CN111966145B - 一种真空环境下高精度面内控温系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空环境下高精度面内控温系统，属于航天器元器件在真空、高低温环境中的热边界控温技术领域；现对舱体进行抽真空处理；通过舱体内壁循环介质的流通，形成真空舱体均匀热辐射边界，以减弱外边界热辐射对高精度面内控温的影响；通过采用超高热导率材料面板减少热量传导过程损耗，并使平台温度分布更加均匀；通过采用腔体式金属承载平台，内置液体和热控组件进行微热量传导，实现平台面内温度的精准可控微调，最终实现真空环境下的高精度面内控温。解决了现有传统真空控温方法存在的精度、稳定性、均匀性等方面的不足。

Description

一种真空环境下高精度面内控温系统

技术领域

本发明属于航天器元器件在真空、高低温环境中的热边界控温技术领域，涉及一种真空环境下高精度面内控温系统。

背景技术

随着高精度、高可靠性长期在轨航天器的广泛应用，地面热真空试验也变得越来越严格，以实现航天器试验件耐受空间环境温度和温度交变的能力的精确考核。在热真空试验中对热边界的控温至关重要，尤其是对于高精度、高温度敏感性的航天器部组件而言，控温的精度低和均匀性差会对试验的可靠性和安全性造成巨大的影响。在热真空试验过程中热边界控温的高精度、高均匀性，是高热稳定、高可靠性航天器部组件产品试验测试过程亟需突破的瓶颈问题。因此有效实现真空环境中高精度高均匀性的面内控温具有重要意义。目前传统的真空环境中对热边界的控温方式主要有浴油式控温法、红外加热与底板制冷控温法、底板制冷与加热回路控温法。浴油式控温法是通过调节介质温度，使其循环于真空腔壁内进行换热，实现真空环境下控温，该方法是传统真空环境控温方法中控温精度较高、温度均匀性较好的方法，但面内最大温差也达到了几摄氏度；红外加热与底板制冷控温法是通过热笼或加热灯阵向试验件辐射热量实现加热，并通过向底板充入液氮实现降温，最终实现控温，该方法较为常见、控温效率高，但控温精度较低，温度均匀性较差，面内最大温差甚至可达到十几摄氏度，且温度过冲较大；底板制冷与加热回路控温法是通过在试验平台下方均匀布置一定数量回路的加热电阻丝和液氮管路实现控温的方法，该方法同样控温精度较低，温度均匀性较差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种真空环境下高精度面内控温系统，实现了高精度、高温度敏感性的航天器部组件产品在热真空试验考核过程中的精准热边界控温。

本发明解决技术的方案是：

一种真空环境下高精度面内控温系统，包括舱体、介质进出口、循环介质、热辐射边界控制系统、抽真空装置、真空控制系统、平台温度传感器、热控组件、支撑结构、导热面板、金属导热壳体、壳体温度传感器、舱体温度传感器、传输控制导线、数据传输导线和温控组态监控运行系统；其中，舱体为中空长方体框架结构；介质进出口设置在舱体的顶部一侧；舱体壁内设置有循环管道，介质进出口与舱体壁内循环管道连通；循环介质通过介质进出口进入循环管道，实现在舱体壁内循环，形成热辐射边界；热辐射边界控制系统与舱体连通，通过热辐射边界控制系统控制循环介质的温度，提供稳定均匀的热辐射边界；抽真空装置设置在舱体低端侧壁处，且抽真空装置伸入舱体内腔中；真空控制系统与抽真空装置连通，实现对抽真空装置的控制；热控组件水平放置在舱体内腔中；支撑结构设置在热控组件的底部，实现支撑；金属导热壳体为中空长方体结构；金属导热壳体水平放置在热控组件的上表面；且金属导热壳体内腔中填充满导热液体；导热面板水平放置在金属导热壳体的上表面；平台温度传感器设置在导热面板的上表面；壳体温度传感器设置在金属导热壳体的侧壁上；舱体温度传感器设置在舱体内部底面上；舱体的底部设置有2个真空舱穿舱接口；温控组态监控运行系统设置在舱体的外部；传输控制导线的一端与热控组件连通；另一端穿过其中1个真空舱穿舱接口与温控组态监控运行系统连通；数据传输导线的一端分别与平台温度传感器、壳体温度传感器、舱体温度传感器连通，另一端穿过另1个真空舱穿舱接口与温控组态监控运行系统连通。

