熱沉技術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)境參數的試驗設備。在航空、航天、軍工領域運用廣泛。但是目前生產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指標偏差很大，很難得到較為準確、理想的試驗結果。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指標參數差的的有效辦法。

1 對現在國內生產加工的低氣壓設備分析

在實際生產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。我們現在以內承壓方式為例來說明，如圖1所示。一般情況下，內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，已經無法用空氣的對流來實現溫度的均勻性了。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，并經過多試驗和檢測，得到了理想的試驗指標參數，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指標參數差的難點。

3 生產案例

以某公司生產的熱真空壽命試驗系統(tǒng)為例：

圖1

技術指標要求：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。

圖2

圖3

式中：

Prad為輻射功率；σ為玻爾茲曼常數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（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，采取這樣的結構可增加輻射面積，進而提高輻射功率。與此同時，在輻射空間內部刷航空黑漆以提高熱沉表面黑度。

圖5為環(huán)形熱沉結構示意圖。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。管內的介質，在工作時循環(huán)流動，并由換熱裝置補充（消耗）介質損失（吸收）的熱能。當介質流速足夠快時，可最大限度的減小介質延管程的溫度梯度從而保證溫度均勻度。

圖4

圖5

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

4 結束語

在現代社會的科學技術研發(fā)、工業(yè)生產制造中，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據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)境參數的控制測量精度，直接影響著試驗結果的有效性?；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[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2006.