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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410602694.6 (22)申请日 2014.10.31 G05D 23/00(2006.01) (71)申请人 中国运载火箭技术研究院 地址 100076 北京市丰台区北京 9200 信箱 38 分箱 (72)发明人 王思峰 刘欣 巩萌萌 李彦良 吕建伟 王海英 张少华 杨勇 (74)专利代理机构 中国航天科技专利中心 11009 代理人 安丽 (54) 发明名称 一种适应单相流体回路的组合温度控制系统 及方法 (57) 摘要 本发明提供一种适应单相流体回路的组合温 度控制系统及方法。 本发明的系统包括， 变频离心 泵， 驱动。
2、工质在循环管路中流动， 并通过调节泵转 速调节工质的流量 ； 温控阀， 连接变频离心泵， 温 控阀将流通工质的管路分为第一路管路和第二路 管路， 第一路管路通过辐射器到达控温点， 第二路 管路直接到达控温点与第一路管路汇合， 温控阀 选择性地使第一路管路和 / 或第二路管路与循环 管路连通 ； 冷板， 连通控温点的管路， 用于为设备 散热 ； 加排 - 供液组件 ； 循环管路， 连通上述部件 构成循环。 本发明结合阀控模式和泵控模式， 有效 减轻了系统的重量 ； 采用泵变频调速技术， 降低 了系统的功耗 ； 同时通过降低泵的转速提高了泵 的可靠性， 冗余设计也提高了可靠性。 (51)Int.C。
3、l. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104375531 A (43)申请公布日 2015.02.25 CN 104375531 A 1/1 页 2 1. 一种适应单相流体回路的组合温度控制系统， 其特征在于， 包括 ： 变频离心泵 (7)， 驱动工质在循环管路中流动， 并通过调节泵转速调节工质的流量 ； 温控阀 (9)， 连接所述变频离心泵 (7)， 所述温控阀 (9) 将流通工质的管路分为第一路 管路和第二路管路， 所述第一路管路通过辐射器 (12) 到达控温点 (13)， 所述第二路管路直 接到达。
4、所述控温点(13)与所述第一路管路汇合， 所述温控阀(9)选择性地使所述第一路管 路和 / 或所述第二路管路与循环管路连通 ； 冷板 (1)， 连通所述控温点 (13) 的管路， 用于为设备散热 ； 加排 - 供液组件， 用于工质的加注、 排放 ； 循环管路， 连通所述变频离心泵(7)、 所述温控阀(9)、 所述第一路管路和/或所述第二 路管路、 所述控温点 (13)、 所述冷板 (1)、 所述加排 - 供液组件， 构成循环。 2. 根据权利要求 1 所述的适应单相流体回路的组合温度控制系统， 其特征在于， 还包 括， 第一加排阀 (2)， 连通所述循环管路。 3. 根据权利要求 1 所述的适。
5、应单相流体回路的组合温度控制系统， 其特征在于， 所述 加排-供液组件包括连通循环管路的补偿器(5)和连通所述补偿器(5)的第二加排阀(4)。 4. 根据权利要求 1 所述的适应单相流体回路的组合温度控制系统， 其特征在于， 还包 括， 回路关断阀， 设置在所述循环管路中。 5. 根据权利要求 1 所述的适应单相流体回路的组合温度控制系统， 其特征在于， 还包 括， 过滤器 (6)， 设置在连接所述变频离心泵 (7) 的循环管路中。 6. 根据权利要求 1 所述的适应单相流体回路的组合温度控制系统， 还包括， 第一自 锁阀 (10)， 两端与所述温控阀 (9) 的两端连通， 与所述温控阀 (9。
