熱真空試驗(yàn)設(shè)備的控溫?zé)岢恋脑O(shè)計(jì)分析

摘要：通過使用專用的控溫?zé)岢羴頋M足航天產(chǎn)品的熱真空試驗(yàn)要求，控溫?zé)岢恋闹饕M成部分有加熱器、熱沉和相關(guān)的配套設(shè)施等。針對專用控溫?zé)岢恋脑O(shè)計(jì)原理開展了全面而透徹的研究，并驗(yàn)證了仿真試驗(yàn)的精準(zhǔn)性，如果發(fā)熱量的具體值為200"W，在對熱沉空間測點(diǎn)的極限低溫值進(jìn)行獲取后，其取值會(huì)低于-183"℃，而在對極限高溫值進(jìn)行獲取時(shí)，其取值則會(huì)高于126"℃，滿足控溫的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。在調(diào)節(jié)溫控系統(tǒng)時(shí)，使用比例-微分-積分（Proportional-Integral-Differential，PID）運(yùn)算自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)取得了良好的效果，對熱沉控溫效果進(jìn)行調(diào)試的過程中，在選取區(qū)間控溫點(diǎn)時(shí)，使用了常用控溫點(diǎn)，分別為120、-180、-70"℃，具體調(diào)試情況為：使用升溫的方式完成120"℃溫控；使用降溫的方式完成-180"℃溫控；使用升溫的方式完成-70"℃溫控；再次使用升溫的方式完成120"℃溫控。經(jīng)過全面而細(xì)致的分析可知，熱沉空間測點(diǎn)溫度與溫控設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)值相一致，熱沉設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息具備超強(qiáng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：熱真空試驗(yàn)"""控溫?zé)岢?""仿真分析"""PID控制

Thermal"Vacuum"Test"Equipment"Control"Warm"Temperature"Sink"Design

SU"Qingmiao"""ZHANG"Liping""""QIN"Shaoying

Lanzhou"Vacuum"Equipment"Co.，Ltd."Huayu"Branch，Lanzhou，"Gansu"Province，730000"China

Abstract："Through"the"use"of"special"temperature-controlled"heat"sink"to"meet"the"requirements"of"aerospace"products"thermal"vacuum"test，"the"main"components"of"temperature-controlled"heat"sink"are"heaters，"heat"sink"and"related"supporting"facilities."A"comprehensive"and"thorough"study"has"been"carried"out"on"the"design"principle"of"the"dedicated"temperature-controlled"heat"sink，"and"the"accuracy"of"the"simulation"test"has"been"verified."If"the"specific"value"of"the"calorific"value"is"200W，"after"obtaining"the"ultimate"low"temperature"value"of"the"heat"sink"space"measurement"point，"its"value"will"be"lower"than"-183℃，"while"when"obtaining"the"ultimate"high"temperature"value，"its"value"will"be"higher"than"126℃，"meeting"the"various"standards"of"temperature"control."When"adjusting"the"temperature"control"system，"the"PID"（Packet"Identifier）"arithmetic"adaptive"adjustment"system"is"used"to"achieve"good"results."In"the"process"of"debugging"the"heat"sink"temperature"control"effect，"common"temperature"control"points"are"used"when"selecting"interval"temperature"control"points."They"are"120℃，"-180℃"and"-70℃"respectively."The"specific"debugging"situation"is"as"follows："120℃"temperature"control"is"completed"by"heating;"Use"cooling"to"complete"-180℃"temperature"control;"The"temperature"control"of"-70℃"is"completed"by"heating"up."Once"again，"the"method"of"heating"up"is"used"to"complete"120℃"temperature"control."After"comprehensive"and"detailed"analysis，"the"conclusion"is"that"the"temperature"of"the"heat"sink"space"measurement"point"is"consistent"with"the"standard"value"of"temperature"control"design，"and"the"relevant"data"information"of"heat"sink"design"has"super"practicability.

