專利名稱：高真空環(huán)境中旋轉(zhuǎn)部件的加熱與冷卻裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制冷與低溫技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種旋轉(zhuǎn)部件的加熱與冷卻 裝置及方法。
背景技術(shù)：
為了適應(yīng)我國(guó)空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求解決一系列潤(rùn)滑科學(xué)與技術(shù)問 題。潤(rùn)滑技術(shù)是保證空間運(yùn)載工具和飛行器安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一， 空間潤(rùn)滑材料與技術(shù)同航天工程的成敗直接相關(guān)，對(duì)有效載荷的使用壽命具 有重要影響?？臻g工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的潤(rùn)滑問題通常涉及高溫、低溫、氧化還原 介質(zhì)、超高真空、高比負(fù)荷、高低速、多次啟停、輻射(紫外光、原子氧等) 等特殊工況。
為了開展空間潤(rùn)滑材料的模擬試驗(yàn)研究，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理所建 立了低溫、高溫、輻射等條件下的空間潤(rùn)滑材料料模擬試驗(yàn)裝置。在模擬試
驗(yàn)裝置中，空間潤(rùn)滑材料的模擬試驗(yàn)在很高的真空(如優(yōu)于10—7Pa)和輻射、 不同的溫度下進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)較為真實(shí)的模擬材料在宇宙太空環(huán)境下的工作狀 態(tài)。模擬試驗(yàn)溫度范圍希望從液氦溫度到600K，甚至更高。由于模擬試驗(yàn)的 特殊性，給摩擦材料樣品的快速冷卻、加熱和控溫帶來了困難。
為實(shí)現(xiàn)快速冷卻、加熱和控溫，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研制了一種 空間摩擦學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)裝置中輻射加熱與冷卻裝置。該裝置中，樣品及樣品架 的加熱和冷卻依靠輻射傳熱的方式進(jìn)行。即，加熱器環(huán)繞于樣品架(摩擦盤) 周圍(不接觸)、并一起放置于環(huán)形密閉的液氮槽(液氮熱沉)內(nèi)腔(不接觸)。樣品架上的熱量以及通過旋轉(zhuǎn)軸來自室溫的熱量全部需要輻射傳熱被 液氮熱沉吸收。在試驗(yàn)中，該系統(tǒng)取得了較為理想的結(jié)果在真空度高達(dá)
l(TPa的環(huán)境中，輻射加熱時(shí)樣品最高溫度可達(dá)到600K、在輻射冷卻時(shí)樣品 最低溫度可達(dá)130K、樣品在130 600K溫度范圍內(nèi)控溫精度可達(dá)到土0. 2K。 但該裝置的冷卻速率仍然較低，樣品從室溫降至150K溫度大約需要4天的 時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種能夠在高真空中對(duì)旋轉(zhuǎn) 部件進(jìn)行快速加熱與冷卻的控溫裝置和方法。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的高真空環(huán)境中旋轉(zhuǎn)部件的加熱與冷 卻裝置，包括真空腔和位于真空腔內(nèi)部的控溫裝置，所述控溫裝置包括環(huán)狀 低溫?zé)岢?、位于所述低溫?zé)岢羶?nèi)部的中空的加熱器、位于所述加熱器內(nèi)部的 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；所述環(huán)狀低溫?zé)岢辆哂幸幌律w板；所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由靜止部件和旋 轉(zhuǎn)部件組成，所述靜止部件由定位柱固定在所述加熱器上，旋轉(zhuǎn)軸穿過所述 低溫?zé)岢恋南律w板與所述旋轉(zhuǎn)部件連接；所述加熱器由支撐固定在所述低溫 熱沉的下蓋板上；所述定位柱和支撐均采用黃銅制作。
