CN201348569Y - 应用混合工质制冷技术的航天器环境模拟试验设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种应用混合工质制冷技术的航天器环境模拟试验设备，所述模拟试验设备包括真空容器、热沉、混合工质制冷系统、真空抽气系统、测控系统，其特征在于，混合工质制冷系统由压缩机、油分离器、冷凝器、蒸发器、卸压电磁阀、回气手阀、除霜电磁阀、除霜手阀、制冷电磁阀、制冷手阀、四级毛细管和膨胀桶组成，制冷系统具有本地面板手动控制和远程遥控操作，并具有一个数字温度显示器、一个十档热电偶选择开关和多种报警系统。采用混合工质制冷机系统取代传统的液氮流程，节省试验经费，简化试验操作，为发展全自控、无人值守的环模设备奠定了基础，提高了我国的航天器部组件热真空试验能力。

Description

应用混合工质制冷技术的航天器环境模拟试验设备

技术领域

本实用新型涉及一种航天器热真空环境模拟试验设备，尤其涉及应用了混合工质制冷技术的航天器环境模拟试验设备。

背景技术

部组件热真空环境模拟试验设备主要用于航天器单机组件的低气压放电试验和热真空试验。通过试验来验证航天器单机组件经受热真空环境的能力，检验其设计的合理性，暴露组件的元器件和材料以及工艺的缺陷。制冷机系统是模拟试验设备中的主要部分之一，目前在制冷机系统中使用的工质通常是液氮，这种系统操作复杂，制造和运行成本高，不利于部组件热真空试验的开展。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种航天器环境模拟试验设备，其采用混合工质制冷机系统取代液氮流程，节省试验经费，简化试验操作，为发展全自控、无人值守的环模设备奠定了基础，提高了我国的部组件热真空试验能力。

本实用新型的可由以下技术方案完成：

一种应用混合工质制冷技术的航天器环境模拟试验设备，所述模拟试验设备包括真空容器、热沉、混合工质制冷系统、真空抽气系统、测控系统，混合工质制冷系统由压缩机、油分离器、冷凝器、蒸发器、卸压电磁阀、回气手阀、除霜电磁阀、除霜手阀、制冷电磁阀、制冷手阀、四级毛细管和膨胀桶组成，五种氟利昂组成的混合制冷剂依次通过压缩机、油分离器、冷凝器、四级毛细管、蒸发器、回气手阀后，重新进入压缩机开始新的制冷循环，四级毛细管和蒸发器之间串联设置有制冷电磁阀和制冷手阀，除霜电磁阀和除霜手阀串联，然后并联在四级毛细管和蒸发器的两端，膨胀桶和卸压电磁阀串联，然后并联在蒸发器和油分离器的两端，制冷系统具有本地面板手动控制和远程遥控操作，并具有一个数字温度显示器、一个十档热电偶选择开关和多种报警系统。

