CN102886284B - 一种高低温常压热循环试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高低温常压热循环试验装置，其采用气液热交换器与管道电加热器组合运行的高低温环境模拟装置，该装置可在常压下实现在-100℃至+100℃的热循环试验环境。本发明包括环境模拟舱体、高低温气体发生系统、气体置换系统和冷源系统，可完成进行热循环试验所需的多种试验过程。本发明中的环境模拟舱体用于放置待进行热循环试验的被试件；高低温气体发生系统用于输送气体并可对送风的风速、温度等参数进行调节；气体置换系统用于在置换过程时通过气体置换作用排出系统内的水汽及杂质，防止对被试件的损坏；冷源系统用于提供降温过程时的冷源，同时也为置换过程提供纯净的氮气。该装置结构简单、设计合理，能高效的满足高低温热循环试验的要求。

Description

一种高低温常压热循环试验装置

技术领域

本发明涉及一种高低温常压热循环试验装置，尤其涉及一种可以在常压下实现-100℃至+100℃环境的热循环试验系统。

背景技术

在一些电子元件、航天设备、精密仪器以及重要机械部件的研制过程中，需要实施热循环试验以对产品进行性能和功能的检验，其原理是通过在高低温条件下的环境应力筛选来发现潜在的质量缺陷。常压热循环试验相对于真空热循环试验有着成本和试验周期上的优势，其试验的实施是在高低温试验箱中进行的。通过对现有技术检索发现，现有的高低温试验设备大多采用的是机械制冷的方式实现低温环境，这种方式使得系统较为复杂且温度降低范围有限，为200410078807.3和200910201130.0的中国专利申请公开了利用液氮气化方式进行降温的高低温试验装置，但是在具体的实施上采用了液氮喷淋或喷射的方式，若需要达到较高的温度场均匀性则对喷淋装置或喷射装置有着较高的设计和控制要求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种采用气液热交换器与管道电加热器组合运行的高低温环境模拟装置，该装置可在常压下实现在-100℃至+100℃的热循环试验环境。

为实现上述目的，本发明提供了一种高低温常压热循环试验装置，包括环境模拟舱体、高低温气体发生系统、气体置换系统、冷源系统；

所述环境模拟舱体内设置有进行热循环试验的部件；

所述高低温气体发生系统用于输送气体并对送风的风速、温度等参数进行调节；

所述气体置换系统用于在置换过程时通过气体置换排出系统内的水汽及杂质，防止对被试件的损坏；

所述冷源系统提供降温过程的冷源，同时也为置换过程提供纯净的氮气；

所述冷源系统通过液氮管道与所述高低温气体发生系统和所述气体置换系统进行连接，并通过液氮调节阀门进行两者之间的切换，所述高低温气体发生系统通过氮气管道与所述环境模拟舱体进行连接，所述气体置换系统一端通过液氮管道与所述冷源系统进行连接另一端通过氮气管道与高低温气体发生系统进行连接；

所述高低温气体发生系统与所述环境模拟舱体共同组成环状循环回路。

如上所述的高低温常压热循环试验装置，其中，所述环境模拟舱体为一密闭空间，内部设置有送风孔板，把所述密闭空间分隔为上部空间和下部空间，上部空间称为静压室，所述静压室的顶部设置有送风口；所述下部空间的底部设置有回风口，所述舱体的外层设有保温结构，内部还设置有照明摄像设备。

如上所述的高低温常压热循环试验装置，其中，所述密闭空间是用框架结构组成，外形是长方形或其他形状。

如上所述的高低温常压热循环试验装置，其中，所述保温结构采用超细玻璃棉作为保温材料。

如上所述的高低温常压热循环试验装置，其中，所述高低温气体发生系统中的气体在气体管道中依次经过循环风机、气液热交换器、管道电加热器后进入环境模拟舱体，所述气液热交换器一侧的进口通过液氮管道与所述冷源系统相连，另一侧进口与所述循环风机通过氮气管道相连，两侧出口通过氮气管道进行连接后再连接至所述管道电加热器入口。

如上所述的高低温常压热循环试验装置，其中，所述循环风机和排风机采用边缘焊接金属波纹管形式的机械密封，可以在-100℃至+100℃的环境下正常工作。

如上所述的高低温常压热循环试验装置，其中，所述管道电加热器由与气流垂直的多根电阻管组成，外部采用不锈钢壳体封装，并采用可控硅实现其功率调节以控制加热量。

如上所述的高低温常压热循环试验装置，其中，所述气体置换系统包括：稳压阀、稳压罐、空浴汽化器、管道电加热器、液氮调节阀；

通过液氮管道沿流体流动方向依次将所述液氮调节阀、所述空浴汽化器、所述管道电加热器进行连接，通过氮气管道将所述管道电加热器、所述稳压阀、所述稳压罐连接并将氮气管道出口与所述高低温气体发生系统进行连接。

