一种全温度场测量式特种非均匀电加热元件及制造方法与流程

本发明涉及一种电加热元件，具体的说是一种全温度场测量式特种非均匀电加热元件及制造方法。

背景技术：

在核工业中的燃料组件领域，核反应堆燃料组件是核反应堆的关键组件之一，燃料组件是防止核燃料和裂变产物产生泄漏的第一道屏障。在反应堆建成投入运行后，核反应堆的运行成本中，燃料组件的消耗和更换占有相当大的一部分，世界各国均非常重视开展先进燃料组件的研发。

根据电加热元件的加热温度分布方式不同，特种电加热元件包括均匀电加热元件和非均匀电加热元件。目前各研究机构采用的特种电加热元件的测温元件为铠装热电偶、其在强电磁环境下易发生击穿失效，并导致整个元件报废，所以材料寿命较短、损耗率很大，并且铠装热电偶的直径较大，特种电加热元件最多可以布置7根，获得7个测点的温度，7个测点与发热管壁的距离很难一致，且与发热管壁间必需保持一定的距离，造成实测数据与真实情况有偏；此外，特种电加热件的下导电镀镍铜管采用“深孔小间隙镍、铜棒银钎焊”工艺，技术难度大、成品率低，且铜管与镍管间的有效接触面积很难超过50％，造成接触电阻较大，易烧毁。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种全温度场测量式特种非均匀电加热元件及制造方法，测量精度和可靠性更高，并且使用寿命更长。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

一种全温度场测量式特种非均匀电加热元件，包括依次连接的镍棒、加热管、镍管和铜管，加热管内设置有测温元件组，且测温元件组依次穿过所述镍管和所述铜管，其特征在于：测温元件组包括若干个沿加热管轴向设置且在圆周均匀分布的耐高温光纤温度传感器和一个同轴耐高温光纤温度传感器，同轴耐高温光纤温度传感器设置在加热管的轴心位置，耐高温光纤温度传感器之间及耐高温光纤温度传感器与同轴耐高温光纤温度传感器之间均相互绝缘。

优选地，加热管具有超细长比，加热管的壁厚是连续变化的。

优选地，加热管内设置有若干个沿轴向均匀设置的绝缘体，测温元件组固定设置在绝缘体上。

优选地，绝缘体的材质设置为陶瓷。

优选地，沿加热管轴向设置且在圆周均匀分布的耐高温光纤温度传感器的数量可根据需要进行设置4-32个。

优选地，沿加热管轴向设置且在圆周均匀分布的耐高温光纤温度传感器完全紧贴加热管内壁布置，不留间隙。

优选地，绝缘体呈圆柱状，绝缘体的外壁与加热管的内壁相贴合，耐高温光纤温度传感器均穿过所述绝缘体。

优选地，加热管的材质为镍基合金或奥氏体不锈钢。

优选地，耐高温光纤温度传感器和同轴耐高温光纤温度传感器的探头直径可设置为0.2mm～0.4mm，光纤直径可设置为0.1mm～0.2mm。

一种全温度场测量式特种非均匀电加热元件的制造方法，包括如下步骤：

s1、选取内径从5.4mm到8.7mm按设计要求连续变化、外径为9.5mm的镍基合金或奥氏体不锈钢管材作为加热管；

s2、将沿加热管轴向设置且在圆周均匀分布的耐高温光纤温度传感器和同轴耐高温光纤温度传感器按照设计要求放置于分段式的绝缘体内；

s3、将放置好光纤温度传感器的陶瓷绝缘体插入到加热管中；

s4、将加热管与镍棒进行完全对接，并且利用电阻对焊技术进行焊接；

s5、将加热管与镍管进行完全对接；

s6、通过调整使镍管和铜管之间完全接触；

s7、将s4与s5的两部分完全对接。

本发明在使用时，通过单根同轴耐高温光纤温度传感器对加热管轴心测点的温度进行测量，通过紧贴加热管内壁均匀布置的多根耐高温光纤温度传感器可获得加热管径向任意截面周向的温度场；同轴耐高温光纤温度传感器提供高精度、温度变化响应快的基准温度，通过沿加热管轴向设置且在圆周均匀分布的耐高温光纤温度传感器与单根同轴耐高温光纤传感器的感应数据相结合，即可得到准确的温度测量结果。并且，本发明采用耐高温光纤温度传感器和同轴耐高温光纤温度传感器，光纤是绝缘体，强电磁环境对其性能无影响，与现有的铠装热电偶式电加热元件相比，能够有效避免在强电磁环境下出现击穿的问题，测量精度和可靠性更高，并且使用寿命更长。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明加热管的横向截面图；

图3是本发明加热管纵向截面图。

附图标记：1-镍棒，2-加热管，3-镍管，4-铜管，5-绝缘体，6-测温元件组，7-耐高温光纤温度传感器，8-同轴耐高温光纤温度传感器

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明在使用时，根据生产需要，可以做成均匀和非均匀两种类型的电加热元件，相应的，只需要改变沿加热管2轴向设置且在圆周均匀分布的耐高温光纤温度传感器7和同轴耐高温光纤温度传感器8的分布方式，同轴耐高温光纤温度传感器8设置在加热管2的轴心位置，耐高温光纤温度传感器7和同轴耐高温光纤温度传感器8本质上是同一种光纤温度传感器，但在本发明中因存在布置位置的区别。

