專利名稱：平板形液氮液氦雙介質兼容熱沉裝置及其制冷方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于空間環(huán)境模擬試驗設備低溫流程系統(tǒng)的部件，尤其涉及一種用于發(fā)動機羽流試驗設備超低溫流程系統(tǒng)的部件，具體是指一種平板形液氮液氦雙介質兼容熱沉裝置及其制冷方法。
背景技術：
空間環(huán)境模擬試驗設備及發(fā)動機羽流試驗設備都是模擬空間真空和低溫環(huán)境的設備，熱沉是該類設備的主要部件，通過輻射熱交換，為設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在熱沉通道中強迫流動，與熱沉換熱來實現。根據熱沉要求的溫度區(qū)間不同，目前的各種熱沉常采用以下?lián)Q熱介質，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)的超低溫熱沉技術復雜，因此目前國內還沒有專門采用液氦作為換熱介質的熱沉系統(tǒng)。液體火箭發(fā)動機真空羽流效應試驗時，常采用氮氣作為試驗工質，由于同種介質不能凝固吸附同種介質，這就必須采用比液氮溫度更低的制冷介質來吸附羽流試驗工質氮氣，常壓下液氦的液化溫度達到 4. I，利用其作為換熱介質，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的熱沉系統(tǒng)。液氮、酒精、氟利昂這幾種常見的制冷介質中，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，即先利用液氮將熱沉預冷至液氮溫區(qū)(77K)，然后利用液氦接著將熱沉預冷至4. 2K。但是不管采用何種介質，目前的熱沉均為單介質流道，熱沉的流道只能循環(huán)一種傳熱介質，無法切換另外一種介質。主要原因是各制冷介質的凝固點不同，以液氦、液氮兩種制冷介質為例，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、液氦兩種制冷介質的超低溫熱沉流道。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種新型的用于空間環(huán)境模擬試驗設備及發(fā)動機羽流試驗設備的熱沉系統(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通入。如此完成兩種制冷介質的安全切換，通過兩種制冷介質的安全切換達到節(jié)約液氦并使熱沉溫度從4. ^( 300K之間可調， 滿足發(fā)動機羽流試驗需求，降低試驗成本。一種平板形液氮液氦雙介質兼容熱沉裝置，包括熱沉表面電阻溫度傳感器、平板形熱沉主體、液氮供應系統(tǒng)、氣氮吹除系統(tǒng)、氣氦吹除系統(tǒng)、液氦供應系統(tǒng)以及輔助排液管
所述的平板形熱沉主體包括液氦熱沉、液氮熱沉及骨架，骨架焊在艙體封頭上，所述的液氮熱沉的外側安裝有骨架，內側通過絕熱材料與液氦熱沉連接，所述的液氦熱沉靠掛鉤掛在艙體封頭上，其下面靠下支板支撐，液氦熱沉和液氮熱沉為平板形，液氮熱沉的平板直徑大于液氦熱沉的平板直徑，液氦熱沉和液氮熱沉的所有進出液口位于同側，水平進， 水平出，進液口在下，出液口在上；熱沉表面電阻溫度傳感器均設置在液氦熱沉和液氮熱沉的帶翅片支管表面上，用于檢測熱沉主體溫度；液氮供應系統(tǒng)提供液氮源，通過管路與液氦熱沉和液氮熱沉的進液口，以及輔助排液管路連接；氣氮吹除系統(tǒng)提供氣氮源，用于吹除液氦熱沉中殘留的液氮，通過管路與液氦熱沉進液口以及輔助排液管路連接；氣氦吹除系統(tǒng)提供氣氦源，用于吹除液氦熱沉中殘留的氣氮，通過管路與液氦熱沉進液口以及輔助排液管路連接；液氦供應系統(tǒng)提供液氦源，通過管路與液氦熱沉進液口以及輔助排液管路連接； 輔助排液管路通過管路與液氦熱沉的進液口連接，其位于熱沉的進液總管入口處，位置低于進液總管，用于方便液氦熱沉中剩余液氮的排出。