热工压力仪

[color=#990000][size=16px]摘要：现有的[/size][size=16px]ARC[/size][size=16px]加速量热仪普遍存在单热电偶温差测量误差大造成绝热效果不好，以及样品球较大壁厚造成热惰性因子较大，都使得[/size][size=16px]ARC[/size][size=16px]测量精度不高。为此本文提出了技术改进解决方案，一是采用多只热电偶组成的温差热电堆进行温差测量，二是采用样品球外的压力自动补偿减小样品球壁厚，三是用高导热金属制作样品球提高球体温度均匀性，四是采用具有远程设定点和串级控制高级功能的超高精度[/size][size=16px]PID[/size][size=16px]控制器，解决方案可大幅度提高[/size][size=16px]ARC[/size][size=16px]精度。[/size][/color][align=center][size=16px][color=#990000][b]==============================[/b][/color][/size][/align][b][size=18px][color=#990000]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 加速量热仪（Accelerating Rate Calorimeter）简称ARC，是一种用于危险品评估的热分析仪器，可以提供绝热条件下化学反应的时间-温度-压力数据。加速量热仪（ARC）基于绝热原理，能精确测得样品热分解初始温度、绝热分解过程中温度和压力随时间的变化曲线，尤其是能给出DTA和DSC等无法给出的物质在热分解初期的压力缓慢变化过程。典型的加速量热仪的结构如图1所示。为了保证加速量热计的测量精度，ARC装置需要实现以下两个重要条件：[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=ARC加速量热计典型结构,500,267]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309121740385310_8045_3221506_3.jpg!w690x369.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 ARC加速量热仪典型结构[/b][/color][/size][/align][size=16px] （1）被测样品始终处于绝热环境。绝热环境的实施需采用等温绝热方式，即样品球周围的护热加热器温度始终与样品球温度保持一致，两者的温差越小，样品散失或吸收的热量则越小，量热仪测量精度越高。[/size][size=16px] （2）空心结构样品球（样品池或样品容器）的壁厚越薄越好，以最大限度减少热惰性因子，减少球体吸热和放热影响。[/size][size=16px] 在目前的各种商品化ARC加速量热仪中，并不能很好的实现上述两个边界条件，主要存在以下几方面的问题：[/size][size=16px] （1）样品温度和护热温度仅采用了两只热电偶温度传感器，而热电偶的测温精度和一致性本身就较差，仅靠两只热电偶测温和控温，很难保证达到很好的等温效果，往往会造成漏热严重的现象，导致测量精度较差。热电偶在使用一段时间后，这种现象会更加突出。[/size][size=16px] （2）因为化学反应过程中会产生高温高压，使得现有ARC的样品球壁厚必须较厚以具有较大的耐压强度，避免样品球或量热池产生形变或破裂，但这势必增大了热惰性因子。这种壁厚较厚和较大热惰性因子，是造成ARC加速量热仪测量误差较大的另一个主要原因。[/size][size=16px] （3）由于首先要保证壁厚和耐压强度，量热池所用材质往往是高强度金属，但这些金属材质相应的热导率往往较低，较低的热导率则会影响量热池侧壁温度的快速均匀。这种低导热材质所带来的样品球温度非均匀性问题，又会造成周边护热温度控制的误差，所带来的连锁效果会进一步降低测量精度。[/size][size=16px] 为了解决目前ARC加速量热仪存在的上述问题，本文提出了以下解决方案。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案主要包括两方面的技术改进，一是采用多只热电偶构成温差热电堆来提高温差检测的灵敏度和更好的保证绝热环境，二是在样品球外增加气体压力自动补偿。改进后的ARC加速量热仪的结构及控制装置如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=ARC加速量热仪温度和压力控制装置结构示意图,550,283]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309121741195817_6742_3221506_3.jpg!w690x356.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 ARC加速量热仪温度和压力控制装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在如图2所示的高温高压控制装置中，采用了4对热电偶组成的热电堆来检测样品球与护热加热器之间的温差，这样可以使温差测量灵敏度提高4倍，即可使原来采用单只热电偶的量热计测量精度得到大幅提高。