周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置及系统

技术领域

本发明涉及脉动热管性能测试技术领域，特别是周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置及系统。

背景技术

热管通常由热交换器与装有介质(空气、水等)的管壳组成，介质通过热交换器与外界进行热交换，实现热量的传递；脉动热管利用工作介质(通常是液态)摆动和振荡的方式来传递热量，与传统热管相比，拥有结构简单、任意弯曲、传热系数大、体积小、管径极小等特点；旋转脉动热管则是通过旋转热载体，在内壁和外壁之间循环传递热介质从而实现加热或冷却的，按回转轴心与几何轴心的相对位置关系分为：平行轴旋转脉动热管，径向旋转脉动热管和同轴旋转脉动热管。周期性失重环境下径向旋转脉动热管刺激一般应用于燃气轮机叶片冷却、砂轮切割机等冷却领域。

为进一步研究实际工作条件下径向旋转脉动热管的热性能，设计一种周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置来测量脉动热管沿径向的温度分布情况是有效的方法，在经过数据处理后，得到所需要的传热热阻和等效传热系数，作为冷却设计时的重要依据。

经现有文献检索发现，M.Aboutalebi在Experimental investigation onperformance ofa rotatingclosed loop pulsatingheatpipe一文中采用了一种径向旋转脉动热管实验平台，该平台以电动机驱动热管径向旋转，转速由转速传感器测得，利用轴上的滑环组件向热管蒸发段供热，固定在旋转轴上的温度变送器以8Hz的采样率记录温度，利用该实验平台得出的数据讨论了转速、功率、充液率对脉动热管热性能的影响。该文献虽然讨论了转速、功率、充液率对径向旋转条件下脉动热管热性能的影响，但没有位置信息，无法在实验中讨论位置对脉动热管传热性能的影响，并且受温度采集速率限制，采集温度频率较低，不利于后续脉动热管传热性能的研究。

发明内容

鉴于现有的用于周期性失重脉动热管刺激启动高速采集装置中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种在通过PID控制径向旋转脉动热管转速、加热功率的同时，还具有高速温度采集能力，实时反馈转速、功率数据，以得到更加精确的温度、位置信息的实验装置。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供了周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置，其包括支架单元，包括支撑平台、贯通设置于所述支撑平台内的转轴、套设于所述转轴上的圆盘，以及与所述转轴的一端连接的输出端；其中，所述圆盘的一侧设置有径向旋转脉动热管，且所述圆盘的另一侧设置有电池，所述径向旋转脉动热管的蒸发端采用电加热方式进行接触式加热，由所述电池进行供电，且所述径向旋转脉动热管的表面温度采用热电偶测量。

作为本发明所述周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置的一种优选方案，其中：所述转轴上设置有轴承，所述轴承包括前轴承和后轴承；所述输出端包括与所述转轴的一端依次连接的联轴器、输出轴和电机。

作为本发明所述周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置的一种优选方案，其中：所述支撑平台的重心位置通过前轴承、转轴、圆盘、后轴承、联轴器、输出轴与电机连接。

第二方面，为了更好地解决上述技术问题，本发明进一步提供了周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验系统，其包括控制单元，包括设置于所述支撑平台底部的无线嵌入式主站、从站和无线PC上位机；所述从站包括设置于所述无线嵌入式主站和所述无线PC上位机之间的无线电机控制从站。

作为本发明所述周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置的一种优选方案，其中：所述从站还包括设置于所述圆盘上且与所述径向旋转脉动热管同侧的无线温度采集从站、设置于所述圆盘上且与所述电池同侧的无线可调电源从站；所述从站和所述无线嵌入式主站内均设置有通讯模块。

作为本发明所述周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置的一种优选方案，其中：所述无线嵌入式主站选用片上系统SOC，通过Modbus通信协议和UART通用异步收发器与通讯模块连接，M核向从站发出温度、电压、转速、位置之类的请求并接受返回信息，通过DMA负责搬运缓存数据，A核负责QT编写的用户操作界面程序，并查看、回放、编辑、保存数据以及控制实验装置操作参数。

