熱真空試驗設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

熱真空試驗箱是人們在地面上模擬出真空、冷黑等太空環境以進行試驗、設備檢驗等的環境模擬試驗設備。近年來，熱真空試驗設備在航天航空業產品的研制和定型、農業科研、生物化學和化工制藥中發揮了重要作用。由于熱真空設備中環境的特殊性，熱傳遞方式無法再以熱傳導和熱對流的方法進行，只能以熱輻射方法傳遞熱量。同樣由于熱真空設備的特殊性，設備內的熱度平衡非常緩慢，因而需要對熱真空試驗箱進行全方位的溫度檢測，這對熱真空試驗箱內的溫度參數和溫度傳感器要有較高要求。

1 熱真空設備簡介

（1）真空試驗箱又稱真空干燥箱，常用于航天、醫療衛生、生物化學和物理研究等領域。實驗室中所用真空試驗箱主要是對物料進行加熱、烘干、恒重等，有長方形、圓柱形。為方便窺視設備中物料盛放的狀況，通常會有一面為耐熱透明玻璃。真空試驗箱自身帶有加熱裝置，內部有多層網板用于存放物料，側面或上部有真空接口連接于真空系統。現在以HS-2P-ZQ型熱真空模擬設備為例，介紹主要工作原理。

（2）HS-2P-ZQ型熱真空模擬設備是由主泵渦輪分子泵、機械泵、主抽閥、預抽閥等組成真空機組，對真空室進行抽氣后從而得到一個比較潔凈的高真空試驗環境。采用液氮或電熱絲將箱體制冷或熱沉加熱，通過熱輻射的方式在箱體熱沉內形成一個比較均勻的溫度場，得到一個既有（-100～125）℃寬范圍溫度，又有真空太空模擬環境。做完試驗后要打開放氣閥充入氮氣取出試件。熱真空試驗箱工作原理，見圖1。

2 產品熱真空試驗中溫度參數的重要性

在熱真空試驗的模擬試驗中，試件一般都處于工作狀態來測量其環境參數和工作參數。其中熱沉溫度是熱真空設備的主要指標之一，對試驗樣品的溫度變化速率和熱沉的升降溫變化速率均有嚴格要求。熱真空設備需要在高真空條件下進行從室溫降至試驗最低溫度的冷浸上升至試驗最高溫度的熱浸，再到室溫的高低溫循環。因而需要對產品的關鍵部位甚至是全方面的溫度檢測，使其處于合理溫度范圍內，同時對試驗出來的產品結果再進行改進，通過重復試驗以保證試驗產品符合要求。倘若因溫度測量的誤差而導致產品的欠溫或過溫，輕則會導致產品無法正常工作，嚴重時會完全損壞而無法使用。所以，熱真空試驗中設備的溫度值測量的準確性，非常重要。

圖1 熱真空試驗箱工作原理

3 常壓狀態下的熱傳遞方式

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

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

（3）熱對流是流體各部分宏觀位移引起的能量轉移現象。既有因流體內部存在溫度差而存在密度差，在體積力作用下產生的自然對流，也有借助機器外力推動的強制熱對流。

實際上在熱傳遞過程中，可能會以其中1種形式出現，也可能2種甚至3種一起出現進行復合傳熱，這個換熱過程即為復合換熱。

4 真空狀態下的熱傳遞方式及溫度測量

（1）輻射，是真空狀態下的唯一的一種熱傳遞方式。在高真空狀態下既沒有液體進行熱對流，也沒有氣體進行熱傳導，因而只能用輻射的方式來進行熱傳遞。這也說明了溫度的傳遞已不可能靠空氣進行傳導，只能靠輻射的方式，就如同太陽和地球之間有1.5億 km的真空存在，但太陽的熱仍在通過輻射的熱傳遞形式無時不刻的傳遞到地球表面上。

