CN103116086A - 内置式多孔加热器快速寿命实验的设备与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电热材料或加热元件快速寿命测试的实验技术，具体为一种内置式多孔加热器快速寿命实验的设备与方法。该设备由真空系统、测量控制系统及样品安装架组成。实验样品装入样品安装架的真空隔热套筒后，将样品安装架装入真空室，试验样品的引出线及热偶线通过气密封电连接器接入测量控制系统；实验方法为在真空条件下，将试验样品通电，调整通电电压使试验样品在2分钟内中心温度达到700℃，随后对样品进行通电2分钟、断电2分钟为一个周次的考核测验，在2万周次的实验中考查试验样品电阻和中心温度的变化，以确定样品的使用寿命。内置式泡沫加热器应用于航天飞行器电热推力器上，本发明可以用于该类加热器的研制和寿命评估。
Description
技术领域
本发明涉及电热材料或加热器快速寿命测试的实验技术，具体为一种内置式多孔加热器快速寿命实验的设备与方法。
背景技术
我国航天科技集团公司于二十世纪末开始发射一系列包括对地观测卫星和飞船等空间飞行器。它们的运行轨道低、寿命长，姿态和轨道需要经常调整，目前采用单组元肼催化分解式推力器组成推进系统。但所用催化剂降低了推力器的可靠性，制约了整星的使用寿命。而采用单组元肼电热直接热分解式推力器(电热肼推力器)，免用催化剂，真空比冲更高，节约星上能源，内置式多孔加热器是它的关键组件，我国对电热肼推力器的研制还处于起步阶段。
为保证电热肼推力器的高效率和长寿命工作，对内置式多孔加热器的工作寿命提出很高要求。为了验证加热器能否满足设计指标，模拟器件在轨工作状态，研制出内置式多孔加热器快速寿命的实验设备并拟定出实验方案，对内置式多孔加热器的性能和寿命进行考核。
发明内容
本发明的目的是提供一种内置式多孔加热器快速寿命实验的设备与方法，用于对航天器推进系统的电热推力器内置式多孔加热器的性能和寿命进行考核。
本发明的技术方案是：
一种内置式多孔加热器快速寿命实验的设备，该设备由以下三部分组成：
(1)真空系统：包括真空室、分子泵、机械泵、波纹管和真空计，所述真空室包括不锈钢圆筒、法兰盘和气密封电连接器，不锈钢圆筒一端封口，另一端安装法兰盘，不锈钢圆筒和法兰盘之间通过密封圈密封；法兰盘连接气密封电连接器，不锈钢圆筒上部连接真空计，不锈钢圆筒下部连接分子泵，分子泵通过波纹管与机械泵连接；
(2)样品安装架：包括真空隔热套筒、不锈钢支架、不锈钢托架和底盘，不锈钢支架和不锈钢托架固定于底盘上，真空隔热套筒由不锈钢支架支撑；带有热电偶的实验样品装入真空隔热套筒后，将真空隔热套筒固定在不锈钢支架上，试验样品的固封段放置在不锈钢托架上，然后将样品安装架装入真空室中，热电偶线通过气密封电连接器相连接入测量控制系统中；
所述真空隔热套筒由内层不锈钢圆筒、外层不锈钢圆筒和多层隔热材料组成，内层不锈钢圆筒直径大于试验样品，多层隔热材料在内层不锈钢圆筒和外层不锈钢圆筒之间，多层隔热材料由一层高温氧布和一层镍箔交替排列构成，共18层。
(3)测量控制系统：由四路独立的控制回路组成，每一路控制回路包括温度控制器、固态继电器、直流电源、循环计时器、计数器、电流检测器、电压表、电流表、无纸记录仪，负载为带有热电偶的内置式多孔加热器，即实验样品，实验样品置于真空室内；热电偶线通过气密封电连接器接入温度控制器，直流电源正极与固态继电器正向输入端连结，固态继电器反向输出端与电流检测器连接，温度控制器正极和固态继电器正向输入端通过循环计时器中的控制触点J1-1连接，温度控制器负极与固态继电器反向输入端连接，循环计时器和计数器通过循环计时器中的控制触点J1-2与电流检测器中的控制触点J2串联连接，电流检测器、电流表、电压表与负载连接，温度控制器、电流表、电压表的输出端与无纸记录仪输入端连接。
所述直流电源的电压在0～65V间调节。
