專利名稱：直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置及其制冷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備及發(fā)動機羽流試驗設(shè)備的低溫流程系統(tǒng)的部件，尤其涉及一種直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置及其制冷方法。
背景技術(shù)：
空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備及發(fā)動機羽流試驗設(shè)備都是模擬空間真空和低溫環(huán)境的設(shè)備，熱沉是該類設(shè)備的主要部件，通過輻射熱交換，為設(shè)備試驗空間提供所需的環(huán)境溫度和真空度，為達到這一目的，必須對熱沉進行溫度控制，控制熱沉溫度是通過傳熱介質(zhì)在熱沉通道中強迫流動，與熱沉換熱來實現(xiàn)。根據(jù)熱沉要求的溫度區(qū)間不同，目前的各種熱沉常采用以下?lián)Q熱介質(zhì)液氮、酒精、氟利昂等，極少采用液氦，主要是由于液氦昂貴及用于液氦溫區(qū)的超低溫熱沉技術(shù)復(fù)雜，因此目前國內(nèi)還沒有專門采用液氦作為換熱介質(zhì)的熱沉系統(tǒng)。液體火箭發(fā)動機真空羽流效應(yīng)試驗時，常采用氮氣作為試驗工質(zhì)，由于同種介質(zhì)不能凝固吸附同種介質(zhì)，這就必須采用比液氮溫度更低的制冷介質(zhì)來吸附羽流試驗工質(zhì)氮氣，常壓下液氦的液化溫度達到 4. 2K，利用其作為換熱介質(zhì)，可使熱沉表面平均溫度達到液氦溫區(qū)，此溫區(qū)能夠充分凝固吸附羽流試驗工質(zhì)氮氣，滿足試驗要求。因此為了滿足發(fā)動機羽流試驗需求，就必須采用液氦作為制冷介質(zhì)的熱沉系統(tǒng)。液氮、酒精、氟利昂這幾種常見的制冷介質(zhì)中，溫度最低的是液氮，可使熱沉達到 77K，為節(jié)約昂貴的液氦用量，考慮采用液氮和液氦組合制冷介質(zhì)，即先利用液氮將熱沉預(yù)冷至液氮溫區(qū)(77K)，然后利用液氦接著將熱沉預(yù)冷至4. 2K。但不管采用何種介質(zhì)，目前的熱沉均為單介質(zhì)流道，熱沉的流道只能循環(huán)一種傳熱介質(zhì)，無法切換另外一種介質(zhì)。主要原因是各制冷介質(zhì)的凝固點不同，以液氦、液氮兩種制冷介質(zhì)為例，當液氦通入循環(huán)過液氮的熱沉流道時，流道中殘存的液氮就會被凍成固體，堵塞甚至損壞熱沉，故之前沒有共用液氮、液氦兩種制冷介質(zhì)的超低溫熱沉流道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種新型的用于空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備及發(fā)動機羽流試驗設(shè)備的熱沉系統(tǒng)，可允許液氮和液氦共用同一熱沉流道。所謂的共用不是液氮和液氦同時使用，而是當液氮制冷介質(zhì)使用完畢，利用輔助氮氣吹除系統(tǒng)吹除熱沉中殘留的液氮，使熱沉中液氮蒸發(fā)完全，然后利用輔助氦氣吹除系統(tǒng)吹除熱沉中殘留的氣氮，使熱沉中殘留的氣氮被吹除干凈，最后將液氦制冷介質(zhì)通入。如此完成兩種制冷介質(zhì)的安全切換，通過兩種制冷介質(zhì)的安全切換達到節(jié)約液氦并使熱沉溫度從4. ^( 300K之間可調(diào)， 滿足發(fā)動機羽流試驗需求，降低試驗成本。本發(fā)明的直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置包括熱沉主體、熱沉表面電阻溫度傳感器、液氮供應(yīng)系統(tǒng)、氣氮吹除系統(tǒng)、氣氦吹除系統(tǒng)、液氦供應(yīng)系統(tǒng)以及輔助排液管路。所述的熱沉主體采用雙魚骨式結(jié)構(gòu)制造，包括骨架、液氮熱沉和液氦熱沉，骨架裝在液氮熱沉的外側(cè)，用于支撐液氮熱沉和液氦熱沉的重量，液氦熱沉裝在液氮熱沉的內(nèi)側(cè)， 與液氮熱沉之間布置有絕熱墊。所述絕熱墊有四條，均勻布置在液氮熱沉和液氦熱沉的中心線以下。所述的熱沉表面電阻溫度傳感器均布在熱沉主體的液氮熱沉和液氦熱沉的帶翅片支管表面上。