遮光板6上的透光孔10，在冷却器7表面形成高热流密度加热表面，遮光板6具有调节汇聚光束的形状以改变加热区域形状的作用。
[0023]固定部件I上安装有调距部件2，调距部件2用于调节平行光发生器3在固定部件I上的位置。
[0024]本实施例中，凸透镜5与平行光发生器3之间的距离为第一距离，凸透镜5与冷却器7之间的距离为第二距离，第一距离和第二距离均具有可调性，通过调节第一距离和第二距离能够改变冷却器7表面形成的高热流密度加热表面的半径。
[0025]本实施例中，平行光发生器3能够发出不同强度和点阵数的平行光4，通过改变平行光发生器3的光源的强度和点阵数能够调整高热流密度加热表面的热流密度。
[0026]本实施例中的高热流密度加热表面为平行光4通过凸透镜5在冷却器7表面形成的光斑，该光斑的热流密度为102-108W/m2。
[0027]本实施例中，遮光板6上的透光孔10的形状和尺寸是可设计的，可以是圆形(参见图2)，也可以是多边形，比如三角形(参见图3)、正方形(参见图4)、长方形(参见图5)、五边形等，也可以是其它任意形状，其尺寸范围是任意的。
[0028]本实施例的高热流密度加热表面的透镜式模拟装置还包括风扇9，由于凸透镜5对平行光4具有吸收特性，因而会使得自身的温度升高，因此本实施例中将风扇9安装在凸透镜5的一侧，对凸透镜5进行冷却，即将凸透镜5中积存的热量以强制对流的方式散去，避免了因温度过高造成的损坏。图1中的箭头8表示风扇9的吹风方向。
[0029]本实施例还提供了一种利用上述高热流密度加热表面的透镜式模拟装置进行高热流密度加热表面模拟的方法:利用凸透镜5将平行光发生器3发出的平行光汇聚，汇聚后在冷却器7表面形成光斑即高热流密度加热表面。通过调节平行光发生器3与凸透镜5以及凸透镜5与冷却器7之间的距离确定加热区域半径的大小，同时通过改变平行光发生器3的光源的强度来调整热流密度的大小，从而得到所需要的高热流密度加热表面。
[0030]本实施例得到的高热流密度加热表面具有分布均匀、热流密度大、无接触热阻，发热效率高、升温迅速、加热区域形状和面积可调的优点，本实施的高热流密度加热表面的透镜式模拟装置可用于航空航天飞行器热防护、电气器件冷却、大温差热能利用、核反应堆冷却等领域。
[0031]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本【技术领域】中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种高热流密度加热表面的透镜式模拟装置，其特征在于，包括固定部件、平行光发生器、凸透镜、冷却器和遮光板；所述平行光发生器安装在所述固定部件上，用于发出平行光，所述平行光具有低能流密度；沿所述平行光发射方向依次设置有所述凸透镜和所述冷却器，所述凸透镜能够使具有所述低能流密度的所述平行光在所述冷却器表面形成高热流密度加热表面。
2.如权利要求1所述的高热流密度加热表面的透镜式模拟装置，其特征在于，所述固定部件上还安装有调距部件，所述调距部件用于调节所述平行光发生器在所述固定部件上的位置。
3.如权利要求1所述的高热流密度加热表面的透镜式模拟装置，其特征在于，所述高热流密度加热表面的透镜式模拟装置还包括风扇，所述风扇设置在所述凸透镜的一侧，用于对所述凸透镜进行冷却。
4.如权利要求1所述的高热流密度加热表面的透镜式模拟装置，其特征在于，所述凸透镜与所述平行光发生器之间的距离为第一距离，所述第一距离具有可调性，通过调节所述第一距离能够改变所述高热流密度加热表面的半径。
5.如权利要求1所述的高热流密度加热表面的透镜式模拟装置，其特征在于，所述凸透镜与所述冷却器之间的距离为第二距离，所述第二距离具有可调性，通过调节所述第二距离能够改变所述高热流密度加热表面的半径。
6.如权利要求1所述的高热流密度加热表面的透镜式模拟装置，其特征在于，所述平行光发生器由一组相互平行的光源阵列组成。
7.如权利要求1所述的高热流密度加热表面的透镜式模拟装置，其特征在于，所述平行光发生器为平行光光源，通过改变所述光源的强度和点阵数能够调整所述高热流密度加热表面的热流密度。
8.如权利要求1所述的高热流密度加热表面的透镜式模拟装置，其特征在于，所述高热流密度加热表面为所述平行光通过所述凸透镜在所述冷却器表面形成的光斑，所述光斑的热流密度为12-1O8WAi2。
9.如权利要求1所述的高热流密度加热表面的透镜式模拟装置，其特征在于，所述遮光板具有透光孔，所述透光孔的形状为圆形或多边形。
10.一种利用如权利要求1?9中任意一项所述的高热流密度加热表面的透镜式模拟装置进行高热流密度加热表面模拟的方法。
【文档编号】G01D21/00GK104266674SQ201410554443
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月17日 优先权日:2014年10月17日
【发明者】巩亮, 徐会金, 段欣悦, 黄善波, 徐明海 申请人:中国石油大学(华东)