Key"Words："Thermal"vacuum"test;"Control"heat"and"sink;"Simulation"analysis;"PID"control

為保證航天器部組件的性能可靠，驗(yàn)證部組件經(jīng)受熱真空環(huán)境的能力，需要在地面的空間環(huán)境模擬設(shè)備中進(jìn)行熱真空試驗(yàn)。在熱真空試驗(yàn)中，需要將航天器部組件溫度控制在規(guī)定的范圍，檢驗(yàn)其工作性能。因此，熱真空試驗(yàn)設(shè)備除需要提供真空冷黑環(huán)境之外，還要求對試驗(yàn)件的溫度進(jìn)行控制。在對航天器部組件的性能進(jìn)行提升時(shí)，在受熱真空環(huán)境中開展了各項(xiàng)檢驗(yàn)工作，需要在地面空間環(huán)境中完成熱真空相關(guān)試驗(yàn)操作。熱真空試驗(yàn)操作的過程中，航天器部組間溫度要與設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)保持一致，確保各項(xiàng)檢驗(yàn)工作都能夠取得最佳的效果。熱沉調(diào)溫系統(tǒng)使用載冷劑作為工作介質(zhì)，"將滿足溫度要求的載冷劑直接通入熱沉，通過調(diào)節(jié)熱沉溫度來對試驗(yàn)件的溫度進(jìn)行控制。該方法在試驗(yàn)中不需要電加熱裝置對試驗(yàn)件進(jìn)行加熱，具有經(jīng)濟(jì)性好、對試驗(yàn)件無遮擋、可加速降溫和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是熱沉控溫領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和發(fā)展趨勢。

1調(diào)溫系統(tǒng)技術(shù)

在開展熱沉調(diào)溫工作時(shí)，使用以下方法能夠取得最佳的效果。（1）載冷劑為氮?dú)鈺r(shí)，使用熱沉通入的方式來對溫度進(jìn)行高效的調(diào)節(jié)；（2）載冷劑為耐高低溫的烴類化合物時(shí)，借助通入熱沉的方式來對溫度進(jìn)行控制。

對于氣氮調(diào)溫法來說，熱沉溫度需要控制在-140～120"℃之間，使連續(xù)調(diào)節(jié)溫度得以真正的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)冷卻方式不同，氣氮調(diào)溫法主要分為2種類型，分別是液氮儲(chǔ)槽式冷卻器調(diào)溫方式和液氮注入噴射式冷卻器調(diào)溫方式。液氮儲(chǔ)槽是液氮儲(chǔ)槽是冷卻器調(diào)溫法的核心熱交換器類型，在開展調(diào)溫操作時(shí)，電加熱器發(fā)揮著重要的作用。對于液氮注入噴射式冷卻器調(diào)溫法來說，需要使用液氮噴射器來將噴入的液氮注入熱交換器中，氣氮加熱時(shí)，電加熱器發(fā)揮著重要的作用，當(dāng)其溫度滿足設(shè)計(jì)值標(biāo)準(zhǔn)以后，才能將其輸送到熱沉中。氣氮調(diào)溫法選擇使用的設(shè)備類型比較豐富，在采購設(shè)備時(shí)，需要投入大量的成本，高低溫風(fēng)機(jī)的流量也非常大，因此該方法普遍使用于大型空間模擬器中[1]。

在科學(xué)技術(shù)水平快速發(fā)展的進(jìn)程中，使用頻率最高的調(diào)溫系統(tǒng)為耐高溫?zé)N類化合物為載冷劑的調(diào)溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)的制冷劑發(fā)揮著重要的作用，最大程度的保障了冷源，電加熱器負(fù)責(zé)提供熱源，在控制程序的保障下，載冷劑在循環(huán)泵的作用下源源不斷的向熱沉中通入，以此來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)溫度的目的。

2控溫?zé)岢猎O(shè)計(jì)

