陳永侃，葉海峰，周致睿，武義峰，章學(xué)華（安徽萬(wàn)瑞冷電科技有限公司，合肥230088）

■試驗(yàn)·研究

低溫真空測(cè)試系統(tǒng)的研制

陳永侃，葉海峰，周致睿，武義峰，章學(xué)華
（安徽萬(wàn)瑞冷電科技有限公司，合肥230088）

為了滿足在低溫下固體和涂層材料物理性能參數(shù)的測(cè)量，研制出一套低溫真空測(cè)試系統(tǒng)。該套設(shè)備采用固體傳導(dǎo)形式使熱沉快速降溫，模擬了在高真空、冷黑環(huán)境下對(duì)試件主要性能的影響。主要對(duì)設(shè)備中熱沉的降溫速率、溫度均勻性和控溫精度等相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)要求。

低溫真空；熱沉；技術(shù)參數(shù)；試驗(yàn)驗(yàn)證

1　引言

空間環(huán)境包括:真空、電磁輻射、高能粒子輻射、等離子體、微流星體、行星大氣、磁場(chǎng)和引力場(chǎng)等。對(duì)于航天材料而言，由于外層空間環(huán)境的嚴(yán)酷，必須針對(duì)航天材料進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。航天科技中需要做大量的環(huán)境試驗(yàn)，針對(duì)產(chǎn)品可能發(fā)生的缺陷進(jìn)行探測(cè)［1］。

低溫真空測(cè)試系統(tǒng)是專項(xiàng)試驗(yàn)，屬于定制類項(xiàng)目，應(yīng)用面比較窄，為了對(duì)產(chǎn)品提供在低溫-180℃、極限真空度為1×10-5Pa的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，因此研制出該系統(tǒng)。根據(jù)試驗(yàn)所得結(jié)果檢驗(yàn)產(chǎn)品最終的可靠性［2］。

2　主要技術(shù)參數(shù)

低溫真空測(cè)試系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分:真空容器、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)。

2.1真空容器

（1）設(shè)計(jì)尺寸為Φ600mm×800mm

（2）空載極限真空度:優(yōu)于1×10-5Pa；

（3）真空容器總漏率:優(yōu)于1×10-9Pa·m3/s；

（4）熱沉有效尺寸:Φ400mm×400mm

（5）熱沉外表面鍍鎳光亮，內(nèi)表面涂黑漆，內(nèi)表面發(fā)射率＞0.90；

2.2真空系統(tǒng)

（1）主抽真空泵采用低溫泵（極限真空度可達(dá)1×10-7Pa）；

（2）粗抽系統(tǒng)采用干泵:1.5L/s。

2.3制冷系統(tǒng)

（1）熱沉從常溫降至-180℃時(shí)，制冷機(jī)提供冷源；

（2）熱沉降溫速率:0.8℃/min。

2.4測(cè)控系統(tǒng)

（1）溫度范圍:77K～常溫；

（2）熱沉溫度均勻性:±1.5℃；

（3）熱沉控溫精度:±0.5℃；

（4）加熱方式:電加熱。

3　設(shè)備分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)干泵和低溫泵來(lái)維持高真空。本試驗(yàn)裝置采用固體傳導(dǎo)將制冷機(jī)冷量直接傳遞給熱沉降溫，設(shè)備系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)流程圖Fig.1　System flowchart

3.1真空容器

真空容器經(jīng)過(guò)整體檢漏后，漏率優(yōu)于1×10-9Pa·m3/s，內(nèi)部封頭上焊接兩角鋼用來(lái)支撐熱沉，角鋼上采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行隔熱［3］。

熱沉是為樣品提供冷、黑背景的光封閉容器，安裝于真空容器內(nèi)部，樣品架安裝在熱沉內(nèi)，與熱沉絕熱。熱沉外面包扎相關(guān)鍍鋁薄膜進(jìn)行防輻射，樣品放置在樣品架上，處于熱沉內(nèi)部均勻溫場(chǎng)中［4］。如圖3所示模擬了熱沉溫場(chǎng)的變化。

圖2　設(shè)備示意圖Fig.2　Schematic diagram of equipment

圖3　熱沉溫場(chǎng)分布Fig.3　Temperature Distribution of Heat sink

3.2制冷系統(tǒng)

低溫制冷系統(tǒng)主要由制冷機(jī)組成，制冷機(jī)主要功能為熱沉提供冷量，維持并穩(wěn)定熱沉的溫度。制冷機(jī)安裝在真空容器尾部封頭上，冷頭穿過(guò)容器封頭伸入真空容器內(nèi)，與熱沉底法蘭銅螺栓聯(lián)接［5］。

在罐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，依次布置傳感器，分別為冷頭、銅編織帶、熱橋、熱沉左、熱沉中和熱沉右（其中熱沉上均勻布置3個(gè)傳感器）。

采用兩根不銹鋼角鋼支撐熱沉，用M5銅螺栓使冷頭和法蘭固定，冷頭法蘭焊接6根銅編織帶至熱沉尾部，熱橋通過(guò)冷頭前端法蘭和熱沉相連，為保證溫度均勻性，在熱橋和熱沉相連處分別搭接熱橋分支至熱沉兩端。如圖4所示

圖4　內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4　Internal structure diagram

由漏熱公式:

代入數(shù)據(jù)有Q0=14.98W。

由經(jīng)驗(yàn)值確定熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的漏熱為Q2=6W。

可知系統(tǒng)漏熱負(fù)荷Q′=Q0+Q2≈20.98W。

經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)總漏熱小于20W，因此制冷機(jī)的冷量足夠，并有剩余。因此在制冷機(jī)冷頭上需加裝熱對(duì)抗裝置對(duì)制冷機(jī)的冷量輸出進(jìn)行控制，從而達(dá)到熱沉控溫的目的［6］。

