CN112129810A - 一种深低温区可变压力和温度的接触热阻测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深低温区可变压力和温度的接触热阻测试系统,其包括测试装置、压力加载装置、加热测温装置、制冷装置。测试装置包括真空腔体、绝热多层材料、防辐射冷屏、固体绝热材料、样品夹具、测试平台和真空腔底板;压力加载装置包括压力传感器、进气管路、承压波纹管和绝热螺杆;加热测温装置包括加热板、温度传感器和加热丝;制冷装置包括无氧铜冷头、制冷机和压缩机。其中压力加载装置、加热测温装置、无氧铜冷头安装在真空腔体内,承压波纹管通过绝热螺杆固定在无氧铜冷头和固体绝热材料上,制冷机安装在真空腔底板上,各装置之间通过螺钉紧固连接。本发明具有操作简单、温度波动小、可操作性高、测试时间短、精度高等优点。
Description
技术领域
本发明属于低温换热领域,具体涉及一种深低温区可变压力和温度的接触热阻测试系统。
背景技术
航天科技的蓬勃发展,为人类探索宇宙提供了极大的助力。对于超导量子干涉器件、超导光子探测器以及毫米亚毫米波探测等深空探测器等需要空间制冷系统提供深低温温度,所以高可靠性、长寿命的低温系统是其必要条件。深低温系统往往工作在高真空、深低温和微重力的环境中,占主要地位的换热方式不是气体对流换热,其影响几乎可以忽略,导热和辐射是卫星内部热量的主要交换方式,通常是从分析导热路径上的热阻着手对导热状况进行分析。固体界面热阻是电子科技、深空探测、和超导技术中普遍存在和必须解决的分析计算与设计制造问题。其中研究低温区固体界面接触热阻对寻求更有效的散热方法以减少热控系统在深空探测制冷系统总重中所占的比例具有十分重要的意义。准确确定和选择固体界面接触热阻在深空探测器热控设计和热控制实施过程中是一个重要的环节,准确的分析与计算接触热阻可以提高热仿真准确度和热设计合理性。
固体界面接触热阻受到多种因素的影响,在实际研究中往往需要通过实验测试获得。而对于深低温区固体界面接触热阻的测试过程中由于温度和热损失的影响往往需要放置于真空腔内,这增加了变压力和温度测试的难度。此时就需要压力加载装置和测试平台温度能够在真空腔外进行调节。
发明内容
本发明提高了一种深低温温区可以实现在真空环境中压力和温度随时可调、测试精度高、可操作性强的接触热阻测试系统,解决了接触热阻测试过程中需要回到常温常压破坏真空环境才能改变压力和温度等多次长时间操作、制冷机温度波动对测量精度影响大、可操作性低等问题。
本发明的技术方案是:
本发明提供了一种深低温区可变压力和温度的接触热阻测试系统,一种深低温区可变压力和温度的接触热阻测试系统,包括测试装置1、压力加载装置2、加热测温装置3、制冷装置4。其中测试装置1包括真空腔体1.1、绝热多层材料1.2、防辐射冷屏1.3、固体绝热材料1.4、样品夹具1.5、测试平台1.6和真空腔底板1.7;压力加载装置2包括压力传感器2.1、进气管路2.2、承压波纹管2.3和绝热螺杆2.4;加热测温装置3包括加热板3.1、温度传感器3.2和加热丝3.3;制冷装置4包括无氧铜冷头4.1、制冷机4.2和压缩机4.3。其特征在于:为了减少样品表面辐射欧热,压力加载装置2、加热测温装置3、无氧铜冷头4.1、制冷机4.2安装在真空腔体1.1内,实验过程中进行抽真空处理;测试装置1低温冷源由制冷装置4提供;两样品通过样品夹具1.5通过螺纹连接分别固定在加热板3.1和测试平台1.6上,测试平台1.6固定在无氧铜冷头4.1上,其中加热板3.1为样品热端,无氧铜冷头4.1为样品冷端;承压波纹管2.3通过绝热螺杆2.4固定在固体绝热材料1.4和无氧铜冷头4.1上;制冷机4.2通过螺钉连接固定在真空腔底板1.7上。
