一种基于聚焦加热的独立多点式石英灯热考核装置的制作方法

本发明涉及一种基于聚焦加热的独立多点式石英灯热考核装置，适用于小面积/局部复杂异型结构独立多点式加热实验，每点温度均可根据需要调整，且由于聚焦作用，本发明产生的温度要高于传统石英灯的温度上限，可用于高超声速飞行器、航空发动机等极端热环境试验模拟。

背景技术：

近年来，世界各国对高超声速飞行器越来越重视，我国高超声速飞行器的发展也正在寻求新的突破，飞行器高超声速飞行后出现的气动加热现象非常严重，当飞机以马赫数3飞行时，其表面驻点温度就达到500℃；马赫数为8-9的高超音速巡航导弹弹翼前缘温度将超过1200℃。气动热产生的高温会降低材料的强度极限和飞行器结构的承载能力，使飞行器结构产生热变形，破坏部件的气动外形并影响飞行安全。为保证高速飞行器的安全，确认飞行器材料/结构是否能经得起高速飞行时所产生的热冲击及高温热应力破坏，必须对高速飞行器所使用的材料与结构进行静、动态的气动热模拟试验或热-载联合试验。模拟飞行器结构在高速飞行时的受热状况，测试并分析瞬态热冲击条件下材料的热强度、热应力、热变形、热膨胀量等高温力学性能参数的变化对飞行安全的影响。

目前，对于高超声速飞行器大型复杂曲面气动加热实验问题，常采用定制化加热设备，根据所需加热形面搭建与之适应的支架，支架间布置裸露的石英灯加热管，对曲面进行加热测试。其中，石英灯加热管不做强制冷却；石英灯灯管的电线直接接入加热控制电源总线。实验过程中，首先将加热曲面推入到加热设备的支架内。传统的加热方式有以下几个问题：

1、由于采用裸露的石英灯加热管，灯管背部辐射不能高效地利用到加热过程。

2、单一化定制设备，缺乏对不同类型、规格的单点式气动加热试验适应性。

3、高超声速飞行器气动加热的温度场分布复杂，对于定制设备，控制系统编写难度大，实验周期长。

4、传统石英灯温度及热流密度达不到一些极端工况的要求。

同时，在过去的几十年中，薄膜基底系统的研究已经成为材料科学与工程领域发展中的主题之一，固态薄膜已成功应用于电子、信息、航天、医药等诸多领域的多种工程系统，并实现了多种功能。例如集成电路中的薄膜器件、柔性微机电系统中的薄膜传感器、高温热端部件表面的隔热涂层以及摩擦磨损零件表面的耐磨涂层。然而，薄膜基底系统中薄膜材料与基底材料自身材料属性的不匹配，往往会导致薄膜产生足够大的内应力，造成薄膜的脱层、断裂，甚至失效。对于以热障涂层为代表的高温隔热涂层而言，热失配引起的内应力是导致涂层系统剥离失效的主要原因之一，热冲击性能是评价高温隔热涂层服役性能的主要实验手段。

目前，高温隔热涂层热冲击性能大多通过燃气热冲击试验装置或者等温热循环试验装置完成。燃气热冲击试验装置的基本原理是利用高温火焰喷枪产生高温高速火焰直接加热被测试样，同时利用压缩空气对试样的背面进行冷却，保持一段时间后停止加热，继续利用压缩空气使被测试样降至常温，完成一次热冲击，然后以此循环，实现温度梯度环境下的热冲击测试。然而，以热障涂层为例，在燃气加热1250℃、保温5min、压缩空气强制冷却至常温以及表面剥离15％认定为失效的情况下，其热冲击寿命往往可达8000次以上，一次完整的实验往往需要耗费数月，这对实验操作的可行性及可重复性带来了巨大困难。总体来说，传统的热冲击性能评价方式存在以下几个方面的问题：

