一種適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的系統(tǒng)包括，變頻離心泵，驅(qū)動(dòng)工質(zhì)在循環(huán)管路中流動(dòng)，并通過(guò)調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)工質(zhì)的流量；溫控閥，連接變頻離心泵，溫控閥將流通工質(zhì)的管路分為第一路管路和第二路管路，第一路管路通過(guò)輻射器到達(dá)控溫點(diǎn)，第二路管路直接到達(dá)控溫點(diǎn)與第一路管路匯合，溫控閥選擇性地使第一路管路和/或第二路管路與循環(huán)管路連通；冷板，連通控溫點(diǎn)的管路，用于為設(shè)備散熱；加排-供液組件；循環(huán)管路，連通上述部件構(gòu)成循環(huán)。本發(fā)明結(jié)合閥控模式和泵控模式，有效減輕了系統(tǒng)的重量；采用泵變頻調(diào)速技術(shù)，降低了系統(tǒng)的功耗；同時(shí)通過(guò)降低泵的轉(zhuǎn)速提高了泵的可靠性，冗余設(shè)計(jì)也提高了可靠性。
【專利說(shuō)明】一種適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天飛行器熱控制領(lǐng)域，特別是涉及一種適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在航天器的熱控制領(lǐng)域中，單相流體回路系統(tǒng)是主動(dòng)熱控技術(shù)中的一種重要方式，其突出特點(diǎn)是換熱能力強(qiáng)、便于結(jié)構(gòu)布局、易于組織內(nèi)部換熱、安全可靠，在國(guó)內(nèi)外的許多航天器上都采用了這項(xiàng)技術(shù)。
[0003]對(duì)于單項(xiàng)流體回路系統(tǒng)的溫控方式，目前其采用的方法主要有旁路閥控方式和變頻調(diào)速泵控方式。
[0004]旁路閥控方式是對(duì)流體進(jìn)行溫控的常用方法，其基本原理是:將被控溫的流體分為兩路，第一路通過(guò)加熱(或冷卻)設(shè)備，變?yōu)楦?或低)溫流體；而第二路直達(dá)控溫點(diǎn)，相對(duì)經(jīng)過(guò)加熱(或冷卻)的第一路流體，第二路流體即為低(或高)溫流體。這兩路流體在控溫點(diǎn)前混合。通過(guò)在兩路流體的分流點(diǎn)設(shè)置控制閥，控制冷熱兩路流體的流量比，再加上適當(dāng)?shù)目刂坡?，即可在熱載、外熱流等外部條件不斷變動(dòng)的情況下，將控溫點(diǎn)溫度控制在冷熱兩路流體溫度之中的任意值。
[0005]變頻調(diào)速泵控方式控溫的基本原理是:當(dāng)航天器內(nèi)熱源與外熱流變化時(shí)，通過(guò)泵變頻調(diào)速改變整個(gè)系統(tǒng)的流量，從而改變流體工質(zhì)與內(nèi)熱源、外熱流的換熱量，使得回路控溫點(diǎn)處的流體溫度在控溫目標(biāo)附近，達(dá)到維持整個(gè)航天器處于合適的工作溫度。
[0006]但是，這兩種方法在以下幾個(gè)方面存在不足:
[0007]采用旁路閥控方案時(shí):
[0008]I)由于閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)執(zhí)行器，可靠性方面具有不足，為了提高可靠性，航天飛行器用單相流體回路經(jīng)常采用兩個(gè)溫控閥的主備設(shè)計(jì)，這會(huì)造成系統(tǒng)質(zhì)量的增加。2)閥門調(diào)節(jié)溫度的線性度難于控制，使得構(gòu)成的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性不理想。3)泵一般按最大熱負(fù)荷設(shè)計(jì)、選型，留的余量很大，使得大部分工況下泵都不處于最佳工作點(diǎn)，降低了泵的運(yùn)行效率，能源消耗也大。
[0009]采用變頻調(diào)速泵控方式控溫方案時(shí):
[0010]采用泵控方式時(shí)，當(dāng)泵的運(yùn)行頻率下降時(shí)，系統(tǒng)流量下降得很快，泵壓也快速下降，流量與壓力都近似呈線性下降。泵不能長(zhǎng)時(shí)間在低速的運(yùn)行。同時(shí)，在流量很低時(shí)，系統(tǒng)的溫度均勻性變差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題為:克服現(xiàn)有技術(shù)中變頻調(diào)控方案系統(tǒng)重量增加、線性難于控制，運(yùn)行效率不高，變頻調(diào)速泵控方式不能長(zhǎng)時(shí)間在低速運(yùn)行，系統(tǒng)的溫度均勻性差的問(wèn)題；提供一種適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制的設(shè)計(jì)方案，確保航天器在軌階段和返回階段的綜合熱控制。