上述平板形液氮液氦雙介質兼容熱沉裝置的實驗方法，具體是首先啟動液氮供應系統(tǒng)為液氮熱沉一直通液氮制冷；然后為液氦熱沉先通液氮制冷，再通液氦制冷，具體為(1)打開液氮供應系統(tǒng)的液氦熱沉液氮供應閥向液氦熱沉通入液氮制冷介質，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，當液氦熱沉溫度達到77K左右時，關閉液氦熱沉液氮供應閥；( 打開輔助排液管路上的低溫排液閥，將液氦熱沉中的大量液氮通過輔助排液管路排出，通過觀察，待輔助排液管路中無液氮流出時，關閉低溫排液閥； (3)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，待液氦熱沉主體溫度升至80K以上時，關閉氣氮吹除閥；(4)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分鐘后關閉氣氦吹除閥；(5)啟動液氦供應系統(tǒng)，打開液氦供應系統(tǒng)的液氦供應閥，向液氦熱沉通入液氦制冷介質，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，直至液氦熱沉主體溫度達到4. I。本發(fā)明與現有技術相比的有益效果是(1)同一熱沉流道，液氦熱沉可以兼容液氮和液氦兩種介質的換熱介質，解決了平板形熱沉只能采用一種換熱介質的缺陷，避免了雙流道(液氮和液氦各有流道)制造復雜， 易造成超低溫冷漏的缺點；(2)采用平板形雙熱沉結構，即平板形兩層熱沉，內側為液氦熱沉，外側為液氮熱沉，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；(3)平板形液氦熱沉沒有骨架，節(jié)約熱沉制造成本、減小熱沉重量。(4)保障了液氦熱沉由液氮切換到液氦時，流程正常工作；(5)液氮熱沉及液氦熱沉的進出口均位于艙體同側，水平進出，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；(6)所有帶肋片支管均采用直管，不彎曲，上總管和下總管均采用圓弧形彎管，沿艙體封頭圓周彎曲一定角度。為保證流動順暢，減少氣堵，上總管直徑大于下總管直徑，下總管直徑大于支管直徑。
(7)液氦熱沉支管間距小于液氮熱沉支管間距，液氮熱沉支管數量約為液氦熱沉支管數量的兩倍，充分保證了液氦熱沉溫度的均勻性。(8)避免了平板形液氦熱沉易產生氣堵導致熱沉溫度不均勻現象。


圖1為本發(fā)明的平板型形熱沉裝置的總體結構示意圖；圖2為本發(fā)明的液氦熱沉的結構示意圖；圖3為圖2中C-C剖面所示的掛鉤的連接結構示意圖；圖4(a)為圖2中F-F剖面所示的下支板的連接結構示意圖；圖4(b)為圖4(a)中下支板與下夾塊的具體連接示意圖；圖5為圖2中B-B剖面所示的液氦熱沉上匯總管與帶翅片支管的連接示意圖；圖6為波紋管組件連接的結構示意圖；圖7為圖2中J-J剖面所示的帶翅片支管的截面圖；圖8為本發(fā)明的液氮熱沉的結構示意圖；圖9為圖8中I所示的液氮熱沉骨架與輻射屏連接部位的放大示意圖；圖10為圖8中E-E剖面所示的翅片與骨架橫梁的連接示意圖；圖11中，(a)為本發(fā)明中骨架大圓環(huán)的上支撐板的連接示意圖；(b)為圖8中D-D 剖面所示的骨架大圓環(huán)的左右支撐板的連接示意圖；(c)為本發(fā)明中骨架大圓環(huán)的下支撐板的連接示意圖；圖12為本發(fā)明平板型形熱沉裝置的制冷方法的步驟流程圖。其中100-熱沉表面電阻溫度傳感器；200-熱沉主體；201-液氦熱沉；202-液氮熱沉； 203-放空閥；204-低溫安全閥；205-液氮熱沉骨架；701-低溫排液閥；300-液氮供應系統(tǒng)；302-液氦熱沉液氮供應閥；301-液氮貯槽；303-液氮熱沉液氮供應閥；400-氣氮吹除系統(tǒng)；402-氣氮吹除閥；401-氣氮瓶；500-氣氦吹除系統(tǒng)；502-氣氦吹除閥；501-氣氦瓶； 600-液氦供應系統(tǒng)；602-液氦供應閥；601-液氦貯槽；700-輔助排液管路；800-艙體封頭； 1-液氦熱沉帶翅片支管；2-液氦熱沉上匯總管；3-液氦熱沉下匯總管；4-液氦熱沉出液總管；5-液氦熱沉進液總管；6-接管；7-金屬軟管；8-導熱帶；9-掛鉤；10-下支板；11-焊塊；12-吊桿；13-螺旋扣；14-上夾塊；15-絕熱墊；16-螺栓；17-下夾塊；18-波紋管組件；19-出口法蘭；20-艙體法蘭；21-與艙體連接的法蘭；22-螺釘；23-密封圈；24-翅片； 25-支管；26-液氮熱沉帶翅片支管；27-液氮熱沉上匯總管；28-液氮熱沉下匯總管；29-液氮熱沉出液總管；30-液氮熱沉進液總管；31-防輻射屏；32-裙邊；33-上支撐板；34-下支撐板；35-左、右支撐板；36-吊耳；37-艙體封頭上的左、右支板；38-艙體封頭上的下支板。
