热真空试验设备中的控温方式略谈

夏春鸿

（中山凯旋真空科技股份有限公司，广东中山 528478）

0 引言

热真空试验箱是人们在地面上模拟出真空、冷黑等太空环境以进行试验、设备检验等的环境模拟试验设备。近年来，热真空试验设备在航天航空业产品的研制和定型、农业科研、生物化学和化工制药中发挥了重要作用。由于热真空设备中环境的特殊性，热传递方式无法再以热传导和热对流的方法进行，只能以热辐射方法传递热量。同样由于热真空设备的特殊性，设备内的热度平衡非常缓慢，因而需要对热真空试验箱进行全方位的温度检测，这对热真空试验箱内的温度参数和温度传感器要有较高要求。

1 热真空设备简介

（1）真空试验箱又称真空干燥箱，常用于航天、医疗卫生、生物化学和物理研究等领域。实验室中所用真空试验箱主要是对物料进行加热、烘干、恒重等，有长方形、圆柱形。为方便窥视设备中物料盛放的状况，通常会有一面为耐热透明玻璃。真空试验箱自身带有加热装置，内部有多层网板用于存放物料，侧面或上部有真空接口连接于真空系统。现在以HS-2P-ZQ型热真空模拟设备为例，介绍主要工作原理。

（2）HS-2P-ZQ型热真空模拟设备是由主泵涡轮分子泵、机械泵、主抽阀、预抽阀等组成真空机组，对真空室进行抽气后从而得到一个比较洁净的高真空试验环境。采用液氮或电热丝将箱体制冷或热沉加热，通过热辐射的方式在箱体热沉内形成一个比较均匀的温度场，得到一个既有（-100～125）℃宽范围温度，又有真空太空模拟环境。做完试验后要打开放气阀充入氮气取出试件。热真空试验箱工作原理，见图1。

2 产品热真空试验中温度参数的重要性

在热真空试验的模拟试验中，试件一般都处于工作状态来测量其环境参数和工作参数。其中热沉温度是热真空设备的主要指标之一，对试验样品的温度变化速率和热沉的升降温变化速率均有严格要求。热真空设备需要在高真空条件下进行从室温降至试验最低温度的冷浸上升至试验最高温度的热浸，再到室温的高低温循环。因而需要对产品的关键部位甚至是全方面的温度检测，使其处于合理温度范围内，同时对试验出来的产品结果再进行改进，通过重复试验以保证试验产品符合要求。倘若因温度测量的误差而导致产品的欠温或过温，轻则会导致产品无法正常工作，严重时会完全损坏而无法使用。所以，热真空试验中设备的温度值测量的准确性，非常重要。

图1 热真空试验箱工作原理

3 常压状态下的热传递方式

（1）热传导是在同一物体内部或相互接触的物体之间，在温度不同但没有相对的宏观位移时的传热方式。通常发生于固体与固体、固体与液体，以及气体与气体之间的热传递。

（2）热辐射是物体通过电磁波传播能量的过程，主要遵循斯蒂芬——波尔兹曼定律。

（3）热对流是流体各部分宏观位移引起的能量转移现象。既有因流体内部存在温度差而存在密度差，在体积力作用下产生的自然对流，也有借助机器外力推动的强制热对流。

实际上在热传递过程中，可能会以其中1种形式出现，也可能2种甚至3种一起出现进行复合传热，这个换热过程即为复合换热。

4 真空状态下的热传递方式及温度测量

（1）辐射，是真空状态下的唯一的一种热传递方式。在高真空状态下既没有液体进行热对流，也没有气体进行热传导，因而只能用辐射的方式来进行热传递。这也说明了温度的传递已不可能靠空气进行传导，只能靠辐射的方式，就如同太阳和地球之间有1.5亿 km的真空存在，但太阳的热仍在通过辐射的热传递形式无时不刻的传递到地球表面上。

（2）真空状态下的温度测量。由于在真空状态下热辐射传递的热量和距离的平方成反比，真空试验箱在结构上一般难以使工作室三维空间内各点的辐射热均匀一致，因而真空试验箱一般采用先加热真空壁面、在由壁面向工件进行辐射加热的方式，在这种方式下，控温仪表的温度传感器可以布置在真空室外壁。

5 真空状态下不同温度测量方法试验

在热真空试验箱内，为了在热真空实验过程中减少误差和损失，不仅要对热真空试验箱全方位测温，还要谨慎选择温度传感器，本次以多个温度传感器作试验比较。

（1）准备1～9个设备自带铂电阻，1～9个标准热偶电阻，1～9个圆柱状标准铂电阻和1～9个贴片状标准铂电阻，将以上传感器放入干燥箱中，标准干燥箱设置好多个温度点，待温度稳定后通过测温系统得到传感器测温示数并进行对比。经对比后各个温度传感器在常压下的所测温度相差无几。

（2）准备1～9个设备自带铂电阻和1～9个圆柱状标准铂电阻，分别置于热真空试验箱9个不同的部位，在热真空试验箱内处于高真空状态后设定温度并使之稳定 4 h，然后测量温度点温度并进行对比。经对比后发现圆柱状标准铂电阻所测温度较设定值偏差＞2℃，设备自带铂电阻较设定值偏差＜2℃。

（3）准备1～9个设备自带铂电阻和1～9个贴片状标准铂电阻，分别置于热真空试验箱9个不同的部位，在热真空试验箱内处于高真空状态后设定温度并使之稳定4 h，然后测量温度点温度并进行对比。经对比后发现贴片状标准铂电阻和设备自带铂电阻所测温度较设定值偏差＜2℃，且贴片状标准铂电阻偏差较大。

（4）准备1～9个设备自带铂电阻和1～9个标准热偶电阻，分别置于热真空试验箱9个不同的部位，在热真空试验箱内处于高真空状态后设定温度并使之稳定4 h，然后测量温度点温度并进行对比。经对比后发现标准热偶电阻所测温度较设定值偏差＞2℃，设备自带铂电阻较设定值偏差＜2℃。

6 试验结果分析

（1）由本次试验结果发现，热真空环境中不同类型传感器所测出的温度示数差异较大，但原因不在于传感器本身测量准确性问题，如热偶传感器在许多热真空试验箱内都有使用，但相较于本设备自带铂电阻而言无法达到更好的效果。另一方面传感器与其所测部位的接触面积对其所测温度也有影响，接触面较小的传感器会因热平衡太长而导致偏差过大。

（2）本次实验中热传导和热辐射相结合的方式进行热传递，在实际真空状态下通过热辐射的热传递方式达到热平衡太过缓慢，若要提高热平衡速率，最好提高热传导能力。尽管多种型号的热真空试验箱的造型、结构以及控制方式都各有不同，但加热原理都一样。因而在热真空试验箱设备的初次使用时，应先做一个应用试验，记录下所需加热物体的表面状态、物体的放置位置和数量、传感器读书等数值，从最终效果中筛选出最佳物品数量。

7 总结

由于热真空试验箱自身特殊性，主要通过热辐射方式传递温度，对于多种温度传感器的选择应更适合热真空试验箱设备自身情况，才能更准确的测量温度。热真空试验箱的主要作用就是在于提供高真空、冷热环境，在航天产品的研制、生物制药、物理、化学、医疗卫生及环境保护中，都发挥着不小的作用。因此热真空试验箱设备的温度检测，尤其是控温方式和控温效果等，都极为重要。