浸液式氮气调温器的制作方法

本发明涉及航天器真空热试验技术领域，具体来说，涉及一种真空热试验中的调温装置。

背景技术：

航天器在轨运行时，空间环境呈周期性剧烈变化。巨大的温差使得航天器上许多部件发生较为严重的热变形，因此需要空间环境模拟器提供大温差背景温度的模拟环境。同时航天器上有多种大型柔性结构，为验证这些结构在空间环境下的工作性能，也需要在空间环境模拟器中进行结构展开试验。目前空间环境模拟器常规配置的液氮系统与红外热流模拟装置相结合的试验方法，由于红外热流模拟装置需要依据航天器外形，在其周边200mm～300mm区域范围内，按照一定的密度布置加热带或加热片，利用电加热使加热带或加热片发热，从而模拟空间热流辐射环境。此种试验方法，在航天器试验产品周边形成了一个加热带或加热片的包络结构，对于光学通路以及柔性结构的运动轨迹形成遮挡，因此无法满足上述两项特殊试验的试验要求。

因此，为了克服上述不足，需要设计出一种可以符合上述特殊试验要求的控制温度的装置。在空间环境模拟器中取消红外热流模拟装置，直接利用热沉表面温度的变化，来模拟大温差的背景温度环境，同时避让了光学通路或柔性结构的展开路径，为试验的顺利进行提供了必须的环境条件。

通常状态下，热沉温度采用液氮制冷，其表面温度为恒定温度，无法提供航天器所需的空间环境状态下热流变化状态模拟。本设备就是针对这一问题，采用氮气、液氮配合制冷的方案，将热沉表面温度按照航天器所需的空 间环境状态下热流变化状态进行控制，从而为此类航天器试验顺利进行提供了有力的保障。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明人巧妙地设计了一种浸液式氮气调温器，从而实现了对调温器氮气出口温度的精确控制。

本发明采用的技术方案如下：

浸液式氮气调温器，包括由相互隔热的内容器筒体和外容器筒体构成的调温器容器和控制器，调温器容器底部和顶部中央分别设置氮气进气口和氮气排气口，氮气进气口通过进气总管与换热器组件一端连通，氮气排气口通过排气总管与换热器组件另一端连通，换热器组件设置在调温器容器的内容器筒体内，内容器筒体内填充有液氮，以与换热器组件中通入的氮气热交换，换热器周围还绕制有液氮盘管组件，液氮盘管组件的液氮补液入口管路与液氮贮槽连通，液氮补液出口管路通过调温器外部的补液调节阀控制的补液口将补充的液氮注入内容器筒体中，调温器容器底部设置液体排放口，凋温器顶部设置放空阀、压力表和液位计，温度传感器设置在氮气排气总管上，温度传感器、放空阀、压力表和液位计分别与控制器电连接，控制器根据温度传感器测量的氮气排出温度与目标温度间的差距大小，设定液位计目标控制高度；并通过调节补液调节阀阀门开度，反馈控制调温器容器内贮存的液氮液位高度达到目标控制高度，从而控制氮气出口温度达到目标温度。

其中，调温器容器为圆筒或圆柱形。

更具体的，所述调温器容器的内容器和外容器顶部和底部分别通过上下封头与波纹管的连接结构实现氮气进气和氮气排气。

更具体的，调温器容器的底部通过若干支腿或支架进行支撑。

更具体的，所述调温器容器的侧壁上方设置液氮进口，液氮通过调温器底部的液体排放口进行排放。

更具体的，上下封头与波纹管与内外容器通过焊接密封并且通过支撑板对氮气进口、氮气出口、液氮进口、液体排放口、补液口处进行支撑。

进一步地，调温器容器还设置有抽气组件，抽气组件安装于外筒体壁面上,用于连接真空抽气泵,通过抽气泵将内外容器间的夹层抽真空,从而使内外容器相互隔热。

更具体地，换热器组件包括进气对接法兰、进气总管、换热器、支架、排气总管、排气对接法兰，进气对接法兰通过进气总管与换热器的一端焊接连接，换热器另一端通过排气总管与排气对接法兰焊接连接，所述换热器组件整体通过支架安装在调温容器内；

更具体地，所述液氮盘管组件包括进液对接法兰、进液总管、进液管过渡接头、盘管、U型螺栓、出液总管、出液管过渡接头、出液对接法兰，并且由所述进液对接法兰、进液总管、进液管过渡接头、盘管、出液总管、出液管过渡接头、出液对接法兰依次焊接组装而成，通过U型螺栓固定在换热器组件支架上，安装在调温器容器内。