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本發(fā)明提供的平板形液氮液氦雙介質兼容熱沉裝置，如圖1、圖2所示，包括熱沉表面電阻溫度傳感器100、平板形熱沉主體200、液氮供應系統(tǒng)300、氣氮吹除系統(tǒng)400、氣氦吹除系統(tǒng)500、液氦供應系統(tǒng)600以及輔助排液管路700。
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液氮供應系統(tǒng)300由液氮貯槽301及液氦熱沉液氮供應閥302、液氮熱沉液氮供應閥303組成。液氮貯槽301通過管路連接液氦熱沉液氮供應閥302，液氦熱沉液氮供應閥 302通過管路分別連接至輔助排液管路700與液氦熱沉201的進液口。液氮貯槽301連接液氮熱沉液氮供應閥303，液氮熱沉液氮供應閥303通過管路連接至液氮熱沉202的進液口。在液氮熱沉液氮供應閥303連接液氮熱沉202進液口的管路上設置有低溫安全閥204， 用于防止本發(fā)明的熱沉裝置壓力過高。液氮供應系統(tǒng)300提供液氮源，可同時或單獨向液氦熱沉201及液氮熱沉202通液氮制冷介質。氣氮吹除系統(tǒng)400由氣氮瓶401及氣氮吹除閥402組成，氣氮瓶401通過管路連接氣氮吹除閥402連接至輔助排液管路700與液氦熱沉201的進液口。氣氮吹除系統(tǒng)400 提供氣氮源，用于吹除液氦熱沉201中殘留的液氮，使液氦熱沉201中剩余液氮排出干凈， 待輔助排液管路700排出大部分液氮后啟動，這樣可以減小氣氮吹除時間及氣氮用量，防止液氦熱沉201溫升過高。氣氦吹除系統(tǒng)500由氣氦瓶501及氣氦吹除閥502組成，氣氦瓶501通過管路連接氣氦吹除閥502連接至輔助排液管路700與液氦熱沉201的進液口。氣氦吹除系統(tǒng)500 提供氣氦源，用于吹除液氦熱沉201中殘留的氣氮，使液氦熱沉201中剩余氣氮排除干凈， 待氣氮吹除系統(tǒng)400充分吹除液氮后啟動，可以減小氣氦吹除時間及氣氦用量，防止液氦熱沉201溫升過高。液氦供應系統(tǒng)600由液氦貯槽601及液氦供應閥602組成，液氦貯槽601通過管路連接液氦供應閥602連接至輔助排液管路700與液氦熱沉201的進液口。在液氦供應閥 602連接液氦熱沉201進液口的管路上設置有低溫安全閥204，用于防止本發(fā)明的熱沉裝置壓力過高。液氦供應系統(tǒng)600提供液氦源，專門用于單獨向液氦熱沉201通液氦制冷介質。輔助排液管路700由管路及低溫排液閥701組成，輔助排液管路700位于液氦熱沉201的液氦熱沉與液氮熱沉的進液總管入口處，位置低于進液總管，便于液氦熱沉201中剩余液氮的排出，輔助排液管路700的管直徑小于液氦熱沉與液氮熱沉進出液總管及帶翅片支管的管直徑。平板形熱沉主體200，如圖1所示，采用雙平板式結構制造熱沉，由液氦熱沉201、 液氮熱沉202及液氮熱沉骨架205組成，兩層熱沉，一個骨架，骨架205內側為平板形液氮熱沉202，液氮熱沉202內側為平板形液氦熱沉201，其中液氦熱沉201通液氮、液氦雙制冷介質，液氮熱沉202作為防輻射屏(冷屏)只通液氮制冷介質，用于保護液氦熱沉201， 降低艙體對液氦熱沉201的熱輻射。液氦熱沉201和液氮熱沉202都為平板形，液氮熱沉 202的平板直徑大于液氦熱沉201直徑，液氮熱沉202安裝在液氮熱沉骨架205上，靠骨架 205固定支撐，骨架205焊在艙體封頭800上。液氦熱沉201通過絕熱材料與液氮熱沉202 連接。平板形液氦熱沉201沒有骨架，其上面僅靠掛鉤9掛在艙體封頭800上，其下面僅靠下支板10支撐，如圖2所示，掛鉤9和下支板10各兩條，上下對稱安裝，每條掛鉤9與液氦熱沉201豎直的中心線的夾角，與每條下支板10與液氦熱沉201豎直的中心線的夾角都相同，且夾角都為銳角，如圖2中所示，左上的掛鉤9與右上的掛鉤9分別與液氦熱沉201豎直的中心線間夾角為21. 5度，左下的下支板10與右下的下支板10分別與液氦熱沉201豎直的中心線間夾角為21. 5度。液氦熱沉201或液氮熱沉202帶翅片支管的所有進出液口位于同側，水平進，水平出。液氦熱沉201和液氮熱沉202的出液管路上分別連接有一個放空閥203，如圖1。如圖2與圖4所示，熱沉表面電阻溫度傳感器100均設在液氦熱沉202的帶翅片支管1的表面及液氦熱沉201的帶翅片支管沈的表面上，用于檢測熱沉表面溫度。