直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置及其制冷方法制造方法及图纸

本发明专利技术为直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置及其制冷方法，热沉装置包括热沉主体、热沉表面电阻温度传感器、辅助排液管路以及液氮供应、气氮吹除、气氦吹除与液氦供应系统。热沉主体为双鱼骨式结构，具有一个骨架和液氮、液氦两个热沉，液氦热沉装在液氮热沉内侧，热沉表面电阻温度传感器均布在液氮、液氦热沉的表面；液氮供应、气氮吹除、气氦吹除、液氦供应系统以及辅助排液管路都连接液氦热沉进口，液氮供应系统还连接液氮热沉的进口。该装置的制冷方法是：在工作过程中，液氮热沉一直通液氮制冷，液氦热沉先通液氮制冷，然后通液氦制冷。本发明专利技术的实现了液氮和液氦共用同一热沉流道，满足发动机羽流试验需求，降低试验成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于空间环境模拟试验设备及发动机羽流试验设备的低温流程系统的部件，尤其涉及一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置及其制冷方法。
技术介绍
空间环境模拟试验设备及发动机羽流试验设备都是模拟空间真空和低温环境的设备，热沉是该类设备的主要部件，通过辐射热交换，为设备试验空间提供所需的环境温度和真空度，为达到这一目的，必须对热沉进行温度控制，控制热沉温度是通过传热介质在热沉通道中强迫流动，与热沉换热来实现。根据热沉要求的温度区间不同，目前的各种热沉常采用以下换热介质：液氮、酒精、氟利昂等，极少采用液氦，主要是由于液氦昂贵及用于液氦温区的超低温热沉技术复杂，因此目前国内还没有专门采用液氦作为换热介质的热沉系统。液体火箭发动机真空羽流效应试验时，常采用氮气作为试验工质，由于同种介质不能凝固吸附同种介质，这就必须采用比液氮温度更低的制冷介质来吸附羽流试验工质氮气，常压下液氦的液化温度达到4.2K，利用其作为换热介质，可使热沉表面平均温度达到液氦温区，此温区能够充分凝固吸附羽流试验工质氮气，满足试验要求。因此为了满足发动机羽流试验需求，就必须采用液氦作为制冷介质的热沉系统。液氮、酒精、氟利昂这几种常见的制冷介质中，温度最低的是液氮，可使热沉达到77K，为节约昂贵的液氦用量，考虑采用液氮和液氦组合制冷介质，即先利用液氮将热沉预冷至液氮温区(77K)，然后利用液氦接着将热沉预冷至4.2K。但不管采用何种介质，目前的热沉均为单介质流道，热沉的流道只能循环一种传热介质，无法切换另外一种介质。主要原因是：各制冷介质的凝固点不同，以液氦、液氮两种制冷介质为例，当液氦通入循环过液氮的热沉流道时，流道中残存的液氮就会被冻成固体，堵塞甚至损坏热沉，故之前没有共用液氮、液氦两种制冷介质的超低温热沉流道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种新型的用于空间环境模拟试验设备及发动机羽流试验设备的热沉系统，可允许液氮和液氦共用同一热沉流道。