所述的液氮供應(yīng)系統(tǒng)、氣氮吹除系統(tǒng)、氣氦吹除系統(tǒng)以及液氦供應(yīng)系統(tǒng)都通過管道與輔助排液管路一端以及液氦熱沉的進口相連，輔助排液管路的另一端通向大氣， 液氮供應(yīng)系統(tǒng)還與液氮熱沉的進口相連。所述液氮熱沉及液氦熱沉的進出口均位于艙體同側(cè)，進口在下，出口在上。本發(fā)明的直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置的制冷方法，具體是首先，啟動液氮供應(yīng)系統(tǒng)，在整個工作過程中，一直給液氮熱沉通液氮制冷；其次，為液氦熱沉先通液氮制冷，然后通液氦制冷，具體為一、啟動液氮供應(yīng)系統(tǒng)，打開液氮供應(yīng)系統(tǒng)的液氦熱沉液氮供應(yīng)閥，向液氦熱沉通入液氮制冷介質(zhì)，通過液氦熱沉表面電阻溫度傳感器觀察液氦熱沉主體溫度，當溫度達到77K左右時，關(guān)閉液氦熱沉液氮供應(yīng)閥，停止液氮供應(yīng)；二、打開輔助排液管路上的低溫排液閥，將液氦熱沉中的液氮排出，通過觀察，待輔助排液管路中無液氮流出時，關(guān)閉低溫排液閥；三、啟動氣氮吹除系統(tǒng)，打開氣氮吹除系統(tǒng)的氣氮吹除閥向液氦熱沉通入氣氮，通過液氦熱沉表面電阻溫度傳感器觀察液氦熱沉主體溫度，待溫度升至80K 以上時，關(guān)閉氣氮吹除閥；四、啟動氣氦吹除系統(tǒng)，打開氣氦吹除系統(tǒng)的氣氦吹除閥向液氦熱沉通入氣氦，5 10分鐘后關(guān)閉氣氦吹除閥；五、啟動液氦供應(yīng)系統(tǒng)，打開液氦供應(yīng)系統(tǒng)的液氦供應(yīng)閥，向液氦熱沉通入液氦制冷介質(zhì)，通過液氦熱沉表面電阻溫度傳感器觀察液氦熱沉主體溫度，直至溫度達到4. I。本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果在于(1)同一熱沉流道，液氦熱沉可以兼容液氮和液氦兩種介質(zhì)的換熱介質(zhì)，并保障了液氦熱沉由液氮切換到液氦時，流程正常工作；避免了雙流道(液氮和液氦各有流道)制造復(fù)雜，易造成超低溫冷漏的缺點；(2)解決了魚骨式結(jié)構(gòu)熱沉只能采用一種換熱介質(zhì)的缺陷；(3)采用雙熱沉結(jié)構(gòu)，即雙魚骨式兩層熱沉，內(nèi)側(cè)為液氦熱沉，外側(cè)為液氮熱沉，利用液氮熱沉作為液氦熱沉的防輻射屏(冷屏)，降低了艙體對液氦熱沉的熱輻射，減少液氦消耗，降低試驗成本；(4)兩層熱沉共用一個骨架，節(jié)約制熱沉造成本及重量，液氦熱沉只通過多層絕熱材料聚四氟乙烯墊與液氮熱沉連接，降低了骨架對液氦熱沉的熱輻射及傳導(dǎo)漏熱，減少液氦消耗，降低試驗成本；(5)液氮熱沉及液氦熱沉的進出口均位于艙體同側(cè)，進口在下，出口在上，方便管路布局、操作及維修，便于液氮、液氦及氣氮、氣氦的供應(yīng)；(6)液氮熱沉上總管與骨架靠短U形螺栓連接，不擰緊，便于液氮熱沉低溫下的熱脹冷縮，液氦熱沉上總管與骨架靠長U形螺栓連接，不擰緊，便于液氦熱沉低溫下的熱脹冷縮。(7)液氦熱沉與液氮熱沉之間采用多層聚四氟乙烯墊絕熱，降低了同等厚度下的傳導(dǎo)漏熱。


圖1為本發(fā)明的直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的熱沉主體的周向截面的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2中A-A剖面展開所示的熱沉主體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的滾輪組件的放大示意圖；圖5為圖2中C-C剖面所示的液氦熱沉與液氮熱沉之間絕熱墊的示意圖；圖6為圖2中E-E剖面所示的液氦熱沉與液氮熱沉之間絕熱墊的示意圖；圖7為本發(fā)明的液氮熱沉下總管進口波紋管組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為圖3中K-K剖面中液氮熱沉上出液匯總管與骨架連接的示意圖；圖9為圖3中L-L剖面中液氦熱沉上出液匯總管與骨架連接的示意圖；圖10為圖3中0-0剖面所示的液氮熱沉下進液匯總管與液氦熱沉下進液匯總管連接的示意圖；圖11為圖3中P-P剖面所示的液氮熱沉下進液匯總管、液氦熱沉下進液匯總管與骨架連接的示意圖；圖12為圖3中Q-Q剖面所示的液氮熱沉下進液匯總管與骨架連接的示意圖；圖13為本發(fā)明熱沉裝置制冷方法的步驟流程圖。