熱真空試驗(yàn)設(shè)備中的控溫方式略談

夏春鴻

（中山凱旋真空科技股份有限公司，廣東中山 528478）

0 引言

熱真空試驗(yàn)箱是人們?cè)诘孛嫔夏M出真空、冷黑等太空環(huán)境以進(jìn)行試驗(yàn)、設(shè)備檢驗(yàn)等的環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備。近年來(lái)，熱真空試驗(yàn)設(shè)備在航天航空業(yè)產(chǎn)品的研制和定型、農(nóng)業(yè)科研、生物化學(xué)和化工制藥中發(fā)揮了重要作用。由于熱真空設(shè)備中環(huán)境的特殊性，熱傳遞方式無(wú)法再以熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的方法進(jìn)行，只能以熱輻射方法傳遞熱量。同樣由于熱真空設(shè)備的特殊性，設(shè)備內(nèi)的熱度平衡非常緩慢，因而需要對(duì)熱真空試驗(yàn)箱進(jìn)行全方位的溫度檢測(cè)，這對(duì)熱真空試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度參數(shù)和溫度傳感器要有較高要求。

1 熱真空設(shè)備簡(jiǎn)介

（1）真空試驗(yàn)箱又稱真空干燥箱，常用于航天、醫(yī)療衛(wèi)生、生物化學(xué)和物理研究等領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)室中所用真空試驗(yàn)箱主要是對(duì)物料進(jìn)行加熱、烘干、恒重等，有長(zhǎng)方形、圓柱形。為方便窺視設(shè)備中物料盛放的狀況，通常會(huì)有一面為耐熱透明玻璃。真空試驗(yàn)箱自身帶有加熱裝置，內(nèi)部有多層網(wǎng)板用于存放物料，側(cè)面或上部有真空接口連接于真空系統(tǒng)。現(xiàn)在以HS-2P-ZQ型熱真空模擬設(shè)備為例，介紹主要工作原理。

（2）HS-2P-ZQ型熱真空模擬設(shè)備是由主泵渦輪分子泵、機(jī)械泵、主抽閥、預(yù)抽閥等組成真空機(jī)組，對(duì)真空室進(jìn)行抽氣后從而得到一個(gè)比較潔凈的高真空試驗(yàn)環(huán)境。采用液氮或電熱絲將箱體制冷或熱沉加熱，通過(guò)熱輻射的方式在箱體熱沉內(nèi)形成一個(gè)比較均勻的溫度場(chǎng)，得到一個(gè)既有（-100～125）℃寬范圍溫度，又有真空太空模擬環(huán)境。做完試驗(yàn)后要打開(kāi)放氣閥充入氮?dú)馊〕鲈嚰嵴婵赵囼?yàn)箱工作原理，見(jiàn)圖1。

2 產(chǎn)品熱真空試驗(yàn)中溫度參數(shù)的重要性

在熱真空試驗(yàn)的模擬試驗(yàn)中，試件一般都處于工作狀態(tài)來(lái)測(cè)量其環(huán)境參數(shù)和工作參數(shù)。其中熱沉溫度是熱真空設(shè)備的主要指標(biāo)之一，對(duì)試驗(yàn)樣品的溫度變化速率和熱沉的升降溫變化速率均有嚴(yán)格要求。熱真空設(shè)備需要在高真空條件下進(jìn)行從室溫降至試驗(yàn)最低溫度的冷浸上升至試驗(yàn)最高溫度的熱浸，再到室溫的高低溫循環(huán)。因而需要對(duì)產(chǎn)品的關(guān)鍵部位甚至是全方面的溫度檢測(cè)，使其處于合理溫度范圍內(nèi)，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)出來(lái)的產(chǎn)品結(jié)果再進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)重復(fù)試驗(yàn)以保證試驗(yàn)產(chǎn)品符合要求。倘若因溫度測(cè)量的誤差而導(dǎo)致產(chǎn)品的欠溫或過(guò)溫，輕則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)完全損壞而無(wú)法使用。所以，熱真空試驗(yàn)中設(shè)備的溫度值測(cè)量的準(zhǔn)確性，非常重要。

圖1 熱真空試驗(yàn)箱工作原理

3 常壓狀態(tài)下的熱傳遞方式

（1）熱傳導(dǎo)是在同一物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間，在溫度不同但沒(méi)有相對(duì)的宏觀位移時(shí)的傳熱方式。通常發(fā)生于固體與固體、固體與液體，以及氣體與氣體之間的熱傳遞。

（2）熱輻射是物體通過(guò)電磁波傳播能量的過(guò)程，主要遵循斯蒂芬——波爾茲曼定律。

（3）熱對(duì)流是流體各部分宏觀位移引起的能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。既有因流體內(nèi)部存在溫度差而存在密度差，在體積力作用下產(chǎn)生的自然對(duì)流，也有借助機(jī)器外力推動(dòng)的強(qiáng)制熱對(duì)流。

實(shí)際上在熱傳遞過(guò)程中，可能會(huì)以其中1種形式出現(xiàn)，也可能2種甚至3種一起出現(xiàn)進(jìn)行復(fù)合傳熱，這個(gè)換熱過(guò)程即為復(fù)合換熱。

4 真空狀態(tài)下的熱傳遞方式及溫度測(cè)量

（1）輻射，是真空狀態(tài)下的唯一的一種熱傳遞方式。在高真空狀態(tài)下既沒(méi)有液體進(jìn)行熱對(duì)流，也沒(méi)有氣體進(jìn)行熱傳導(dǎo)，因而只能用輻射的方式來(lái)進(jìn)行熱傳遞。這也說(shuō)明了溫度的傳遞已不可能靠空氣進(jìn)行傳導(dǎo)，只能靠輻射的方式，就如同太陽(yáng)和地球之間有1.5億 km的真空存在，但太陽(yáng)的熱仍在通過(guò)輻射的熱傳遞形式無(wú)時(shí)不刻的傳遞到地球表面上。