更具体的，所述U型螺栓套装设置在盘管折弯处。

更具体的，所述放空管路通过内容器上封头的放空管路开孔、外容器上封头的氮气排气口波纹管开孔、氮气排气口波纹管、氮气排气口过渡板的放空管路开孔穿出后，一端与氮气排气口过渡板焊接连接，一端与内容器上封头焊接连接。

本发明具有如下的有益效果：

本发明通过测量调温器氮气出口温度，与目标温度进行比较，根据测量温度与目标温度间的差距大小，设定液位计目标控制高度；通过调节补液调节阀阀门开度，反馈控制调温器容器内贮存的液氮液位高度达到目标控制高度，从而控制氮气出口温度达到目标温度；本发明利用自动控温过程，精确控制调温器出口氮气温度在-173℃到0℃范围内定点可调。

附图说明

图1为本发明的浸液式氮气调温器的结构主视图；

其中，11为氮气排气口螺栓；12为氮气排气口螺母；13为氮气排气口垫片；14为氮气排气对接法兰；15为调温器容器；16为液氮进液口螺栓；17为液氮进液口螺母；18为液氮进液口垫片；19为液氮进液口对接法兰；110为抽气组件；111为氮气进气口对接法兰；112为氮气进气口螺栓；113为氮气进气口螺母；114为氮气进气口垫片；115为泄放口阀门；116为液氮泄放管路；117为液氮出口对接法兰；118为液氮出口螺栓；119为液氮出口螺母；120为液氮出口垫片；121为液氮盘管组件；122为换热器组件；123为液氮补液管路；124为放空管路；125为安全阀；126为压力表；127为控制器；128为液位计；129为泄压装置；130为补液调节阀；131为温度传感器。

图2为本发明的浸液式氮气调温器结构示意图；

其中，128为液位计；131为温度传感器；125为安全阀；126为压力表；130为补液调节阀。

图3为本发明的浸液式氮气调温器容器结构主视图；

图4为本发明的浸液式氮气调温器容器结构俯视图；

其中，31为氮气排气口过渡板；32为氮气排气口波纹管；33为外容器上封头；34为内容器上封头；35为外容器筒体；36为内容器筒体；37为液氮进液口支撑板；38为内容器下封头；39为支腿；310为氮气进气口过渡板；311为氮气进气口波纹管；312为外容器下封头；313为液氮出液口支撑板；314为液氮补液口支撑板。

图5为本发明的浸液式氮气调温器换热器组件结构主视图；

其中，51为进气对接法兰；52为进气总管；53为换热器；54为支架；55为排气总管；56为排气对接法兰。

图6为本发明的浸液式氮气调温器液氮盘管组件结构主视图。

其中，61为进液对接法兰；62为进液总管；63为进液管过渡接头；64为盘管；65为U型螺栓；66为出液总管；67为出液管过渡接头；68为出液对接法兰。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的浸液式氮气调温器进行进一步说明，该说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。

参见图1，图1为本发明浸液式氮气调温器结构主视图。本发明的浸液式氮气调温器包括氮气排气口螺栓11、氮气排气口螺母12、氮气排气口垫片13、氮气排气对接法兰14、调温器容器15、液氮进液口螺栓16、液氮进液口螺母17、液氮进液口垫片18、液氮进液口对接法兰19、抽气组件110、氮气进气口对接法兰111、氮气进气口螺栓112、氮气进气口螺母113、氮气进气口垫片114、泄放口阀门115、液氮泄放管路116、液氮出口对接法兰117、液氮出口螺栓118、液氮出口螺母119、液氮出口垫片120、液氮盘管组件121、换热器组件122、液氮补液管路123、放空管路124、安全阀125、压力表126、组合控制阀127、液位计128、泄压装置129、补液调节阀130、温度传感器131。其中，调温器容器15有效内径为Φ700mm，放空管路124位于调温容器15顶部，距顶部中心140mm，方位270°；泄压装置位于调温容器15侧壁，距离调温容器15底部高度为2550mm；调温容器15总体高度3240mm，抽气组件110距离调温容器15底部高度为1100mm，氮气进气口对接法兰111距离调温容器15底部高度为230mm，液氮泄放管路116中心距离调温容器15底部高度为300mm。压力表126、组合控制阀127、液位计128为本发明的浸液式氮气调温器的测量元件，测量调温容器15内部制冷介质液氮的压力和液位，压力表126、液位计128分别通过专用螺纹连接进口与组合控制阀127连接，安装于调温容器15侧壁，压力表126中心安装高度距离调温容器15底部高度为1050mm，液位计128中心安装高度距离调温容器15底部高度为1250mm。

