本发明涉及低温工程技术领域，具体地说，是涉及一种低温环境实验舱以及试验方法。
背景技术：
随着航空航天等技术快速发展，由于航天设备及其组件长期暴露在极端恶劣的宇宙空间环境中，为了保证航天设备在空间环境中能够安全且可靠的运行，在离开地球之前，模拟和检测航天设备在极端温度环境中是否安全可靠是十分必要的。因此，近年来环境试验技术受到了高度重视，贯穿于军工产品设计研发和生产的全过程，其测试条件变得越来越复杂。
传统低温试验设备通常包括一个高度绝热的壳体以及设置于可以内部的热交换器、加热装置和测温装置。将被测实验件放置于壳体内部，通过控制超低温制冷剂流过热交换器降低低温试验设备内的环境温度，控制加热装置的加热功率提升低温试验设备内的环境温度，并根据测温装置测得的温度调整制冷剂的流速和加热装置的加热功率，由此，使低温试验设备内的环境温度达到并很定于实验温度。
然而，传统的低温试验设备通常只能提供狭小的试验空间，满足小型试验件的试验需求，难以满足大型试验件在特定低温环境下进行试验的需求，如公告号为“cn204988323u”，公开了名称为“一种可调超低温环境实验装置”的中国专利，其主要包括同轴设置的低压室和杜瓦瓶，通过在低压室和杜瓦瓶中间加注制冷剂降低低压室内温度，还通过设置在低压室内腔的多个加热装置提升低压室内温度，为了保证试验温度的快速响应，该装置只能提供小型试验空间供电路板卡、抽头插座等小型仪器的试验需要，若增大其内部试验空间，该装置将很难保证实验温度的快速响应以满足大型试验件的试验需求，这是由于传统低温试验设备往往通过空间内不同部位的温度差产生气体对流，从而在一定时间内是低温试验设备内温度趋于均匀，而随着试验空间的增大，若仅靠温度差产生的对流，设备内环境温度趋于均匀所需的时间将会变长，使得实验设备内环境温度的快速响应变得难以实现。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供了一种低温环境试验舱及其试验方法，能够在低温试验设备内试验空间增大的同时保证设备内环境温度的快速响应。
为了实现上述目的，本发明提出一种低温环境试验舱，其包括：壳体；设置于可以内部的试验件安装平台，用以承载试验件；设置于壳体内部的热交换器，其位于试验件安装平台下方，通过超低温制冷剂制冷从而降低低温环境试验舱内环境温度；设置于壳体内部底部的加热装置，用于提升低温环境试验舱内环境温度；以及测温装置，用于探测低温环境试验舱内实时环境温度。其特征在于，低温环境试验舱还包括：套设于壳体内部的内风道筒；以及设置于壳体顶部的风机，其位于内风道筒上方。内风道筒和壳体之间的空间与内风道筒的内腔形成循环风道，并通过风机的吹风加快低温环境实验舱内的气流流动。
为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种低温环境试验舱，其特点在于，壳体包括直筒段、设置于直筒段上端的上封头和设置于直筒段下端的下封头，上封头、下封头与直筒段采用法兰连接，内风道筒固定在上封头或/和所述下封头处。
为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种低温环境试验舱，其特点在于，风机包括支架、电机、主轴和叶片，设置有支架的电机通过主轴与叶片相连，叶片设置于壳体内部。
为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种低温环境试验舱，其特点在于，壳体包括直筒段、设置于直筒段上端的上封头和设置于直筒段下端的下封头，上封头、下封头与直筒段采用法兰连接，支架固定于上封头顶部，主轴和上封头采用动密封连接。
为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种低温环境试验舱，其特点在于，低温环境试验舱还包括至少一个设置于壳体顶部的观察窗，观察窗采用双层不锈钢烧结视镜，且双层视镜之间采用真空形式。