其中1-骨架；2-液氮熱沉；3-液氦熱沉；4-液氮熱沉下總管；5-液氮熱沉下總管進口波紋管組件；6-液氦熱沉下總管進口波紋管組件；7-液氦熱沉下總管；8-液氦熱沉上總管；9-液氦熱沉上總管出口波紋管組件；10-液氮熱沉上總管出口波紋管組件；11-液氮熱沉上總管；12-滾輪組件；13-六角頭螺栓；14-液氦熱沉翅片；15-液氦熱沉支管； 16-液氮熱沉翅片；17-液氮熱沉支管；18-T形梁；19-絕熱墊A ；20-開槽沉頭螺釘；21-絕熱墊B ;22_艙體法蘭；23-與艙體連接的法拉；24-波紋管的出口法蘭；25-低溫排液閥； 26-液氦熱沉液氮供應(yīng)閥；27-液氮貯槽；28-液氮熱沉液氮供應(yīng)閥；29-氣氮吹除閥；30-氣氮瓶；31-氣氦吹除閥；32-氣氦瓶；33-液氦供應(yīng)閥；34-液氦貯槽；36-短U形螺栓A ； 38-長U形螺栓A ；39-短U形螺栓B ；40-絕熱墊C ；42-長U形螺栓B ；43-絕熱墊E ；44-短 U形螺栓C ；45-六角螺栓；46、47_密封圈A、B ；48-內(nèi)六角螺釘；100-熱沉主體；200-熱沉表面電阻溫度傳感器；300-液氮供應(yīng)系統(tǒng)；400-氣氮吹除系統(tǒng)；500-氣氦吹除系統(tǒng)；600-液氦供應(yīng)系統(tǒng)；700-輔助排液管路；800-艙體；60-液氮熱沉上出液匯總管；61-液氦熱沉上出液匯總管；62-液氮熱沉下進液匯總管；63-液氦熱沉下進液匯總管；64-帶翅片支管。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本發(fā)明的直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置，如圖1所示，包括熱沉主體100、 熱沉表面電阻溫度傳感器200、液氮供應(yīng)系統(tǒng)300、氣氮吹除系統(tǒng)400、氣氦吹除系統(tǒng)500、液氦供應(yīng)系統(tǒng)600以及輔助排液管路700。熱沉主體100置于發(fā)動機艙體800內(nèi)，如圖2所示，采用雙魚骨式結(jié)構(gòu)制造，包括骨架1、液氮熱沉2和液氦熱沉3，由于自身重力，液氦熱沉3、液氮熱沉2、骨架1及艙體800 的中心線均不重合，液氮熱沉2和液氦熱沉3都為直筒形式。骨架1也為一直筒形，裝在液氮熱沉2的外側(cè)，用于支撐液氮熱沉2及液氦熱沉3的重量。液氮熱沉2內(nèi)側(cè)為液氦熱沉 3，液氦熱沉3通過絕熱材料與液氮熱沉2連接，這樣可以盡量減少對液氦熱沉的傳導(dǎo)漏熱及輻射熱，減小液氦消耗，節(jié)約試驗成本，同時，液氮熱沉2又是液氦熱沉3的支撐。所述的絕熱材料采用聚四氟乙烯，超低溫絕熱性能良好。其中，液氦熱沉3通液氮、液氦雙制冷介質(zhì)，液氮熱沉2作為防輻射屏也就是冷屏，只通液氮制冷介質(zhì)。如圖1所示，液氮熱沉2與液氦熱沉3的進出口均位于艙體同側(cè)，進口在下，出口在上，方便管路布局及操作，便于液氮、 液氦及氣氮、氣氦的供應(yīng)。熱沉表面電阻溫度傳感器200，如圖3所示，均布在熱沉主體100的液氦熱沉3與液氮熱沉2的帶翅片支管64的表面上。熱沉表面電阻溫度傳感器200用于檢測熱沉表面溫度，其中液氮熱沉2表面采用PtlOO電阻溫度傳感器，測溫范圍77K 300K ；液氦熱沉3 表面采用銠鐵電阻溫度傳感器，測溫范圍1. 3K 300K。如圖1所示，液氮供應(yīng)系統(tǒng)300、氣氮吹除系統(tǒng)400、氣氦吹除系統(tǒng)500以及液氦供應(yīng)系統(tǒng)600都通過管道與輔助排液管路700 —端以及熱沉主體100的液氦熱沉3的進口相連，輔助排液管路700的另一端通向大氣。液氮供應(yīng)系統(tǒng)300包括液氮貯槽27、液氦熱沉液氮供應(yīng)閥沈與液氮熱沉液氮供應(yīng)閥觀，液氮貯槽27通過管道連接液氦熱沉液氮供應(yīng)閥沈連接至熱沉主體100的液氦熱沉 3與輔助排液管路700，液氮貯槽27通過管道連接液氮熱沉液氮供應(yīng)閥觀連接至熱沉主體 100的液氮熱沉2的進口。液氮供應(yīng)系統(tǒng)300可同時或單獨向液氦熱沉3及液氮熱沉2通液氮制冷介質(zhì)。氣氮吹除系統(tǒng)400包括氣氮瓶30與氣氮吹除閥四，氣氮瓶30通過管路連接氣氮吹除閥四連接至輔助排液管路700以及液氦熱沉3的進口。