专利名称：一种固定结合面真空接触热导测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种接触热导测量技术领域，尤其是一种装配结合面接触热导测量装置。
背景技术：
在复杂机械系统中由于装配结合面中大量存在，其整体性被破坏。结合面接触热 导作为结合面的一个重要参数，影响着系统的动静态热平衡。由于装配结合面造成的不连 续性，使得不同部分热变形不一致，而最终严重影响到系统的静态和动态精度。准确的获得 不同条件下的接触热导有重要工程意义。通过对接触热导的测量和获取，再通过对整个系 统热传递分析，从而可以预测由于热变形而引起的系统误差的大小，从而采取相因的补偿 措施，最终提高系统的精度。近几十年来接触热导的研究一直是一个活跃的研究领域，很多 学者进行了大量的理论和实验研究，本发明专利提供了一种更加便捷、准确、高效率的测量 方法。目前接触热导的测量均是通过测量试件和热流计的温度推导求出接触热导。实验 台主要是由真空装置、加压装置、试件于热流计、加热装置、制冷装置、循环装置、测量装置 以及外处理单元组成。徐烈等在低温工程1999年第四期(双热流法测定低温真空下固体界 面的接触热阻，1999，110(4))，提出了双热流计测量低温界面接触热阻的实验方案；Vlshal Singha 等在 2004 年第 15 期 Measurement Science and Technology (Instrumentation to measure thermal contact resistance, 2004, 275 (15))提出其用来测量固体界面接触热 导的实验装置。尽管很多学者都对结合面接触热导的测量装置进行了研究，但由于压力装置尺寸 过大，需放置在真空箱外，通过破坏真空箱的完整性来实现对箱内结构控制，使得真空箱结 构过于复杂，难于实现，其真空效果不好。目前装置的制冷系统不能提供一种有效地将长生 热量带走的好方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量固定结合面在真空环境下接触热阻的装置。本发明的技术方案是这样实现的包括一个真空装置、压电陶瓷加载装置、被测试件和热流计、加热装置、制冷装置、 循环装置、测量装置以及数据处理和显示装置，被测试件和热流计放置在压力陶瓷加载装 置上压紧，加热装置和循环装置连接在上下加热制冷件上，温度传感器安装在被测试件和 热流计上，压力传感器连接在加载装置上，上述装置均置于真空装置中，制冷装置、数据处 理和显示装置放在真空装置外。真空装置由真空罩和真空底板通过密封橡胶构成，真空底板焊接有凹槽，并开了 导线连接口以及真空泵接口。凹槽盛放制冷液体。
压力陶瓷加载装置由四螺杆机构，上支撑板和压力陶瓷构成，压力陶瓷固定在上 支撑板下表面。加热装置由电加热环和加热制冷件构成，电加热环包裹在加热制冷件外一部分， 电加热环开关通过真空箱底部的接口与外界控制单元相连。循环装置由循环管道、制冷泵、制冷圈和加热制冷件构成，制冷圈包裹在加热制冷 件被电加热环包裹之外的另一部分，制冷圈与制冷管道相连，连接到真空底板凹槽中的制 冷液，制冷泵安装在左右两边制冷管道之间。制冷装置由制冷液氮、外制冷液容器以及制冷液构成，制冷液氮放在真空箱外，通 过管道连接到外制冷液容器中的制冷液，制冷液容器放在真空底板下，真空底板的凹槽浸 泡在外制冷液容器的制冷液中。测量装置包括压力测量装置和温度测量装置，压力测量装置置于真空底板上并在 下加热制冷件下方，温度传感器安装在试件和热流计侧面的加工孔内，压力和温度传感器 通过真空箱底部的接口与真空箱外的数据处理和显示单元相连。本发明技术方案使用压电陶瓷和螺杆机构作为压力装置，间接制冷装置和循环装 置，使得整个测量装置更加紧凑简单，操作方便，测量效果更好。通过一个真空箱外液氮冷 却装置，一个真空箱内压电陶瓷加压装置和一个可控双向导热制冷循环装置来实现。真空 箱内冷却液通过液氮间接制冷，再通过循环系统送到上加热制冷件或下加热制冷件实现制 冷。制冷液循环系统通过开关控制可实现上端制冷或下端制冷，从而实现热流从上往下或 从下往上传递；使用压电陶瓷的压力装置可实现实验过程中在真空箱外对结合面间压力可 调可控。在各个系统的共同作用下，精确测量待测试件和上下热流计中的温度分布，根据傅 里叶传热理论和接触热导的定义求出固定结合面接触热导值。其结构更简单，操作便捷性、 效率更高。
