用于热真空试验的热沉控温系统及控温方法

摘要

本发明公开了一种用于热真空试验的热沉的温度控制系统，主要包括制冷系统、载冷剂冷却器、载冷剂加热与温控系统、循环泵、载冷剂缓冲容器及热沉系统，载冷剂加热与温控系统包括分别用于主热沉加热和温度控制的载冷剂加热器与温度控制器和用于辅热沉加热和温度控制的载冷剂加热器和温度控制器，以通过它们对进入到热沉中的载冷剂温度进行控制。本发明也公开了温度控制方法。与现有技术相比，本发明能够对热沉温度进行定点调节，不需要红外电加热设备即可实现试验件的温度调节及控制，简化了系统，提高了控温精度。

说明书

技术领域

本发明属于空间环境模拟中的热试验技术领域，具体涉及一种用于热真空 试验的热沉的温度控制系统及控温方法。

背景技术

热真空试验是航天器所特有的试验，它是在规定的真空和热循环条件下验 证航天器部组件、分系统和整个航天器满足规定要求的能力，从而暴露航天器 在材料、工艺和制造质量方面的潜在缺陷，评定工作性能，验证飞行性能的试 验。在热真空试验中，需要将航天器部组件温度控制在规定的范围，检验其工 作性能。因此，热真空试验设备除需要提供真空冷黑环境之外，还要求对试验 件的温度进行控制。

我国现有的热真空试验环境模拟设备中，多采用液氮制冷或机械制冷提供 低温环境，使用太阳模拟器、红外加热器、表面接触式电加热片等设备模拟卫 星在轨所受到的外热流和温度变化，以实现对试验件的温度控制。

外部调温措施中，太阳模拟器可研究太阳辐射在航天器上产生的光谱能量 效应和热效应，没有引进近似和假设，模拟结果精度高、直观、可靠，然而其 运行费用高，技术难度大，而且还要建造复杂的运动模拟器。此外，热真空试 验没有对光谱的要求，因此较少使用太阳模拟器来模拟外部环境。

红外加热器仅考虑热效应，能全面模拟外热流，其技术简单、制作容易、 成本低、操作维护方便和经济性好，得到了广泛的应用，目前我国进行这种试 验多数是在热沉冷黑背景下，试验件周围设置红外加热装置(红外加热笼和红 外灯阵)，用红外加热器的热流达到调温的目的。但是这种方法不但会增加液 氮消耗量，还要消耗大量的电能；并且使用红外加热器对试件适应性差，需要 根据不同的试件设计不同的红外加热器，特别对形状复杂和尺寸较小试件，红 外加热器设计会很困难。

表面接触式电加热片是指在航天器的外蒙皮上粘贴具有一定电阻值的薄 膜电加热片，在加热片表面涂上辐射率与卫星表面相同的涂层。由于加热片粘 贴于卫星蒙皮上，改变了航天器表面的真实状态，从而改变了表面的热物理性 能，导致一定的试验误差。

热沉调温方法是指通过向热沉中通入温度和流量可控的介质，将热沉温度 控制在规定的温度范围内，从而利用热沉温度的改变来实现试验件温度的升 高、降低以及试验件的温度控制。该方法在试验中不需要电加热装置对试验件 进行加热，具有经济性好、对试验件无遮挡、可加速降温和使用方便等优点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种用于热真空试验的热沉的温度控制 系统及控温方法。该控制系统通过利用导热油对两套热沉进行温度控制，提高 了温度控制的精确性。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

