ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ ТЕРМОКАМЕРА
TEST HEAT-CHAMBER

Изобретение относится к устройствам для производства тепла или холода и предназначено для оценки температурных изменений параметров микромеханических модулей при их испытании на двух или трехосных автоматизированных стендах.
Подобные испытательные камеры должны сохранять работоспособность при любой пространственной ориентации, обеспечивая установку, изменение с заданной скоростью и поддержание необходимой температуры воздушного объема с испытуемыми изделиями, получающими по заданной программе вращение и угловое позиционирование вокруг двух или трех взаимно ортогональных осей.
Указанные задачи решаются использованием термоэлектрических устройств, которые для этих целей находятся вне конкуренции по сравнению с компрессорными или абсорбционными холодильниками.
Термоэлектрические установки для производства тепла или холода общеизвестны и находят широкое применение для промышленных и бытовых целей (например, патенты РФ: №2140365, B60H 3/00, F25B 29/00, 1999 г.; №2174475, B61D 27/00, B60H 3/00, H01L 35/28, 2001 г.; №2176191 B60H 3/00, 2001 г.; №2407954, F24F 5/00, F25B 21/02, B60H 3/00, 2010 г. и т.д.). Перечисленные устройства содержат батареи из термоэлектрических модулей, горячие пластины которых находятся в тепловом контакте с наружными теплоотводами, а холодные пластины через теплопроводники контактируют с охлаждаемой средой. Переход от охлаждения к нагреванию осуществляется переключением полярности питающего модуля напряжения, а степень охлаждения или нагревания может регулироваться изменением величины этого напряжения. Однако упомянутые устройства не могут быть использованы для температурных испытаний, так как для этого необходимо контролировать температуру охлаждаемого объема и управлять мощностью термоэлектрических модулей с помощью электронного блока управления.
Известны термоэлектрические испытательные устройства нагрева-охлаждения, позволяющие задавать и поддерживать температуру с необходимой точностью (например, патент РФ на термоэлектрический термостат №2129745, H01L 35/28, F25B 21/02, G01N 30/02, 1999 г.). Испытательный термостат содержит корпус с тепловой изоляцией, называемый в настоящее время как «изотермический корпус», термоэлектрические модули с теплоотводами, термодатчик и электронный блок управления. Недостатком данного устройства является его использование только в режиме охлаждения испытуемых изделий.
В качестве прототипа выбрана наиболее близко соответствующая назначению данного изобретения «Термоэлектрическая камера тепла-холода ТЭК 50/60», выпускаемая с 2004 г. ЗАО «ТЭРИФ-Н», г.Москва, Зеленоград (фотография и технические характеристики камеры прилагаются в разделе «Другие документы»). Указанное изделие содержит термоэлектрические батареи с теплоотводами, изотермический корпус, внутри которого установлена термостатируемая камера с термодатчиком, герметично закрываемая при работе дверцей, а также содержит встроенный в корпус электронный блок управления, позволяющий устанавливать и поддерживать заданную температуру.
Недостатками прототипа, препятствующими его применению для температурных испытаний микромеханических модулей, являются:
- отсутствие внутри термостатируемого объема поворотного стола, необходимого для установки и программного вращения микромеханических модулей;
- при установке прототипа на стенд с последующим его вращением отсутствует возможность контроля и перестройки тепловых режимов;
- электронный блок прототипа не позволяет задавать скорость изменения температуры и не обеспечивает связь с внешним управляющим компьютером;
- масса прототипа более чем вдвое превышает массу, допустимую для установки на стенд.
Задачами изобретения являются: размещение внутри термостатируемой камеры поворотного стола, который должен быть жестко связан с валом приводного двигателя стенда таким образом, чтобы обеспечивались минимальные тепловые потери от термокамеры в окружающую среду; реализация возможности программного управления движущейся термокамерой от управляющего компьютера стенда; уменьшение массы термокамеры до допустимых предельных значений.
