技术领域
[0001] 本
发明涉及旋转热管实验技术领域，尤其涉及一种高转速轴向旋转热管性能测试装置及其工作方法。
背景技术
[0002] 高速
电机(10000rpm以上)将是未来新
能源汽车、高档数控机床、电推进飞机等装备的关键部件。但是高速电机的体积小，功率
密度和损耗密度大，
转子的
散热非常困难，这也制约了高速电机的发展与应用。轴向旋转热管结构简单、
传热性能好，已经被用于冷却一些中低转速的
旋转机械，并有望应用于冷却高速电机。但目前对旋转热管的实验研究都集中在中低转速区，因此有必要对其在高转速、大过载条件下的传热性能进行实验研究，为其在高速电机的冷却应用提供设计指导。
[0003] 对旋转热管进行实验研究，需要使其在确定的热流密度下运行，通过测量工质的
温度分布，获得各条件下的旋转热管的传热特性。目前的旋转热管实验，主要是利用金属滑环来过渡连接电源和
电阻丝，由电阻丝对热管进行贴壁加热，利用空气或
水喷射冷却，并利用金属滑环将测温
热电偶的
信号导出到信号采集设备，这种实验方案可以准确地控制热流密度，而且可以准确地测量热管内工质的温度，有助于更深刻地理解旋转热管的传
热机理。然而金属滑环的造价较高，且无法承受高转速的运行条件，因此利用金属滑环加热并传递信号的方案在高转速的旋转热管实验中是不可行的。另外，也有一些实验利用红外测温装置对热管壁面的温度进行测量，但是这种测温方法误差较大，易受环境的影响，且无法直接测量热管内工质的温度。而且当热管转速较大时，采用水喷射冷却会在热管壁面附近形成水雾，红外测温装置在这种情况下也无法使用。因此，如何在大转速条件下向热管
蒸发段提供准确可控的热流密度，并能准确地测量热管内的工质温度，是高转速旋转热管实验台首先要解决的问题，同时还需要保证其加热量的可测性。
[0004] 综上，
现有技术中缺乏一种高转速旋转热管实验台，不仅能在大转速条件下向热管蒸发段提供准确可控的热流密度，并能准确地测量热管内的工质温度，还能保证其加热量的可测性。
发明内容
[0005] 本发明提供一种高转速轴向旋转热管性能测试装置及其工作方法，能够通过无
接触加热取代滑环，等效地测量了在某一
频率和
电流下的
感应加热量，使其与测得的冷凝段
冷却水吸热量可以对比校核，极大地提升了实验的准确性和可靠性，在高转速条件下准确地测试旋转热管的传热性能，且具有低成本、可控性高、装配简单的特点。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种高转速轴向旋转热管性能测试装置，包括：高速电机、感应线圈、冷却装置、第三温度
传感器、第四温度传感器、通管。
[0008] 高速电机和待测热管同轴连接，待测热管的外壁上设置第三温度传感器，内腔轴心
位置设置第四温度传感器；待测热管的部分外表面外侧非接触得设置感应线圈，标记为热管蒸发段；部分外表面通入冷却装置的冷却区域，标记为热管冷凝段。
[0009] 冷却装置包括：低温水箱、水
泵、射流器、壳体、流量计、第一温度传感器、第二温度传感器。待测热管穿过壳体内部，壳体顶部设置射流器的
喷嘴，底部设置出水口，出水口处设置第二温度传感器，并通过管道连接低温水箱；
[0010] 低温水箱的另一端通过管道和水泵、流量计、射流器的入口依次连接，射流器的入口处设置第一温度传感器。待测热管和通管形状大小、材质相同，可替换安装。
[0011] 进一步的，第三温度传感器沿轴向及周向，等间距的设置在待测热管外壁。
[0012] 进一步的，第三温度传感器、第四温度传感器通过无线通讯方式输出测量数据。
[0013] 一种高转速轴向旋转热管性能测试装置的工作方法，适用于所述高转速轴向旋转热管性能测试装置，包括：
[0014] 1)测量热管蒸发段受热量：安装通管，感应线圈加热的同时，水泵
抽取低温水箱中的
循环水通入通管，循环水从通管另一端流出并回收至低温水箱，将第一温度传感器采集的温度标记为进口水温Tin,cycle，将第二温度传感器采集的温度标记为出口水温Tout,cycle，用流量计测量循环水流量Gcycle，通过公式 计算得到热管蒸发段在当前施加在感应线圈上的电流和频率下的受热量，其中，Cp为水的定压
