大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统

摘要

本发明公开了一种大型空间环境模拟器气‑液混合制冷系统，该系统包括供液系统、供气系统、单相密闭循环系统、空间环境模拟器系统。制冷系统能够灵活地向空间环境模拟器系统中的热沉单元、防污染板、冷板以及真空容器外表面布置的低温泵提供单相过冷液氮、饱和液氮或氮气，并依据其目标温度的需求，能够同时控制提供的单相过冷液氮、饱和液氮或氮气流量，以满足多种不同试验工况下，不同目标温度、独立控制的要求。

说明书

技术领域

本发明属于航天器真空热试验技术领域，具体而言，本发明涉及一种针对大型空间环境模拟器系统的气-液混合制冷系统。

背景技术

现有大型空间环境模拟器系统中热沉单元、防污染板、冷板以及真空容器外表面布置的低温泵在试验过程中的目标温度要求单一，仅为低温状态或高温状态，同时工作频率一致，即同时升温或同时降温，因此采用单一状态的液氮制冷系统或气氮制冷系统即可满足试验要求。随着航天器试验产品的快速更新换代，空间探测领域的不断拓展，对于大型空间环境模拟器系统中热沉单元、防污染板、冷板以及真空容器外表面布置的低温泵在试验过程中的目标温度控制由单一状态控制要求向独立交叉运行控制要求进行转变，因此现有的采用单一状态的液氮制冷系统或气氮制冷系统就无法满足上述新产品、新领域的试验需求，为此特研制了本发明所表述的一种大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统。

发明内容

针对大型空间环境模拟器系统中热沉单元、防污染板、冷板以及真空容器外表面布置的低温泵在试验过程中的目标温度的独立控制要求，本发明提供了一种大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统，该制冷系统能够灵活地向空间环境模拟器系统中的上述四个部分提供单相过冷液氮、饱和液氮或氮气，依据其目标温度的需求，能够同时控制提供的单相过冷液氮、饱和液氮或氮气流量，以满足多种不同试验工况下，不同目标温度、独立控制的要求。

本发明采用了如下的技术方案：

本发明的大型空间环境模拟器的气-液混合制冷系统，包括供液系统、供气系统、单相密闭循环系统，所述大型空间环境模拟器包括热沉单元、防污染板、冷板、低温泵；供液系统包括具有放空阀的液氮贮槽，供气系统包括储气罐以及分别通过控制阀门连接的空温式汽化器和电加热器，单相密闭循环系统包括具有放空阀的过冷器以及用于与大型空间环境模拟器连通的管路；其中，饱和液氮经液氮贮槽的一上部液氮输送管道通过控制阀门V3提供给单相密闭循环系统的过冷器；饱和液氮经液氮贮槽底部液氮输送管道通过控制阀门V2，以及并联的气动调节阀D6和气动调节阀D3分别提供给空间环境模拟器系统的冷源入口端和供气系统的空温式汽化器，在空温式汽化器内与环境空气进行热交换后，饱和液氮吸收热量汽化成为氮气，经空温式汽化器供气管道、控制阀门V4送入储气罐,再经控制阀门V5、气动调节阀D7、储气罐供气管道送入电加热器，之后在电加热器内氮气温度加热到温度传感器TIA04的设定值，经电加热器供气管道提供空间环境模拟器系统作为氮气气源。

其中，热沉单元的热沉单元入口管道上，并联安装了三个气动调节阀门，气动调节阀门Dr11用于控制送入热沉单元的单相过冷液氮流量；气动调节阀门Dr12用于控制送入热沉单元的饱和液氮流量；气动调节阀门Dr13用于控制送入热沉单元的氮气流量；三种流体流量按照热沉单元入口温度TIA05设定的温度，进行调节。

其中，防污染板的防污染板入口管道上，并联安装了三个气动调节阀门，气动调节阀门Dr21用于控制送入防污染板的单相过冷液氮流量；气动调节阀门Dr22用于控制送入防污染板的饱和液氮流量；气动调节阀门Dr23用于控制送入防污染板的氮气流量；三种流体流量按照防污染板入口温度TIA07设定的温度，进行调节。

其中，冷板的冷板入口管道上，并联安装了三个气动调节阀门，气动调节阀门Dr31用于控制送入冷板的单相过冷液氮流量；气动调节阀门Dr32用于控制送入冷板的饱和液氮流量；气动调节阀门Dr33用于控制送入冷板的氮气流量；三种流体流量按照冷板入口温度TIA09设定的温度，进行调节。