为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种低温环境试验舱，其特点在于，低温环境试验舱还包括至少一个设置于壳体外壁的接线端子，接线端子与壳体采用法兰连接。
为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种低温环境试验舱，其特点在于，壳体内壁附着有内绝热保温层。
为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种低温环境试验舱，其特点在于，热交换器采用环形翅片式换热器，且采用超低温液氮制冷。
为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种低温环境试验舱，其特点在于，加热装置为采用法兰式连接的变频加热装置。
为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种低温环境试验舱，其特点在于，试验件安装平台固定在下封头处，且采用栅格形式。
为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种低温环境试验舱，其特点在于，测温装置包括测温杆，测温杆一端延伸至试验件安装平台上方，测温杆设置有至少一个传感器。
为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种低温环境试验舱，其特点在于，壳体上还设置有抽真空口、增压口、泄压口和/或人孔。
为了实现上述目的，本发明还提出一种低温环境试验的方法，可利用上述任意一种低温环境试验舱进行低温环境试验，包括以下步骤：
(1)将所述风机、测温装置、热交换器和加热装置通电并连接至控制装置；
(2)通过所述测温装置探测所述低温环境实验舱内的环境温度，将温度数据发送至所述控制模块；
(3)所述控制模块根据接收的所述温度数据，控制所述风机转速；
(4)所述控制模块根据所述环境温度、设定的目标温度以及升降温速率进行计算，得到温控参数；
(5)所述控制模块根据所述温控参数，控制所述热交换器和加热装置，对所述环境温度进行控制；
(6)重复步骤(2)至(5)，使所述环境温度恒定于所述目标温度。
综上所述，本发明的有益效果为：通过在壳体内部设置所述内风道筒，使得低温试验舱内部空间被分割为内风道筒与壳体内壁之间的空间与内风道筒的内腔空间，这两个空间在低温试验舱内形成了循环风道，在设置在可以顶部的风机的吹风下，使的舱内气体在循环风道件流动，形成气流循环，相较于以往只依靠温度差产生气流的方式，本发明采用主动气体循环装置，使得在舱内空间增大的情况下，也能保证舱内温度以较快的速度趋于均匀，从而保证在大型试验空间内的温度快速响应。
附图说明
图1为本发明一实施方式的低温环境试验舱的立体图；
图2为本发明一实施方式的低温环境试验舱的结构示意图；
图3为本发明一实施方式的低温环境试验舱的风机结构示意图；
图4为本发明一实施方式的低温环境试验舱的试验件安装平台的结构示意图；
图5为本发明一实施方式的低温环境试验舱的观察窗的结构示意图；
图6为本发明一实施方式的低温环境试验方法的流程图；
其中，附图标记
1：低温环境试验舱
11：壳体
12：内风道筒
13：风机
14：试验件安装平台
15：热交换器
16：加热装置
17：测温装置
18：试验件
111：观察窗
112：接线端子
113：内绝热保温层
114：抽真空口
115：泄压口
116：增压口
117：人孔
11a：上封头
11b：直筒段
11c：下封头
131：电机
132：支架
133：主轴
134：叶片
135：焊接点
136：动密封
141：固定螺栓
142：平台固定点
143：承载面
161：液氮供给口
162：液氮排放口
1111：石英玻璃
1112：不锈钢外圈
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明，但并不用以限定本发明。
