CN116337934A - 一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置及测试方法，测试装置包括彼此关联的磁场发生系统、磁场标定系统、受力测量系统、热管性能测试装置及可视化观测系统；磁场发生系统包括矩形耦合线圈、冷却循环系统、电源控制柜；磁场标定系统包括高精度霍尔探头、三维步进平台、控制采集系统；受力测量系统包括支撑支架和测力传感器；热管性能测试装置包括待测热管、电加热系统、隔热保温装置及数据采集系统；测试方法按先后次序包括电控磁场发生阶段、场参数测定阶段、热管启动运行及采集分析阶段。本发明可提供适配热管性能综合测试的大尺寸微重力环境，可在地面开展空间堆用热管的可靠性验证，满足热管深度研发需求。
Description
技术领域
本发明涉及热管特殊条件性能测试技术领域，具体涉及一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置及测试方法。
背景技术
热管作为一种高效传热元件，在空间核反应堆电源系统中有较大的应用价值，例如余热排出系统中可采用热管式换热器、热量传输系统中可采用热管连接堆芯与热电转换系统。在空间微重力条件下，由于表面张力占据主导地位，毛细作用凸显，热管中工质气液相界面形状、液相与固体壁面的相互作用以及气泡夹带、滞留现象均可能与常重力下的实验规律存在较大区别。目前，热管主要在地面常重力环境下进行设计与测试，由于空间实验成本较高，因此对微重力环境下的相关机理及性能规律缺乏研究。开展微重力热管综合测试既可对空间环境热管的特殊现象进行研究，也可对设计研制的空间堆用热管的可靠性进行验证。由于空间实验成本较高，不适宜开展重复性测试，因此需要在地面搭建满足热管测试需要的大尺寸微重力环境。
磁流体在达到饱和磁化强度后将呈现铁磁特性，可以在微观层面产生与重力抵消的体积磁力，因此通过梯度磁场实现磁流体磁悬浮是一种有效的微重力实现方法。但传统的圆形亥姆霍兹-麦克斯韦线圈产生的有效磁补偿区域仅存在于轴中心区域，柱形有效区域的直径与高度均在毫米量级，且区域边缘的梯度方向偏离竖直方向，这样的装置远远无法满足长1～2米的热管的性能测试需求。除产生大尺寸梯度磁场外，大尺寸有效磁场区域内磁场参数标定、热管受力测量及热管测试所需的设备方案均需要考虑在内。因此，如何克服上述难题是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供提供一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置及测试方法，填补了由于空间实验的高门槛高成本，目前热管在研制过程中普遍缺乏微重力环境测试，无法针对空间用途热管的特殊机理现象优化热管设计的技术空白。通过本装置进行系列测试实验，可有效提高空间堆用热管的可靠性，进而提升空间堆电源系统整体可靠性。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置，测试装置包括彼此关联的磁场发生系统、磁场标定系统、受力测量系统、热管性能测试装置及可视化观测系统；
所述磁场发生系统用于通过矩形耦合线圈形成均匀度与线性度满足需求的大尺寸均匀梯度磁场并进行有效的矩形耦合线圈冷却；
所述磁场标定系统用于测量分析磁场，在磁场有效范围内获取参数；
所述受力测量系统用于支承待测热管并监测待测热管全管受力情况，通过磁场标定系统及受力测量系统对磁场状态及待测热管受力状态进行校核，调整电流输入直至待测热管全管受力恰为待测热管净重与充液量的差值，则待测热管管内工质实现重力补偿；
所述热管性能测试装置用于对待测热管蒸发段进行加热，对绝热段进行隔热，并对待测热管启动特性、等温性、传热极限性能参数进行采集记录；
所述可视化观测系统用于通过热成像对工质流动状态进行图像分析。
可选的，所述磁场发生系统包括矩形耦合线圈、对矩形耦合线圈进行冷却的冷却循环系统、对矩形耦合线圈和冷却循环系统提供电源的电源控制柜。
可选的，所述矩形耦合线圈为产生梯度磁场的矩形麦克斯韦线圈及消除磁场非均匀性的矩形亥姆霍兹线圈耦合组成，形成的磁场在竖直方向磁场强度梯度线性度高，水平方向磁场强度均匀度高；磁场有效区域尺寸大，与待测热管尺寸适配；所述冷却循环系统根据工质所需磁场强度及磁场工作时间选择油冷、水冷或自然空冷。
可选的，所述磁场标定系统包括高精度霍尔探头、三维步进平台、控制采集系统，三维步进平台在控制采集系统控制下以高精度霍尔探头(4)对磁场有效区域各点位磁场参数进行测量记录。
可选的，所述三维步进平台包括轨道平台、三维步进电机及固定夹持组件，轨道平台上通过固定夹持组件固定高精度霍尔探头，三维步进电机控制轨道平台移动。