所述测量控制系统一个控制回路的工作过程为：(1)当真空室压力达到规定值后，启动设备电源，根据所要求的样品通电、断电时间设定循环计时器周期参数；(2)接通对负载加热的直流电源，根据对样品的温度要求设定直流电源的输出电压，可以分别给各路样品加0～65伏电压，每路最大电流可达3安培；(3)样品的温度由安置在样品上的热电偶输出信号，温度控制器可在要求的范围内通过调节负载电流进行温度控制和测量；(4)根据设定的每一循环周期内样品通电加热和断电降温的要求，循环计时器内部的控制触点分别通、断其与固态继电器的连接，同时向计数器输出信号令其计数；(5)当负载意外开路时，电流检测器中的控制触点J2将封锁计数器，使其停止计数；(6)无纸记录仪同时记录每一路负载(样品)的温度值、电压值、电流值以及计算得到的电阻值。
所述内置式多孔加热器快速寿命的实验设备应用于航天飞行器姿轨控推力器热控装置所用的内置式多孔加热器测试中。
利用上述设备进行内置式多孔加热器快速寿命实验的方法，其原理是利用模拟内置式多孔加热器空间工作环境的实验设备，考核其使用寿命。
所述实验样品使用专利申请号为201110278801.0中提到的内置式多孔加热器，该内置式多孔加热器包括一体化发热芯、铠装壳体、过渡引出组件、引出段和外引线；所述一体化发热芯包括发热体和发热体骨架；发热体骨架由七根氮化硼管经密排而成，所述密排具体为六根周边氮化硼管以一根中心氮化硼管为中心对称排布；中心氮化硼管管内轴向放置隔片，周边氮化硼管的两端开有槽口，发热体经槽口依次往复穿装入周边氮化硼管；氮化硼管间以无机胶固定；
所述铠装壳体包括不锈钢圆筒、法兰盘和变径管，不锈钢圆筒和变径管通过法兰盘焊接在一起，一体化发热芯封装在不锈钢圆筒中，法兰盘中心留有过渡线的引出孔；
所述过渡引出组件包括过渡线和复合组成的绝缘材料部件，过渡线为多股镍铬合金丝，其截面积为发热体真实截面积的4～5倍；复合组成的绝缘材料部件包括双孔氮化硼圆片、石英管、无机胶和氧化镁微粉；双孔氮化硼圆片利用无机胶粘接在一体化发热芯与法兰盘之间，过渡线其一端与发热体两端相连后从中心多孔氮化硼管中隔片两侧引出，然后经双孔氮化硼圆片上的两个孔进入变径管中，过渡线引出变径管后与外引线相连，变径管中的过渡线外套石英管，变径管中充填无机胶和氧化镁微粉；
过渡线与外引线连接点用热缩套管包覆后，采用耐高温环氧胶将其与变径管末端一起固封在不锈钢管中，构成引出段。
在真空条件下，将试验样品通电，调整通电电压使试验样品在2分钟内中心温度(试验样品发热体的温度)达到700℃，随后对样品进行通电2分钟、断电2分钟为一个周次的考核测验，在2万周次的实验中考查试验样品电阻和中心温度的变化，以确定样品的使用寿命；
实验条件：真空条件指环境压力10-2～10-3Pa，试验样品通电后中心温度不低于700℃；
实验模式：通电2分钟、断电2分钟为一个周次，共进行2万个周次；
测试项目：实验过程中测量实验样品通电状态的电压、电流及实验样品不同位置的温度；
性能考核指标：试验样品通电后中心温度达到700℃时，加热功率不高于20W；试验样品经2万个周次实验后电阻变化不超过15％。
该方法的具体步骤为：
1)试验样品的安装：
实验前测量试验样品的电阻；然后将第一热电偶从实验样品一体化发热芯的底部放入中心氮化硼管的中心位置，实验样品变径管的管壁中部点焊第二热电偶，实验样品引出段的不锈钢管管壁中部点焊第三热电偶；将带有热电偶的试验样品装入真空隔热套筒；将真空隔热套筒固定在不锈钢支架上，试验样品的引出段安放在环形不锈钢托架上；将样品安装架装入真空室内部，试验样品的引出线及三个热电偶的电偶线通过气密封电连接器接入测量控制系统；安装真空室的法兰盘；
2)模拟真空系统：
通过机械泵将真空室内部抽至10Pa以下的低真空环境，然后用分子泵将真空室内部抽至10-2Pa以上的高真空环境；
3)实验参数设定：
设定试验样品通、断电时间，均为2分钟；
4)电压的调整：
调整试验样品通电电压，使第一热电偶所在位置温度在2分钟内到达700℃，然后开始记录实验周次；测量结果显示在无纸记录仪上；如果实验过程中试验样品第一热电偶所在位置温度低于700℃，则需要调整通电电压，以维持样品温度；
5)过程记录和结果分析：
