空间环境模拟试验设备液氮酒精双介质兼容热沉系统.pdf

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，特别涉及空间环境模拟试验设备液氮酒精双介质兼容热沉系统。该热沉系统可允许液氮和酒精共用同一流道，并能安全切换，通过二种介质的切换使热沉的温度从-163℃～+50℃间可调。热沉系统由热沉主体、热沉表面电阻温度传感器、酒精加热器、波纹软管外圆周测温电阻传感器、排酒精阀、辅助排酒精箱、氮气吹除阀和氮气气源组成。热沉主体为鱼骨式结构，由上总管、下总管、带肋片支管、波纹软管、辅助排液管焊接而成；带肋片支管由金属管和金属肋片焊接而成；波纹软管部位安装蒸发酒精加热器。该系统可以兼容酒精和液氮两种介质的换热介质，解决了鱼骨式结构热沉只能采用一种换热介质的缺陷。

1.  空间环境模拟试验设备液氮酒精双介质兼容热沉系统，包括包括热沉主体、热沉表面电阻温度传感器、酒精加热器、波纹软管外圆周测温电阻传感器、排酒精阀、辅助排酒精箱、氮气吹除阀和氮气气源；热沉主体包括进液总管、出液总管，焊接在上下总管上的带肋片支管，与进液总管连接的进口波纹软管、与出液总管连接的出口波纹软管、波纹管外圆周设的加热器和测温电阻传感器，与上下总管焊接相连的辅助排液管等，其特征在于：采用由上总管带肋片支管和下总管组成的鱼骨式结构，上部总管与下部总管间设有辅助排液管并相互连通；进出口波纹软管外圆周设有加热器和测温电阻；设有辅助排酒精箱，氮气吹除酒精结构。