氣氮吹除系統(tǒng)400用于吹除液氦熱沉3中殘留的液氮，使液氦熱沉3中剩余液氮排出干凈，在輔助排液管路700排出大部分液氮后啟動，減小氣氮吹除時間及氣氮用量，防止液氦熱沉3溫升過高。氣氦吹除系統(tǒng)500包括氣氦瓶32與氣氦吹除閥31，氣氦瓶32通過管路連接氣氦吹除閥31連接至輔助排液管路700以及液氦熱沉3的進口。氣氦吹除系統(tǒng)500用于吹除液氦熱沉3中殘留的氣氮，使液氦熱沉3中剩余氣氮排出干凈，在氣氮吹除系統(tǒng)400充分吹除液氮后啟動，減小氣氦吹除時間及氣氦用量，防止液氦熱沉3溫升過高。液氦供應(yīng)系統(tǒng)600包括液氦貯槽34與液氦供應(yīng)閥33，液氦貯槽34通過管路連接液氦供應(yīng)閥33連接至輔助排液管路700以及液氦熱沉3的進口。液氦供應(yīng)系統(tǒng)600用于單獨向液氦熱沉3通液氦制冷介質(zhì)。輔助排液管路700位于液氦熱沉3的液氦熱沉下總管7入口處，位置低于液氦熱沉下總管7，其上設(shè)置有低溫排液閥25，便于液氦熱沉3中剩余液氮的排出，輔助排液管路 700的管直徑小于液氮熱沉2和液氦熱沉3的上、下總管4、7、8、11及液氮熱沉2和液氦熱沉3的帶翅片支管64的直徑。所述的骨架1由滾路組件12和T形梁18構(gòu)成，骨架1內(nèi)側(cè)的T形梁18支撐液氮熱沉2，如圖2所示，滾輪組件12對稱安裝在骨架1中心線以下的兩側(cè)。如圖4所示，滾輪組件12通過六角頭螺栓13固定連接在骨架1的T型梁上。滾輪組件12主要方便熱沉主體100在發(fā)動機艙體800內(nèi)的滑動安裝及調(diào)試。如圖5與圖6所示，為液氦熱沉3與液氮熱沉2之間布置的絕熱墊支撐結(jié)構(gòu)示意圖。在液氦熱沉3與液氮熱沉2的中心線以下，液氦熱沉3與液氮熱沉2之間均勻布置四條絕熱墊A19，如圖2所示，液氦熱沉3僅靠這四條絕熱墊A19支撐在液氮熱沉2上。本發(fā)
8明中采用的絕熱墊A19為聚四氟乙烯墊。從傳熱學(xué)角度上來講，同等厚度下的多層結(jié)構(gòu)比單層結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)漏熱要小，因此將最底下兩條聚四氟乙烯墊厚度上分為六層，如圖5中F-F 剖面所示，其余兩條聚四氟乙烯墊厚度上分為九層，如圖6中G-G剖面所示，實際應(yīng)用中具體層數(shù)可根據(jù)液氦熱沉3和液氮熱沉2之間的間隙劃分。如圖5與圖6所示，多層聚四氟乙烯墊通過開槽沉頭螺釘20固定。如圖2與圖3所示，液氮熱沉2包括液氮熱沉下總管4、液氮熱沉下總管進口波紋管組件5、液氮熱沉上總管11、液氮熱沉上總管出口波紋管組件10、帶翅片支管64、液氮熱沉上出液匯總管60與液氮熱沉下進液匯總管62。液氦熱沉3包括液氦熱沉下總管進口波紋管組件6、液氦熱沉下總管7、液氦熱沉上總管8、液氦熱沉上總管出口波紋管組件9、帶翅片支管64、液氦熱沉上出液匯總管61與液氮熱沉下進液匯總管63。如圖3所示，在液氮熱沉2的液氮熱沉上出液匯總管60與液氮熱沉下進液匯總管 62上兩側(cè)的對稱位置上各開一排徑向孔，徑向孔軸向間距400mm，帶翅片支管64兩端焊接在對應(yīng)的上下徑向孔上，在液氦熱沉上出液匯總管61與液氮熱沉下進液匯總管63上兩側(cè)的對稱位置上同樣各開有一排徑向孔，徑向孔軸向間距200mm，對應(yīng)的上下徑向孔之間也焊接有帶翅片支管64。帶翅片支管64都是圓弧形彎管，對應(yīng)的上下徑向孔之間都焊接有左右兩個帶翅片支管64，左右這兩個帶翅片支管64圍成一個圓形。液氮熱沉2的帶翅片支管64由半圓狀的液氮熱沉翅片16與液氮熱沉支管17組成，因考慮熱脹冷縮的因素，液氮熱沉翅片16沿液氮熱沉支管17周向每隔300 500mm — 段設(shè)置一片，采用焊接方式與液氮熱沉支管17組合成一體。液氮熱沉上出液匯總管60與液氮熱沉下進液匯總管62均是一端封住，另一端分別焊接液氮熱沉上總管11和液氮熱沉下總管4的一端，液氮熱沉上總管11和液氮熱沉下總管4的另一端分別焊接液氮熱沉上總管出口波紋管組件10和液氮熱沉下總管進口波紋管組件5。如圖5與圖6所示，液氦熱沉3的帶翅片支管64由半圓狀的液氦熱沉翅片14與液氦熱沉支管15組成，因考慮熱脹冷縮的因素，液氦熱沉翅片14沿液氦熱沉支管15周向每隔300 500mm—段設(shè)置一片，采用焊接方式與液氦熱沉支管15組合成一體。液氦熱沉上出液匯總管61與液氮熱沉下進液匯總管63均是一端封住，另一端分別焊接液氦熱沉上總管8和液氦熱沉下總管7的一端，液氦熱沉上總管8和液氦熱沉下總管7的另一端分別焊接液氦熱沉上總管出口波紋管組件9和液氮熱沉下總管進口波紋管組件6。