CN106553775A - 环境模拟试验箱及其环境模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种环境模拟试验箱及其环境模拟方法，包括：箱体，在所述箱体的内部形成有工作腔；换热装置，经由进风口和出风口与所述工作腔连通，用于改变所述工作腔的温度；真空发生装置，经由抽气口与所述工作腔连通，用于减小工作腔的气压；臭氧发生装置，经由臭氧出口与所述工作腔连通，用于向工作腔提供臭氧气体；以及位于所述工作腔内的样品安装台和紫外辐射灯组，所述样品安装台用于放置样品，所述紫外辐射灯组用于辐照所述样品。本发明提供的环境模拟试验箱可以满足在室内对临近空间飞行器进行可靠性试验的需求。
Description
技术领域
本发明涉及试验设备领域，更具体地，涉及一种环境模拟试验箱及其环境模拟方法。
背景技术
临近空间是人类足迹的新空间，未来临近空间飞行器将长期驻留在此空间。临近空间内紫外线等于或接近外太空，臭氧浓度极高，临近空间飞行器要实现长期驻留的目标，须对飞行器从材料、部件甚至整机进行临近空间环境下的可靠性试验，通过试验发现样品潜在的质量缺陷，以给样品的改进设计提供参考。而现有技术中的环境模拟试验箱或为模拟地面环境设计或为模拟太空环境设计，均与临近空间的复杂环境相差较大，不能满足临近空间飞行器的可靠性试验需求。因此，亟需提出一种模拟临近空间环境的环境模拟试验箱，以满足在室内即可对临近空间飞行器进行临近空间环境下可靠性试验的需求。
发明内容
本发明旨在提供一种环境模拟试验箱及其环境模拟方法，以满足在室内即可对临近空间飞行器进行临近空间环境下可靠性试验的需求。
本发明提供的环境模拟试验箱，包括：箱体，在所述箱体的内部形成有工作腔；换热装置，经由进风口和出风口与所述工作腔连通，用于改变工作腔的温度；真空发生装置，经由抽气口与所述工作腔连通，用于减小工作腔的气压；臭氧发生装置，经由臭氧出口与所述工作腔连通，用于向工作腔提供臭氧气体；以及位于所述工作腔内的样品安装台和紫外辐射灯组，所述样品安装台用于放置样品，所述紫外辐射灯组用于辐照所述样品。
进一步地，臭氧发生装置的臭氧出口处安装有朝向样品伸出的臭氧喷嘴。
进一步地，样品安装台上安装有臭氧浓度检测装置和/或紫外强度检测装置；工作腔内设置有温度检测装置。
进一步地，样品安装台上设置有用于夹持样品并可向样品施力的夹具。
进一步地，所述夹具对样品施力包括选自拉伸、压缩和交变应力中的至少一种。
进一步地，紫外辐射灯组的紫外辐射波段范围为200～400nm，辐射功率在10～120W/m2。
进一步地，工作腔中安装有紫外辐射灯组防护罩。
进一步地，紫外辐射灯组包括多个安装在工作腔顶壁上的紫外灯管，样品安装台水平布置在紫外辐射灯组的下方，紫外辐射灯组防护罩为设置在紫外辐射灯组和样品安装台之间的玻璃隔离板。
进一步地，该环境模拟试验箱还包括：与箱体连接并用于使工作腔内的气体与外界空气交换的换气装置。
进一步地，该环境模拟试验箱还包括：旋转动力装置和由旋转动力装置驱动的旋转轴，旋转动力装置与箱体连接，旋转轴伸入到工作腔内并与样品安装台连接。
进一步地，换热装置包括：连通进风口和出风口的换热腔，以及位于换热腔中的换热器和循环风机。
本发明提供的环境模拟方法，采用上述的环境模拟试验箱，包括：将样品放置在样品安装台上；启动换热装置，将工作腔中的温度调节为预定温度；启动真空发生装置，将工作腔中的气压减小到预定气压；开启紫外辐射灯组和所述臭氧发生装置中的至少一个。
进一步地，对样品进行老化测试，经过预定时间的老化测试之后，取出样品。
进一步地，在老化测试期间，旋转样品安装台。
进一步地，在老化测试期间，向样品施加拉伸、压缩或交变应力。
进一步地，在老化测试期间，还包括翻转样品，使得样品的相对表面分别接受辐照。
