一种应用于高温球床有效热导率测量的热探针
技术领域
本实用新型涉及热探针技术领域，更具体地说，涉及一种应用于高温球床有效热导率测量的热探针。
背景技术
聚变能源是解决人类终极能源问题的途径之一，而包层是聚变能走向应用的核心技术载体，也是聚变堆实现应用的目标功能载体。固态包层是包层结构的一个重要的候选，球床结构是固态包层结构的主要形式。为了合理的设计固态包层，有必要掌握球床在聚变堆运行工况下的有效热导率变化规律。
实验测量是研究球床有效热导率的重要方式，根据导热过程的宏观机理，实验测量分为稳态法和非稳态法(瞬态法)两类。稳态法利用的是一个稳态的温度场，当被测材料内的温度分布不随时间变化而变化时，通过测量被测材料单位面积的热流速率和温度梯度来计算材料的有效热导率。瞬态法利用的是一个非稳态的温度场来测量有效热导率，即在给样品进行加热过程中，在较短时间内(通常几秒钟或几十秒内)测量出材料若干点的温升变化，然后通过直接或间接计算就可以获得材料的有效热导率。
瞬态热探针法是瞬态法中一种常见的测量物体有效热导率的测量方法。其基本测量原理是在待测量物体中间放置一根细长的热探针来进行测量，热探针是一带尖头且可以方便刺入软性材料的细长针状物，其内部封装有热电偶和加热丝，热探针既作加热源又作测温装置。在初始状态下，热探针和待测量物体平衡地处于同一温度，当对热探针内的加热丝施加一稳恒电压时，热探针就相当于一个单位长度上产生恒定功率的线热源，热量从热探针向外扩散，扩散速度与待测量物体的有效热导率有关。实验过程中需要测量待测物的温升变化曲线，通过一定的公式可计算得到待测量物体的有效热导率。由于热探针内部填充的材料在高温环境下熔化，导致热探针无法正常工作，从而使得瞬态热探针法不能应用于高温球床有效热导率的测量。
因此，如何拓展瞬态热探针法的应用范围，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型所要解决的技术问题是如何拓展瞬态热探针法的应用范围，为此，本实用新型提供了一种应用于高温球床有效热导率测量的热探针。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种应用于高温球床有效热导率测量的热探针，包括外管、加热丝、热电偶和密封头，所述加热丝和所述热电偶由所述密封头密封于所述外管的内部，所述热探针还包括填充于所述外管与所述加热丝以及热电偶之间的耐高温金属粉填充层，所述加热丝表面涂覆有耐高温绝缘涂层。
本实用新型其中一个实施例中，所述耐高温金属粉填充层为铁粉填充层、银粉填充层或铜粉填充层。
本实用新型其中一个实施例中，所述耐高温绝缘涂层为二氧化硅绝缘层。
本实用新型其中一个实施例中，所述加热丝为镍铬合金加热丝。
本实用新型其中一个实施例中，所述加热丝对折后自所述外管设置密封头的一端插入至所述外管的底部，且所述加热丝无弯曲。
本实用新型其中一个实施例中，所述加热丝的直径为0.1mm。
本实用新型其中一个实施例中，所述热电偶为K型热电偶，所述热电偶自所述外管设置密封头的一端伸入所述外管的内部。
本实用新型其中一个实施例中，所述外管插入待测量物体的一端呈圆锥状。
本实用新型其中一个实施例中，所述外管的内径2.5mm，外径3mm，长度为120mm。
本实用新型其中一个实施例中，所述密封头采用耐高温材料加工而成。
从上述的技术方案可以看出，本实用新型的应用于高温球床有效热导率测量的热探针，所述外管与所述加热丝以及热电偶之间填充于有耐高温金属粉填充层，且所述加热丝表面涂覆有耐高温绝缘涂层。当热探针在高温环境中进行测量时，该耐高温金属粉填充层不会熔化，且加热丝与耐高温金属粉填充层通过耐高温绝缘涂层进行绝缘，保证了该热探针在高温环境下的正常运行，从而拓展了瞬态热探针法的应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型所提供的一种应用于高温球床有效热导率测量的热探针结构示意图；
图2为本实用新型所提供的一种应用于高温球床有效热导率测量的热探针通入电流后的温度变化关系图；
图3为本实用新型所提供的一种应用于高温球床有效热导率测量的热探针通入电流后温度变化与通电流时间对数之间的变化关系图；
图4为本实用新型所提供的一种应用于高温球床有效热导率测量的热探针测量得到Li4SiO4球床在1bar氦气氛围下RT～900K有效热导率变化关系图；
图中，100为外管，200为加热丝，300为热电偶，400为密封头、500耐高温金属粉填充层。
具体实施方式
本实用新型的核心在于提供一种应用于高温球床有效热导率测量的热探针，以拓展瞬态热探针法的应用范围。
此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的实用新型内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的实用新型的解决方案所必需的。