图1为本发明结构框2为本发明固定结合面接触热导测量装置的真空装置图3为本发明固定结合面温度传感器安装试4为本发明固定结合面接触热导测量装置的压力装置图5为本发明固定结合面接触热导测量装置的加热循环装置图6为本发明固定结合面接触热导测量装置的制冷装置图7为结合面接触热导界面温降获取插值示意图。其中，1真空罩2支撑螺杆3加压螺栓4上支撑板5上加热制冷件6循环管道 7液氮阀门8液氮储存罐9液氮10液氮管道11真空箱密封螺栓12真空箱支撑柱13称 重传感器14压电陶瓷15上加热环16上制冷圈17上试件18上热流计19下热流计20 下加热环21制冷液泵22下制冷圈23密封橡胶圈M下试件25真空箱底板沈下加热 制冷件27真空箱内制冷液观真空箱外制冷液四防辐射罩30数据处理和显示单元31 导线32真空泵接口 33外制冷液容器34温度传感器下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施例方式如图1中所示，主体部分由真空装置，压电陶瓷加载装置，被测试件和上下热流 计，加热装置，制冷装置，循环装置，测量以及数据获取和处理显示装置构成如图2，主要包括真空罩1和真空箱底板25。真空罩和真空底板间通过密封橡胶 圈23在四个螺栓11的压力作用密封。真空罩底板中心部分焊接与箱内相通凹槽，凹槽用 来盛放制冷液体。如图3所示，由被测试件和热流计构成。构成被测结合面的被测试件17和M被 加工为直径为25mm，长度50mm，侧面加工与温度传感器探头同直径的孔，深度为圆柱半径 12. 5，温度传感器能测量轴心处的温度。两被测试件夹在上热流计18和下热流计19之间。 两热流计为导热率高的标准材料，热导率已知。其外形以及开孔方式和被测件完全一致。四 圆柱件外加以防辐射罩，降低零件的辐射。如图4所示，主要包括四螺栓3和螺杆2，上支撑板4和压电陶瓷14。压电陶瓷通 过四螺栓固定在上支撑板4下表面。被测工件、上下热流计以及加热制冷件放在真空底板 和压电陶瓷之间。通过拧紧螺杆上的四螺栓，提供结合面一定预压力。压电陶瓷通过导线， 由真空箱外的电压单元控制其伸长量。此伸长量决定结合面间压力大小。压力大小由称重 传感器测量显示，通过调节控制电压大小使结合面压力达到预期数值。对于同一组时间，在 一定压力数值下的接触热导测量完成之后，可改变压力数值直接进行第二次测量。如图5所示。与试件同直径的圆柱件5和沈可根据需要既为加热件和制冷件。加 热制冷件5和沈都分两部分，被上下电加热环15和20和上下制冷液循环圈16和22包裹。 电加热环在通电以后便可加热。制冷液循环圈和真空底座凹槽内的制冷液27通过循环管 道6相连，制冷液流过制冷循环圈将传过来热量带走。制冷液由循环泵21控制，通过循环 管道6进入上面或者下面制冷循环圈，最终流于凹槽内。循环泵由真空箱外的控制单元控 制。实验过程中，总是一边加热一边制冷，形成温度梯度，不会出现上边和下边同时加热或 制冷的情况。对于不同材料构成的结合面，热流的传递方向会影响接触热导的大小。在实 验过程中，可在一组实验结束之后直接改变热流方向进行第二组实验。如图6所示，包括储存液氮9的液氮储存罐8，由阀门7控制通过管道10连通真空 箱底座下容器33。通过控制阀门7的闭合情况来控制。将构成被测结合面的试件17和M加载上热流计18和下热流计19中间，如图1 所示。然后继续放在上下两个加热制冷件中间5和26。将这六个试件垂直放置在真空箱底 座中间部分，上部连接固定在上支撑板4底部的压电陶瓷4。通过拧紧支撑螺杆上四个螺栓 对结合面形成一定预压力。将16个温度传感器探头安装在被测试件17和M和上下两个热流计18和19侧 面加工孔里，通过真空箱底端接头连接到箱外的信号显示和处理单元。称重传感器，压电陶 瓷14，上下两个电加热环15和20以及左右两个循环通道连接泵21和22通过真空箱内接 头31连接到箱外控制和显示处理单元30。将真空箱罩1安装在真空箱底座25上，通过拧紧周围螺栓11形成真空腔。开启 与真空箱通过真空泵接口 32连接的真空泵，将箱内空气抽尽，形成所需要真空。在构成结合面材料不一致的情况下，热流的流向会影响接触热导的数值。这时需 要确定上面加热下面制冷还是上面制冷下面加热。这里假设热流从上往下流。开启上电加热环15，对上加热制冷件5加热。与加热环与箱外PID控制器相连，保证顶端温度稳定。 