算得系統(tǒng)降溫負(fù)荷Q1=243.2W

綜上所述，可知制冷系統(tǒng)最大熱負(fù)荷:

Qmax=222.2+20.98=243.2W

該制冷機(jī)在整個(gè)降溫過(guò)程中平均制冷功率約為302W，制冷量滿足降冷量要求，同時(shí)可減小能耗。

3.3真空系統(tǒng)

由泵的有效抽速為

真空室所能達(dá)到的極限真空，由下式?jīng)Q定:

考慮設(shè)計(jì)裕度及流導(dǎo)，因此真空系統(tǒng)采用低溫泵作為主抽泵，計(jì)算出低溫泵的抽速約為1500L/ s，配合前級(jí)泵抽速為1.5L/s的干泵。

3.4測(cè)控系統(tǒng)

制冷機(jī)冷頭附近安裝一只傳感器和一只加熱塊，PLC程序調(diào)節(jié)加熱熱對(duì)抗輸出功率大小，對(duì)制冷機(jī)冷頭進(jìn)行控溫。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制，系統(tǒng)配置控制箱一臺(tái)，控制系統(tǒng)由西門子S7-200系列PLC、smart700 IE觸摸屏組成，執(zhí)行和采集元件包括:溫度傳感器、真空計(jì)、電磁閥、中間繼電器、接觸器、熱繼電器、固態(tài)繼電器等。PLC對(duì)溫度、真空度、各設(shè)備狀態(tài)和執(zhí)行元件狀態(tài)進(jìn)行采集，對(duì)工作情況進(jìn)行判斷實(shí)現(xiàn)各功能自動(dòng)控制，將各數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)（觸摸屏）上，并能通過(guò)上位機(jī)修改各參數(shù)進(jìn)行各種操作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)的顯示、曲線生成、報(bào)表打印及設(shè)備控制、設(shè)備保護(hù)、故障報(bào)警。如圖5所示。

圖5　控制系統(tǒng)邏輯圖Fig.5　Control system logic diagram

4　試驗(yàn)測(cè)試及分析

4.1試驗(yàn)過(guò)程

從開機(jī)至熱沉溫度降至-190℃，乃至后期控溫階段，整個(gè)試驗(yàn)一氣呵成。針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的極限真空度、降溫速率、溫度均勻性和控溫精度等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)量，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　熱沉降溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1　Cooling test data of Heat sink

4.2數(shù)據(jù)分析

4.2.1真空度:

開啟主泵后，在熱沉溫度降至-180℃時(shí)候，真空度已達(dá)到8.75×10-6Pa，滿足真空度優(yōu)于1× 10-5Pa的技術(shù)要求，如圖6所示。

4.2.2降溫過(guò)程:

開啟制冷機(jī)后，從常溫降至-180℃，所需時(shí)間為6小時(shí)29分（17∶05至23∶34），溫度均勻性:

-180.2-（-182）=1.8

滿足3℃以內(nèi)，如圖7所示。

圖6　真空度曲線Fig.6　Vacuum curve

圖7　降溫曲線Fig.7　Cooling curve

4.2.3控溫情況:

設(shè)備從17∶05運(yùn)行至次日9∶36，熱沉上每個(gè)點(diǎn)溫度波動(dòng)均在1℃內(nèi)，滿足控溫精度指標(biāo)± 0.5℃要求，如圖8所示。

5　結(jié)論

該套設(shè)備現(xiàn)已成功運(yùn)用于客戶試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，主要技術(shù)參數(shù)均滿足達(dá)標(biāo)。采用固體傳導(dǎo)方式對(duì)熱沉進(jìn)行直接降溫，和傳統(tǒng)氦氣循環(huán)方式對(duì)比具有機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性，對(duì)于設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行增加了保障性，同時(shí)大大減少了成本，為類似的試驗(yàn)提供了良好的基礎(chǔ)。

圖8　控溫曲線Fig.8　Temperature control curve

［1］楊冬甫.熱真空試驗(yàn)技術(shù)與發(fā)展概述［J］.科學(xué)儀器與裝置，2008，（9）:75-79，84

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［3］劉強(qiáng).對(duì)熱真空環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)中有關(guān)問(wèn)題的討論［J］.真空與低溫，2006，（12）:1-2

［4］屈金詳，陸燕.低溫真空腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及傳熱分析［J］.低溫工程，2006，（1）:1-2

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［6］MIL-STD-1540B（USAT），Test Requirements For Space Vehicles October 1982

Development of Cryogenic Vacuum Test System

CHEN Yongkan，YE Haifeng，ZHOU Zhirui，WU Yifeng，ZHANG Xuehua
（Anhui Vacree Technologies Co.Ltd.，Hefei 230088 China）

In order to satisfy themeasurement of the physical properties of the solid and coatingmaterials at low temperature，a set of low temperature vacuum test system was developed.The device adopts the solid conduction mode tomake the heat sink to cool quickly，and the effect of themain performance of the test piece is simulated under the condition ofhigh vacuum and cold black.The temperature and temperature uniformity of the heat sink and the precision of temperature control and other related parameterswere tested and verified，and the results achieved the expected requirements.

Cryogenic vacuum；Heat sink；Technical parameters；Experimental verification

TU831 文獻(xiàn)標(biāo)示碼:A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.001

ISSN1005-9180（2016）02-001-05

2016-2-15

陳永侃（1986-），男，碩士，工程師，從事低溫和真空技術(shù)研究。Email:kahn1822679@163.com