УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В ЗОНЕ КОНТАКТА ИССЛЕДУЕМЫХ ОБРАЗЦОВ

Нолезная модель относится к испытательной технике, а именно, к установкам для измерения термического сопротивления в зоне контакта исследуемых образцов, изготовленных из материалов, используемых в термоядерных реакторах.
В термоядерном реакторе во время работы узлы крепления модулей подвержены нагреву за счет объемного тепловыделения в материалах конструкции. Конструкция вьшолнена таким образом, что отвод тепла с опор должен осуществляться через их торцы в местах контакта с охлаждаемой стенкой вакуумного камеры и модулями. Точность расчета отводимого тепла в этом случае во многом зависит от правильности выбора коэффициента теплового контактного сопротивления в зоне сопряжения конструкционных материалов.
Наиболее близким устройствомпо совокупности
втулкой, на обращенных друг к другу торцах которых выполнены соосные посадочные места под образцы, и узел нагружения со штоком, соединенным с охлаждающей втулкой ( см Тепловые испытания образца механической опоры крепления модулей бланкета ИТЭР Отчет 31.271., инв.310-116-5695, 2001г. стр.7-11, рис.3).
В посадочных местах нагревателя и охлаждающей втулки установлены два состыкованных цилиндрических образца, которые имеют цилиндрические головки, причем высота головки превышает глубину посадочных мест на нагревателе и охлаждающей втулке. Вдоль цилиндрической поверхности образцов на одинаковом расстоянии от стьжа с равным шагом зафиксированы термопары. Боковая цилиндрическая поверхность образцов снабжена тешюизоляцией.
Метод измерений термического сопротивления в зоне контакта сводится к следующему:
Черш два контактирующих по торцу цилиндрических образца с теплоизолированными боковыми поверхностями пропускается тепловой поток и производится измерение температур по длине цилиндров. По данным измерений строят графики изменения температур по длине образцов (l). Экстраполяцией полученных кривых (l) до места контакта определяется демпературный перепад, обусловленный термическим сопротивлением. Далее расчетными методами определяют величину коэффициента теплового контактного сопротивления.
Основным условием применения описанной методики является линейность температурной зависимости вдоль образца, непременным условием правильности определения температур является обеспечение соосности образцов и исключение перекосов стыкуемых поверхностей, в результате чего уменьшается поверхность контакта и искажаются температуры в зоне контакта.
Недостаток известной конструкции заключается в сложности обеспечения соосности образцов и исключение перекосов стыкуемых поверхностей, что снижает качество контроля при испытаниях.
Задача, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является создание установки, позволяющее повысить качество контроля при замерах термического сопротивления в зоне контакта исследуемых образцов.
Техническим результатом данной полезной модели является обеспечение соосности образцов и максимально точное прилегание стыкуемых поверхностей.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в установке для измерения термического сопротивления в зоне контакта исследуемых образцов, содержащей вакуумную камеру с нагревателем и охлаждающей втулкой, на обращенных друг к другу торцах которых выполнены соосные посадочные места
ПОД образцы, и узел нагружения со штоком, соединенным с охлаждающей втулкой,
в установке на упомянутых торцевых поверхностях втулки и нагревателя установлены прижимные кольца, а основания посадочных мест вьшолнены сферической формы.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фигЛ представлен общий вид установки в продольном сечешси; на фиг.2 показана схема крепления термопар на образцах; на фиг.З представлен график изменения коэффрщиента теплового контактного сопротивления при испытаниях пары Cu-Cr-Zr - Ti6A1-4V в интервале контактных давлений 5-50 МПа и температур 100-200 °С на установке без прижимных колец; на фиг.4 представлен график изменения коэффициента теплового контактного сопротивления при испытаниях пары Cu-Cr-Zr - Ti6A1-4V в интервале контактных давлений 5-50 МПа и температур 100-200 С на установке с прижимными кольцами.