在上述的一种真空环境下高精度面内控温系统，所述导热面板采用碳纤维材料，尺寸规格为400mm×400mm，导热面板面内各向热导率不小于热导率优于400W/m·K。

在上述的一种真空环境下高精度面内控温系统，所述平台温度传感器采用光纤温度传感器，平台温度传感器的温度测量精度优于±0.001℃；通过平台温度传感器实时测量导热面板的温度，并通过数据传输导线传输至温控组态监控运行系统；舱体温度传感器实时测量舱体内部温度，并通过数据传输导线传输至温控组态监控运行系统；壳体温度传感器实时测量金属导热壳体的温度，并通过数据传输导线传输至温控组态监控运行系统。

在上述的一种真空环境下高精度面内控温系统，所述面内控温系统的温控流程为：

步骤一、通过真空控制系统控制抽真空装置对舱体内腔进行抽真空处理；

步骤二、设定导热面板的温控要求温度为T0；

步骤三、循环介质在舱体壁内循环，通过热辐射边界控制系统将循环介质的温度升至T0±1℃，形成温度热辐射边界；并通过舱体温度传感器实时监测；

步骤四、通过热控组件实现对导热面板的温度粗调，将导热面板加热至T1；

步骤五、通过热控组件实现对导热面板的温度细调，将导热面板加热至T0；实现对导热面板精确温控。

在上述的一种真空环境下高精度面内控温系统，所述步骤一中，抽真空处理后，舱体真空度优于1.0×10^-2Pa。

在上述的一种真空环境下高精度面内控温系统，所述步骤四中，温度粗调的具体方法为：

通过温控组态监控运行系统启动热控组件对金属导热壳体快速加热，并将温度传递至导热面板，直至导热面板的温度上升至T1；且通过平台温度传感器实时监测；T1＜T0。

在上述的一种真空环境下高精度面内控温系统，所述步骤五中，温度细调的具体方法为：

S1、计算温度梯度值△T；

S2、计算每上升△T，导热面板所需的热量Q1、金属导热壳体所需热量Q2、金属导热壳体内导热液体所需热量Q3，计算每上升△T，热控组件所需提供热量Q；

S3、通过温控组态监控运行系统启动热控组件反复对金属导热壳体加热，并将温度传递至导热面板；每次热控组件提供的热量为Q，直至导热面板的温度上升至T0；完成对导热面板的温度细调。

在上述的一种真空环境下高精度面内控温系统，所述步骤五S1中，△T＝(T0-T1)/100。

在上述的一种真空环境下高精度面内控温系统，所述步骤五S2中，导热面板所需的热量Q1的计算方法为：

Q1＝C1×m1×△T

式中，C1为导热面板的比热；

m1为导热面板的质量；

金属导热壳体所需热量Q2的计算方法为：

Q2＝C2×m2×△T

式中，C2为金属导热壳体的比热；

m2为金属导热壳体的质量；

导热液体所需热量Q3的计算方法为：

Q3＝C3×m3×△T

式中，C3为导热液体的比热；

m3为导热液体的质量；

热控组件所需提供热量Q的计算方法为：

Q＝Q1+Q2+Q3。

在上述的一种真空环境下高精度面内控温系统，所述温度梯度值△T的范围为0.025℃～1℃；步骤五中，温度细调的升温速率为△T/1000s。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用一种高稳定低扰动热辐射边界的方法，减弱了真空舱体边界热流传导的影响，并使整个边界环境中的微辐射影响近似忽略，实现了真空舱体环境温度的稳定均匀；

(2)本发明采用一种高精度温度监测和热量快速传导的方法，实现了高精度的温度监测及温度的快速均匀分布；

(3)本发明采用一种高精度可控微弱热传导控温的方法，具有定量可控、易实施的优点，并且可以防止温度过冲，实现了控温过程的温度精确微调。

附图说明

图1为本发明面内温控系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明设计了一种真空环境下高精度面内控温系统，适用于航天器电源产品、电子元器件、结构产品等在热真空试验过程中的高精度热边界控温，也适用于其他产品在真空高低温环境中的热边界控温。解决了现有传统真空控温方法存在的精度、稳定性、均匀性等方面的不足，实现高精度、高温度敏感性的航天器部组件产品在热真空试验考核过程中的精准热边界控温。

