CN208145996U - 一种可模拟高原气候环境的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种可模拟高原气候环境的试验装置，包括试验箱、制冷系统、真空系统及控制系统，制冷系统是核心，制冷系统通过调节管道中气GN₂与LN₂的流量从而使其以一定比例混合后达到目标温度，然后将混合介质送入热沉中，热沉通过向外辐射控制试验箱内的环境温度。本实用新型可模拟高原气候环境的装置采取热沉辐射换热加微弱对流换热，解决了传统压缩机风冷式制冷在低压下温度漂移问题，温度的控制精度大大提高。

Description

一种可模拟高原气候环境的试验装置

技术领域

本实用新型涉及可靠性环境试验设备，是一种引入热沉调温来模拟高原低压、低温气候环境的试验装置。

背景技术

高原气候环境特殊，具有气压低、空气稀薄、阳光辐射强烈、地表气温低、空气干燥的特点。这些复杂的环境因素对于工作在这里的产品具有不可小觑的影响，因此产品投入使用前进行一系列可靠性环境试验是不可忽略的。

在我们考虑的低气压范围内(对流层：中纬度地区距离地球表面12Km内)，产品辐射散热所占比例增大，对流散热所占比例降低，此外由于大气密度的降低，散热产品周围空气成分也将发生变化，水汽更容易附着在产品表面从而结霜。由于低气压下复杂的环境状态，产品的机械和电气性能都会受到很大影响，有时会导致产品的损坏，因此在产品设计阶段就必须做好接受高低温低压试验的验证，产品质量才能得到保证。

目前模拟高低温及压力的试验方法与装置，其制冷与加热均为通过压缩机与加热丝达到目的，这样在进行温度控制时还需要配合真空泵进行压力调节，而且在低压状态下如果通过风冷式进行控温，一是很容易造成温度漂移，不利于温度稳定；二是风冷中或多或少会存在水汽，这样就导致试验箱内出现结霜现象。

发明内容

本实用新型提出一种可模拟高原气候环境的试验装置，在低气压环境下通过热沉控制温度变化替代传统压缩机风冷式制冷，从而解决低压下温度漂移问题及试验箱内结霜问题。

本实用新型的技术解决方案是：

可模拟高原气候环境的装置，包括试验箱1、制冷系统、真空系统及控制系统，其特殊之处在于：

所述制冷系统包括热沉2、液态氮供应管路3、气态氮供应管路4及混合供应管路5；

所述热沉2设置于试验箱1内，所述热沉2包括热沉管道，所述液态氮供应管路3、气态氮供应管路4、混合供应管路5及真空系统上均设置有阀门，所述液态氮供应管路3与气态氮供应管路4的出口均与混合供应管路5的入口连接，所述混合供应管路5的出口与热沉管道的介质入口连接，热沉管道的介质出口通向试验箱外侧；

所述控制系统包括PLC控制单元、数据采集系统、温度传感器8及压力传感器9；所述温度传感器8用于混合供应管路5内混合介质温度的检测；所述压力传感器9用于试验箱1内压力的检测；所述PLC控制单元的输入端通过数据采集系统与温度传感器8及压力传感器9连接，所述PLC控制单元的输出端与液态氮供应管路3、气态氮供应管路4、混合供应管路5及真空系统上设置的阀门连接。

进一步地，为进一步杜绝结霜现象的出现，还包括氮气置换系统，所述氮气置换系统包括试验箱排气阀D4及排气管路10，所述试验箱排气阀D4用于控制试验箱1内气体的排出；所述排气管路10上还设置有排气管路阀门D3，所述排气管路10的入口与气态氮供应管路4连接，所述排气管路10的出口通往试验箱1内部；所述控制系统还包括湿度传感器11，所述湿度传感器11 用于试验箱1内湿度的检测，所述湿度传感器11的输出端通过数据采集系统与PLC控制单元的输入端连接，所述排气管路阀门D3及试验箱排气阀D4均与PLC控制单元的输出端连接。

进一步地，考虑到试验设备本身密封性的问题，为使试验箱内的压力达到动态平衡，所述真空系统包括与试验箱1连接的抽气装置、补气装置、电动调节阀D6及电动调节阀D5；所述抽气装置通过电动调节阀D5与补气装置连接，所述抽气装置与补气装置均通过电动调节阀D6与试验箱1连接，电动调节阀D5与电动调节阀D6与PLC控制单元的输出端连接。

进一步地，所述抽气装置为螺杆泵12，所述补气装置为分子泵13。

进一步地，所述热沉管道上还设置有用于检测试验箱内温度的温度传感器14。

进一步地，所述混合供应管路5上还设置有用于监测气态氮与液态氮混合物的流量的质量流量计15。

进一步地，所述气态氮供应管路4上还设置有与PLC控制单元输出端连接的加热器16。加热器有两个作用，一是将液态氮转换为气态氮参与热沉的温度调节。二是在实验试验箱气体置换时将气态氮以常温的状态送入试验箱内以置换箱内空气。