液氮熱沉2和液氦熱沉3的所有進出口波紋管組件5、6、9、10均位于熱沉主體100 同側(cè)，進口波紋管組件5、6在下，出口波紋管組件9、10在上，方便管路布局、操作及維修，便于液氮、液氦及氣氮、氣氦的供應(yīng)。液氦熱沉3的液氦熱沉上總管8和液氦熱沉下總管7采用316不銹鋼管材料，液氦熱沉上總管出口波紋管組件9與液氦熱沉下總管進口波紋管組件6采用316不銹鋼材料， 液氦熱沉3的帶翅片支管64由316不銹鋼支管和T2紫銅翅片焊接而成。因為液氦熱沉的工作溫度為_269°C，必須選用含鎳量更高的316不銹鋼，含鎳量高，奧氏體穩(wěn)定性更好。液氮熱沉2的液氮熱沉下總管4與液氮熱沉上總管11采用304不銹鋼管材料，液氮熱沉下總管進口波紋管組件5與液氮熱沉上總管出口波紋管組件10采用304不銹鋼材料，液氮熱沉 2的帶翅片支管64由304不銹鋼支管和T2紫銅翅片焊接而成。液氮熱沉下總管進口波紋管組件5、液氮熱沉上總管出口波紋管組件10、液氦熱沉下總管進口波紋管組件6與液氦熱沉上總管出口波紋管組件9與其他部件的連接是一樣的，以液氮熱沉下總管進口波紋管組件5的結(jié)構(gòu)來說明。如圖7所示，液氮熱沉下總管4與液氮熱沉下總管進口波紋管組件5 —端焊接，液氮熱沉下總管進口波紋管組件5的另一端安裝有波紋管的出口法蘭M用于與液氮供應(yīng)系統(tǒng)300的管路連接。液氮熱沉下總管進口波紋管組件5通過法蘭22、23固定連接在艙體800上。液氮熱沉下總管進口波紋管組件5 上與艙體連接的法拉23通過六角螺栓45與內(nèi)六角螺釘48與艙體法蘭22固定連接，在法蘭22、23的連接處墊有密封圈A46與密封圈B47。同樣，液氮熱沉上總管11與液氮熱沉上總管出口波紋管組件10 —端焊接，液氮熱沉上總管出口波紋管組件10通過法蘭固定連接在艙體800上，液氮熱沉上總管出口波紋管組件10的出口端安裝有波紋管的出口法蘭用于與直通大氣的排放管路連接。液氦熱沉上總管8與液氦熱沉上總管出口波紋管組件9 一端焊接，液氦熱沉上總管出口波紋管組件9通過法蘭固定連接在艙體800上，液氦熱沉上總管出口波紋管組件9出口端安裝有波紋管的出口法蘭用于與直通大氣的排放管路連接。液氦熱沉下總管7 —端與液氦熱沉下總管出口波紋管組件6 —端焊接，液氦熱沉下總管出口波紋管組件6通過法蘭固定連接在艙體800上，液氦熱沉下總管出口波紋管組件6的出口端安裝有波紋管的出口法蘭用于與液氮供應(yīng)系統(tǒng)300、氣氮吹除系統(tǒng)400、氣氦吹除系統(tǒng)500、 液氦供應(yīng)系統(tǒng)600以及輔助排液管路700的管路連接。如圖8所示，液氮熱沉上出液匯總管60通過短U形螺栓A36連接骨架1的T形梁 18，不擰緊，便于液氮熱沉2低溫下的熱脹冷縮，短U形螺栓A36與骨架1的T形梁18上的螺栓孔之間墊有絕熱墊B21。如圖9所示，液氦熱沉上出液匯總管61通過長U形螺栓A38 與骨架1的T形梁18連接，不擰緊，便于液氦熱沉低溫下的熱脹冷縮，長U形螺栓A38與骨架1的T形梁18上的螺栓孔之間墊有絕熱墊B21。如圖10所示，液氮熱沉下進液匯總管62與液氦熱沉下進液匯總管63之間設(shè)置有絕熱墊C40，液氦熱沉下進液匯總管63通過短U形螺栓B39及開槽沉頭螺釘20緊固液氮熱沉下進液匯總管62以及絕熱墊C40。如圖11所示，液氮熱沉下進液匯總管62與液氦熱沉下進液匯總管63與骨架1通過長U形螺栓B42緊固；在液氮熱沉下進液匯總管62與骨架1之間設(shè)置有絕熱墊D43。長 U形螺栓B42與T形梁18上的螺栓孔之間墊有絕熱墊B21。如圖12所示，液氮熱沉下進液匯總管62與骨架1通過短U形螺栓C44緊固，在液氮熱沉下進液匯總管62與骨架1之間設(shè)置有絕熱墊D43。短U形螺栓C44與T形梁18上的螺栓孔之間墊有絕熱墊B21。所述的絕熱墊B21、絕熱墊C40以及絕熱墊D43都為聚四氟乙烯墊，利于減小傳導(dǎo)漏熱。本發(fā)明的熱沉裝置中所有閥門，包括低溫排液閥25、液氦熱沉液氮供應(yīng)閥沈、液氮熱沉液氮供應(yīng)閥觀、氣氮吹除閥四、氣氦吹除閥31以及液氦供應(yīng)閥33，均可手動調(diào)節(jié)，用于控制流量大小。使用上述熱沉裝置的方法，如圖13所示，在工作過程中，在整個工作過程中，打開液氮熱沉液氮供應(yīng)閥觀，一直為液氮熱沉2通液氮制冷，給液氦熱沉3先通液氮制冷，然后通液氦制冷。