专利名称：高真空环境中旋转部件的加热与冷却装置及方法
技术领域：
本发明涉及制冷与低温技术领域，特别涉及一种旋转部件的加热与冷却 装置及方法。
背景技术：
为了适应我国空间科学技术的发展，要求解决一系列润滑科学与技术问 题。润滑技术是保证空间运载工具和飞行器安全可靠运行的关键技术之一， 空间润滑材料与技术同航天工程的成败直接相关，对有效载荷的使用寿命具 有重要影响。空间工业技术领域的润滑问题通常涉及高温、低温、氧化还原 介质、超高真空、高比负荷、高低速、多次启停、辐射(紫外光、原子氧等) 等特殊工况。
为了开展空间润滑材料的模拟试验研究，中国科学院兰州化学物理所建 立了低温、高温、辐射等条件下的空间润滑材料料模拟试验装置。在模拟试
验装置中，空间润滑材料的模拟试验在很高的真空(如优于10—7Pa)和辐射、 不同的温度下进行，以实现较为真实的模拟材料在宇宙太空环境下的工作状 态。模拟试验温度范围希望从液氦温度到600K，甚至更高。由于模拟试验的 特殊性，给摩擦材料样品的快速冷却、加热和控温带来了困难。
为实现快速冷却、加热和控温，中国科学院理化技术研究所研制了一种 空间摩擦学模拟实验装置中辐射加热与冷却装置。该装置中，样品及样品架 的加热和冷却依靠辐射传热的方式进行。即，加热器环绕于样品架(摩擦盘) 周围(不接触)、并一起放置于环形密闭的液氮槽(液氮热沉)内腔(不接触)。样品架上的热量以及通过旋转轴来自室温的热量全部需要辐射传热被 液氮热沉吸收。在试验中，该系统取得了较为理想的结果在真空度高达
l(TPa的环境中，辐射加热时样品最高温度可达到600K、在辐射冷却时样品 最低温度可达130K、样品在130 600K温度范围内控温精度可达到土0. 2K。 但该装置的冷却速率仍然较低，样品从室温降至150K温度大约需要4天的 时间。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种能够在高真空中对旋转 部件进行快速加热与冷却的控温装置和方法。
为实现上述发明目的，本发明提供的高真空环境中旋转部件的加热与冷 却装置，包括真空腔和位于真空腔内部的控温装置，所述控温装置包括环状 低温热沉、位于所述低温热沉内部的中空的加热器、位于所述加热器内部的 旋转机构；所述环状低温热沉具有一下盖板；所述旋转机构由静止部件和旋 转部件组成，所述静止部件由定位柱固定在所述加热器上，旋转轴穿过所述 低温热沉的下盖板与所述旋转部件连接；所述加热器由支撑固定在所述低温 热沉的下盖板上；所述定位柱和支撑均采用黄铜制作。
上述技术方案中，所述环状低温热沉为环形液氮槽，该液氮槽具有液氮 输入管和气氮输入管，所述液氮输入管由所述液氮槽的顶部插入并延伸至该 槽底部，所述气氮输入管的端口位于所述液氮槽顶部并与该液氮槽连通。
上述技术方案中，所述加热器包括中空的加热器支架和缠绕在该支架上的加热丝，所述加热器支架包括一底板，所述定位柱和所述支撑均与该底板
固定连接；所述加热器支架采用紫铜制作。
上述技术方案中，所述低温热沉还具有一上盖板，所述上盖板和下盖板 均采用紫铜制作。
上述技术方案中，所述液氮槽的槽壁采用紫铜或不锈钢制作。
上述技术方案中，所述低温热沉的下盖板在与旋转轴的连接处安装有黄 铜制作的滚针轴承。
上述技术方案中，该装置还具有控温单元，所述控温单元的温度传感器 安装在所述旋转机构上。
本发明还提供了一种高真空环境中旋转部件的加热与冷却方法，其中， 加热方法是通过控温单元对所述加热器的加热电流实施控制，使所述旋转机