如上所述的高低温常压热循环试验装置，其中，所述冷源系统包括液氮储罐、放空阀、压力表；所述液氮储罐出口处连接两条管道，分别连接至所述高低温气体发生系统和所述气体置换系统。

如上所述的高低温常压热循环试验装置，其中，能完成常压热循环试验时的五种工作过程：

1)置换过程：在进行热循环试验前，需先进行置换过程排出系统内的水汽及杂质。在置换过程中气液热交换器处的液氮调节阀、氮气管道上的循环风阀保持关闭，通过冷源系统和气体置换系统向环境模拟舱体内通入纯净的氮气，并从回风口经过排风阀由排风机排出系统；

2)降温过程：在进行降温试验时，气体置换系统保持关闭，来自冷源系统的液氮与循环管道中的氮气在气液热交换器中进行换热，两侧出口气体充分混合后送入环境模拟舱体。通过对液氮流量的调节可改变降温速率。同时需要打开排风机和排风阀，以维持系统内压力的恒定；

3)升温过程：在进行高温试验时，气体置换系统、冷源系统均保持关闭，打开高低温气体发生系统中的管道电加热器用来加热循环气体，通过改变管道电加热器的功率可以调节升温速率。同时，打开排风机和排风阀排出一定的气体以维持压力恒定；

4)低温保温过程：当降温过程结束后，进入低温保温过程。此时由于系统的少量漏热，仍需保持气液热交换器处液氮调节阀的打开状态，并调节到较小的开度，以补偿系统的漏热损失。同时打开排风机以维持系统压力恒定；

5)高温保温过程：当升温过程结束后，进入高温保温过程。此时由于系统的少量漏热，仍需保持高低温气体发生系统中管道电加热器的开启，并调节到较小的功率，以补偿系统的漏热损失。此时由于系统内气体状态不再改变，可关闭排风阀和排风机。

本发明可以实现常压下-100℃至+100℃的试验环境。该装置结构简单，安全可靠。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的环境模拟舱体透视图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

如图1所示，本实施例包括：环境模拟舱体A、高低温气体发生系统B、气体置换系统C、冷源系统D。

所述高低温气体发生系统B包括：气液热交换器2、氮气管道19、液氮管道18、循环风机1、循环风阀7、排风机9、排风阀8、液氮调节阀3、管道电加热器4。其中，气液热交换器2用于低温试验时液氮与循环氮气的混合，液氮和氮气在气液热交换器2两侧进行逆流换热后再通过管道三通进行混合，一方面保证了液氮全部气化，避免液态氮进入环境模拟舱体A，对被试件造成损坏；另一方面也保证了气体与液体混合后温度的均匀性。循环风机1提供气体循环的动力。排风机9和排风阀8用于排出环境模拟舱体A内多余的气体，以维持压力恒定。管道电加热器4用于进行高温试验时提供热源。循环风机1用于提供气体循环的动力。

所述气体置换系统C包括：稳压阀10、稳压罐11、管道电加热器12、空浴汽化器13和液氮调节阀14。在进行置换过程时，冷源系统D中的液氮经过液氮调节阀14的调节依次流经空浴汽化器13、管道电加热器12，使之完全气化，再经过稳压罐11和稳压阀10后进入环境模拟舱体A。

所述的冷源系统D包括：液氮储罐16、放空阀15、压力表。

如图2所示，所述环境模拟舱体A的外形为长方体，包括：静压室18、送风孔板19、送风口5、回风口6、保温结构17和照明摄像设备。所述保温结构为超细玻璃棉材料。

本发明装置在进行热循环试验中有五种工作方式：置换过程、降温过程、升温过程、低温保温过程、高温保温过程。

a、置换过程：在进行热循环试验前，需先进行置换过程排出系统内的水汽及杂质。在置换过程中液氮调节阀3、循环风阀7保持关闭，通过冷源系统D和气体置换系统C向环境模拟舱体内通入纯净的氮气，并从回风口6经过排风阀8由排风机9排出；

b、降温过程：在进行降温试验时，液氮调节阀14保持关闭，来自冷源系统D中的液氮与循环管道中的氮气在气液热交换器2中进行换热，将气化后的液氮与循环管道中的氮气混合后送入环境模拟舱体A。通过对液氮调节阀3的调节可改变液氮流量，从而调节降温速率。同时需要打开排风机9，以维持系统内压力的恒定；

c、升温过程：在进行高温试验时，液氮调节阀3和液氮调节阀14均保持关闭，打开管道电加热器4用来加热循环气体，通过改变管道电加热器4的功率可以调节升温速率。由于气体加热后压力增加，打开排风机9和排风阀8排出一定的气体以维持压力恒定；

d、低温保温过程：当降温过程结束后，进入低温保温过程。此时由于系统的少量漏热，仍需保持液氮调节阀3的打开状态，并调节到以较小的开度，以补偿系统的漏热损失。同时打开排风机9以维持系统压力恒定；

e、高温保温过程：当升温过程结束后，进入高温保温过程。此时由于系统的少量漏热，仍需保持管道电加热器4的开启，并调节到较小的功率，以补偿系统的漏热损失。此时由于系统内气体状态不再改变，可关闭排风阀8和排风机9。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高低温常压热循环试验装置，其特征在于，包括环境模拟舱体、高低温气体发生系统、气体置换系统、冷源系统； 