液氦熱沉3由液氮制冷向液氦制冷切換的工作過程具體為(1)啟動液氮供應(yīng)系統(tǒng)300，打開液氦熱沉液氮供應(yīng)閥沈向液氦熱沉3通入液氮制冷介質(zhì)，通過液氦熱沉表面電阻溫度傳感器200觀察液氦熱沉3主體溫度，當液氦熱沉3 溫度達到77K左右時，關(guān)閉液氦熱沉液氮供應(yīng)閥沈，停止液氮供應(yīng)；(2)打開低溫排液閥25，將液氦熱沉3中的大量液氮通過輔助排液管路700排出， 通過觀察，待輔助排液管路700中無液氮流出時，關(guān)閉低溫排液閥25 ；(3)啟動氣氮吹除系統(tǒng)400，打開氣氮吹除閥四向液氦熱沉3通入氣氮，通過液氦熱沉表面電阻溫度傳感器200觀察液氦熱沉3主體溫度，待液氦熱沉3主體溫度升至80K以上時，說明液氦熱沉3主體管路中液氮蒸發(fā)完全，已無液氮殘留，此時關(guān)閉氣氮吹除閥四；(4)啟動氣氦吹除系統(tǒng)500，打開氣氦吹除閥31向液氦熱沉3通入氣氦，一般情況下，5 10分鐘后液氦熱沉3中的氣氮即可被充分置換干凈，待氣氮被吹除干凈后，關(guān)閉氣氦吹除閥31 ；(5)啟動液氦供應(yīng)系統(tǒng)600，打開液氦供應(yīng)閥33，向液氦熱沉3通入液氦制冷介質(zhì)， 通過液氦熱沉表面電阻溫度傳感器200觀察液氦熱沉3主體溫度，直至液氦熱沉3主體溫度達到4. 2K。此后一直保持該溫區(qū)不變，待滿足給定的試驗真空度和試驗溫度后，即可進行試驗。整個切換過程中，確保了通入液氦制冷介質(zhì)時，液氦熱沉3主體管路中只有氦氣， 沒有氮氣，通入液氦制冷介質(zhì)不會產(chǎn)生任何故障。
權(quán)利要求
1.一種直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置，其特征在于，該裝置包括熱沉主體 (100)、熱沉表面電阻溫度傳感器000)、液氮供應(yīng)系統(tǒng)(300)、氣氮吹除系統(tǒng)000)、氣氦吹除系統(tǒng)(500)、液氦供應(yīng)系統(tǒng)(600)以及輔助排液管路(700)；所述的熱沉主體(100)采用雙魚骨式結(jié)構(gòu)制造，包括骨架(1)、液氮熱沉( 和液氦熱沉(3)，骨架(1)裝在液氮熱沉( 的外側(cè)，用于支撐液氮熱沉( 和液氦熱沉C3)的重量， 液氦熱沉C3)裝在液氮熱沉( 的內(nèi)側(cè)，與液氮熱沉( 之間布置有絕熱墊(19)，熱沉表面電阻溫度傳感器(200)均布在熱沉主體(100)的液氮熱沉( 和液氦熱沉( 的帶翅片支管(64)表面上；所述的液氮供應(yīng)系統(tǒng)(300)、氣氮吹除系統(tǒng)000)、氣氦吹除系統(tǒng)(500)以及液氦供應(yīng)系統(tǒng)(600)都通過管道與輔助排液管路(700) —端以及熱沉主體(100)的液氦熱沉⑶的進口相連，輔助排液管路(700)的另一端通向大氣，液氮供應(yīng)系統(tǒng)(300)還與熱沉主體(100)的液氮熱沉O)的進口相連，所述的液氮熱沉( 和液氦熱沉(3)，其進出口均位于熱沉主體(100)同側(cè)，進口在下，出口在上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置，其特征在于，所述的熱沉表面電阻溫度傳感器000)，布置在液氮熱沉( 表面的為PtlOO電阻溫度傳感器，測溫范圍77K 300K，布置在液氦熱沉(3)表面的為銠鐵電阻溫度傳感器，測溫范圍 1. 3K 300K。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置，其特征在于，所述的絕熱墊(19)為聚四氟乙烯墊，有四條，均勻布置在液氮熱沉( 和液氦熱沉(3)的中心線以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置，其特征在于，所述的骨架(1)由滾路組件(12)和T形梁(18)構(gòu)成，骨架(1)內(nèi)側(cè)的T形梁(18)支撐液氮熱沉O)，滾輪組件(1 通過六角頭螺栓(1 對稱固定安裝在骨架(1)中心線以下兩側(cè)的 T型梁(18)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置，其特征在于，所述的液氮熱沉O)，其包括液氮熱沉下總管G)、液氮熱沉下總管進口波紋管組件(5)、液氮熱沉上總管(11)、液氮熱沉上總管出口波紋管組件(10)、帶翅片支管(64)、液氮熱沉上出液匯總管(60)與液氮熱沉下進液匯總管(6 ；所述的液氮熱沉上出液匯總管(60)與液氮熱沉下進液匯總管(6 兩側(cè)相對應(yīng)位置上各開一排徑向孔，徑向孔軸向間距400mm，對應(yīng)的徑向孔間焊接有帶翅片支管(64)，液氮熱沉上出液匯總管(60)與液氮熱沉下進液匯總管(6 均是一端封住，另一端分別焊接液氮熱沉上總管(11)和液氮熱沉下總管的一端，液氮熱沉上總管(11)和液氮熱沉下總管的另一端分別焊接液氮熱沉上總管出口波紋管組件(10)和液氮熱沉下總管進口波紋管組件(5)，液氮熱沉上總管出口波紋管組件 (10)和液氮熱沉下總管進口波紋管組件( 通過法蘭02、23)固定連接在艙體(800)上； 所述液氮熱沉O)的帶翅片支管(64)為圓弧形彎管，由半圓狀的液氮熱沉翅片(16)與液氮熱沉支管(17)組成，液氮熱沉翅片(16)每沿液氮熱沉支管(17)周向每隔300 500mm 一段設(shè)置一片，采用焊接方式與液氮熱沉支管(17)組合成一體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置，其特征在于，所述的液氦熱沉(3)，其包括液氦熱沉下總管進口波紋管組件(6)、液氦熱沉下總管(7)、液氦熱沉上總管(8)、液氦熱沉上總管出口波紋管組件(9)、帶翅片支管(64)、液氦熱沉上出液匯總管(61)與液氮熱沉下進液匯總管(6 ；所述液氦熱沉上出液匯總管(61)與液氮熱沉下進液匯總管(63)兩側(cè)相對應(yīng)位置上各開有一排徑向孔，徑向孔軸向間距200mm，對應(yīng)的徑向孔間焊接有帶翅片支管(64)，液氦熱沉上出液匯總管(61)與液氮熱沉下進液匯總管 (63)均是一端封住，另一端分別焊接液氦熱沉上總管(8)和液氦熱沉下總管(7)的一端，液氦熱沉上總管(8)和液氦熱沉下總管(7)的另一端分別焊接液氦熱沉上總管出口波紋管組件(9)和液氦熱沉下總管進口波紋管組件(6)，液氦熱沉上總管出口波紋管組件(9)和液氦熱沉下總管進口波紋管組件(6)通過法蘭02、23)固定連接在艙體(800)上；所述的液氦熱沉(3)的帶翅片支管(64)為圓弧形彎管，由半圓狀的液氦熱沉翅片(14)與液氦熱沉支管(15)組成，液氦熱沉翅片(14)每沿液氦熱沉支管(15)周向每隔300 500mm —段設(shè)置一片，采用焊接方式與液氦熱沉支管(1 組合成一體。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置，其特征在于， 所述的液氮熱沉下總管G)、液氮熱沉下總管進口波紋管組件(5)、液氮熱沉上總管(11)和液氮熱沉上總管出口波紋管組件(10)采用304不銹鋼管材料，所述的液氮熱沉的帶翅片支管(64)由304不銹鋼支管和T2紫銅翅片焊接而成；所述的液氦熱沉下總管進口波紋管組件(6)、液氦熱沉下總管(7)、液氦熱沉上總管⑶和液氦熱沉上總管出口波紋管組件(9) 采用316不銹鋼管材料，液氦熱沉(3)的帶翅片支管(64)由316不銹鋼支管和T2紫銅翅片焊接而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置，其特征在于， 所述的液氮熱沉上出液匯總管(60)通過短U形螺栓(36)連接骨架(1)的T形梁(18)，不擰緊；所述的液氦熱沉上出液匯總管(61)通過長U形螺栓(38)與骨架(1)的T形梁(18) 連接，不擰緊；所述液氮熱沉下進液匯總管(6 與液氦熱沉下進液匯總管(6 之間通過短 U形螺栓(39)及開槽沉頭螺釘20緊固，液氮熱沉下進液匯總管(6 與液氦熱沉下進液匯總管(6 之間放置有絕熱墊GO)；所述的液氮熱沉下進液匯總管(62)、液氦熱沉下進液匯總管(63)與骨架⑴通過長U形螺栓02)緊固，液氮熱沉下進液匯總管(62)與骨架⑴ 之間設(shè)置有絕熱墊^幻；所述的液氮熱沉下進液匯總管(6 與骨架(1)通過短U形螺栓 (44)緊固；所述的短U形螺栓(36、39、44)、長U形螺栓(38,42)與T形梁(18)上的螺栓孔之間墊有絕熱墊(21)，所述的絕熱墊01、40、4；3)都為聚四氟乙烯墊。