比热容，Qe为蒸发段受热量；
[0015] 改变频率和电流大小，获得不同受热量对应的频率与电流的组合得到Qe和电流、频率的映射关系。
[0016] 2)测量热管的稳态性能：安装待测热管，启动感应线圈和水泵，水泵抽取低温水箱中的冷却水通入壳体，冷却水从壳体底部流出并回收至低温水箱，根据所述Qe和电流、频率的映射关系，通过调整电流、频率，向热管施加一个已知的加热量Qe0，采集第一温度传感器、第二温度传感器、流量计的测量值，根据公式 计算得到冷凝段的散热量Qc0，当∣Qc0-Qe0/Qc0≤10％时，则判定测量热管的稳态性能的测试结果准确可靠。
理论上，热管在稳态性能下，蒸发段的受热量等于冷凝段散热量，在测量了冷凝段的散热量之后，与当前已知的蒸发段受热量做一个校核，如果二者相差不大，则证明了当前的测试结果是可信的。
[0017] 3)测量旋转热管的动态性能：在完成测试热管的稳态性能后，改变电源的转速、感应线圈的电流与频率，实时记录第三温度传感器、第四温度传感器的测量数据，获得热管的动态特性。
[0018] 本发明具有以下有益效果：
[0019] (1)无接触感应线圈以及无线温度
测量传感器取代了滑环，降低了实验成本；
[0020] (2)温度测量传感器测量了热管内工质的温度，有助于更深层次地研究旋转热管在高转速、大过载条件下地传热机理；
[0021] (3)能同时测量热管蒸发段受热量与冷凝段散热量，使得热管测量实验结果准确可靠；
[0022] (4)通过对高转速旋转热管的传热实验，可以为旋转热管在高速电机的冷却应用提供设计指导。
附图说明
[0023] 为了更清楚地说明本发明
实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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它的附图。
[0024] 图1是本发明实施例的结构示意图；
[0025] 图2是温度传感器的安装示意图；
[0026] 图3是测量旋转热管蒸发段受热量时的安装示意图。
[0027] 1－转动装置、11－电机、12－
联轴器、13－
轴承、2－加热装置、21－感应线圈、22－电源、3－冷却装置、31－低温水箱、32－水泵、33－射流器、34－壳体、35－
密封圈、
36－控制
阀、37－第一温度传感器、38－流量计、39-第二温度传感器、4－无线测温装置、
41－信号采集模
块、42－数据存储模块、43－信号发射模块、44－第三温度传感器、45－第四温度传感器、5－被测旋转热管、6－实验台架、61－电机
基座、62－轴承座、7－通管。
具体实施方式
[0028] 为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
[0029] 本发明实施例提供一种高转速轴向旋转热管性能测试装置，如图1所示，包括：包括转动装置1、加热装置2、冷却装置3、无线测温装置4、被测旋转热管5和实验台架6。
[0030] 实验台架6为实验台各部件提供支承，包括底座、电机基座61和若干轴承座62。实验台架放置在工作平面上，底座上安装电机基座61和轴承座62。电机基座61上安装电机11，电机11的
输出轴通过联轴器12连接被测旋转热管5，被测旋转热管5通过轴承安装在轴承座62上。
[0031] 加热装置为感应加热，包括感应线圈21和电源22，电源22连接感应线圈21并供电。感应线圈21非接触地套住被测旋转热管5的部分，标记为热管的蒸发段，电源22向感应线圈
21提供交流电，通过控制电流和频率控制加热量。
[0032] 冷却装置3包括低温水箱31、水泵32、射流器33、壳体34、密封圈35、