6、) 平行设置 ； 第二自锁阀 (11)， 设置在所述第二路管路中。 7.一种适应单相流体回路的组合温度控制方法， 其特征在于， 使用权利要求1至6项中 任意一项所述的系统， 选择使用以下模式中的一项 ： 泵控控温模式， 全开控温阀 (9)， 使所有的工质流体均通过辐射器 ； 阀控控温模式， 固定变频离心泵 (7) 的转速， 通过调节所述控温阀 (9) 的开度进行控 温。 8. 根据权利要求 7 所述的适应单相流体回路的组合温度控制方法， 其特征在于， 还包 括 ： 智能控温模式， 系统启动时采用所述阀控控温模式， 固定变频离心泵的转速为 8000 转 / 分， 当系统温度达到平衡时， 判断所述。
7、温控阀的开度， 根据开度情况选择泵控控温模式或 是阀控控温模式。 9. 根据权利要求 8 所述的适应单相流体回路的组合温度控制方法， 其特征在于， 所述 智能控温模式在当温控阀的开度低于 50时， 将系统设置为泵控控温模式， 当温控阀的开 度高于 50时而低于 90时， 系统保持阀控模式不变， 当温控阀的开度高于 90时， 使变 频离心泵处于加速模式， 变频离心泵的转速增加到 10000 转 / 分， 以增加散热能力， 控制模 式仍采用阀控模式。 权 利 要 求 书 CN 104375531 A 2 1/4 页 3 一种适应单相流体回路的组合温度控制系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及航。
8、天飞行器热控制领域， 特别是涉及一种适应单相流体回路的组合温 度控制系统及方法。 背景技术 0002 在航天器的热控制领域中， 单相流体回路系统是主动热控技术中的一种重要方 式， 其突出特点是换热能力强、 便于结构布局、 易于组织内部换热、 安全可靠， 在国内外的许 多航天器上都采用了这项技术。 0003 对于单项流体回路系统的温控方式， 目前其采用的方法主要有旁路阀控方式和变 频调速泵控方式。 0004 旁路阀控方式是对流体进行温控的常用方法， 其基本原理是 ： 将被控温的流体分 为两路， 第一路通过加热 ( 或冷却 ) 设备， 变为高 ( 或低 ) 温流体 ； 而第二路直达控温点， 相 对。
9、经过加热 ( 或冷却 ) 的第一路流体， 第二路流体即为低 ( 或高 ) 温流体。这两路流体在 控温点前混合。 通过在两路流体的分流点设置控制阀， 控制冷热两路流体的流量比， 再加上 适当的控制律， 即可在热载、 外热流等外部条件不断变动的情况下， 将控温点温度控制在冷 热两路流体温度之中的任意值。 0005 变频调速泵控方式控温的基本原理是 ： 当航天器内热源与外热流变化时， 通过泵 变频调速改变整个系统的流量， 从而改变流体工质与内热源、 外热流的换热量 , 使得回路 控温点处的流体温度在控温目标附近， 达到维持整个航天器处于合适的工作温度。 0006 但是， 这两种方法在以下几个方面存在。
10、不足 ： 0007 采用旁路阀控方案时 ： 0008 1) 由于阀门执行机构为电动执行器， 可靠性方面具有不足， 为了提高可靠性， 航天 飞行器用单相流体回路经常采用两个温控阀的主备设计， 这会造成系统质量的增加。2) 阀 门调节温度的线性度难于控制， 使得构成的闭环自动控制系统动态特性不理想。3) 泵一般 按最大热负荷设计、 选型， 留的余量很大， 使得大部分工况下泵都不处于最佳工作点， 降低 了泵的运行效率， 能源消耗也大。 0009 采用变频调速泵控方式控温方案时 ： 0010 采用泵控方式时， 当泵的运行频率下降时， 系统流量下降得很快， 泵压也快速下 降， 流量与压力都近似呈线性下降。
11、。泵不能长时间在低速的运行。同时， 在流量很低时， 系 统的温度均匀性变差。 发明内容 0011 本发明要解决的技术问题为 ： 克服现有技术中变频调控方案系统重量增加、 线性 难于控制， 运行效率不高， 变频调速泵控方式不能长时间在低速运行， 系统的温度均匀性差 的问题 ； 提供一种适应单相流体回路的组合温度控制的设计方案， 确保航天器在轨阶段和 返回阶段的综合热控制。 说 明 书 CN 104375531 A 3 2/4 页 4 0012 本发明的技术方案为 ： 一种适应单相流体回路的组合温度控制系统， 包括 ： 变频 离心泵， 驱动工质在循环管路中流动， 并通过调节泵转速调节工质的流量 ；。