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置，其特征在于，所述的液氮供應(yīng)系統(tǒng)(300)，其包括液氮貯槽(27)、液氦熱沉液氮供應(yīng)閥06)與液氮熱沉液氮供應(yīng)閥( )，液氮貯槽(XT)通過管道連接液氦熱沉液氮供應(yīng)閥06)連接至液氦熱沉(3)的進口與輔助排液管路(700)，液氮貯槽(XT)通過管道連接液氮熱沉液氮供應(yīng)閥08)連接至的液氮熱沉O)的進口 ；液氮供應(yīng)系統(tǒng)(300)同時或單獨向液氮熱沉( 和液氦熱沉(3) 通液氮制冷介質(zhì)；所述的氣氮吹除系統(tǒng)(400)包括氣氮瓶(30)與氣氮吹除閥(四)，氣氮瓶(30)通過管路連接氣氮吹除閥09)連接至液氦熱沉(3)的進口與輔助排液管路(700)；氣氮吹除系統(tǒng) (400)在輔助排液管路(600)排出大部分液氮后啟動，用于吹除液氦熱沉(3)中殘留的液氮，使液氦熱沉(3)中剩余液氮排出干凈；所述的氣氦吹除系統(tǒng)(500)包括氣氦瓶(32)與氣氦吹除閥(31)，氣氦瓶(32)通過管路連接氣氦吹除閥(31)連接至輔助排液管路(700)以及液氦熱沉(3)的進口 ；氣氦吹除系統(tǒng)(500)在氣氮吹除系統(tǒng)(400)充分吹除液氮后啟動，用于吹除液氦熱沉(3)中殘留的氣氮，使液氦熱沉(3)中剩余氣氮排出干凈；所述的液氦供應(yīng)系統(tǒng)(600)包括液氦貯槽(34)與液氦供應(yīng)閥(33)，液氦貯槽(34)通過管路連接液氦供應(yīng)閥(3 連接至輔助排液管路(700)以及液氦熱沉( 的進口 ；液氦供應(yīng)系統(tǒng)(600)用于向液氦熱沉(3)通液氦制冷介質(zhì)；所述的輔助排液管路(700)位于液氦熱沉(3)的液氦熱沉下總管(7)入口處，位置低于液氦熱沉下總管(7)，其上設(shè)置有低溫排液閥(25)，輔助排液管路(700)的管直徑小于液氮熱沉( 和液氦熱沉(3)的上下總管及液氦熱沉與液氮熱沉之間的帶翅片支管(64)的直徑。
10.應(yīng)用權(quán)利要求1所述的直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置的制冷方法，其特征在于，首先，啟動液氮供應(yīng)系統(tǒng)(300)，在整個工作過程中，一直打開液氮熱沉液氮供應(yīng)閥 (28)為液氮熱沉( 通液氮制冷；其次為液氦熱沉C3)先通液氮制冷，然后通液氦制冷，具體是一、啟動液氮供應(yīng)系統(tǒng)(300)，打開液氦熱沉液氮供應(yīng)閥06)，向液氦熱沉C3)通入液氮制冷介質(zhì)，通過液氦熱沉表面電阻溫度傳感器(200)觀察液氦熱沉C3)主體溫度，當溫度達到77K時，關(guān)閉液氦熱沉液氮供應(yīng)閥(沈)，停止液氮供應(yīng)；二、打開低溫排液閥(25)，將液氦熱沉(3)中的液氮排出，通過觀察，待輔助排液管路(700)中無液氮流出時，關(guān)閉低溫排液閥05)；三、啟動氣氮吹除系統(tǒng)G00)，打開氣氮吹除閥09)向液氦熱沉(3)通入氣氮， 通過液氦熱沉表面電阻溫度傳感器(200)觀察液氦熱沉C3)主體溫度，待溫度升至80K以上時，關(guān)閉氣氮吹除閥09)；四、啟動氣氦吹除系統(tǒng)(500)，打開氣氦吹除閥(31)向液氦熱沉(3)通入氣氦，5 10分鐘后關(guān)閉氣氦吹除閥(31)；五、啟動液氦供應(yīng)系統(tǒng)(600)，打開液氦供應(yīng)閥(33)，向液氦熱沉C3)通入液氦制冷介質(zhì)，通過液氦熱沉表面電阻溫度傳感器 (200)觀察液氦熱沉C3)主體溫度，直至溫度達到4. 2k。
全文摘要
本發(fā)明為直筒形液氮液氦雙介質(zhì)兼容熱沉裝置及其制冷方法，熱沉裝置包括熱沉主體、熱沉表面電阻溫度傳感器、輔助排液管路以及液氮供應(yīng)、氣氮吹除、氣氦吹除與液氦供應(yīng)系統(tǒng)。熱沉主體為雙魚骨式結(jié)構(gòu)，具有一個骨架和液氮、液氦兩個熱沉，液氦熱沉裝在液氮熱沉內(nèi)側(cè)，熱沉表面電阻溫度傳感器均布在液氮、液氦熱沉的表面；液氮供應(yīng)、氣氮吹除、氣氦吹除、液氦供應(yīng)系統(tǒng)以及輔助排液管路都連接液氦熱沉進口，液氮供應(yīng)系統(tǒng)還連接液氮熱沉的進口。該裝置的制冷方法是在工作過程中，液氮熱沉一直通液氮制冷，液氦熱沉先通液氮制冷，然后通液氦制冷。本發(fā)明的實現(xiàn)了液氮和液氦共用同一熱沉流道，滿足發(fā)動機羽流試驗需求，降低試驗成本。
文檔編號G01M15/02GK102175456SQ20111003092
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者凌桂龍, 張國舟, 李曉娟, 王文龍, 蔡國飆, 黃本誠 申請人:北京航空航天大學(xué)