Технический результат в заявленном устройстве достигается тем, что изотермический корпус выполнен в виде съемного узла, содержащего термоэлектрический агрегат с термостатируемой камерой, и основания, устанавливаемого на стенде и имеющего в центре сквозное отверстие, в котором с уплотнением размещена соединительная муфта с закрепленным на ней поворотным столом, насаживаемая на вал приводного двигателя стенда и состоящая из трех коаксиально напрессованных друг на друга втулок, центральная из которых является несущей и выполнена с продольными прорезями из материала с теплопроводностью, не превышающей 18 Вт/м*град, а для наружной и внутренней втулок использован материал с теплопроводностью, не превышающей 0,3 Вт/м*град, при этом электронный блок термокамеры выполнен в виде выносной конструкции, устанавливаемой на стойке управления стендом, и дополнительно содержит блок задания скорости изменения температуры и узел сопряжения его контроллера с управляющим компьютером стенда.
На фиг.1 представлена конструкция изотермического корпуса, а на фиг.2 - фотография полного комплекта испытательной термокамеры.
Изотермический корпус состоит из основания и съемного узла 1, на котором размещены термоэлектрические батареи 2 из термоэлектрических модулей, горячие пластины которых соединены с наружными теплоотводами 3, выполненными, например, с использованием тепловых труб, а холодные пластины посредством теплопроводников 4 соединены со стенками внутренней термостатируемой камеры 5 и контрольным термодатчиком (не показанным на чертеже, так как место его установки определяется конкретными условиями испытаний микромеханических модулей).
Основание 6 изотермического корпуса установлено и зафиксировано на кронштейне 12 стенда и имеет в центре сквозное отверстие, в котором с уплотнением размещена соединительная муфта с закрепленным на ней поворотным столом 7, используемым для установки испытуемых микромеханических модулей. Соединительная муфта состоит из трех коаксиально напрессованных друг на друга втулок 8, 9, 10, центральная из которых - втулка 8 является несущей, т.е. осуществляет жесткую связь стола 7 с валом 11 приводного двигателя стенда, а внутренняя втулка 9 и наружная втулка 10 используются в качестве тепловых изоляторов.
Испытательная термокамера работает следующим образом. Испытательный стенд, на котором установлена термокамера, оборудован информационным и силовым токосъемниками. Через информационный токосъемник осуществляется электрическая связь с управляющим компьютером стенда испытуемых модулей, устанавливаемых на поворотном столе 7 при отсоединении узла 1 камеры с термоэлектрическим агрегатом от основания 6, а через силовой токосъемник осуществляется связь термоэлектрического агрегата с электронным блоком управления, который оснащен каналом связи с управляющим компьютером стенда, благодаря чему реализуется возможность ручного или программируемого задания параметров как перед испытаниями, так и во время испытаний. После установки на поворотном столе испытуемого микромеханического модуля узел 1 с некоторым натягом закрепляется на основании 6 либо накидными защелками, либо с помощью винтов (элементы закрепления на фиг.1 не показаны для упрощения). За счет натяга термоизолирующий слой узла 1 плотно смыкается с термоизолирующим слоем основания 6, теплопроводящие стенки 5 телескопически входят в аналогичные стенки основания, в результате чего образуется замкнутый термостатируемый объем, внутри которого находится поворотный стол с испытуемым микромеханическим модулем.
К конструкции основания 6 и муфты, состоящей из втулок 8, 9, 10 и жестко связывающей наружный вал электропривода стенда с расположенным внутри термостатируемого объема поворотным столом, предъявляется целый ряд специфических требований: максимальное ограничение теплопритока от окружающей среды к поверхности стола с целью минимизации температурных градиентов в термостатируемом объеме, при установке на столе диаметром 200 мм модулей массой до 2-х кг и их вращении осевой изгиб при упругой деформации муфты, а также при колебаниях температуры не должен вызывать торцевое биение стола более 15 мкм, при плотной посадке муфты в отверстии теплоизоляции основания 6 должно быть исключено возможное изменение температуры рабочего объема камеры вследствие выделения тепла из-за трения скольжения, а также обеспечена самоустановка муфты при возможном несовпадении центра отверстия основания с осевым центром вала 7 электропривода.