1、燃料的需求量非常大，成本居高不下；

2、以氢-氧或氧-乙炔为主的燃气加热方式存在巨大的安全隐患；

3、燃气加热方式易产生有害的污染性气体，且噪音污染严重；

4、耗时太长，效率低下。

等温热循环试验是不同于燃气热冲击试验的另一种热冲击性能评价手段，它的原理是将被测试样直接放入等温的高温环境中，保温一段时间，然后快速取出，以压缩空气进行吹气冷却或投入水中进行水淬冷却。较之于燃气热冲击试验装置，等温热循环试验装置不存在燃料需求大、安全隐患和噪音污染，在采取水淬冷却的情况下，其效率也大大提高。但是，工作于真实服役环境下的高温隔热涂层，由于涂层自身的隔热作用和气膜冷却作用，其外表面温度往往可达1200℃-1700℃，而涂层与基底接触的内表面温度只有800-900℃。这导致300-500μm的隔热涂层内部沿厚度方向产生了300-900℃的温度梯度，最新的研究表明，温度梯度对高温隔热涂层的服役性能有着至关重要的影响。然而，等温热循环试验装置并不能实现考虑温度梯度的热冲击测试。

目前还未见到研制成功既能克服燃气热冲击试验装置的诸多缺点又能实现温度梯度下的热冲击测试的试验装置。综上所述，开发一套经济、安全、清洁、安静和高效的可编程控制的高温加热装置十分必要。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于聚焦加热的独立多点式石英灯热考核装置，其具有结构紧凑、性能稳定、可大规模模块化拼接、温度易控灵活、效率更好、温度上限更高的特点。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于聚焦加热的独立多点式石英灯热考核装置，包括钣金外罩箱体，设置在钣金外罩箱体内的石英灯灯箱座以及若干个石英灯灯箱；其中，石英灯灯箱座上设置有若干平行设置的石英灯灯箱滑道，每个石英灯灯箱滑道上均安装有多个石英灯灯箱，石英灯灯箱通过石英灯灯箱上盖支撑在石英灯灯箱座上，通过石英灯灯箱上盖将其固定在石英灯灯箱座上，石英灯灯箱上盖上布置有接线孔，便于石英灯珠接电，在石英灯灯箱中接入若干个石英灯灯丝，灯箱下表面是由石英玻璃制成的凸透镜，将石英灯灯箱内的灯珠发射出的平行光汇聚到一点，从而达到单点加热的效果；

钣金外罩箱体内上下分别布置有钣金箱体内上冷却液管道和钣金箱体内下冷却液管道，钣金箱体内上冷却液管道上设置有上冷却液管道进水口和上冷却液管道出水口，钣金箱体内下冷却液管道上设置有下冷却液管道进水口和下冷却液管道出水口。

本发明进一步的改进在于，石英灯灯箱高度大于石英灯灯箱座的厚度。

本发明进一步的改进在于，石英灯灯箱上盖的直径大于滑道宽度。

本发明进一步的改进在于，石英灯灯箱上盖还布置有钣金箱体上壁面螺纹孔，便于旋入螺栓使石英灯灯箱在石英灯灯箱上拧紧固定。

本发明进一步的改进在于，钣金外罩箱体上面开有四个钣金箱体上壁面螺纹孔，其作用是与外部悬吊仪器固定，让其能悬吊在试件上方，使得与试件之间的距离是可调的。

本发明进一步的改进在于，石英灯灯箱上盖由高温陶瓷材质制成，石英灯灯箱侧壁由石英玻璃制成，在其内部还涂有耐热反光涂层材料，增强石英灯的有用功率。

本发明进一步的改进在于，钣金外罩箱体采用不锈钢钣弯制成。

本发明进一步的改进在于，在钣金外罩箱体侧壁还开有前后两个钣金箱体侧壁面卡槽，其作用是插入一块隔热莫来石，用于将试件放入莫来石上方，在钣金外罩箱体内部进行加热实验。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