本实用新型的有益效果在于：

a.该设备首次采用混合工质制冷机系统，取代了液氮流程，是目前我国卫星部组件热真空试验设备中第一台采用混和工质制冷机使热沉达到-130℃的设备；

b.该设备采用集中控制系统，可以对多台同类设备进行集中监控，设备的自动化控制水平为目前国内热真空试验设备中的先进水平；

c.该设备采用先进的无油真空抽气设备，是目前我国用于卫星部组件试验的完全无油的热真空试验设备。

附图说明

图1为真空容器大门的转动机构示意图。

图2为图1的A-A剖面示意图。

图3为热沉布置示意图。

图4为图3的左视图。

图5为热沉盘管的管路间距图。

图6为混和工质制冷系统流程图。

图7为混和工质制冷机PFC-1100HC制冷量与温度关系图。

图8为红外笼在热沉内的布置图。

图9为应用混合工质制冷技术的航天器环境模拟试验设备正视图。

图10为应用混合工质制冷技术的航天器环境模拟试验设备侧视图。

图11为应用混合工质制冷技术的航天器环境模拟试验设备俯视图。

其中，1为大门、2为筒体、3为螺母、4为轴承内圈、5为轴承外圈、6为弹簧、7为手动调节螺母，8为热沉，9为屏蔽板，10为环梁，11为绝热垫，12为导轨，13为压缩机、14为油分离器、15为冷凝器、16为蒸发器、17为卸压电磁阀、18为回气手阀、19为除霜电磁阀、20为除霜手阀、21为制冷电磁阀、22为制冷手阀，23为柱面红外笼，24为方板，25为支撑平台小车，26为毛细管、27为膨胀桶、28为真空容器、30为制冷系统、31为红外笼、32为真空抽气系统、33为测控系统。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作详细说明。

参见图9-图11，采用混合工质制冷技术的部组件热真空环境模拟试验设备主要包括五个部分，即：真空容器28、热沉8、制冷系统30、真空抽气系统32和测控系统33。

真空容器28采用卧式结构，中段为圆柱形筒体，筒体一端为大门，另一端为标准碟形封头，碟形封头焊接在筒体上。如图1所示，大门转动机构通过螺母3锁紧，可分离的轴承内圈4、外圈5分开连接，通过配合满足了大门1与轴(轴承)一起转动；又通过设置在大门1与筒体2之间的弹簧6和手动调节螺母7实现大门1相对筒体2的轴向运动(开启大门时弹簧弹力也可使大门弹开，保护密封圈不会损坏)，实现密封良好。

在真空容器28的圆柱形筒体和碟形封头端布置热沉8，大门处布置屏蔽板9，如图3和图4所示。试件放置在热沉内部。热沉8是圆柱形筒体的卧式热沉，其接近真空容器大门的端面开放，接近碟形封头的端面封闭。圆柱形筒体选择薄壁板，以减小重量。一根铜材盘管水平地沿整个壁板内壁蛇形盘绕，并与接近碟形封头的端面上设置的水平蛇形盘绕的盘管相连。盘管和壁板之间用银纤焊连接。热沉壁板上在与真空容器配合的相应位置有开孔。热沉外侧有环梁10包围热沉壁板，环梁10上安有绝热垫11支撑在真空容器28的导轨12上，导轨12可以方便的将热沉送进真空容器28中。真空容器材料使用不锈钢，热沉采用铜管上焊接铜板结构，内表面涂黑漆，，半球表面发射率＞0.90。大门屏蔽板9为圆板，整个屏蔽面保持光洁。屏蔽板面向试件的方向涂黑漆，对着容器面布置有角铝作为加强筋。大门1的封头上安装有连接件，通过加强筋将屏蔽板吊在封头上。

为了使热沉温度均匀，须限定盘管的相邻两个管路中点T2点温度与该相邻两个管路T1点温度差，通过温度差来确定管路间距。本试验设备的设计管路间距取l＝135mm，参见图5，q为单位面积热负荷，b为热沉壁板厚度。

混合工质制冷系统30由压缩机13、油分离器14、冷凝器15、蒸发器16、卸压电磁阀17、回气手阀18、除霜电磁阀19、除霜手阀20、制冷电磁阀21、制冷手阀22、四级毛细管26和膨胀桶27组成，制冷剂由五种氟利昂混合而成，制冷系统流程如图6所示。制冷剂在压缩机13内绝热压缩后进入油分离器14，通过除油处理后的制冷剂进入冷凝器15中冷却放热，随后在四级毛细管26内绝热膨胀而降压、降温，低温低压的制冷剂进入蒸发器16吸热后，通过回气手阀18，最后进入压缩机13开始新的制冷循环。四级毛细管26和蒸发器16之间串联设置有制冷电磁阀21和制冷手阀22，用来控制制冷的启闭。除霜电磁阀19和除霜手阀20串联，然后并联在四级毛细管26和蒸发器16的两端，维持低温状态下四级毛细管26和蒸发器16的正常工作。膨胀桶27和卸压电磁阀17串联，然后并联在蒸发器16和油分离器14的两端。制冷系统提供热沉冷源，热沉低温温度≤-130℃，最高压力低于1.6MPa，热沉最大热负荷2kW。

