专利名称：一种自降温热沉骨架及其制冷方法
技术领域：
本发明涉及一种用于空间环境模拟试验设备低温流程系统的部件，具体是一种自降温热沉骨架及其制冷方法。
背景技术：
热沉是空间环境模拟试验设备的重要组成部分，主要用于模拟空间的冷黑环境。 目前，国内外的热真空环境模拟试验设备大都采用液氮制冷，随着中国航天技术迅猛发展， 大放气量载人航天需要及火箭发动机羽流试验需求，采用液氮制冷已无法模拟要求的空间环境，需要设计制冷量及抽速更大的液氦热沉。无论液氮热沉还是液氦热沉都需要骨架支撑，常规的热沉骨架如图1所示，主要由多根环梁21和多根纵梁22组成。环梁21沿轴向均勻分布，纵梁22沿周向均勻分布。无论环梁21还是纵梁22都采用T形梁结构。此种骨架虽然结构简单，但骨架本身不能自动降温，仅靠周围低温热沉的低温传导和辐射来实现降温，自身热量需通过热沉带走，且降温幅度小，对于长时间工作的液氮热沉或液氦热沉来说，骨架对液氮热沉或液氦热沉的传导漏热和热辐射很大，为带走这部分传导漏热和热辐射需要消耗大量的液氮或液氦，尤其对于液氦热沉，昂贵的液氦消耗不利于资源保护和试验费用的降低。
发明内容
本发明针对目前热沉骨架不能够自降温，且降温会消耗昂贵的液氦问题，提供了一种自降温热沉骨架及其制冷方法，该自降温热沉骨架采用液氮作为制冷介质，可使热沉骨架从77K 300K之间实现温度可调，本发明的自降温热沉骨架可用于液氮热沉支撑，特别适用于液氦热沉支撑。一种自降温热沉骨架，包括骨架主体、电阻温度传感器、液氮供应系统、流体排放系统。所述的热沉骨架主体为卧式圆筒形，主要由环形管与水平管焊接一体形成，环形管内部与水平管内部相互连通，最右侧的环形管在位于水平最上方处焊接有长出液管，环形管内部与长出液管内部相互连通，长出液管通过金属软管水平连接有短出液管，短出液管与流体排放系统连接，最左侧的环形管在位于水平最下方处连接有长进液管，环形管内部与长进液管内部相互连通，长进液管通过金属软管水平连接有短进液管，短进液管连接有液氮供应系统；所述的长出液管的出口与长进液管的进口位于同一侧，制冷介质水平进，水平出；所述的电阻温度传感器设置在长出液管上，用于检测热沉骨架出口温度。所述的热沉骨架主体还包括滚轮组件，滚轮组件的轴承采用二硫化钼润滑，滚轮组件通过U形螺栓和夹块连接在环形管上，夹块一端为平面结构，另一端为凹槽结构，平面端与滚轮组件紧密接触，凹槽端与环形管紧密接触。所述的环形管与水平管均为不锈钢管，环形管有3条，沿热沉骨架主体的轴向均勻分布，水平管有6条，沿热沉骨架主体的周向均勻分布，位于热沉骨架主体下端的3条水平管上安装有支撑板，支撑板为平板，用于支撑热沉。所述的滚轮组件共6个，分两排，每排3个，对称固定在3条环形管上，位置处于环形管水平中心线以下。一种自降温热沉骨架的制冷方法，具体为首先，启动液氮供应系统，打开液氮供应系统的液氮供应阀，向热沉骨架主体通入液氮制冷介质；然后，通过电阻温度传感器观察热沉骨架主体的温度及降温速率，并通过液氮供应阀来调节温度及降温速率；最后，当热沉骨架主体的温度达到77K时，调节液氮供应阀的开度，保持该温度不变。一种自降温热沉骨架的77K 300K温度调节方法，具体为(1)先确定热沉骨架主体所要求降到的温度；(2)启动液氮供应系统，打开液氮供应系统的液氮供应阀，向热沉骨架主体通入液氮制冷介质；C3)通过电阻温度传感器观察骨架主体的温度；(4)当温度超出所要求的温度允许的误差范围时，通过调节液氮供应阀的开度大小，来调节热沉骨架主体温度的升高或降低；( 当热沉骨架主体的温度达到所要求的温度时，调节液氮供应阀的开度保持温度不变。