CN102141529A - 一种固定结合面真空接触热导测量装置 - Google Patents

一种固定结合面真空接触热导测量装置 Download PDF

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本发明公开了一种固定结合面真空接触热导测量装置，包括一个真空装置、压电陶瓷加载装置、被测试件和热流计、加热装置、制冷装置、循环装置、测量装置以及数据处理和显示装置，被测试件和热流计放置在压力陶瓷加载装置上压紧，加热装置和循环装置连接在上下加热制冷件上，温度传感器安装在被测试件和热流计上，压力传感器连接在加载装置上，上述装置均置于真空装置中，制冷装置、数据处理和显示装置放在真空装置外。其结构更简单，操作便捷性、效率更高。

Description

一种固定结合面真空接触热导测量装置
技术领域
本发明涉及一种接触热导测量技术领域，尤其是一种装配结合面接触热导测量装置。
背景技术
在复杂机械系统中由于装配结合面中大量存在，其整体性被破坏。结合面接触热导作为结合面的一个重要参数，影响着系统的动静态热平衡。由于装配结合面造成的不连续性，使得不同部分热变形不一致，而最终严重影响到系统的静态和动态精度。准确的获得不同条件下的接触热导有重要工程意义。通过对接触热导的测量和获取，再通过对整个系统热传递分析，从而可以预测由于热变形而引起的系统误差的大小，从而采取相因的补偿措施，最终提高系统的精度。近几十年来接触热导的研究一直是一个活跃的研究领域，很多学者进行了大量的理论和实验研究，本发明专利提供了一种更加便捷、准确、高效率的测量方法。
目前接触热导的测量均是通过测量试件和热流计的温度推导求出接触热导。实验台主要是由真空装置、加压装置、试件于热流计、加热装置、制冷装置、循环装置、测量装置以及外处理单元组成。徐烈等在低温工程1999年第四期(双热流法测定低温真空下固体界面的接触热阻，1999，110(4))，提出了双热流计测量低温界面接触热阻的实验方案；Vlshal Singha等在2004年第15期Measurement Science and Technology(Instrumentation to measure thermal contact resistance，2004，275(15))提出其用来测量固体界面接触热导的实验装置。
尽管很多学者都对结合面接触热导的测量装置进行了研究，但由于压力装置尺寸过大，需放置在真空箱外，通过破坏真空箱的完整性来实现对箱内结构控制，使得真空箱结构过于复杂，难于实现，其真空效果不好。目前装置的制冷系统不能提供一种有效地将长生热量带走的好方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量固定结合面在真空环境下接触热阻的装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
包括一个真空装置、压电陶瓷加载装置、被测试件和热流计、加热装置、制冷装置、循环装置、测量装置以及数据处理和显示装置，被测试件和热流计放置在压力陶瓷加载装置上压紧，加热装置和循环装置连接在上下加热制冷件上，温度传感器安装在被测试件和热流计上，压力传感器连接在加载装置上，上述装置均置于真空装置中，制冷装置、数据处理和显示装置放在真空装置外。
真空装置由真空罩和真空底板通过密封橡胶构成，真空底板焊接有凹槽，并开了导线连接口以及真空泵接口。
凹槽盛放制冷液体。
压力陶瓷加载装置由四螺杆机构，上支撑板和压力陶瓷构成，压力陶瓷固定在上支撑板下表面。
加热装置由电加热环和加热制冷件构成，电加热环包裹在加热制冷件外一部分，电加热环开关通过真空箱底部的接口与外界控制单元相连。
循环装置由循环管道、制冷泵、制冷圈和加热制冷件构成，制冷圈包裹在加热制冷件被电加热环包裹之外的另一部分，制冷圈与制冷管道相连，连接到真空底板凹槽中的制冷液，制冷泵安装在左右两边制冷管道之间。
制冷装置由制冷液氮、外制冷液容器以及制冷液构成，制冷液氮放在真空箱外，通过管道连接到外制冷液容器中的制冷液，制冷液容器放在真空底板下，真空底板的凹槽浸泡在外制冷液容器的制冷液中。
测量装置包括压力测量装置和温度测量装置，压力测量装置置于真空底板上并在下加热制冷件下方，温度传感器安装在试件和热流计侧面的加工孔内，压力和温度传感器通过真空箱底部的接口与真空箱外的数据处理和显示单元相连。
本发明技术方案使用压电陶瓷和螺杆机构作为压力装置，间接制冷装置和循环装置，使得整个测量装置更加紧凑简单，操作方便，测量效果更好。通过一个真空箱外液氮冷却装置，一个真空箱内压电陶瓷加压装置和一个可控双向导热制冷循环装置来实现。真空箱内冷却液通过液氮间接制冷，再通过循环系统送到上加热制冷件或下加热制冷件实现制冷。制冷液循环系统通过开关控制可实现上端制冷或下端制冷，从而实现热流从上往下或从下往上传递；使用压电陶瓷的压力装置可实现实验过程中在真空箱外对结合面间压力可调可控。在各个系统的共同作用下，精确测量待测试件和上下热流计中的温度分布，根据傅里叶传热理论和接触热导的定义求出固定结合面接触热导值。其结构更简单，操作便捷性、效率更高。
附图说明
图1为本发明结构框图
图2为本发明固定结合面接触热导测量装置的真空装置
图3为本发明固定结合面温度传感器安装试图
图4为本发明固定结合面接触热导测量装置的压力装置