构达到所需温度；冷却方法包括如下步骤1)对所述真空腔抽真空；2)在 低温热沉中加注制冷工质；3)当所述低温热沉达到制冷工质的液化温度时， 停止加注制冷工质；当所述低温热沉温度超过100K时，重新加注制冷工质； 不断重复停止和加注制冷工质，直到所述旋转机构达到最低温度。
上述技术方案中，所述制冷工质为液氮。
上述技术方案中，当所述旋转机构所需温度大于150K时，所述低温热 沉中不加注液氮，控温单元对所述加热器的加热电流实施控制，使所述旋转 机构达到所需温度；当所述旋转机构所需温度不大于150K时，则在低温热沉中加注液氮以使所述旋转机构达到所需温度。 本发明具有如下技术效果
本发明通过辐射传热和固体导热相结合的方法大幅度提高了降温和升 温速率，从而使摩擦样品的温度从室温降至100K所需时间由原来仅采用辐 射传热时的4天减少到不超过7小时，为模拟空间温度交变摩擦试验装置中
试样加热与冷却装置的试验效率提高和降低科研人员劳动强度创造了可能。 本发明不仅可用于润滑材料料模拟试验，也可用于航天机械中运动部件 的冷却。
图1是辐射传导组合加热与冷却装置结构示意图
图2摩擦盘加热与冷却装置结构 图3摩擦盘加热与冷却装置结构的局部放大 图面说明
1-定位柱 2-支撑 3-加热器 4-旋转轴
5-旋转机构 6-液氮槽 7-下盖板 8-上盖板
9-滚针轴承 10—液氮输入管 11-气氮输出管12-真空腔 13-加热器支架
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述。
实施例1本实施例提供了一种高真空环境中旋转部件的加热与冷却系统，该系统 主要应用于模拟空间环境摩擦试验装置中温度交变的控制。如图l、 2所示，
该系统放置于超高真空腔12内(极限真空压强优于l(T7Pa)，包括旋转机构 5 (由上摩擦盘和下摩擦盘组成)、加热器3、液氮热沉(液氮槽6)、超高真 空密封旋转轴4、温度测控装置、定位柱1和加热器支撑2。液氮热沉为环 形密闭的液氮槽6，该液氮槽6具有液氮输入管10和气氮输出管11。液氮 输入管10和气氮输出管11均为金属软管，其中液氮输入管10由真空腔12 底部引入，然后从液氮槽6顶部进入并插至该液氮槽6底部(这样是为了避 免液氮被气氮堵塞)。气氮输出管ll的一端与液氮槽6顶部连接，另一端从 真空腔12底部引出。这样就确保了液氮槽6内充满液氮，使液氮热沉的温 度尽可能均匀一致。被试验的润滑材料被附着在样品架(即旋转机构5)的 上摩擦盘或下摩擦盘的表面，摩擦球镶嵌在下摩擦盘或上摩擦盘中(球可以 自由转动)。本实施例中上摩擦盘与定位柱1连接并被定位柱1限制而不能 旋转，下摩擦盘与所述超高真空密封转轴连接。当下摩擦盘转动时，就可实 现球对摩擦材料的滚动摩擦。由于空间润滑材料对温度的特殊要求，需要在 90 670K的低温到高温范围内对润滑材料进行测试，因此，需要对被测试的
润滑材料及其附着体(摩擦盘) 一起进行加热和冷却。
本实施例中，加热器3包括加热丝和加热器支架13。加热器支架13为 一中空支架，所述上摩擦盘、下摩擦盘和定位柱1均置于该加热器支架13 内部。加热丝可为环形或螺旋形等形状，缠绕在加热器支架13上，采用220V 单相交流电源进行加热。所述加热丝与支架之间采用电绝缘材料，确保加热 器支架13与加热丝之间电绝缘。加热器支架13可以是封闭腔而包围上下摩擦盘，这样可以提高摩擦盘的温度稳定性，但略微降低了其降温速度；加热 器支架13也可以是不封闭的简单结构，这样可以提高摩擦盘的降温速度。
