[发明专利]一种低热容动态量热计及其使用方法

说明书

本发明公开了一种低热容动态量热计及其使用方法，低热容动态量热计包括温控器、热泵组件、传感器、导热组件和隔热框，热泵组件为平板状，其上侧的受热面和下侧的散热面上分别设置有温度传感器，隔热框为由隔热材料制成的方形密封壳体，热泵组件镶嵌在隔热框上侧壁上，受热面与隔热框上表面齐平，导热组件为内部设有冷却水道的方板状部件，其在隔热框内，以上侧壁紧贴散热面的方式焊接在热泵组件上，冷却水道与位于隔热框外的水源连通，用以冷却水循环，温控器设置在所述隔热框内，其包括为热泵组件提供电流的电源，受热面和散热面上的温度传感器分别信号连接至所述温控器。本发明根据温控器测量的工作电流、电压可以计算得到此时的热流密度。

技术领域

本发明涉及一种用于测量热流密度的低热容动态量热计，特别是一种应用于航天飞行器热防护材料地面模拟试验中的量热计，可以在高温高速气流中动态测量热流密度。

背景技术

航天飞行器外防热材料进行热防护地面模拟试验时，通常在电弧风洞中利用电弧加热空气形成高温高速气流流过材料表面并对其加热，此过程中常用热流密度来衡量气流对材料表面加热的严重程度，其范围通常在5×10³W/m²～5×10⁷W/m²。通常使用量热计有塞式量热计和水卡量热计，其有效测量范围分别为5×10⁴W/m²～3×10⁶W/m²和2×10⁶W/m²～5×10⁷W/m²能够满足中高热流密度的测量要求，但是在5×10³W/m²～5×10⁴W/m²的低热流密度范围内目前没有可以实际使用的量热计。此外塞式量热计热响应比较快，但是作为一种瞬态量热计不能够长时间测量热流密度动态变化，水卡量热计可以长时间测量热流密度变化，但是热容很大，温度响应很慢，不能及时反映热流密度的变化，因此需要设计一种能在5×10³W/m²～5×10⁴W/m²低热流密度范围内完成测量要求的低热容动态量热计。

制冷半导体是利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的导体，在其两端即可分别吸收热量和放出热量，利用这个特点可以实现制冷的目。将制冷半导体的冷热两个端面分别与两块薄铜板通过钎焊连接，面间填充隔热材料，可以组合形成一个具有受热面和散热面的低热容热泵组件，通过改变工作电流可以快速，准确的调整冷热面的温差，实现将热量从受热面传递至散热面的热泵效果。制冷半导体主要优点是温度调节精度高、调整速度快、工作无噪音、不需要制冷剂、体积小，缺点是功率小，制冷效率低，难以实现大功率制冷要求，常见商业封装的制冷半导体长宽高尺寸为4cm×4cm×0.5cm，功率为180W。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供了一种低热容动态量热计，可长时间测量范围在5×10³W/m²～5×10⁴W/m²内的热流密度变化，以满足航天飞行器热防护地面模拟试验要求。

本发明的低热容动态量热计包括温控器、热泵组件、传感器、导热组件和隔热框，所述热泵组件为平板状，其上侧的受热面和下侧的散热面上分别设置有温度传感器，所述隔热框为由隔热材料制成的方形的密封壳体，所述热泵组件镶嵌在所述隔热框的上侧壁上，且所述受热面与所述隔热框上表面齐平，所述导热组件为内部设有冷却水道方板状部件，其在所述隔热框内，以上侧壁紧贴所述散热面的方式焊接在所述热泵组件上，所述冷却水道与位于所述隔热框外的水源连通，用以冷却水循环，所述温控器设置在所述隔热框内，其包括为所述热泵组件提供电流的电源，所述受热面和所述散热面上的温度传感器分别信号连接至所述温控器，所述温控器能够根据两个所述传感器的传递来的数据调节制冷半导体的工作电流。