图5为本发明固定结合面接触热导测量装置的加热循环装置
图6为本发明固定结合面接触热导测量装置的制冷装置
图7为结合面接触热导界面温降获取插值示意图。
其中，1真空罩 2支撑螺杆 3加压螺栓 4上支撑板 5上加热制冷件 6循环管道 7液氮阀门 8液氮储存罐 9液氮 10液氮管道 11真空箱密封螺栓 12真空箱支撑柱 13称重传感器 14压电陶瓷 15上加热环 16上制冷圈 17上试件 18上热流计 19下热流计 20下加热环 21制冷液泵 22下制冷圈 23密封橡胶圈 24下试件 25真空箱底板 26下加热制冷件 27真空箱内制冷液 28真空箱外制冷液 29防辐射罩 30数据处理和显示单元 31导线 32真空泵接口 33外制冷液容器 34温度传感器
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
如图1中所示，主体部分由真空装置，压电陶瓷加载装置，被测试件和上下热流计，加热装置，制冷装置，循环装置，测量以及数据获取和处理显示装置构成
如图2，主要包括真空罩1和真空箱底板25。真空罩和真空底板间通过密封橡胶圈23在四个螺栓11的压力作用密封。真空罩底板中心部分焊接与箱内相通凹槽，凹槽用来盛放制冷液体。
如图3所示，由被测试件和热流计构成。构成被测结合面的被测试件17和24被加工为直径为25mm，长度50mm，侧面加工与温度传感器探头同直径的孔，深度为圆柱半径12.5，温度传感器能测量轴心处的温度。两被测试件夹在上热流计18和下热流计19之间。两热流计为导热率高的标准材料，热导率已知。其外形以及开孔方式和被测件完全一致。四圆柱件外加以防辐射罩，降低零件的辐射。
如图4所示，主要包括四螺栓3和螺杆2，上支撑板4和压电陶瓷14。压电陶瓷通过四螺栓固定在上支撑板4下表面。被测工件、上下热流计以及加热制冷件放在真空底板和压电陶瓷之间。通过拧紧螺杆上的四螺栓，提供结合面一定预压力。压电陶瓷通过导线，由真空箱外的电压单元控制其伸长量。此伸长量决定结合面间压力大小。压力大小由称重传感器测量显示，通过调节控制电压大小使结合面压力达到预期数值。对于同一组时间，在一定压力数值下的接触热导测量完成之后，可改变压力数值直接进行第二次测量。
如图5所示。与试件同直径的圆柱件5和26可根据需要既为加热件和制冷件。加热制冷件5和26都分两部分，被上下电加热环15和20和上下制冷液循环圈16和22包裹。电加热环在通电以后便可加热。制冷液循环圈和真空底座凹槽内的制冷液27通过循环管道6相连，制冷液流过制冷循环圈将传过来热量带走。制冷液由循环泵21控制，通过循环管道6进入上面或者下面制冷循环圈，最终流于凹槽内。循环泵由真空箱外的控制单元控制。实验过程中，总是一边加热一边制冷，形成温度梯度，不会出现上边和下边同时加热或制冷的情况。对于不同材料构成的结合面，热流的传递方向会影响接触热导的大小。在实验过程中，可在一组实验结束之后直接改变热流方向进行第二组实验。
如图6所示，包括储存液氮9的液氮储存罐8，由阀门7控制通过管道10连通真空箱底座下容器33。通过控制阀门7的闭合情况来控制。
将构成被测结合面的试件17和24加载上热流计18和下热流计19中间，如图1所示。然后继续放在上下两个加热制冷件中间5和26。将这六个试件垂直放置在真空箱底座中间部分，上部连接固定在上支撑板4底部的压电陶瓷4。通过拧紧支撑螺杆上四个螺栓对结合面形成一定预压力。
将16个温度传感器探头安装在被测试件17和24和上下两个热流计18和19侧面加工孔里，通过真空箱底端接头连接到箱外的信号显示和处理单元。称重传感器，压电陶瓷14，上下两个电加热环15和20以及左右两个循环通道连接泵21和22通过真空箱内接头31连接到箱外控制和显示处理单元30。
将真空箱罩1安装在真空箱底座25上，通过拧紧周围螺栓11形成真空腔。开启与真空箱通过真空泵接口32连接的真空泵，将箱内空气抽尽，形成所需要真空。
在构成结合面材料不一致的情况下，热流的流向会影响接触热导的数值。这时需要确定上面加热下面制冷还是上面制冷下面加热。这里假设热流从上往下流。开启上电加热环15，对上加热制冷件5加热。与加热环与箱外PID控制器相连，保证顶端温度稳定。启动右循环系统泵21，将真空箱底部槽内27制冷液送到下加热制冷件26外包裹的制冷圈22，然后回到槽内。
开启液氮储存罐阀门7，液氮进入到制冷容器中气化，吸收制冷液28大量热量使制冷容器中的制冷液降温。深入到制冷液28中的温度传感器34动态显示制冷液的温度大小。通过控制阀门的开启大小来控制和保证制冷液温度维持在一个温度的数值。真空箱外的制冷液透过真空箱底部凹槽壁间接制冷箱内制冷液。
加热过程中，由于材料受热膨胀，结合面压力会增大。通过调整压电陶瓷14的伸长量来控制界面压力，将最终的压力控制在预定数值。
大约两个小时之后，整个系统传热稳定下来。被测试件和热流计安装的温度传感器测量的温度不再变化，纪录此时的压力数值和所有温度数值进行处理。
根据傅里叶传热公式热流计的热流密度：q＝-k(dt/dz).热流计材料已知，导热系数k为已知值。通过拟合热流温度对垂直方向的直线，其斜率即为dt/dz。上下热流计都可求出一个热流密度q上和q下。验证其大小，当q上和q下差别不超过5％，保证热流稳定，取算术平均值作为后续计算热流密度。
如图7所示，在同一直角坐标上，分别拟合温度对垂直距离Z的两条直线，插值出两条直线在界面处温降ΔT。接触热导h＝q/ΔT。