参见图2，图2显示了本发明的浸液式氮气调温器结构示意图。浸液式氮气调温器，包括调温器容器和控制器，调温器容器底部和顶部中央分别设置氮气进气口和氮气排气口，氮气进气口通过进气总管与换热器组件一端连通，氮气排气口通过排气总管与换热器组件另一端连通，换热器组件设置在调温器容器的内容器筒体内，内容器筒体内填充有液氮，以与换热器组件中通入的氮气热交换，换热器周围还绕制有液氮盘管组件，液氮盘管组件的液氮补液入口管路与液氮贮槽连通，液氮补液出口管路通过调温器外部的补液调节阀控制的补液口将补充的液氮注入内容器筒体中，调温器容器底部设置液体排放口，调温器顶部设置放空阀125(安全阀125)、压力表126和液位计128，温度传感器设置在氮气排气总管上，温度传感器、放空阀、压力表和液位计分别与控制器电连接，控制器根据温度传感器测量的氮气排出温度与目标温度间的差距大小，设定液位计目标控制高度；并通过调节补液调节阀阀门开度，反馈控制调温器容器内贮存的液氮液位高度达到目标控制高度，从而控制氮气出口温度达到目标温度。其工作流程如下：温度为常温(约+25℃)、压力为微正压(表压约4kPa)的氮气通过进气总管52进入换热器组件122，经过与调温器容器15内贮存的液氮进行热交换，温度降低后通过排气总管55排出，安装于排气总管55上的温度传感器131，测得出口氮气温度高于目标温度(可在-173℃到0℃范围内任意设定)，指定液位计128的液位目标控制高度，然后通过控制补液调节阀130的开度，反馈控制调温器容器15内贮存的液氮液位高度，使氮气出口温度降低并稳定在设定的目标温度。为了避免液氮在补液管道内汽化后，进入调温器容器内，分离出大量氮气，引起调温器容器内压力变化，从而使饱和液氮温度升高，本发明先将用于补液的液氮提供过液氮盘管组件与常压饱和液氮进行热交换，获得一定的过冷度后，再补充进入调温器容器内。其中，所述出液总管通过内容器筒体具有的液氮出口开孔、外容器筒体具有的液氮出口开孔，液氮出液口支撑板具有的液氮出口开孔依次穿出后，一端与液氮出液口支撑板焊接连 接，一端与内容器筒体焊接连接。液氮泄放管路通过内容器下封头的泄放口开孔、外容器下封头的氮气进气口波纹管开孔、氮气进气口波纹管、氮气进气口过渡板的泄放口开孔穿出后，一端与氮气进气口过渡板焊接连接，一端与内容器下封头焊接连接。

图3为本发明一实施方式的浸液式氮气调温器容器结构主视图，图4为对应图3的本发明一实施方式的浸液式氮气调温器容器结构俯视图，在该实施方式中，本发明的浸液式氮气调温器容器为圆筒形，圆筒形底部通过支腿进行支撑，该容器由相互隔热的内容器筒体36和外容器筒体35构成，还进一步包括氮气排气口过渡板31、氮气排气口波纹管32、外容器上封头33、内容器上封头34、外容器筒体35、内容器筒体36、液氮进液口支撑板37、内容器下封头38、支腿39、氮气进气口过渡板310、氮气进气口波纹管311、外容器下封头312、液氮出液口支撑板313、液氮补液口支撑板314。内容器上封头34与内容器筒体36、内容器筒体36与内容器下封头38焊接连接，内容器上封头34中心开有氮气排气口开孔1个，以内容器上封头34中心为中心，中心距Φ140mm，方位270°，开有放空管路开孔1个。内容器下封头38中心开有氮气进气口开孔1个，以内容器下封头38中心为中心，中心距Φ280mm，方位120°，开有泄放口开孔1个。以距离内容器筒体36最顶端250mm为中心，方位330°，开有液氮补液管路开孔1个；以距离内容器筒体36最底端140mm为中心，方位90°，开有液氮出口开孔1个；以距离内容器筒体36最底端815mm为中心，方位270°，开有液氮进口开孔1个。液氮进液口支撑板37中心开有液氮进口开孔1个；液氮出液口支撑板313中心开有液氮出口开孔1个；液氮补液口支撑板314中心开有液氮补液管路开孔1个；