高精度面内控温系统的组成如图1所示，具体包括舱体1、介质进出口2、循环介质3、热辐射边界控制系统4、抽真空装置5、真空控制系统6、平台温度传感器7、热控组件8、支撑结构9、导热面板11、金属导热壳体12、壳体温度传感器13、舱体温度传感器14、传输控制导线16、数据传输导线17和温控组态监控运行系统；其中，舱体1为中空长方体框架结构；介质进出口2设置在舱体1的顶部一侧；舱体1壁内设置有循环管道，介质进出口2与舱体1壁内循环管道连通；循环介质3通过介质进出口2进入循环管道，实现在舱体1壁内循环，形成热辐射边界；热辐射边界控制系统4与舱体1连通，通过热辐射边界控制系统4控制循环介质3的温度，提供稳定均匀的热辐射边界；抽真空装置5设置在舱体1低端侧壁处，且抽真空装置5伸入舱体1内腔中；真空控制系统6与抽真空装置5连通，实现对抽真空装置5的控制；热控组件8水平放置在舱体1内腔中；支撑结构9设置在热控组件8的底部，实现支撑；金属导热壳体12为中空长方体结构；金属导热壳体12水平放置在热控组件8的上表面；且金属导热壳体12内腔中填充满导热液体；导热面板11水平放置在金属导热壳体12的上表面；平台温度传感器7设置在导热面板11的上表面；壳体温度传感器13设置在金属导热壳体12的侧壁上；舱体温度传感器14设置在舱体1内部底面上；舱体1的底部设置有2个真空舱穿舱接口15；温控组态监控运行系统设置在舱体1的外部；传输控制导线16的一端与热控组件8连通；另一端穿过其中1个真空舱穿舱接口15与温控组态监控运行系统连通；数据传输导线17的一端分别与平台温度传感器7、壳体温度传感器13、舱体温度传感器14连通，另一端穿过另1个真空舱穿舱接口15与温控组态监控运行系统连通。

温控组态监控运行系统实现对导热面板11上的目标区域内的温度值及分布均匀性进行监测，出现温度波动时及时进行反馈微调，最终完成真空环境下高精度的面内控温。

工作原理，首先通过真空控制系统6控制抽真空装置5对舱体1内腔进行抽真空处理，为面内控温提供真空环境；通过舱体1内壁循环介质3的流通，形成真空舱体1均匀热辐射边界，以减弱外边界热辐射对高精度面内控温的影响；通过采用超高热导率材料的导热面板11减少热量传导过程损耗，并使平台温度分布更加均匀；通过采用金属导热壳体12，内置导热液体和热控组件8进行微热量传导，实现导热面板11面内温度的精准可控微调，最终实现真空环境下的高精度面内控温。

在本发明中的高精度控温系统中，导热面板11是重要的导热部件，其材料、导热率和比热均有较高的要求，因此将导热面板11采用碳纤维材料，尺寸规格为400mm×400mm，其具有高力学性能、高导热、高热稳定性的特点，且面内各向热导率不小于400W/m·K。

由于需要对导热面板11进行高精度加热温控处理，因此对与导热面板11温度监测的实时性、准确性、精度均要求较高。本发明中平台温度传感器7采用光纤温度传感器，平台温度传感器7的温度测量精度优于±0.001℃；通过平台温度传感器7实时测量导热面板11的温度，并通过数据传输导线17传输至温控组态监控运行系统；舱体温度传感器14实时测量舱体1内部温度，并通过数据传输导线17传输至温控组态监控运行系统；壳体温度传感器13实时测量金属导热壳体12的温度，并通过数据传输导线17传输至温控组态监控运行系统。

面内控温系统的温控流程为：

首先试验平台温度监测系统搭建。在试验平台上安装布置温度传感器，包括平台温度传感器7、壳体温度传感器13和舱体温度传感器14；进行温度传感器的标定和调试，最终完成温度监测系统的搭建。

步骤一、通过真空控制系统6控制抽真空装置5对舱体1内腔进行抽真空处理；抽真空处理后，舱体1真空度优于1.0×10^-2Pa。

步骤二、设定导热面板11的温控要求温度为T0；

步骤三、循环介质3在舱体1壁内循环，通过热辐射边界控制系统4将循环介质3的温度升至T0±1℃，形成温度热辐射边界；并通过舱体温度传感器14实时监测；

步骤四、通过热控组件8实现对导热面板11的温度粗调，进行平台控温面升温，为防止温度过冲，将导热面板11加热至T1；温度粗调的具体方法为：

通过温控组态监控运行系统启动热控组件8对金属导热壳体12快速加热，并将温度传递至导热面板11，直至导热面板11的温度上升至T1；且通过平台温度传感器7实时监测；T1＜T0。