试验样品须经历2万个周次的循环，实验过程中周次可以累积；实验过程中记录样品通电时的电压、电流和三个热电偶所在位置的温度；实验结束后停止对样品通电，关闭真空系统，取出样品再次测量其阻值；根据考核指标判断其性能和使用寿命是否满足研制技术要求，需要时对试验样品进行材料结构、成分分析。
实验中，需要监测第二热电偶所在位置的温度不高于350℃，第三热电偶所在位置的温度不高于180℃。
所述第一热电偶、第二热热电偶和第三热电偶为K型热电偶，由镍硅合金丝、镍铬合金丝通过储能式脉冲点焊技术熔焊而成，外套刚玉绝缘套管。
本发明的有益效果：
1、内置式多孔加热器应用于航天飞行器姿、轨控电热推力器上，由于其工作环境及使用要求不能用常规的检验方法对其寿命进行判断评估，为此制定了内置式泡沫加热器快速寿命的实验方法并研制相应的设备，取得样品加热电压、电流、温度分布等与使用周次关系曲线图。
2、本发明采用在试验样品不同位置安置热电偶的设计，有效的测试了加热电压、电流的变化对试验样品一体化发热芯及整体器件温度分布的影响。
3、本发明采用真空隔热套筒设计，有效地模拟空间推力器推力室外包覆的隔热材料，降低了在高真空度环境下，器件由于热辐射及热传导所造成的热量损失，提高了测量数据的准确性。
4、本发明采用的多路测量控制装置，每次可以对4个样品同时进行实验，操作简单，实验效率高、成本低。
附图说明
图1为本发明内置式多孔加热器快速寿命实验的设备结构示意图。
图2为本发明样品安装架结构示意图。
图3为本发明真空隔热套筒结构示意图。
图4为本发明带有热电偶的实验样品示意图。
图5为本发明的测量控制系统其中一个控制回路框图。
图中：1循环计时器，2温度控制器，3无纸记录仪，4计数器，5法兰盘，6不锈钢圆筒，7真空计，8电流表，9直流电源，10电压表，11固态继电器，12气密封电连接器，13密封圈，14分子泵，15波纹管，16机械泵，17真空隔热套筒，18不锈钢支架，19底盘，20不锈钢托架，21外层不锈钢圆筒，22多层隔热材料，23内层不锈钢圆筒，24中心氮化硼管，25变径管，26不锈钢管，27第一热电偶，28第二热电偶，29第三热电偶。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、2、3、6所示，本发明内置式多孔加热器快速寿命实验的设备，由以下三部分组成：
(1)真空系统：包括真空室、分子泵(14)、机械泵(16)、波纹管(15)和真空计(7)，所述真空室包括不锈钢圆筒(6)、法兰盘(5)和气密封电连接器(12)，不锈钢圆筒(6)一端封口，另一端安装法兰盘(5)，不锈钢圆筒(6)和法兰盘(5)之间通过密封圈(13)密封；法兰盘(5)连接气密封电连接器(12)，不锈钢圆筒(6)上部连接真空计(7)，不锈钢圆筒(6)下部连接分子泵(14)，分子泵(14)通过波纹管(15)与机械泵(16)连接；
(2)样品安装架：包括真空隔热套筒(17)、不锈钢支架(18)、不锈钢托架(20)和底盘(19)，不锈钢支架(18)和不锈钢托架(20)固定于底盘(19)上，真空隔热套筒(17)由不锈钢支架(18)支撑；带有热电偶的实验样品装入真空隔热套筒(17)后，将真空隔热套筒(17)固定在不锈钢支架(18)上，试验样品的固封段放置在不锈钢托架(20)上，然后将样品安装架装入真空室中，热电偶线通过气密封电连接器(12)相连接入测量控制系统中；
所述真空隔热套筒(17)由内层不锈钢圆筒(23)、外层不锈钢圆筒(21)和多层隔热材料(22)组成，内层不锈钢圆筒(23)直径大于试验样品，多层隔热材料(22)在内层不锈钢圆筒(23)和外层不锈钢圆筒(21)之间，多层隔热材料(22)由一层高温氧布和一层镍箔交替排列构成，共18层。
