[发明专利]直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置及其制冷方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于空间环境模拟试验设备及发动机羽流试验设备的低温流程系统的部件，尤其涉及一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置及其制冷方法。

背景技术

空间环境模拟试验设备及发动机羽流试验设备都是模拟空间真空和低温环境的设备，热沉是该类设备的主要部件，通过辐射热交换，为设备试验空间提供所需的环境温度和真空度，为达到这一目的，必须对热沉进行温度控制，控制热沉温度是通过传热介质在热沉通道中强迫流动，与热沉换热来实现。

根据热沉要求的温度区间不同，目前的各种热沉常采用以下换热介质：液氮、酒精、氟利昂等，极少采用液氦，主要是由于液氦昂贵及用于液氦温区的超低温热沉技术复杂，因此目前国内还没有专门采用液氦作为换热介质的热沉系统。液体火箭发动机真空羽流效应试验时，常采用氮气作为试验工质，由于同种介质不能凝固吸附同种介质，这就必须采用比液氮温度更低的制冷介质来吸附羽流试验工质氮气，常压下液氦的液化温度达到4.2K，利用其作为换热介质，可使热沉表面平均温度达到液氦温区，此温区能够充分凝固吸附羽流试验工质氮气，满足试验要求。因此为了满足发动机羽流试验需求，就必须采用液氦作为制冷介质的热沉系统。

液氮、酒精、氟利昂这几种常见的制冷介质中，温度最低的是液氮，可使热沉达到77K，为节约昂贵的液氦用量，考虑采用液氮和液氦组合制冷介质，即先利用液氮将热沉预冷至液氮温区(77K)，然后利用液氦接着将热沉预冷至4.2K。但不管采用何种介质，目前的热沉均为单介质流道，热沉的流道只能循环一种传热介质，无法切换另外一种介质。主要原因是：各制冷介质的凝固点不同，以液氦、液氮两种制冷介质为例，当液氦通入循环过液氮的热沉流道时，流道中残存的液氮就会被冻成固体，堵塞甚至损坏热沉，故之前没有共用液氮、液氦两种制冷介质的超低温热沉流道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种新型的用于空间环境模拟试验设备及发动机羽流试验设备的热沉系统，可允许液氮和液氦共用同一热沉流道。所谓的共用不是液氮和液氦同时使用，而是当液氮制冷介质使用完毕，利用辅助氮气吹除系统吹除热沉中残留的液氮，使热沉中液氮蒸发完全，然后利用辅助氦气吹除系统吹除热沉中残留的气氮，使热沉中残留的气氮被吹除干净，最后将液氦制冷介质通入。如此完成两种制冷介质的安全切换，通过两种制冷介质的安全切换达到节约液氦并使热沉温度从4.2K～300K之间可调，满足发动机羽流试验需求，降低试验成本。

本发明的直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置包括热沉主体、热沉表面电阻温度传感器、液氮供应系统、气氮吹除系统、气氦吹除系统、液氦供应系统以及辅助排液管路。

所述的热沉主体采用双鱼骨式结构制造，包括骨架、液氮热沉和液氦热沉，骨架装在液氮热沉的外侧，用于支撑液氮热沉和液氦热沉的重量，液氦热沉装在液氮热沉的内侧，与液氮热沉之间布置有绝热垫。所述绝热垫有四条，均匀布置在液氮热沉和液氦热沉的中心线以下。所述的热沉表面电阻温度传感器均布在热沉主体的液氮热沉和液氦热沉的带翅片支管表面上。所述的液氮供应系统、气氮吹除系统、气氦吹除系统以及液氦供应系统都通过管道与辅助排液管路一端以及液氦热沉的进口相连，辅助排液管路的另一端通向大气，液氮供应系统还与液氮热沉的进口相连。所述液氮热沉及液氦热沉的进出口均位于舱体同侧，进口在下，出口在上。

本发明的直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置的制冷方法，具体是：首先，启动液氮供应系统，在整个工作过程中，一直给液氮热沉通液氮制冷；其次，为液氦热沉先通液氮制冷，然后通液氦制冷，具体为：一、启动液氮供应系统，打开液氮供应系统的液氦热沉液氮供应阀，向液氦热沉通入液氮制冷介质，通过液氦热沉表面电阻温度传感器观察液氦热沉主体温度，当温度达到77K左右时，关闭液氦热沉液氮供应阀，停止液氮供应；二、打开辅助排液管路上的低温排液阀，将液氦热沉中的液氮排出，通过观察，待辅助排液管路中无液氮流出时，关闭低温排液阀；三、启动气氮吹除系统，打开气氮吹除系统的气氮吹除阀向液氦热沉通入气氮，通过液氦热沉表面电阻温度传感器观察液氦热沉主体温度，待温度升至80K以上时，关闭气氮吹除阀；四、启动气氦吹除系统，打开气氦吹除系统的气氦吹除阀向液氦热沉通入气氦，5～10分钟后关闭气氦吹除阀；五、启动液氦供应系统，打开液氦供应系统的液氦供应阀，向液氦热沉通入液氦制冷介质，通过液氦热沉表面电阻温度传感器观察液氦热沉主体温度，直至温度达到4.2K。

本发明的优点与积极效果在于：