用于热沉调温系统的气氮调温单元的制作方法

本发明属于空间环境模拟技术领域，具体涉及一种用于热沉调温系统的气氮调温单元。

背景技术：

我国现有的空间环境模拟设备中，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。

外部环境调温措施中使用太阳模拟器进行试验虽然具有直观、真实、数据可靠、试验精度高的优点，但运行费用昂贵，技术难度大，运行太阳模拟器同时还要建造复杂的运动模拟器，而热真空试验又没有光谱要求，所以在试验中较少采用。

红外加热器可模拟多种热环境，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。但这种方法不但液氮消耗量大，而且还要消耗大量的电能，在某些部组件热试验中，是非常不经济的；而且在进行航天器及其部组件，尤其是天线或帆板等航天器外露件的热真空试验时，有时要求试件的温度非常低，由于在低温或降温时，试件辐射出的所有热量都要传递给热沉，并最终被热沉吸收，从实际效果上看，在低温或降温工况时，红外加热装置的存在对星体温度的降低会起到一定的“阻碍”作用；另外使用红外加热装置对试件适应性差,需要提前为试验设计所需红外加热装置,不同的试件红外装置不同，特别对形状复杂或较小试件，红外加热装置设计比较困难。

热沉调温是指具有温度调节功能的热沉，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，从而模拟外部环境温度的变化。该方法无需红外加热器等工装设备，可有效避免红外加热装置的缺点，其优点具体表现在以下几个方面：

a.热沉调温无需消耗大量的介质，经济性好；

b.热沉调温操作简单，对形状复杂和尺寸较小试件适应性强；

c.热沉调温无需在真空容器内布置其他加热设备；

d.热沉调温可有效避免对试件的遮挡，对于某些试验十分重要。

根据国内外热沉调温所选用载冷剂和外流程的不同，将热沉调温分为不同的类型，其中最重要的一类是使用氮气作为载冷剂通入热沉进行温度调节，称为气氮热沉调温。气氮调温单元是实现气氮热沉调温的关键设备，气氮调温单元可根据试验的需求提供流量和温度可控的氮气，实现热沉温度的可调可控，从而不需要红外加热手段实现空间环境模拟试验中外热流的模拟与控制。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高度集成的气氮调温单元，该气氮调温单元可用于对热真空试验设备的热沉进行加热和冷却，系统采用氮气作为循环介质，通过通入液氮制冷、通过电加热器加热对氮气进行降温、升温及控温，可精确获得高温或低温环境，并实现循环氮气温度在规定范围内的定点调节和控制，热沉表面的温度范围-170℃～+170℃。

本发明的气氮调温单元，主要包括气氮风机、系统冷却液氮喷淋器、主制冷液氮喷淋器、气氮加热器、辅助制冷液氮喷淋器及控制系统，气氮经气氮进口进入系统，经系统液氮喷淋器冷却后进入气氮风机，在气氮风机的驱动下进入主制冷液氮喷淋器，由主制冷液氮喷淋器经过两组串联的加热器与辅助制冷液氮喷淋器后进入热沉，在热沉内换热后重新进入主制冷液氮喷淋器，完成一个完整循环。

进一步地，热沉出口的汇总管处设置有气氮出口，当系统超压时，进行排气，用于实现系统氮气压力的稳定。

其中，系统冷却液氮喷淋器、辅助制冷液氮喷淋器和主制冷液氮喷淋器进口均设置自动阀门用来控制液氮入口的液氮流量。

进一步地，在两组串联的加热器两端设置有系统旁路控制阀。

进一步地，在系统管路上还设置有安全阀。

其中，气氮风机为高低温风机，在-170℃～+170℃的范围内正常工作，最高压力0.8mpa。

其中，液氮喷淋器喷嘴采用60°喷射角度，为实心型喷射形式，喷射出的液体形状为大约60°左右的“锥形柱”，气氮温度在-170℃～+170℃工况下，始终处于纯气状态。

其中，在加热器内部安装过热传感器，防止加热器干烧。

其中，两串联的加热器采用星形接法，进行分组控制。

其中，控制系统对系统内所有自动阀门进行pid控制，控制系统内氮气流量、压力和温度。

进一步地，控制系统采用双级pid控制，通过设定气氮风机出口氮气温度、热沉、冷板和产品的温度，采用自适应pid算法，自动控制各阀门及执行机构的操作，调节液氮喷入量和加热功率，并反复迭代，达到控制目标。

本发明实现了空间环境模拟器热沉表面的精确控温，采用了同一种介质氮气对热沉温度进行控制，温度范围从-170℃～+170℃，全温区均采用同一台高低温风机作为氮气循环流动的驱动力，氮气压力不小于0.5mpa，从而保证了整个系统可持续工作在高压高密度下，有效的保证了热沉所需的换热量，从而轻易获得极限温度和控制精度。