(3)测量控制系统：由四路独立的控制回路组成，每一路控制回路包括：温度控制器(2)、固态继电器(11)、直流电源(9)、循环计时器(1)、计数器(4)、电流检测器、电压表(10)、电流表(8)、无纸记录仪(3)，实验样品置于真空室内；热电偶线通过气密封电连接器(12)接入温度控制器(2)，直流电源(9)正极与固态继电器(11)正向输入端连接，固态继电器(11)反向输出端与电流检测器连接，温度控制器(2)正极和固态继电器(11)正向输入端通过循环计时器中的控制触点J1-1连接，温度控制器负极与固态继电器反向输入端连接，循环计时器(1)和计数器(4)通过循环计时器中的控制触点J1-2与电流检测器中的控制触点J2串联连接，电流检测器、电流表、电压表与负载连接，温度控制器、电流表、电压表的输出端与无纸记录仪输入端连接。
K型热电偶的制作(如图4)：将两根400mm长的Φ0.3镍铬、镍硅丝在端头点焊在一起，在两根丝外套陶瓷管绝缘保护。将第一热电偶(27)的测温点放置于中心氮化硼管(24)的中部，第二热电偶(28)的测温点点焊在实验样品变径管(25)的管壁中部，第三热电偶(29)的测温点点焊在实验样品引出段不锈钢管(26)管壁的中部。将带有热电偶的试验样品装入真空隔热套筒(17)；将真空隔热套筒(17)固定在不锈钢支架(18)上，试验样品的引出段安放在不锈钢托架(20)上；将样品安装架(图2)装入不锈钢圆筒(6)内部，试验样品的引出线及三个热电偶的线与气密封电连接器相连；安装真空室的法兰盘(5)；安装前测量试验样品的电阻。通过机械泵(16)将真空室内部抽至低真空环境(10Pa以下)，后用分子泵(14)抽至高真空10-2以上。设定样品通、断电时间，均为2分钟。调整样品通电电压，使试验样品工作段温度在2分钟内到达700℃，然后开始记录实验周次；测量结果显示在无纸记录仪(3)上；如果实验过程中试验样品温度降低，则需要调整通电电压，以维持样品温度。试验样品须经历2万个周次的实验，实验过程中周次可以累积；实验过程中无纸记录仪记录试验样品通电时的电压、电流和三个热电偶所在位置的温度，同时记录根据电压、电流值计算出的相应电阻值；实验结束后停止对样品通电，关闭真空系统，取出试验样品再次测量其阻值；根据考核指标判断其性能和使用寿命是否满足研制技术要求，需要时对试验样品进行材料结构、成分分析。
Claims (9)
1.一种内置式多孔加热器快速寿命实验的设备，其特征在于：该设备由以下三部分组成：
(1)真空系统：包括真空室、分子泵、机械泵、波纹管和真空计，所述真空室包括不锈钢圆筒、法兰盘和气密封电连接器，不锈钢圆筒一端封口，另一端安装法兰盘，不锈钢圆筒和法兰盘之间通过密封圈密封；法兰盘连接气密封电连接器，不锈钢圆筒上部连接真空计，不锈钢圆筒下部连接分子泵，分子泵通过波纹管与机械泵连接；
(2)样品安装架：包括真空隔热套筒、不锈钢支架、不锈钢托架和底盘，不锈钢支架和不锈钢托架固定于底盘上，真空隔热套筒由不锈钢支架支撑；带有热电偶的实验样品装入真空隔热套筒后，将真空隔热套筒固定在不锈钢支架上，试验样品的固封段放置在不锈钢托架上，然后将样品安装架装入真空室中，试验样品的引出线及热电偶线通过气密封电连接器相连接入测量控制系统中；
(3)测量控制系统：由四路独立的控制回路组成，每一路控制回路包括温度控制器、固态继电器、直流电源、循环计时器、计数器、电流检测器、电压表、电流表、无纸记录仪，负载为带有热电偶的内置式多孔加热器，即实验样品，实验样品置于真空室内；热电偶线通过气密封电连接器接入温度控制器，直流电源正极与固态继电器正向输入端连结，固态继电器反向输出端与电流检测器连接，温度控制器正极和固态继电器正向输入端通过循环计时器中的控制触点J1-1连接，温度控制器负极与固态继电器反向输入端连接，循环计时器和计数器通过循环计时器中的控制触点J1-2与电流检测器中的控制触点J2串联连接，电流检测器、电流表、电压表与负载连接，温度控制器、电流表、电压表的输出端与无纸记录仪输入端连接。
2.根据权利要求1所述内置式多孔加热器快速寿命实验的设备，其特征在于：所述真空隔热套筒由内层不锈钢圆筒、外层不锈钢圆筒和多层隔热材料组成，内层不锈钢圆筒直径大于试验样品，多层隔热材料在内层不锈钢圆筒和外层不锈钢圆筒之间，多层隔热材料由一层高温氧布和一层镍箔交替排列构成，共18层。