本发明与现有技术相比，其优点和有益效果是(1)本发明的自降温热沉骨架可以实现骨架自动降温，解决了热沉骨架不能自动降温问题。(2)本发明的自降温热沉骨架自身的大部分热量都通过液氮制冷介质带走，而不需要通过热沉带走，骨架自身温度很低(接近77K)，大大降低了骨架对热沉的传导漏热和热辐射，尤其减小了昂贵的液氦消耗，降低了试验成本。(3)本发明的自降温热沉骨架即可用于支撑液氮热沉又可用于支撑液氦热沉。(4)本发明的自降温热沉骨设有液氮输送系统，用于向骨架输送液氮制冷，同时还设有流体排放系统，用于控制将流经骨架的制冷介质包括液体、气体或两相流排出骨架主体，使得骨架能够实现自降温。(6)本发明的自降温热沉骨可实现77K 300K温度调节。(7)本发明的还解决了平板与圆管紧固连接问题，避免了将圆管焊穿，或由于圆管冷缩得快，而平板冷缩得慢而把焊缝拉裂。
图1为常规的T形梁热沉骨架的结构示意图；图2为本发明的自降温热沉骨架在热沉骨架主体轴向剖面的总体结构示意图；图3为本发明的热沉骨架主体的周向剖面结构示意图；图4为图2中D-D剖面所示的左侧环形管与水平管连接的结构示意图；图5为图2中B-B剖面所示的中间环形管与水平管连接的结构示意图；图6为图2中C-C剖面所示的支撑板与水平管连接的结构示意图；图7为图3中I处所示的滚轮组件放大图；图8为图7中K-K剖面所示的滚轮组件与环形管连接的结构示意图；图9为本发明的自降温热沉骨架的制冷方法的流程示意图；图10为本发明的自降温热沉骨架温度调节方法的流程示意图。其中21-环梁；22-纵梁；100-热沉骨架主体；200-液氮供应系统；300-流体排放系统；
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400-电阻温度传感器；201-液氮贮槽；202-液氮供应阀；301-放空阀；1_环形管；2-水平管；3-长出液管；4-第一金属软管；5-短出液管；6-短进液管；7_第二金属软管；8-长进液管；9-90度弯头；10-支撑板；11_夹箍；12-六角螺栓；13-滚轮组件； 14-U型螺栓；15-夹块；16-聚四氟乙烯垫。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明的一种自降温热沉骨架，如图2所示，包括自降温热沉骨架主体100、液氮供应系统200、流体排放系统300和电阻温度传感器400。自降温热沉骨架主体100为卧式圆筒形，主要由环形管1、水平管2、长出液管3、 短出液管5、短进液管6、长进液管8和滚轮组件13组成。如图2所示，环形管1通过多根水平管2焊接连接成一体形成圆筒形，环形管1内部与水平管2内部相互连通，便于制冷介质流动。自降温热沉骨架主体100设有一个进液口、一个出液口，水平进，水平出，进液口在下，出液口在上。最右侧的环形管1在位于水平最上方处焊接有长出液管3，环形管1内部与长出液管3内部相互连通。长出液管3通过第一金属软管4焊接有短出液管5。最左侧的环形管1在位于水平最下方处通过90度弯头9焊接有长进液管8，环形管1内部与长出液管3内部相互连通。长进液管8通过第二金属软管7焊接有短进液管6。液氮从长进液管8送入骨架左侧环形管1内，液氮或气氮或气液两相制冷介质从骨架右侧环形管1上端流出，这样液氮或气氮或气液两相制冷介质的流动才基本符合自然对流规律，利于骨架降温。