用于热真空试验的热沉的温度控制系统，主要包括制冷系统、载冷剂冷却 器、载冷剂加热与温控系统、循环泵、载冷剂缓冲容器及热沉系统，载冷剂加 热与温控系统包括分别用于主热沉加热和温度控制的载冷剂加热与温度控制 器和用于辅热沉加热和温度控制的载冷剂加热和温度控制器，制冷系统对载冷 剂冷却器中的载冷剂进行冷却，载冷剂冷却器中经过冷却的载冷剂通过管道分 别进入用于主热沉的载冷剂加热与温度控制器以及用于辅热沉的载冷剂加热 与温度控制器，达到控制温度的两路载冷剂分别进入真空热试验容器中的主热 沉和辅热沉以对它们进行冷却，之后两路载冷剂通过管路流回载冷剂冷却器完 成一个闭式循环，在循环管路中设置有循环泵以提供载冷剂循环动力，在循环 管路中设置有载冷剂缓冲容器以减缓由于温度的变化带来的循环管路内压力 的变化。

其中，制冷系统包括制冷机组以及进行冷却的冷却水。

优选地，载冷剂加热与温控系统管路上设置有流量控制阀。

优选地，用于主热沉加热和温度控制的载冷剂加热与温度控制器和用于辅 热沉加热和温度控制的载冷剂加热和温度控制器上设置有温度计。

其中，载冷剂为浴油。

一种利用上述温度控制系统进行温度控制的方法，包括主热沉温度控制方 法和辅热沉温度控制方法，主要包括以下步骤：

1)设定待测试件的目标温度、主热沉和辅热沉的初始目标温度；

2)调整载冷剂温度和流量使主热沉温度和辅热沉温度达到初始目标温度；

3)判断待测试件是否达到热平衡状态，如不满足热平衡条件，则进行适 当时间延迟；

4)判断待测试件是否达到目标温度，如达到目标温度，则本次调温结束；

5)如果没有达到目标温度，则调整主热沉和辅热沉的目标温度值，并重 复步骤2)～4)，使待测试件温度在热平衡状态下趋近并达到目标温度。

进一步地，该方法还包括通过调整载冷剂的温度和流量，以根据待测试件 目标温度的变化要求，重复步骤2)～5)，完成新的调温过程。

本发明的控温系统是在热沉中通入温度和流量可调的导热油，通过控制热 沉温度来实现对试验件温度的控制技术。与现有的以红外加热设备来控制试验 件温度的方法相比，本发明的调温热沉的控温系统和方法具有如下特点：

a)利用调温热沉控温技术，热沉温度定点可调，不需要红外电加热设备 即可实现试验件的温度调节及控制，简化了系统，提高了控温精度；

b)相对于红外设备控温技术，利用调温热沉控温技术，对待测试验件无 遮挡，可加速试验件降温；

c)热沉调温系统在一定温区内替代了液氮，提高了系统的可靠性和自动 化控制水平。

附图说明

图1是本发明的用于热真空试验的热沉的温度控制系统的结构示意图。

图2为本发明的用于热真空试验的热沉的温度控制系统的控制说明图。

图3是本发明的用于热真空试验的热沉的温度控制方法流程图。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方 式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示 例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

如图1所示，本发明的用于热真空试验的热沉的温度控制系统，主要包括 制冷系统、载冷剂冷却器、载冷剂加热与温控系统、循环泵、载冷剂缓冲容器 及热沉系统，载冷剂加热与温控系统包括分别用于主热沉加热和温度控制的载 冷剂加热与温度控制器和用于辅热沉加热和温度控制的载冷剂加热和温度控 制器，制冷系统对载冷剂冷却器中的载冷剂进行冷却，载冷剂冷却器中经过冷 却的载冷剂通过管道分别进入用于主热沉的载冷剂加热与温度控制器和用于 辅热沉的载冷剂加热与温度控制器，达到控制温度的两路载冷剂分别进入真空 热试验容器中的主热沉和辅热沉以对它们进行冷却，之后两路载冷剂通过管路 流回载冷剂冷却器完成一个闭式循环，在循环管路中设置有循环泵以提供载冷 剂循环动力，在循环管路中设置有载冷剂缓冲容器以减缓由于温度的变化带来 的循环管路内压力的变化。制冷系统包括制冷机组以及进行冷却的冷却水。