2.1控溫?zé)岢两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱真空試驗(yàn)設(shè)備不僅要滿足真空冷黑環(huán)境的各項(xiàng)要求，還要高效的控制試驗(yàn)件的溫度。通常情況下，熱真空試驗(yàn)設(shè)備會(huì)使用機(jī)械制冷或液氮制冷的方式來滿足低溫環(huán)境要求，而對試驗(yàn)件進(jìn)行加熱時(shí)，使用的主要設(shè)備有電加熱片、燈陣和紅外加熱器等，對加熱量進(jìn)行嚴(yán)格的管控，從而使試驗(yàn)件溫度保持在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。在使用該方法時(shí)，需要有大量的電能為其提供保障，因此其經(jīng)濟(jì)性則會(huì)差一些。在設(shè)計(jì)電加熱裝置時(shí)，要結(jié)合試驗(yàn)件的形狀來完成相關(guān)的設(shè)計(jì)工作，這就會(huì)給其適用性帶來一定的影響[2-3]。

2.2控溫原理

液氮制冷系統(tǒng)聯(lián)合加熱絲系統(tǒng)是控溫?zé)岢猎诳販貢r(shí)使用的核心形式，加熱系統(tǒng)的主要組成成分有加熱籠、直流程控電源和固態(tài)繼電器等。在試驗(yàn)時(shí)，控溫?zé)岢林型ㄈ胍旱院?，高效的?chuàng)建了冷背景環(huán)境，加熱系統(tǒng)使用閉環(huán)的方式進(jìn)行處理，通過冷熱抗衡來對溫度做到有效的管控。

西門子可編程控制器（Programmable"Logic"Controller，PLC）系統(tǒng)是加熱系統(tǒng)的主要形式，使比例-微分-積分（Proportional-Integral-Differential，PID）運(yùn)算取得最佳的效果。在對加熱功率進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)時(shí)，模糊PID控制算法能夠做到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。

2.3產(chǎn)品熱真空試驗(yàn)中溫度參數(shù)

在模擬熱真空試驗(yàn)的過程中，試件要始終保持著正常工作的狀態(tài)，精準(zhǔn)獲取外部環(huán)境和工作內(nèi)容等相關(guān)參數(shù)信息。熱沉溫度在熱真空設(shè)備中占據(jù)著核心位置，能夠較好的管控試驗(yàn)樣品的溫度變化趨勢和熱沉升降變化情況。在高真空的環(huán)境里，冷浸的表現(xiàn)為溫度下降到試驗(yàn)最低溫度值，熱浸的表現(xiàn)為溫度從室溫向試驗(yàn)最高溫度上升，并使得室溫循環(huán)得以真正的實(shí)現(xiàn)。對核心部位的溫度進(jìn)行及時(shí)的檢測，高效管控其溫度變化情況。在經(jīng)過多次試驗(yàn)以后，使得試驗(yàn)產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。如果受溫度影響，使得產(chǎn)品出現(xiàn)了過溫或者是欠溫的情況，如果溫度不達(dá)標(biāo)，產(chǎn)品的正常運(yùn)行就好無法繼續(xù)，如果溫度過高，就會(huì)損壞產(chǎn)品。

3真空狀態(tài)下的熱傳遞方式與溫度測量

熱傳導(dǎo)主要存在于同一物體的內(nèi)部或不同物體在互相接觸時(shí)的物體之間，在有溫度差存在的情況下，熱傳導(dǎo)得以快速的實(shí)現(xiàn)，熱傳導(dǎo)在固體間、氣體間都能夠?qū)崿F(xiàn)快速的傳遞。熱輻射主要是指受電磁波的影響，物體之間會(huì)有能量傳播的情況發(fā)生。熱對流主要是指流體各個(gè)部分出現(xiàn)了宏觀位移的情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的快速轉(zhuǎn)移。在熱傳遞的過程中，假如熱傳遞的類型比較多，就會(huì)出現(xiàn)復(fù)合傳熱的情況，這也就是通常意義上的復(fù)合換熱[3-4]。