所述样品夹具1.5采用高导热系数的无氧铜材料,上端面加工出直径和样品直径大小的圆柱形凹槽,切割成两半的形式并采用螺纹连接,便于测试过程中样品的安装和固定,并减少样品和夹具之间的接触热阻。为了减少样品表面辐射漏热,在样品外围设置防辐射冷屏1.3,并在外包裹绝热多层材料1.2。为了使热量都经过样品接触面,在加热板3.1和承压波纹管2.3之间设置了固体绝热材料1.4,有效减少漏热量,提高测试结果的准确度。
所述压力加载装置2通过圆周均布的六根绝热螺杆2.4连接承压波纹管2.3上端面和无氧铜冷头4.1,将承压波纹管2.3固定在绝热固体材料1.4上的同时限制了承压波纹管2.3的横向位移。进气管路2.2通过穿板卡套实现真空腔体1.1内外的连接。通过进气管路2.2外接充气台可以实现对承压波纹管2.3充气和放气改变波纹管纵向形变量从而达到对样品接触面加载压力和卸载压力的作用。承压波纹管2.3内压力可以由压力传感器2.1实时监测得出。该压力加载装置2在不破坏真空环境的前提下实现了对样品施加压力和卸载压力且压力可调,有效减少了测试时间,提高可操作性。
样品表面和无氧铜冷头4.1表面温度由温度传感器3.2测出,加热丝3.3均布在无氧铜冷头4.1下底面,通过改变加热量从而改变无氧铜冷头4.1的温度,进而使样品接触表面温度升高或减小。在无氧铜冷头4.1和样品夹具1.5之间设置高热容低导热系数固体材料制作而成的测试平台1.6,可以有效降低制冷机4.2导致的温度波动,提高接触热阻测量的准确性。加热板3.1、温度传感器3.2和加热丝3.3通过数据电缆和数据采集板卡与计算机连接实现加热量的控制、加热和温度数据采集和真空环境的密封。
本发明的优点在于:该深低温区可变压力和温度的接触热阻测试系统通过在真空腔内通过对承压波纹管充气放弃实施压力加载和卸载代替了人工手动改变压力,从而避免了需要回到常温常压打开真空腔才能改变压力等多次长时间操作,同时可以随时在实验过程中调节压力,有效减小了测试的时间和提高了可操作性。通过在样品和压力加载装置之间设置固体绝热材料,并在样品外设置低温防辐射冷屏并包裹绝热多层材料有效降低了测试样品的导热漏热和辐射漏热,提高测试精度。在样品夹具和无氧铜冷头之间设置高热容低导热固体材料制成的测试平台,可以有效地抑制制冷机温度波动,有效提高了测试结果的准确性。具有高精度、实验时间短、可变调节、可操作性高等优点。
附图说明
图1为一种深低温区可变压力和温度的接触热阻测试系统的原理图;
图中:1.1真空腔体、1.2绝热多层材料、1.3防辐射冷屏、1.4固体绝热材料、1.5样品夹具、1.6测试平台、1.7真空腔底板、2.1压力传感器、2.2进气管路、2.3承压波纹管、2.4绝热螺杆、3.1加热板、3.2温度传感器、3.3加热丝、4.1无氧铜冷头、4.2制冷机、4.3压缩机。
具体实施方式
下面结合附图及实施案例进一步描述本发明。
如图1所示,本发明提供了一种深低温区可变压力和温度的接触热阻测试系统,该高精度测试装置应用于深低温区固体接触热阻的测量。该测试装置整体放置在真空腔1.1内,设置防辐射冷屏1.3并在冷屏外包裹绝热多层材料1.2有效地降低测试样品在深低温区测量时的辐射漏热。其中真空腔1.1采用不锈钢材料制成,厚度为20mm;绝热多层材料1.2由10层双面镀铝薄膜穿孔与10层无纺布叠加而成,能有效降低防辐射冷屏对外界的辐射量;防辐射冷屏1.3采用无氧铜材料制成;固体绝热材料1.4采用聚酰亚胺材料制作并在上面设置螺纹孔与样品夹具1.5进行螺纹连接;样品夹具1.5采用无氧铜材料制作并切割成两个部分,并在中心部位设有样品凹槽,凹槽直径等于样品直径大小,并通过螺纹连接确保样品夹具1.5和样品能充分接触,减少它们之间的接触热阻;测试平台1.6采用高热容低导热的不锈钢材料制成,通过叠加8片4mm厚度的不锈钢片可以有效地将200mK温度波动降低到10mK以下,进一步提高测试结果的准确度;真空腔底板1.7采用不锈钢材料制成,厚度为20mm,与真空腔1.1进行螺纹连接;承压波纹管2.3采用碟片式波纹管,波纹管一端密封,一端设置充气口与进气管路2.2连接;绝热螺杆2.4采用聚酰亚胺材料制成,减少在测试过程中整个系统的导热漏热;压力传感器2.1采用标准型静态压力传感器;制冷装置4采用JT制冷机或者脉管制冷机为样品冷端提供低温。