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制系統(tǒng)，包括:變頻離心泵，驅(qū)動(dòng)工質(zhì)在循環(huán)管路中流動(dòng)，并通過(guò)調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)工質(zhì)的流量；溫控閥，連接變頻離心泵，溫控閥將流通工質(zhì)的管路分為第一路管路和第二路管路，第一路管路通過(guò)輻射器到達(dá)控溫點(diǎn)，第二路管路直接到達(dá)控溫點(diǎn)與第一路管路匯合，溫控閥選擇性地使第一路管路和/或第二路管路與循環(huán)管路連通；冷板，連通控溫點(diǎn)的管路，用于為設(shè)備散熱；力口排-供液組件，用于工質(zhì)的加注、排放；循環(huán)管路，連通變頻離心泵、溫控閥、第一路管路和/或第二路管路、控溫點(diǎn)、冷板、加排-供液組件，構(gòu)成循環(huán)。
[0013]進(jìn)一步地，還包括，第一加排閥，連通循環(huán)管路。
[0014]進(jìn)一步地，加排-供液組件包括連通循環(huán)管路的補(bǔ)償器和連通補(bǔ)償器的第二加排閥。
[0015]進(jìn)一步地，還包括，回路關(guān)斷閥，設(shè)置在循環(huán)管路中。
[0016]進(jìn)一步地，還包括，過(guò)濾器，設(shè)置在連接變頻離心泵的循環(huán)管路中。
[0017]進(jìn)一步地，還包括，第一自鎖閥，兩端與溫控閥的兩端連通，與溫控閥平行設(shè)置；第二自鎖閥，設(shè)置在第二路管路中。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制方法，使用上述的系統(tǒng)，選擇使用以下模式中的一項(xiàng):泵控控溫模式，全開控溫閥，使所有的工質(zhì)流體均通過(guò)輻射器；閥控控溫模式，固定變頻離心泵的轉(zhuǎn)速，通過(guò)調(diào)節(jié)控溫閥的開度進(jìn)行控溫。
[0019]進(jìn)一步地，還包括:智能控溫模式，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)采用閥控控溫模式，固定變頻離心泵的轉(zhuǎn)速為8000轉(zhuǎn)/分，當(dāng)系統(tǒng)溫度達(dá)到平衡時(shí)，判斷溫控閥的開度，根據(jù)開度情況選擇泵控控溫模式或是閥控控溫模式。
[0020]進(jìn)一步地，智能控溫模式當(dāng)溫控閥的開度低于50%時(shí)，將系統(tǒng)設(shè)置為泵控控溫模式，當(dāng)溫控閥的開度高于50%時(shí)而低于90%時(shí)，系統(tǒng)保持閥控模式不變，當(dāng)溫控閥的開度高于90%時(shí)，使變頻離心泵處于加速模式，變頻離心泵的轉(zhuǎn)速增加到10000轉(zhuǎn)/分，以增加散熱能力，控制模式仍采用閥控模式。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0022]本發(fā)明基于單相流體回路的組合溫度控制方法，在不需要改變航天器外形尺寸和設(shè)計(jì)方案無(wú)需大的改動(dòng)的前提下，相比傳統(tǒng)的閥控方案，本發(fā)明在不降低系統(tǒng)的可靠性的情況下，減少了一路溫控閥的備份，減少了兩個(gè)自鎖閥，有效減輕了系統(tǒng)的重量，本發(fā)明采用泵變頻調(diào)速技術(shù)，降低了系統(tǒng)的功耗達(dá)50%以上。同時(shí)通過(guò)降低泵的轉(zhuǎn)速，提高了泵的可靠性，冗余設(shè)計(jì)提高了可靠性。通過(guò)以上發(fā)明設(shè)計(jì)，能使航天飛行器具有較大的共用性和適用性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1示出了本發(fā)明的適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明的上述目的是通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:
[0025]設(shè)計(jì)了一套泵控和閥控的組合控制方法，根據(jù)該方法設(shè)計(jì)了一種單相流體回路系統(tǒng)，泵的電機(jī)采用變頻調(diào)速電機(jī)，采用了一路控溫閥一路直通自鎖閥的方式，整體控制方式有多種組合。
[0026]本發(fā)明設(shè)計(jì)了多種控溫模式，有泵控控溫模式、閥控控溫模式和智能控溫模式。泵控控溫模式時(shí)正常情況下采用泵控的方式控溫，控溫閥全開，使所有的流體均通過(guò)輻射器；當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到最低轉(zhuǎn)速時(shí)時(shí)，切換到閥控模式，固定泵轉(zhuǎn)速，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門的開度進(jìn)行控溫；采用閥控控溫模式時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速固定為最高，通過(guò)溫控閥控溫，該模式使用于設(shè)備短時(shí)產(chǎn)生大量熱需要散發(fā)時(shí)采用，閥控的響應(yīng)速度高于泵控，而在溫度降下來(lái)時(shí)恢復(fù)到泵控模式；采用智能控溫模式時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)采用閥控控溫模式，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，判斷泵的轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)速情況智能選擇泵控或是閥控控溫模式。