其中，低温泵的低温泵入口管道上，并联安装了三个气动调节阀门，气动调节阀门Dr41用于控制送入低温泵的单相过冷液氮流量；气动调节阀门Dr42用于控制送入低温泵的饱和液氮流量；气动调节阀门Dr43用于控制送入低温泵的氮气流量；三种流体流量按照低温泵入口温度TIA11设定的温度，进行调节。

其中，供液系统中的液氮贮槽配置了压力传感器PIA01用于测量贮存在液氮贮槽内的液氮压力，配置了差压变送器LIA01用于测量贮存在液氮贮槽内的液氮液位高度。

其中，供气系统中的储气罐配置了压力传感器PIA03用于测量贮存在储气罐内的氮气压力。

其中，供气系统中的电加热器配置了温度传感器TIA03用于测量电加热器内部的氮气温度，配置了温度传感器TIA04用于测量电加热器供气管道231内的氮气温度。

其中，单相密闭循环系统中的过冷器配置了压力传感器PIA02用于测量贮存在过冷器内的液氮压力，配置了差压变送器LIA02用于测量贮存在过冷器内的液氮液位高度。

本发明在运行过程中，对于热沉单元、防污染板、冷板、低温泵的目标温度控制灵活，独立性强，能够适应在同一大型空间环境模拟器系统中的多种目标温度控制要求，最大限度的扩展了大型空间环境模拟器系统的试验种类及试验工况。

附图说明

图1为本发明的大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统的结构示意图。

其中，1为供液系统；2为供气系统；3为单相密闭循环系统；4为空间环境模拟器系统。

图2为本发明的大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统中供液系统的结构示意图。

其中，11为液氮贮槽；12为自增压汽化器；13为液氮贮槽增压管道；14为液氮贮槽放空管道；15为液氮贮槽上部液氮输送管道；16为液氮贮槽底部液氮输送管道；17为液氮贮槽回液管道。

图3为本发明的大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统中供气系统的结构示意图。

其中，21为空温式汽化器；22为储气罐；23为电加热器；211为空温式汽化器供气管道；221为储气罐供气管道；231为电加热器供气管道。

图4为本发明的大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统中单相密闭循环系统的结构示意图。

其中，31为过冷器；32为液氮泵；311为过冷器补液管道；312为过冷器供液管道；313为过冷器回液管道；321为液氮泵回液管道；322为液氮泵供液管道；323为液氮泵补液管道。

图5为本发明的大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统中空间环境模拟器系统的结构示意图。

其中，41为热沉单元；42为防污染板；43为冷板；44为低温泵；45为真空阀门；46为低温泵接口法兰；47为真空容器。

其中，411为热沉单元入口管道；412为热沉单元出口管道；421为防污染板进口管道；422为防污染板出口管道；431为冷板进口管道；432为冷板出口管道；441为低温泵进口管道；442为低温泵出口管道。

具体实施方式

参见图1，图1为本发明的大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统的结构示意图。现有的空间环境模拟器系统用于模拟太空中的真空冷黑环境，本发明中的大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统包括供液系统1、供气系统2、单相密闭循环系统3、空间环境模拟器系统4。空间环境模拟器系统4为一个密闭环境系统，内部为模拟太空的真空环境，包括热沉单元41、防污染板42、冷板43、低温泵44、真空阀门45、低温泵接口法兰46、真空容器47。沿着真空容器47的内表面布置有热沉单元41、防污染板42、冷板43。真空容器47外表面布置有低温泵接口法兰46，低温泵44通过真空阀门45与低温泵接口法兰46连接。图1中的控制阀门V1、V2、V3均为供液系统1中的液氮贮槽11在对应的液氮贮槽回液管道17控制阀，液氮贮槽上部液氮输送管道16控制阀以及液氮贮槽底部液氮输送管道16的控制阀。在液氮贮槽11投入使用后作为日常维修维护用的工艺阀门，在试验过程中，控制阀门V1、V2、V3通常处于开启状态。

试验过程中需要向真空容器47的内表面布置热沉单元41、防污染板42、冷板43以及真空容器47外表面布置低温泵44，其中输送达到其设定的目标温度所需的氮气或液氮，为此需要一种能够灵活的气-液混合制冷系统，保证在试验过程中，热沉单元41、防污染板42、冷板43以及真空容器47外表面布置的低温泵44的温度控制相互独立、互不影响，同时控制目标温度能够在100K-173℃～373K+100℃的温度范围内定点可调。

为此，本发明的大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统，通过供液系统1、供气系统2、单相密闭循环系统3与热沉单元41、防污染板42、冷板43、低温泵44的配合设置，实现了大型空间环境模拟器在各种流量、压力组合下，满足不同制冷目标温度需求的气-液混合制冷。

