一种带力加载的宽温区等效导热系数及接触热阻测量系统
阅读说明：本技术 一种带力加载的宽温区等效导热系数及接触热阻测量系统 (Wide-temperature-zone equivalent thermal conductivity and contact thermal resistance measuring system with force loading ) 是由 许安易 李鹏 来霄毅 孙培杰 李晓慈 蔡爱峰 包轶颖 何玲 黄永华 于 2021-07-02 设计创作，主要内容包括：一种带力加载的宽温区材料等效导热系数及接触热阻测量系统,包括真空绝热模块,主要由真空腔、多层绝热屏、真空泵组成,用于真空绝热环境的获得和保持,减小测量中的漏热；力加载模块,主要由空压机、气缸、减压器、动密封、力传感器组结构组成,用于不同的力的施加和测量；试件性能测量模块主要由绝热垫块、标准测试杆、测试样品、温度传感器组成,用于温度测量和等效导热系数及接触热阻的计算；冷热源控制管理模块,主要包括加热棒、液氮冷却单元、低温恒温槽冷却单元、铜编织带,用于提供标准测试杆两端所需的冷热源,可实现标准测试杆两端控温；数据采集与控制模块。与现有技术相比,能实现力加载下宽温区等效导热系数及接触热阻的测量。(A forced loading wide temperature zone material equivalent thermal conductivity and thermal contact resistance measurement system comprises a vacuum heat insulation module, a vacuum heat insulation module and a measurement module, wherein the vacuum heat insulation module mainly comprises a vacuum cavity, a multi-layer heat insulation screen and a vacuum pump and is used for obtaining and maintaining a vacuum heat insulation environment and reducing heat leakage in measurement; the force loading module mainly comprises an air compressor, an air cylinder, a pressure reducer, a dynamic seal and a force sensor group structure and is used for applying and measuring different forces; the test piece performance measurement module mainly comprises a heat insulation cushion block, a standard test rod, a test sample and a temperature sensor and is used for temperature measurement and calculation of equivalent thermal conductivity and contact thermal resistance; the cold and heat source control management module mainly comprises a heating rod, a liquid nitrogen cooling unit, a low-temperature thermostatic bath cooling unit and a copper braided belt, is used for providing cold and heat sources required by two ends of the standard test rod and can realize the temperature control of the two ends of the standard test rod; and the data acquisition and control module. Compared with the prior art, the method can realize the measurement of the equivalent thermal conductivity coefficient and the contact thermal resistance of the wide temperature zone under force loading.)