本实用新型与现有技术相比，优点是：

1、本实用新型的可模拟高原气候环境的试验装置，温度控制采取热沉辐射换热加微弱对流换热，解决了传统压缩机风冷式制冷在低压下温度漂移问题，温度的控制精度大大提高。

2、本实用新型的可模拟高原气候环境的试验装置，通过氮气置换系统将成分复杂的空气置换为单质气体氮气，进一步杜绝了结霜现象的出现。

附图说明

图1为本实用新型实施例可模拟高原气候环境的装置组成结构图；

图2为本实用新型实施例可模拟高原气候环境的装置控制结构图。

其中附图标记为：1-试验箱，2-热沉，3-液态氮供应管路，4-气态氮供应管路，5-混合供应管路，8-温度传感器，9-压力传感器，10-排气管路，11- 湿度传感器，12-螺杆泵，13-分子泵，14-热电偶温度传感器，15-质量流量计，16-加热器，17-汽化器，18-波纹软管。

具体实施方式

以下结合附图1-2对本实用新型的一个优选实施例做详细说明。

如图1所示，本实用新型可模拟高原气候环境的装置主要包括试验箱1、制冷系统、氮气置换系统、真空系统及控制系统。

本实用新型主要在于模拟低气压及温度的综合性变化，低气压环境下，气体分子稀薄，对流散热所占比降低，对流式热交换已经不再是主流换热方式，且对流换热极易引起温度漂移，因此主要依靠辐射换热进行热交换。

综合所有因素，本实用新型的制冷系统不再用传统压缩机风冷式制冷。引入热沉2对试验箱1内温度进行控制，热沉2是一种模拟宇宙空间冷黑背景的装置，通过辐射营造一定的环境温度，结构上主要通过真空管道内制冷介质温度变化而控制试验箱内温度，真空管道可根据试验箱形状设计，然后刷黑漆固定于试验箱承压内壁上,如图1所示，试验箱门上固定的热尘管道与试验箱体内壁固定的热沉管道之间通过波纹软管18连接。

在热沉2上布置温度传感器14用于监测试验中试验箱内环境温度；制冷介质液态N₂分为两路，其中一路先通过汽化器17转变为GN₂，再通过一个与控制系统相连的电动调节阀D1及加热器16控制GN₂温度；而另一路LN₂通过一个电动调节阀D2后与第一路的气态氮供应管路4汇合，混合供应管路5的气液混合物通过一个与控制系统相连的质量流量计15和温度传感器8，温度穿管器8为铂电阻温度传感器，根据所需要的温度调节质量流量计使气液按一定比例混合从而达到需要的温度值；最后将混合介质送入热沉管道内对试验箱1进行温度控制，因为主要依靠辐射换热，温度相对与对流换热十分稳定，从而解决低压下对流带来的温度漂移。温度在+50℃～-100℃内可调，温度波动±1℃。

氮气置换系统(除湿系统)由汽化器17、排气管路10及试验箱排气阀 D4组成，试验箱排气阀D4为电动调节阀。为了保证进行模拟试验时，热沉2 及试验箱1表面不会因为湿度过大而结霜，因此在进行试验前需要对试验箱1 内湿度进行控制。氮气置换系统是经过汽化器17将LN₂转化成GN₂通过一个与控制器相连的排气管路阀门D3送入试验箱内，排气管路阀门D3为电动调节阀。因为需要保持标准大气压不变，所以排气管路会根据试验箱内压力打开与关闭排气管路阀门D3及试验箱排气阀D4，当湿度在1％以下时即可进行试验。

真空系统是由螺杆泵12、分子泵13、电动调节阀D5、电动调节阀D6及干燥氮气组成，因为考虑到产品置于低压环境下放气或试验设备本身密封性的问题，在模拟某一量级压力达到目标值时，抽气系统与补气系统同时工作，即通过电动调节阀D6调节抽气速率及进气速率使整个系统达到一种动态平衡即可稳定的满足模拟条件，压力可在0Pa～104Pa内调节。

制冷系统、氮气置换系统、真空系统均与控制系统连接，控制系统根据反馈信息对各个分系统进行控制。

实施例：试验条件：模拟我国高原海拔4267m处环境。通过对海拔高度换算得出：气压值：59514Pa，环境平均温度：-12.7℃。

1、受试样品置于试验箱内载物台上，关闭箱门；打开液氮储蓄罐手阀，使液氮通过汽化器17、加热器16转化为常温GN₂,打开排气管路阀门D3及试验箱排气阀D4(保持一个大气压不变，利用动态平衡原理当抽气速率与排气速率相同时即维持一定压力不变)进行气体置换，试验箱排气阀D4为电动调节阀，根据湿度传感器11反馈的湿度对排气管路阀门D3及试验箱排气阀D4 进行调节，当湿度低于1％以下时认为已完全置换，控制系统将关闭排气管路阀门D3及试验箱排气阀D4完成置换过程。

