[发明专利]用于热沉调温系统的气氮调温单元

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。