技术领域
本发明属于材料导热性能测试技术领域，尤其是涉及材料等效导热系数及接触热阻测量。
背景技术
为适应新型材料在热控系统的应用，需要通过试验获得相关材料的热物性，其中材料的等效导热系数是关键参数之一。导热和隔热措施是热控设计中常用措施，新材料的使用对安装面之间的导热和隔热效果也需要通过试验获得界面接触热阻来进行评估，因此需要搭建材料等效导热系数及接触热阻测量系统来开展相应的物性参数测量。
现有的等效导热系数测量系统大多是针对材料在常温下的导热性能进行测试，而空间科学应用中的产品所选用的材料需要在-160～80℃的温区内工作，本发明能够实现-160～80℃宽温区的环境条件。
为研究不同预紧力对材料间的接触热阻的影响，需要设计出可调的力加载模块，目前的接触热阻测量系统所采用的力加载装置有液压形式、加载螺栓形式、压电陶瓷加载形式。在-160-80℃的测量温区间，所测材料存在热涨冷缩效应，若采用一般手动力加载装置，当材料低温收缩时会出现力加载的松弛现象，当材料受热膨胀时会产生预紧力增大现象，可能破坏测试样品，为保证在不同的温度下接触热阻测量时力加载的稳定性，本发明采用气缸加压形式实现力加载，以实现在材料热涨冷缩现象下力加载的自动补偿。
发明内容
本发明的目的是实现在宽温区下的航天器材料等效导热系数测量及力加载下航天器材料界面接触热阻测量。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种带力加载的宽温区等效导热系数及接触热阻测量系统，包括：真空绝热模块，主要由真空腔、多层绝热屏、真空泵组成，用于测试中所需的真空绝热环境的获得和保持，减小测量中的漏热，提高测试精度；
力加载模块，包括空压机、气缸、调压阀组成的外动力加载装置和轴杆、动密封结构、力传感器组成的内部传力组件，用于不同的力的施加和测量；
试件性能测量模块，主要由绝热垫块、标准测试杆、温度传感器组成，其中位于上端的第一标准测试杆在汽缸轴杆的推动下上下运动，位于下端的第二标准测量杆固定，通过调节第一标准测试杆运动可以实现测试样品夹持和力加载；
冷热源控制管理模块，包括加热棒、液氮冷却单元、低温恒温槽冷却单元、铜编织带；针对温区在-40℃以下的测量试验采用所述液氮冷却单元提供冷源；针对温区在-40℃以上的测量试验采用低温恒温槽冷却单元提供冷源；所述标准测试杆端部插入并固定安装一根加热棒，通过控制所述加热棒的加热功率来实现标准测试杆的温度控制；
数据采集与控制模块，主要包括数据采集控制单元、上位机；所述数据采集控制单元实现温度、力传感器以及加热器/片电压、电流的数据采集，并将采集的数据传给上位机；所述上位机根据采集数据，通过数据采集控制单元调节所述加热棒的功率输入和力加载模块的调压阀开度来控制标准测量杆的温度和系统加载力。
进一步，所述真空隔热模块主要包括真空腔、多层绝热屏、真空泵。所述多层绝热屏位于真空腔内部置于标准测试杆和测试样品外侧，用来减小标准测试杆向外漏热带来的测量误差；所述真空泵置于真空腔外，通过软管与真空腔法兰连接，用于真空腔中真空环境的获得和保持，从而减小标准测试杆的漏热及防止低温测试时真空腔内外壁结霜。
进一步，所述力加载模块主要包括空压机、气缸、调压阀组成的外动力加载装置和轴杆、动密封结构、力传感器组成的内部传力组件。所述压缩空气源与所述气缸之间依次设有手动球阀、调压阀、电磁阀和流量调节阀；所述调压阀用于调节加载力的大小；所述气缸活塞转接一根轴杆，所述轴杆在真空腔顶部通过动密封结构进入真空腔，外部气缸动力通过所述轴杆传递给试件性能测量模块；所述动密封结构实现气缸传力轴杆与真空腔间的动密封；所述电磁阀用于控制气缸活塞动作；所述流量调节阀可以控制气缸活塞的运动速度，保证力加载过程的操作平稳安全；所述力加载模块的优势在于稳定的气压提供稳定的输出压力，气缸输出不受高低温工况给测试样品和标准测量杆带来的热胀冷缩效应的影响，从而保持加载的预紧力维持稳定。