在本实施例中，是一种非均匀电加热元件，请参阅图1和2，图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明测温元件的横向截面图，图3是本发明加热管纵向截面图。

一种全温度场测量式特种非均匀电加热元件，包括依次连接的镍棒1、加热管2、镍管3和铜管4，加热管2内设置有测温元件组6，且测温元件组6依次穿过镍管3和铜管4，测温元件组6包括若干个沿加热管2轴向设置且在圆周均匀分布的耐高温光纤温度传感器7和一个同轴耐高温光纤温度传感器8，更精确的说，同轴耐高温光纤温度传感器8是设置在加热管2的轴心位置，耐高温光纤温度传感器7之间均相互绝缘，耐高温光纤温度传感器7与同轴耐高温光纤温度传感器8之间相互绝缘。

进一步地，镍棒1的直径、加热管2的外径和镍管3的外径相等，且均小于铜管4的外径。以使电加热元件的外形尺寸与核燃料棒相同，提高实验结果的准确度。

本发明在使用时，耐高温光纤温度传感器7对加热管2内壁多个方位的温度进行感应，同轴耐高温光纤温度传感器8提供高精度、温度变化响应快的基准温度，通过耐高温光纤温度传感器7的感应数据和同轴耐高温光纤温度传感器8的感应数据相结合，即可得到准确的加热结果。并且，本发明采用耐高温光纤温度传感器7和同轴耐高温光纤温度传感器8，光纤是绝缘体，强电磁环境对其性能无影响，特别适用在具有强电磁场的环境下，例如核电环境，与现有的铠装热电偶式电加热元件相比，能够有效避免在强电磁环境下出现击穿的问题，测量精度、可靠性和使用寿命更长。

进一步地，加热管2内均匀设置有绝缘体5，测温元件组6固定设置在绝缘体5上。绝缘体5可以保证耐高温光纤温度传感器7之间及耐高温光纤温度传感器7与同轴耐高温光纤温度传感器8之间的绝缘性能，并且能够对耐高温光纤温度传感器7和同轴耐高温光纤温度传感器8进行加固。在本实施例中绝缘体5的材质设置为陶瓷，在其他实施例中，也可以更换为其它具有相似性能的材料。

此外，在本实施例中，耐高温光纤温度传感器7设置为八个，分别设置于0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°方位均布在加热管2的内壁，可直接获得加热管2内壁周向八个方位的实际温度。在其他实施例中，可根据温度探测需求，设置4个至32个耐高温光纤温度传感器7，甚至可根据加热管2内壁的设计，采用非均匀分布的方式沿圆周设置。

进一步地，由于采用的是耐高温的光纤温度传感器7，因此在设置时较佳的状态下耐高温光纤温度传感器7可以完全紧贴在加热管2内壁布置，或者可以在设置在距离加热管2内壁小于0.2mm的位置从而可更精准的获取加热管2内壁的温度，耐高温光纤温度传感器7因光纤本身是绝缘体，在强电磁环境不会对其性能产生影响从而可保证耐高温光纤温度传感器7在强电磁环境下能够正常工作。

进一步地，绝缘体5的外周与加热管2的内壁相贴合，耐高温光纤温度传感器7和同轴耐高温光纤温度传感器8均穿设于绝缘体5。相应的，在绝缘体5上开设有八个与耐高温光纤温度传感器7一一对应的第一通孔和一个同轴耐高温光纤温度传感器8相对应的第二通孔，第一通孔和第二通孔均沿绝缘体5的轴向延伸。

进一步地，加热管2的材质为镍基合金或奥氏体不锈钢；加热管2的外径为9.5mm，长度通常为1.5m～5.0m之间；加热管2内壁呈连续变化，在本实施例中加热管2内壁变化符合截尾余弦曲线，因此加热管2的壁厚呈现连续变化，可以实现特定的非均匀加热效果，在其他实施例中，加热管2的内壁形状曲线亦可根据需求进行设置。

在本实施例中，耐高温光纤温度传感器7和同轴耐高温光纤温度传感器8探头直径可为0.2mm～0.4mm，光纤直径可设置为0.1mm～0.2mm。凭借光纤温度传感器更小的尺寸，本发明能够更加方便地进行测温点的总体布置，换言之，由于光纤温度传感器尺寸较小，因此在加热管2内壁有限的空间中，可以布置更多的光纤温度传感器，意即可获得更多的温度量测点，得到更丰富的温度量测数据。

本发明的组装方法如下。

s1、选取内径从5.4mm到8.7mm按设计要求连续变化、外径为9.5mm的超细长比镍基合金或奥氏体不锈钢管材作为加热管2。

s2、将耐高温光纤温度传感器7和同轴耐高温光纤温度传感器8按照设计要求放置于分段式的绝缘体5内。

s3、将放置好光纤温度传感器的陶瓷绝缘体5插入到加热管2中。

s4、将加热管2与镍棒1进行完全对接，并且利用电阻对焊技术进行焊接。

s5、将加热管2与镍管3进行完全对接。

s6、通过调整使镍管3和铜管4之间完全接触。

s7、将s4与s5的两部分完全对接。

上述组装方法中，加热管2和铜管4的过渡段均采用了连续均衡挤压的特殊成型工艺、简化了制造工艺流程、提高了产品的可靠性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。