其中液氮熱沉202表面采用PtlOO電阻溫度傳感器，測溫范圍77K 300K ；液氦熱沉201表面采用銠鐵電阻溫度傳感器，測溫范圍1. 3K 300K。如圖2所示，液氦熱沉201主要由液氦熱沉帶翅片支管1、液氦熱沉上匯總管2、液氦熱沉下匯總管3、液氦熱沉出液總管4和液氦熱沉進液總管5組成。本發(fā)明實施例中液氦熱沉帶翅片支管1總共有18根，所有帶翅片支管1均采用直管，不彎曲。液氦熱沉上匯總管2和液氦熱沉下匯總管3均采用圓弧形彎管，沿艙體封頭800圓周彎曲一定角度，彎管兩端均用堵頭封住。像肋條一樣豎直分布的帶翅片支管1，每根帶翅片支管1的兩端分別焊在液氦熱沉上匯總管2和液氦熱沉下匯總管3上。為保證流動順暢，減少氣堵，液氦熱沉上匯總管2直徑大于液氦熱沉下匯總管3直徑，液氦熱沉下匯總管3直徑大于帶翅片支管 1直徑。在液氦熱沉上匯總管2的水平頂部位置通過接管6連接有液氦熱沉出液總管4，在液氦熱沉下匯總管3的水平底部位置通過金屬軟管7連接有液氦熱沉進液總管5。液氦熱沉出液總管4與液氦熱沉進液總管5分別焊接有一個波紋管組件18。液氦從液氦熱沉下匯總管3的底部送入，液體(或汽液兩相)沿18根帶翅片支管 1上升，匯總到液氦熱沉上匯總管2后，從液氦熱沉上匯總管2頂部通過液氦熱沉出液總管 4排出艙外。為了盡可能避免液氦流動短路，除了逐漸增大短帶翅片支管1的間距使每根帶翅片支管的熱容量盡可能接近外，液氦熱沉下匯總管3的彎管端部離其最近即最邊上一根帶翅片支管1的中心加長200mm，即在液氦流動管路中形成了一個盲腸，當部分液氦或冷氦氣進入盲腸，由于盲腸內溫度較高，盲腸內氦氣的壓力升高，這樣就可阻止液氦或冷氦氣流向短帶翅片支管1從而避免短帶翅片支管1短路。此外，在離液氦熱沉下匯總管3最近的帶翅片支管1的翅片間加有導熱帶8，當支管液氦入口出現較大溫差時，導熱帶8可使這個溫差變小，從而避免液氦從入口溫度較低的支管短路。由于液氦熱沉201的帶翅片支管 1的間距很小，約200mm，故液氦熱沉201本身剛度很好，故沒有給液氦熱沉201安裝骨架， 而是用特殊的絕熱懸掛裝置將上匯總管掛在艙體封頭800上，比與液氮熱沉做成一體冷損更小。如圖3所示，掛鉤9的上端通過螺旋扣13連接有一個帶有焊塊11的吊桿12，焊塊 11用于與艙體封頭800焊接，掛鉤9的下端與夾固著液氦熱沉上匯總管2的上夾塊14掛接，液氦熱沉上匯總管2與上夾塊14之間布置有多層絕熱墊15，液氦熱沉上匯總管2、上夾塊14與絕熱墊15通過螺栓16固定連接。螺栓16與螺栓孔之間設置有墊圈密封。當液氦熱沉201管內通液氦時，整個液氦熱沉201圓盤的直徑會縮小，由于由掛鉤9作為主體的懸掛裝置是不冷縮的，因此液氦入口會向上移動，故在液氦入口總管上加有一段金屬軟管7， 以補償這個變形，這樣也就不會在液氦熱沉進液總管5與液氦熱沉下匯總管3焊接的焊縫中產生較大的溫度應力。如圖4(a)與圖4(b)所示，下支板10 —端與艙體封頭800連接，另一端與夾固著液氦熱沉下匯總管3的下夾塊17通過螺栓16固定連接，連接處都墊有絕熱墊15。液氦熱沉下匯總管3與下夾塊17之間布置有多層絕熱墊15，液氦熱沉下匯總管3、下夾塊17與多層絕熱墊15通過螺栓16固定連接。螺栓16與螺栓孔之間都設置有墊圈密封。
如圖5所示，為液氦熱沉上匯總管2與液氦熱沉帶翅片支管1連接的示意圖，液氦熱沉上匯總管2與液氦熱沉下匯總管3對應位置上開有孔，之間焊接有液氦熱沉帶翅片支管1，液氦熱沉帶翅片支管1的直徑比液氦熱沉上匯總管2的直徑小。如圖6所示，為液氦熱沉出液總管4與波紋管組件18連接的示意圖，波紋管組件 18的一端裝有出口法蘭19用于連接供應系統(tǒng)300、400、500、600與輔助排液管路700。波紋管組件18的另一端的與艙體連接的法蘭21通過螺栓16、螺釘22與艙體封頭800上的艙體法蘭20固定連接。在法蘭20、21的連接處均墊有密封圈23。如圖7所示，帶翅片支管1均是由支管25與翅片M組成，支管25上每隔一段焊接有翅片M。如圖8所示，液氮熱沉202為圓形平板。液氮熱沉202主要包括帶翅片支管沈、液氮熱沉上匯總管27、液氮熱沉下匯總管觀、液氮熱沉出液總管四和液氮熱沉進液總管30 組成。液氮熱沉上匯總管27和液氮熱沉下匯總管觀為圓弧形彎管，沿艙體封頭圓周彎曲一定角度，兩端均用堵頭封住。所有帶翅片支管26均采用直管，不彎曲，本發(fā)明實施例中液氮熱沉帶翅片支管26為10根。像肋條一樣豎直均勻分布的液氮熱沉帶翅片支管沈兩端分別焊接在液氮熱沉上匯總管27和液氮熱沉下匯總管觀上。