上述技術(shù)方案中，所述環(huán)狀低溫?zé)岢翞榄h(huán)形液氮槽，該液氮槽具有液氮 輸入管和氣氮輸入管，所述液氮輸入管由所述液氮槽的頂部插入并延伸至該 槽底部，所述氣氮輸入管的端口位于所述液氮槽頂部并與該液氮槽連通。
上述技術(shù)方案中，所述加熱器包括中空的加熱器支架和纏繞在該支架上的加熱絲，所述加熱器支架包括一底板，所述定位柱和所述支撐均與該底板
固定連接；所述加熱器支架采用紫銅制作。
上述技術(shù)方案中，所述低溫?zé)岢吝€具有一上蓋板，所述上蓋板和下蓋板 均采用紫銅制作。
上述技術(shù)方案中，所述液氮槽的槽壁采用紫銅或不銹鋼制作。
上述技術(shù)方案中，所述低溫?zé)岢恋南律w板在與旋轉(zhuǎn)軸的連接處安裝有黃 銅制作的滾針軸承。
上述技術(shù)方案中，該裝置還具有控溫單元，所述控溫單元的溫度傳感器 安裝在所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上。
本發(fā)明還提供了一種高真空環(huán)境中旋轉(zhuǎn)部件的加熱與冷卻方法，其中， 加熱方法是通過控溫單元對(duì)所述加熱器的加熱電流實(shí)施控制，使所述旋轉(zhuǎn)機(jī)
構(gòu)達(dá)到所需溫度；冷卻方法包括如下步驟1)對(duì)所述真空腔抽真空；2)在 低溫?zé)岢林屑幼⒅评涔べ|(zhì)；3)當(dāng)所述低溫?zé)岢吝_(dá)到制冷工質(zhì)的液化溫度時(shí)， 停止加注制冷工質(zhì)；當(dāng)所述低溫?zé)岢翜囟瘸^100K時(shí)，重新加注制冷工質(zhì)； 不斷重復(fù)停止和加注制冷工質(zhì)，直到所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)達(dá)到最低溫度。
上述技術(shù)方案中，所述制冷工質(zhì)為液氮。
上述技術(shù)方案中，當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所需溫度大于150K時(shí)，所述低溫?zé)?沉中不加注液氮，控溫單元對(duì)所述加熱器的加熱電流實(shí)施控制，使所述旋轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)達(dá)到所需溫度；當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所需溫度不大于150K時(shí)，則在低溫?zé)岢林屑幼⒁旱允顾鲂D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)達(dá)到所需溫度。 本發(fā)明具有如下技術(shù)效果
本發(fā)明通過輻射傳熱和固體導(dǎo)熱相結(jié)合的方法大幅度提高了降溫和升 溫速率，從而使摩擦樣品的溫度從室溫降至100K所需時(shí)間由原來僅采用輻 射傳熱時(shí)的4天減少到不超過7小時(shí)，為模擬空間溫度交變摩擦試驗(yàn)裝置中
試樣加熱與冷卻裝置的試驗(yàn)效率提高和降低科研人員勞動(dòng)強(qiáng)度創(chuàng)造了可能。 本發(fā)明不僅可用于潤(rùn)滑材料料模擬試驗(yàn)，也可用于航天機(jī)械中運(yùn)動(dòng)部件 的冷卻。


圖1是輻射傳導(dǎo)組合加熱與冷卻裝置結(jié)構(gòu)示意圖
圖2摩擦盤加熱與冷卻裝置結(jié)構(gòu) 圖3摩擦盤加熱與冷卻裝置結(jié)構(gòu)的局部放大 圖面說明
1-定位柱 2-支撐 3-加熱器 4-旋轉(zhuǎn)軸
5-旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 6-液氮槽 7-下蓋板 8-上蓋板
9-滾針軸承 10—液氮輸入管 11-氣氮輸出管12-真空腔 13-加熱器支架
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地描述。
實(shí)施例1本實(shí)施例提供了一種高真空環(huán)境中旋轉(zhuǎn)部件的加熱與冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng) 主要應(yīng)用于模擬空間環(huán)境摩擦試驗(yàn)裝置中溫度交變的控制。如圖l、 2所示，
