本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及制冷与低温
，特别涉及一种旋转部件的加热与冷却 装置及方法。
技术介绍
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
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。
技术实现思路
本专利技术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。为实现上述专利技术目的，本专利技术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。本专利技术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。 本专利技术具有如下技术效果本专利技术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。 本专利技术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。附图说明图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专利技术做进一步地描述。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分别采用黄铜本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：龚领会，徐向东，李来风，黄荣进，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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