混合工质制冷系统选用的制冷机，其制冷量曲线如图7所示，其可以满足-130℃时制冷量为430W的要求。热沉在高温工况时热负荷最大，为2000W。制冷机可以实现本地面板手动控制和远程遥控操作。制冷机具有一个数字温度显示器和一个十档热电偶选择开关。调节选择开关可以在远程监测系统温度的变化，温度监测包括压缩机温度、冷凝器温度、热沉入口温度、热沉出口温度、制冷剂输出温度、制冷剂返回温度、制冷机内温度等。制冷机具有压缩机压力过低、压缩机压力过高、压缩机温度过高、没有冷却水或水流量降低、倒流或冷凝器内积水过多等报警。

系统的漏气量主要由真空容器的极限真空和工作压力来确定，一般选取低于工作状态下气体负荷的十分之一。根据技术要求的真空容器空载极限真空度和有效抽速的计算结果，决定配备一台抽速10000L/s的低温泵作为主抽泵、抽速为70L/s的干泵进行粗抽。外接低温泵通过双向密封插板阀及短管筒与容器相连。在热沉为-130℃的情况下，5小时内系统的极限压力优于2.7×10^-5Pa。选用ZJ-52T型电阻规和ZJ-27型热阴极电离规作为测量容器真空度使用。在粗抽管道上选用ZJ-52T型电阻规对管道内的真空度进行监测。另外选用相应的真空计ZDF-X-LED可对设备上装有的三个规管同时进行测量。真空计均配有RS232接口与计算机连接，实现数据存储、打印等功能。

试件加热装置为红外加热笼。红外笼31布置于热沉8内部，以面对真空容器28大门1的方向为前，将红外笼31分为三面：前面红外笼、柱面红外笼23、后端面铝板，铝板面向试件一面涂黑漆。前面红外笼为活动片，螺栓连接，可打开。采用6mm宽的加热带，柱面红外笼23分为四路加热、前面红外笼为一路加热。红外笼的底部焊有方板24，上开圆孔，可用螺栓与支撑平台小车25固定，试件置于支撑平台小车之上。红外笼在热沉内的布置图如图8所示。

热沉温度低于-130℃，试验件温度控制范围为-80℃～+100℃，测量精度±0.5℃，温度控制精度为±1℃。

试件安装完毕后，关闭容器大门，确认容器为封闭状态，开启干泵，开启低温泵，低温泵预冷开始后关闭干泵。预冷需要三小时，预冷结束后，开启粗抽口阀门，开启干泵对容器进行粗抽，粗抽达到5Pa以下，关闭粗抽口阀门，开启低温泵口阀门进行高真空抽气，真空度达到10^-3Pa量级后，开启制冷机，测试试验过程中的真空度。

开启制冷机后，试件开始降温，降到-80℃，PID开始自整定，整定完成后，试件保持-80℃一小时，然后开始用加热笼对试件加热，升温速率＞0.5℃/min，试件升温到+95℃停留一小时，实现一个循环以后，试验结束。

试验完成后，关闭低温泵口阀门，关闭制冷机，可对热沉加热进行回温，开启干泵，低温泵执行关闭程序。低温泵关闭程序完成后，关闭干泵，关闭压缩空气，关闭冷却循环水，关闭电源。

在设备试验之前，设备进行了空载真空试验，设备粗抽到1.3Pa的时间小于20分钟，空载真空度为4.6×10^-5Pa，达到指标要求。在有载情况下，设备的极限真空达到2.9×10^-5Pa。设备压力均未超过1.3×10^-3Pa，设备真空度最差达到8.8×10^-4Pa。