在真空環(huán)境中，輻射是其主要的熱傳遞形式，液體熱對流和氣體熱傳導(dǎo)不會(huì)出現(xiàn)在高真空環(huán)境中，其在開展熱傳遞時(shí)，輻射會(huì)起到?jīng)Q定性的作用。溫度的高效傳遞不會(huì)借助空氣來實(shí)現(xiàn)，只能是借助輻射來使溫度得以高效的傳遞。如果溫度測量工作出現(xiàn)在真空環(huán)境中，熱輻射傳遞的熱量與距離的平方之間有著直接的關(guān)系。

4仿真分析

4.1模型及邊界條件

在設(shè)計(jì)熱沉內(nèi)通溫度時(shí)，-196"℃的液氮起到了重要的作用，在設(shè)置加熱系統(tǒng)溫度時(shí)，最大加熱功率取值為5"000"W。

4.2模擬結(jié)果與分析

對模擬結(jié)果進(jìn)行綜合分析，最終得出的結(jié)論為空間測點(diǎn)溫度保持在120"℃左右，產(chǎn)品溫度則保持在225"℃左右，這就充分的表明高溫工況下的設(shè)計(jì)要求科學(xué)合理。

在模擬驗(yàn)證控溫?zé)岢猎O(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性時(shí)，使用模擬仿真技術(shù)與三維建模技術(shù)相結(jié)合的方式能夠取得最佳的效果。在模擬過程中，如果發(fā)熱量的具體值為200"W，在對熱沉空間測點(diǎn)的極限低溫值進(jìn)行獲取后，其取值會(huì)低于-183"℃，而在對極限高溫值進(jìn)行獲取時(shí)，其取值則會(huì)高于126"℃。經(jīng)過全面而細(xì)致的分析得出的結(jié)論為，熱沉空間測點(diǎn)溫度與溫控設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)值相一致，熱沉設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息具備超強(qiáng)的實(shí)用性[5]。

4.3調(diào)試過程與結(jié)果

對熱沉控溫效果進(jìn)行調(diào)試的過程中，在選取區(qū)間控溫點(diǎn)時(shí)，使用了常用控溫點(diǎn)，分別為120"℃、-180"℃和-70"℃，具體調(diào)試情況為：使用升溫的方式完成120"℃溫控；使用降溫的方式完成-180"℃溫控；使用升溫的方式完成-70"℃溫控；再次使用升溫的方式完成120"℃溫控。

對上述測試曲線信息進(jìn)行詳細(xì)的分析，當(dāng)控溫?zé)岢僚c控溫點(diǎn)比較接近時(shí)，溫度會(huì)出現(xiàn)相沖突的現(xiàn)象，其最高值在3"℃以內(nèi)，溫度逐漸發(fā)生變化，控制溫度值越來越相近，當(dāng)比較接近控制溫度值時(shí)，會(huì)有精度振蕩的現(xiàn)象隨之發(fā)生。對控溫曲線進(jìn)行透徹的分析，不難發(fā)現(xiàn)，控溫曲線整體狀態(tài)非常平穩(wěn)，溫度控制精度值波動(dòng)比較小[6]。

5結(jié)語

熱真空試驗(yàn)設(shè)備的顯著特點(diǎn)就是特殊性，其在傳遞溫度時(shí)，使用的主要方式為熱輻射方式。要想使溫度測量能夠取得最佳的效果，就要科學(xué)合理地選擇溫度傳感器，綜合分析熱真空試驗(yàn)設(shè)備的具體情況，確保最終選擇的傳感器滿足相關(guān)的要求。在對冷熱環(huán)境和高真空狀態(tài)進(jìn)行模擬時(shí)，熱真空試驗(yàn)設(shè)備發(fā)揮了重要作用，并在航天、醫(yī)療和化學(xué)等領(lǐng)域得到普遍的使用，并取得了令人非常滿意的效果。

參考文獻(xiàn)

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