Указанным требованиям удовлетворяет совокупность отличительных признаков заявленного устройства, одним из которых является исполнение соединительной муфты из трех коаксиально напрессованных друг на друга втулок; центральная втулка 8 является несущей, т.е. обеспечивающей непосредственную связь стола с валом приводного двигателя стенда и выполнена с продольными прорезями из материала с необходимой прочностью и обладающего коэффициентом теплопроводности не более 18 Вт/м*град (например, из титана или нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т), а наружная 9 и внутренняя 10 втулки выполнены из материала с низким коэффициентом трения и повышенной износостойкостью и обладающего коэффициентом теплопроводности не более 0,3 Вт/м*град (например, из капролона). Небольшое сечение несущей втулки 8 и наличие на ней продольных прорезей, не уменьшающих существенно ее жесткость, обеспечивает повышенное термическое сопротивление соединительной муфты, в результате чего значительно снижается теплоприток от приводного вала 11, имеющего температуру окружающей среды, к поверхности находящегося внутри термостатируемого объема камеры стола 7, теплоизолированной втулками 9 и 10 и имеющей ограниченный тепловой контакт с торцом несущей втулки 8. Как показали проведенные расчеты и последующие исследования, при выполнении втулок 8, 9, 10 из вышеуказанных материалов достигаемый при этом градиент температуры поворотного стола от его центра до периферии не превосходит 0,5°C, что соответствует нормам температурных испытаний микромеханических модулей, а торцевое биение стола при всех дестабилизирующих факторах не превышает 10-15 мкм.
Другим отличительным признаком заявленного устройства является размещение соединительной муфты в отверстии теплоизоляции основания 6. Благодаря упругости и достаточной податливости теплоизоляционного материала, например, войлока, обеспечивается как необходимое уплотнение вращающейся муфты, препятствующее сообщению термостатируемого объема с окружающей средой, так и самоустановка этой муфты при ее насадке на приводной вал 11 вследствие возможного несовпадения центра отверстия основания с осевым центром вала (войлок, как известно, широко используется в машиностроении для уплотнения вращающихся валов). В то же время относительно низкий коэффициент трения пары капролон-войлок обеспечивает отсутствие существенных теплопритоков в термостатируемый объем во время вращения муфты и достаточную износостойкость, необходимую для сохранения уплотнения.
При подаче электронным блоком управляющего напряжения на термоэлектрические батареи термостатируемый объем камеры охлаждается или нагревается с заданной скоростью до заданной температуры, контролируемой термодатчиком.
Выносная конструкция электронного блока позволяет более чем в 2 раза снизить массу устанавливаемого на стенде термоэлектрического охладителя-нагревателя, доведя ее до допустимого предела 6,5 кг. Основу электронного блока составляет серийно выпускаемый ООО «Системы СТК» г.Пермь ПИД-регулятор температуры РТ-104, дополненный программно-реализуемым блоком задания скорости изменения температуры, автоматически корректирующим коэффициенты пропорциональности, интегрирования и дифференцирования, а также узлом сопряжения его контроллера с управляющим компьютером стенда на основе широко используемого USB канала связи.
Это обеспечивает программное задание термоциклирования и непрерывный контроль в процессе проведения испытаний.
Таким образом, совокупность описанных отличительных признаков реализует выполнение функций заявленной испытательной камеры при ее вращении вокруг одной или двух осей, взаимно ортогональных относительно оси поворотного стола, и, следовательно, обеспечивает возможность ее использования при испытании микромеханических модулей на двух или трехосных автоматизированных стендах.
Образцы испытательной термокамеры «тепло-холод» прошли приемосдаточные испытания (акт и протокол приемосдаточных испытаний прилагаются в разделе «Другие документы»), а внедрение намечено в 2011 году (ссылка о внедрении в соответствии с Программой «У.М.Н.И.К» в СпбГЭТУ также прилагается в разделе «Другие документы»).