用于大抽速深冷系统的液氦外流程系统设计

摘要

用于大抽速深冷系统的液氦外流程系统设计，包括液氦供应系统、液氮供应系统、气氮供应系统、气氦供应系统、热沉系统及流体排放系统。系统采用开式方法提供液氦制冷，成本低，设备简单，使用方便；采用500L液氦罐供液，运输方便；系统设有安全阀，运行安全；液氦供应系统启动前，先利用液氮预冷，避免了昂贵液氦的浪费；液氮供应系统预冷完成后，利用气氮供应系统吹除热沉系统中残留的液氮，然后利用气氦供应系统吹除热沉系统中残留的气氮，最后启动液氦供应系统，避免了热沉系统中残留的液氮被液氦冻住堵死管路；采用快速接头切换液氮供应系统和液氦供应系统，避免冷漏；该方法具有广泛的应用范围和使用价值。

说明书

【技术领域】

本发明涉及用于模拟真空深冷环境所必需的低温外流程系统设计。本发明特别用于模拟大抽速超高真空深冷环境所必需的液氦外流程系统设计。

【背景技术】

为了保证各种航天器能成功地发射，可靠地运行及圆满地完成各种预定的任务及顺利地返回地面，必须建立地面热真空环境模拟实验设备，而低温液体外流程输送系统则是地面真空环境模拟实验设备的重要组成部分。

目前，国内外的热真空环境模拟实验设备大都采用液氮外流程进行制冷，用以模拟太空的冷黑环境，但对于要求有大放气量、大抽速的系统，能够模拟的真空度不高，只能模拟100km以下的环境压力。随着中国航天迅猛的发展，大放气量载人航天的需要，火箭发动机羽流实验的需求，采用液氮外流程进行制冷已经无法达到要求，这就要求必须采用液氦外流程进行制冷，其可模拟100km以上的环境压力，更接近于真实的真空深冷环境。液氦系统可使真空容器内部静态真空度达到10^-6～10^-7Pa，比现有液氮系统所能达到的静态真空度高出1～2个数量级。

对于有大放气量的大抽速深冷系统来说，液氦用量非常大，如北航研制的大型羽流实验系统，其液氦热沉面积200m²，为减轻热胀冷缩影响，将液氦热沉沿着舱体轴向分为4段，每次实验消耗的液氦量为5～6m³，实验时间5～6个小时。根据市场调查，液氦资源稀缺，需从美国进口，进口后被分装在500L的液氦罐中，且国内500L的液氦罐数量众多，运输也方便，且液氦罐租用费用不高，不用自己购买液氦罐，节省费用。根据市场调研结果，考虑运输方便，针对500L液氦罐设计了液氦外流程系统。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种简单、可靠、实用的用于模拟超高真空深冷环境的液氦外流程系统设计。本发明要解决的问题是，设备简单；成本低廉；节约液氦；操作简单；可靠性高。为此，系统采用开式方法提供液氦制冷，部分输送管路共用；为节约液氦，液氦供应流量大小可调，热沉预冷过程中采用液氮、气氮及气氦来配合液氦共同预冷。

图1所示的用于大抽速深冷系统的液氦外流程系统设计采用开式系统，主要包括液氦供应系统、液氮供应系统、气氮供应系统、气氦供应系统、热沉系统及流体排放系统。

液氦供应系统包括500L液氦罐(1)、管路安全阀(2)、低温液氦手阀(3)、快速插槽(14)及液氦杜瓦管路。

液氮供应系统包括液氮贮槽(6)、管路安全阀(5、13)、低温液氮手阀(4)、快速插槽(15)及液氮杜瓦管路。

气氮供应系统包括气氮罐(9)、管路安全阀(8)、低温液氮手阀(7)及液氮杜瓦管路。

气氦供应系统包括气氦罐(12)、管路安全阀(11)、低温液氮手阀(10)及液氮杜瓦管路。

热沉系统包括快速插头(17)、波纹软管(18)、热沉(19)。

流体排放系统包括管路安全阀(20)、低温温度计(21)、低温液氦手阀(22)及液氦杜瓦管路。

由图1可以看出，该系统为开式系统，液氮、气氮、气氦及液氦经过热沉系统后都经流体排放系统直接排放至大气，热沉系统预冷时，先将快速插头(17)插入快速插槽(15)中，先后完成液氮、气氮及气氦的供应，然后将快速插头(17)从快速插槽(15)中拔出，插入快速插槽(14)中，最后完成液氦供应。波纹软管(18)的作用是便于快速插头(17)的快速拔插。管路安全阀(2、5、8、11、13、20)的作用是防止系统管路压力过大，保证压力安全。低温温度计(21)的作用是监控热沉系统出口处的流体温度，预冷过程中通过温度值来控制液氮、液氦的供应，减少液氮、液氦的消耗。为避免低温冷漏，液氦供应系统、热沉系统及流体排放系统中的管路、阀门材料均采用316不锈钢；液氮供应系统，气氮供应系统、气氦供应系统中的管路、阀门材料均采用304不锈钢。