該系統(tǒng)放置于超高真空腔12內(nèi)(極限真空壓強(qiáng)優(yōu)于l(T7Pa)，包括旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 5 (由上摩擦盤和下摩擦盤組成)、加熱器3、液氮熱沉(液氮槽6)、超高真 空密封旋轉(zhuǎn)軸4、溫度測(cè)控裝置、定位柱1和加熱器支撐2。液氮熱沉為環(huán) 形密閉的液氮槽6，該液氮槽6具有液氮輸入管10和氣氮輸出管11。液氮 輸入管10和氣氮輸出管11均為金屬軟管，其中液氮輸入管10由真空腔12 底部引入，然后從液氮槽6頂部進(jìn)入并插至該液氮槽6底部(這樣是為了避 免液氮被氣氮堵塞)。氣氮輸出管ll的一端與液氮槽6頂部連接，另一端從 真空腔12底部引出。這樣就確保了液氮槽6內(nèi)充滿液氮，使液氮熱沉的溫 度盡可能均勻一致。被試驗(yàn)的潤(rùn)滑材料被附著在樣品架(即旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5)的 上摩擦盤或下摩擦盤的表面，摩擦球鑲嵌在下摩擦盤或上摩擦盤中(球可以 自由轉(zhuǎn)動(dòng))。本實(shí)施例中上摩擦盤與定位柱1連接并被定位柱1限制而不能 旋轉(zhuǎn)，下摩擦盤與所述超高真空密封轉(zhuǎn)軸連接。當(dāng)下摩擦盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就可實(shí) 現(xiàn)球?qū)δΣ敛牧系臐L動(dòng)摩擦。由于空間潤(rùn)滑材料對(duì)溫度的特殊要求，需要在 90 670K的低溫到高溫范圍內(nèi)對(duì)潤(rùn)滑材料進(jìn)行測(cè)試，因此，需要對(duì)被測(cè)試的
潤(rùn)滑材料及其附著體(摩擦盤) 一起進(jìn)行加熱和冷卻。
本實(shí)施例中，加熱器3包括加熱絲和加熱器支架13。加熱器支架13為 一中空支架，所述上摩擦盤、下摩擦盤和定位柱1均置于該加熱器支架13 內(nèi)部。加熱絲可為環(huán)形或螺旋形等形狀，纏繞在加熱器支架13上，采用220V 單相交流電源進(jìn)行加熱。所述加熱絲與支架之間采用電絕緣材料，確保加熱 器支架13與加熱絲之間電絕緣。加熱器支架13可以是封閉腔而包圍上下摩擦盤，這樣可以提高摩擦盤的溫度穩(wěn)定性，但略微降低了其降溫速度；加熱 器支架13也可以是不封閉的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，這樣可以提高摩擦盤的降溫速度。
環(huán)形液氮槽6頂部和底部分別固定有上蓋板8和下蓋板7，使得環(huán)形液 氮槽6中心部分形成一空腔。加熱器3置于所述環(huán)形液氮槽6中心的空腔內(nèi)。 所述定位柱1與加熱器支架13的底板連接、加熱器支撐又與液氮槽6下蓋 板7連接。定位柱1和支撐2分別采用黃銅材料制作，加熱器支架13 (包括 支架底板、周壁和蓋)采用紫銅制作。液氮槽6槽壁最好采用紫銅材料制作， 但為了提高強(qiáng)度和降低重量，也可以采用不銹鋼制作。上蓋板8、下蓋板7 均采用紫銅材料制作。
被測(cè)試的潤(rùn)滑材料及其附著體(摩擦盤)的冷卻通過三個(gè)途徑來實(shí)現(xiàn) 一是通過輻射傳熱的途徑；二是通過可能的固體導(dǎo)熱的途徑；三是阻斷室溫 對(duì)摩擦盤的漏熱。輻射傳熱是依靠加熱器3表面對(duì)液氮熱沉的低溫表面熱輻 射、摩擦盤又對(duì)加熱器3熱輻射來實(shí)現(xiàn)。固體導(dǎo)熱是依靠加熱器的支撐2和 摩擦盤的定位柱1做熱橋來實(shí)現(xiàn)。阻斷漏熱是采用液氮熱沉的上下蓋板阻斷 來自室溫的熱輻射、采用黃銅制作的滾針軸承9于旋轉(zhuǎn)軸4而阻斷沿軸來自 室溫的漏熱，旋轉(zhuǎn)軸4采用薄壁不銹鋼管制作。這樣以來，增強(qiáng)了摩擦盤對(duì) 低溫?zé)岢恋膫鳠?、減小了外界對(duì)摩擦盤的漏熱，從而有效地降低了摩擦盤地 最低冷卻溫度和提高了摩擦盤的降溫速度。
被測(cè)試的潤(rùn)滑材料及其附著體(摩擦盤)的加熱通過加熱器加熱并由兩 個(gè)傳熱途徑來實(shí)現(xiàn) 一是加熱器對(duì)摩擦盤的輻射傳熱；二是加熱器以摩擦盤 定位柱1為熱橋?qū)δΣ帘P的熱傳導(dǎo)。