在实际应用中，热电堆中的热电偶数量并不限制于4只，可以根据ARC结构和体积采用更多的热电偶，由此可进一步提高温差测量灵敏度，但在选择热电偶时，需要采用尽可能细的热电偶丝，以减少热量通过热电偶丝进行传递。[/size][size=16px] 对于补偿压力的控制，如图2所示，在ARC中增加了一路高压气路。压力控制回路由压力传感器、压力调节器和PID控制器构成，通过压力调节器将来自高压气源（如氮气）的压力进行自动减压控制，使得高温高压腔体内的压力始终跟踪样品球内的压力变化，从而尽可能降低样品球内外的压力差。压力调节器是一个内置压力传感器、PID控制器和两只高速进出气阀门的压力控制装置，可直接接收外部压力设定信号进行快速和准确的压力控制，非常适用于像ARC量热仪高温高压腔这样的密闭腔室的气体压力控制。压力调节器的压力控制范围为0~5MPa（表压），如需要更高压力调节，则需增加一个高压背压阀，但压力调节还是通过压力调节器。[/size][size=16px] 在图2所示的高温高压控制装置中，温差传感器的灵敏度、压力传感器测量精度以及压力调节器控制精度都决定了ARC加速量热计边界条件是否精确，但这些部件对ARC的最终测量精度贡献还需PID控制器来决定。PID控制器作为ARC绝热量热仪的核心仪表，需要满足以下要求才能真正保证最终精度：[/size][size=16px] （1）在量热仪绝热实现方面，采用温差热电堆，可灵敏检测出样品球与护热加热器之间的微小温差变化，但温差灵敏度最终是要通过PID控制器的检测精度得以保证，由此要求PID控制器应有尽可能高的采集精度。同样，绝热控制的最终效果是温差越小越好，这也对PID控制器的控制输出提出了很高的要求，即要求控制精度越高越好。本解决方案中选择了VPC2021系列的超高精度PID控制器，这是目前国际上最高精度的工业用小尺寸PID调节器，具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，可完全满足微小温差热电势信号高精度检测和高精度温度控制的要求。[/size][size=16px] （2）在量热仪高压补偿控制方面，需要对高温高压腔室内的气体压力进行跟踪控制以尽可能的减小样品球内外的压力差。在压力控制回路中，压力传感器用来检测样品球内部的压力变化，同时此传感器的输出压力值又作为高温高压腔室压力控制的设定值，PID控制器根据此设定值来动态控制高温高压腔室压力，这就要求PID控制器具有远程设定点功能，并具有与压力调节器组成串级控制回路的功能，而本解决方案配置的VPC2021系列PID控制器则具备这种高级控制功能。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本解决方案采用了温差热电堆和压力补偿两种技术手段对现有ARC加速量热仪进行改进，改进后的ARC加速量热仪具有以下特点：[/size][size=16px] （1）温差热电堆可明显提高温差检测灵敏度，可更好的实现绝热效果。[/size][size=16px] （2）压力补偿可使得样品球的壁厚更薄，并降低了样品球材质的强度要求，样品球就可以采用高导热金属，在降低样品球热惰性因子的同时，更能提高样品球整体的温度均匀性，可显著提高量热仪测量精度。[/size][size=16px] （3）采用了具有远程设定点和串级控制这些高级功能的超高精度PID控制器，可充分发挥上述技术改进措施的优势，真正使ARC加速量热仪测量精度的提高得到了保障。[/size][size=16px] （4）所采用的技术手段，可推广应用到其它形式的热反应量热仪中。[/size][align=center][color=#990000][b][/b][/color][/align][align=center][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/align][size=16px][/size]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：真空压力热成型技术作为一种精密成型工艺在诸如隐形牙套等制作领域得到越来越多的重视，其主要特点是要求采用高精度的正负压力控制手段来抵消重力对软化膜变形的影响以及精密控制成型膜厚度。本文提出了相应的改进解决方案，通过可编程的纯正压控制技术实现软化膜上下压差以及热成型压力的精密调节，在保证产品质量的同时可简化控制系统。[/b][/color][/size][align=center][size=16px] [img=精密热成型工艺中的正负压力控制解决方案,550,292]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/05/202305190914248981_6279_3221506_3.jpg!w690x367.jpg[/img][/size][/align][b][size=18px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 热成型是一种将热塑性片材加工成各种制品的较特殊的加工方法。在具体成型过程中，片材夹在框架上加热到软化状态，在外力作用下，使其紧贴模具的型面，以取得与型面相仿的形状。