熱沉技術(shù)在高低溫低氣壓試驗箱中的應用

羅鵬程，齊龍

（重慶四達試驗設備有限公司 重慶 401122）

引言

高低溫低氣壓試驗箱是一種模擬高海拔地區(qū)的壓力、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的試驗設備。在航空、航天、軍工領域運用廣泛。但是目前生產(chǎn)制造的高低溫低氣壓環(huán)境設備，都普遍存在溫度均勻性和其它各項技術(shù)指標偏差很大，很難得到較為準確、理想的試驗結(jié)果。如何有效解決這難點?我們通過大量的試驗和探索，摸索出解決在高低溫低氣壓試驗設備在試驗中溫度均勻性和技術(shù)指標參數(shù)差的的有效辦法。

1 對現(xiàn)在國內(nèi)生產(chǎn)加工的低氣壓設備分析

在實際生產(chǎn)加工高低溫低氣壓試驗設備的工作中，由于承壓體要承受足夠的壓力，不論是以內(nèi)承壓或外承壓方式加工的承壓體，都存在著承壓體負荷(載)大、溫度傳導慢的特點。我們現(xiàn)在以內(nèi)承壓方式為例來說明，如圖1所示。一般情況下，內(nèi)承壓的承壓體都是采用δ4～5mm的鋼板加工。而承壓加強筋卻根據(jù)試驗要求的大小來選用型鋼焊接。這樣就增加了承壓體組件的重量。也增大了制冷壓縮機的負荷。同時由于在真空或低氣壓狀況，已經(jīng)無法用空氣的對流來實現(xiàn)溫度的均勻性了。只能通過加熱的傳導來傳遞熱量。這樣就造成了雖然能承受足夠的壓力，卻有溫度傳導慢，均勻性差，設備的功耗大的缺陷。

2 高低溫低氣壓試驗設備改進的辦法

我們根據(jù)在真空(或低氣壓)工作區(qū)屬于等壓區(qū)的特點，將真空的熱層技術(shù)運用到高低溫低氣壓試驗設備的設計中。我們在等壓區(qū)內(nèi)增加固定一個用薄金屬板材加工的多面輻射體(參見圖2)。輻射體采用δ0.6～0.8的不銹鋼加工。在輻射體四周均布制冷盤管和加熱板。制冷盤管和加熱板必須緊密貼合、固定在輻射體表面。在輻射體的每個面，設置一組獨立的制冷盤管，制冷盤管采用薄壁黃銅管加工，并用薄銅板加工成卡箍，加以固定，最后與制冷系統(tǒng)聯(lián)接，加熱板則通過接線柱或航空插隊座與控制系統(tǒng)聯(lián)接，這樣達到增大輻射體的制冷或加熱的傳導面積的作用。同時將輻射體的內(nèi)表面用航空黑漆噴涂成黑色，增大了輻射區(qū)域，充分運用了已輻射體為載體，達到輔助制冷和加熱(或預冷和預熱)的目的（參見圖3）。通過用這種方式，我們制作加工了多臺高低溫低氣壓和高低溫濕熱試驗設備，并經(jīng)過多試驗和檢測，得到了理想的試驗指標參數(shù)，完全滿足(或優(yōu)于)相應的國家標準，徹底克服的在真空或低氣壓設備技術(shù)指標參數(shù)差的難點。

3 生產(chǎn)案例

以某公司生產(chǎn)的熱真空壽命試驗系統(tǒng)為例：

圖1

技術(shù)指標要求：極限真空度為1.0×10-4Pa，溫度范圍為-70℃～120℃；同時要求溫度均勻度為：±2℃。

在1.0×10-4Pa的真空環(huán)境中，空氣已十分的稀薄，甚至以常規(guī)的真空泵都無法達到該真空度，需要采用分子泵才能達到。在此環(huán)境下，熱量的傳遞主要以熱輻射的形式傳遞。

由公式： Prad=σ εAT4可知，輻射功率跟物體本身的溫度、輻射面積、以及吸收率有關(guān)。

圖2

圖3

式中：

Prad為輻射功率；σ為玻爾茲曼常數(shù)σ=5.6704×10-8；ε為物體吸收率；T為物體溫度。

在實際工程運用中，溫度、輻射面積、吸收率（黑度）均可采取一定的方式進行控制或增強。在系統(tǒng)中，便有充分的體現(xiàn)（如圖4所示）。

由環(huán)形熱沉、后熱沉、大門熱沉組成一個圓柱形的輻射換熱空間。由于在相同的體積下，圓柱形具有較六面體更大的表面積，采取這樣的結(jié)構(gòu)可增加輻射面積，進而提高輻射功率。與此同時，在輻射空間內(nèi)部刷航空黑漆以提高熱沉表面黑度。

圖5為環(huán)形熱沉結(jié)構(gòu)示意圖。以環(huán)形熱沉為例，熱沉控溫管路分別由機械制冷管路、油加熱管路、液氮制冷管路組成。分別滿足系統(tǒng)：降溫、升溫以及急速降溫不同工況的要求。管內(nèi)的介質(zhì)，在工作時循環(huán)流動，并由換熱裝置補充（消耗）介質(zhì)損失（吸收）的熱能。當介質(zhì)流速足夠快時，可最大限度的減小介質(zhì)延管程的溫度梯度從而保證溫度均勻度。

圖4

圖5

在該產(chǎn)品的實際使用中，取得了良好的成果。各技術(shù)指標均優(yōu)于要求，并具有良好的穩(wěn)定性與可靠性。

4 結(jié)束語

在現(xiàn)代社會的科學技術(shù)研發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)制造中，環(huán)境模擬試驗扮演著重要的角色。隨著科技的發(fā)展，社會的進步，環(huán)境試驗設備越來越受到人們的重視。

通過對目標產(chǎn)品工作環(huán)境的模擬可以有效的驗證其運行的可靠性，為設計的改進提供有效的數(shù)據(jù)支持并有效的縮短研發(fā)周期，節(jié)約設計成本。而在環(huán)境模擬試驗中，各環(huán)境參數(shù)的控制測量精度，直接影響著試驗結(jié)果的有效性?；诖朔矫娴目紤]，便有了文中對于熱沉在低氣壓溫度試驗中應用問題的探討。

[1] 達道安. 真空設計手冊(第3版)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2004.

[2] 陳國幫,黃永華,包銳,低溫流體熱物理性質(zhì)[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2006.