横滨水手vs川崎前锋历史:低溫真空測試系統的研制

來源:真空技術網(大宫松鼠vs川崎前锋 www.lpfxlz.com.cn)中國電子科技集團公司第十六研究所 作者:陳永侃

大宫松鼠vs川崎前锋 www.lpfxlz.com.cn   為了滿足在低溫下固體和涂層材料物理性能參數的測量,研制出一套低溫真空測試系統。該套設備采用固體傳導形式使熱沉快速降溫,模擬了在高真空、冷黑環境下對試件主要性能的影響。主要對設備中熱沉的降溫速率、溫度均勻性和控溫精度等相關技術參數進行試驗驗證,結果達到了預期的指標要求。

  空間環境包括:真空、電磁輻射、高能粒子輻射、等離子體、微流星體、行星大氣、磁場和引力場等。對于航天材料而言,由于外層空間環境的嚴酷,必須針對航天材料進行試驗驗證。航天科技中需要做大量的環境試驗,針對產品可能發生的缺陷進行探測。

  目前,國外TENNEY 和BEMCO 的熱真空設備可以采用無需潤滑的磁懸浮技術和專用控速電機的分子泵。國內除空間技術研究院自行研發使用熱真空試驗箱較多,專業的熱真空試驗設備的廠家和產品數量都是屈指可數的,沒有一個廠家像美國TENNEY 和BEMCO 一樣將該類設備系列化。為滿足國家航天事業蓬勃發展的需要,立足自身發展的熱真空試驗箱成為環境試驗設備的新課題。

  低溫真空測試系統是專項試驗,也是典型的熱真空試驗設備的縮影,屬于定制類項目,應用面比較窄。為了對產品提供在低溫-180℃、極限真空度為1×10-5 Pa 的環境下進行試驗,因此研制出該系統。根據試驗所得結果檢驗產品最終的可靠性。

1、主要技術參數

  低溫真空測試系統主要包括四個部分:真空容器、真空系統、制冷系統和測控系統。

  1.1、真空容器

  a、設計尺寸為Φ600mm×800mm

  b、空載極限真空度:優于1×10-5 Pa;

  c、真空容器總漏率:優于1×10-9 Pa·m3/s;

  d、熱沉有效尺寸:Φ400mm×400mm

  e、熱沉外表面鍍鎳光亮,內表面涂黑漆,內表面發射率﹥0.90;

  1.2、真空系統

  a、主抽真空泵采用日本住友低溫泵(型號:CP-8,極限真空1×10-7 Pa);

  b、粗抽系統采用日本巖田干泵(型號:ISP-250C,抽速1.5L/s);

  1.3、制冷系統

  a、熱沉從常溫降至-180℃時,制冷機提供冷源(制冷機采用日本住友型號:CH-110);

  b、熱沉降溫速率:0.8℃/min;

  1.4、測控系統

  a、溫度范圍:77K~常溫;

  b、熱沉溫度均勻性:±1.5℃;

  c、熱沉控溫精度:±0.5℃;

  d、加熱方式:電加熱。

2、設備分系統設計

  系統通過干泵和低溫泵來維持高真空。本試驗裝置采用固體傳導將制冷機冷量直接傳遞給熱沉降溫,設備系統流程如圖1 所示。

低溫真空測試系統的研制

圖1 系統流程圖

  2.1、真空容器

  真空容器經過整體檢漏后,漏率優于1×10-9 Pa·m3/s,內部封頭上焊接兩角鋼用來支撐熱沉,角鋼上采用環氧樹脂進行隔熱。

低溫真空測試系統的研制

圖2 設備示意圖

  熱沉是為樣品提供冷、黑背景的光封閉容器,安裝于真空容器內部,樣品架安裝在熱沉內,與熱沉絕熱。熱沉外面包扎相關鍍鋁薄膜進行防輻射,樣品放置在樣品架上,處于熱沉內部均勻溫場中。如圖3 所示模擬了熱沉溫場的變化。

低溫真空測試系統的研制

圖3 熱沉溫場分布

  2.2、制冷系統

  熱沉常規制冷方式有氦氣循環制冷、液氮制冷、復疊機組制冷和固體熱傳導制冷。

  氦氣循環制冷需要氦氣壓縮機把冷源(制冷劑)氦氣源源不斷的通過盤管輸入熱沉中,最終形成閉環,這種原理中,需要板式換熱器,浪費了試驗空間,同時降溫時間過長,而且不能保證熱沉的溫度均勻性。

  液氮制冷和復疊機組制冷屬于冷量要求較大的條件下使用,亦可作要求。

  為了方便有效的使熱沉滿足所需求的技術參數,該套低溫真空測試系統用固體熱傳導模式原理。

  低溫制冷系統主要由制冷機組成,制冷機主要功能為熱沉提供冷量,維持并穩定熱沉的溫度。制冷機安裝在真空容器尾部封頭上,冷頭穿過容器封頭伸入真空容器內,與熱沉底法蘭銅螺栓聯接。

  在罐體內部結構中,依次布置傳感器,分別為冷頭、銅編織帶、熱橋、熱沉左、熱沉中和熱沉右(其中熱沉上均勻布置3 個傳感器)。采用兩根不銹鋼角鋼支撐熱沉,用M5 銅螺栓使冷頭和法蘭固定,冷頭法蘭焊接6 根銅編織帶至熱沉尾部,熱橋通過冷頭前端法蘭和熱沉相連,為保證溫度均勻性,在熱橋和熱沉相連處分別搭接熱橋分支至熱沉兩端,如圖4 所示。

低溫真空測試系統的研制

圖4 內部結構示意圖

3、結論

  該套設備現已成功運用于客戶試驗現場,主要技術參數均滿足達標。采用固體傳導方式對熱沉進行直接降溫,和傳統氦氣循環方式對比具有機械結構的可靠性,對于設備長時間運行增加了保障性,同時大大減少了成本,為類似的試驗提供了良好的基礎。

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