可选的，所述受力测量系统包括支撑支架和测力传感器，热管由支撑支架固定在磁场有效区域内，测力传感器测量待测热管全管受力状态。
可选的，所述热管性能测试装置包括待测热管、电加热系统、隔热保温装置及数据采集系统；所述电加热系统施加在待测热管蒸发段；所述隔热保温装置施加在待测热管绝热段；所述数据采集系统包括热电偶、功率计传感设备及数据处理端。
可选的，所述待测热管以水基磁流体或液态金属的有机磁流体为工质；所述待测热管内部吸液芯为丝网式或干道式；
所述有机磁流体为密度、热导率、表面张力、黏度、接触角物理性质与液态金属工质相近的替代磁流体，以针对毛细流动和气泡壅塞两个热管内受重力影响大的机理问题进行性能测试。
可选的，所述可视化观测系统包括红外热成像装置及图像分析系统，用于非接触式捕获待测热管热成像图。
所述的一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置的测试方法，首先进行电控磁场发生阶段即通过电源控制系统分别向矩形耦合线圈两组线圈分别通入预定电流值，实现目标磁场发生，并通过冷却循环系统对矩形耦合线圈产生的焦耳热进行冷却；
然后进行场参数测定阶段即通过磁场标定系统对磁场强度进行测定，分析磁场均匀度及梯度线性度是否满足所选磁流体的磁补偿参数要求，然后放入待测热管，通过受力测量系统对待测热管全管受力情况进行测定，调整电流输入直至待测热管全管受力恰为待测热管净重与充液量的差值，则待测热管管内工质实现重力补偿；
最后进行热管启动运行及采集分析阶段即在热管性能测试装置中，通过电加热系统将待测热管充分启动，在稳态运行状态下通过数据采集系统分析其热工性能，通过可视化观测系统的红外图像系统分析工质流动特性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明完成了适用于热管的磁补偿微重力测试装置及测试方法的整体方案设计。通过矩形耦合线圈设计，解决了已有的常温磁补偿方法有效重力补偿区域极狭小的问题。在电控磁场发生阶段可在地面进行大尺寸微重力环境有效磁场生成；在场参数测定阶段通过磁场参数及力学参数的采集比对可以确认装置运行情况与管内工质悬浮状态；在热管启动运行及采集分析阶段通过热管性能测试装置可采集热管在微重力环境的运行参数，通过可视化观测系统可以非接触式地分析内部工质状态。本发明填补了由于空间实验的高门槛高成本，目前热管在研制过程中普遍缺乏微重力环境测试，无法针对空间用途热管的特殊机理现象优化热管设计的技术空白。通过本装置进行系列测试实验，可有效提高空间堆用热管的可靠性，进而提升空间堆电源系统整体可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种磁补偿法微重力模拟环境热管综合测试装置结构图；
图2为本发明的一种磁补偿法微重力模拟环境热管综合测试装置磁场主体部分示意图；
其中，1为矩形耦合线圈；2为冷却循环系统；3为电源控制柜；4为高精度霍尔探头；5为三维步进平台；6为控制采集系统；7为支撑支架；8为测力传感器；9为待测热管；10为电加热系统；11为隔热保温装置；12为数据采集系统；13为红外热成像装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置及测试方法，参见图1，测试装置包括彼此关联的磁场发生系统、磁场标定系统、受力测量系统、热管性能测试装置及可视化观测系统，测试方法包括电控磁场发生阶段、场参数测定阶段、热管启动运行及采集分析阶段。
在具体实施例中，所述磁场发生系统包括矩形耦合线圈(1)、冷却循环系统(2)及电源控制柜(3)。矩形耦合线圈(1)由产生梯度磁场的矩形麦克斯韦线圈及消除磁场非均匀性的矩形亥姆霍兹线圈耦合组成，相较于传统的圆形线圈，其可以更大区域内提供竖直均匀磁场梯度以适配热管尺寸。
磁场通过电源控制柜(3)对两个线圈分别通电而发生，可通过预实验或仿真方法对磁场及分布进行控制。磁场具体参数由待测热管(9)的工质类别决定，在一种实施例中，工质为水基磁流体，磁场有效区域为长方体，长度不小于1.2m，高度及宽度不小于75mm，区域内均匀磁场不小于350Gs，均匀度优于5％，梯度磁场不小于0.8T/m，线性度优于10％。冷却循环系统用于对持续运行的线圈进行必要的冷却，具体可以为油冷、水冷或自然空冷。
在具体实施例中，磁场标定系统通过控制采集系统(6)中的PLC控制程序驱动三维步进平台(5)对测试空间进行精细扫描，对三维步进平台所夹持的高精度霍尔探头(4)测得的磁场参数进行采集分析。在一种实施例中，三维步进平台(5)的定位精度＜0.01mm，探头精度误差为±0.1％。