冷却定型后，经修整即成制品。热成型方法有多种，但基本都是以真空和压力这两种方法为基础加以组合或改进而成。典型的真空和压力热成型原理如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.真空和压力热成型示意图,550,275]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/05/202305190917007981_2026_3221506_3.jpg!w690x345.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 真空和压力热成型原理示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，真空成型最大的成型压力为一个大气压，这造成真空成型压力较低，这往往使得受热软化后的热塑材料很难在模具的拐角或坑洼处形成紧密贴合，如图2所示，这会造成整体的成型精度较差。因此，真空成型工艺一般用于对成型精度要求较低的通用性塑料件的生产。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=02.真空热成型过程中的非紧密贴合现象示意图,550,198]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/05/202305190917280643_6456_3221506_3.jpg!w690x249.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 真空热成型过程中的非紧密贴合现象示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 正压热成型在真空（负压）基础上的发展演变而来，正压成型的压力往往可以达到4~5个大气压甚至更高，在压缩空气的正压作用下，贴合度大幅提高，产品外观质量和生产效率有了明显的提高，所以正压形式正逐步在高精度热成型工艺中得到广泛应用，特别是对于成型精密度有很高要求的隐形牙齿矫治器（隐形牙套、透明牙套），正压热成型已经成为一种标准工艺。采用正压热成型机器在3D打印模型上制造隐形牙齿矫正器，可以获得更均匀的塑料层，但产生均匀塑料层的理想正压水平需要根据以下几方面的影响因素进行确定和精密控制：[/size][size=16px] （1）牙模的结构比较复杂，表面沟壑较多，采用正压吸塑热成型工艺很难很好的控制牙套的厚度，要求正压压力控制精度极高。[/size][size=16px] （2）受热的热塑性材料呈软化状态，很容易受到重力影响而造成额外的形变，因此在正压热成型中受热软化片材的变形程度相差极大，必须消除重力带来的变形。[/size][size=16px] 为了解决上述问题，西安博恩生物科技有限公司在其发明专利CN112823761B中提出了正负压热成型工艺，首先控制平衡软化片材上下两侧的压强差，抵消重力带来的变形，然后在热成型时再通过压力变化来精确控制膜片的厚度。此发明专利仅提出了一种真空压力热成型工艺的新概念，并未给出压差和压力精密控制的具体实施方法描述，而具体真空压力控制的具体方式则是实现隐形牙套高精度热成型的关键技术之一。为此，本文针对诸如隐形牙齿矫正器正负压热成型工艺中的真空压力精密控制，提出相应的解决方案，以保证新型正负压热成型工艺的顺利实施。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 在专利CN112823761B中提出的正负压热成型过程如图3所示，固定有膜片的可上下移动的夹持器热成型设备分为上下两个独立的密闭腔室，每个独立腔室的真空和压力需要精密控制，只是真空压力的控制范围不同。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=03.正负压加热成型过程示意图,385,113]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/05/202305190917482920_2081_3221506_3.jpg!w385x113.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 正负压加热成型过程示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在膜片被加热软化和随夹持器向下移动时，底部腔室相对于顶部腔室为正压，即顶部腔室内的压力要大于顶部腔室压力，底部腔室正压托起软化过程中的膜片以抵消重力的影响。[/size][size=16px] 当膜片贴附在牙模上后，撤掉底部腔室压力，并逐渐增大顶部腔室压力，使顶部腔室压力相对于底部腔室压力为正压，由此通过较大的正压压力使膜片与牙模紧密贴合。[/size][size=16px] 通过上述过程可以看出，正负压热成型中的压力控制具有以下两个重要特征：[/size][size=16px] （1）在压差控制阶段，底部腔室压力要始终大于顶部腔室，以托起软化中的膜片减少重力对膜片变形的影响。这种情况下，两个腔室压力都可以是正压，顶部腔室压力不一定非要是真空负压，顶部腔室也可以是正压，但只要底部腔室压力足够大并能形成相应的压差托起膜片极可。