图2所示的快速接头的连接方式为承插结构，由快速插头(17)和快速插槽(14或15)组成。其中，快速插头(17)包括真空度瓦管路(23)、插头法兰(24)、密封图(25)；快速插槽(14或15)包括真空度瓦管路(28)、阻尼套(27)、插槽法兰(26)。快速接头能实现快速插拔，避免液氦冻坏液氮供应系统的阀门和管路。阻尼套(27)由6个连续的密封圈组成，用于防止液体泄露，同时减少漏热。

本发明的用于深冷系统的一种简单液氦外流程系统供应方法具有的优点和积极效果在于：(1)采用了开式方法提供液氦制冷，成本低，设备简单，使用方便；(2)采用500L液氦罐供液，运输方便，租用价格低廉；(3)系统管路设有安全阀，可保证系统运行的安全；(4)液氦供应系统启动前，先利用廉价液氮预冷，避免了昂贵液氦的浪费；(5)液氮供应系统预冷完成后，先利用气氮供应系统吹除热沉系统中残留的液氦，然后利用气氦供应系统吹除热沉系统中残留的气氮，最后启动液氦供应系统，避免了热沉系统中残留的液氮被液氦冻住堵死管路；(6)采用快速接头切换液氮供应系统和液氦供应系统，使液氮和液氦实现了物理隔离，避免切换过程中液氦冷漏现象的出现；(7)液氮、气氮、气氦及液氦供应系统共用流体排放系统，节约成本；(8)液氮、气氮、气氦及液氦供应系统的流量均可以手动调节；(9)热沉系统出口处装有低温温度计，用于监控热沉出口处的流体温度；(10)该方法具有广泛的应用范围和使用价值。

【附图说明】

图1是开式液氦外流程系统原理图

图2是快速接头(快速插头和快速插槽)

【具体实施方法】

下面结合附图用实施例来进一步说明本发明。

实施此液氦外流程系统供应方法所用装置主要包括液氦供应系统、液氮供应系统、气氮供应系统、气氦供应系统、热沉系统及流体排放系统。液氦供应系统包括500L液氦罐(1)、管路安全阀(2)、低温液氦手阀(3)、快速插槽(14)及液氦杜瓦管路。液氮供应系统包括液氮贮槽(6)、管路安全阀(5、13)、低温液氮手阀(4)、快速插槽(15)及液氮杜瓦管路。气氮供应系统包括气氮罐(9)、管路安全阀(8)、低温液氮手阀(7)及液氮杜瓦管路。气氦供应系统包括气氦罐(12)、管路安全阀(11)、低温液氮手阀(10)及液氮杜瓦管路。热沉系统包括快速插头(17)、波纹软管(18)、热沉(19)。流体排放系统包括管路安全阀(20)、低温温度计(21)、低温液氦手阀(22)及液氦杜瓦管路。

由图1可以看出，该系统为开式系统，液氮、气氮、气氦及液氦经过热沉系统后都经流体排放系统直接排放至大气，热沉系统预冷时，先将快速插头(17)插入快速插槽(15)中，先后完成液氮、气氮及气氦的供应，然后将快速插头(17)从快速插槽(15)中拔出，插入快速插槽(14)中，最后完成液氦供应。波纹软管(18)的作用是便于快速插头(17)的快速拔插。管路安全阀(2、5、8、11、13、20)的作用是防止系统管路压力过大，放气用。低温温度计(21)的作用是监控热沉系统出口处的流体温度，预冷过程中通过温度值来控制液氮、液氦的供应，以减少液氮、液氦的消耗。为避免低温冷漏，液氦供应系统、热沉系统及流体排放系统中的管路、阀门材料均采用316不锈钢，液氮供应系统，气氮供应系统、气氦供应系统中的管路、阀门材料均采用304不锈钢。

液氦昂贵，为了降低液氦的消耗，减小实验运行成本，先利用廉价液氮预冷热沉系统，待液氮供应系统将热沉系统预冷到一定温度后，启动气氮供应系统吹除热沉系统中残留的液氮，然后启动气氦供应系统吹除热沉系统中残留的气氮，最后启动液氦供应系统继续预冷热沉系统。热沉系统预冷的具体过程如下：

(1)系统启动前，检查系统管路、阀门状态是否正常；

(2)将快速插头(17)插入快速插槽(15)中，启动液氮供应系统：打开低温液氮手阀(4)，向热沉系统输送液氮预冷，同时打开低温液氦手阀(22)，液氮通过热沉系统后变成气多液少的两相流体，经流体排放系统排至室外，当热沉系统被预冷至液氮温区后，关闭低温液氮手阀(4)；

(3)启动气氮供应系统：打开低温液氮手阀(7)，向热沉系统输送气氮，用于吹除热沉系统中残留的液氮，当热沉系统中液氮被吹除后，关闭低温液氮手阀(7)；

(4)启动气氦供应系统：打开低温液氮手阀(10)，向热沉系统输送气氦，用于吹除热沉系统中残留的气氮，当热沉系统中气氮被吹除后，关闭低温液氮手阀(10)；

(5)将快速插槽头(17)从快速插槽(15)中拔出，插入快速插槽(14)中，检查连接是否完好；

(6)启动液氦供应系统：打开低温液氦手阀(3)，向热沉系统输送液氦，用于继续预冷热沉系统，当热沉系统被预冷至液氦温区后，即完成热沉系统的预冷工作。