1、石英灯加热方式属于远程非接触式加热，其原理是将电能输入转换为红外线放射的高效率热源，相比于燃气加热，其温度的分布、大小以及升降速率均有极大的改进，并且石英灯还具有安静、清洁等优点；

2、对箱体采取水冷的强制对流换热方式，有效的减轻了石英灯管和实验箱体的热损伤。

3、每个独立的石英灯灯管的功率都独立受到控制系统控制，该装置的加热易于控制与大规模调整。

4、对石英灯灯箱上盖及侧面均填涂有反射涂料，降低了加热光线对后方侧壁面的辐照影响，进一步增强了正面受辐射面的辐照强度，提高了加热面的加热效率。

5、采用了模块化的设计理念、控制理论、以及独立的冷却单元。同时单个设备在加热过程中，正常工作时温度恒处于稳定状态。相比于传统的石英灯加热技术，可以大规模拼接、组合，应用到大面积与复杂曲面的加热的场合中。

6、九个石英灯箱的下底面均为石英玻璃制成的单面凸透镜，通过折射作用将原本近似平行的光线聚焦到一点，从而大大增强了单点的热流密度，使试件达到传统石英灯组达不到的温度。

综上所述，本发明公开一种基于聚焦加热的独立多点式石英灯热考核装置，可对被测试样加热面或者点进行远程连续非接触式可控加热，既克服了传统燃气热冲击实验装置成本高、噪音污染大、温度分布以及升降速率难以控制、安全性低以及等温热循环试验装置无法实现梯度热冲击的缺点，又克服了传统石英灯加热装置效率低、温升低、温度上限低、持续加热时间短、适应性差等缺点。同时，还可通过调节石英灯加热功率、加热距离、模块化拼接数量实现大范围内的梯度或等温热冲击。因此，本发明实现了一种经济、安全、清洁、安静、灵活和高效的梯度热冲击试验装置。

附图说明

图1为本发明的整体视图。

图2中(a)-(d)分别为本发明的主视图、后视图、仰视图和俯视图。

图3为左视图透视图。

图4为图3的c-c剖视图。

图5为主视图。

图6中(a)和(b)分别为图5的a-a和b-b剖视图。

图7为灯箱透视图。

附图标记说明：

1为钣金外罩箱体，2为石英灯灯箱座，3为石英灯灯箱，4为石英灯灯箱上盖，5为石英灯灯箱侧壁，6为灯箱下表面，7为钣金箱体内上冷却液管道，7-a为上冷却液管道进水口，7-b为上冷却液管道出水口，8为钣金箱体内下冷却液管道，8-a为下冷却液管道进水口，8-b为下冷却液管道出水口，9为钣金箱体侧壁面卡槽，10为钣金箱体上壁面螺纹孔，11为石英灯灯丝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1、2及3所示，本发明提供的一种基于聚焦加热的独立多点式石英灯热考核装置，包括钣金外罩箱体1，石英灯灯箱座2，石英灯灯箱3，石英灯灯箱上盖4、石英灯灯箱侧壁5、灯箱下表面6，钣金箱体内上冷却液管道7，钣金箱体内下冷却液管道8，钣金箱体侧壁面卡槽9，钣金箱体上壁面螺纹孔10，以及石英灯灯丝11。

其中，石英灯灯箱座2与钣金外罩箱体1固连，石英灯灯箱座2下方，钣金外罩箱体1内部掏空。

石英灯灯箱座2上设置有三个石英灯灯箱滑道，其上装有九个石英灯灯箱3，石英灯灯箱座2高度大于石英灯灯箱座2的厚度，石英灯灯箱上盖4的直径大于石英灯灯箱滑道宽度，石英灯灯箱3通过石英灯灯箱上盖4支撑在石英灯灯箱座2上，石英灯灯箱上盖4上布置有接线孔，便于石英灯珠接电，还布置有钣金箱体上壁面螺纹孔10，便于旋入螺栓使灯箱在滑道上拧紧固定。另外在石英灯灯箱3中可根据需要接入若干个石英灯灯丝11。石英灯灯箱上盖4由高温陶瓷材质制成，石英灯灯箱侧壁5由石英玻璃制成，在其内部还涂有耐热反光涂层材料，增强石英灯的有用功率。灯箱下表面6是由石英玻璃制成的凸透镜，将灯箱内的灯珠发射出的平行光汇聚到一点，从而达到单点加热的效果。