液氮熱沉帶翅片支管沈的間距約為400mm。平板形液氮熱沉202周向焊接有圓筒形裙邊32，裙邊32直徑大于平板形液氦熱沉201直徑，空間上將平板形液氦熱沉201包裹起來，裙邊32用于降低艙體周向對液氦熱沉201的輻射熱負荷，平板形液氮熱沉202用于降低艙體徑向對液氦熱沉201的輻射熱負荷，群邊32上部均勻焊接在液氮熱沉202各豎直翅片支管沈的翅片上，下部不焊接， 用于補償溫度變化帶來的變形。如圖8所示，在液氮熱沉上匯總管27的水平頂部位置通過接管6與金屬軟管7連接有液氮熱沉出液總管四，在液氮熱沉下匯總管觀的水平底部位置通過接管6與金屬軟管7連接有液氮熱沉進液總管30。在液氮熱沉進、出液總管30J9上都加有金屬軟管7，以補償匯總管與支管一起向上、下移動，避免了液氮熱沉進、出液總管30J9直接與液氮熱沉上、下匯總管27、觀焊接而在焊縫中產生較大的溫度應力的情況。液氮熱沉上匯總管27直徑大于液氮熱沉下匯總管觀直徑，液氮熱沉下匯總管觀直徑大于帶翅片支管26直徑。液氮從液氮熱沉下匯總管觀的底部送入，液體(或汽液兩相)沿10根液氮熱沉帶翅片支管 26上升，匯總到液氮熱沉上匯總管27后，從液氮熱沉上匯總管27頂部通過液氮熱沉出液總管四排出艙外。液氮熱沉出液總管四和液氮熱沉進液總管30分別焊接有一個波紋管組件18，具體波紋管組件18的連接同如圖6所示的液氦熱沉出液總管4與波紋管組件18的連接。與液氦熱沉201不同，液氮熱沉202安裝有骨架205，以便于在骨架205上裝輻射屏31，骨架205是由一個大圓環(huán)和近似十字形的橫豎梁連成一個圓盤形。如圖9所示，輻射屏31通過螺栓16固定在骨架205上，連接處均布置有絕熱墊15，螺栓16的連接處設置有密封墊圈。液氮熱沉帶翅片支管沈也如圖7所示，由支管25與翅片M組成，每根支管25上每隔一段焊接有一片翅片對。如圖10所示，液氮熱沉帶翅片支管沈的翅片M與骨架205 的水平梁接觸的地方均用一個螺釘22將其擰住，這樣液氮熱沉202的重量就都支承在這根水平梁上了。液氮熱沉上匯總管27與液氮熱沉下匯總管28均與骨架205不連接，它們的
10重量由帶翅片支管26支承。當液氮熱沉202管內通液氮時，帶翅片支管沈相對骨架205 的水平梁是不能移動的，它只能以擰螺釘22處為中心向上、下收縮，液氮熱沉上、下匯總管 27,28與帶翅片支管沈一起向上、下移動，因此不會在帶翅片支管沈與液氮熱沉上、下匯總管27J8焊接的焊縫中產生較大的溫度應力。液氮熱沉帶翅片支管沈的翅片M與骨架 205的環(huán)形梁接觸的地方也用一個螺釘22將其與環(huán)形梁連接但不擰緊，且在翅片M上開長孔，該螺釘22可以讓翅片M與環(huán)形梁接觸，但又不影響液氮熱沉帶翅片支管沈自由伸縮。骨架大圓環(huán)的上、下、左、右均焊有支承板33、34、35，如圖11中(a)所示，整個液氮熱沉 202就靠上支撐板33通過螺栓16連接吊耳36焊在艙體封頭800上，連接處都設置有絕熱墊15。如圖11中(b)所示，左支撐板35通過螺栓16與焊在艙體封頭上的左支板37相連， 連接處都設置有絕熱墊15，右支撐板35與艙體封頭800的連接與之相同。如圖11中(c) 所示，下支撐板34通過螺栓16與焊在艙體封頭800上的下支板38相連，連接處都設置有絕熱墊15。這樣通過三個支撐板，液氮熱沉202既能固定在艙體封頭800上，又能與艙體封頭800絕熱還能自由伸縮。平板形液氦熱沉201的帶翅片支管1由316不銹鋼支管和T2紫銅翅片焊接而成， 液氦熱沉上、下匯總管2、3采用316不銹鋼管，液氦熱沉進、出液總管5、4焊接的波紋管組件18材料采用316不銹鋼。液氮熱沉202的帶翅片支管沈由304不銹鋼支管和T2紫銅翅片焊接而成，液氮熱沉上、下匯總管27、觀采用304不銹鋼管，液氮熱沉進出液總管30、 29焊接的波紋管組件18采用304不銹鋼。液氦熱沉帶翅片支管1的間距小于液氮熱沉帶翅片支管26的間距，液氮熱沉帶翅片支管1的數量約為液氦熱沉帶翅片支管沈的數量的兩倍，充分保證了液氦熱沉201溫度的均勻性。液氮熱沉201外側安裝有平板形防輻射屏 31，防輻射屏31焊在液氮熱沉骨架205上，材料采用304不銹鋼板，拋光(用于降低輻射系數)。通過上述設計，可以盡量減少外界對液氦熱沉201的傳導漏熱及輻射熱，減小液氦消耗，節(jié)約試驗成本。本發(fā)明的熱沉裝置中所有閥門，包括放空閥203、低溫安全閥204、液氦熱沉液氮供應閥302、液氮熱沉液氮供應閥303、氣氮吹除閥402、氣氦吹除閥502、液氦供應閥602以及低溫排液閥701均可手動調節(jié)，用于控制流量大小。