进一步，所述试件性能测量模块主要包括隔热垫块、标准测试杆、温度传感器。力加载模块通过轴杆将力作用于试件性能测量模块，其中轴杆与第一标准测试杆之间设有第一绝热垫块；在力加载下第一标准测试杆可以上下移动，夹住置于第二标准测试杆上的测试样品，并可提供测量试验中所需的加载力；第二标准测试杆与压力传感器间设有第二绝热垫块，所述绝热垫块用于减小标准测试杆与真空腔间的热传导；第一标准测试杆、第二标准测试杆上各布置三个温度传感器，用于测量标准测试杆的温度，通过测量标准测试杆上的温度可计算出测试样品的等效导热系数或接触热阻。
进一步，所述冷热源控制管理模块中液氮冷却单元的液氮杜瓦出口连接液氮加注管路，所述液氮加注管路进入真空腔内与所述液氮储液罐接口法兰相连，液氮储液罐侧面布置加热片，用于试验结束后快速将液氮储液罐中的液氮加热蒸发，从而达到快速复温的目的；液氮储液罐顶部法兰连接一根排气管路到真空腔外，用于充注液氮时排气，及试验过程和结束后液氮蒸发排放；所述液氮储液罐与标准测量杆之间通过铜编织带连接在一起，作为标准测量杆的冷源；所述低温恒温槽冷却单元，通过低温恒温槽提供恒定温度的冷流体，通过管路与冷头串联形成回路，低温流体以恒定温度不断循环流经冷头；所述冷头与标准测试杆之间通过铜编织带连接，作为标准测试杆的冷源；所述冷热源控制模块根据试验测量温区选择冷却单元，铜编织带可以根据试验温区在液氮储液罐和恒温槽冷头结构间进行切换连接。所述冷热源控制管理模块的优势在于可实现两端标准测试杆同时控温，通过两组冷却单元间的切换实现在-160～80℃温区任意温度的测试试验。
所述真空腔上固定有穿腔插头，所述穿腔插头位于真空腔内侧的接插件与所述温度传感器、力传感器、加热片及加热棒通过线缆连接，所述穿腔插头位于真空腔外侧的部分通过线缆与所述数据采集控制器相连。
与现有技术相比，本发明能够实现在大温区下的材料等效导热系数测量及可调力加载下材料界面接触热阻测量。
附图说明
图1为本发明实施例的系统连接示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种带力加载的宽温区等效导热系数及接触热阻测量系统，包括：
真空绝热模块，由真空腔1、多层绝热屏2、真空泵33组成，用于测试系统真空绝热环境的获得和保持。
力加载及测量模块，包括压缩空气源14、调压阀16、气缸18组成的外动力加载装置和轴杆19、力传感器13组成的内部传力组件，用于不同的力的施加和测量。
试件性能测量模块，包括绝热垫块、标准测试杆、温度传感器，其中位于上端的第一标准测试杆7可以在汽缸轴杆19的推动下上下运动，位于下端的第二标准测量杆8固定，第一标准测试杆7与第二标准测试杆8间夹持测试样品12，通过力加载模块控制第一标准测试杆7运动可以实现测试样品12的夹持和力加载。
冷热源控制管理模块，包括加热棒、液氮冷却单元、低温恒温槽冷却单元、铜编织带。针对温区在-40℃以下的测量试验采用液氮冷却单元提供冷源，液氮冷却单元包括液氮杜瓦32、液氮加注管路25、流量控制阀26、液氮储液罐27、排气管路29和加热片28，根据试验测量需要液氮储液罐27可以通过第一铜编织带30与第一标准测试杆7端部连接，液氮储液罐27可以通过第二铜编织带31与第二标准测试杆8端部连接，为标准测试杆提供冷源；针对温区在-40℃以上的测量试验采用低温恒温槽冷却单元提供冷源，低温恒温槽冷却单元依次设有低温恒温槽21，第一球阀22、冷头23、第二球阀24，根据试验测量需要冷头23可以通过第一铜编织带30与第一标准测试杆7端部连接，冷头23可以通过第二铜编织带31与第二标准测试杆8端部连接，作为标准测试杆冷源。第一标准测试杆7端部插入并固定安装第一加热棒5，第二标准测试杆8端部插入并固定安装第二加热棒6；通过控制第一加热棒5的加热功率来实现第一标准测试杆7的温度控制，通过控制第二加热棒6的加热功率来实现第二标准测试杆8的温度控制。
数据采集与控制模块，包括数据采集控制单元、上位机。数据采集控制单元35实现第一组温度传感器9、第二组温度传感器10、力传感器13、第一加热棒5和第二加热棒6电压、电流的数据采集；数据采集控制单元35将所采集的数据传给上位机36，上位机36根据采集数据，通过采集控制单元35控制第一加热棒5、第二加热棒6的功率输入和力加载模块中调压阀16开度。
具体的，真空隔热模块中多层绝热屏2位于真空腔1内部置于第一标准测试杆7、第二标准测试杆8和测试样品12外侧，用来减小标准测试杆向外漏热带来的测量误差；真空泵33置于真空腔1外，通过法兰接头与真空腔1连接，真空泵33与真空腔1间设有截止阀34，真空泵33用于提供测试中所需的真空环境，用来减小标准测试杆的漏热及防止低温测试时真空腔1内外壁结霜。
