CN107782762A - 一种在真空容器内可调节加载压力的接触热阻测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在真空容器内可调整加载压力的接触热阻测量装置，包括：真空容器、试验系统、数据采集系统，试验系统包括：试验平台、加热单元、冷却单元、加压单元；加压单元由压力敏感器、丝杠加压装置、驱动电机组成；本发明利用电机带动螺杆旋转改变试件之间的接触压力，代替了人工手动旋转螺杆，从而避免了每次试验都需要真空容器复压，手动旋转螺杆，抽真空等一系列操作，大大简化试验流程和时间，同时还能反馈补偿由于温度变化带来的压力偏差，从而提高了试验的精度。

Description

一种在真空容器内可调节加载压力的接触热阻测量装置

技术领域

本发明涉及航天器热控制设计，具体涉及一种在真空容器内可调节加载压力的接触热阻测量装置。

背景技术

航天器热控制是控制航天器内部与空间环境之间热交换过程，使航天器始终处于合适的温度范围内的系统。此系统性能之优劣、可靠性之高低直接影响到整个航天器的工作状态和寿命，因此可以说是航天器必不可少的技术保障系统。航天器热控制设计依托于热分析计算和地面热模拟试验，其中热分析计算除了需要用到一系列材料、表面的热性能参数，还会涉及到一些非热物性参数，例如固体与固体表面之间的接触热阻。通常材料物性、表面光学特性参数一般可以通过查阅资料获得，而接触热阻由于受到接触表面状态、接触压力、温度、连接方式等多种因素的影响，通常只能通过试验实测获取。

在接触热阻测量试验过程中，测量装置主体往往位于真空容器内，这就使得试验实施人员在试验进行当中随时改变接触压力变得很困难。特别是在接触温度发生很大变化时，试件由于材料膨胀或收缩变形导致接触压力偏离原设定值，此时就需要压力施加装置能够自动调节，使接触压力恢复到原设定值。

发明内容

针对现有接触热阻测量装置在真空容器内接触压力不便调节的局限性，为提高工作效率，本发明提出一种可实时调节接触加载压力的测量装置的设计方案，技术方案如下：

一种在真空容器内可调整加载压力的接触热阻测量装置，包括：真空容器、试验系统、数据采集系统，其中：

试验系统包括：试验平台、加热单元、冷却单元、加压单元；试验平台由平台、固定装置组成，加热单元由加热器、绝热层、热电偶组成，冷却单元由冷却装置、冷却源、循环泵、冷却液组成，加压单元由压力敏感器、丝杠加压装置、驱动电机组成；试验平台、加热器、绝热层、热电偶、冷却装置、压力敏感器、丝杠加压装置、驱动电机置于真空容器中，冷却装置通过法兰与真空容器外部循环泵连接实现冷却液循环和真空容器密封；

数据采集系统包括：压力数据采集单元、温度数据采集单元、计算机控制系统、压力控制显示器、温度控制显示器、数据电缆、传感器；压力数据采集单元和温度数据采集单元的数据电缆通过法兰连接真空容器中的传感器实现数据采集和真空容器密封。

所述固定装置由四根支架连接上下两块固定板，下固定板上设置一个方形凹槽，便于安装和固定加热器，上固定板中心有螺杆穿过，通过旋转螺杆，改变螺杆的伸长量，从而给被试件施加相应的压力。

所述平台采用陶瓷材质，上端面加工出一个直径大于被试件的圆柱形凹槽，便于试验实施过程中被试件的安装和固定。

所述加热器采用电加热，由4根加热铜棒制成，4根加热铜棒安装在方形陶瓷平台内部；通过调整4根加热铜棒的输入电压来改变加热器产生的热量；在加热器的四周及底部包裹石棉，尽可能得减少加热器热量的散失或传导到丝杠加压装置和固定装置上。