所谓的共用不是液氮和液氦同时使用，而是当液氮制冷介质使用完毕，利用辅助氮气吹除系统吹除热沉中残留的液氮，使热沉中液氮蒸发完全，然后利用辅助氦气吹除系统吹除热沉中残留的气氮，使热沉中残留的气氮被吹除干净，最后将液氦制冷介质通入。如此完成两种制冷介质的安全切换，通过两种制冷介质的安全切换达到节约液氦并使热沉温度从4.2K～300K之间可调，满足发动机羽流试验需求，降低试验成本。本专利技术的直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置包括热沉主体、热沉表面电阻温度传感器、液氮供应系统、气氮吹除系统、气氦吹除系统、液氦供应系统以及辅助排液管路。所述的热沉主体采用双鱼骨式结构制造，包括骨架、液氮热沉和液氦热沉，骨架装-->在液氮热沉的外侧，用于支撑液氮热沉和液氦热沉的重量，液氦热沉装在液氮热沉的内侧，与液氮热沉之间布置有绝热垫。所述绝热垫有四条，均匀布置在液氮热沉和液氦热沉的中心线以下。所述的热沉表面电阻温度传感器均布在热沉主体的液氮热沉和液氦热沉的带翅片支管表面上。所述的液氮供应系统、气氮吹除系统、气氦吹除系统以及液氦供应系统都通过管道与辅助排液管路一端以及液氦热沉的进口相连，辅助排液管路的另一端通向大气，液氮供应系统还与液氮热沉的进口相连。所述液氮热沉及液氦热沉的进出口均位于舱体同侧，进口在下，出口在上。本专利技术的直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置的制冷方法，具体是：首先，启动液氮供应系统，在整个工作过程中，一直给液氮热沉通液氮制冷；其次，为液氦热沉先通液氮制冷，然后通液氦制冷，具体为：一、启动液氮供应系统，打开液氮供应系统的液氦热沉液氮供应阀，向液氦热沉通入液氮制冷介质，通过液氦热沉表面电阻温度传感器观察液氦热沉主体温度，当温度达到77K左右时，关闭液氦热沉液氮供应阀，停止液氮供应；二、打开辅助排液管路上的低温排液阀，将液氦热沉中的液氮排出，通过观察，待辅助排液管路中无液氮流出时，关闭低温排液阀；三、启动气氮吹除系统，打开气氮吹除系统的气氮吹除阀向液氦热沉通入气氮，通过液氦热沉表面电阻温度传感器观察液氦热沉主体温度，待温度升至80K以上时，关闭气氮吹除阀；四、启动气氦吹除系统，打开气氦吹除系统的气氦吹除阀向液氦热沉通入气氦，5～10分钟后关闭气氦吹除阀；五、启动液氦供应系统，打开液氦供应系统的液氦供应阀，向液氦热沉通入液氦制冷介质，通过液氦热沉表面电阻温度传感器观察液氦热沉主体温度，直至温度达到4.2K。本专利技术的优点与积极效果在于：(1)同一热沉流道，液氦热沉可以兼容液氮和液氦两种介质的换热介质，并保障了液氦热沉由液氮切换到液氦时，流程正常工作；避免了双流道(液氮和液氦各有流道)制造复杂，易造成超低温冷漏的缺点；(2)解决了鱼骨式结构热沉只能采用一种换热介质的缺陷；(3)采用双热沉结构，即双鱼骨式两层热沉，内侧为液氦热沉，外侧为液氮热沉，利用液氮热沉作为液氦热沉的防辐射屏(冷屏)，降低了舱体对液氦热沉的热辐射，减少液氦消耗，降低试验成本；(4)两层热沉共用一个骨架，节约制热沉造成本及重量，液氦热沉只通过多层绝热材料聚四氟乙烯垫与液氮热沉连接，降低了骨架对液氦热沉的热辐射及传导漏热，减少液氦消耗，降低试验成本；(5)液氮热沉及液氦热沉的进出口均位于舱体同侧，进口在下，出口在上，方便管路布局、操作及维修，便于液氮、液氦及气氮、气氦的供应；(6)液氮热沉上总管与骨架靠短U形螺栓连接，不拧紧，便于液氮热沉低温下的热胀冷缩，液氦热沉上总管与骨架靠长U形螺栓连接，不拧紧，便于液氦热沉低温下的热胀冷缩。