Устройство крепления мягких теплоизоляционных материалов для измерения теплопроводности при высоких температурах
Предлагаемая полезная модель относится к области приборостроения, применяется в экспериментальных исследованиях для фиксации мягких теплоизоляционных материалов. Полезная модель позволяет моделировать однородный тепловой поток на фронтальной стороне исследуемого материала методом лазерного нагрева. Технический результат полезной модели - повышение точности измерения теплопроводности мягких теплозащитных материалов при высоких температурах (более 2000 C) за счет теплоизоляции боковой поверхности образца и обеспечения механического контакта термопары с тыловой поверхности образца. Технический результат достигается благодаря особенностям конструкции держателя, позволяющей изолировать боковую поверхность образца от корпуса держателя. Конструкция держателя позволяет нагревать образец как в воздушной среде, так и в вакууме. Полезная модель позволяет производить измерения температуры фронтальной поверхности методом пирометрии и контактными методами для тыловой поверхности.
Описание Полезной модели.
Предлагаемая полезная модель относится к области приборостроения, применяется в экспериментальных исследованиях для фиксации мягких теплоизоляционных материалов. Полезная модель позволяет моделировать однородный тепловой поток на фронтальной стороне исследуемого материала методом лазерного нагрева. Лазерный нагрев получил широкую популярность благодаря возможности создавать на поверхности материала высокую температуру в отсутствии физического контакта с нагревателем. Применение лазеров с волоконным выводом излучения позволило формировать на поверхности исследуемого материала однородный тепловой поток. Создание на поверхности однородного теплового потока необходимо, в частности, для проведения экспериментов по измерению теплопроводности теплоизоляционного материала. На поверхность образца фокусируется лазерное излучение, температуру фронтальной поверхности измеряют пирометром, температуру тыловой поверхности измеряют с помощью термопары. В случае нагрева поверхности до высоких температур или наличии процессов горения, однородность теплового потока нарушается вследствие теплопереноса конвективными потоками и тепловыми потерями в точках соприкосновения с держателем. Теплоизоляция боковой поверхности образца позволяет уменьшить радиальный теплоотвод в держатель и снизить ошибку измерения теплопроводности.
Аналогом предлагаемой полезной модели является устройство, описанное в статье «Экспериментальное определение температурных полей в образцах материалов с органической матрицей» К.Б. Исаев, Авиационно-космическая техника и технология, 2007, 
10 (46). В данном устройстве подразумевается наличие каналов в образце для укладки термопар, а сам образец представляет собой ступенчатый цилиндр. Недостатком данной модели является узкий временной диапазон воздействия на образец. Увеличение времени теплового воздействия или теплового потока могут привести к существенному увеличению уноса массы с поверхности образца, в результате чего возможно непосредственное воздействие теплового потока на термопары. Предлагаемая полезная модель является универсальной для экспериментов с различными тепловым потоком и временем воздействия. Также преимуществами предлагаемой модели являются возможность быстрой установки образца в держатель и его сохранность после проведения эксперимента, что позволяет использовать держатель повторно.
Наиболее близким техническим решением к заявленной модели является Устройство для определения теплопроводности деформируемых теплоизоляционных материалов, включающее корпус с расположенным внутри него нагревателем и холодильником, между которыми размещен исследуемый плоский образец, датчики измерения температуры и теплового потока, установленные на торцевых поверхностях холодильника и нагревателя, контактирующих с исследуемым образцом, а также установленный на нагревателе ограничитель, выполненный в виде жесткого контейнера с размещенным внутри него исследуемым деформируемым материалами. (Патент на полезную модель Россия 147966) Такое устройство позволяет проводить измерения только при низких температурах. Температурный диапазон ограничивают легкоплавкие материалы модели (медь) из которых выполнена модель и наличие контактного нагревателя.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства крепления мягких теплоизоляционных материалов для проведения измерений теплопроводности при высоких температурах поверхности образца (более 2000 К) с использованием лазерного нагрева.
Технический результат полезной модели - повышение точности измерения теплопроводности за счет теплоизоляции боковой поверхности образца и обеспечения механического контакта термопары с тыловой поверхности образца.
Технический результат достигается тем, что в зазор между боковой стенкой держателя и образцом помещается жаропрочный теплоизолятор, например, углевойлок. Упругие свойства теплоизолятора с одной стороны позволяют фиксировать образец внутри держателя, а его низкая теплопроводность препятствует потерям тепла с боковых поверхностей образца. Предлагаемая полезная модель состоит из корпуса фиксатора образца 1, Теплоизолятора 2, теплоизоляционной прокладки с отверстием для термопары 3, вкладыша, позволяющего использовать образцы различной толщины 4, прижимная гайка с отверстием для термопары 5, исследуемый образец 6. Образец 6 помещается в корпус 1, далее в зазор между корпусом и образцом устанавливается теплоизолятор 2. Материал теплоизолятора углевойлок или иной термостойкий упругий материал, толщина теплоизолятора подбирается таким образом, чтобы за счет упругой деформации образец фиксировался в держателе. Для ограничения тепловых потерь с задней стенки устанавливается теплоизоляционная прокладка с отверстием для термопары 3. Для фиксации теплоизоляционной прокладки используется прижимная гайка 5, а для возможности проведения экспериментов с образцами различной толщины между гайкой 5 и теплоизоляционной прокладкой 3 устанавливается вкладыш 4, толщина которого может варьироваться для разных образцов. В отверстие в элементах 3, 4 помещается термопара, окруженная внешней защитной трубкой из Al2O3. Диаметр отверстия в элементах 3, 4 подбирается таким образом, чтобы обеспечить скользящую посадку внешней защитной трубки термопары. Далее сборка 1-6 устанавливается на оптическом столе, с применением стандартных оптико-механических изделий.
Устройство крепления мягких теплоизоляционных материалов, применяемое в экспериментах по измерению теплопроводности при высоких температурах, содержащее корпус фиксатора образца, отличающееся тем, что включает жаропрочный теплоизолятор, расположенный в зазоре между боковой стенкой держателя и образцом, способствующий обеспечению фиксации образца без непосредственного контакта с материалом держателя, теплоизоляционную прокладку с отверстием для термопары, установленную в области задней стенки и фиксируемую прижимной гайкой, вкладыш, позволяющий использовать образцы различной толщины, расположенный между гайкой и теплоизоляционной прокладкой, причем корпус держателя адаптирован для экспериментов с лазерным нагревом и температурной диагностики методами пирометрии и контактным методом.