请同时参阅图1和图2，图1为本发明一实施方式的低温环境试验舱的立体图，图2为本发明一实施方式的低温环境试验舱的结构示意图。如图2所示，低温环境试验舱1具有壳体11，为低温环境提供可靠的试验空间及承受内部压力，壳体11包括自上而下的上封头11a、直筒段11b和下封头11c，上封头11a和下封头11c与直筒段11b均采用法兰连接；在壳体11内套设有内风道筒12，内风道筒12在上封头11a与直筒段11b的连接处以及下封头11c和直筒段11b的连接处与壳体11连接固定，通过内风道筒12的设置，使得低温环境试验舱1的内部试验空间被内风道筒12分割为内风道筒12和壳体11内壁之间的空间与内风道筒12的内腔空间，分割后的2部分空间使得在低温环境试验舱1内形成一条循环风道。
其同时参阅图2与图3，图3为根据本发明一实施方式的低温环境试验舱的风机结构示意图。如图2及图3所示，风机13包括电机131、支架132、主轴133以及叶片134，叶片134通过主轴133与电机131连接，设置在电机131下方的支架132与壳体11的上封头11a在焊点135处焊接固定，且主轴133与上封头11a采用动密封136连接，因此，在低温环境试验舱1内处于低温、真空或正压情况下，仍能保持密封状态；在本实施方式中，由于风机13设置于内风道筒12的上方，电机131通过主轴133带动叶片134以设定转速旋转，在风机13的带动下，低温环境试验舱1内的气体从上部经由内风道筒12的内腔空间流动到下部，再经由内风道筒12和壳体11之间的空间回到上部风机13处，从而使低温环境试验舱1内部气体借助内风道筒12和壳体11构成的循环风道形成气流的循环，因此，通过内风道筒12与风机13的设置，使低温环境试验舱1内气体流动，保证了低温环境试验舱1内部温度能够快速趋于均匀，提高了低温环境试验舱1的温度快速响应能力。
请同时参阅图2与图4，图4为本发明一实施方式的低温环境试验舱的试验件安装平台的结构示意图。试验件安装平台14设置于壳体11内，用于承载试验件18，如图4所示，试验件安装平台14上设置有多个固定螺栓141和多个平台固定点142，通过固定螺栓141可将承载试验件18稳妥固定在试验件安装平台14上，通过平台固定点142将试验件安装平台14与壳体11固定连接；在本实施方式中，试验件安装平台14具有4个平台固定点142，每个平台固定点142分别通过不锈钢管(图中为未表示)焊接在下封头11c支撑固定，且，试验件安装平台14的承载面143采用栅格形式，可在放置一定重量的试验件18的同时保证流经承载面143与试验件18接触区域的气体流动通畅，在本实施方式中，试验件安装平台14可承载重量不少于0.5吨的试验件18。
请再次参阅图2，试验件安装平台14的下方设置有热交换器15，其采用液氮制冷以降低低温环境试验舱1内部的环境温度，在制冷时，液氮制冷剂通过设置在热交换器15一端的液氮供给口161流入热交换器15，制冷后经由设置在热交换器15另一端的液氮排放口162流出，在本实施方式中，热交换器15采用环形翅片式结构，此种结构可有效增加换热面积和提高换热效率，从而在低温环境试验舱1的有限空间内使总换热面积最大化，充分利用液氮的潜热和显热对低温环境试验舱1内气体进行降温；加热装置16设置于壳体11的内部底部，处于热交换器15的下方，其采用采用法兰式电加热器且加热元件材料为不锈钢，通过控制加热装置的加热功率，从而提升低温环境试验舱1内的环境温度；测温装置17设置于壳体11的内部，在本实施方式中，测温装置17为测温杆，测温杆的一端延伸至试验件安装平台14的上方且测温杆上设置有多个传感器，可实时检测试验舱内的温度变化，通过反馈测得的温度数据，从而调节对低温环境试验舱1的降温或加热速率。
请同时参阅图2及图5,图5为本发明一实施方式的低温环境试验舱的观察窗的结构示意图。壳体11上设置有观察窗111，有利于观察低温环境试验舱1内部试验情况；如图5所示，观察窗111采用双层不锈钢烧结视镜，通过将石英玻璃1111与不锈钢外圈1112烧结为一体实现耐低温和良好的密封性能，两层视镜中间抽真空保护，提高了观察窗的绝热性能。