参见图2，图2为本发明的大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统中供液系统1的结构示意图。

其中，本发明的大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统中的供液系统1，包括液氮贮槽11、自增压汽化器12、液氮贮槽增压管道13、液氮贮槽放空管道14、液氮贮槽上部液氮输送管道15、液氮贮槽底部液氮输送管道16、液氮贮槽回液管道17。液氮贮槽11内贮存有低温饱和液氮和氮气，系统运行过程中，需要液氮贮槽11的压力传感器PIA01测得的压力数值控制在设定值，一般为0.2MPa～0.3MPa。若压力传感器PIA01测得的压力数值控制低于设定值，则通过调节气动调节阀门D2开度大小，将液氮经液氮贮槽增压管道13送入自增压汽化器12中，与环境中的空气进行热交换，自增压汽化器12中的液氮汽化产生氮气为液氮贮槽11增压；若压力传感器PIA01测得的压力数值控制高于设定值，则通过调节气动调节阀D1开度大小，将液氮贮槽11内的氮气经液氮贮槽放空管道14排放到环境空气中，为降低液氮贮槽11降压。

同时饱和液氮经液氮贮槽上部液氮输送管道15通过控制阀门V3提供单相密闭循环系统3；饱和液氮经液氮贮槽底部液氮输送管道16通过控制阀门V2、气动调节阀D6提供空间环境模拟器系统4；饱和液氮经液氮贮槽底部液氮输送管道16通过控制阀门V2、气动调节阀D3提供供气系统2。

液氮流经大型空间环境模拟器系统中热沉单元、防污染板、冷板以及真空容器外表面布置的低温泵后吸收热量，由最初的单相状态变化为气-液两相状态，此时经过液氮贮槽回液管道17通过控制阀门V1返回液氮贮槽11，在液氮贮槽11内进行气液分离，分离出来的液氮为饱和液氮，再通过液氮贮槽上部液氮输送管道15通过控制阀门V3提供单相密闭循环系统3；饱和液氮经液氮贮槽底部液氮输送管道16通过控制阀门V2、气动调节阀D6提供空间环境模拟器系统4；饱和液氮经液氮贮槽底部液氮输送管道16通过控制阀门V2、气动调节阀D3提供供气系统2。分离出来的氮气通过液氮贮槽放空管道14排放到环境空气中。

参见图3，图3为本发明的大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统中供气系统2的结构示意图。

其中，本发明的大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统中供气系统2包括空温式汽化器21、储气罐22、电加热器23、空温式汽化器供气管道211、储气罐供气管道221、电加热器供气管道231。

饱和液氮经液氮贮槽底部液氮输送管道16通过控制阀门V2、气动调节阀D3送入空温式汽化器21，在空温式汽化器21内与环境空气进行热交换后汽化成为氮气，经空温式汽化器供气管道211、控制阀门V4送入储气罐22,经控制阀门V5、气动调节阀D7、储气罐供气管道221送入电加热器23，在电加热器23内氮气温度加热到温度传感器TIA04的设定值，经电加热器供气管道231提供空间环境模拟器系统4。

参见图4，图4为本发明的大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统中单相密闭循环系统3的结构示意图。

其中，本发明的大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统中单相密闭循环系统3包括过冷器31、液氮泵32、过冷器补液管道311、过冷器供液管道312、过冷器回液管道313、液氮泵回液管道321、液氮泵供液管道322、液氮泵补液管道323。

运行过程中，单相过冷液氮经液氮泵回液管道321送入液氮泵32，通过液氮泵32增压后，通过气动调节阀D11送入空间环境模拟器系统4；从空间环境模拟器系统4返回的液氮经过冷器回液管道313进入过冷器31，与经由过冷器补液管道311进入过冷器31的液氮进行热交换后，经过冷器供液管道312与液氮泵补液管道323内的饱和液氮混合后，经液氮泵回液管道321再次送入液氮泵32进行下一次循环。

送入空间环境模拟器系统的液氮压力和流量通过气动调节阀D11的开度大小进行控制。

送入空间环境模拟器系统的液氮温度即为过冷器供液温度TIA01通过过冷器31的液位高度进行控制，一般情况下过冷器供液温度TIA01控制在低于82K，通过过冷器液位传感器LIA02监测过冷器液位高度，当液位LIA02下降到设定下限时，开启气动调节阀D4，通过过冷器补液管道311向过冷器中补充液氮，当LIA02达到设定上限时，关闭气动调节阀D4，停止补液，从而维持过冷器液氮的液位，以保证过冷器供液温度TIA01的稳定。