控制阀36、第一温度传感器37、流量计38、第二温度传感器39。壳体34罩住部分被测旋转热管5，标记为热管冷凝段，壳体34与被测旋转热管5壁面间用密封圈35密封。壳体34顶部设置射流器33的喷嘴，底部设置出水口，出水口处设置第二温度传感器39，并通过管道连接低温水箱31。低温水箱31的另一端通过管道和水泵32、流量计38、控制阀36、射流器33的入口依次连接，射流器33的入口处设置第一温度传感器37。低温水箱31为冷却装置提供恒温冷却水，冷却水经水泵32和射流器33进入壳体34，对热管冷凝段进行喷射冷却，通过控制水泵32频率和控制阀36开度控制冷却水的喷射速度，冷却水从壳体34底部回收至低温水箱31。
[0033] 无线测温装置4包括信号采集模块41、数据存储模块42、信号发射模块43以及第三温度传感器44、第四温度传感器45。信号采集模块41、数据存储模块42、信号发射模块43依次连接，第三温度传感器44、第四温度传感器45通过有线连接信号采集模块41，信号采集模块41将传感器信号传送至信号发射模块43，,信号发射模块43采用无线通讯方式传输到外界。第三温度传感器44的
探头固定在被测旋转热管5外壁，第四温度传感器45的探头设置与轴心处。其中，被测旋转热管5外壁设置凹槽，第三温度传感器44设置在凹槽内，第四温度传感器45均匀的设置在被测旋转热管5内，如图2所示。
[0034] 第一温度传感器37、第二温度传感器39通过有线连接的方式将测量结果传输到外界。第三温度传感器44、第四温度传感器45采集的数据由信号采集模块41采集并存储到数据存储模块42，同时由信号发射模块43传输到外界。信号采集模块41、数据存储模块42以及信号发射模块43由
电池供电并全部固定封装在一圆盘内，圆盘固定在被测旋转热管5的一端，使得上述器件能随被测旋转热管5同轴转动，在被测旋转热管5高速转动情况下实时监测同一测温点处温度，各器件在圆盘内均匀布置以满足动平衡要求。
[0035] 上述温度传感器均采用热电偶，轴承均采用高速深沟球轴承，密封圈35采用迷宫式密封圈。
[0036] 一种高转速轴向旋转热管性能测试装置的工作方法包括：
[0037] 步骤一、测量热管蒸发段受热量：将与被测旋转热管5同尺寸、同材料的通管7安装至试验台架上，如图3所示。并用感应线圈21套住通管7的一端，用低温水箱31制取恒温的循环水，用水泵32将循环水通向通管7的被加热端，循环水从通管7另一端流出并回收至低温水箱31，用第一温度传感器37、第二温度传感器39测量循环水的进/出口水温Tin,cycle/Tout,cecle，用流量计38测量循环水流量Gcycle，以确定的电流和频率开启电源22，待进出口水温稳定后，通过公式 即可得到热管蒸发段在当前电流和频率下的受热量，其中Cp为水的定压比
热容，Qe为蒸发段受热量，ρ为水的密度。改变频率和电流大小，获得不同受热量对应的频率与电流的组合。
[0038] 步骤二、测量旋转热管的稳态性能：将电机11调到某一确定转速带动被测旋转热管5旋转，等旋转稳定后，按照步骤一的测量结果，以确定的频率和电流开启电源22，给被测旋转热管5施加一个已知的加热量Qe0，同时开启低温水箱31和水泵32，向被测旋转热管5的冷凝段喷射恒定流量的恒温冷却水，等被测旋转热管5各点温度稳定后，记录各测点的温度数据与流量计38的流量，同时按 计算冷凝段的散热量Qc0。
[0039] 当∣Qc0-Qe0∣Qc0≤10％时，则认为测量旋转热管的稳态性能的测试结果准确可靠。
[0040] 步骤三、测量旋转热管的动态性能：在测试完被测旋转热管5的稳态性能后，改变被测旋转热管5的转速或是电源22的电流与频率，并在这一过程中实时记录各测温点的数据，获得被测旋转热管5的动态特性。
[0041] 本发明具有以下有益效果：
[0042] 无接触感应线圈以及无线温度测量传感器取代了滑环，降低了实验成本；
[0043] 温度测量传感器测量了热管内工质的温度，有助于更深层次地研究旋转热管在高转速、大过载条件下地传热机理；
[0044] 能同时测量热管蒸发段受热量与冷凝段散热量，使得热管测量实验结果准确可靠；
[0045] 通过对高转速旋转热管的传热实验，可以为旋转热管在高速电机的冷却应用提供设计指导。
[0046] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求的保护范围为准。