Claims (8)

1.一种固定结合面真空接触热导测量装置，包括一个真空装置、压电陶瓷加载装置、被测试件和热流计、加热装置、制冷装置、循环装置、测量装置以及数据处理和显示装置，其特征在于，被测试件和热流计放置在压力陶瓷加载装置上压紧，加热装置和循环装置连接在上下加热制冷件上，温度传感器安装在被测试件和热流计上，压力传感器连接在加载装置上，上述装置均置于真空装置中，制冷装置、数据处理和显示装置放在真空装置外。
2.根据权利要求1所述的一种固定结合面真空接触热导测量装置，其特征在于，真空装置由真空罩(1)和真空底板(25)通过密封橡胶(23)构成，真空底板焊接有凹槽，并开了导线连接口以及真空泵接口(32)。
3.根据权利要求2所述的一种固定结合面真空接触热导测量装置，其特征在于：凹槽盛放制冷液体(27)。
4.根据权利要求1所述的一种固定结合面真空接触热导测量装置，其特征在于：压力陶瓷加载装置由四螺杆机构(2)，上支撑板(4)和压力陶瓷(14)构成，压力陶瓷固定在上支撑板(4)下表面。
5.根据权利要求1所述的一种固定结合面真空接触热导测量装置，其特征在于：加热装置由电加热环(15、20)和加热制冷件(5、26)构成，电加热环包裹在加热制冷件外一部分，电加热环开关通过真空箱底部的接口与外界控制单元相连。
6.根据权利要求1所述的一种固定结合面真空接触热导测量装置，其特征在于：循环装置由循环管道(6)、制冷泵(21)、制冷圈(16、22)和加热制冷件构成，制冷圈(16、22)包裹在加热制冷件被电加热环包裹之外的另一部分，制冷圈与制冷管道相连，连接到真空底板凹槽中的制冷液(27)，制冷泵安装在左右两边制冷管道之间。
7.根据权利要求1所述的一种固定结合面真空接触热导测量装置，其特征在于：制冷装置由制冷液氮(9)、外制冷液容器(33)以及制冷液(28)构成，制冷液氮放在真空箱外，通过管道连接到外制冷液容器中的制冷液，制冷液容器放在真空底板下，真空底板的凹槽浸泡在外制冷液容器的制冷液中。
8.根据权利要求1所述的一种固定结合面真空接触热导测量装置，其特征在于：测量装置包括压力测量装置(13)和温度测量装置(34)，压力测量装置置于真空底板上并在下加热制冷件下方，温度传感器安装在试件和热流计侧面的加工孔内，压力和温度传感器通过真空箱底部的接口与真空箱外的数据处理和显示单元(30)相连。
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