参见图5，图5为本发明的大型空间环境模拟器气-液混合制冷系统中空间环境模拟器系统4的结构示意图。空间环境模拟器系统4包括热沉单元41、防污染板42、冷板43、低温泵44、真空阀门45、低温泵接口法兰46、真空容器47。热沉单元41包括热沉单元入口管道411、热沉单元出口管道412；防污染板42包括防污染板进口管道421、防污染板出口管道422；冷板43包括冷板进口管道431、冷板出口管道432；低温泵44包括低温泵进口管道441、低温泵出口管道442。

在一具体实施方式中，空间环境模拟器系统4为一个密闭环境系统，内部为模拟太空的真空环境，沿着真空容器47的内表面布置有热沉单元41、防污染板42、冷板43。真空容器47外表面布置有低温泵接口法兰46，低温泵44通过真空阀门45与低温泵接口法兰46连接，低温泵44与真空阀门45连接方式为螺栓连接，真空阀门45与低温泵接口法兰46连接方式为螺栓连接，低温泵接口法兰46与真空容器47外表面的连接方式为真空密封焊接。

运行过程中，热沉单元41入口温度TIA05依据试验需求进行设置，热沉单元41的热沉单元入口管道411上，并联安装了三个气动调节阀门，气动调节阀门Dr11用于控制送入热沉单元41的单相过冷液氮流量；气动调节阀门Dr12用于控制送入热沉单元41的饱和液氮流量；气动调节阀门Dr13用于控制送入热沉单元41的氮气流量；三种流体流量按照热沉单元41入口温度TIA05设定的温度，进行调节。热沉单元41的热沉单元出口管道412上，并联安装了三个气动调节阀门，气动调节阀门Dr14用于控制返回单相密闭循环系统3的热沉单元41的单相过冷液氮流量；气动调节阀门Dr15用于控制返回供液系统1的热沉单元41的饱和液氮流量；气动调节阀门Dr16用于控制热沉单元41的氮气排放流量。

运行过程中，防污染板42入口温度TIA07依据试验需求进行设置，防污染板42的防污染板入口管道421上，并联安装了三个气动调节阀门，气动调节阀门Dr21用于控制送入防污染板42的单相过冷液氮流量；气动调节阀门Dr22用于控制送入防污染板42的饱和液氮流量；气动调节阀门Dr23用于控制送入防污染板42的氮气流量；三种流体流量按照防污染板41入口温度TIA07设定的温度，进行调节。防污染板42的防污染板出口管道422上，并联安装了三个气动调节阀门，气动调节阀门Dr24用于控制返回单相密闭循环系统3的防污染板42的单相过冷液氮流量；气动调节阀门Dr25用于控制返回供液系统1的防污染板42的饱和液氮流量；气动调节阀门Dr26用于控制防污染板42的氮气排放流量。

运行过程中，冷板43入口温度TIA09依据试验需求进行设置，冷板43的冷板入口管道431上，并联安装了三个气动调节阀门，气动调节阀门Dr31用于控制送入冷板43的单相过冷液氮流量；气动调节阀门Dr32用于控制送入冷板43的饱和液氮流量；气动调节阀门Dr33用于控制送入冷板43的氮气流量；三种流体流量按照冷板43入口温度TIA09设定的温度，进行调节。冷板43的冷板出口管道432上，并联安装了三个气动调节阀门，气动调节阀门Dr34用于控制返回单相密闭循环系统3的冷板43的单相过冷液氮流量；气动调节阀门Dr35用于控制返回供液系统1的冷板43的饱和液氮流量；气动调节阀门Dr36用于控制冷板43的氮气排放流量。

运行过程中，低温泵44入口温度TIA11依据试验需求进行设置，低温泵44的低温泵入口管道441上，并联安装了三个气动调节阀门，气动调节阀门Dr41用于控制送入低温泵44的单相过冷液氮流量；气动调节阀门Dr42用于控制送入低温泵44的饱和液氮流量；气动调节阀门Dr43用于控制送入低温泵41的氮气流量；三种流体流量按照低温泵44入口温度TIA11设定的温度，进行调节。低温泵44的低温泵出口管道442上，并联安装了三个气动调节阀门，气动调节阀门Dr44用于控制返回单相密闭循环系统3的低温泵44的单相过冷液氮流量；气动调节阀门Dr45用于控制返回供液系统1的低温泵44的饱和液氮流量；气动调节阀门Dr46用于控制低温泵44的氮气排放流量。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。