CN111338401B - 基于大温差环境的多温区控温装置 - Google Patents

基于大温差环境的多温区控温装置 Download PDF

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    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/20—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature

Abstract

本发明公开了一种基于大温差环境的多温区控温装置，主要由金属导冷结构、高稳定性温度控制结构以及试件安装板组成。高稳定性温度控制结构以及试件安装板采用多分区独立控温结构，本发明装置放置在低温平台上，以低温平台作为冷源，实现试件安装板上试验设备的多温区高精度控温，可满足试验设备工作温度与低温平台间的极大温差控制。

Description

基于大温差环境的多温区控温装置
技术领域
本发明属于航天器科学载荷地面测试技术领域，具体来说，涉及一种基于大温差环境的多温区控温装置，以用于被测试件与冷源具有较大温差的温度控制情况，尤其适用于被测试件与液氮冷板间的温度控制。
背景技术
在常规航天器真空热试验中，通常采用液氮热沉模拟冷黑背景，并配备有液氮冷板，为航天器被测试件提供低温环境。由于液氮的温度一般低于100K(-173℃)，而被测试件则处于常温状态(一般在-20℃～50℃之间)，因此被测试件与液氮冷板间存在较大的温差，为实现被测试件的温度控制，除了采用辐射的方式进行热量传递之外，还可以通过一定的导热结构，实现大温差环境下的温度控制。
为了控制被测试件的表面温度，同时隔绝大部分低温冷源的导冷，减小由于冷热对抗而产生的能量消耗，需要设计一个可用于被测试件与冷源间具有较大温差的温度控制装置，从而实现对被测试件的高精度温度控制，甚至多区域独立控温的能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于大温差环境的多温区控温装置，该模拟装置能够实现被测试件与冷源间较大温差条件下的温度模拟和控制，尤其适用于以液氮为冷源的低温平台上进行的热试验测试。
本发明的基于大温差环境的多温区控温装置，包括金属导冷结构、高稳定性温度控制结构以及试件安装板。该装置需要放置在低温平台上使用。金属导冷结构放置在低温平台上，金属导冷结构上方依次叠放高稳定性温度控制结构以及试件安装板；被测试件放置在试件安装板。低温平台为内部通有低温工质的金属平板。
金属导冷结构由导热板、冷桥、均温板组成，且均为金属材料，如不锈钢等。导热板的作用是为了与低温平台均匀接触以良好导热，冷桥的作用是为了调节导冷的面积以增加热阻降低导冷量，均温板的作用是使冷桥的局部冷量均匀分布在均温板的上表面。
高稳定性温度控制结构由大热阻导热垫、电加热片、高效导热均温板组成。大热阻导热垫为低热导率的材料，如玻璃钢、聚四氟乙烯等。高效导热均温板为高热导率结构，如平板热管等。
试件安装板为具有良好导热性的金属材料，如铜等，进一步提高表面的温度均匀性。试件安装板的底部中心位置有一个温度传感器，可实时测量试件安装板的温度。
低温平台为内部通有低温工质的金属平板，金属平板内具有大量的翅片，增强金属平板的换热能力，提高温度均匀性。低温工质可以是液氮、液氦、不同温度的导热硅油、制冷剂等各种流体，流体的温度处于稳定状态即可。
本发明高精度动态可控温度模拟装置的优点在于：
1)通过金属导冷结构的设计，隔绝大部分低温平台的冷量使高稳定性温度控制结构受到的导冷满足装置温度调节需要，并最终控制试件安装板的表面温度，设计思路合理，方法可行性好。
2)采用4块相互独立的高稳定性温度控制结构和试件安装板，实现了各区域温度的独立控制，控制逻辑更为便捷。
3)采用模块化设计方法，高稳定性温度控制结构、试件安装板等部件可以进行替换，拆装方便，维修更换便捷。
附图说明
图1是本发明基于大温差环境的多温区控温装置的整体结构图；
图2是本发明基于大温差环境的多温区控温装置的分解图；
图3是本发明金属导冷结构的分解图；
图4是本发明高稳定性温度控制结构的分解图；
图5是本发明试件安装板的结构图；
图6是本发明试件安装板上温度传感器布置图；
图7是本发明温度控制过程原理图；
图中：1、金属导冷结构；2、高稳定性温度控制结构；3、试件安装板；4、导热板；401、螺纹孔；5、金属棒；501、螺纹；502、凸台；6、均温板；601、第一均温板；602、第二均温板；603、第三均温板；604、第四均温板；605、底面；606、沉孔；7、大热阻导热垫；8、电加热片；9、高稳定性温度控制结构；10、金属板；1001、上表面；1002、下表面；1003、凹槽；11、温度传感器；1101、温度探头；12、温度采集系统；13、控制单元；14、目标温度；15、供电系统；16、被测试件；17、基于大温差环境的多温区控温装置；18、低温平台。
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，下面将结合附图及方案实例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1所示，本发明的基于大温差环境的多温区控温装置17适用于放置在低温平台18上的被测试件16的温度控制。基于大温差环境的多温区控温装置17放置在低温平台18上，被测试件16放置在基于大温差环境的多温区控温装置17上。低温平台18为内部通有低温工质的金属平板，低温工质可以是液氮、液氦、不同温度的导热硅油、制冷剂等各种流体，使低温平台处于稳定的低温状态，作为基于大温差环境的多温区控温装置17的冷源，通过传导换热的方式，将热量从被测试件16传递至低温平台18，从而实现温度的控制。
参见图2所示，基于大温差环境的多温区控温装置17由一套金属导冷结构1、四块独立的高稳定性温度控制结构2、四块独立的试件安装板3组成。试件安装板3放置在高稳定性温度控制结构2上，高稳定性温度控制结构2放置在金属导冷结构1上。
参见图3所示，金属导冷结构1由一块导热板4、若干金属棒5、四块独立的均温板6组成。四块均温板6分别为第一均温板601、第二均温板602、第三均温板603、第四均温板604，用于控制不同区域的温度，同时均温板本身起到了将金属棒5的局部冷量均匀分布的作用。金属棒5为若干根金属圆柱体，通过冷桥截面积与长度的控制，实现金属导冷结构1导冷能力的控制。金属棒5底部具有螺纹501，通过螺纹孔401与导热板4螺接，顶部为凸台502，与均温板6的底面605上的沉孔606连接，并涂抹导热硅脂使传热良好。导热板4为金属平板，其作用是为了与低温平台18均匀接触以良好导热。
参见图4所示，高稳定性温度控制结构2由大热阻导热垫7、电加热片8、高效导热均温板9组成。大热阻导热垫7为低热导率的材料，如玻璃钢、聚四氟乙烯等，进一步提高热阻，降低导冷量。高效导热均温板9可极大地提高表面温度均匀性。一套基于大温差环境的多温区控温装置17包含有四块独立的高稳定性温度控制结构2，分别放置在第一均温板601、第二均温板602、第三均温板603、第四均温板604上。
参见图5、图6所示，试件安装板3主体为金属板10，具有良好的导热性，进一步提高表面的温度均匀性。金属板10的上表面1001与被测试件16接触，下表面1002有一个凹槽1003，用于安装温度传感器11，其温度探头1101位于金属板10的下表面1002中心位置，并填充有导热材料以确保其测温性能。
参见图7所示，采用闭环控制方式实现四块独立的试件安装板3温度的自动控制。首先由温度采集系统12测量试件安装板3上温度传感器11的温度，并由温度采集系统12将获取的温度数据传输给控制单元13，控制单元13通过与目标温度14进行对比运算，将执行结果传输给供电系统15，供电系统15将设定的供电功率输送给电加热片8，从而实现温度的闭环控制。不同试件安装板具备独立的温度传感器11和电加热片8，并可设定相对应的目标温度14T1～T4，控制单元13具备独立控制各试件安装板3温度的功能，即可实现多温区的控制。
本发明设计的基于大温差环境的多温区控温装置17，其零部件的装配关系为：先将金属导冷结构1放置在低温平台18上，再将高稳定性温度控制结构2放置在金属导冷结构1上，然后将试件安装板3放置在高稳定性温度控制结构2上，最后将被测试件16放置在试件安装板3上。