附图说明

图1为本发明的气氮调温单元结构示意图；

其中，1-系统冷却液氮喷淋器；2-气氮风机；3-主制冷液氮喷淋器；4-加热器；5-辅助制冷液氮喷淋器；

图2为本发明的气氮调温单元温度控制过程示意图。

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。

参照图1，图1为本发明的气氮调温单元结构示意图；其中，本发明的气氮调温单元，主要包括气氮风机2、系统冷却液氮喷淋器1、主制冷液氮喷淋器3、气氮加热器4、辅助制冷液氮喷淋器5及控制系统和安全阀，气氮经气氮进口进入系统，经系统液氮喷淋器冷却后进入气氮风机，在气氮风机的驱动下进入主制冷液氮喷淋器，由主制冷液氮喷淋器经过两组串联的加热器与辅助制冷液氮喷淋器后进入热沉，在热沉内换热后重新进入主制冷液氮喷淋器，完成一个完整循环。

气氮调温单元的工作流程如下：系统启动前，通过气氮进口完成对系统的气体置换及氮气填充，当系统压力达到0.5mpa时，此氮气进口仅作为系统补气使用。系统冷却液氮喷淋器1主要用于冷却管道内氮气温度，防止氮气温度过高，影响气氮风机2的正常运行。氮气经系统冷却液氮喷淋器1后，在气氮风机2的驱动下进入主制冷液氮喷淋器3，主制冷液氮喷淋器3主要用于对管道内的氮气进行制冷，冷却后的氮气再经过两组串联的加热器4与辅助制冷液氮喷淋器5进行温度控制。其中，系统冷却液氮喷淋器1、辅助制冷液氮喷淋器5和主制冷液氮喷淋器3进口均设置自动阀门用来控制液氮流量，控制系统根据氮气的温度自动调节液氮喷入量以控制主循环管道内的氮气温度。氮气经辅助制冷液氮喷淋器5控温后进入热沉，对热沉的温度进行调节及控制，氮气经热沉出口再次进入系统冷却液氮喷淋器，完成一次完整的闭式循环。热沉出口汇总管处设置气氮出口，当系统超压时，进行排气，用于实现系统氮气压力的稳定，两串联的加热器两端之间的设置系统旁通，并配置系统旁路控制阀，用于系统流量的调节和温度的辅助控制。控制系统对系统内所有自动阀门进行pid控制，达到控制系统内氮气流量、压力和温度的目的。

在一具体的实施方式中，系统管路设置安全阀，以确保系统的安全运行其中，气氮风机设置有供其冷却的进水口和出水口，确保气氮风机的正常工作。

其中，气氮调温单元配备了三级液氮喷淋器，采用液氮对氮气直喷的制冷方式，液氮100％全气化。包括：主制冷液氮喷淋器1：系统快速降温；辅助制冷液氮喷淋器2：系统控温；系统冷却液氮喷淋器3：冷却系统温度，防止风机温度过高。液氮喷淋器能满足最大的液氮供给量，并保证液氮可以充分气化，从而保证整个系统的降温速率和极限低温。

本发明的气氮调温单元，核心动力元件采用高低温风机。该风机具有耐压高、耐温范围宽、压头大、功率低等特点。由于该风机耐压高、耐温范围宽，从而保证了整个系统可持续工作在高压高密度下，有效的保证了热沉和冷板所需的换热量，从而轻易获得极限温度和控制精度。

调温单元采用液氮对氮气直喷进行制冷，采用电加热加热进行加热的工作模式，本发明的控制系统选用优化的pid算法，以维持调温单元出口温度及系统压力的稳定。气氮调温单元具有良好的自动控制功能、故障诊断功能、报警功能、断电保护和自动启动功能。具有手动操作、自动操作模式和延时启动模式。能准确显示热沉内多个点的温度以及运行时间等参数，并能显示气氮系统的主要信息，包括氮气温度、压力等。气氮调温单元可实时监控热沉及产品的温度及机组状态，采用pid控制算法实时调节氮气温度，以满足外流程使用。

参照图2，图2为气氮调温单元温度控制过程示意图，采用双级pid控制策略。通过设定气氮风机出口氮气温度及热沉/冷板/产品温度，系统采用自适应pid算法，自动调节各阀门及执行机构，调节液氮喷入量和加热功率，并反复迭代，达到控制目标。

本发明气氮调温单元是空间环境模拟器研制中的关键设备，可实现对热沉及冷板表面温度在规定范围内的定点调节和精确控制，广泛应用于各种空间环境模拟器上，因此具有良好的经济效益和推广应用前景。

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。