试验过程中将被试件外部包裹保温隔热层，减少被试件热量的横向损失。

本发明利用电机带动螺杆旋转改变试件之间的接触压力，代替了人工手动旋转螺杆，从而避免了每次试验都需要真空容器复压，手动旋转螺杆，抽真空等一系列操作，大大简化试验流程和时间。同时该方法还能反馈补偿由于温度变化带来的压力偏差，从而提高了试验的精度。

附图说明

图1一种在真空容器内可调整加载压力的接触热阻测量装置的原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实例，对本发明进行进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种在真空容器内可调整加载压力的接触热阻测量装置，包括：真空容器、试验系统、数据采集系统，其中：

试验系统包括：试验平台、加热单元、冷却单元、加压单元；试验平台由平台、试验支架、固定装置组成，加热单元由加热器、绝热层、热电偶组成，冷却单元由冷却装置、冷却源、循环泵、冷却夜组成，加压单元由压力敏感器、丝杠加压装置、驱动电机组成；试验平台、加热器、绝热层、热电偶、冷却装置、冷却源、压力敏感器、丝杠加压装置、驱动电机置于真空容器中，冷却装置通过法兰与外部循环泵接冷却源。

数据采集系统包括：压力数据采集单元、温度数据采集单元、计算机控制系统、压力控制显示器、温度控制显示器、数据电缆；压力数据采集单元和温度数据采集单元的数据电缆通过法兰连接真空容器中的传感器，采集数据。

将螺杆加压与固定装置连接上电机，通过计算机远程控制电机的旋转，从而实现在真空容器内随时改变两个试件之间的接触压力。螺杆加压与固定装置由四根支架连接上下两块固定板，下固定板上加工出一个方形凹槽，便于安装和固定加热器，上固定板中心有螺杆穿过，通过旋转螺杆，改变螺杆的伸长量，从而给两个试件施加相应的压力。在螺杆的下端放置压力传感器，用于获取压力数据，并将压力数据传输给数据采集装置，通过计算机软件的解算即可得到两个试件之间的接触压力，将该接触压力与目标设定值进行对比，并输出反馈调节电信号，最终驱使电机带动丝杆旋转，将实际接触压力调整到目标设定值。

在两个试件的上下端分别设置冷却和加热系统，冷却系统采用水冷循环冷板，盛有冰水的容器和水循环泵放置在真空容器之外，通过真空容器法兰上的转接阀将水输送到试件1上方的冷板并最终抽回到容器当中，并最终将试件冷端的热量带走。加热系统采用电加热器，电加热器是由方形陶瓷平台内部安装4根加热铜棒制成，陶瓷平台上端面加工出一个直径大于试件的圆柱形凹槽，便于试验实施过程中试件的安装和固定，通过调整4根加热铜棒的输入电压来改变加热器产生的热量。在加热器的四周及底部包裹石棉，尽可能得减少加热器热量的散失或传导到丝杠加压固定装置上。为了尽可能创造出一维传热的效果，试验过程中将上下两个试件外部包裹保温隔热层，减少试件热量的横向损失。

试验过程中的电缆通过真空容器上的法兰引出，相应地连接到数据采集或控制器上，通过计算机的远程控制，实现操作人员在真空容器外对真空容器内接触热阻测量装置的加载压力的调整。

随时调整真空容器内部两个试件之间的接触压力，补偿由于温度变化带来的压力变化，利用K型热电偶，依次测量试件轴向的温度分布，最后通过作图法，计算出两个试件之间的接触热阻，具体操作如下：