[/size][size=16px] （2）在加压贴附阶段，使顶部腔室的压力足够大就可实现软化膜片的紧密贴合，这也意味着底部腔室的压力也不一定非要是真空负压，只要是顶部腔室的压力足够大，底部腔室为常压时也完全能够实现高压贴合。[/size][size=16px] 由此两个特征可以得出结论：所谓的正负压热成型，完全可以只采用正压控制予以实现，但前提是能够精密和可程序控制上下两个腔室的正压压力。[/size][size=16px] 通过上述分析可知，对上下两个腔室进行正压精密控制，通过压差和高压可很好的实现膜片紧密贴合和保证厚度的均匀性，这样可以减少真空控制的环节和相应装置，简化了控制系统。[/size][size=16px] 依此，本文提出的解决方案就是两个腔室的精密正压压力控制解决方案，通过两套压力控制装置分别实现上下两个腔室的压力可编程控制，具体结构如图4所示。[/size][align=center][b][size=16px][color=#339999][img=04.隐形牙齿矫治器热成型精密压力程序控制系统结构示意图,690,321]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/05/202305190918023454_1832_3221506_3.jpg!w690x321.jpg[/img][/color][/size][/b][/align][align=center][b][size=16px][color=#339999]图4 隐形牙齿矫治器热成型精密压力程序控制系统结构示意图[/color][/size][/b][/align][size=16px] 在膜片被加热软化和随夹持器向下移动时，底部腔室相对于顶部腔室为正压，即顶部腔室内的压力要大于顶部腔室压力，底部腔室正压托起软化过程中的膜片以抵消重力的影响。[/size][size=16px] 当膜片贴附在牙模上后，撤掉底部腔室压力，并逐渐增大顶部腔室压力，使顶部腔室压力相对于底部腔室压力为正压，由此通过较大的正压压力使膜片与牙模紧密贴合。[/size][size=16px] 通过上述过程可以看出，正负压热成型中的压力控制具有以下两个重要特征：[/size][size=16px] （1）在压差控制阶段，底部腔室压力要始终大于顶部腔室，以托起软化中的膜片减少重力对膜片变形的影响。这种情况下，两个腔室压力都可以是正压，顶部腔室压力不一定非要是真空负压，顶部腔室也可以是正压，但只要底部腔室压力足够大并能形成相应的压差托起膜片极可。[/size][size=16px] （2）在加压贴附阶段，使顶部腔室的压力足够大就可实现软化膜片的紧密贴合，这也意味着底部腔室的压力也不一定非要是真空负压，只要是顶部腔室的压力足够大，底部腔室为常压时也完全能够实现高压贴合。[/size][size=16px] 由此两个特征可以得出结论：所谓的正负压热成型，完全可以只采用正压控制予以实现，但前提是能够精密和可程序控制上下两个腔室的正压压力。[/size][size=16px] 通过上述分析可知，对上下两个腔室进行正压精密控制，通过压差和高压可很好的实现膜片紧密贴合和保证厚度的均匀性，这样可以减少真空控制的环节和相应装置，简化了控制系统。[/size][size=16px] 依此，本文提出的解决方案就是两个腔室的精密正压压力控制解决方案，通过两套压力控制装置分别实现上下两个腔室的压力可编程控制，具体结构如图4所示。[/size][size=16px] 如图4所示，两套压力控制装置配置完全相同，都是由压力传感器、压力调节阀和真空压力控制器构成，两套装置公用一套高压气源。为了保证高精度压力的程序控制，具体配置如下：[/size][size=16px] （1）压力传感器采用超高精度压力计，压力测量范围为0~0.8MPa（表压），精度为满量程的0.05%。压力调节阀采用数控电子减压阀，外部模拟控制信号0~10V对应的压力调节范围为表压0~0.8MPa，综合精度为满量程的0.2%。[/size][size=16px] （2）压力控制器采用超高精度可编程PID调节器，具有24位AD、16位DA和0.01最小输出百分比，具有PID参数自整定功能，并可设计20条程序曲线进行调用和控制，具有标准MODBUS协议的RS485通讯接口。压力控制器自带计算机软件，通过软件可在计算机上直接对控制器进行设置、运行、过程参数显示和存储。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本文对相关的正负压热成型工艺进行了分析，特别是针对隐形牙齿矫正器这类高精度热成型制作工艺，本文提出了改进的解决方案，即不采用正负压控制方式，而是采用纯正压控制方式。在具体热成型过程中，通过对上下腔室的压力进行不同的程序控制形成可控压差来抵消重力对受热膜片变形的影响，然后再对上腔室进行高压控制，由此可实现高精度的热成型厚度控制，可大幅提高热成型产品的质量和一致性。[/size][size=16px] 新的解决方案可通过两路压力的精确控制，同样可实现正负压热成型过程中的压力成型功能和精密制作能力，但避开了正压和负压同时控制所造成的装置的复杂性和较高成本，这使得新的解决方案更具有实用性。[/size][align=center][b][color=#339999][/color][/b][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