12、 温控阀， 连接变 频离心泵， 温控阀将流通工质的管路分为第一路管路和第二路管路， 第一路管路通过辐射 器到达控温点， 第二路管路直接到达控温点与第一路管路汇合， 温控阀选择性地使第一路 管路和 / 或第二路管路与循环管路连通 ； 冷板， 连通控温点的管路， 用于为设备散热 ； 加 排 - 供液组件， 用于工质的加注、 排放 ； 循环管路， 连通变频离心泵、 温控阀、 第一路管路和 / 或第二路管路、 控温点、 冷板、 加排 - 供液组件， 构成循环。 0013 进一步地， 还包括， 第一加排阀， 连通循环管路。 0014 进一步地， 加排 - 供液组件包括连通循环管路的补偿器和连通补偿器的第。
13、二加排 阀。 0015 进一步地， 还包括， 回路关断阀， 设置在循环管路中。 0016 进一步地， 还包括， 过滤器， 设置在连接变频离心泵的循环管路中。 0017 进一步地， 还包括， 第一自锁阀， 两端与温控阀的两端连通， 与温控阀平行设置 ； 第 二自锁阀， 设置在第二路管路中。 0018 根据本发明的另一方面， 提供适应单相流体回路的组合温度控制方法， 使用上述 的系统， 选择使用以下模式中的一项 ： 泵控控温模式， 全开控温阀， 使所有的工质流体均通 过辐射器 ； 阀控控温模式， 固定变频离心泵的转速， 通过调节控温阀的开度进行控温。 0019 进一步地， 还包括 ： 智能控温模式。
14、， 系统启动时采用阀控控温模式， 固定变频离心 泵的转速为8000转/分， 当系统温度达到平衡时， 判断温控阀的开度， 根据开度情况选择泵 控控温模式或是阀控控温模式。 0020 进一步地， 智能控温模式当温控阀的开度低于 50时， 将系统设置为泵控控温模 式， 当温控阀的开度高于 50时而低于 90时， 系统保持阀控模式不变， 当温控阀的开度 高于 90时， 使变频离心泵处于加速模式， 变频离心泵的转速增加到 10000 转 / 分， 以增加 散热能力， 控制模式仍采用阀控模式。 0021 本发明与现有技术相比的优点在于 ： 0022 本发明基于单相流体回路的组合温度控制方法， 在不需要改变。
15、航天器外形尺寸和 设计方案无需大的改动的前提下， 相比传统的阀控方案， 本发明在不降低系统的可靠性的 情况下， 减少了一路温控阀的备份， 减少了两个自锁阀， 有效减轻了系统的重量， 本发明采 用泵变频调速技术， 降低了系统的功耗达50以上。 同时通过降低泵的转速， 提高了泵的可 靠性， 冗余设计提高了可靠性。 通过以上发明设计， 能使航天飞行器具有较大的共用性和适 用性。 附图说明 0023 图 1 示出了本发明的适应单相流体回路的组合温度控制方法的系统结构示意图。 具体实施方式 0024 本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的 ： 0025 设计了一套泵控和阀控的组合控制方法， 根据该。
16、方法设计了一种单相流体回路系 统， 泵的电机采用变频调速电机， 采用了一路控温阀一路直通自锁阀的方式， 整体控制方式 说 明 书 CN 104375531 A 4 3/4 页 5 有多种组合。 0026 本发明设计了多种控温模式， 有泵控控温模式、 阀控控温模式和智能控温模式。 泵 控控温模式时正常情况下采用泵控的方式控温， 控温阀全开， 使所有的流体均通过辐射器 ； 当泵的转速达到最低转速时时， 切换到阀控模式， 固定泵转速， 通过调节阀门的开度进行控 温 ； 采用阀控控温模式时， 泵的转速固定为最高， 通过温控阀控温， 该模式使用于设备短时 产生大量热需要散发时采用， 阀控的响应速度高于泵。