请再次参阅图2，接线端子112设置于壳体11的外侧，在本实施方式中，接线端子112采用陶瓷材料接线端子，其内部的铜接线柱与陶瓷外壳之间利用压紧螺母实现双侧密封，整个陶瓷接线端子安装在壳体11接管的两个法兰片之间，保证了在接线端子112密封，若试验件18需要通电或采集试验信号，其电缆通过接线端子112的铜接线柱穿过壳体11与外部电源及设备相连，满足了试验件18需要外接电缆的需求；内绝热保温层113附着于壳体11的内壁，在本实施方式中，内绝热保温层113采用聚氨酯预制发泡材料，保证内耐压强度，且采用低温胶粘合并用螺栓锁紧龙骨固定，内绝热保温层113进一步有效降低了低温环境试验舱1漏热及耗冷。
另外，在本实施方式中，壳体11上还可设置其他具有不同作用的装置，例如如图2所示的抽真空口114、泄压口115、增压口116以及人孔117，但不以此为限；抽真空口114设置在下封头11c处，在需要时可用来调节低温环境试验舱1内的真空度；泄压口115与增压口116设置在壳体11的底部，可将增压口116与压缩气体瓶组或其他压缩装置，用以在需要时增大低温环境试验舱1内的压力，并通过调节泄压口115处的阀门来降低低温环境试验舱1内的压力，从而根据需要调节低温环境试验舱1内的气压状态；人孔117可设置于壳体11的外壁，通过人孔117可方便操作员放置/调整舱内试验件18的姿态，或对低温环境试验舱1内的装置进行检修与维护等。
请继续参阅图6，图6为根据本发明一实施方式的低温环境试验方法的流程图，下面将以如上所述的低温环境试验舱1为例对该低温环境试验方法进行说明。如图6所示，在步骤s100中，将低温环境试验舱1内的相关装置通电，例如将风机13、热交换器15、加热装置16以及测温装置17的电缆连接外部电源装置，若有需要，还可将试验件18的电缆通过接线端子17连接至外部电源设备，另外，在本实施方式中，风机13、热交换器15、加热装置16以及测温装置17的电缆中还分别包含控制电缆，这些控制电缆可连接至控制装置以分别将数据发送至该控制装置，或从该控制装置接受控制指令，该控制装置可可为计算机或plc机柜等；在步骤s102中，根据设置在测温装置上17上的传感器探测节低温环境试验舱1内的实时环境温度，并将温度数据发送给控制装置，应当了解到，若仅设置有一个传感器时，将被发送的温度数据也仅为以时间间隔为序列的一组温度数据，若设置有多个传感器时，将被发送的温度数据为以时间间隔为序列的多组温度数据；在步骤s103中，控制装置根据接受到的温度数据，调整风机13的转速，用以控制低温环境试验舱1内的气流循环速度，从而控制低温环境试验舱1内环境温度的响应速率，应当了解到，若控制装置只接收到一组温度数据时，可比较该温度数据与预设的目标温度的差异，若差异很大，则可调快风机13的转速以加快温度响应速率，若差异较小，则可适当放缓风机13的转速以减小低温环境试验舱1内气流对试验件18的试验数据的影响；若控制装置接收到多组温度数据时，还可比较这些多组温度数据之间的差异，若差异很大，则可调快风机13的转速以加快温度响应速率，若差异较小，则可适当放缓风机13的转速以减小低温环境试验舱1内气流对试验件18的试验数据的影响；在步骤s106中，根据探测到的温度数据与预设的目标温度以及升降温速率进行计算，得到温控参数，在本实施方式中，采用比例-积分-微分pid算法计算温控参数，应当了解到，若控制装置接收到多组温度数据时，可采用平均温度、或最大温度、或最小温度、或最靠近试验件18的传感器探测的到温度参与温控参数的计算，但不以此为限；在步骤s108中，根据步骤s106中计算而得的温控参数对低温环境试验舱1内进行温度控制，根据温控参数调节液氮制冷剂流经热交换器15的速度来控制降温速率，或根据改变加热装置16的加热功率来控制升温速率，也可根据需要对热交换器15和加热装置16进行联动控制，从而以设定的升降温速率达到目标温度；最后，重复步骤s100～s108，使低温环境实验舱1内环境温度恒定于设定的目标温度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明，任何熟悉本领域的普通技术人员可根据本发明的构思进行各种变化与修饰，但这些变化与修饰都应落入本发明所附权利要求的保护范围。