專利名稱：常壓/負(fù)壓液氮過冷器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間環(huán)境模擬試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一套用于空間環(huán)境模擬器常壓/負(fù)壓液氣制冷及自動控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
過冷器是空間環(huán)境模擬器液氮系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，常壓過冷器是指過冷器內(nèi)容器中的液氮為常壓狀態(tài)(外界大氣壓)。目前，空間環(huán)境模擬器內(nèi)使用的過冷器均為常壓過冷器。在單相密閉循環(huán)系統(tǒng)中，過冷器承擔(dān)換熱器的角色，從過冷器排出的液氮經(jīng)過液氮泵后，以一定的壓力和流量輸送到熱沉中，在其中吸收熱量，溫度升高，但仍低于其飽和溫度。升溫后的液氮從熱沉流出，進(jìn)入過冷器內(nèi)的板翅換熱器，與過冷器內(nèi)容器中的常壓液氮 進(jìn)行熱交換，溫度降低，形成一定過冷度，流回液氮泵，完成一個單項(xiàng)密閉循環(huán)。在整個過程中，過冷器內(nèi)容器常壓液氮的溫度決定了整個循環(huán)中液氮的最低溫度，也決定了熱沉的溫度。使用常壓過冷器的空間環(huán)模設(shè)備熱沉可維持低于100K。由飽和液氮的物性可以看出，液氮的飽和溫度隨液氮壓力的降低而降低，如圖I所示，負(fù)壓液氮過冷是利用液氮在真空(低于外界大氣壓)下汽化沸騰換熱來過冷高壓液氮，使高壓液氮獲得更低的溫度，從而達(dá)到制冷作用。負(fù)壓液氮過冷器是指過冷器內(nèi)容器里的液氮壓力低于一個大氣壓的過冷器。負(fù)壓過冷器的設(shè)計利用了真空液氮過冷技術(shù)，過冷器熱交換器的一側(cè)液體是單向密閉循環(huán)的液氮，另一側(cè)是壓力為負(fù)壓下的液氮，過冷器內(nèi)負(fù)壓狀態(tài)下的液氮吸熱不斷汽化，來冷卻單向密閉循環(huán)的液氮，以獲得比常壓過冷器更低的液氮溫度。根據(jù)過冷器的功能可知，熱沉中的液氮溫度決定了熱沉和試驗(yàn)件所能達(dá)到的極限溫度，目前國內(nèi)環(huán)境模擬設(shè)備中所使用的均為常壓過冷器，一個大氣壓下的飽和液氮溫度約為78K，利用此液氮來冷卻密閉循環(huán)中的高壓液氮，在過冷器出口密閉循環(huán)的高壓液氮溫度可達(dá)82K左右。在系統(tǒng)額定熱負(fù)荷內(nèi)，熱沉溫度可維持低于100K。負(fù)壓過冷器可得到更低的液氮循環(huán)溫度，例如液氮在0. 2bar壓力下,飽和溫度約為65. 8K,利用0. 2bar壓力下的飽和液氮冷卻密閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的高壓液氮，可使過冷器出口液氮溫度達(dá)到73K左右，在系統(tǒng)熱負(fù)荷內(nèi)，熱沉溫度可維持低于90K。由此可見，研制一種能夠在環(huán)境模擬設(shè)備中使用的出口液氮溫度更低的負(fù)壓液氮過冷器系統(tǒng)非常必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種常壓/負(fù)壓液氮過冷器系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種能夠在常壓過冷器系統(tǒng)和負(fù)壓過冷器系統(tǒng)之間進(jìn)行切換的兩狀態(tài)過冷系統(tǒng)，能夠更好地滿足環(huán)境模擬試驗(yàn)。本發(fā)明目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種常壓/負(fù)壓液氮過冷器系統(tǒng)，包括內(nèi)外容器組成的過冷器本體、電加熱器及溫控系統(tǒng)、真空蝶閥控制系統(tǒng)、緩沖氣罐和真空機(jī)組，過冷器本體內(nèi)部設(shè)置有板翅式換熱器，密閉循環(huán)液氮入口與密閉循環(huán)液氮出口分別通過控制閥門與板翅式換熱器相連，過冷器本體內(nèi)容器的內(nèi)部填充有液面高于板翅式換熱器的液氮，過冷器本體上設(shè)置有供廢液排出的殘液排出口和液氮補(bǔ)給的負(fù)壓液氮入口 ；電加熱器、真空蝶閥控制系統(tǒng)、緩沖氣罐和真空機(jī)組依次通過管路連接并在電加熱器另一側(cè)通過低溫氣動閥門連接到過冷器本體上，放空管也通過低溫氣動開關(guān)閥門以與上述加熱器另一側(cè)并聯(lián)的方式設(shè)置在過冷器本體上，真空蝶閥控制系統(tǒng)通過PID方式控制并保持過冷器本體內(nèi)的壓力，電加熱器及溫控系統(tǒng)加熱并控制從過冷器內(nèi)排出的低溫氮?dú)獾臏囟龋_啟放空管的氣動開關(guān)閥門并關(guān)閉抽真空的氣動開關(guān)閥門時為常壓過冷器，關(guān)閉放空管的氣動開關(guān)閥門并開啟抽真空的氣動開關(guān)閥門時為負(fù)壓過冷器?！