钣金外罩箱体1采用不锈钢制成，钣金外罩箱体1内上下分别布置有钣金箱体内上冷却液管道7、钣金箱体内下冷却液管道8。冷却水同时从上冷却液管道进水口7-a和下冷却液管道进水口8-a进入，绕钣金外罩箱体1一圈后从后面的上冷却液管道出水口7-b、下冷却液管道出水口8-b流出。钣金外罩箱体1上面开有四个钣金箱体上壁面螺纹孔10，其作用是与外部悬吊仪器固定，让其能悬吊在试件上方，使得与试件之间的距离是可调的。在钣金外罩箱体1侧壁还开有前后两个钣金箱体侧壁面卡槽9，其作用是插入一块隔热莫来石，可将试件放入莫来石上方，在箱体内部进行加热实验，其优点是在允许试件与石英灯距离较近时，不需要外接悬吊装置。

进一步，通过调整灯管组的数量，改变灯管组的长度，并对外部结构件做适应性改变，从而达到对灯的单个模块的尺寸与功率进行改进。改变灯管夹层的形状，对结构件做适应性改变，从而达到所需加热表面适应性变化的目的。对于结构件与灯管的部分表面，喷涂隔热涂层，从而降低部分零部件实际工作时的温度。调整冷却液入流出口的数量与直径，调整内部冷却液管道的布置范围与距离，冷却液冷却效率的改进。

进一步，整个装置的固定，在正常工作温度下(1800℃以下)，可由耐温100℃以上的材料。对箱体侧壁面采取冷却通道进行保护。

灯内的电气线路采用高温玻璃纤维编织绝缘线。所述石英灯灯管，采用钨灯丝卤素加热管，额定电压为220v，额定功率2kw，且可调整与定制，发热温度高达3300k，放射能量稳定，可实现1800℃的远程快速加热，不受周围环境影响，仅对被辐射物有效，可通过调节供电量改变卤素灯功率。同时，该种加热方式属于电控非接触式加热，具有经济、安全、清洁、安静和高效的优点，且使用寿命长达5000小时以上。

所述加热灯内部冷却管路、灯座、石英灯安装端坐为同一材质，拥有高导热系数和低热胀系数。

所述钣金外壳采用不锈钢材质。

本发明提供的一种基于聚焦加热的独立多点式石英灯热考核装置，其使用方法如下：

步骤一、将装置摆放端正，检查试验装置冷却管路是否完整、无损、无堵，检查石英灯灯管是否有油污、遮挡物，检查电气线路是否短路、裸露。当所有项目符合要求时，完成设备安全性检验。

步骤二、从进水口缓慢注入冷却水，待出水口中冷却水流出时，观察流出水中是否存在气泡。当流出的水中无气泡时，增大冷却水流动速度。当冷却水自流出口稳定、无脉动流出时，可将装置按照所需加热角度与位置摆放端正，完成冷却水注入。

步骤三、接通电源，对灯管根据实际工况提前预热一分钟，观察设备是否存在问题。

步骤四、进入实验阶段，通过控制电源中的信号变化，实现对灯管加热功率的控制，实现长时间加热或高速等温冲击循环。

步骤六、试验结束后，首先关闭电源系统，待设备降至室温后后停止冷却液注入。最后，排出管路内多余的冷却水，结束加热过程。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和替换，都应当视为属于由本发明提交的权利要求书所确定的专利保护范围。