2.  根据权利要求1中所述的液氮酒精双介质兼容热沉系统，其特征在于：热沉总管及支管采用不锈钢，支管肋片采用紫铜或铝。

3.  根据权利要求1中所述的液氮酒精双介质兼容热沉系统，其特征在于：具有一根或一根以上辅助排液管。

4.  根据权利要求1中所述的液氮酒精双介质兼容热沉系统，其特征在于：所述的辅助排液管连接在上部总管的下母线处或总管最低处。

5.  根据权利要求1中所述的液氮酒精双介质兼容热沉系统，其特征在于：波纹管外圆周加热器与波纹管之间电绝缘。

6.  根据权利要求1中所述的液氮酒精双介质兼容热沉系统，其特征在于：所述的辅助排液管直径小于总管和带肋片支管直径。

7.  根据权利要求1中所述的液氮酒精双介质兼容热沉系统，其特征在于：设有辅助排酒精箱和排酒精阀。

8.  根据权利要求1中所述的液氮酒精双介质兼容热沉系统，其特征在于：设有氮气吹除酒精结构，以使用氮气对热沉管路中酒精蒸汽吹除。

空间环境模拟试验设备液氮酒精双介质兼容热沉系统
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。
背景技术
空间环境模拟试验设备是模拟空间真空和低温环境的设备，热沉是该类设备的主要部件，通过辐射热交换，为设备试验空间提供所需的温度环境，为了达到这一目的，必须对热沉温度进行控制，控制热沉温度是通过传热介质在热沉流道中强迫流动，与热沉换热来实现。
根据热沉要求的温度区间不同，目前的各种热沉采用以下换热介质，液氮、酒精或导热油，冷冻机的制冷工质等。不管采用何种介质，目前的热沉均为单介质流道，热沉的流道只能循环一种传热介质，无法切换另外一种介质。主要原因是：酒精、导热油或冷冻机的制冷工质等可使热沉在0℃～-80℃的范围工作，但往往要求热沉能达到-170℃以下，这就要使用液氮。当液氮通入循环过酒精、导热油或制冷工质的热沉流道时，流道中残存的酒精、导热油或制冷工质就会冻成固体，堵塞甚至损坏热沉。故之前没有共用两种介质的热沉流道。当然，也有布设两路流道的热沉，但这种热沉结构复杂，介质流动状况不好，温度均匀性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种新型的空间环境模拟试验设备热沉系统，该热沉系统可允许液氮和酒精共用同一热沉流道。所谓的共用不是液氮和酒精同时使用，而是当液氮工质使用完毕，液氮蒸发完全之后，再将酒精工质通入，进行循环工作；酒精循环工作完成后，使用热沉系统的酒精安全排空功能，使酒精完全排空，再将液氮工质通入。如此实现两种工质的安全切换。通过二种介质的切换使热沉的温度从-163℃～+50℃间可调。
本发明的技术解决方案是：
本发明包括热沉主体、热沉表面电阻温度传感器、酒精加热器、波纹软管外圆周测温电阻传感器、排酒精阀、辅助排酒精箱、氮气吹除阀和氮气气源，示意见图1、图2。
热沉主体结构见图1、图2。采用鱼骨式结构制造热沉，热沉主体由下总管(进液总管)、上总管(出液总管)、带肋片支管、波纹软管、辅助排液管等组成。具体结构为：带肋片支管由不锈钢支管和紫铜或铝肋片焊接而成，支管焊接在上总管和下总管上，上总管和下总管采用不锈钢管；一根或一根以上辅助排液(酒精)管焊接在上、下总管的下母线处，辅助排液管直径小于总管和带肋片支管直径；上总管出液口和下总管进液口焊接波纹软管。
波纹软管外圆周设加热器和测温电阻传感器，加热器与波纹软管间采取电绝缘措施，波纹软管外圆周测温电阻传感器监测波纹软管温度。热沉表面(支管肋片表面)设热沉表面电阻温度传感器，监测热沉表面温度。
上总管出液口和下总管进液口可分别与酒精循环管路、液氮循环管路连接；下总管与辅助集液(酒精)箱和氮气气源通过相应的阀门相连，可通过辅助集液(酒精)箱回收热沉主体流道中排出的残液，并用氮气吹除热沉主体流道中的残留酒精。
热沉系统从液氮循环向酒精循环切换的工作过程为：通过波纹软管外圆周测温电阻传感器和热沉表面电阻温度传感器观察热沉主体温度，确定热沉主体中已无液氮时，将热沉主体上总管出液口和下总管进液口与液氮循环管路脱开，再与酒精循环管路连接。此时热沉主体流道中没有液氮，只有氮气，通入酒精液体不会产生任何故障。可以开始酒精循环，热沉系统进入酒精循环工况。完成热沉系统从液氮循环向酒精循环的切换。