在一种实施例中，如图2所示，测力传感器(8)被布置在支撑支架(7)与待测热管接触处，沿待测热管径向均匀布置了多个测点，以获取待测热管全管受力状态。通过对比磁场发生前后的重量差与工质充液量可判断微重力水平。在有效磁场区域内应可以实现0g～1.0g的不同重力环境模拟，场内受力非均匀度应低于10％。
在具体实施例中，待测热管(9)蒸发段由电加热系统(10)加热，其中电加热元件需进行无磁化处理，具体可以采用对称分布走线，使用无磁材料电缆等方法。在一种实例中，隔热保温装置(11)使用铝箔包裹玻璃纤维保温棉，对绝热段进行隔热处理。在一种实例中，在待测热管(9)管壁槽道布置热电偶等传感器，通过数据采集系统(12)对热管启动特性、等温性、传热极限等性能特性进行实时采集分析。
所述待测热管(9)内部工质可为水基磁流体或替代有机磁流体，吸液芯可为丝网式或干道式。替代有机磁流体需先对液态金属模化分析，根据各物性参数进行定制，以针对毛细流动、气泡壅塞等热管内受重力影响较大的机理问题进行性能测试。
在具体实施例中，可视化观测系统包括红外热成像装置(13)及图像分析系统，用于非接触式捕获待测热管的热成像图，通过可视化图像分析微重力环境下待测热管内部磁流体工质的传热及流动状态。
在具体实施例中，测试方法流程为首先进行电控磁场发生阶段，通过电源控制系统分别向矩形耦合线圈两组线圈分别通入预定电流值，实现目标磁场发生，并通过冷却循环系统对矩形耦合线圈产生的焦耳热进行冷却；然后进行场参数测定阶段，通过磁场标定系统对磁场强度进行测定，分析磁场均匀度及梯度线性度是否满足所选磁流体的磁补偿参数要求，放入待测热管，通过受力测量系统对待测热管全管受力情况进行测定，调整电流输入直至待测热管全管受力恰为待测热管净重与充液量的差值，则待测热管管内工质充分实现重力补偿；最后进行待测热管启动运行及采集分析阶段，在待测热管性能测试装置中，通过电加热系统将待测热管充分启动，在稳态运行状态下通过数据采集系统分析其热工性能，通过可视化观测系统的红外图像分析工质流动特性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置，其特征在于，测试装置包括彼此关联的磁场发生系统、磁场标定系统、受力测量系统、热管性能测试装置及可视化观测系统；
所述磁场发生系统用于通过矩形耦合线圈形成均匀度与线性度满足需求的大尺寸均匀梯度磁场并进行有效的矩形耦合线圈冷却；
所述磁场标定系统用于测量分析磁场，在磁场有效范围内获取参数；
所述受力测量系统用于支承待测热管并监测待测热管全管受力情况，通过磁场标定系统及受力测量系统对磁场状态及待测热管受力状态进行校核，调整电流输入直至待测热管全管受力恰为待测热管净重与充液量的差值，则待测热管管内工质实现重力补偿；
所述热管性能测试装置用于对待测热管蒸发段进行加热，对绝热段进行隔热，并对待测热管启动特性、等温性、传热极限性能参数进行采集记录；
所述可视化观测系统用于通过热成像对工质流动状态进行图像分析。
2.根据权利要求1所述的一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置，其特征在于，所述磁场发生系统包括矩形耦合线圈(1)、对矩形耦合线圈(1)进行冷却的冷却循环系统(2)、对矩形耦合线圈(1)和冷却循环系统(2)提供电源的电源控制柜(3)。
3.根据权利要求2所述的一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置及测试方法，其特征在于，所述矩形耦合线圈(1)为产生梯度磁场的矩形麦克斯韦线圈及消除磁场非均匀性的矩形亥姆霍兹线圈耦合组成，形成的磁场在竖直方向磁场强度梯度线性度高，水平方向磁场强度均匀度高；磁场有效区域尺寸大，与待测热管尺寸适配；所述冷却循环系统(2)根据工质所需磁场强度及磁场工作时间选择油冷、水冷或自然空冷。
4.根据权利要求1所述的一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置，其特征在于，所述磁场标定系统包括高精度霍尔探头(4)、三维步进平台(5)、控制采集系统(6)，三维步进平台(5)在控制采集系统(6)控制下以高精度霍尔探头(4)对磁场有效区域各点位磁场参数进行测量记录。
5.根据权利要求4所述的一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置，其特征在于，所述三维步进平台(5)包括轨道平台、三维步进电机及固定夹持组件，轨道平台上通过固定夹持组件固定高精度霍尔探头(4)，三维步进电机控制轨道平台移动。