（2）真空狀態(tài)下的溫度測(cè)量。由于在真空狀態(tài)下熱輻射傳遞的熱量和距離的平方成反比，真空試驗(yàn)箱在結(jié)構(gòu)上一般難以使工作室三維空間內(nèi)各點(diǎn)的輻射熱均勻一致，因而真空試驗(yàn)箱一般采用先加熱真空壁面、在由壁面向工件進(jìn)行輻射加熱的方式，在這種方式下，控溫儀表的溫度傳感器可以布置在真空室外壁。

5 真空狀態(tài)下不同溫度測(cè)量方法試驗(yàn)

在熱真空試驗(yàn)箱內(nèi)，為了在熱真空實(shí)驗(yàn)過(guò)程中減少誤差和損失，不僅要對(duì)熱真空試驗(yàn)箱全方位測(cè)溫，還要謹(jǐn)慎選擇溫度傳感器，本次以多個(gè)溫度傳感器作試驗(yàn)比較。

（1）準(zhǔn)備1～9個(gè)設(shè)備自帶鉑電阻，1～9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱偶電阻，1～9個(gè)圓柱狀標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻和1～9個(gè)貼片狀標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，將以上傳感器放入干燥箱中，標(biāo)準(zhǔn)干燥箱設(shè)置好多個(gè)溫度點(diǎn)，待溫度穩(wěn)定后通過(guò)測(cè)溫系統(tǒng)得到傳感器測(cè)溫示數(shù)并進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)對(duì)比后各個(gè)溫度傳感器在常壓下的所測(cè)溫度相差無(wú)幾。

（2）準(zhǔn)備1～9個(gè)設(shè)備自帶鉑電阻和1～9個(gè)圓柱狀標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，分別置于熱真空試驗(yàn)箱9個(gè)不同的部位，在熱真空試驗(yàn)箱內(nèi)處于高真空狀態(tài)后設(shè)定溫度并使之穩(wěn)定 4 h，然后測(cè)量溫度點(diǎn)溫度并進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)圓柱狀標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻所測(cè)溫度較設(shè)定值偏差＞2℃，設(shè)備自帶鉑電阻較設(shè)定值偏差＜2℃。

（3）準(zhǔn)備1～9個(gè)設(shè)備自帶鉑電阻和1～9個(gè)貼片狀標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，分別置于熱真空試驗(yàn)箱9個(gè)不同的部位，在熱真空試驗(yàn)箱內(nèi)處于高真空狀態(tài)后設(shè)定溫度并使之穩(wěn)定4 h，然后測(cè)量溫度點(diǎn)溫度并進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)貼片狀標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻和設(shè)備自帶鉑電阻所測(cè)溫度較設(shè)定值偏差＜2℃，且貼片狀標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻偏差較大。

（4）準(zhǔn)備1～9個(gè)設(shè)備自帶鉑電阻和1～9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱偶電阻，分別置于熱真空試驗(yàn)箱9個(gè)不同的部位，在熱真空試驗(yàn)箱內(nèi)處于高真空狀態(tài)后設(shè)定溫度并使之穩(wěn)定4 h，然后測(cè)量溫度點(diǎn)溫度并進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)熱偶電阻所測(cè)溫度較設(shè)定值偏差＞2℃，設(shè)備自帶鉑電阻較設(shè)定值偏差＜2℃。

6 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）由本次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱真空環(huán)境中不同類型傳感器所測(cè)出的溫度示數(shù)差異較大，但原因不在于傳感器本身測(cè)量準(zhǔn)確性問(wèn)題，如熱偶傳感器在許多熱真空試驗(yàn)箱內(nèi)都有使用，但相較于本設(shè)備自帶鉑電阻而言無(wú)法達(dá)到更好的效果。另一方面?zhèn)鞲衅髋c其所測(cè)部位的接觸面積對(duì)其所測(cè)溫度也有影響，接觸面較小的傳感器會(huì)因熱平衡太長(zhǎng)而導(dǎo)致偏差過(guò)大。

（2）本次實(shí)驗(yàn)中熱傳導(dǎo)和熱輻射相結(jié)合的方式進(jìn)行熱傳遞，在實(shí)際真空狀態(tài)下通過(guò)熱輻射的熱傳遞方式達(dá)到熱平衡太過(guò)緩慢，若要提高熱平衡速率，最好提高熱傳導(dǎo)能力。盡管多種型號(hào)的熱真空試驗(yàn)箱的造型、結(jié)構(gòu)以及控制方式都各有不同，但加熱原理都一樣。因而在熱真空試驗(yàn)箱設(shè)備的初次使用時(shí)，應(yīng)先做一個(gè)應(yīng)用試驗(yàn)，記錄下所需加熱物體的表面狀態(tài)、物體的放置位置和數(shù)量、傳感器讀書等數(shù)值，從最終效果中篩選出最佳物品數(shù)量。

7 總結(jié)

由于熱真空試驗(yàn)箱自身特殊性，主要通過(guò)熱輻射方式傳遞溫度，對(duì)于多種溫度傳感器的選擇應(yīng)更適合熱真空試驗(yàn)箱設(shè)備自身情況，才能更準(zhǔn)確的測(cè)量溫度。熱真空試驗(yàn)箱的主要作用就是在于提供高真空、冷熱環(huán)境，在航天產(chǎn)品的研制、生物制藥、物理、化學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生及環(huán)境保護(hù)中，都發(fā)揮著不小的作用。因此熱真空試驗(yàn)箱設(shè)備的溫度檢測(cè)，尤其是控溫方式和控溫效果等，都極為重要。