外容器上封头33与外容器筒体35、外容器筒体35与外容器下封头312焊接连接，外容器上封头34中心开有氮气排气口波纹管32开孔1个；外容器下封头312中心开有氮气进气口波纹管311开孔1个；以距离外容器筒体 35最顶端350mm为中心，方位330°，开有液氮补液管路开孔1个，与液氮补液口支撑板314对中安装后焊接连接；以距离外容器筒体35最底端240mm为中心，方位90°，开有液氮出口开孔1个，与液氮出液口支撑板313对中安装后焊接连接；以距离外容器筒体35最底端915mm为中心，方位270°，开有液氮进口开孔1个，与液氮进液口支撑板37对中安装后焊接连接；以距离外容器筒体35最底端350mm为中心，方位150°，开有抽气组件开孔1个；

外容器上封头33与氮气排气口波纹管32、氮气排气口波纹管32与氮气排气口过渡板31焊接连接；氮气排气口过渡板31中心开有氮气排气口开孔1个，以氮气排气口过渡板31中心为中心，中心距Φ140mm，方位270°，开有放空管路开孔1个。距离外容器筒体35最底端230mm，方位60°、180°、300°，焊接支腿39。

外容器下封头312与氮气进气口波纹管311、氮气进气口波纹管311与氮气进气口过渡板310焊接连接；氮气进气口过渡板310中心开有氮气进气口开孔1个，以氮气进气口过渡板310中心为中心，中心距Φ280mm，方位120°，开有泄放口开孔1个。

图5显示了本发明一实施方式的浸液式氮气调温器换热器组件结构主视图，该换热器组件包括进气对接法兰51、进气总管52、换热器53、支架54、排气总管55、排气对接法兰56。进气对接法兰51与进气总管52焊接连接，进气总管52与换热器53焊接连接，换热器53与排气总管55焊接连接，排气总管55与排气对接法兰56焊接连接，上述部件顺序焊接完成后，将焊接体安装于支架54上，组成换热器组件122。换热器组件122整体安装在调温容器15内；

进气总管52通过内容器下封头38中心的氮气进气口开孔、外容器下封头312中心的氮气进气口波纹管311开孔，氮气进气口波纹管311、氮气进气口过渡板310中心氮气进气口开孔穿出后，一端与氮气进气口过渡板310 焊接连接，一端与内容器下封头焊接连接；

排气总管55通过内容器上封头34中心的氮气排气口开孔、外容器上封头33中心的氮气排气口波纹管32开孔，氮气排气口波纹管32、氮气排气口过渡板31中心氮气排气口开孔穿出后，一端与氮气排气口过渡板31焊接连接，一端与内容器上封头34焊接连接；排气总管55上焊接安装温度传感器131。

参见图6,图6为本发明一实施方式的浸液式氮气调温器液氮盘管组件结构主视图。该液氮盘管组件包括进液对接法兰61、进液总管62、进液管过渡接头63、盘管64、U型螺栓65、出液总管66、出液管过渡接头67、出液对接法兰68。进液对接法兰61、进液总管62、进液管过渡接头63、盘管64、出液总管66、出液管过渡接头67、出液对接法兰68依次焊接；U型螺栓65套装安装在盘管64折弯处；盘管组件121组装完成后，通过U型螺栓65固定在换热器组件122的支架54上，随换热器组件一同安装在调温容器15内。

进液总管62通过内容器筒体36的液氮进口开孔、外容器筒体35的液氮进口开孔，液氮进口支撑板37中心液氮进口开孔穿出后，一端与液氮进口支撑板37焊接连接，一端与内容器筒体36焊接连接。

出液总管66通过内容器筒体36的液氮出口开孔、外容器筒体35的液氮出口开孔，液氮出液口支撑板313中心液氮出口开孔穿出后，一端与液氮出液口支撑板313焊接连接，一端与内容器筒体36焊接连接。

液氮泄放管路116通过内容器下封头38的泄放口开孔、外容器下封头312的氮气进气口波纹管开孔、氮气进气口波纹管311、氮气进气口过渡板310的泄放口开孔穿出后，一端与氮气进气口过渡板310焊接连接，一端与内容器下封头38焊接连接。

放空管路124通过内容器上封头34的放空管路开孔、外容器上封头33的氮气排气口波纹管开孔、氮气排气口波纹管32、氮气排气口过渡板31的 放空管路开孔穿出后，一端与氮气排气口过渡板31焊接连接，一端与内容器上封头34焊接连接。

本发明通过调节调温器容器内液氮的液位高度，便可精确控制氮气的出口温度，控制方案简便易行；同时调温器容器15内的氮气压力可通过压力表进行测量，调温容器15中有液氮残留时，打开泄放口阀门115，将液氮排出即可。

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。