[0027]圖1為單相流體回路的組合溫度控制方法設(shè)計(jì)方案，該單相流體回路包括冷板1、第一加排閥2、第一回路關(guān)斷閥3、第二加排閥4、補(bǔ)償器5、過(guò)濾器6、變頻離心泵7、第二回路關(guān)斷閥8、溫控閥9、第一自鎖閥10、第二自鎖閥11、輻射器12、控溫點(diǎn)13和液體循環(huán)管路14。
[0028]單相流體回路的組合溫度控制方法設(shè)計(jì)方案主要由以下部分組成:
[0029]I)工質(zhì)先經(jīng)過(guò)由第一加排閥2、第一回路關(guān)斷閥3、第二加排閥4、補(bǔ)償器5 ;其中第二加排閥4連通補(bǔ)償器5組成加排-供液組件。此加排-供液組件用于回路工質(zhì)加注、排放、保證泵進(jìn)口壓力和補(bǔ)償工質(zhì)熱脹冷縮引起的體積變化。
[0030]2)此后工質(zhì)流經(jīng)泵組件，該泵組件由變頻離心泵7、過(guò)濾器6及管路連接件組成。該泵組件用于驅(qū)動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)并調(diào)節(jié)工質(zhì)流量，工質(zhì)流量調(diào)節(jié)功能主要通過(guò)調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。泵組件后還設(shè)有第二回路關(guān)斷閥8。
[0031]3)工質(zhì)通過(guò)泵組件后流經(jīng)溫控閥9處分為兩路。第一路通過(guò)輻射器12到達(dá)控溫點(diǎn)13，另一路通過(guò)旁路直達(dá)控溫點(diǎn)13再與第一路匯合，旁路中具有第二自鎖閥11。兩路之間的流量比例由溫控閥9控制。溫控閥9采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)三通閥，可快速調(diào)節(jié)流t匕。第一自鎖閥10的兩端與溫控閥9的兩端連通。在正常工作模式下，第一自鎖閥10關(guān)閉，第二自鎖閥11打開；而當(dāng)溫控閥故障時(shí)，第一自鎖閥10打開，第二自鎖閥11關(guān)閉，所有的工質(zhì)均通過(guò)輻射器12，從而將溫控閥9屏蔽掉。
[0032]4)通過(guò)13控溫點(diǎn)的工質(zhì)進(jìn)入冷板I用于為設(shè)備散熱。之后回到回路關(guān)斷閥3和加排-供液組件，完成循環(huán)。
[0033]為了實(shí)現(xiàn)單相流體回路的組合溫度控制，設(shè)計(jì)了三種溫度控制算法，分別為有泵控控溫模式、閥控控溫模式和智能控溫模式算法。
[0034]泵控控溫模式算法用于飛船或衛(wèi)星能源非常緊張時(shí)，其最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能效果明顯，在這種模式時(shí)，控溫閥9全開，使所有的流體均通過(guò)輻射器，系統(tǒng)具有最大冷卻能力，當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速降低到最低轉(zhuǎn)速時(shí)，保持該轉(zhuǎn)速不變，溫度的控制切換到純閥控模式通過(guò)調(diào)節(jié)閥門的開度進(jìn)行控溫。
[0035]閥控控溫模式算法用于單相流體回路冷卻余量不足或系統(tǒng)能源充足時(shí)使用，其最大優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備的溫度均勻性好，平衡時(shí)間短，該模式時(shí)使變頻調(diào)速泵7的轉(zhuǎn)速固定到正常值，通過(guò)調(diào)節(jié)溫控閥9的開度進(jìn)行控溫，當(dāng)系統(tǒng)的冷卻能力不足時(shí)，變頻調(diào)速泵7處于加速模式，轉(zhuǎn)速比正常值增加20%以提供冷卻能力。
[0036]智能控溫模式算法用于各種模式，兼顧溫度均勻性和節(jié)能，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)首次設(shè)置為閥控模式，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)測(cè)量溫控閥9的開度，當(dāng)溫控閥的開度低于50%時(shí)，將系統(tǒng)設(shè)置為泵控控溫模式，當(dāng)溫控閥的開度高于50%時(shí)而低于90%時(shí)，系統(tǒng)保持閥控模式不變，當(dāng)溫控閥的開度高于90%時(shí)，使變頻離心泵7處于加速模式，變頻離心泵的轉(zhuǎn)速增加到10000轉(zhuǎn)/分，以增加散熱能力，控制模式仍采用閥控模式。