热沉系统从酒精循环向液氮循环切换的工作过程为：酒精循环停止后，打开排酒精阀，将热沉主体管路中的酒精集入辅助集液(酒精)箱。此时，上主管中积存的酒精通过辅助排液管流入下主管，支管中的酒精也进入下主管，然后通过下主管进入辅助集液(酒精)箱；待再无酒精流入辅助集液(酒精)箱后，关闭排酒精阀，打开酒精加热器，加热使波纹管中残存酒精蒸发，当波纹软管外圆周测温电阻传感器显示温度达到80℃以上时，说明残存酒精已全部蒸发完。此时，打开氮气吹除阀，用氮气吹除热沉流道中酒精蒸汽。此时，热沉主体流道中已没有酒精液体，通入液氮不会产生任何故障。将热沉主体的上总管出液口和下总管进液口与酒精循环管路脱开，再与液氮循环管路连接，就可以开始液氮循环。热沉系统进入液氮循环工况，完成热沉系统从酒精循环向液氮循环的切换。
本热沉系统的特点在于：
1)当热沉以酒精为介质的循环结束后，要切换至以液氮为介质时，热沉内的酒精通过热沉下部总管排出；
2)上部总管中不能从支管流出的积存酒精通过辅助排液管排至下部总管，再经排口流出；
3)设置一专用酒精收集箱，此箱处于下部总管下部，可使总管中的酒精完全流入此箱中；
4)进出口波纹软管中无法排出的酒精使用蒸发酒精加热器加热蒸发，以气体状态排出；
5)系统中设有氮气吹除结构，可以吹出剩余酒精。
此流程最大限度的保证酒精液体排出，当液氮通过热沉流道时不会形成酒精冰冻堵塞流道，避免热沉不能正常工作，甚至发生爆管事故。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)同一热沉流道，可以兼容酒精和液氮两种介质的换热介质；
(2)解决了鱼骨式结构热沉只能采用一种换热介质的缺陷；
(3)保障了热沉由酒精切换到LN₂时，流程正常工作；
(4)避免了双流道(酒精与LN₂各有流道)制造复杂，易造成漏气的缺点。
附图说明
图1为本发明的直筒形热沉结构示意图；
图2为本发明的圆盘形热沉结构示意图；
其中：1-第一酒精加热器、2-第一波纹软管、3-上总管、4-支管、5-肋片、6-波纹软管外圆周测温电阻传感器、7-第二波纹软管、8-第二酒精加热器、9-下总管、10-辅助排液管、11-热沉表面电阻温度传感器、12-排酒精阀、13-辅助排酒精箱、14-氮气气源、15-氮气吹除阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
如图1所示，本发明热沉主体(直筒状)由上总管(出液总管)3、下总管(进液总管)9、支管4及肋片5、第一波纹软管2、第二波纹软管7、辅助排液管10及第一酒精加热器1、第一酒精加热器8构成。上总管3和下总管9上开一排径向孔，半圆状的带肋片5支管4的两端焊在上总管3和下总管9的对应径向孔上。肋片5采用焊接方式与支管4组合成一体。上总管3和下总管9一端封住，另一端焊接第一波纹软管2和第二波纹软管7，为了排除上总管3中支管焊接部位以下管中积液，在上总管3和下总管9之间焊接数根辅助排液管10，为了除去第一波纹软管2和第二波纹软管7中积液，在两个波纹管外圆周设第一酒精加热器加热器1和第二酒精加热器8；为了监控两个波纹管加热时的温度，设两个波纹软管外圆周测温电阻传感器6；为了监控热沉温度，设热沉表面电阻温度传感器11。
从酒精流程向液氮流程切换时，通过排酒精阀12向辅助排酒精箱13排出残余酒精；残余酒精排完后。通过氮气吹除阀15，使用氮气气源14吹除热沉中残余酒精蒸汽。
如图2所示，本发明的热沉(圆盘状)由上总管(出液总管)3、下总管(进液总管)9、支管4及肋片5、第一波纹软管2、第二波纹软管7、辅助排液管10及第一酒精加热器1、第一酒精加热器8构成。上总管3和下总管9上开径向孔，带肋片5支管4的两端焊在上总管3和下总管9的对应孔上。肋片5采用焊接方式与支管4组合成一体。上总管3和下总管9的两端封住，在上总管3和下总管9的中间位置开孔并与管子半圆平面垂直焊接第一波纹软管2和第二波纹软管7。为了排除上总管3中两端死空间管中积液，在上总管3和下总管9两端焊接两根辅助排液管10；为了除去第一波纹软管2和第二波纹软管7中积液，在两个波纹管外圆周设第一酒精加热器加热器1和第二酒精加热器8；为了监控两个波纹管加热时的温度，设两个波纹软管外圆周测温电阻传感器6；为了监控热沉温度，设热沉表面电阻温度传感器11。
从酒精流程向液氮流程切换时，通过排酒精阀12向辅助排酒精箱13排出残余酒精；残余酒精排完后。通过氮气吹除阀15，使用氮气气源14吹除热沉中残余酒精蒸汽。