步骤一：准备两个直径30mm，长80mm的圆柱体试件，每个圆柱体轴向上均匀钻5个深15mm，直径1.5mm的小孔；

步骤二：使用丙酮来清洗试试件表面，并晾干；

步骤三：将加热器四周及底部包裹石棉，并放置到固定与加压装置地板的凹槽内；

步骤四：将两个试件上下叠放到加热器上，靠上的试件记为试件1，靠下的试件记为试件2，将水冷板放置到试件1的上端，再将压力传感器放置到水冷板之上；

步骤五：调整上下试件的同轴度，接通电机电源，给试件施加一个初始压力，防止试件上插热电偶时产生错动；

步骤六：按顺序将热电偶插入到试件的小孔中，并将上下试件外部包裹上隔热保温层；

步骤七：将整套固定与加压装置放置到真空容器内，通过法兰上的转接头将数据采集、电源导线内外连接，通过阀门将水冷循环的水管内外连接；

步骤八：连接完毕后，开始抽真空；

步骤九：抽真空完毕，接通电源，加热器开始对试件热端进行加热，开启水循环对试件冷端进行制冷，通过计算机控制电机对两个接触时间施加一恒定的压力；

步骤十：待温度、压力数值稳定后，热电偶和压力传感器将测量数据传输到数据采集器，并最终保存到计算机上，获得一定接触条件下试件上各点的温度分布情况；

步骤十一：保持加热器电压不变，调节电机改变接触压力，待温度稳定后，即可获得另一种接触条件下试件上各点温度分布情况；或者保持接触压力不变，改变加热器电压，从而改变接触面温度，计算机自动产生补偿反馈信号，调节电机，使接触压力保持恒定，不受温度变化的影响，待温度稳定后，即可获得另一种接触条件下试件上各点温度分布情况。

依据以上实施步骤，整理试验数据，利用作图法，得出相应条件下接触热阻。

因此，本发明相比传统的接触热阻测量装置，不仅可以在一次抽真空之后，连续进行多次试验，缩短整个试验的操作流程和时间，而且通过电机的反馈补偿，使得接触压力始终恒定在目标设定值，便于试验实施人员得到自己想要的结果。

Claims (5)

1.一种在真空容器内可调整加载压力的接触热阻测量装置，包括：真空容器、试验系统、数据采集系统，其中：

试验系统包括：试验平台、加热单元、冷却单元、加压单元；试验平台由平台、固定装置组成，加热单元由加热器、绝热层、热电偶组成，冷却单元由冷却装置、冷却源、循环泵、冷却液组成，加压单元由压力敏感器、丝杠加压装置、驱动电机组成；试验平台、加热器、绝热层、热电偶、冷却装置、压力敏感器、丝杠加压装置、驱动电机置于真空容器中，冷却装置通过法兰与真空容器外部循环泵连接实现冷却液循环和真空容器密封；

数据采集系统包括：压力数据采集单元、温度数据采集单元、计算机控制系统、压力控制显示器、温度控制显示器、数据电缆、传感器；压力数据采集单元和温度数据采集单元的数据电缆通过法兰连接真空容器中的传感器实现数据采集和真空容器密封。

2.根据权利要求1所述的一种在真空容器内可调整加载压力的接触热阻测量装置，固定装置由四根支架连接上下两块固定板，下固定板上设置一个方形凹槽，便于安装和固定加热器，上固定板中心有螺杆穿过，通过旋转螺杆，改变螺杆的伸长量，从而给被试件施加相应的压力。

3.根据权利要求1所述的一种在真空容器内可调整加载压力的接触热阻测量装置，平台采用陶瓷材质，上端面加工出一个直径大于被试件的圆柱形凹槽，便于试验实施过程中被试件的安装和固定。

4.根据权利要求1所述的一种在真空容器内可调整加载压力的接触热阻测量装置，加热器采用电加热，由4根加热铜棒制成，4根加热铜棒安装在方形陶瓷平台内部；通过调整4根加热铜棒的输入电压来改变加热器产生的热量；在加热器的四周及底部包裹石棉，尽可能得减少加热器热量的散失或传导到丝杠加压装置和固定装置上。

5.根据权利要求1所述的一种在真空容器内可调整加载压力的接触热阻测量装置，试验过程中将被试件外部包裹保温隔热层，减少被试件热量的横向损失。