(7)液氦热沉与液氮热沉之间采用多层聚四氟乙烯垫绝热，降低了同等厚度下的传导漏热。附图说明-->图1为本专利技术的直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置的整体结构示意图；图2为本专利技术的热沉主体的周向截面的结构示意图；图3为图2中A-A剖面展开所示的热沉主体的结构示意图；图4为本专利技术的滚轮组件的放大示意图；图5为图2中C-C剖面所示的液氦热沉与液氮热沉之间绝热垫的示意图；图6为图2中E-E剖面所示的液氦热沉与液氮热沉之间绝热垫的示意图；图7为本专利技术的液氮热沉下总管进口波纹管组件的结构示意图；图8为图3中K-K剖面中液氮热沉上出液汇总管与骨架连接的示意图；图9为图3中L-L剖面中液氦热沉上出液汇总管与骨架连接的示意图；图10为图3中O-O剖面所示的液氮热沉下进液汇总管与液氦热沉下进液汇总管连接的示意图；图11为图3中P-P剖面所示的液氮热沉下进液汇总管、液氦热沉下进液汇总管与骨架连接的示意图；图12为图3中Q-Q剖面所示的液氮热沉下进液汇总管与骨架连接的示意图；图13为本专利技术热沉装置制冷方法的步骤流程图。其中：1-骨架；2-液氮热沉；3-液氦热沉；4-液氮热沉下总管；5-液氮热沉下总管进口波纹管组件；6-液氦热沉下总管进口波纹管组件；7-液氦热沉下总管；8-液氦热沉上总管；9-液氦热沉上总管出口波纹管组件；10-液氮热沉上总管出口波纹管组件；11-液氮热沉上总管；12-滚轮组件；13-六角头螺栓；14-液氦热沉翅片；15-液氦热沉支管；16-液氮热沉翅片；17-液氮热沉支管；18-T形梁；19-绝热垫A；20-开槽沉头螺钉；21-绝热垫B；22-舱体法兰；23-与舱体连接的法拉；24-波纹管的出口法兰；25-低温排液阀；2本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，该装置包括热沉主体（１００）、热沉表面电阻温度传感器（２００）、液氮供应系统（３００）、气氮吹除系统（４００）、气氦吹除系统（５００）、液氦供应系统（６００）以及辅助排液管路（７００）；所述的热沉主体（１００）采用双鱼骨式结构制造，包括骨架（１）、液氮热沉（２）和液氦热沉（３），骨架（１）装在液氮热沉（２）的外侧，用于支撑液氮热沉（２）和液氦热沉（３）的重量，液氦热沉（３）装在液氮热沉（２）的内侧，与液氮热沉（２）之间布置有绝热垫（１９），热沉表面电阻温度传感器（２００）均布在热沉主体（１００）的液氮热沉（２）和液氦热沉（３）的带翅片支管（６４）表面上；所述的液氮供应系统（３００）、气氮吹除系统（４００）、气氦吹除系统（５００）以及液氦供应系统（６００）都通过管道与辅助排液管路（７００）一端以及热沉主体（１００）的液氦热沉（３）的进口相连，辅助排液管路（７００）的另一端通向大气，液氮供应系统（３００）还与热沉主体（１００）的液氮热沉（２）的进口相连，所述的液氮热沉（２）和液氦热沉（３），其进出口均位于热沉主体（１００）同侧，进口在下，出口在上。...