應用上述的裝置進行制冷的方法流程，具體如圖12所示首先，啟動液氮供應系統(tǒng)300，打開液氮熱沉液氮供應閥303，為平板形液氮熱沉 202在整個制冷工作過程中，一直通液氮制冷。通液氮制冷的平板形液氮熱沉202，當做平板形液氦熱沉201的防輻射屏(冷屏)，盡量減少對平板形液氦熱沉201的傳導漏熱及輻射熱，以節(jié)約液氦用量，降低試驗成本。然后，為進一步減小液氦用量，平板形液氦熱沉201先通液氮制冷，然后通液氦制冷。液氦熱沉201由液氮制冷向液氦制冷，具體制冷過程為(1)打開液氦熱沉液氮供應閥302，向液氦熱沉201通入液氮制冷介質，通過液氦熱沉表面電阻溫度傳感器100觀察液氦熱沉201主體溫度，當液氦熱沉201溫度達到77K 左右時，關閉液氦熱沉液氮供應閥302，停止液氮供應；(2)打開低溫排液閥701，將液氦熱沉201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，關閉低溫排液閥701 ；(3)啟動氣氮吹除系統(tǒng)400，打開氣氮吹除閥402向液氦熱沉201通入氣氮，通過液氦熱沉表面電阻溫度傳感器100觀察液氦熱沉201主體溫度，待液氦熱沉201主體溫度升至80K以上時，說明液氦熱沉201主體管路中液氮蒸發(fā)完全，已無液氮殘留，此時關閉氣氮吹除閥402 ；(4)啟動氣氦吹除系統(tǒng)500，打開氣氦吹除閥502向液氦熱沉201通入氣氦，一般情況下，5 10分鐘后液氦熱沉201中的氣氮即可被充分置換干凈，待氣氮被吹除干凈后， 關閉氣氦吹除閥502 ；(5)啟動液氦供應系統(tǒng)600，打開液氦供應閥602，向液氦熱沉201通入液氦制冷介質，通過液氦熱沉表面電阻溫度傳感器100觀察液氦熱沉201主體溫度，直至液氦熱沉201 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時，液氦熱沉201主體管路中只有氦氣，沒有氮氣，通入液氦制冷介質不會產生任何故障。
權利要求
1.一種平板形液氮液氦雙介質兼容熱沉裝置，其特征在于，該裝置包括熱沉表面電阻溫度傳感器(100)、平板形熱沉主體(200)、液氮供應系統(tǒng)(300)、氣氮吹除系統(tǒng)(400)、氣氦吹除系統(tǒng)(500)、液氦供應系統(tǒng)(600)以及輔助排液管路(700)；所述的平板形熱沉主體(200)包括液氦熱沉001)、液氮熱沉(20 及骨架005)，骨架(20 焊在艙體封頭(800)上，所述的液氮熱沉O02)的外側安裝有骨架005)，內側通過絕熱材料與液氦熱沉(201)連接，所述的液氦熱沉(201)靠掛鉤(9)掛在艙體封頭(800) 上，其下面靠下支板(10)支撐，液氦熱沉(201)和液氮熱沉(20 為平板形，液氮熱沉 (202)的平板直徑大于液氦熱沉(201)的平板直徑，液氦熱沉(201)和液氮熱沉(20 的所有進出液口位于同側，水平進，水平出，進液口在下，出液口在上；熱沉表面電阻溫度傳感器 (100)均設置在液氦熱沉(201)和液氮熱沉(20 的帶翅片支管表面上，用于檢測液氦熱沉 (201)和液氮熱沉(20 表面溫度；液氮供應系統(tǒng)(300)提供液氮源，通過管路與液氦熱沉 (201)和液氮熱沉Q02)的進液口，以及輔助排液管路(700)連接；氣氮吹除系統(tǒng)(400)提供氣氮源，用于吹除液氦熱沉(201)中殘留的液氮，通過管路與液氦熱沉(201)進液口以及輔助排液管路(700)連接；氣氦吹除系統(tǒng)(500)提供氣氦源，用于吹除液氦熱沉O01)中殘留的氣氮，通過管路與液氦熱沉(201)進液口以及輔助排液管路(700)連接；液氦供應系統(tǒng) (600)提供液氦源，通過管路與液氦熱沉(201)進液口以及輔助排液管路(700)連接；輔助排液管路(700)通過管路與液氦熱沉O01)的進液口連接，其位于熱沉主體O00)的進液總管入口處，位置低于進液總管，用于方便液氦熱沉O01)中剩余液氮的排出。
2.根據權利要求1所述的一種平板形液氮液氦雙介質兼容熱沉裝置，其特征在于，所述掛鉤(9)和下支板(10)各兩條，對稱安裝，每條掛鉤(9)與液氦熱沉(201)豎直中心線的夾角，與每條下支板(10)與液氦熱沉O01)豎直中心線的夾角都相同，且夾角為銳角。
