低温真空测试系统的研制

陈永侃，叶海峰，周致睿，武义峰，章学华（安徽万瑞冷电科技有限公司，合肥230088）

■试验·研究

低温真空测试系统的研制

陈永侃，叶海峰，周致睿，武义峰，章学华
（安徽万瑞冷电科技有限公司，合肥230088）

为了满足在低温下固体和涂层材料物理性能参数的测量，研制出一套低温真空测试系统。该套设备采用固体传导形式使热沉快速降温，模拟了在高真空、冷黑环境下对试件主要性能的影响。主要对设备中热沉的降温速率、温度均匀性和控温精度等相关技术参数进行试验验证，结果达到了预期的指标要求。

低温真空；热沉；技术参数；试验验证

1　引言

空间环境包括:真空、电磁辐射、高能粒子辐射、等离子体、微流星体、行星大气、磁场和引力场等。对于航天材料而言，由于外层空间环境的严酷，必须针对航天材料进行试验验证。航天科技中需要做大量的环境试验，针对产品可能发生的缺陷进行探测［1］。

低温真空测试系统是专项试验，属于定制类项目，应用面比较窄，为了对产品提供在低温-180℃、极限真空度为1×10-5Pa的环境下进行试验，因此研制出该系统。根据试验所得结果检验产品最终的可靠性［2］。

2　主要技术参数

低温真空测试系统主要包括四个部分:真空容器、真空系统、制冷系统和测控系统。

2.1真空容器

（1）设计尺寸为Φ600mm×800mm

（2）空载极限真空度:优于1×10-5Pa；

（3）真空容器总漏率:优于1×10-9Pa·m3/s；

（4）热沉有效尺寸:Φ400mm×400mm

（5）热沉外表面镀镍光亮，内表面涂黑漆，内表面发射率＞0.90；

2.2真空系统

（1）主抽真空泵采用低温泵（极限真空度可达1×10-7Pa）；

（2）粗抽系统采用干泵:1.5L/s。

2.3制冷系统

（1）热沉从常温降至-180℃时，制冷机提供冷源；

（2）热沉降温速率:0.8℃/min。

2.4测控系统

（1）温度范围:77K～常温；

（2）热沉温度均匀性:±1.5℃；

（3）热沉控温精度:±0.5℃；

（4）加热方式:电加热。

3　设备分系统设计

系统通过干泵和低温泵来维持高真空。本试验装置采用固体传导将制冷机冷量直接传递给热沉降温，设备系统流程如图1所示。

图1　系统流程图Fig.1　System flowchart

3.1真空容器

真空容器经过整体检漏后，漏率优于1×10-9Pa·m3/s，内部封头上焊接两角钢用来支撑热沉，角钢上采用环氧树脂进行隔热［3］。

热沉是为样品提供冷、黑背景的光封闭容器，安装于真空容器内部，样品架安装在热沉内，与热沉绝热。热沉外面包扎相关镀铝薄膜进行防辐射，样品放置在样品架上，处于热沉内部均匀温场中［4］。如图3所示模拟了热沉温场的变化。

图2　设备示意图Fig.2　Schematic diagram of equipment

图3　热沉温场分布Fig.3　Temperature Distribution of Heat sink

3.2制冷系统

低温制冷系统主要由制冷机组成，制冷机主要功能为热沉提供冷量，维持并稳定热沉的温度。制冷机安装在真空容器尾部封头上，冷头穿过容器封头伸入真空容器内，与热沉底法兰铜螺栓联接［5］。

在罐体内部结构中，依次布置传感器，分别为冷头、铜编织带、热桥、热沉左、热沉中和热沉右（其中热沉上均匀布置3个传感器）。

采用两根不锈钢角钢支撑热沉，用M5铜螺栓使冷头和法兰固定，冷头法兰焊接6根铜编织带至热沉尾部，热桥通过冷头前端法兰和热沉相连，为保证温度均匀性，在热桥和热沉相连处分别搭接热桥分支至热沉两端。如图4所示

图4　内部结构示意图Fig.4　Internal structure diagram

由漏热公式:

代入数据有Q0=14.98W。

由经验值确定热传导产生的漏热为Q2=6W。

可知系统漏热负荷Q′=Q0+Q2≈20.98W。

经计算，系统总漏热小于20W，因此制冷机的冷量足够，并有剩余。因此在制冷机冷头上需加装热对抗装置对制冷机的冷量输出进行控制，从而达到热沉控温的目的［6］。

算得系统降温负荷Q1=243.2W

综上所述，可知制冷系统最大热负荷:

Qmax=222.2+20.98=243.2W

该制冷机在整个降温过程中平均制冷功率约为302W，制冷量满足降冷量要求，同时可减小能耗。

3.3真空系统

由泵的有效抽速为

真空室所能达到的极限真空，由下式决定:

考虑设计裕度及流导，因此真空系统采用低温泵作为主抽泵，计算出低温泵的抽速约为1500L/ s，配合前级泵抽速为1.5L/s的干泵。

3.4测控系统

制冷机冷头附近安装一只传感器和一只加热块，PLC程序调节加热热对抗输出功率大小，对制冷机冷头进行控温。为实现系统的智能控制，系统配置控制箱一台，控制系统由西门子S7-200系列PLC、smart700 IE触摸屏组成，执行和采集元件包括:温度传感器、真空计、电磁阀、中间继电器、接触器、热继电器、固态继电器等。PLC对温度、真空度、各设备状态和执行元件状态进行采集，对工作情况进行判断实现各功能自动控制，将各数据传输到上位机（触摸屏）上，并能通过上位机修改各参数进行各种操作，实现实时工况数据的显示、曲线生成、报表打印及设备控制、设备保护、故障报警。如图5所示。

图5　控制系统逻辑图Fig.5　Control system logic diagram

4　试验测试及分析

4.1试验过程

从开机至热沉温度降至-190℃，乃至后期控温阶段，整个试验一气呵成。针对试验过程中的极限真空度、降温速率、温度均匀性和控温精度等技术指标进行计量，试验结果如表1所示。

表1　热沉降温试验数据Tab.1　Cooling test data of Heat sink

4.2数据分析

4.2.1真空度:

开启主泵后，在热沉温度降至-180℃时候，真空度已达到8.75×10-6Pa，满足真空度优于1× 10-5Pa的技术要求，如图6所示。

4.2.2降温过程:

开启制冷机后，从常温降至-180℃，所需时间为6小时29分（17∶05至23∶34），温度均匀性:

-180.2-（-182）=1.8

满足3℃以内，如图7所示。

图6　真空度曲线Fig.6　Vacuum curve

图7　降温曲线Fig.7　Cooling curve

4.2.3控温情况:

设备从17∶05运行至次日9∶36，热沉上每个点温度波动均在1℃内，满足控温精度指标± 0.5℃要求，如图8所示。

5　结论

该套设备现已成功运用于客户试验现场，主要技术参数均满足达标。采用固体传导方式对热沉进行直接降温，和传统氦气循环方式对比具有机械结构的可靠性，对于设备长时间运行增加了保障性，同时大大减少了成本，为类似的试验提供了良好的基础。

图8　控温曲线Fig.8　Temperature control curve

［1］杨冬甫.热真空试验技术与发展概述［J］.科学仪器与装置，2008，（9）:75-79，84

［2］岳丽清，张继友.复合材料在热真空下的尺寸稳定性测试方法［J］.红外与激光工程，2014，（11）:1-2

［3］刘强.对热真空环境试验设备设计中有关问题的讨论［J］.真空与低温，2006，（12）:1-2

［4］屈金详，陆燕.低温真空腔体结构设计及传热分析［J］.低温工程，2006，（1）:1-2

［5］达道安.真空设计手册［M］.第三版.北京:国防工业出版社，2004:676-764

［6］MIL-STD-1540B（USAT），Test Requirements For Space Vehicles October 1982

Development of Cryogenic Vacuum Test System

CHEN Yongkan，YE Haifeng，ZHOU Zhirui，WU Yifeng，ZHANG Xuehua
（Anhui Vacree Technologies Co.Ltd.，Hefei 230088 China）

In order to satisfy themeasurement of the physical properties of the solid and coatingmaterials at low temperature，a set of low temperature vacuum test system was developed.The device adopts the solid conduction mode tomake the heat sink to cool quickly，and the effect of themain performance of the test piece is simulated under the condition ofhigh vacuum and cold black.The temperature and temperature uniformity of the heat sink and the precision of temperature control and other related parameterswere tested and verified，and the results achieved the expected requirements.

Cryogenic vacuum；Heat sink；Technical parameters；Experimental verification

TU831 文献标示码:A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.001

ISSN1005-9180（2016）02-001-05

2016-2-15

陈永侃（1986-），男，硕士，工程师，从事低温和真空技术研究。Email:kahn1822679@163.com