作为本发明所述周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置的一种优选方案，其中：所述无线温度采集从站基于FPGA技术定义温度数字信号，所述温度数字信号共16位，由以下三部分组成：第一部分，为低12位，表示温度数值；第二部分，为1位表示正负值；第三部分，为高3位表示温度通道地址；所述无线温度采集从站的EEPROM被划分为128位/单元，用于存储8通道的16位温度数据；径向旋转脉动热管通过K型热电偶进行温度采集后得到温度模拟信号，并通过电桥补偿放大得到放大后的温度模拟信号，用高速A/D转换器将放大后的温度模拟型号转化为温度数字信号，将8通道温度数据并行存入EEPROM首单元；当接收到主站温度读取请求时，读取EEPROM首单元温度数据至内存，读取后删除此EEPROM首单元温度数据，其后单元数据上移；将读取得到的首单元温度数据添加起始位与结束位后经通讯模块发送。

作为本发明所述周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置的一种优选方案，其中：所述无线可调电源从站选用单片机，通过Modbus通信协议和UART通用异步收发器与通讯模块连接，接受主站的目标功率请求，返回实际功率；通过单片机I/O的PWM信号占空比控制MOSFET电流，在输出端电流采样并反馈，PID闭环控制输出电流，从而输出目标功率。

作为本发明所述周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置的一种优选方案，其中：所述无线电机控制从站选用带FPU功能的高性能单片机，通过Modbus通信协议和UART通用异步收发器与通讯模块连接，接受主站的目标位置、转速请求并返回实际位置和转速数据，采用FOC矢量闭环控制永磁同步电机。

作为本发明所述周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置的一种优选方案，其中：所述无线PC上位机基于Labview软件VISA串口模块编写上位机程序，所述上位机程序显示、回放、编辑、保存数据，并控制实验装置。

本发明有益效果为本发明实现了径向旋转热管能够通过PID控制径向旋转脉动热管转速、加热功率的同时，具有高速采集温度能力，实时反馈转速、功率数据，得到更加精确的温度、位置信息的实验装置，进而可以计算出径向旋转热管旋转至某位置瞬时的传热热阻或等效传热系数，为基于径向旋转热管冷却结构的设计计算提供指导，所获得的实验数据可以作为径向旋转热管在砂轮切割机等冷却领域应用的设计依据。本发明的推广对于热管冷却技术在更多应用场合的探索具有非常重要的意义，同时本发明系统实施相对简单，成本较低，具有结构紧凑、运行稳定、实用性强等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置的立体图。

图2为周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置的侧视图。

图3为周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验系统的结构图运行示意图。

图4为热管8W功率时的热阻图。

图5为周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置的热管40％充液率时的热阻图。

图6为周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验系统的热管60％充液率时的热阻图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1和图2，为本发明第一个实施例，该实施例提供了周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验装置，包括支架单元100，包括支撑平台101、贯通设置于支撑平台101内的转轴102、套设于转轴102上的圆盘103，以及与转轴102的一端连接的输出端104。

其中，圆盘103的一侧设置有径向旋转脉动热管105，且圆盘103的另一侧设置有电池106，径向旋转脉动热管105的蒸发端采用电加热方式进行接触式加热，由电池106进行供电，且径向旋转脉动热管105的表面温度采用热电偶测量，在径向旋转脉动热管105传热性能测试时需要记录其蒸发端、冷凝端和绝热端各处的温度分布。

进一步的，转轴102上设置有轴承102a，轴承102a包括前轴承102a-1和后轴承102a-2；输出端104包括与转轴102的一端依次连接的联轴器104a、输出轴104b和电机104c。支撑平台101重心位置通过前轴承102a-1、转轴102、圆盘103、后轴承102a-2、联轴器104a、输出轴104b与电机104c连接。驱动电机的输出轴104b与电机104c连接，通过电机104c来控制转轴102及圆盘103实现目标转速。