优选地，载冷剂加热与温控系统管路上设置有流量控制阀。

优选地，用于主热沉加热和温度控制的载冷剂加热与温度控制器和用于辅 热沉加热和温度控制的载冷剂加热和温度控制器上设置有温度计。

其中，本发明中使用的冷剂选用浴油，通过控制系统和内置循环泵，将满 足温度要求的浴油通入热沉管路中，实现对热沉温度的控制。主辅热沉分别设 置两路温度控制系统，使主辐热沉的温度可单独控制在不同的温度。

本发明的系统能够在-70℃到+150℃的温度范围迅速地加热和制冷，对于 放热和吸热反应都可以快速控制。加热制冷系统采用水冷型的压缩机制冷，通 过高效换热器，提供系统所需的加热和制冷功率。通过智能多级温度控制达到 高精度的温度控制效果。

此外，该系统采用内部封闭循环通路，减少了浴油的氧化从而延长了浴油 的使用寿命，防止了浴油蒸汽的泄露。

热沉控温系统是一个闭环反馈控制系统，其目的是使试验件温度精确维持 在目标温度工况下，控温的反馈点为试验件的温度，在一个采样周期内，温度 传感器将检测到的试验件温度经模拟量输入，由计算机读取。计算机将读取的 试验件实时温度数值PV与目标温度值SP进行比较，得到偏差e＝SP-PV。根 据偏差的大小和温度控制策略进行计算，得到控制输出。通过控制电加热器加 热载冷剂到设定温度，使得热沉达到辐射试验件所需的温度，从而实现对试验 件温度的控制，如图2所示。

图3是本发明的用于热真空试验的热沉的温度控制方法流程图。本发明的用 于热真空试验的热沉的温度控制算法，主要包括：

1)输入目标参数和初始参数，包括待测试件目标温度、主热沉初始温度 等；

2)调整载冷剂温度和流量使主热沉温度达到初始目标值；

3)判断待测试件是否达到热平衡状态，如不满足热平衡条件，则进行适 当时间延迟；

4)判断待测试件是否达到目标温度值，如达到目标温度，则本次调温结 束；

5)调整主热沉目标温度值，并重复步骤2)-4)，使待测试件温度在热平 衡状态下趋近并达到目标温度值。此外，还进一步包括：通过调整载冷剂温度 和流量，以根据待测试件目标温度的变化要求，重复步骤2)-5)，完成新的 调温过程。

同时，在控制方法中，也并行包括辅热沉的温度控制过程，其中：

1)输入目标参数和初始参数，包括待测试件目标温度、辅热沉初始温度 等；

2)调整载冷剂温度和流量使辅热沉温度达到初始目标值；

3)判断待测试件是否达到热平衡状态，如不满足热平衡条件，则进行适 当时间延迟；

4)判断待测试件是否达到目标温度值，如达到目标温度，则本次调温结 束；

5)如果没有达到目标温度，就调整辅热沉目标温度值，并重复步骤2)-4)， 使待测试件温度在热平衡状态下趋近并达到目标温度值。此外，还进一步包括： 通过调整载冷剂温度和流量，以根据待测试件目标温度的变化要求，重复步骤 2)-5)，完成新的调温过程。

温度控制策略是根据系统的传热学模型建立的，在调温热沉的控温过程中， 载冷剂先通过温度、流量的变化来控制热沉温度，热沉再通过辐射或热传导来 控制试验件温度，达到试验要求的目标值。所以，在调温热沉控温技术中，包 含热沉与载冷剂对流换热模型及温度控制、热沉与试验件换辐射热模型及温度 控制、试验件本身的导热换热模型及温度控制，并将以上模型通过控制算法关 联在一起，实现热沉调温的试验目标，温度控温策略的具体实施如图3所示。

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，本领域的技术人员可以依据本发明的精神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在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均 应在本发明保护范围之内。