自降温热沉骨架主体100中的长出液管3和短出液管5之间焊接的金属软管4及长进液管8和短进液管6之间焊接的金属软管7，用于补偿自降温热沉骨架主体100因热胀冷缩产生的轴向移动。金属软管4的管内直径与其连接的长出液管3内直径基本相同。金属软管7的管内直径与其连接的长进液管8内直径基本相同。如图2所示，热沉骨架主体100由3条环形管1及6条水平管2组成，环形管1和水平管2均为不锈钢圆管，环形管1沿热沉骨架主体100的轴向均勻分布，水平管2沿热沉骨架主体100的周向均勻分布。如图4所示，为环形管1和水平管2在图2中的D-D处焊接的剖面图，如图5所示，为环形管1和水平管2在图2中的B-B处焊接的剖面图，圆管之间是相通的。热沉骨架主体100下端的3条水平管2上安装有支撑板10，支撑板10为平板， 用于支撑热沉并承受热沉重量。但因为水平管2为圆管，其横截面为圆形，在这样的圆管上是不能焊一个固定的支撑板10的，因为圆管和支撑板10间的缝隙太大，很容易把水平管2 焊穿，更严重的是由于水平管2冷缩得快，而支撑板10冷缩得慢，结果要么把焊缝拉裂，要么把水平管2拉裂。为解决此难题，采用的方案如图6所示，支撑板10不是与水平管2直接焊接，而是用夹箍11把它们夹在一起，并通过六角螺栓12固定位置，支撑板10是通过接触传导来冷却的，为了增大支撑板10与水平管2间的接触面积，在支撑板10上铣出了一个与水平管2外表面相吻合的弧形槽。夹箍11的夹紧程度要适度，既要能保证支撑板10与水平管2间的接触传热，又要允许水平管2与支撑板10间在长度方向上能滑动，因为水平管2先冷缩支撑板10后冷缩。在两个环形管1之间的水平管2上固定的支撑板10还不能做成一根通长的板，而是分为两段，两段间留出冷缩缝，以免将环形管1和水平管2之间的焊缝拉裂。如图6所示，支撑板10上还放置有聚四氟乙烯垫16，通过螺栓固定，聚四氟乙烯垫16主要用来支撑绝热，热沉通过聚四氟乙烯垫16放置在支撑板10上。如图3所示，热沉骨架主体100上还包括滚轮组件13，滚轮组件13共6个，分两排，每排3个，对称固定在3条环形管1上，位置处于环形管1水平中心线的下方，滚轮组件13用于支撑热沉骨架主体100，滚轮组件13的轴承采用二硫化钼润滑，使热沉骨架主体 100无油，这样超低温下无返油产生，环境清洁，即使在液氮温区温度77K时，滚轮组件13也能正常滚动。如图7与图8所示，滚轮组件13通过U形螺栓14和夹块15连接在环形管1 上，夹块15 —端为平面结构，另一端为凹槽结构，凹槽与环形管1的外表面相吻合，夹块15 的平面端与滚轮组件13紧密接触，凹槽端与环形管1紧密接触，用于增加滚路组件13与环形管1的接触面积，使滚轮组件13更加稳固的连接热沉骨架主体100。液氮供应系统200主要由液氮贮槽201及液氮供应阀202组成，用于向热沉骨架主体100通液氮制冷介质，并通过调节液氮供应阀202的开度对液氮流量进行调节。液氮贮槽201通过管道连接液氮供应阀202连接至自降温热沉骨架主体100的短进液管6。流体排放系统300的放空阀301通过管路与热沉骨架主体100的短出液管5相连接，，流体排放系统300的另一端直排大气。放空阀301用于控制将流经热沉骨架主体100 的流体排出热沉骨架主体100。电阻温度传感器400设置在热沉骨架主体100的长出液管路3上，用于检测热沉骨架主体100出口温度，本发明实施例中电阻温度传感器400采用铑铁电阻温度传感器，测温范围1. 3K 300K。