本发明提供的环境模拟试验箱，在换热装置、紫外辐射灯组、真空发生装置和臭氧发生装置的协同作用下，可以在工作腔中模拟出低温、低气压、高紫外线强度、高臭氧浓度的临近空间环境，即可对置于工作腔内样品安装台上的样品进行在临近空间环境下的可靠性试验，从而满足了在室内对临近空间飞行器进行临近空间环境下可靠性试验及寿命试验的需求。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示意性示出了本发明实施例提供的环境模拟试验箱的主视结构简图；
图2示意性示出了本发明实施例提供的环境模拟试验箱的侧视结构简图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参见图1和图2，示出了本发明实施例提供的环境模拟试验箱的结构简图，用于模拟临近空间环境，以对临近空间飞行器进行可靠性试验以及寿命试验。如图所示，该环境模拟试验箱至少包括：箱体1，与箱体1连接的换热装置、样品安装台2、紫外辐射灯组3、真空发生装置4和臭氧发生装置5。
箱体1的内部形成有工作腔10，工作腔10作为模拟临近环境的空间和对样品进行测试的空间使用。箱体1可以根据测试需要设计为用于整机测试的大尺寸箱体，或者为用于测试零部件和材料的小尺寸箱体。结合现有技术可以理解，箱体1包括有箱门以便于取放样品，且箱体1能够承压且可以隔绝外部的温度、湿度等环境条件。
样品安装台2位于工作腔10中并用于放置样品，样品可以为临近空间飞行器的整机、零部件或者材料。根据测试目的不同，样品安装台2可以仅为样品提供支撑平台，以测试样品在不受力情况下的老化情况；或者，样品安装台2上优选地还设置有用于夹持样品并可向样品施力的夹具21，这样通过夹具21可以对样品施加诸如拉伸力、压缩力和交变应力，以测试样品在受力情况下的可靠性和寿命。
紫外辐射灯组3位于工作腔10中，用于辐射样品，制造工作腔10内的紫外辐射环境。紫外辐射灯组3例如包括多个安装在工作腔10顶壁上的紫外灯管(当然，在其他实施例中紫外辐射灯组3也可以仅包括一个紫外灯管)，样品安装台2优选地水平布置在紫外辐射灯组3的下方。紫外辐射灯组3的辐射波段和功率可以根据测试需要设置，优选地，紫外辐射灯组3的紫外辐射波段范围为200nm～400nm，辐射功率在10W/m2～120W/m2，以尽量接近临近空间的紫外线强度和波段。另外，工作腔10中优选地安装有紫外辐射灯组防护罩7，紫外辐射灯组防护罩7在保证对样品进行紫外辐射的同时，将紫外辐射灯组3所在的区域与工作腔10的其他区域隔离开，这样可以避免因工作腔10内环境变化较大，引起紫外辐射灯组3爆破后散落在工作腔10内各处的风险。
换热装置用于改变工作腔10内的温度，使工作腔10内的温度提高、降低或者维持在某一设定温度环境。换热装置可以采用已知结构，只要能够调节工作腔10内的温度即可。本实施例中示出了换热装置的一种优选实施方式，由图1和图2中可以看出，箱体1的侧壁上开设有进风口11、出风口12，进风口11和出风口12分别与工作腔10相通。换热装置包括连通进风口11和出风口12的换热腔13，以及位于换热腔13中的换热器61和循环风机62。换热腔13可以形成于箱体侧壁的内部，这样，在循环风机62的作用下，工作腔10内气体从进风口11进入换热腔13内，和换热器61换热后从出风口12流出至工作腔10内，重复循环，这样可以实现工作腔10内的快速升温或降温。优选地，进风口11和出风口12可以为多个，循环风机62可以安装在各出风口12处。
真空发生装置4的抽气口40与工作腔10连通，用于制造工作腔10内的低压环境。真空发生装置4可以采用已知技术，其包括至少一个真空泵，通过真空泵抽气可以提供低至1kpa的工作腔10内压力。
臭氧发生装置5的臭氧出口与工作腔10连通，用于制造工作腔10内的臭氧环境。臭氧发生装置5也可以采用已知技术，优选地，臭氧发生装置5为工作腔10内提供10pphm～2000pphm范围的臭氧浓度，以尽量接近临近空间的臭氧浓度。