步骤五、通过热控组件8实现对导热面板11的温度细调，将导热面板11加热至T0；实现对导热面板11精确温控。温度细调的具体方法为：

S1、计算温度梯度值△T；△T＝(T0-T1)/100。温度梯度值△T的范围为0.025℃～1℃。

S2、依据导热介质比热容、质量m、较小温度梯度值△T以及公式Q＝C×m×△T，预估计算出控温要求目标区域内单位面积内升温较小温度梯度值所需的热量Q；计算每上升△T，导热面板11所需的热量Q1、金属导热壳体12所需热量Q2、金属导热壳体12内导热液体所需热量Q3，计算每上升△T，热控组件8所需提供热量Q；导热面板11所需的热量Q1的计算方法为：

Q1＝C1×m1×△T

式中，C1为导热面板11的比热；

m1为导热面板11的质量；

金属导热壳体12所需热量Q2的计算方法为：

Q2＝C2×m2×△T

式中，C2为金属导热壳体12的比热；

m2为金属导热壳体12的质量；

导热液体所需热量Q3的计算方法为：

Q3＝C3×m3×△T

式中，C3为导热液体的比热；

m3为导热液体的质量；

热控组件8所需提供热量Q的计算方法为：

Q＝Q1+Q2+Q3。

S3、通过温控组态监控运行系统启动热控组件8反复对金属导热壳体12加热，并将温度传递至导热面板11；每次热控组件8提供的热量为Q，直至导热面板11的温度上升至T0；完成对导热面板11的温度细调。使腔内热控组件工作，缓慢调节腔内控温介质的温升，使之同步、稳定可控后，保持一定的温升节奏，使金属腔与传导边界进行微能量交换，直至达到所需的控温值T0。温度细调的升温速率为△T/1000s。

实施例

本实施例中计算的温度梯度值△T为0.025℃。

导热面板11采用超高热导率的碳纤维材料，体积为400mm×400mm。温度升降波动梯度为0.025℃/1000s，比热C1＝1×103J/(kg·℃)，m1＝0.544kg，热量Q1＝13.6J。

金属导热壳体12采用不锈钢材料，比热C＝0.52×103J/(kg·℃)，m＝8.295kg，热量Q2＝107.8J。

金属导热壳体12中的导热液体为酒精，比热C＝2.4×103J/(kg·℃)，m＝20kg，热量Q3＝1200J。

每升高温度梯度0.025℃所需能量Q＝Q1+Q2+Q3≈1300J。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种真空环境下高精度面内控温系统，其特征在于：包括舱体(1)、介质进出口(2)、循环介质(3)、热辐射边界控制系统(4)、抽真空装置(5)、真空控制系统(6)、平台温度传感器(7)、热控组件(8)、支撑结构(9)、导热面板(11)、金属导热壳体(12)、壳体温度传感器(13)、舱体温度传感器(14)、传输控制导线(16)、数据传输导线(17)和温控组态监控运行系统；其中，舱体(1)为中空长方体框架结构；介质进出口(2)设置在舱体(1)的顶部一侧；舱体(1)壁内设置有循环管道，介质进出口(2)与舱体(1)壁内循环管道连通；循环介质(3)通过介质进出口(2)进入循环管道，实现在舱体(1)壁内循环，形成热辐射边界；热辐射边界控制系统(4)与舱体(1)连通，通过热辐射边界控制系统(4)控制循环介质(3)的温度，提供稳定均匀的热辐射边界；抽真空装置(5)设置在舱体(1)低端侧壁处，且抽真空装置(5)伸入舱体(1)内腔中；真空控制系统(6)与抽真空装置(5)连通，实现对抽真空装置(5)的控制；热控组件(8)水平放置在舱体(1)内腔中；支撑结构(9)设置在热控组件(8)的底部，实现支撑；金属导热壳体(12)为中空长方体结构；金属导热壳体(12)水平放置在热控组件(8)的上表面；且金属导热壳体(12)内腔中填充满导热液体；导热面板(11)水平放置在金属导热壳体(12)的上表面；平台温度传感器(7)设置在导热面板(11)的上表面；壳体温度传感器(13)设置在金属导热壳体(12)的侧壁上；舱体温度传感器(14)设置在舱体(1)内部底面上；舱体(1)的底部设置有2个真空舱穿舱接口(15)；温控组态监控运行系统设置在舱体(1)的外部；传输控制导线(16)的一端与热控组件(8)连通；另一端穿过其中1个真空舱穿舱接口(15)与温控组态监控运行系统连通；数据传输导线(17)的一端分别与平台温度传感器(7)、壳体温度传感器(13)、舱体温度传感器(14)连通，另一端穿过另1个真空舱穿舱接口(15)与温控组态监控运行系统连通。