【技术特征摘要】
1.一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，该装置包括热沉主体(100)、热沉表面电阻温度传感器(200)、液氮供应系统(300)、气氮吹除系统(400)、气氦吹除系统(500)、液氦供应系统(600)以及辅助排液管路(700)；所述的热沉主体(100)采用双鱼骨式结构制造，包括骨架(1)、液氮热沉(2)和液氦热沉(3)，骨架(1)装在液氮热沉(2)的外侧，用于支撑液氮热沉(2)和液氦热沉(3)的重量，液氦热沉(3)装在液氮热沉(2)的内侧，与液氮热沉(2)之间布置有绝热垫(19)，热沉表面电阻温度传感器(200)均布在热沉主体(100)的液氮热沉(2)和液氦热沉(3)的带翅片支管(64)表面上；所述的液氮供应系统(300)、气氮吹除系统(400)、气氦吹除系统(500)以及液氦供应系统(600)都通过管道与辅助排液管路(700)一端以及热沉主体(100)的液氦热沉(3)的进口相连，辅助排液管路(700)的另一端通向大气，液氮供应系统(300)还与热沉主体(100)的液氮热沉(2)的进口相连，所述的液氮热沉(2)和液氦热沉(3)，其进出口均位于热沉主体(100)同侧，进口在下，出口在上。2.根据权利要求1所述的一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，所述的热沉表面电阻温度传感器(200)，布置在液氮热沉(2)表面的为Pt100电阻温度传感器，测温范围77K～300K，布置在液氦热沉(3)表面的为铑铁电阻温度传感器，测温范围1.3K～300K。3.根据权利要求1所述的一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，所述的绝热垫(19)为聚四氟乙烯垫，有四条，均匀布置在液氮热沉(2)和液氦热沉(3)的中心线以下。4.根据权利要求1所述的一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，所述的骨架(1)由滚路组件(12)和T形梁(18)构成，骨架(1)内侧的T形梁(18)支撑液氮热沉(2)，滚轮组件(12)通过六角头螺栓(13)对称固定安装在骨架(1)中心线以下两侧的T型梁(18)上。5.根据权利要求1所述的一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，所述的液氮热沉(2)，其包括液氮热沉下总管(4)、液氮热沉下总管进口波纹管组件(5)、液氮热沉上总管(11)、液氮热沉上总管出口波纹管组件(10)、带翅片支管(64)、液氮热沉上出液汇总管(60)与液氮热沉下进液汇总管(62)；所述的液氮热沉上出液汇总管(60)与液氮热沉下进液汇总管(62)两侧相对应位置上各开一排径向孔，径向孔轴向间距400mm，对应的径向孔间焊接有带翅片支管(64)，液氮热沉上出液汇总管(60)与液氮热沉下进液汇总管(62)均是一端封住，另一端分别焊接液氮热沉上总管(11)和液氮热沉下总管(4)的一端，液氮热沉上总管(11)和液氮热沉下总管(4)的另一端分别焊接液氮热沉上总管出口波纹管组件(10)和液氮热沉下总管进口波纹管组件(5)，液氮热沉上总管出口波纹管组件(10)和液氮热沉下总管进口波纹管组件(5)通过法兰(22、23)固定连接在舱体(800)上；所述液氮热沉(2)的带翅片支管(64)为圆弧形弯管，由半圆状的液氮热沉翅片(16)与液氮热沉支管(17)组成，液氮热沉翅片(16)每沿液氮热沉支管(17)周向每隔300～500mm一段设置一片，采用焊接方式与液氮热沉支管(17)组合成一体。6.根据权利要求1所述的一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，所述的液氦热沉(3)，其包括液氦热沉下总管进口波纹管组件(6)、液氦热沉下总管(7)、液氦热沉上总管(8)、液氦热沉上总管出口波纹管组件(9)、带翅片支管(64)、液氦热沉上出液汇总管(61)与液氮热沉下进液汇总管(63)；所述液氦热沉上出液汇总管(61)与液氮热沉下进液汇总管(63)两侧相对应位置上各开有一排径向孔，径向孔轴向间距200mm，对应的径向孔间焊接有带翅片支管(64)，液氦热沉上出液汇总管(61)与液氮热沉下进液汇总管(63)均是一端封住，另一端分别焊接液氦热沉上总管(8)和液氦热沉下总管(7)的一端，液氦热沉上总管(8)和液氦热沉下总管(7)的另一端分别焊接液氦热沉上总管出口波纹管组件(9)和液氦热沉下总管进口波纹管组件(6)，液氦热沉上总管出口波纹管组件(9)和液氦热沉下总管进口波纹管组件(6)通过法兰(22、23)固定连接在舱体(800)上；所述的液氦热沉(3)的带翅片支管(64)为圆弧形弯管，由半圆状的液氦热沉翅片(14)与液氦热沉支管(15)组成，液氦热沉翅片(14)每沿液氦热沉支管(15)周向每隔300～500mm一段设置一片，采用焊接方式与液氦热沉支管(15)组合成一体。7.根据权利要求5或6所述的一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡国飙，凌桂龙，王文龙，李晓娟，黄本诚，张国舟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11