Установка для измерений теплового сопротивления в зоне контакта исследуемых образцов содержит вакуумную камеру 1, с размещенными в ней нагревателем 2 и охлаждающей втулкой 3, в которых установлены два состыкованных образца 4 и 5 .Нижний образец 4 установлен в посадочном месте 6 нагревателя 2, а верхний образец 5 в посадочном месте 7 охлаждающей втулки 3. Образцы 4 и 5 выполнены с цилиндрическими головками 8, высота которых больше глубины посадочных мест 6 и 7 в нагревателе 2
И охлаждающей втулке 3. Торцевые поверхности головок 8 образцов 4 и 5 , а также ответная поверхность в посадочных местах 6 и 7 нагревателя 2 и охлаждающей втулки 3 выполнены сферической формы. На нижний образец 4 свободно надето прижимное кольцо 9, которое опирается на кольцевой выступ головки 8 образца 4 и жестко зафиксировано на на торцевой поверхности нагревателя 2, Обращенной к охлаждающей втулке 3, а на верхний образец 5 свободно надето прижимное кольцо 9, жестко за1фепленное на охлаждающей втулке 3. Центры крепления прижимных колец 9 с нагревателем 2 и охлаждающей втулкой 3 расположены по окружности. Вдоль цилиндрической поверхности образцов 4 и 5 на одинаковом расстоянии от стыка с равным шагом зафиксировано несколько термопар 10. Боковая цилиндрическая поверхность образцов 4 и 5 окружена теплоизоляцией 11. Установка снабжена узлом нагружения 12, который вьслючает в себя шток 13, проходящий через ва10умную камеру 1 и соединенный через охлаждающую втулку 3 с верхним образцом 5, а также подвесную площадку 14, на которой расположена внутренняя оснастка вакуумной камеры 1. Подвесная площадка 14 закреплена с помощью шпилек 15 на верхнем фланце 16 вакуумной камеры 1, на котором установлен сильфон 17 для прохождения штока 13 через вакуумную камеру 1. При этом на выходе из вакуумной камеры 1 шток 13 через рычажную систему 18 соединен с грузом 19.
Установка работает следующим образом.
Образцы 4 и 5 помещают в технологическую оснастку, образованную подвижным штоком 13 и подвесной площадкой 14. Каждый образец устанавливают в соответствующее посадочное место на нагревателе 6 и охлаждающей втулке 7. На образцы 4 и 5 надеваются прижимные кольца 9. Свободные торцевые поверхности образцов 4 и 5 приводят в соприкосновение друг с дрзтом и жестко фиксируют в посадочных местах 6 и 7 с помощью прижимных колец 9. Достигается прилегание контактных поверхностей друг к другу по плоскости. Жесткое крепление образцов 4 и 5 описанным способом обеспечивает устойчивый контакт по плоскости стъпса образцов независимо от величины внешней осевой нагрузки, как это было в установке прототипе. После проверки соосности образцов 4, 5 и качества контакта технологическая оснастка устанавливается в вакуумную камеру 1. При достижении требуемых вакуумных условий включают нагреватель 2. Тепловой поток от нагревателя 2 поступает в нижний образец 4 и распространяется вдоль состыкованных образцов 4 и 5. За счет охлаждения верхнего торца верхнего образца 5 образуется направленный тепловой поток. С помощью регулирования мощности нагревателя 2 и системы охлаждения втулки 3 в контрольной зоне поддерживается постоянной необходимая температура. В режиме испытаний, при наличии теплового потока, каждая пара образцов 4 и 5, с помощью узла нагружения 12, подвергается ступенчатому воздействию
сжимающей нагрузки. Прижимные кольца 9 и сферическая форма контактирующих поверхностей образцов 4, 5 с основаниями носадочных мест 6, 7 в нагревателе 2 и втулке 3 предотвращают возникновение изгибающего момента при передаче усилия через щток 13 и обеспечивают полную площадь контакта в стыке образцов 4, 5 независимо от величины внепшей силовой нагрузки. После приложения нагрузки и достижения стационарного теплового потока производят регистрацию температур по длине образцов 4 и 5. По данным измерений строятся графики изменения температур по длине образцов 4, 5. Экстраполяцией полученных кривых t f( 1) до места контакта определяется температурный перепад, обусловленный термическим сопротивлением. Затем по формуле определяют тепловое сопротивление зоны контакта двух
R  : образцов:
где: R - тепловое сопротивление в зоне контакта;
Т - перепад температур в зоне контакта образцов; q - плотность пропускаемого через цилиндрические образцы теплового потока.
Из графиков (фиг.3,4) видно, что при малых усилиях сжатия (например, при 5 МПа), при измерениях без прижимных колец контактное тепловое сопротивление на 20 - 30 % вьппе, чем при измерениях с прижимными кольцами, что является следствием плохого прилегания поверхностей ( в случае возникшего перекоса сопряжения), а при значительных нагрузках, когда перекос ликвидируется, значения контактных тенловых сонротивлений
совпадают в том и в другом случае, что подтверждается характером кривых на графиках 3 и 4.
Таким образом, за счет исключения перекосов при нагружении образцов в процессе испытаний, предлагаемая установка позволяет улучшить качество испытаний.