Claims (9)

1.基于大温差环境的多温区控温装置，其特征在于：包括金属导冷结构、高稳定性温度控制结构以及试件安装板，其中，所述金属导冷结构由导热板、冷桥、均温板组成，通过所述冷桥截面积与长度的控制，实现所述金属导冷结构导冷能力的控制，所述金属导冷结构放置在低温平台上，所述金属导冷结构上方依次叠放所述高稳定性温度控制结构以及所述试件安装板；试验设备放置在所述试件安装板上；所述高稳定性温度控制结构由大热阻导热垫、电加热片、高效导热均温板组成。
2.根据权利要求1所述的基于大温差环境的多温区控温装置，其特征在于：
所述试件安装板选用金属材料制成。
3.根据权利要求1所述的基于大温差环境的多温区控温装置，其特征在于：所述金属导冷结构为不锈钢材料制成。
4.根据权利要求2所述的基于大温差环境的多温区控温装置，其特征在于：所述试件安装板选用的金属材料为铜；所述大热阻导热垫的材料是玻璃钢或聚四氟乙烯；所述高效导热均温板为平板热管结构。
5.根据权利要求1所述的基于大温差环境的多温区控温装置，其特征在于：所述低温平台为内部通有低温工质的金属平板。
6.根据权利要求5所述的基于大温差环境的多温区控温装置，其特征在于：适用于放置在所述低温平台上的被测试件的温度控制，被测试件的工作温度需与低温平台存在一定的温差，并高于所述低温平台工作温度。
7.根据权利要求5所述的基于大温差环境的多温区控温装置，其特征在于：被测试件通过所述试件安装板、所述高稳定性温度控制结构以及所述金属导冷结构与所述低温平台进行传导换热，从而控制试件安装板的温度。
8.根据权利要求5所述的基于大温差环境的多温区控温装置，其特征在于：被测试件放置在4块相同的所述试件安装板上，各所述试件安装板互不接触，可独立控制温度。
9.根据权利要求5所述的基于大温差环境的多温区控温装置，其特征在于：所述低温平台的低温工质是液氮、液氦、不同温度的导热硅油或制冷剂。
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