环形液氮槽6顶部和底部分别固定有上盖板8和下盖板7，使得环形液 氮槽6中心部分形成一空腔。加热器3置于所述环形液氮槽6中心的空腔内。 所述定位柱1与加热器支架13的底板连接、加热器支撑又与液氮槽6下盖 板7连接。定位柱1和支撑2分别采用黄铜材料制作，加热器支架13 (包括 支架底板、周壁和盖)采用紫铜制作。液氮槽6槽壁最好采用紫铜材料制作， 但为了提高强度和降低重量，也可以采用不锈钢制作。上盖板8、下盖板7 均采用紫铜材料制作。
被测试的润滑材料及其附着体(摩擦盘)的冷却通过三个途径来实现 一是通过辐射传热的途径；二是通过可能的固体导热的途径；三是阻断室温 对摩擦盘的漏热。辐射传热是依靠加热器3表面对液氮热沉的低温表面热辐 射、摩擦盘又对加热器3热辐射来实现。固体导热是依靠加热器的支撑2和 摩擦盘的定位柱1做热桥来实现。阻断漏热是采用液氮热沉的上下盖板阻断 来自室温的热辐射、采用黄铜制作的滚针轴承9于旋转轴4而阻断沿轴来自 室温的漏热，旋转轴4采用薄壁不锈钢管制作。这样以来，增强了摩擦盘对 低温热沉的传热、减小了外界对摩擦盘的漏热，从而有效地降低了摩擦盘地 最低冷却温度和提高了摩擦盘的降温速度。
被测试的润滑材料及其附着体(摩擦盘)的加热通过加热器加热并由两 个传热途径来实现 一是加热器对摩擦盘的辐射传热；二是加热器以摩擦盘 定位柱1为热桥对摩擦盘的热传导。
被测试的润滑材料及其附着体(摩擦盘)的控温是通过加热器提供适当的热量来抵消液氮热沉的制冷量、并以摩擦盘的温度为控制目标，采用自动 控温仪来实现。自动控温仪是市场上可以购买到的标准仪表，只需在在上摩 擦盘安装一温度传感器，将其引线连接到装置以外的控温仪上。加热前，首
先对真空腔抽真空，在真空度达到10—7Pa以后，加热器通电，控温仪根据摩 擦盘所需的温度对加热器的加热电流实施控制，最终达到控制温度的目的。
在对摩擦盘实施降温时，首先对真空腔抽真空，在真空度达到10—7Pa以 后，给液氮槽中加注液氮，通过安装在液氮槽顶部的温度计观察温度的变化， 当达到液氮温度，说明液氮槽充满了液氮，这时就可停止液氮加注。与此同 时即可通过安装在上摩擦盘的温度计看到其温度在不断的下降，直到降温到 最低温度(如90K)，温度不再下降或降温非常缓慢，这时即可启动旋转轴电 机，带动下摩擦盘转动，开始这一温度下的摩擦试验，如果需要调节到另一 个较高温度下进行试验，即可在控温仪上设置新的温度点，这时，控温仪控 制加热器开始工作，直到上摩擦盘稳定在这个新的温度上，就可进行试验。 如此，可从90K 670K的温度范围内的任何温度点上进行试验，从而得到摩 擦材料的摩擦性能随温度的变化曲线。在进行试验的过程中要时时观察液氮 槽顶部温度的变化，当温度高于100K时就需要给液氮槽加注液氮，这时因 为液氮加注为手动方式，如果采用自动控制方式即可省去这一程序，但需要 在液氮加注管路上设置一电动控制阀，以液氮槽顶部温度为控制目标对阀门 的开关进行自动控制。另外，当上摩擦盘的温度需要在150K以上时，液氮 槽就不再需要加注液氮，仅依靠自动控温仪即可完成到达670K温度的试验。
本实施例的装置采用以辐射传热和固体热传导相结合的方法解决了摩 擦盘降温缓慢的问题。试验结果表明辐射传热结合固体导热，仅用7小时摩擦盘的温度可降至100K以下。从而为空间摩擦学模拟实验装置中摩擦盘
加热与冷却系统的研制提供了新技术。