请参阅图1，本实用新型实施例中的一种应用于高温球床有效热导率测量的热探针包括外管100、加热丝200、热电偶300和密封头400，加热丝200和热电偶300由密封头400密封于外管100的内部，热探针还包括填充于外管100与加热丝200以及热电偶300之间的耐高温金属粉填充层500，加热丝200表面涂覆有耐高温绝缘涂层。
本实用新型的应用于高温球床有效热导率测量的热探针，外管100与加热丝200以及热电偶300之间填充于有耐高温金属粉填充层500，且加热丝200表面涂覆有耐高温绝缘涂层。当热探针在高温环境中进行测量时，该耐高温金属粉填充层500不会熔化，且加热丝200与耐高温金属粉填充层500通过耐高温绝缘涂层进行绝缘，保证了该热探针在高温环境下的正常运行，从而拓展了瞬态热探针法的应用范围。
普通热探针采用导热硅脂作为填充材料，这是由于热探针在使用时不仅要考虑其填充材料的导热性能同时也需要考虑导热材料的绝缘性能，才能保证热探针在使用时的安全性。而导热硅脂不仅具有良好的导热性能而且兼具绝缘性，因此，被普遍应用于热探针的填充中。但是，由于导热硅脂在高温环境下就会变成液态导致热探针无法正常工作。本申请的难点在于不仅要考虑填充材料的导热性能，还要考虑填充材料的绝缘性，还要考虑填充材料的耐高温性能，在目前的技术水平下，兼顾上述功能的材料暂时没有出现。
为此，本实用新型实施例中将导热性能以及耐高温性能组合在一起，而耐高温性以及绝缘性结合在一起，从而巧妙的规避了以上问题。从而使得该热探针能够在高温环境正常工作。本实用新型中的填充材料为耐高温金属粉填充层500，例如：铁粉填充层、银粉填充层或铜粉填充层等，考虑到铜粉填充层相对于其他金属粉末材料导热能力强且价格便宜，在实施过程中可以优先考虑。上述耐高温金属粉填充层500不仅具有良好的导热性能，而且耐受温度在1000℃左右；而涂覆在加热丝200上的耐高温绝热层由耐高温的绝缘材料加工而成，例如为耐高温绝缘漆通过涂覆工艺、喷涂工艺设置在加热丝200的表面，而耐高温绝缘漆的能够承受1100℃的高温，优选地，该耐高温绝缘层为二氧化硅绝缘层。可见，采用本实用新型的热探针理论上而言，该热探针能够在1000℃的环境使用，保守估计该热探针的应用范围可拓展到600℃高温测试环境。
加热丝200的作用是通电后产生热量，通过填充在外管100内的填充物将热量传递给待测量物体，由于本申请中加热丝200所处的环境为高温环境为此，为了保证整个热探针的使用寿命，该加热丝200为镍铬合金加热丝200。当然还可以为其他熔点温度较高的金属或合金材料加工而成。
加热丝200对折后自外管100设置密封头400的一端插入至外管100的底部，且加热丝200无弯曲。优选地，加热丝200的直径为0.1mm。
热电偶300的作用是测量加热丝200加热阶段的温度变化，热电偶300的型号可以为任意形式，只要能够克服高温环境均在本实用新型的保护范围，优选地，该热电偶300为K型热电偶300，热电偶300自外管100设置密封头400的一端伸入外管100的内部。
外管100为内部的加热器、热电偶300以及耐高温金属粉填充层500提供有效的支撑，该外管100为铜管、钢管、铁管、合金管，优选地该外管100为不锈钢管，为了方便热探针插入至待测量物体，该外管100插入待测量物体的一端呈圆锥状。
本实用新型其中一个实施例中，外管100的内径2.5mm，外径3mm，长度为120mm。满足热探针测量原理中假设长径比大于30的要求。
当加热丝200、热电偶300和耐高温金属粉填充层500填充完毕后通过密封头400进行密封，密封头400采用耐高温材料加工而成。
应用实例1：Li4SiO4球床在室温～900K，1bar氦气氛围下有效热导率的测量瞬态热探针测量热导率的计算公式如下：
k为有效热导率，q为加热丝200的功率，t为测量时间，T为待测样品的温度。
其中，加热丝200的功率计算公式如下：
q＝2I2R
I为加热丝200的电流，R为加热丝200的电阻，加热丝200的电阻R与温度之间的关系如下：
R＝-8.3+0.07T
将待测样品Li4SiO4球床放入管式炉内充入氦气并调节压力为1bar，之后加热样品至900℃并保持温度稳定。球床温度稳定后用稳压电流对热探针通入0.3A的电流60秒，并采集热探针通入电流后的温度变化关系，如图2所示。将图2的数据进行处理，获得热探针通入电流后温度变化与通电流时间对数之间的变化关系如图3所示，分析得到附图3拟合直线的斜率为0.65K。此时，热探针的加热功率q计算如下：
q＝2I2R＝9.3456Wm-1
Li4SiO4球床在1bar氦气氛围下的有效热导率计算结果如下：
同理，测量得到Li4SiO4球床在1bar氦气氛围下RT～900K其他温度的热导率数据，如附图4所示。
可见，本实用新型实施例中的热探针在高温环境下能够正常运行，从而拓展了瞬态热探针法的应用范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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。