[size=16px][color=#990000][b]摘要：针对目前新能源电池热失控和特性研究以及生产中缺乏变环境压力准确模拟装置、错误控制方法造成环境压力控制极不稳定以及氢燃料电池中氢气所带来的易燃易爆问题，本文提出了相应的解决方案。方案的关键一是采用了低漏率电控针阀作为下游控制调节阀实现压力可编程精密控制，二是采用高压气体型真空源避免机械式真空泵的电火花造成引燃，三是在压力控制的同时也对电池加热温度进行自动控制。整个装置控制精度和自动化程度较高。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#990000][b]==================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 随着现代新能源行业的飞速发展，各种新能源电池在经济社会中发挥着越来越重要的作用，由此对低压环境下新能源电池的使用、储存和运输也提出更高技术要求。例如高原地区和飞机运输中新能源电池的性能变化特征以及热失控传播特性，都是电池发展极其重要的一个环节。目前新能源电池在低压环境下的热失控特性和性能变化特性研究主要存在以下几方面的问题：[/size][size=16px] （1）目前的新能源电池热失控的测试设备主要集中在研究常压下的热失控行为，环境压力对电池热失控特征的研究较为缺失，对压力变化影响热失控行为的研究仍需进行更深入研究。[/size][size=16px] （2）研究变环境压力下电池燃烧爆炸行为的特性与特征，对于新能源电池的前期研发、中期使用以及后期预防热失控都有着尤为重要的参考意义。但目前缺乏变环境压力的准确模拟装置，控制方法存在严重问题而造成环境压力控制极不稳定，难以准确观察压力室内电池特性的变化，实验的可信度较差。[/size][size=16px] （3）另外，氢燃料电池作为一种新能源电池同样存在上述问题，同样需要在不同海拔工况下验证电池的运行性能和可靠谱。但由于氢燃料电池的特殊性，特别是由于氢气属于易燃易爆气体，在环境压力模拟设备运行时流道内的旋转机械有可能在高速运转情况下产生火花，继而引燃氢气形成爆炸，这对于环境模拟实验设备而言是绝对不允许的。同时，氢气与空气在燃料电池内反应生成水，故而在排气中含有液滴，这部分液滴在进入设备时可能对旋转部件造成损害，影响设备可靠性。因此，对于氢燃料电池的环境压力模拟装置，需要避免这些问题的出现。[/size][size=16px] 针对上述新能源电池以及氢燃料电池中环境压力准确控制方面存在的问题和需求，本文提出了相应的解决方案，解决方案主要包括以下两方面的内容：[/size][size=16px] （1）针对现有的锂电池环境压力模拟装置进行技术改造，采用下游控制模式实现模拟箱内环境压力的可编程准确控制，以满足绝大多数新能源电池的环境压力模拟需要。[/size][size=16px] （2）针对氢燃料电池的环境压力模拟，提出更安全的环境压力准确控制解决方案。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 锂离子电池在高温环境下容易发生热失控，具有一定危险性，会发生着火甚至爆炸。为了给电池的测试试验同时提供高温和环境压力的模拟条件，解决方案是将电池放置在密闭的测试环境箱内，并对环境箱内部进行气压控制，使电池处于所需环境压力。然后通过对锂离子电池外部加热的方式给予电池达到热滥用的条件，再通过热电偶、数字天平等装置研究温度与质量等参数的变化。热电偶测量热失控过程中的温度变化，数字天平测量热失控过程中电池质量参数的变化，整个测试装置的控制系统如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=电池环境压力和高温温度模拟控制系统结构示意图,690,394]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310161757014248_9888_3221506_3.jpg!w690x394.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 电池环境压力和高温温度模拟控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，整个控制系统主要由环境压力控制回路、电池加热温度控制回路、质量测量装置和数据采集装置构成，它们的各自功能和技术内容如下：[/size][size=16px] （1）环境压力控制回路：其功能是对测试环境箱进行可编程气体压力控制，可对一系列不同的设定压力进行自动控制。控制回路由数控针阀、真空计、真空泵、真空压力控制器和真空管路组成，其中一个数控针阀控制进气流量、另一个数控针阀控制排气流量，真空计测量环境箱内的真空度并传输给控制器，控制器将接收到的真空度信号与设定值比较后驱动数控针阀的开度变化，并快速使得环境箱内的真空压力达到设定值。需要说明的是，这里的控制采用了固定进气针阀开度而改变排气针阀开度的下游控制模式，这样可以实现更高精度和稳定性的环境压力控制。[/size][size=16px] （2）电池加热温度控制回路：其功能是对电池进行加热和温度控制，以模拟电池热失效过程中的温度变化。