て渲校婵盏y控制系統(tǒng)將過冷器本體內(nèi)部的壓力穩(wěn)定在0. 02MPa左右。其中，過冷器本體的材料為0Crl8Ni9，過冷器本體的容器壁厚為5mm。其中，緩沖氣罐的材質(zhì)為不銹鋼，體積為lm3。其中，真空碟閥控制系統(tǒng)為常規(guī)結(jié)構(gòu)，包括可調(diào)蝶閥、控制器、薄膜真空規(guī)管、手動蝶閥等。與現(xiàn)有的常壓液氮過冷器相比，本發(fā)明的常壓/負(fù)壓液氮過冷器的優(yōu)點(diǎn)在于a)利用液氮在負(fù)壓下具有更低的飽和溫度，來冷卻單項(xiàng)密閉循環(huán)液氮，得到了更低的循環(huán)液氮溫度，更加真實(shí)有效的模擬了空間環(huán)境溫度，提高了航天器地面熱真空環(huán)境模擬試驗(yàn)的效率，拓展了試驗(yàn)溫度區(qū)間；b)常壓/負(fù)壓過冷器在使用過程中，可根據(jù)系統(tǒng)熱負(fù)荷的變化，可使系統(tǒng)在常壓過冷器和負(fù)壓過冷器之間自由切換，提高了系統(tǒng)的安全性及可靠性。


圖I為液氮飽和溫度和壓力的關(guān)系曲線示意圖；圖2為本發(fā)明的常壓/負(fù)壓液氮過冷器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的常壓/負(fù)壓液氮過冷器系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明，具體實(shí)施方式
僅為示例的目的，并不旨在限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。參照圖2，本發(fā)明的常壓/負(fù)壓液氮過冷器系統(tǒng)，包括由內(nèi)外容器組成過冷器本體、電加熱器及溫控系統(tǒng)、真空蝶閥控制系統(tǒng)、緩沖氣罐和真空機(jī)組，例如，過冷器本體的材料可以為0Crl8Ni9，優(yōu)選過冷器本體的容器壁厚為5_。過冷器本體內(nèi)部設(shè)置有板翅式換熱器，密閉循環(huán)液氮入口與密閉循環(huán)液氮出口分別通過控制閥門與板翅式換熱器相連，過冷器本體內(nèi)部填充有液面高于板翅式換熱器的液氮，過冷器本體上設(shè)置有供廢液排出的殘液排出口和液氮補(bǔ)給的負(fù)壓液氮入口 ；板翅式換熱器內(nèi)有兩種流體，一種流體為從熱沉系統(tǒng)排出的高壓液氮，另一種是過冷器內(nèi)容器內(nèi)的負(fù)壓飽和液氮，兩種流體經(jīng)過充分的熱量交換，將高壓飽和液氮變成具有一定過冷度的液氮，重新流回?zé)岢?。其中，電加熱器、真空蝶閥控制系統(tǒng)、緩沖氣罐(例如緩沖氣罐的材質(zhì)為不銹鋼，體積為Im3)和真空機(jī)組依次通過管路連接并在電加熱器另一側(cè)通過低溫氣動閥門連接到過冷器本體上，放空管也通過低溫氣動開關(guān)閥門以與上述加熱器另一側(cè)并聯(lián)的方式設(shè)置在過冷器本體上，真空蝶閥控制系統(tǒng)通過PID方式控制并保持過冷器本體內(nèi)的壓力使其穩(wěn)定在0. 02MPa左右。電加熱器及溫控系統(tǒng)加熱并控制從過冷器內(nèi)排出的低溫氮?dú)獾臏囟?，開啟放空管的氣動開關(guān)閥門并關(guān)閉抽真空的氣動開關(guān)閥門時為常壓過冷器，關(guān)閉放空管的氣動開關(guān)閥門并開啟抽真空的氣動開關(guān)閥門時為負(fù)壓過冷器。在熱交換的過程中，過冷器內(nèi)容器的負(fù)壓飽和液氮因吸熱不斷汽化，產(chǎn)生的低溫氮?dú)饨?jīng)電加熱器加熱至常溫，真空系統(tǒng)將加熱至常溫的氣體排出系統(tǒng)。真空碟閥控制系統(tǒng)將維持過冷器內(nèi)容器的壓力，穩(wěn)定在0. 02MPa左右，此時過冷器內(nèi)的負(fù)壓液氮的飽和溫度為65. 8K，過冷器出口密閉循環(huán)液氮溫度可維持低于73K。負(fù)壓液氮過冷器系統(tǒng)可根據(jù)試驗(yàn)需求自由切換為常壓過冷器使用。 