综上，本实施例提供的装置利用径向旋转脉动热管105的热力学特性，通过电加热的方式使其蒸发端温度升高，从而在旋转过程中实现周期性的失重状态。这可以模拟航天环境下的失重效应，对实验装置产生冲击刺激。同时，通过测量热管各处的温度分布，可以分析其传热效率。转轴102、轴承102a、输出端104等则保证装置的高速稳定旋转。本装置提供了一种模拟航天失重环境的简单有效方法，通过热力学原理和机械结构的配合，使实验装置获得类似航天环境的周期性冲击刺激，有利于开展航天器材的环境适应性试验。同时，装置运行期间，可以检测热管的热力学性能，为热控和传热技术的研究提供支持。

实施例2

参照图1～图3，为本发明第二个实施例，在第一个实施例的基础之上，本发明进一步提供了周期性失重脉动热管刺激启动高速采集实验系统，包括控制单元200，其主要包括无线嵌入式主站201、从站202、无线PC上位机203。从站202包括无线电机控制从站202a、无线温度采集从站202b和无线可调电源从站202c。其中，无线嵌入式主站201、无线电机控制从站202a、无线温度采集从站202b和无线可调电源从站202c内部均设置有通讯模块，并且通讯模块主要是蓝牙。

具体的，无线嵌入式主站201设置于支撑平台101底部，无线电机控制从站202a设置于无线嵌入式主站201的一侧，无线PC上位机203设置于无线电机控制从站202a的一侧，且无线电机控制从站202a位于无线PC上位机203与无线嵌入式主站201之间。无线温度采集从站202b设置于圆盘103上且与径向旋转脉动热管105同向，无线可调电源从站202c设置于圆盘103上且与电池106同向。其中，圆盘103两侧布置径向旋转脉动热管105、无线可调电源从站202c、无线温度采集从站202b，以及电池106。

进一步的，如图3所示，无线嵌入式主站201选用片上系统SOC，板载WIFI&Bluetooth，A核运行Linx4.0内核.Ubuntu2020.04桌面版最小根文件系统以及QT5运行环境，上位机程序采用QT5编写，在高性能PC上交叉编译并移植到目标板卡运行，上位机程序采用多线程设计，主线程负责显示UI交互，子线程一通过内部虚拟总线读写M核定义的固定地址功能寄存器以实现对数据的读取及发送请求，子线程二以csv格式保存文件在eMMC或SD card中，并可通过Ftp服务器远程访问。子线程三读取csv格式保存文件并回放、编辑数据。M核运行FreeRTOS实时操作系统，采用多任务架构，任务优先级由高至低，任务一检测从站数量及通讯是否正常，若异常则停止所有任务并发送错误代码给A核，任务二监听A核请求并发出任务指令，任务三发出对从站的请求并接收返回数据。M核开辟一段固定地址的内存，用于通过DMA技术搬运存放UART收发的数据，UART通过Modbus协议通讯，此时该机作为Modbus主机。

无线温度采集从站202b基于FPGA技术将温度数字信号定义为16位，由以下三部分组成：第一部分为低12位，表示温度数值，第二部分为1位表示正负值，第三部分为高3位表示温度通道地址。无线温度采集从站202b的划分EEPROM为128位/单元，用于存储8通道的16位温度数据。在完成上述准备工作以后，应用K型热电偶对热管进行温度采集得到温度模拟信号，通过电桥补偿放大得到放大后的温度模拟信号，用高速A/D转换器将放大后的温度模拟型号转化为温度数字信号，将8通道温度数据并行存入EEPROM首单元，当接收到主站温度读取请求时，读取EEPROM首单元温度数据至内存，读取后删除该单元数据，其后单元数据上移。将读取得到的首单元温度数据添加起始位与结束位后经通讯模块发送。

需要说明的是，无线嵌入式主站201通过通讯模块向无线温度采集从站202b的通讯模块发送温度读取请求，而无线温度采集从站202b则通过通讯模块向无线嵌入式主站201的通讯模块返回读取到的温度。

无线可调电源从站202c选用单片机，板载Bluetooth模块，通过Modbus通信协议和UART通用异步收发器与蓝牙模块连接，接受主站的目标功率请求，返回实际功率；通过单片机I/O的PWM信号占空比控制MOSFET电流，在输出端104电流采样并反馈，PID闭环控制输出电流，从而输出目标功率。无线可调电源从站5采用FreeRTOS实时操作系统，使用多任务架构，任务优先级由高至低，任务一执行MCU的I/O连接MOSFET，通过控制I/O输出的PWM信号占空比实现对输出电压有效值控制，PWM信号频率为2000HZ；任务二监听来自UART外设Modbus的消息，并返回结果，该机作为Modbus从机设置两个保持寄存器，40001作为状态数据位，40002作为功率数据位。