被測(cè)試的潤(rùn)滑材料及其附著體(摩擦盤)的控溫是通過加熱器提供適當(dāng)?shù)臒崃縼淼窒旱獰岢恋闹评淞?、并以摩擦盤的溫度為控制目標(biāo)，采用自動(dòng) 控溫儀來實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)控溫儀是市場(chǎng)上可以購(gòu)買到的標(biāo)準(zhǔn)儀表，只需在在上摩 擦盤安裝一溫度傳感器，將其引線連接到裝置以外的控溫儀上。加熱前，首
先對(duì)真空腔抽真空，在真空度達(dá)到10—7Pa以后，加熱器通電，控溫儀根據(jù)摩 擦盤所需的溫度對(duì)加熱器的加熱電流實(shí)施控制，最終達(dá)到控制溫度的目的。
在對(duì)摩擦盤實(shí)施降溫時(shí)，首先對(duì)真空腔抽真空，在真空度達(dá)到10—7Pa以 后，給液氮槽中加注液氮，通過安裝在液氮槽頂部的溫度計(jì)觀察溫度的變化， 當(dāng)達(dá)到液氮溫度，說明液氮槽充滿了液氮，這時(shí)就可停止液氮加注。與此同 時(shí)即可通過安裝在上摩擦盤的溫度計(jì)看到其溫度在不斷的下降，直到降溫到 最低溫度(如90K)，溫度不再下降或降溫非常緩慢，這時(shí)即可啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸電 機(jī)，帶動(dòng)下摩擦盤轉(zhuǎn)動(dòng)，開始這一溫度下的摩擦試驗(yàn)，如果需要調(diào)節(jié)到另一 個(gè)較高溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，即可在控溫儀上設(shè)置新的溫度點(diǎn)，這時(shí)，控溫儀控 制加熱器開始工作，直到上摩擦盤穩(wěn)定在這個(gè)新的溫度上，就可進(jìn)行試驗(yàn)。 如此，可從90K 670K的溫度范圍內(nèi)的任何溫度點(diǎn)上進(jìn)行試驗(yàn)，從而得到摩 擦材料的摩擦性能隨溫度的變化曲線。在進(jìn)行試驗(yàn)的過程中要時(shí)時(shí)觀察液氮 槽頂部溫度的變化，當(dāng)溫度高于100K時(shí)就需要給液氮槽加注液氮，這時(shí)因 為液氮加注為手動(dòng)方式，如果采用自動(dòng)控制方式即可省去這一程序，但需要 在液氮加注管路上設(shè)置一電動(dòng)控制閥，以液氮槽頂部溫度為控制目標(biāo)對(duì)閥門 的開關(guān)進(jìn)行自動(dòng)控制。另外，當(dāng)上摩擦盤的溫度需要在150K以上時(shí)，液氮 槽就不再需要加注液氮，僅依靠自動(dòng)控溫儀即可完成到達(dá)670K溫度的試驗(yàn)。
本實(shí)施例的裝置采用以輻射傳熱和固體熱傳導(dǎo)相結(jié)合的方法解決了摩 擦盤降溫緩慢的問題。試驗(yàn)結(jié)果表明輻射傳熱結(jié)合固體導(dǎo)熱，僅用7小時(shí)摩擦盤的溫度可降至100K以下。從而為空間摩擦學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)裝置中摩擦盤
加熱與冷卻系統(tǒng)的研制提供了新技術(shù)。
另外，本發(fā)明中的液氮還可以使用其它制冷工質(zhì)替代。如當(dāng)需要獲得更 低的制冷溫度時(shí)，可以使用液氦制冷。
權(quán)利要求
1、 一種高真空環(huán)境中旋轉(zhuǎn)部件的加熱與冷卻裝置，包括真空腔和位于 真空腔內(nèi)部的控溫裝置，所述控溫裝置包括環(huán)狀低溫?zé)岢痢⑽挥谒龅?溫?zé)岢羶?nèi)部的中空的加熱器、位于所述加熱器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；所述環(huán) 狀低溫?zé)岢辆哂幸幌律w板；所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由靜止部件和旋轉(zhuǎn)部件組成， 所述靜止部件由定位柱固定在所述加熱器上，旋轉(zhuǎn)軸穿過所述低溫?zé)岢?的下蓋板與所述旋轉(zhuǎn)部件連接；所述加熱器由支撐固定在所述低溫?zé)岢?的下蓋板上；所述定位柱和支撐均采用黃銅制作。
2、 按權(quán)利要求1所述的加熱與冷卻裝置，其特征在于，所述環(huán)狀低溫 熱沉為環(huán)形液氮槽，該液氮槽具有液氮輸入管和氣氮輸入管，所述液氮 輸入管由所述液氮槽的頂部插入并延伸至該槽底部，所述氣氮輸入管的 端口位于所述液氮槽頂部并與該液氮槽連通。
