[发明专利]高真空环境中旋转部件的加热与冷却装置及方法

说明书

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10^-7Pa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±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出管，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，所述气氮输出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：