控制回路由加热器、电池组件、固定夹板、热电偶温度传感器和双通道控制器组成，其中热电偶采集电池温度并传输给控制器，控制器将接收到的温度信号与设定值比较后驱动加热器通电加热，并使电池温度快速达到设定值。[/size][size=16px] （3）质量测量装置：其功能是测量电池本体在热失控过程中的质量损失。质量测量装置主要是悬挂式数字天平，放置在环境箱外部的数字天平通过悬丝测量电池质量。[/size][size=16px] （4）数据采集装置：其功能是同时采集电池温度、环境压力和质量测量数据，并以曲线形式进行显示和存储。数据采集装置主要由多通道数据采集器和计算机组成，多通道数据采集器连接相应的温度压力传感器和数字天平，计算机与采集器进行通讯并用软件显示和存储采集结果。[/size][size=16px] 需要说明的是，在解决方案中，计算机或上位机也可以与真空压力控制器和温度控制器进行通讯，并通过各自的软件对控制器进行参数设置、运行控制和控制过程参数变化曲线的显示。[/size][size=16px] 图1所示的电池环境压力模拟控制系统并不适合氢燃料电池的性能测试，这主要是机械式旋转型的真空泵有可能在高速运转情况下产生火花而引燃氢气形成爆炸，同时氢燃料电池测试过程中会在真空管路内形成水滴而造成阀门和真空泵旋转部件的损伤。为了解决这两个问题，本文所提出的解决方案采用了以下两项技术：[/size][size=16px] （1）将真空泵更换为真空发生器，即通过高压气体来形成真空，这样可以避免机械式旋转部件所带来的火花引燃危害。[/size][size=16px] （2）环境压力的调节还是采用前面所述的电动针阀，因为这种NCNV系列具有非常好的真空密封性能，电机转动部分与所通气体完全隔离，不会带来引燃隐患。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，解决方案通过改进后的环境压力下游控制技术、高压气体真空发生技术和温度自动控制技术，可以很好的实现各种新能源电池在可变环境压力和高温温度下的热失控特性和运行特性变化测试和试验考核，解决方案具有以下几方面的突出特点：[/size][size=16px] （1）可实现环境压力和温度的高精度控制，更有利于电池特性的精密研究和测试考核。[/size][size=16px] （2）环境压力和温度控制可按照不同设定值进行编程控制，可自动实现电池特性测试的全过程。[/size][size=16px] （3）通过使用控制器和数据采集器自带的计算机软件，可快速搭建起电池特性测试装置，无需再专门编写计算机程序，大幅减小了装置组建的工作量。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

[size=16px][color=#990000][b]摘要：膜辅助相变散热器（MHS）作为一种新型高效冷却技术正逐渐成为研究热点，其中的真空压力和温度控制是有效实施MHS技术的关键因素，为此本文提出了相应的解决方案。解决方案的核心内容是同时为MHS工作液体提供准确的高压压力控制和为MHS沸腾蒸发提供低压真空度控制，另外解决方案还包含了MHS隔膜的渗透性测试方法和测试装置结构，包含了MHS冷却能力和传热系数测量装置。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#990000][b]============================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 项目背景[/b][/color][/size][size=16px] 高功率密电子设备的激增催生了高性能计算及其数据中心的发展，由此带来的需求是开发高性能的散热器。目前，普遍都采用比空气冷却效果更好的水冷和浸没式液冷的单相散热技术，而随着功率密度的快速增加和电子设备的小型化要求更高的冷却效率。当前高效冷却的研究领域之一是具有更高传热系数的相变散热，这样每单位工作流体质量流量可移除更多热量，且可以提高散热面积上的温度均匀性。[/size][size=16px] 目前出现一种膜辅助相变散热器（MHS）技术，其沸腾冷却工作原理如图1所示，水作为冷却过程的工作流体，采用薄膜将液体和蒸汽分离。蒸汽空间压力（P蒸汽）为16kPa，对应于饱和温度55℃。此冷却技术的临界热流极限（CHF）随着传热面积比和液体空间压力（P水压）的增加而增加，据报道在具有3.45的增大面积比的表面上的最大CHF为670W/cm2，获得的传热系数高达1MW/m2K。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=膜辅助散热器压差下渗透膜蒸汽排出冷却原理图,550,167]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309201758191124_9322_3221506_3.jpg!w690x210.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 膜辅助散热器压差下渗透膜蒸汽排出冷却原理图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，与具有液体入口和两相流出口的传统散热器不同，MHS仅包含一个液体入口，工作液体通过该入口以压力P水压供应到散热面。