2、气体完全置换后首先模拟环境压力，打开螺杆泵12，打开电动调节阀 D6，对试验箱进行抽气，当达到目标压力值59514Pa附近，压力传感器9得到的反馈值通过PID调节排气管路阀门D3、电动调节阀D6及试验箱排气阀 D4达到动态平衡以维持目标压力值不变。由于达到动态平衡时，进气量很微弱，因此其对之后整个环境温度的影响可以忽略不计。

3、热沉模拟环境温度，向热沉管道内通入LN₂和GN₂混合物，加热器16 设置温度40℃～50℃对氮其加热。刚开始混合物温度会持续降低，当铂电阻传感器反馈温度达到-12.7℃左右时，PID通过反馈温度对电动调节阀D1、电动调节阀D2与流量计进行调节，从而控制混合物比例使铂电阻温度传感器反馈温度稳定，然后将混合制冷介质通入热沉真空管道内使试验箱内温度在目标温度范围内维持。

4、试验结束时，先将LN₂停止通入热沉，依靠加热器将热沉温度恢复至常温、然后打开排气管路阀门D3向试验箱内通入GN₂使系统恢复至常压。

Claims (7)

1.一种可模拟高原气候环境的试验装置，包括试验箱(1)、制冷系统、真空系统及控制系统，其特征在于：

所述制冷系统包括热沉(2)、液态氮供应管路(3)、气态氮供应管路(4)及混合供应管路(5)；

所述热沉(2)设置于试验箱(1)内，所述热沉(2)包括热沉管道，所述液态氮供应管路(3)、气态氮供应管路(4)、混合供应管路(5)及真空系统上均设置有阀门，所述液态氮供应管路(3)与气态氮供应管路(4)的出口均与混合供应管路(5)的入口连接，所述混合供应管路(5)的出口与热沉管道的介质入口连接，热沉管道的介质出口通向试验箱外侧；

所述控制系统包括PLC控制单元、数据采集系统、温度传感器(8)及压力传感器(9)；所述温度传感器(8)用于混合供应管路(5)内混合介质温度的检测；所述压力传感器(9)用于试验箱(1)内压力的检测；所述PLC控制单元的输入端通过数据采集系统与温度传感器(8)及压力传感器(9)连接，所述PLC控制单元的输出端与液态氮供应管路(3)、气态氮供应管路(4)、混合供应管路(5)及真空系统上设置的阀门连接。

2.根据权利要求1所述的一种可模拟高原气候环境的试验装置，其特征在于：

还包括氮气置换系统，所述氮气置换系统包括试验箱排气阀D4及排气管路(10)，所述试验箱排气阀D4用于控制试验箱(1)内气体的排出；所述排气管路(10)上还设置有排气管路阀门D3，所述排气管路(10)的入口与气态氮供应管路(4)连接，所述排气管路(10)的出口通往试验箱(1)内部；

所述控制系统还包括湿度传感器(11)，所述湿度传感器(11)用于试验箱(1)内湿度的检测，所述湿度传感器(11)的输出端通过数据采集系统与PLC控制单元的输入端连接，所述排气管路阀门D3及试验箱排气阀D4均与PLC控制单元的输出端连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种可模拟高原气候环境的试验装置，其特征在于：

所述真空系统包括与试验箱(1)连接的抽气装置、补气装置、电动调节阀D6及电动调节阀D5；所述抽气装置通过电动调节阀D5与补气装置连接，所述抽气装置与补气装置均通过电动调节阀D6与试验箱(1)连接，电动调节阀D5与电动调节阀D6与PLC控制单元的输出端连接。

4.根据权利要求3所述的一种可模拟高原气候环境的试验装置，其特征在于：

所述抽气装置为螺杆泵(12)，所述补气装置为分子泵(13)。

5.根据权利要求1所述的一种可模拟高原气候环境的试验装置，其特征在于：所述热沉管道上还设置有至少一个用于检测试验箱内温度的热电偶温度传感器(14)。

6.根据权利要求1所述的一种可模拟高原气候环境的试验装置，其特征在于：所述混合供应管路(5)上还设置有用于监测气态氮与液态氮混合物流量的质量流量计(15)。

7.根据权利要求1所述的一种可模拟高原气候环境的试验装置，其特征在于：所述气态氮供应管路(4)上还设置有与PLC控制单元输出端连接的加热器(16)。