3.根據權利要求1所述的一種平板形液氮液氦雙介質兼容熱沉裝置，其特征在于，所述的熱沉表面電阻溫度傳感器(100)，對于設置在液氦熱沉O01)帶翅片支管表面上的，采用銠鐵電阻溫度傳感器，測溫范圍1. 3K 300K ；對于設置在液氮熱沉(20 帶翅片支管表面上的，采用PtlOO電阻溫度傳感器，測溫范圍77K 300K。
4.根據權利要求1所述的一種平板形液氮液氦雙介質兼容熱沉裝置，其特征在于，所述的液氮供應系統(tǒng)(300)包括液氮貯槽(301)及液氦熱沉液氮供應閥(30 、液氮熱沉液氮供應閥(303)，液氮貯槽(301)通過管路連接液氦熱沉液氮供應閥(30 連接至輔助排液管路(700)與液氦熱沉O01)的進液口，液氮貯槽(301)通過管路連接液氮熱沉液氮供應閥 (303)連接至液氮熱沉(20 的進液口 ；液氮供應系統(tǒng)(300)同時或單獨向液氦熱沉(201) 和液氮熱沉(20 通液氮制冷介質；氣氮吹除系統(tǒng)(400)包括氣氮瓶(401)及氣氮吹除閥002)，氣氮瓶(401)通過管路連接氣氮吹除閥(402)連接至輔助排液管路(700)與液氦熱沉O01)的進液口，氣氮吹除系統(tǒng)(400)在輔助排液管路(700)排出大部分液氮后啟動；氣氦吹除系統(tǒng)(500)包括氣氦瓶(501)及氣氦吹除閥(502)，氣氦瓶(501)通過管路連接氣氦吹除閥(502)連接至輔助排液管路(700)與液氦熱沉(201)的進液口，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；液氦供應系統(tǒng)(600)包括液氦貯槽(601)及液氦供應閥(602)，液氦貯槽(601)通過管路連接液氦供應閥(60 連接至輔助排液管路(700)與液氦熱沉O01)的進液口，液氦供應系統(tǒng)(600)單獨向液氦熱沉(201)通液氦制冷介質；輔助排液管路(700)上設置有低溫排液閥(701)，其管直徑小于熱沉(201、202)進出液總管及帶翅片支管的管直徑；在液氦供應閥(60 連接液氦熱沉(201)進液口的管路上，以及在液氮熱沉液氮供應閥(30 連接至液氮熱沉O02)的進液口的管路上都設置有低溫安全閥006)。
5.根據權利要求1所述的一種平板形液氮液氦雙介質兼容熱沉裝置，其特征在于，所述的液氦熱沉(201)包括帶翅片支管(1)、液氦熱沉上匯總管O)、液氦熱沉下匯總管(3)、 液氦熱沉出液總管(4)和液氦熱沉進液總管(5)；帶翅片支管(1)都采用直管，液氦熱沉上匯總管( 和液氦熱沉下匯總管C3)均采用圓弧形彎管，沿艙體封頭圓周彎曲一定角度，在液氦熱沉上匯總管( 和液氦熱沉下匯總管C3)之間均勻焊接有豎直分布的帶翅片支管 (1)，在液氦熱沉上匯總管O)的水平頂部位置連接有液氦熱沉出液總管G)，在液氦熱沉下匯總管(3)的水平底部位置通過金屬軟管(7)連接有液氦熱沉進液總管(5)；液氦熱沉出液總管(4)與液氦熱沉進液總管( 分別焊接有一個波紋管組件(18)；液氦熱沉上匯總管( 直徑大于液氦熱沉下匯總管C3)直徑，液氦熱沉下匯總管C3)直徑大于帶翅片支管 (1)直徑；所述的液氦熱沉下匯總管(3)，其兩端端部堵頭均距離其最近的帶翅片支管(1) 的中心加長200mm;所述的帶翅片支管(1)，其上離液氦熱沉下匯總管(3)最近的翅片間加有導熱帶⑶。
6.根據權利要求1所述的一種平板形液氮液氦雙介質兼容熱沉裝置，其特征在于，所述的液氮熱沉(20 包括帶翅片支管( )、液氮熱沉上匯總管(27)、液氮熱沉下匯總管 ( )、液氮熱沉出液總管09)和液氮熱沉進液總管(30)；帶翅片支管06)都采用直管，液氮熱沉上匯總管07)和液氮熱沉下匯總管08)均采用圓弧形彎管，在液氮熱沉上匯總管 (27)和液氮熱沉下匯總管08)之間均勻焊接有豎直分布的帶翅片支管( )，在液氮熱沉上匯總管(XT)的水平頂部位置通過接管(3 與金屬軟管(7)連接有液氮熱沉出液總管 (四)，在液氮熱沉下匯總管08)的水平底部位置通過接管(3 與金屬軟管(7)連接有液氮熱沉進液總管(30)；液氮熱沉出液總管09)和液氮熱沉進液總管(30)分別焊接有一個波紋管組件(18)；液氮熱沉上匯總管(XT)直徑大于液氮熱沉下匯總管08)直徑，液氮熱沉下匯總管08)直徑大于帶翅片支管06)直徑；所述液氮熱沉(20 周向焊接有圓筒形裙邊(32)，裙邊(3 直徑大于形液氦熱沉(201)直徑，空間上將液氦熱沉(201)包裹起來， 裙邊(3 上部均勻焊接在液氮熱沉O02)的帶翅片支管06)的翅片上，下部不焊接。