通过充气台对承压波纹管2.3进行充气和放气,在绝热螺杆2.4限位装置的配合下改变样品之间的压力,并通过压力传感器2.1实时监测压力变化并以此反馈调节压力,从而避免了需要回到常温常压才能改变压力等多次长时间操作,同时可以随时在实验过程中调节压力,有效减小了测试的时间和提高了可操作性。
实际使用时,该深低温区可变压力和温度的接触热阻高精度测试系统进行抽真空处理,保持真空腔真空度在10-6Pa以上,用于减少装置中的对流换热。该接触热阻高精度测试系统真空度达到要求后打开制冷装置对测试平台和防辐射冷屏同步进行降温处理,进一步减少测试样品的辐射漏热量,提高测试精度。
本发明的工作过程按以下步骤进行:
安装过程:
采用稳态法测量固体界面接触热阻时,将测试样品固定在样品夹具1.5内并用装配螺孔夹紧,增大样品和夹具之间的接触面积,在接触面之间涂抹导热硅脂减少接触热阻;同时将下夹具固定在测试平台上,将上夹具固定在固体绝热材料上。并安装承压波纹管在固体绝热材料上方,通过六根绝热螺杆依次穿过承压波纹管、固体绝热材料、测试平台和制冷机冷头并用螺栓固定,从而限制承压波纹管的位置和横向位移。在样品表面圆周安装四个温度传感器且温度采集单元的数据电缆通过五十五芯连接真空腔内的温度传感器实现温度数据采集和真空腔的密封。
抽真空过程:
为了减少样品的对流换热损失,在安装好接触热阻的高精度测量装置之后,要对测试装置进行抽真空操作,整个测试装置真空度要保持在10-6Pa以上。然后对制冷机的管路进行抽真空置换,打开制冷机对测试平台的防辐射冷屏进行同步降温直到达到预期测试温度。
加压过程:
当先将压力装置中的预冷气体管路抽真空处理,根据所需压力值进行充气。并根据压力传感器2.1实时测量管路压力,并反馈实时压力数据再进行充其量调节,进而改变样品接触界面的压力值。
加热测温装置(3)包括加热板(3.1)、温度传感器(3.2)和加热丝(3.3)。加热板(3.1)通过螺钉连接在样品夹具(1.5)的上端,作为样品的热端。样品表面和无氧铜冷头(4.1)表面温度由温度传感器(3.2)测出,加热丝(3.3)均布在无氧铜冷头(4.1)下底面,通过改变加热量从而改变无氧铜冷头(4.1)的温度,进而使样品接触表面温度升高或减小。加热板、温度传感器和加热丝通过数据电缆和数据采集板卡与计算机连接实现加热量的控制、加热和温度数据采集和真空环境的密封。
控温过程:
通过控制无氧铜冷头4.1下表面加热丝3.3的加热量,从而改变无氧铜冷头4.1的温度,进而使样品接触表面温度升高或减小,直至冷头温度十分钟内温度变化小于10mK时则认为温度温度。
加热过程:
通过开启加热板3.1的加热电源对样品的热端进行加热,通过温度传感器3.2实时监测样品接触面温度,待测试样品温度均值无明显变化时即可认为样品轴向热流传递已经达到稳态。
数据采集过程:
热流稳定后,温度传感器的阻值随着测点温度的变化而变化并通过数据电缆和板卡传输到温度计算机转换成两固体接触表面各测点的温度并实时存储和绘制温度随时间变化曲线图。
回温过程:
该深低温区可变压力和温度的接触热阻高精度测试系统在结束运行时仍具有较低的温度,为了保护系统部件,要先对其进行回温操作。首先对压力装置进行卸载,关闭加热测温装置。然后关闭压缩机4.3,由于整个系统处于真空环境中,热量只能通过辐射换热导入,故被动回温方式时间较长,因此需要采用主动加热回温。可以单独打开无氧铜冷头4.1下表面的加热丝3.3提供回温所需热量,缩短系统回温所需时间。
