热沉技术在高低温低气压试验箱中的应用

罗鹏程，齐龙

（重庆四达试验设备有限公司 重庆 401122）

引言

高低温低气压试验箱是一种模拟高海拔地区的压力、温度、湿度等环境参数的试验设备。在航空、航天、军工领域运用广泛。但是目前生产制造的高低温低气压环境设备，都普遍存在温度均匀性和其它各项技术指标偏差很大，很难得到较为准确、理想的试验结果。如何有效解决这难点?我们通过大量的试验和探索，摸索出解决在高低温低气压试验设备在试验中温度均匀性和技术指标参数差的的有效办法。

1 对现在国内生产加工的低气压设备分析

在实际生产加工高低温低气压试验设备的工作中，由于承压体要承受足够的压力，不论是以内承压或外承压方式加工的承压体，都存在着承压体负荷(载)大、温度传导慢的特点。我们现在以内承压方式为例来说明，如图1所示。一般情况下，内承压的承压体都是采用δ4～5mm的钢板加工。而承压加强筋却根据试验要求的大小来选用型钢焊接。这样就增加了承压体组件的重量。也增大了制冷压缩机的负荷。同时由于在真空或低气压状况，已经无法用空气的对流来实现温度的均匀性了。只能通过加热的传导来传递热量。这样就造成了虽然能承受足够的压力，却有温度传导慢，均匀性差，设备的功耗大的缺陷。

2 高低温低气压试验设备改进的办法

我们根据在真空(或低气压)工作区属于等压区的特点，将真空的热层技术运用到高低温低气压试验设备的设计中。我们在等压区内增加固定一个用薄金属板材加工的多面辐射体(参见图2)。辐射体采用δ0.6～0.8的不锈钢加工。在辐射体四周均布制冷盘管和加热板。制冷盘管和加热板必须紧密贴合、固定在辐射体表面。在辐射体的每个面，设置一组独立的制冷盘管，制冷盘管采用薄壁黄铜管加工，并用薄铜板加工成卡箍，加以固定，最后与制冷系统联接，加热板则通过接线柱或航空插队座与控制系统联接，这样达到增大辐射体的制冷或加热的传导面积的作用。同时将辐射体的内表面用航空黑漆喷涂成黑色，增大了辐射区域，充分运用了已辐射体为载体，达到辅助制冷和加热(或预冷和预热)的目的（参见图3）。通过用这种方式，我们制作加工了多台高低温低气压和高低温湿热试验设备，并经过多试验和检测，得到了理想的试验指标参数，完全满足(或优于)相应的国家标准，彻底克服的在真空或低气压设备技术指标参数差的难点。

3 生产案例

以某公司生产的热真空寿命试验系统为例：

图1

技术指标要求：极限真空度为1.0×10-4Pa，温度范围为-70℃～120℃；同时要求温度均匀度为：±2℃。

在1.0×10-4Pa的真空环境中，空气已十分的稀薄，甚至以常规的真空泵都无法达到该真空度，需要采用分子泵才能达到。在此环境下，热量的传递主要以热辐射的形式传递。

由公式： Prad=σ εAT4可知，辐射功率跟物体本身的温度、辐射面积、以及吸收率有关。

图2

图3

式中：

Prad为辐射功率；σ为玻尔兹曼常数σ=5.6704×10-8；ε为物体吸收率；T为物体温度。

在实际工程运用中，温度、辐射面积、吸收率（黑度）均可采取一定的方式进行控制或增强。在系统中，便有充分的体现（如图4所示）。

由环形热沉、后热沉、大门热沉组成一个圆柱形的辐射换热空间。由于在相同的体积下，圆柱形具有较六面体更大的表面积，采取这样的结构可增加辐射面积，进而提高辐射功率。与此同时，在辐射空间内部刷航空黑漆以提高热沉表面黑度。

图5为环形热沉结构示意图。以环形热沉为例，热沉控温管路分别由机械制冷管路、油加热管路、液氮制冷管路组成。分别满足系统：降温、升温以及急速降温不同工况的要求。管内的介质，在工作时循环流动，并由换热装置补充（消耗）介质损失（吸收）的热能。当介质流速足够快时，可最大限度的减小介质延管程的温度梯度从而保证温度均匀度。

图4

图5

在该产品的实际使用中，取得了良好的成果。各技术指标均优于要求，并具有良好的稳定性与可靠性。

4 结束语

在现代社会的科学技术研发、工业生产制造中，环境模拟试验扮演着重要的角色。随着科技的发展，社会的进步，环境试验设备越来越受到人们的重视。

通过对目标产品工作环境的模拟可以有效的验证其运行的可靠性，为设计的改进提供有效的数据支持并有效的缩短研发周期，节约设计成本。而在环境模拟试验中，各环境参数的控制测量精度，直接影响着试验结果的有效性。基于此方面的考虑，便有了文中对于热沉在低气压温度试验中应用问题的探讨。

[1] 达道安. 真空设计手册(第3版)[M].北京：国防工业出版社,2004.

[2] 陈国帮,黄永华,包锐,低温流体热物理性质[M].北京：国防工业出版社, 2006.