[0037]為了提供系統(tǒng)可靠性，設(shè)計(jì)了一種溫控閥9故障模式，當(dāng)溫控閥9鎖死或其它原因無(wú)法調(diào)節(jié)時(shí)，第一自鎖閥10打開，第二自鎖閥11關(guān)閉，所有的工質(zhì)均通過(guò)輻射器12，從而將溫控閥9屏蔽掉，并將控溫模式設(shè)置為泵控控溫模式。
【權(quán)利要求】
1.一種適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，包括:變頻離心泵(7)，驅(qū)動(dòng)工質(zhì)在循環(huán)管路中流動(dòng)，并通過(guò)調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)工質(zhì)的流量；溫控閥(9)，連接所述變頻離心泵(7)，所述溫控閥(9)將流通工質(zhì)的管路分為第一路管路和第二路管路，所述第一路管路通過(guò)輻射器(12)到達(dá)控溫點(diǎn)(13)，所述第二路管路直接到達(dá)所述控溫點(diǎn)(13)與所述第一路管路匯合，所述溫控閥(9)選擇性地使所述第一路管路和/或所述第二路管路與循環(huán)管路連通； 冷板(I)，連通所述控溫點(diǎn)(13)的管路，用于為設(shè)備散熱； 加排-供液組件，用于工質(zhì)的加注、排放； 循環(huán)管路，連通所述變頻離心泵(7)、所述溫控閥(9)、所述第一路管路和/或所述第二路管路、所述控溫點(diǎn)(13)、所述冷板(I)、所述加排-供液組件，構(gòu)成循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括，第一加排閥(2)，連通所述循環(huán)管路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述加排-供液組件包括連通循環(huán)管路的補(bǔ)償器(5)和連通所述補(bǔ)償器(5)的第二加排閥(4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括，回路關(guān)斷閥，設(shè)置在所述循環(huán)管路中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括，過(guò)濾器￠)，設(shè)置在連接所述變頻離心泵(7)的循環(huán)管路中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制系統(tǒng)，還包括，第一自鎖閥(10)，兩端與所述溫控閥(9)的兩端連通，與所述溫控閥(9)平行設(shè)置；第二自鎖閥(I I)，設(shè)置在所述第二路管路中。
7.—種適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制方法，其特征在于，使用權(quán)利要求1至6項(xiàng)中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，選擇使用以下模式中的一項(xiàng): 泵控控溫模式，全開控溫閥(9)，使所有的工質(zhì)流體均通過(guò)輻射器； 閥控控溫模式，固定變頻離心泵(7)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)調(diào)節(jié)所述控溫閥(9)的開度進(jìn)行控溫。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制方法，其特征在于，還包括: 智能控溫模式，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)采用所述閥控控溫模式，固定變頻離心泵的轉(zhuǎn)速為8000轉(zhuǎn)/分，當(dāng)系統(tǒng)溫度達(dá)到平衡時(shí)，判斷所述溫控閥的開度，根據(jù)開度情況選擇泵控控溫模式或是閥控控溫模式。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的適應(yīng)單相流體回路的組合溫度控制方法，其特征在于，所述智能控溫模式在當(dāng)溫控閥的開度低于50%時(shí)，將系統(tǒng)設(shè)置為泵控控溫模式，當(dāng)溫控閥的開度高于50%時(shí)而低于90%時(shí)，系統(tǒng)保持閥控模式不變，當(dāng)溫控閥的開度高于90%時(shí)，使變頻離心泵處于加速模式，變頻離心泵的轉(zhuǎn)速增加到10000轉(zhuǎn)/分，以增加散熱能力，控制模式仍采用閥控模式。
【文檔編號(hào)】G05D23/00GK104375531SQ201410602694
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】王思峰, 劉欣, 鞏萌萌, 李彥良, 呂建偉, 王海英, 張少華, 楊勇 申請(qǐng)人:中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院