放置在散热面上方的疏水蒸汽渗透膜允许蒸汽从液体池中排出。[/size][size=16px] MHS这种独特的设计将沸腾的液体限制在散热器内表面，并对气泡产生全方位的压力。随着气泡的足够生长，在加热器内表面和膜之间建立了蒸汽桥，导致膜上的液体接触线减少（由于膜的疏水性），将气泡从加热器表面拉出和排出。由此可见，膜的渗透性和压差决定了蒸汽流过膜的速率，而压差太大则会导致膜破裂，这样使得MHS工作机理及其散热能力的研究评价主要内容是膜渗透性测量装置和膜辅助散热器装置的搭建，其中关键涉及到真空压力和温度的精密控制技术。为此本文针对压力和温度的准确控制提出了完整的解决方案。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px][color=#990000][b]2.1 膜渗透性测量装置[/b][/color][/size][size=16px] 薄膜渗透性测量装置如图2所示，测量装置包括测试腔室、调压器、质量流量控制器、压力计、真空计、电动针阀、双通道真空压力控制器和真空泵。测试腔室由不锈钢制成，由上腔室、下腔室和观察窗组成。被测薄膜固定在下室上，测试流体进入上腔室，穿过隔膜流入下部腔室，通过真空泵抽气流出下腔室。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=薄膜渗透性测量装置结构示意图,600,316]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309201758468846_1005_3221506_3.jpg!w690x364.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 薄膜渗透性测量装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在每次测试中，通过双通道真空压力控制器，并结合相应的压力传感器和真空度传感器，自动调节腔室入口处的调压器使上腔室恒定在设定压力，自动调节下腔室出口处的电动针阀使下腔室恒定在设定真空度，由此使得被测隔膜两侧达到所需的测试压差，根据压力、真空度、压差和流速可计算得到薄膜的渗透率。[/size][size=16px][color=#990000][b]2.2 膜辅助相变散热器试验装置[/b][/color][/size][size=16px] 膜辅助相变散热器试验装置的作用是用来研究不同散热器微结构、薄膜特性和真空压力等条件下的散热能力以及对传热系数进行测量，整个装置的结构如图3所示。MHS放置在一个不锈钢耐压腔室内，腔室两侧相对的法兰上安装有光学观察窗。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=膜辅助相变散热器试验装置结构示意图,650,359]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309201759137821_6145_3221506_3.jpg!w690x382.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图3 膜辅助相变散热器试验装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] MHS结构与图1近似，只是在散热面处布置了薄膜加热器和温度传感器，加热器和温度传感器引线连接到腔室外的温度控制器上以控制散热面温度和热流密度。[/size][size=16px] 真空压力控制原理和结构与图2近似，即往腔室内通入高压气体使腔内压力按照设定值进行控制，MHS内的真空度也同样进行自动控制以使内部液体处于饱和条件（如16kPa绝对压力）。[/size][size=16px] 冷却过程中采用去离子水作为工作液体，液体通过腔室内的压力被压入MHS中，从MHS排出的蒸汽流经帕尔贴TEC蒸汽冷却器成为液体后再流回腔室，由此形成工作液体的循环。此蒸汽冷却器采用了专用的TEC控制器进行温度控制。[/size][size=16px] 在实验过程中，首先对MHS内的真空度进行控制，然后通过加热器向MHS散热面供热，同时将腔室内部的工作压力保持恒定，在此压差恒定条件下测量得到相应的冷却温度和热流密度。如果施加的热流以步进或线性方式逐渐增加，直到观察到温度突然升高，那么该温度点时的热流就是此特定压差下的临界热流极限CHF（critical heat flux limit）。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 膜辅助相变散热器（MHS）作为一种新型高效冷却技术正逐渐成为研究热点，本文提出的解决方案为MHS的研究提供了宽范围真空压力和控温精密控制的可能性，为MHS的深入研究和冷却性能考核评价提供了有效的技术支撑。[/size][align=center][b][color=#990000][/color][/b][/align][align=center][b][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=16px][/size]