6.根据权利要求1所述的一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置及测试方法，其特征在于，所述受力测量系统包括支撑支架(7)和测力传感器(8)，热管由支撑支架(7)固定在磁场有效区域内，测力传感器(8)测量待测热管全管受力状态。
7.根据权利要求1所述的一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置，其特征在于，所述热管性能测试装置包括待测热管(9)、电加热系统(10)、隔热保温装置(11)及数据采集系统(12)；所述电加热系统(10)施加在待测热管蒸发段；所述隔热保温装置(11)施加在待测热管绝热段；所述数据采集系统(12)包括热电偶、功率计传感设备及数据处理端。
8.根据权利要求7所述的一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置及，其特征在于，所述待测热管(9)以水基磁流体或液态金属的有机磁流体为工质；所述待测热管(9)内部吸液芯为丝网式或干道式；
所述有机磁流体为密度、热导率、表面张力、黏度、接触角物理性质与液态金属工质相近的替代磁流体，以针对毛细流动和气泡壅塞两个热管内受重力影响大的机理问题进行性能测试。
9.根据权利要求1所述的一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置，其特征在于，所述可视化观测系统包括红外热成像装置(13)及图像分析系统，用于非接触式捕获待测热管热成像图。
10.权利要求1至9任一项所述的一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置的测试方法，其特征在于，首先进行电控磁场发生阶段即通过电源控制系统分别向矩形耦合线圈两组线圈分别通入预定电流值，实现目标磁场发生，并通过冷却循环系统对矩形耦合线圈产生的焦耳热进行冷却；
然后进行场参数测定阶段即通过磁场标定系统对磁场强度进行测定，分析磁场均匀度及梯度线性度是否满足所选磁流体的磁补偿参数要求，然后放入待测热管(9)，通过受力测量系统对待测热管全管受力情况进行测定，调整电流输入直至待测热管全管受力恰为待测热管净重与充液量的差值，则待测热管管内工质实现重力补偿；
最后进行热管启动运行及采集分析阶段即在热管性能测试装置中，通过电加热系统(10)将待测热管(9)充分启动，在稳态运行状态下通过数据采集系统(12)分析其热工性能，通过可视化观测系统的红外图像系统分析工质流动特性。
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| CN202310472088.6A Pending CN116337934A (zh) | 2023-04-27 | 2023-04-27 | 一种磁补偿法模拟微重力热管综合测试装置及测试方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116337934A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116593529A (zh) * | 2023-07-17 | 2023-08-15 | 成都理工大学 | 一种高温热管传热极限的判断、干预装置及方法 |
| CN117326106A (zh) * | 2023-11-13 | 2024-01-02 | 上海交通大学 | 一种连续可调重力环境模拟方法及装置 |
-
2023
- 2023-04-27 CN CN202310472088.6A patent/CN116337934A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116593529A (zh) * | 2023-07-17 | 2023-08-15 | 成都理工大学 | 一种高温热管传热极限的判断、干预装置及方法 |
| CN116593529B (zh) * | 2023-07-17 | 2023-09-29 | 成都理工大学 | 一种高温热管传热极限的判断、干预装置及方法 |
| CN117326106A (zh) * | 2023-11-13 | 2024-01-02 | 上海交通大学 | 一种连续可调重力环境模拟方法及装置 |
| CN117326106B (zh) * | 2023-11-13 | 2024-04-05 | 上海交通大学 | 一种连续可调重力环境模拟方法及装置 |
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