2.根据权利要求1所述的一种真空环境下高精度面内控温系统，其特征在于：所述导热面板(11)采用碳纤维材料，尺寸规格为400mm×400mm，导热面板(11)面内各向热导率不小于400W/m·K。

3.根据权利要求2所述的一种真空环境下高精度面内控温系统，其特征在于：所述平台温度传感器(7)采用光纤温度传感器，平台温度传感器(7)的温度测量精度优于±0.001℃；通过平台温度传感器(7)实时测量导热面板(11)的温度，并通过数据传输导线(17)传输至温控组态监控运行系统；舱体温度传感器(14)实时测量舱体(1)内部温度，并通过数据传输导线(17)传输至温控组态监控运行系统；壳体温度传感器(13)实时测量金属导热壳体(12)的温度，并通过数据传输导线(17)传输至温控组态监控运行系统。

4.根据权利要求3所述的一种真空环境下高精度面内控温系统，其特征在于：所述面内控温系统的温控流程为：

步骤一、通过真空控制系统(6)控制抽真空装置(5)对舱体(1)内腔进行抽真空处理；

步骤二、设定导热面板(11)的温控要求温度为T0；

步骤三、循环介质(3)在舱体(1)壁内循环，通过热辐射边界控制系统(4)将循环介质(3)的温度升至T0±1℃，形成温度热辐射边界；并通过舱体温度传感器(14)实时监测；

步骤四、通过热控组件(8)实现对导热面板(11)的温度粗调，将导热面板(11)加热至T1；

步骤五、通过热控组件(8)实现对导热面板(11)的温度细调，将导热面板(11)加热至T0；实现对导热面板(11)精确温控。

5.根据权利要求4所述的一种真空环境下高精度面内控温系统，其特征在于：所述步骤一中，抽真空处理后，舱体(1)真空度优于1.0×10^-2Pa。

6.根据权利要求4所述的一种真空环境下高精度面内控温系统，其特征在于：所述步骤四中，温度粗调的具体方法为：

通过温控组态监控运行系统启动热控组件(8)对金属导热壳体(12)快速加热，并将温度传递至导热面板(11)，直至导热面板(11)的温度上升至T1；且通过平台温度传感器(7)实时监测；T1＜T0。

7.根据权利要求4所述的一种真空环境下高精度面内控温系统，其特征在于：所述步骤五中，温度细调的具体方法为：

S1、计算温度梯度值△T；

S2、计算每上升△T，导热面板(11)所需的热量Q1、金属导热壳体(12)所需热量Q2、金属导热壳体(12)内导热液体所需热量Q3，计算每上升△T，热控组件(8)所需提供热量Q；

S3、通过温控组态监控运行系统启动热控组件(8)反复对金属导热壳体(12)加热，并将温度传递至导热面板(11)；每次热控组件(8)提供的热量为Q，直至导热面板(11)的温度上升至T0；完成对导热面板(11)的温度细调。

8.根据权利要求7所述的一种真空环境下高精度面内控温系统，其特征在于：所述步骤五S1中，△T＝(T0-T1)/100。

9.根据权利要求8所述的一种真空环境下高精度面内控温系统，其特征在于：所述步骤五S2中，导热面板(11)所需的热量Q1的计算方法为：

Q1＝C1×m1×△T

式中，C1为导热面板(11)的比热；

m1为导热面板(11)的质量；

金属导热壳体(12)所需热量Q2的计算方法为：

Q2＝C2×m2×△T

式中，C2为金属导热壳体(12)的比热；

m2为金属导热壳体(12)的质量；

导热液体所需热量Q3的计算方法为：

Q3＝C3×m3×△T

式中，C3为导热液体的比热；

m3为导热液体的质量；

热控组件(8)所需提供热量Q的计算方法为：

Q＝Q1+Q2+Q3。

10.根据权利要求9所述的一种真空环境下高精度面内控温系统，其特征在于：所述温度梯度值△T的范围为0.025℃～1℃；步骤五中，温度细调的升温速率为△T/1000s。

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