现场控制柜和远程计算机组成两级控制系统，实现设备的运行以及整个试验过程的自动检测和控制，同时可以切换到全手动控制。

尽管上文对本实用新型的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本实用新型的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种应用混合工质制冷技术的航天器环境模拟试验设备，所述模拟试验设备包括真空容器(28)、热沉(8)、混合工质制冷系统(30)、真空抽气系统(32)、测控系统(33)，其特征在于，混合工质制冷系统(30)由压缩机(13)、油分离器(14)、冷凝器(15)、蒸发器(16)、卸压电磁阀(17)、回气手阀(18)、除霜电磁阀(19)、除霜手阀(20)、制冷电磁阀(21)、制冷手阀(22)、四级毛细管(26)和膨胀桶(27)组成，五种氟利昂组成的混合制冷剂依次通过压缩机(13)、油分离器(14)、冷凝器(15)、四级毛细管(26)、蒸发器(16)、回气手阀(18)后，重新进入压缩机(13)开始新的制冷循环，四级毛细管(26)和蒸发器(16)之间串联设置有制冷电磁阀(21)和制冷手阀(22)，除霜电磁阀(19)和除霜手阀(20)串联，然后并联在四级毛细管(26)和蒸发器(16)的两端，膨胀桶(27)和卸压电磁阀(17)串联，然后并联在蒸发器(16)和油分离器(14)的两端，制冷系统(30)具有本地面板手动控制和远程遥控操作，并具有一个数字温度显示器、一个十档热电偶选择开关和多种报警系统。

2、如权利要求1所述的模拟试验设备，其特征在于，真空容器采用卧式结构，中段为圆柱形的筒体(2)，筒体一端为大门(1)，另一端为碟形封头，碟形封头焊接在筒体(2)上。

3、如权利要求2所述的模拟试验设备，其特征在于，真空容器大门(1)的转动机构通过螺母(3)锁紧，可分离的轴承内圈(4)、外圈(5)分开连接，实现大门的转动，设置在大门(1)与筒体(2)之间的弹簧(6)和手动调节螺母(7)可以实现大门(1)相对筒体(2)的轴向运动。

4、如权利要求1所述的模拟试验设备，其特征在于，在真空容器的圆柱形筒体(2)和碟形封头端布置热沉(8)，大门处布置屏蔽板(9)，热沉(8)是圆柱形筒体的卧式热沉，其接近真空容器大门(1)的端面开放，接近碟形封头的端面封闭。

5、如权利要求4所述的模拟试验设备，其特征在于，一根盘管水平地沿整个热沉(8)的圆柱形筒体壁板内壁蛇形盘绕，并与接近碟形封头的端面上设置的水平蛇形盘绕的盘管相连，盘管和壁板之间用银纤焊连接，壁板上在与真空容器配合的相应位置有开孔，热沉(8)外侧有环梁(10)包围热沉壁板，环梁(10)上安有绝热垫(11)支撑在真空容器的导轨(12)上，热沉(8)内表面涂黑漆。

6、如权利要求5所述的模拟试验设备，其特征在于，热沉(8)盘管形成的相邻两个管路的间距为135mm。

7、如权利要求4所述的模拟试验设备，其特征在于，屏蔽板(9)为圆板，面向试件的方向涂黑漆，对着容器面布置有角铝作为加强筋，真空容器大门(1)的封头上安装有连接件，通过加强筋将屏蔽板(9)吊在封头上。

8、如权利要求1所述的模拟试验设备，其特征在于，真空容器选用低温泵为主泵，选取干泵作为系统的粗抽泵，真空容器的真空计均与计算机连接。

9、如权利要求1所述的模拟试验设备，其特征在于，热沉(8)内部布置有红外笼(31)，红外笼(31)分为三面：前面红外笼、柱面红外笼(23)、后端面铝板，铝板面向试件一面涂黑漆，前面红外笼为活动片，螺栓连接，可打开，红外笼的底部焊有方板(24)，上开圆孔，可用螺栓与支撑平台小车(25)固定。

10、如权利要求8所述的模拟试验设备，其特征在于，采用6mm宽的加热带，柱面红外笼(23)分为四路加热，前面红外笼为一路加热。

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