另外，本发明中的液氮还可以使用其它制冷工质替代。如当需要获得更 低的制冷温度时，可以使用液氦制冷。
权利要求
1、 一种高真空环境中旋转部件的加热与冷却装置，包括真空腔和位于 真空腔内部的控温装置，所述控温装置包括环状低温热沉、位于所述低 温热沉内部的中空的加热器、位于所述加热器内部的旋转机构；所述环 状低温热沉具有一下盖板；所述旋转机构由静止部件和旋转部件组成， 所述静止部件由定位柱固定在所述加热器上，旋转轴穿过所述低温热沉 的下盖板与所述旋转部件连接；所述加热器由支撑固定在所述低温热沉 的下盖板上；所述定位柱和支撑均采用黄铜制作。
2、 按权利要求1所述的加热与冷却装置，其特征在于，所述环状低温 热沉为环形液氮槽，该液氮槽具有液氮输入管和气氮输入管，所述液氮 输入管由所述液氮槽的顶部插入并延伸至该槽底部，所述气氮输入管的 端口位于所述液氮槽顶部并与该液氮槽连通。
3、 按权利要求1所述的加热与冷却装置，其特征在于，所述加热器包 括中空的加热器支架和缠绕在该支架上的加热丝，所述加热器支架包括 一底板，所述定位柱和所述支撑均与该底板固定连接；所述加热器支架 采用紫铜制作。
4、 按权利要求1所述的加热与冷却装置，其特征在于，所述低温热沉 还具有一上盖板，所述上盖板和下盖板均采用紫铜制作。
5、 按权利要求2所述的加热与冷却装置，其特征在于，所述液氮槽的 槽壁采用紫铜或不锈钢制作。
6、 按权利要求1所述的加热与冷却装置，其特征在于，所述低温热沉 的下盖板在与旋转轴的连接处安装有黄铜制作的滚针轴承。
7、 按权利要求1所述的加热与冷却装置，其特征在于，该装置还具有控温单元，所述控温单元的温度传感器安装在所述旋转机构上。
8、 一种高真空环境中旋转部件的加热与冷却方法，其中，加热方法是 通过控温单元对所述加热器的加热电流实施控制，使所述旋转机构达到 所需温度；冷却方法包括如下步骤1)对所述真空腔抽真空；2)在低温热沉中加 注制冷工质；3)当所述低温热沉达到制冷工质的液化温度时，停止加 注制冷工质；当所述低温热沉温度超过100K时，重新加注制冷工质； 不断重复停止和加注制冷工质，直到所述旋转机构达到最低温度。
9、 按权利要求8所述的加热与冷却方法，其特征在于，所述制冷工质 为液氮。
10、 按权利要求9所述的加热与冷却方法，其特征在于，当所述旋转机 构所需温度大于150K时，所述低温热沉中不加注液氮，控温单元对所 述加热器的加热电流实施控制，使所述旋转机构达到所需温度；当所述 旋转机构所需温度不大于150K时，则在低温热沉中加注液氮以使所述 旋转机构达到所需温度。
全文摘要
本发明涉及一种高真空环境中旋转部件的加热与冷却装置及方法，所述装置包括真空腔和位于真空腔内部的控温装置，所述控温装置包括环状低温热沉、位于所述低温热沉内部的中空的加热器、位于所述加热器内部的旋转机构；所述旋转机构通过黄铜制作的定位柱和支撑与低温热沉的下盖板连接。本发明的方法是通过控温单元对所述加热器的加热电流实施控制，同时通过在低温热沉中停止和加注制冷工质，达到加热与冷却旋转部件的目的。本发明通过辐射传热和固体导热相结合的方法大幅度提高了降温和升温速率。本发明可用于润滑材料料模拟试验，也可用于航天机械中运动部件的冷却。
文档编号G01N33/26GK101311722SQ200710099480
公开日2008年11月26日 申请日期2007年5月22日 优先权日2007年5月22日
发明者徐向东, 李来风, 黄荣进, 龚领会 申请人:中国科学院理化技术研究所