具体的，力加载模块依次设有压缩空气源14、第三球阀15、调压阀16、电磁阀17、气缸18、第一流量调节阀37、第二流量调节阀38组成的外动力加载装置和轴杆19、动密封结构20、力传感器13组成的内部传力组件。调压阀16用于调节加载力的大小；气缸18的活塞转接一根轴杆19，轴杆19在真空腔1顶部通过动密封结构20进入真空腔1，外部气缸18的动力通过轴杆19传递给试件性能测量模块，电磁阀17用于控制气缸18的活塞动作；第一流量调节阀37、第二流量调节阀38可以控制气缸轴杆19的运动速度，保证力加载过程中操作的平稳安全。
具体的，试件性能测量模块包括隔热垫块、标准测试杆、温度传感器。力加载模块通过轴杆将力作用于试件性能测量模块，其中轴杆19与第一标准测试杆7之间设有第一绝热垫块3；力加载模块可以控制第一标准测试杆7上下移动，夹持置于第二标准测试杆8上的测试样品12，并可提供测量试验中所需的加载力；第二标准测试杆8与压力传感器13间设有第二绝热垫块4，所述绝热垫块用于减小标准测试杆与真空腔间的热传导，用于防止低温测量时真空腔1过冷外侧结霜；第一标准测试杆7上等间距布置第一组温度传感器9、第二标准测试杆8上等间距布置第二组温度传感器10，用于测量标准测试杆的温度，通过测量标准测试杆上的温度可计算出测试样品的等效导热系数或接触热阻。
具体的，冷热源控制管理模块中液氮冷却单元的液氮杜瓦32出口连接液氮加注管路25，液氮加注管路25上布置有流量控制阀26，液氮加注管路25进入真空腔1内与所述液氮储液罐27法兰连接，用于往液氮储液罐27中加注液氮；液氮储液罐27侧面布置加热片28，用于试验结束后快速将液氮储液罐27中的液氮加热蒸发，从而达到快速复温的目的；液氮储液罐27上端通过排气管路29穿出真空腔1与大气相通，用于液氮加注过程的排气及试验和复温过程蒸发排气；液氮储液罐27可作为标准测量杆的恒温冷源；低温恒温槽冷却单元，通过低温恒温槽21提供恒定温度的冷流体，低温恒温槽21通过管路与冷块23串联形成回路，低温恒温槽21提供的低温流体以恒定的温度不断循环流经冷头23，冷头23作为标准测试杆的冷源。冷热源控制模块根据试验测量温区选定开启所需的冷却单元；第一铜编织带30、第二铜编织带31可以根据试验温区需要在液氮储液罐27和冷头23间进行切换连接。
具体的，真空腔1上固定有穿腔插头11，穿腔插头11位于真空腔1内侧的接插件与第一组温度传感器9、第二组温度传感器10、力传感器13、第一加热棒5、第二加热棒6、加热带28通过线缆连接，所述穿腔插头位于真空腔外侧的接插件通过线缆与数据采集控制器35相连。
下面结合图1阐述本发明的具体工作过程：首先根据测试样品所需测量的温区选择是否开启冷却单元，若需开启冷却单元则根据温区选择开启液氮冷却单元还是低温恒温槽冷却单元。若测量温区为常温或高温，则无需开启冷却单元；若测量温区在-40℃以上的低温，则选择开启低温恒温槽冷却单元；若测量温区在-40℃以下，则选择开启液氮冷却单元；选择好所需的冷却单元后，根据试验需要将第一铜编织带30、第二铜编织带31连接到所选择的冷却单元的冷源上，若选择的液氮冷却单元则连接到液氮储液罐27上，若选择的低温恒温槽冷却单元则连接到冷头23上。连接好铜编织带后将测试样品12置于第二标准测试杆8端部；开启压缩空气源14和第三球阀15，通过力加载模块控制第一标准测试杆7向下运动将测试样品12夹在两标准测试杆之间；接下来将多层绝热屏2包裹在标准测试杆的外侧；接下来关好真空腔1的观察舱门，打开数据采集控制单元35和上位机36，并打开真空泵33和截止阀34开始抽真空，达到合适的真空度后便可开启所选择的冷却单元，若选择液氮冷却单元则开启液氮杜瓦罐32液相阀门和液氮流量控制阀26向液氮储液罐27充注适量液氮，若选择低温恒温槽冷却单元则开启低温恒温槽21、第一球阀22、第二球阀24；待冷源温度建立后，维持一段时间，调节调压阀16设定所需加载的力的大小，开启电磁阀17控制气缸18活塞的动作；待测试试验温度稳定后采集数据并计算所测等效导热系数或接触热阻的值。
本发明的特点在于，在真空绝热环境下进行等效导热系数和接触热阻测量，从而提高测量精度；通过冷却单元切换，可实现-160～80℃大温区的各种材料等效导热系数测量；同时设计的力加载模块可实现可调力加载下材料接触热阻的测量；为热控设计和热分析提供了所需的材料导热性能测试数据，支撑了热控系统研制。