3、 按權(quán)利要求1所述的加熱與冷卻裝置，其特征在于，所述加熱器包 括中空的加熱器支架和纏繞在該支架上的加熱絲，所述加熱器支架包括 一底板，所述定位柱和所述支撐均與該底板固定連接；所述加熱器支架 采用紫銅制作。
4、 按權(quán)利要求1所述的加熱與冷卻裝置，其特征在于，所述低溫?zé)岢?還具有一上蓋板，所述上蓋板和下蓋板均采用紫銅制作。
5、 按權(quán)利要求2所述的加熱與冷卻裝置，其特征在于，所述液氮槽的 槽壁采用紫銅或不銹鋼制作。
6、 按權(quán)利要求1所述的加熱與冷卻裝置，其特征在于，所述低溫?zé)岢?的下蓋板在與旋轉(zhuǎn)軸的連接處安裝有黃銅制作的滾針軸承。
7、 按權(quán)利要求1所述的加熱與冷卻裝置，其特征在于，該裝置還具有控溫單元，所述控溫單元的溫度傳感器安裝在所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上。
8、 一種高真空環(huán)境中旋轉(zhuǎn)部件的加熱與冷卻方法，其中，加熱方法是 通過控溫單元對(duì)所述加熱器的加熱電流實(shí)施控制，使所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)達(dá)到 所需溫度；冷卻方法包括如下步驟1)對(duì)所述真空腔抽真空；2)在低溫?zé)岢林屑?注制冷工質(zhì)；3)當(dāng)所述低溫?zé)岢吝_(dá)到制冷工質(zhì)的液化溫度時(shí)，停止加 注制冷工質(zhì)；當(dāng)所述低溫?zé)岢翜囟瘸^100K時(shí)，重新加注制冷工質(zhì)； 不斷重復(fù)停止和加注制冷工質(zhì)，直到所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)達(dá)到最低溫度。
9、 按權(quán)利要求8所述的加熱與冷卻方法，其特征在于，所述制冷工質(zhì) 為液氮。
10、 按權(quán)利要求9所述的加熱與冷卻方法，其特征在于，當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu)所需溫度大于150K時(shí)，所述低溫?zé)岢林胁患幼⒁旱販貑卧獙?duì)所 述加熱器的加熱電流實(shí)施控制，使所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)達(dá)到所需溫度；當(dāng)所述 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所需溫度不大于150K時(shí)，則在低溫?zé)岢林屑幼⒁旱允顾?旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)達(dá)到所需溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高真空環(huán)境中旋轉(zhuǎn)部件的加熱與冷卻裝置及方法，所述裝置包括真空腔和位于真空腔內(nèi)部的控溫裝置，所述控溫裝置包括環(huán)狀低溫?zé)岢?、位于所述低溫?zé)岢羶?nèi)部的中空的加熱器、位于所述加熱器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過黃銅制作的定位柱和支撐與低溫?zé)岢恋南律w板連接。本發(fā)明的方法是通過控溫單元對(duì)所述加熱器的加熱電流實(shí)施控制，同時(shí)通過在低溫?zé)岢林型Ｖ购图幼⒅评涔べ|(zhì)，達(dá)到加熱與冷卻旋轉(zhuǎn)部件的目的。本發(fā)明通過輻射傳熱和固體導(dǎo)熱相結(jié)合的方法大幅度提高了降溫和升溫速率。本發(fā)明可用于潤(rùn)滑材料料模擬試驗(yàn)，也可用于航天機(jī)械中運(yùn)動(dòng)部件的冷卻。
文檔編號(hào)G01N33/26GK101311722SQ200710099480
公開日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2007年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月22日
發(fā)明者徐向東, 李來風(fēng), 黃榮進(jìn), 龔領(lǐng)會(huì) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所