3.根据权利要求1所述内置式多孔加热器快速寿命实验的设备，其特征在于：所述直流电源的电压在0～65V间调节。
4.根据权利要求1所述的内置式多孔加热器快速寿命的实验设备，其特征在于：所述内置式多孔加热器快速寿命的实验设备应用于航天飞行器姿轨控推力器热控装置所用的内置式多孔加热器测试中。
5.一种利用权利要求1所述设备进行内置式多孔加热器快速寿命实验的方法，其特征在于：在真空条件下，将试验样品通电，调整通电电压使试验样品在2分钟内中心温度达到700℃，随后对样品进行通电2分钟、断电2分钟为一个周次的考核测验，在2万周次的实验中考查试验样品电阻和中心温度的变化，以确定样品的使用寿命；
所述中心温度是指试验样品发热体的温度。
6.根据权利要求5所述内置式多孔加热器快速寿命实验的方法，其特征在于：实验条件：真空条件指环境压力10-2～10-3Pa，试验样品通电后中心温度不低于700℃；
实验模式：通电2分钟、断电2分钟为一个周次，共进行2万个周次；
测试项目：实验过程中测量实验样品通电状态的电压、电流及实验样品不同位置的温度；
性能考核指标：试验样品通电后中心温度达到700℃时，加热功率不高于20W；试验样品经2万个周次实验后电阻变化不超过15％。
7.根据权利要求6所述内置式多孔加热器快速寿命实验的方法，其特征在于：该方法的具体步骤为：
1)试验样品的安装：
实验前测量试验样品的电阻；然后将第一热电偶从实验样品一体化发热芯的底部放入中心氮化硼管的中心位置，实验样品变径管的管壁中部点焊第二热电偶，实验样品引出段的不锈钢管管壁中部点焊第三热电偶；将带有热电偶的试验样品装入真空隔热套筒；将真空隔热套筒固定在不锈钢支架上，试验样品的引出段安放在环形不锈钢托架上；将样品安装架装入真空室内部，试验样品的引出线及热电偶线通过气密封电连接器接入测量控制系统；安装真空室的法兰盘；
2)模拟真空系统：
通过机械泵将真空室内部抽至10Pa以下的低真空环境，然后用分子泵将真空室内部抽至10-2Pa以上的高真空环境；
3)实验参数设定：
设定试验样品通、断电时间，均为2分钟；
4)电压的调整：
调整试验样品通电电压，使第一热电偶所在位置温度在2分钟内到达700℃，然后开始记录实验周次；测量结果显示在无纸记录仪上；如果实验过程中试验样品第一热电偶所在位置温度低于700℃，则需要调整通电电压，以维持样品温度；
5)过程记录和结果分析：
试验样品须经历2万个周次的循环，实验过程中周次可以累积；实验过程中记录样品通电时的电压、电流和三个热电偶所在位置的温度；实验结束后停止对样品通电，关闭真空系统，取出样品再次测量其阻值；根据考核指标判断其性能和使用寿命是否满足研制技术要求，需要时对试验样品进行材料结构、成分分析；试验过程中第二热电偶所在位置的温度不高于350℃，第三热电偶所在位置的温度不高于180℃。
8.根据权利要求7所述内置式多孔加热器快速寿命实验的方法，其特征在于：所述测量控制系统一个控制回路的工作过程为：(1)当真空室压力达到规定值后，启动设备电源，根据所要求的样品通电、断电时间设定循环计时器周期参数；(2)接通对负载加热的直流电源，根据对样品的温度要求设定直流电源的输出电压，给样品加0～65伏电压，最大电流为3安培；(3)样品的温度由安置在样品上的热电偶输出信号，温度控制器在要求的范围内通过调节负载电流进行温度控制和测量；(4)根据设定的每一循环周期内样品通电加热和断电降温的要求，循环计时器内部的控制触点分别通、断其与固态继电器的连接，同时向计数器输出信号令其计数；(5)当负载意外开路时，电流检测器中的控制触点J2将封锁计数器，使其停止计数；(6)无纸记录仪记录负载的温度值、电压值、电流值以及计算得到的电阻值。
9.根据权利要求7所述内置式多孔加热器快速寿命实验的方法，其特征在于：第一热电偶、第二热热电偶和第三热电偶为K型热电偶，由镍硅合金丝、镍铬合金丝通过储能式脉冲点焊技术熔焊而成，外套刚玉绝缘套管。
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