启动右循环系统泵21，将真空箱底部槽内27制冷液送到下加热制冷件沈外包裹的制冷圈 22，然后回到槽内。开启液氮储存罐阀门7，液氮进入到制冷容器中气化，吸收制冷液观大量热量使 制冷容器中的制冷液降温。深入到制冷液观中的温度传感器34动态显示制冷液的温度大 小。通过控制阀门的开启大小来控制和保证制冷液温度维持在一个温度的数值。真空箱外 的制冷液透过真空箱底部凹槽壁间接制冷箱内制冷液。加热过程中，由于材料受热膨胀，结合面压力会增大。通过调整压电陶瓷14的伸 长量来控制界面压力，将最终的压力控制在预定数值。大约两个小时之后，整个系统传热稳定下来。被测试件和热流计安装的温度传感 器测量的温度不再变化，纪录此时的压力数值和所有温度数值进行处理。根据傅里叶传热公式热流计的热流密度q = "k(dt/dz).热流计材料已知，导热 系数k为已知值。通过拟合热流温度对垂直方向的直线，其斜率即为dt/dz。上下热流计都 可求出一个热流密度9±和qT。验证其大小，当9±和qT差别不超过5%，保证热流稳定，取 算术平均值作为后续计算热流密度。如图7所示，在同一直角坐标上，分别拟合温度对垂直距离Z的两条直线，插值出 两条直线在界面处温降ΔΤ。接触热导h = q/AT。
权利要求
1.一种固定结合面真空接触热导测量装置，包括一个真空装置、压电陶瓷加载装置、被 测试件和热流计、加热装置、制冷装置、循环装置、测量装置以及数据处理和显示装置，其特 征在于，被测试件和热流计放置在压力陶瓷加载装置上压紧，加热装置和循环装置连接在 上下加热制冷件上，温度传感器安装在被测试件和热流计上，压力传感器连接在加载装置 上，上述装置均置于真空装置中，制冷装置、数据处理和显示装置放在真空装置外。
2.根据权利要求1所述的一种固定结合面真空接触热导测量装置，其特征在于，真空 装置由真空罩(1)和真空底板05)通过密封橡胶03)构成，真空底板焊接有凹槽，并开了 导线连接口以及真空泵接口(32)。
3.根据权利要求2所述的一种固定结合面真空接触热导测量装置，其特征在于凹槽 盛放制冷液体(XT)。
4.根据权利要求1所述的一种固定结合面真空接触热导测量装置，其特征在于压力 陶瓷加载装置由四螺杆机构0)，上支撑板(4)和压力陶瓷(14)构成，压力陶瓷固定在上支 撑板⑷下表面。
5.根据权利要求1所述的一种固定结合面真空接触热导测量装置，其特征在于加热 装置由电加热环(15、20)和加热制冷件(5、26)构成，电加热环包裹在加热制冷件外一部 分，电加热环开关通过真空箱底部的接口与外界控制单元相连。
6.根据权利要求1所述的一种固定结合面真空接触热导测量装置，其特征在于循环 装置由循环管道(6)、制冷泵(21)、制冷圈(16,22)和加热制冷件构成，制冷圈(16,22)包 裹在加热制冷件被电加热环包裹之外的另一部分，制冷圈与制冷管道相连，连接到真空底 板凹槽中的制冷液(27)，制冷泵安装在左右两边制冷管道之间。
7.根据权利要求1所述的一种固定结合面真空接触热导测量装置，其特征在于制冷 装置由制冷液氮(9)、外制冷液容器(3 以及制冷液08)构成，制冷液氮放在真空箱外，通 过管道连接到外制冷液容器中的制冷液，制冷液容器放在真空底板下，真空底板的凹槽浸 泡在外制冷液容器的制冷液中。
8.根据权利要求1所述的一种固定结合面真空接触热导测量装置，其特征在于测量 装置包括压力测量装置(1 和温度测量装置(34)，压力测量装置置于真空底板上并在下 加热制冷件下方，温度传感器安装在试件和热流计侧面的加工孔内，压力和温度传感器通 过真空箱底部的接口与真空箱外的数据处理和显示单元(30)相连。
全文摘要
本发明公开了一种固定结合面真空接触热导测量装置，包括一个真空装置、压电陶瓷加载装置、被测试件和热流计、加热装置、制冷装置、循环装置、测量装置以及数据处理和显示装置，被测试件和热流计放置在压力陶瓷加载装置上压紧，加热装置和循环装置连接在上下加热制冷件上，温度传感器安装在被测试件和热流计上，压力传感器连接在加载装置上，上述装置均置于真空装置中，制冷装置、数据处理和显示装置放在真空装置外。其结构更简单，操作便捷性、效率更高。
文档编号G01N25/20GK102141529SQ201010616149
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者彭俊峰, 李宝童, 洪军, 王崴, 薛夏华 申请人:西安交通大学, 西安瑞特快速制造工程研究有限公司