本发明实施例提供的环境模拟试验箱，在换热装置、紫外辐射灯组、真空发生装置和臭氧发生装置的协同作用下，可以在工作腔中模拟出低温、低气压、高紫外线强度、高臭氧浓度的临近空间环境，即可对置于工作腔内样品安装台上的样品进行在临近空间环境下的可靠性试验，从而满足了在室内对临近空间飞行器进行临近空间环境下可靠性试验及寿命试验的需求。
需要说明的是，虽然本实施例中的换热装置、真空发生装置4和臭氧发生装置5分别直接与箱体1连接，但在其他实施例中，换热装置、真空发生装置4和臭氧发生装置5可以分别独立设置于箱体1外，然后通过相应的管道与工作腔10连通。
再来参见图1，优选地，本实施例中臭氧发生装置5的臭氧出口处安装有朝向样品伸出的臭氧喷嘴51，这样能够提供局部高浓度均匀覆盖样品的臭氧分布，提高测试的有效性。优选地，该环境模拟试验箱还包括旋转动力装置8和由旋转动力装置8驱动的旋转轴81，旋转动力装置8与箱体1连接，旋转轴81伸入到工作腔10内并与样品安装台2连接。样品安装台2相当于通过旋转轴81、旋转动力装置8与箱体1连接。优选地，旋转动力装置8可以给旋转轴81提供稳定的旋转以及短暂停留的功能。在该旋转动力装置8的作用下，可以减少臭氧喷嘴51的设置数量，使样品依次旋转到臭氧喷嘴51的高浓度臭氧喷射区域。
优选地，样品安装台2上安装有臭氧浓度检测装置和/或紫外强度检测装置，臭氧浓度检测装置、紫外强度检测装置优选地靠近样品设置，以得到较为精确的样品所受到的臭氧浓度和紫外强度信息。优选地，工作腔10内设置有温度检测装置，以得到精确的工作腔10内的温度。
另外，由图1和图2中可以看出，本实施例中紫外辐射灯组防护罩7优选地为设置在紫外辐射灯组3和样品安装台2之间的玻璃隔离板。优选地，该玻璃隔离板可以由实心钢化玻璃制成，四周与箱体1的内壁连接，可以理解，隔离玻璃板相当于将工作腔10分为紫外灯管所在的腔室和样品试验腔室，换热装置的调温区域、臭氧发生装置5的臭氧出口和真空发生装置4的抽气口40分别与该样品试验腔室对应。
优选地，该环境模拟试验箱还包括：与箱体1连接并用于使工作腔10内的气体与外界空气交换的换气装置，该换气装置可以采用已知技术，工作时用于将工作腔10内气体引到箱体1外部，将箱体1外部的外界空气引到工作腔10内。通过设置该换气装置，一方面在试验过程中当臭氧浓度过高而不符合临近空间臭氧浓度时，可以换气使臭氧浓度保持在一定的浓度，另一方面在试验结束后开启换气装置，可以快速将工作腔10由低压环境恢复至常压环境。
下文将详述本发明实施例提供的环境模拟试验箱在对临近空间飞行器进行临近空间环境下测试的使用过程：
1)将需要测试的样品安装在样品安装台2上并由夹具21夹持，设定样品所需的拉伸、压缩或者交互应变的量；
2)启动换热装置的换热器61和循环风机62，通过温度检测装置检测工作腔10内的温度，将工作腔10内的温度调节为预定的试验所需温度；
3)等工作腔10内温度稳定后，启动真空发生装置4，将工作腔10内气压减小至预定的试验所需要的气压；
4)开启紫外辐射灯组3，调节紫外辐射灯组3的功率，对比样品安装台2上的紫外强度检测装置，使得样品上的紫外辐照功率达到试验所设定的值；
5)开启臭氧发生装置5，调节臭氧浓度，对比样品安装台2上的臭氧浓度检测装置，使得样品安装台范围内尤其是样品临近区域的臭氧浓度在试验所需的范围内；
6)根据试验需求开启旋转动力装置8，根据实际需求调节旋转轴81旋转速度。例如，考虑到臭氧对于紫外线200～280nm波段的吸收作用，在实际试验中，可以控制样件在高浓度臭氧环境下停留一定的时间后，旋转至臭氧喷嘴51的喷射范围外接受紫外辐照老化；
7)经过预定时间的老化测试后，停止臭氧发生装置5，停止紫外辐射灯组3，通过换热装置将工作腔10内温度调节至常温，通过换气装置将工作腔10内压力调节至常压后可以开试验箱箱门，取出样品。之后，可以翻转样品，重复上述过程，使得样品的相对表面在工作腔10内接受紫外辐照、臭氧老化测试。