需要说明的是，无线嵌入式主站201通过通讯模块向无线可调电源从站202c的通讯模块发送电压读取请求，而无线可调电源从站202c的通讯模块则向无线嵌入式主站201的通讯模块返回电压状态。

无线电机控制从站202a选用带FPU功能的高性能单片机，通过Modbus通信协议和UART通用异步收发器与蓝牙模块连接，接受主站的目标位置、转速请求并返回实际位置和转速数据，采用FOC矢量闭环控制永磁同步电机。无线电机控制从站202a选用MCU，板载Bluetooth模块与MCU以UART通信；运行FreeRTOS实时操作系统，采用多任务架构，任务优先级由高至低，任务一执行FOC矢量控制电机，MCU通过三个I/O接口连接三个半桥电路控制IGBT的上桥臂导通与关闭，下桥臂取反；IGBT的输出与电机UVW三相Y型连接，IGBT输入极与高压电源连接；对电机三相电流进行采样得到Ia、Ib、Ic，将Ia、Ib、Ic经过Clark变换得到Iα、Iβ，将Iα、Iβ经过Park变换得到Iq、Id，计算Iq、Id和其设定值Iq_ref、Id_ref的误差，将上述误差输入两个PI控制器，得到输出的控制电压Uq、Ud，将Uq、Ud进行反Park变换，得到Uα、Uβ，用Uα、Uβ合成电压空间矢量，输入SVPWM模块进行调制，输出该时刻三个半桥的状态编码值，按照前面输出的编码值控制三相逆变器的MOS管开关，驱动电机，循环上述步骤；任务二监听来自UART外设Modbus的消息，并返回结果，该机作为Modbus从机设置四个保持寄存器，40001作为电机模式位(扭矩模式、转速模式、位置模式、堵转模式)，40002作为目标转速数据位，40003作为目标扭矩数据位、40004作为目标位置数据位。

需要说明的是，无线嵌入式主站201通过通讯模块向无限电机控制从站202a的通讯模块发送读取转速、位置的请求，而无限电机控制从站202a的通讯模块接收请求后返回转速、位置数据。

无线PC上位机203在Windows系统上操作运行，软件使用Labview编写，上位机程序采用多线程(生产者消费者架构)设计，程序可显示、回放、编辑、保存数据，并控制实验装置。生产者架构通过VISA串口读写MODBUS保持寄存器数据以实现对主站M核的请求发送及数据读取，同时消费者架构通过示波器控件显示实时数据并以csv格式保存文本数据，也可以读取csv格式的数据并显示在示波器上。

较佳的，如图4所示，可看到热管的输入功率恒定为8W，不同转速(10rpm、30rpm、60rpm)和不同充注率(20％、40％、60％、80％)条件下的热管热阻变化。如图5所示，可看到热管的充液率恒定40％，不同转速(10rpm、30rpm、60rpm)和不同输入功率(2W～10W)条件下的热管热阻变化。如图6所示，可看到热管的充液率恒定60％，不同转速(10rpm、30rpm、60rpm)和不同输入功率(2W～10W)条件下的热管热阻变化。

综上，本实施例实现了径向旋转热管能够通过PID控制径向旋转脉动热管转速、加热功率的同时，具有高速采集温度能力，实时反馈转速、功率数据，得到更加精确的温度、位置信息的实验装置，进而可以计算出径向旋转热管旋转至某位置瞬时的传热热阻或等效传热系数，为基于径向旋转热管冷却结构的设计计算提供指导，所获得的实验数据可以作为径向旋转热管在砂轮切割机等冷却领域应用的设计依据。本实施例的推广对于热管冷却技术在更多应用场合的探索具有非常重要的意义，同时本实施例系统实施相对简单，成本较低，具有结构紧凑、运行稳定、实用性强等特点。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。