所述环境模拟舱体内设置有进行热循环试验的部件；所述环境模拟舱体为一密闭空间，内部设置有送风孔板，把所述密闭空间分隔为上部空间和下部空间，上部空间称为静压室，所述静压室的顶部设置有送风口；所述下部空间的底部设置有回风口，所述舱体的外层设有保温结构，内部还设置有照明摄像设备；所述密闭空间是用框架结构组成；所述保温结构采用纤维直径小于3微米的超细玻璃棉作为保温材料； 

所述高低温气体发生系统用于输送气体并对送风的风速、温度参数进行调节；所述高低温气体发生系统包括气液热交换器、氮气管道、液氮管道、循环风机、循环风阀、排风机、排风阀、液氮调节阀和管道电加热器；所述高低温气体发生系统中的气体在气体管道中依次经过循环风机、气液热交换器、管道电加热器后进入环境模拟舱体，所述气液热交换器一侧的进口通过液氮管道与所述冷源系统相连，另一侧进口与所述循环风机通过氮气管道相连，两侧出口通过氮气管道进行连接后再连接至所述管道电加热器入口；所述循环风机和排风机采用边缘焊接金属波纹管形式的机械密封，可以在-100℃至+100℃的环境下正常工作； 

所述气体置换系统用于在置换过程时通过气体置换排出系统内的水汽及杂质，防止对被试件的损坏；所述气体置换系统包括：稳压阀、稳压罐、空浴汽化器、管道电加热器、液氮调节阀；通过液氮管道沿流体流动方向依次将所述液氮调节阀、所述空浴汽化器、所述管道电加热器进行连接，通过氮气管道将所述管道电加热器、所述稳压阀、所述稳压罐连接并将氮气管道出口与所述高低温气体发生系统进行连接； 

所述冷源系统提供降温过程的冷源，同时也为置换过程提供纯净的氮气； 

所述冷源系统通过液氮管道与所述高低温气体发生系统和所述气体置换系统进行连接，并通过液氮调节阀门进行两者之间的切换，所述高低温气体发生系统通过氮气管道与所述环境模拟舱体进行连接，所述气体置换系统一端通过液氮管道与所述冷源系统进行连接另一端通过氮气管道与高低温气体发生系统进行连接； 

所述高低温气体发生系统与所述环境模拟舱体共同组成环状循环回路。 

2.如权利要求1所述的高低温常压热循环试验装置，其特征在于，所述密闭空间的外形是长方形。 

3.如权利要求1所述的高低温常压热循环试验装置，其特征在于，所述管道电加热器由与气流垂直的多根电阻管组成，外部采用不锈钢壳体封装，并采用可控硅实现其功率调节以控制加热量。 

4.如权利要求1所述的高低温常压热循环试验装置，其特征在于，所述冷源系统包括液氮储罐、放空阀、压力表；所述液氮储罐出口处连接两条管道，分别连接至所述高低温气体发生系统和所述气体置换系统。 

5.如权利要求1所述的高低温常压热循环试验装置，其特征在于，能完成常压热循环试验时的五种工作过程： 

置换过程：在进行热循环试验前，需先进行置换过程排出系统内的水汽及杂质 ；在置换过程中，气液热交换器入口处的液氮调节阀、氮气管道上的循环风阀保持关闭，通过冷源系统和气体置换系统向环境模拟舱体内通入纯净的氮气，并从回风口经过排风阀由排风机排出系统； 

降温过程：在进行降温试验时，气体置换系统保持关闭，来自冷源系统的液氮与循环管道中的氮气在气液热交换器中进行换热，两侧出口气体充分混合后送入环境模拟舱体 ；通过对液氮流量的调节可改变降温速率 ；同时需要打开排风机和排风阀，以维持系统内压力的恒定； 

升温过程：在进行高温试验时，气体置换系统、冷源系统均保持关闭，打开高低温气体发生系统中的管道电加热器用来加热循环气体，通过改变管道电加热器的功率可以调节升温速率 ；同时，打开排风机和排风阀排出一定的气体以维持压力恒定； 

低温保温过程：当降温过程结束后，进入低温保温过程 ；此时由于系统的少量漏热，仍需保持气液热交换器入口处液氮调节阀的打开状态，并调节到较小的开度，以补偿系统的漏热损失 ；同时打开排风机以维持系统压力恒定； 

高温保温过程：当升温过程结束后，进入高温保温过程 ；此时由于系统的少量漏热，仍需保持高低温气体发生系统中管道电加热器的开启，并调节到较小的功率，以补偿系统的漏热损失 ；此时由于系统内气体状态不再改变，可关闭排风阀和排风机。