综上所述，本发明实施例提供的环境模拟试验箱提供了一种在工作腔内高低温、低气压、臭氧、紫外辐射四种条件交互实施的方案，能够完全贴切地模拟临近空间的温度、压力、臭氧和紫外交互老化的环境，可用于临近空间飞行器的材料耐候性试验和寿命试验、零部件的寿命试验以及整机的可靠性测试等，为临近空间飞行器的研发、制造及驻留提供了可靠的技术支持。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种环境模拟试验箱，其特征在于，包括：
箱体，在所述箱体的内部形成有工作腔；
换热装置，经由进风口和出风口与所述工作腔连通，用于改变工作腔的温度；
真空发生装置，经由抽气口与所述工作腔连通，用于减小工作腔的气压；
臭氧发生装置，经由臭氧出口与所述工作腔连通，用于向工作腔提供臭氧气体；以及
位于所述工作腔内的样品安装台和紫外辐射灯组，所述样品安装台用于放置样品，所述紫外辐射灯组用于辐照所述样品。
2.根据权利要求1所述的环境模拟试验箱，其特征在于，所述臭氧发生装置的臭氧出口处安装有朝向所述样品伸出的臭氧喷嘴。
3.根据权利要求1所述的环境模拟试验箱，其特征在于，所述样品安装台上安装有臭氧浓度检测装置和/或紫外强度检测装置；所述工作腔内设置有温度检测装置。
4.根据权利要求1所述的环境模拟试验箱，其特征在于，所述样品安装台上设置有用于夹持所述样品并可向所述样品施力的夹具。
5.根据权利要求4所述的环境模拟试验箱，其特征在于，所述夹具对样品施力包括选自拉伸、压缩和交变应力中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的环境模拟试验箱，其特征在于，所述紫外辐射灯组的紫外辐射波段范围为200～400nm，辐射功率在10～120W/m2。
7.根据权利要求1所述的环境模拟试验箱，其特征在于，所述工作腔中安装有紫外辐射灯组防护罩。
8.根据权利要求7所述的环境模拟试验箱，其特征在于，所述紫外辐射灯组包括多个安装在所述工作腔顶壁上的紫外灯管，所述样品安装台水平布置在所述紫外辐射灯组的下方，所述紫外辐射灯组防护罩为设置在所述紫外辐射灯组和所述样品安装台之间的玻璃隔离板。
9.根据权利要求1所述的环境模拟试验箱，其特征在于，还包括：与所述箱体连接并用于使所述工作腔内的气体与外界空气交换的换气装置。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的环境模拟试验箱，其特征在于，还包括：旋转动力装置和由所述旋转动力装置驱动的旋转轴，所述旋转动力装置与所述箱体连接，所述旋转轴伸入到所述工作腔内并与所述样品安装台连接。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的环境模拟试验箱，其特征在于，所述换热装置包括：连通所述进风口和所述出风口的换热腔，以及位于所述换热腔中的换热器和循环风机。
12.一种采用根据权利要求1至11中任一项所述的环境模拟试验箱进行的环境模拟方法，其特征在于，包括：
将样品放置在样品安装台上；
启动换热装置，将工作腔中的温度调节为预定温度；
启动真空发生装置，将工作腔中的气压减小到预定气压；
开启紫外辐射灯组和所述臭氧发生装置中的至少一个。
13.根据权利要求12所述的环境模拟方法，其特征在于，对样品进行老化测试，经过预定时间的老化测试之后，取出样品。
14.根据权利要求13所述的环境模拟方法，其特征在于，在老化测试期间，旋转样品安装台。
15.根据权利要求13所述的环境模拟方法，其特征在于，在老化测试期间，向样品施加拉伸、压缩或交变应力。
16.根据权利要求13所述的环境模拟方法，其特征在于，在老化测试期间，还包括翻转样品，使得样品的相对表面分别接受辐照。
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