一种自降温热沉骨架的制冷方法，如图9所示，具体为启动液氮供应系统200，打开液氮供应阀202，向热沉骨架主体100通入液氮制冷介质，通过电阻温度传感器400观察热沉骨架主体100的温度及降温速率，并通过液氮供应阀202来调节温度及降温速率，当热沉骨架主体100温度达到77K时，通过调节液氮供应阀202的开度大小供液，并保持该温度不变。一种自降温热沉骨架的77K 300K温度调节方法，如图10所示，具体为(1)先确定热沉骨架主体100所要求的温度；(2)启动液氮供应系统200，打开液氮供应阀202，向热沉骨架主体100通入液氮制冷介质；(3)通过电阻温度传感器400观察热沉骨架主体100的温度；(4)通过液氮供应阀202来调节温度及降温速率，并通过电阻温度传感器400随时观察热沉骨架主体100温度的变化。当温度超出所要求的温度允许的误差范围，通过调节液氮供应阀202的开度大小，来调节热沉骨架主体100温度的升高或降低，开度逐渐减小意味着热沉骨架主体100逐步升温，开度逐渐增大意味着热沉骨架主体100逐步降温。(5)当电阻温度传感器400显示的热沉骨架主体100的温度达到要求的温度时，通过调节液氮供应阀O02)的开度大小供液，并保持该温度不变。通过上面方法，实现了热沉骨架主体100温度在77K 300K之间任意可调。
权利要求
1.一种自降温热沉骨架，其特征在于，所述的热沉骨架包括热沉骨架主体(100)、液氮供应系统000)、流体排放系统(300)和电阻温度传感器000)；所述的热沉骨架主体(100)为卧式圆筒形，主要由环形管(1)与水平管( 焊接一体形成，环形管(1)内部与水平管O)内部相互连通，最右侧的环形管(1)在位于水平最上方处焊接有长出液管(3)，环形管(1)内部与长出液管(3)内部相互连通，长出液管C3)通过金属软管(4)水平连接有短出液管(5)，短出液管( 与流体排放系统(300)连接，最左侧的环形管(1)在位于水平最下方处连接有长进液管(8)，环形管(1)内部与长进液管(8)内部相互连通，长进液管(8)通过金属软管(7)水平连接有短进液管(6)，短进液管(6)连接有液氮供应系统(200)；所述的长出液管(3)的出口与长进液管⑶的进口位于同一侧，所述的液氮供应系统(200)提供的制冷介质从短进液管(6)水平进入热沉骨架主体(100)，并从短出液管( 水平流出；所述的电阻温度传感器(400)设置在长出液管C3)上，用于检测热沉骨架主体(100)的出口温度。
2.根据权利要求1所述的一种自降温热沉骨架，其特征在于，所述的环形管⑴与水平管(2)均为不锈钢管，环形管(1)有3条，沿热沉骨架主体(100)的轴向均勻分布，水平管 (2)有6条，沿热沉骨架主体(100)的周向均勻分布，位于热沉骨架主体(100)下端的3条水平管( 上安装有支撑板(10)，支撑板(10)为平板，用于支撑热沉。
3.根据权利要求2所述的一种自降温热沉骨架，其特征在于，所述的支撑板(10)，其上与水平管( 接触的地方铣出一个与水平管( 外表面相吻合的弧形槽，支撑板(10)与水平管(2)通过夹箍(11)夹在一起，并通过螺栓(12)固定位置，夹箍(11)的夹紧程度既要保证支撑板(10)与水平管O)间的接触传热，又要允许水平管( 与支撑板(10)间在长度方向上能够滑动，在两个环形管(1)之间的水平管( 上固定的支撑板(10)分为两段， 两段间留出冷缩缝。