7.根據權利要求1或6所述的一種平板形液氮液氦雙介質兼容熱沉裝置，其特征在于， 所述的骨架(20 是由一個大圓環(huán)和近似十字形的橫豎梁連成一個圓盤形，骨架(205)上固定有防輻射屏(31)，液氮熱沉帶翅片支管06)與骨架Q05)的水平梁接觸的翅片04) 均用螺釘0 將水平梁與翅片04)固定，液氮熱沉帶翅片支管06)與骨架Q05)的環(huán)形梁接觸的翅片04)上開長孔，用螺釘0 連接環(huán)形梁與翅片(M)，但不擰緊；液氮熱沉上匯總管(XT)與液氮熱沉下匯總管08)與骨架(20 不連接；骨架Q05)的大圓環(huán)的上、 下、左、右均焊有支承板(33、34、35)，上支承板(3 通過螺栓(16)與焊在艙體封頭(800) 上的吊耳(36)連接，左、右支承板(3 通過螺栓(16)與焊在艙體封頭(800)上的左、右支板(37)連接，下支承板(34)通過螺栓(16)與焊在艙體封頭(800)上的下支板(38)相連， 連接處都設置有絕熱墊(15)。
8.根據權利要求5或6所述的一種平板形液氮液氦雙介質兼容熱沉裝置，其特征在于， 所述的液氦熱沉O01)的帶翅片支管(1)的間距小于液氮熱沉O02)的帶翅片支管06) 的間距，液氦熱沉O01)的帶翅片支管(1)的數量為液氮熱沉(202)的帶翅片支管06)的數量的兩倍。
9.根據權利要求5或6所述的一種平板形液氮液氦雙介質兼容熱沉裝置，其特征在于， 所述的液氦熱沉O01)的帶翅片支管(1)由316不銹鋼支管和T2紫銅翅片焊接而成，液氦熱沉上匯總管O)、下匯總管C3)采用316不銹鋼管，液氦熱沉進液總管(5)、出液總管(4) 焊接的波紋管組件(18)采用316不銹鋼材料；所述的液氮熱沉O02)的帶翅片支管06) 由304不銹鋼支管和T2紫銅翅片焊接而成，液氮熱沉上匯總管(XT)、下匯總管08)采用 304不銹鋼管，液氮熱沉進液總管(30)、出液總管09)焊接的波紋管組件(18)采用304不銹鋼材料；所述的防輻射屏(31)采用304不銹鋼板材料，拋光。
10.一種平板形液氮液氦雙介質兼容熱沉裝置的制冷方法，其特征在于，首先，啟動液氮供應系統(tǒng)(300)，為液氮熱沉(20 —直通液氮制冷；然后為液氦熱沉(201)先通液氮制冷，再通液氦制冷，具體是(1)打開液氦熱沉液氮供應閥(30 向液氦熱沉(201)通入液氮制冷介質，通過液氦熱沉表面電阻溫度傳感器(100)觀察液氦熱沉O01)主體溫度，當液氦熱沉(201)溫度達到 77K時，關閉液氦熱沉液氮供應閥(302)；(2)打開低溫排液閥(701)，將液氦熱沉O01)中的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，關閉低溫排液閥(701)；(3)啟動氣氮吹除系統(tǒng)G00)，打開氣氮吹除閥002)向液氦熱沉O01)通入氣氮，通過液氦熱沉表面電阻溫度傳感器(100)觀察液氦熱沉O01)主體溫度，待液氦熱沉(201) 主體溫度升至80K以上時，關閉氣氮吹除閥002)；(4)啟動氣氦吹除系統(tǒng)(500)，打開氣氦吹除閥(502)向液氦熱沉(201)通入氣氦，5 10分鐘后關閉氣氦吹除閥(502)；(5)啟動液氦供應系統(tǒng)(600)，打開液氦供應閥(60 ，向液氦熱沉(201)通入液氦制冷介質，通過液氦熱沉表面電阻溫度傳感器(100)觀察液氦熱沉(201)主體溫度，直至液氦熱沉(201)主體溫度達到4. 2K。
全文摘要
本發(fā)明為平板形液氮液氦雙介質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、氣氮吹除、氣氦吹除與液氦供應系統(tǒng)。熱沉主體包括液氮、液氦兩個熱沉和一個骨架，液氮、液氦兩個熱沉為平板圓形，液氦熱沉裝在液氮熱沉內側，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、氣氮吹除、氣氦吹除、液氦供應系統(tǒng)以及輔助排液管路都連接液氦熱沉進口，液氮供應系統(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G01M15/02GK102175457SQ20111003098
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權日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