真空碟閥控制系統(tǒng)是已知的控制結(jié)構(gòu)，包括可調(diào)蝶閥、控制器、薄膜真空規(guī)管、手動蝶閥等；而真空機(jī)組包括兩臺機(jī)械泵，過冷器工作狀態(tài)下內(nèi)容器液氮充滿率按80%設(shè)計，依靠真空碟閥的PID調(diào)節(jié)，將過冷器內(nèi)容器真空度維持在0. 02MPa±0. 002MPa之間，而增加的緩沖氣罐，可以使真空泵運(yùn)行穩(wěn)定。盡管上文對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了詳細(xì)的描述和說明，但應(yīng)該指明的是，我們可以對上述實(shí)施方式進(jìn)行各種改變和修改，但這些都不脫離本發(fā)明的精神和所附的權(quán)利要求所記載的范圍。
權(quán)利要求
1.一種常壓/負(fù)壓液氮過冷器系統(tǒng)，包括內(nèi)外容器組成的過冷器本體、電加熱器及溫控系統(tǒng)、真空蝶閥控制系統(tǒng)、緩沖氣罐和真空機(jī)組，過冷器本體內(nèi)部設(shè)置有板翅式換熱器，密閉循環(huán)液氮入口與密閉循環(huán)液氮出口分別通過控制閥門與板翅式換熱器相連，過冷器本體內(nèi)容器的內(nèi)部填充有液面高于板翅式換熱器的液氮，過冷器本體上設(shè)置有供廢液排出的殘液排出口和液氮補(bǔ)給的負(fù)壓液氮入口 ；電加熱器、真空蝶閥控制系統(tǒng)、緩沖氣罐和真空機(jī)組依次通過管路連接并在電加熱器另ー側(cè)通過低溫氣動閥門連接到過冷器本體上，放空管也通過低溫氣動開關(guān)閥門以與所述電加熱器另一側(cè)并聯(lián)的方式設(shè)置在過冷器本體上，真空蝶閥控制系統(tǒng)通過PID方式控制并保持過冷器本體內(nèi)的壓力，電加熱器及溫控系統(tǒng)加熱控制從過冷器內(nèi)排出的低溫氮?dú)獾臏囟?，?dāng)開啟放空管的氣動開關(guān)閥門并關(guān)閉抽真空的氣動開關(guān)閥門時為常壓過冷器，關(guān)閉放空管的氣動開關(guān)閥門并開啟抽真空的氣動開關(guān)閥門時為負(fù)壓過冷器。
2.如權(quán)利要求I所述的常壓/負(fù)壓液氮過冷器系統(tǒng)，其中，真空蝶閥控制系統(tǒng)將過冷器本體內(nèi)部的壓カ穩(wěn)定在0. 02MPa左右。
3.如權(quán)利要求2所述的常壓/負(fù)壓液氮過冷器系統(tǒng)，其中，過冷器本體的材料為0Crl8Ni9，過冷器本體的容器壁厚為5mm。
4.如權(quán)利要求I所述的常壓/負(fù)壓液氮過冷器系統(tǒng)，其中，緩沖氣罐的材質(zhì)為不銹鋼，體積為Im3。
5.如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的常壓/負(fù)壓液氮過冷器系統(tǒng)，其中，真空碟閥控制系統(tǒng)為常規(guī)結(jié)構(gòu)，包括可調(diào)蝶閥、控制器、薄膜真空規(guī)管和手動蝶閥。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種常壓/負(fù)壓液氮過冷器系統(tǒng)，包括內(nèi)外容器組成的過冷器本體、電加熱器及溫控系統(tǒng)、真空蝶閥控制系統(tǒng)、緩沖氣罐和真空機(jī)組，過冷器本體內(nèi)部設(shè)置有板翅式換熱器，電加熱器、真空蝶閥控制系統(tǒng)、緩沖氣罐和真空機(jī)組依次通過管路連接并在電加熱器另一側(cè)通過低溫氣動閥門連接到過冷器本體上，放空管也通過低溫氣動開關(guān)閥門以與上述加熱器另一側(cè)并聯(lián)的方式設(shè)置在過冷器本體上，開啟放空管的氣動開關(guān)閥門并關(guān)閉抽真空的氣動開關(guān)閥門時為常壓過冷器，關(guān)閉放空管的氣動開關(guān)閥門并開啟抽真空的氣動開關(guān)閥門時為負(fù)壓過冷器。該系統(tǒng)利用液氮在負(fù)壓下具有更低的飽和溫度，來冷卻單項(xiàng)密閉循環(huán)液氮，得到了更低的循環(huán)液氮溫度，更加真實(shí)有效的模擬了空間環(huán)境溫度，提高了航天器地面熱真空環(huán)境模擬試驗(yàn)的效率，拓展了試驗(yàn)溫度區(qū)間。
文檔編號F25B40/02GK102759231SQ20121025864
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月25日
發(fā)明者丁文靜, 劉波濤, 劉然, 單巍巍, 楊瑞洪, 王紫娟, 茹曉勤, 詹海洋, 韓瀟, 龔潔 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所