17、控， 而在温度降下来时恢复到泵控模 式 ； 采用智能控温模式时， 系统启动时采用阀控控温模式， 当系统达到平衡时， 判断泵的转 速， 根据转速情况智能选择泵控或是阀控控温模式。 0027 图 1 为单相流体回路的组合温度控制方法设计方案， 该单相流体回路包括冷板 1、 第一加排阀 2、 第一回路关断阀 3、 第二加排阀 4、 补偿器 5、 过滤器 6、 变频离心泵 7、 第二回 路关断阀8、 温控阀9、 第一自锁阀10、 第二自锁阀11、 辐射器12、 控温点13和液体循环管路 14。 0028 单相流体回路的组合温度控制方法设计方案主要由以下部分组成 ： 0029 1) 工质先经过由第一加排。
18、阀 2、 第一回路关断阀 3、 第二加排阀 4、 补偿器 5 ； 其中 第二加排阀 4 连通补偿器 5 组成加排 - 供液组件。此加排 - 供液组件用于回路工质加注、 排放、 保证泵进口压力和补偿工质热胀冷缩引起的体积变化。 0030 2) 此后工质流经泵组件， 该泵组件由变频离心泵 7、 过滤器 6 及管路连接件组成。 该泵组件用于驱动工质流动并调节工质流量， 工质流量调节功能主要通过调节泵转速实 现。泵组件后还设有第二回路关断阀 8。 0031 3) 工质通过泵组件后流经温控阀 9 处分为两路。第一路通过辐射器 12 到达控温 点 13， 另一路通过旁路直达控温点 13 再与第一路汇合， 。
19、旁路中具有第二自锁阀 11。两路之 间的流量比例由温控阀 9 控制。温控阀 9 采用步进电机驱动的电动三通阀， 可快速调节流 比。第一自锁阀 10 的两端与温控阀 9 的两端连通。在正常工作模式下， 第一自锁阀 10 关 闭， 第二自锁阀11打开 ； 而当温控阀故障时， 第一自锁阀10打开， 第二自锁阀11关闭， 所有 的工质均通过辐射器 12， 从而将温控阀 9 屏蔽掉。 0032 4) 通过 13 控温点的工质进入冷板 1 用于为设备散热。之后回到回路关断阀 3 和 加排 - 供液组件， 完成循环。 0033 为了实现单相流体回路的组合温度控制， 设计了三种温度控制算法， 分别为有泵 控控。
20、温模式、 阀控控温模式和智能控温模式算法。 0034 泵控控温模式算法用于飞船或卫星能源非常紧张时， 其最大优点是节能效果明 显， 在这种模式时， 控温阀 9 全开， 使所有的流体均通过辐射器， 系统具有最大冷却能力， 当 泵的转速降低到最低转速时， 保持该转速不变， 温度的控制切换到纯阀控模式通过调节阀 门的开度进行控温。 0035 阀控控温模式算法用于单相流体回路冷却余量不足或系统能源充足时使用， 其最 大优点是设备的温度均匀性好， 平衡时间短， 该模式时使变频调速泵 7 的转速固定到正常 值， 通过调节温控阀 9 的开度进行控温， 当系统的冷却能力不足时， 变频调速泵 7 处于加速 模式。
21、， 转速比正常值增加 20以提供冷却能力。 0036 智能控温模式算法用于各种模式， 兼顾温度均匀性和节能， 当系统启动时， 系统首 次设置为阀控模式， 当系统达到平衡时测量温控阀 9 的开度， 当温控阀的开度低于 50时， 说 明 书 CN 104375531 A 5 4/4 页 6 将系统设置为泵控控温模式， 当温控阀的开度高于 50时而低于 90时， 系统保持阀控模 式不变， 当温控阀的开度高于 90时， 使变频离心泵 7 处于加速模式， 变频离心泵的转速增 加到 10000 转 / 分， 以增加散热能力， 控制模式仍采用阀控模式。 0037 为了提供系统可靠性， 设计了一种温控阀9故障模式， 当温控阀9锁死或其它原因 无法调节时， 第一自锁阀10打开， 第二自锁阀11关闭， 所有的工质均通过辐射器12， 从而将 温控阀 9 屏蔽掉， 并将控温模式设置为泵控控温模式。 说 明 书 CN 104375531 A 6 1/1 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 104375531 A 7 。