4.根据权利要求1或2所述的一种自降温热沉骨架，其特征在于，所述的热沉骨架主体 (100)还包括滚轮组件(13)，滚轮组件(1 用于支撑热沉骨架主体(100)，滚轮组件(13) 的轴承采用二硫化钼润滑，所述的滚轮组件(1 共6个，分两排，每排3个，对称固定在3 条环形管(1)上，位置处于环形管(1)水平中心线以下。
5.根据权利要求4所述的一种自降温热沉骨架，其特征在于，所述的滚轮组件(13)通过U形螺栓(14)和夹块(1 固定在环形管(1)上，所述的夹块(1 一端为平面结构，另一端为凹槽结构，凹槽与环形管(1)的外表面相吻合，夹块(1 平面端与滚轮组件(13)紧密接触，凹槽端与环形管(1)紧密接触。
6.根据权利要求1所述的一种自降温热沉骨架，其特征在于，所述的长进液管(8)，通过90度弯头(9)与水平管( 焊接一起。
7.根据权利要求1所述的一种自降温热沉骨架，其特征在于，所述的液氮供应系统 (200)主要由液氮贮槽(201)及液氮供应阀(20 组成，液氮贮槽(201)通过管道连接液氮供应阀(20 连接至热沉骨架主体(100)的短进液管(6)，用于向热沉骨架主体(100)通液氮制冷介质。
8.根据权利要求1所述的一种自降温热沉骨架，其特征在于，所述的电阻温度传感器 (400)采用铑铁电阻温度传感器，测温范围1. 3K 300K。
9.应用权利要求1所述的一种自降温热沉骨架的制冷方法，其特征在于，该制冷方法具体为首先，启动液氮供应系统000)，打开液氮供应系统O00)的液氮供应阀002)，向热沉骨架主体(100)通入液氮制冷介质；然后，通过电阻温度传感器(400)观察热沉骨架主体(100)的温度及降温速率，并通过液氮供应阀(20 来调节温度及降温速率；最后，当热沉骨架主体(100)温度达到77K时，通过调节液氮供应阀(20 的开度大小供液，并保持该温度不变。
10.应用权利要求1所述的一种自降温热沉骨架的77K 300K温度调节的方法，其特征在于，该温度调节方法具体为一、确定热沉骨架主体(100)所要求的温度；二、启动液氮供应系统O00)，打开液氮供应系统(200)的液氮供应阀(20 ，向热沉骨架主体(100)通入液氮制冷介质；三、通过电阻温度传感器(400)观察热沉骨架主体(100)的温度；四、当温度超出要求的温度允许的误差范围，通过调节液氮供应阀O02)的开度大小， 来调节热沉骨架主体(100)温度的升高或降低；五、当热沉骨架主体(100)温度达到所要求的温度时，通过调节液氮供应阀(20 的开度大小供液，保持该温度不变。
全文摘要
本发明提出一种自降温热沉骨架及其制冷方法，用于空间环境模拟试验设备低温流程系统。所述的热沉骨架包括骨架主体、电阻温度传感器、液氮供应系统、流体排放系统，骨架主体为由环形管与水平管焊接形成的卧式圆筒形，骨架主体设有一个进液口、一个出液口，进液口在下，出液口在上，水平进，水平出，进液管连接有液氮供应系统，出液管连接有流体排放系统，电阻温度传感器设置在出液管上，用于检测热沉骨架出口温度。所述的制冷方法通过电阻温度传感器通过观察骨架主体温度，并通过液氮供应系统的液氮供应阀调节温度，最后实现骨架主体的制冷。本发明实现了热沉骨架的自动降温，降低了试验成本，可使热沉骨架从77K～300K之间实现温度可调。
文档编号B01L7/00GK102228845SQ20111009797
公开日2011年11月2日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者凌桂龙, 张国舟, 李晓娟, 王文龙, 蔡国飙, 黄本诚 申请人:北京航空航天大学