（2）真空狀態下的溫度測量。由于在真空狀態下熱輻射傳遞的熱量和距離的平方成反比，真空試驗箱在結構上一般難以使工作室三維空間內各點的輻射熱均勻一致，因而真空試驗箱一般采用先加熱真空壁面、在由壁面向工件進行輻射加熱的方式，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 真空狀態下不同溫度測量方法試驗

在熱真空試驗箱內，為了在熱真空實驗過程中減少誤差和損失，不僅要對熱真空試驗箱全方位測溫，還要謹慎選擇溫度傳感器，本次以多個溫度傳感器作試驗比較。

（1）準備1～9個設備自帶鉑電阻，1～9個標準熱偶電阻，1～9個圓柱狀標準鉑電阻和1～9個貼片狀標準鉑電阻，將以上傳感器放入干燥箱中，標準干燥箱設置好多個溫度點，待溫度穩定后通過測溫系統得到傳感器測溫示數并進行對比。經對比后各個溫度傳感器在常壓下的所測溫度相差無幾。

（2）準備1～9個設備自帶鉑電阻和1～9個圓柱狀標準鉑電阻，分別置于熱真空試驗箱9個不同的部位，在熱真空試驗箱內處于高真空狀態后設定溫度并使之穩定 4 h，然后測量溫度點溫度并進行對比。經對比后發現圓柱狀標準鉑電阻所測溫度較設定值偏差＞2℃，設備自帶鉑電阻較設定值偏差＜2℃。

（3）準備1～9個設備自帶鉑電阻和1～9個貼片狀標準鉑電阻，分別置于熱真空試驗箱9個不同的部位，在熱真空試驗箱內處于高真空狀態后設定溫度并使之穩定4 h，然后測量溫度點溫度并進行對比。經對比后發現貼片狀標準鉑電阻和設備自帶鉑電阻所測溫度較設定值偏差＜2℃，且貼片狀標準鉑電阻偏差較大。

（4）準備1～9個設備自帶鉑電阻和1～9個標準熱偶電阻，分別置于熱真空試驗箱9個不同的部位，在熱真空試驗箱內處于高真空狀態后設定溫度并使之穩定4 h，然后測量溫度點溫度并進行對比。經對比后發現標準熱偶電阻所測溫度較設定值偏差＞2℃，設備自帶鉑電阻較設定值偏差＜2℃。

6 試驗結果分析

（1）由本次試驗結果發現，熱真空環境中不同類型傳感器所測出的溫度示數差異較大，但原因不在于傳感器本身測量準確性問題，如熱偶傳感器在許多熱真空試驗箱內都有使用，但相較于本設備自帶鉑電阻而言無法達到更好的效果。另一方面傳感器與其所測部位的接觸面積對其所測溫度也有影響，接觸面較小的傳感器會因熱平衡太長而導致偏差過大。

（2）本次實驗中熱傳導和熱輻射相結合的方式進行熱傳遞，在實際真空狀態下通過熱輻射的熱傳遞方式達到熱平衡太過緩慢，若要提高熱平衡速率，最好提高熱傳導能力。盡管多種型號的熱真空試驗箱的造型、結構以及控制方式都各有不同，但加熱原理都一樣。因而在熱真空試驗箱設備的初次使用時，應先做一個應用試驗，記錄下所需加熱物體的表面狀態、物體的放置位置和數量、傳感器讀書等數值，從最終效果中篩選出最佳物品數量。

7 總結

由于熱真空試驗箱自身特殊性，主要通過熱輻射方式傳遞溫度，對于多種溫度傳感器的選擇應更適合熱真空試驗箱設備自身情況，才能更準確的測量溫度。熱真空試驗箱的主要作用就是在于提供高真空、冷熱環境，在航天產品的研制、生物制藥、物理、化學、醫療衛生及環境保護中，都發揮著不小的作用。因此熱真空試驗箱設備的溫度檢測，尤其是控溫方式和控溫效果等，都極為重要。