最后应说明的是:本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施案例的限制,上述实施例和说明书描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都要落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种深低温区可变压力和温度的接触热阻测试系统,包括测试装置(1)、压力加载装置(2)、加热测温装置(3)、制冷装置(4);其特征在于:
所述的压力加载装置(2)、加热测温装置(3)均安装在真空腔体(1.1)内;制冷装置(4)安装在真空腔底板(1.7)上;各装置之间通过螺钉紧固连接;测试装置(1)低温冷源由制冷装置(4)提供;在实验测试过程中,各部件温度和样品加热量均通过加热测温装置(3)进行实时采集。
2.根据权利要求1所述的一种深低温区可变压力和温度的接触热阻测试系统,其特征在于:
所述的测试装置(1)包括测试装置包括真空腔体(1.1)、绝热多层材料(1.2)、防辐射冷屏(1.3)、固体绝热材料(1.4)、样品夹具(1.5)、测试平台(1.6)和真空腔底板(1.7);样品夹具(1.5)采用高导热系数的无氧铜材料,上端面加工出直径和样品直径大小的圆柱形凹槽,切割成两半的形式并采用螺纹连接,便于测试过程中样品的安装和固定,并减少样品和夹具之间的接触热阻。为了减少样品表面对流和辐射漏热,将整个样品台放置于真空腔体(1.1)内,实验过程中进行抽真空处理,并在样品外围设置防辐射冷屏(1.3),并在冷屏外包裹绝热多层材料(1.2)。为了使热量都经过样品接触面,在加热板(3.1)和承压波纹管(2.3)之间设置了固体绝热材料(1.4),有效减少漏热量,提高测试结果的准确度。
3.根据权利要求1所述的一种深低温区可变压力和温度的接触热阻测试系统,其特征在于:
所述的压力加载装置(2)包括压力传感器(2.1)、进气管路(2.2)、承压波纹管(2.3)和绝热螺杆(2.4);通过圆周均布的六根绝热螺杆(2.4)连接承压波纹管(2.3)上端面和无氧铜冷头(4.1),将承压波纹管(2.3)固定在绝热固体材料(1.4)上的同时限制了承压波纹管(2.3)的横向位移,进气管路(2.2)通过穿板卡套实现真空腔体(1.1)内外的连接,通过进气管路(2.2)外接充气台实现对承压波纹管(2.3)充气和放气改变波纹管纵向形变量从而达到对样品接触面加载压力和卸载压力的作用,承压波纹管(2.3)内压力由压力传感器(2.1)实时监测得出,该压力加载装置(2)在不破坏真空环境的前提下实现了对样品施加压力和卸载压力且压力可调。
4.根据权利要求1所述的一种深低温区可变压力和温度的接触热阻测试系统,其特征在于:
所述的加热测温装置(3)包括加热板(3.1)、温度传感器(3.2)和加热丝(3.3);加热板(3.1)通过螺钉连接在样品夹具(1.5)的上端,作为样品的热端,样品表面和无氧铜冷头(4.1)表面温度由温度传感器(3.2)测出,加热丝(3.3)均布在无氧铜冷头(4.1)下底面,通过改变加热量从而改变无氧铜冷头(4.1)的温度,进而使样品接触表面温度升高或减小,加热板、温度传感器和加热丝通过数据电缆和数据采集板卡与计算机连接实现加热量的控制、加热和温度数据采集和真空环境的密封。
5.根据权利要求1所述的一种深低温区可变压力和温度的接触热阻测试系统,其特征在于:
所述的制冷装置(4)包括无氧铜冷头(4.1)、制冷机(4.2)和压缩机(4.3);制冷装置动力由压缩机(4.3)提供,在无氧铜冷头(4.1)和样品夹具(1.5)之间设置高热容低导热系数固体材料制作而成的测试平台(1.6),以降低制冷机(4.2)导致的无氧铜冷头(4.1)的温度波动,提高接触热阻测量的准确性。
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