温控系统、环境模拟系统及可靠性测试设备的制作方法

本发明涉及环境模拟技术领域，尤其是涉及一种温控系统、环境模拟系统及可靠性测试设备。

背景技术：

航天技术领域内，为确保航天器在发射、入轨等工作阶段的安全可靠性，航天器在投入使用之前需对其进行可靠性测试，该可靠性测试由环境模拟系统完成。环境模拟系统是指能够在设定的高真空和温度条件下暴露卫星、空间站等航天器在材料、工艺和制造质量等方面存在的潜在缺陷，以测试卫星、空间站等航天器的部组件、分系统及整体结构的性能是否满足规定要求的系统。

环境模拟系统又称为热真空试验系统，该热真空试验系统主要包括真空容器、真空获取系统、真空测量系统、温控系统及电气系统等；其中，温控系统为真空容器内提供设定的温度指标，以在该设定温度指标下对航天器进行性能测试，该设定温度指标包括温度范围、温控精度和温度均匀度，例如，温度范围为±175℃最佳，温控精度的误差范围为±2℃最佳，温度均匀性的误差范围为±3℃最佳；真空容器内设置有热沉夹壁和用于放置被测试件的搁板，该搁板上设置有夹层，该热沉夹壁和夹层均用于容纳温控介质，并且，搁板表面的温度与真空容器内表面的温度可同步变化。

现有技术中，温控系统有两种。请参阅图1，其中一种采用液氮制冷结合红外加热笼加热的方式，该方式是向上述热沉1＇的夹壁或/和夹层中通入液氮，该液氮来自液氮储罐3＇，利用液氮吸热实现制冷，再利用红外加热笼2＇的热流实现加热，通过调节加热笼的加热功率，使用动态平衡法实现温度范围的控制。

然而，该方式采用直接将液氮通入真空容器内并使液氮气化吸热而进行制冷，液氮的气化过程由饱和液态、气液两相态、饱和气态至过热气态依次变化，气化过程中各个状态的比热容不同，吸热能力不同，由真空容器的入口至出口，温控介质的吸热能力逐渐降低，导致真空容器内的温度由入口至出口逐渐升高，一般地，出口温度比入口温度高30℃-50℃，亦即，整个真空容器内的温度均匀性和温控精度差，整个温控系统的调控能力差。

再者，该方式需要在真空容器内设置加热笼作为热源，容器内需增设用以装设加热笼的空间，容器体积间接增大，真空获得系统的功率需相应增大，所消耗电量增加，并且，不同被测试件对应的加热笼结构和尺寸不同，以此导致温控系统的成本高，进而导致整个环境模拟系统的成本高。

请参阅图2，另一种方式是利用制冷系统4＇和加热系统5＇分别对导热油进行制冷或加热以调整导热油的温度，将导热油直接通入热层1＇夹壁或/和夹层以实现对模拟环境的温度控制。

然而，该种方式采用液态导热油作为载冷剂，载冷剂在全流程内为液态，载冷剂可使用的最高温度受限于其沸点(Boiling Point，沸点)，载冷剂可使用的最低温度受限于其倾点(Pour Point,倾点)。目前，工业领域内尚未出现一种倾点低于-120℃且具有较高沸点的液态载冷剂，因此，采用液态载冷剂的温控系统无法满足极端温度的环境模拟试验要求，其可使用温度范围小，整个温控系统的调控能力差。

再者，利用液态导热油作为载冷剂，载冷剂在全流程内为液态，在极低的温度条件下，载冷剂由于其粘度较高，导致整个循环系统运行阻力过大而无法正常运行，导致温控系统的温控精度差，亦即，温控系统的调控能力差。

与此同时，液态载冷剂作为冷、热传递的介质，其本身就是测试系统的一个很大的负荷，为了克服此负荷的同时满足环境模拟试验技术指标的要求，需加大制冷系统的配置，导致该温控系统成本高，进而导致环境模拟系统的成本高。

综上，现有环境模拟系统中的温控系统存在调控能力差及成本高的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种温控系统，以解决现有技术中用于航天器性能测试的温控系统的调控能力差及成本高的技术问题。

为达到上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一种温控系统，包括液氮储罐及由真空容器、循环风机、氮气加热器和液氮蒸发器首尾依次连接形成的循环子系统；

当所述液氮蒸发器处于非工作状态时，所述氮气加热器处于工作状态且能够使来自于所述真空容器内的低温氮气转换为高温氮气并返回至所述真空容器内；

当所述氮气加热器处于非工作状态时，所述液氮蒸发器处于工作状态且能够使所述液氮储罐所提供的液氮转换为具有设定温度的氮气并输送至真空容器内，或，所述液氮蒸发器处于工作状态且能够利用所述液氮储罐所提供的液氮使来自于所述真空容器内的高温氮气转换为低温氮气并返回至所述真空容器内。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括PLC控制器，所述液氮储罐、所述循环风机、所述氮气加热器和液氮蒸发器分别与所述控制器连接。

作为上述技术方案的进一步改进，由所述液氮储罐至所述液氮蒸发器的连接线上依次设置有液氮低压保护开关、液氮电磁阀和液氮自动调节阀，所述液氮电磁阀和所述液氮自动调节阀分别与所述控制器连接。

作为上述技术方案的进一步改进，由所述液氮蒸发器至所述真空容器的连接线上依次设置有安全阀组和第一温度传感器，所述安全阀组靠近所述液氮蒸发器，所述第一温度传感器靠近所述真空容器的进口；

所述安全阀组包括相互并联的系统超压保护开关和系统安全阀。

作为上述技术方案的进一步改进，由所述真空容器至所述循环风机的连接线上依次设置有手动调节阀和第二温度传感器；

所述手动调节阀与所述第二温度传感器之间的连接线上设置有排气管，所述排气管上设置有排气自动调节阀。

作为上述技术方案的进一步改进，所述液氮蒸发器中设置有液氮喷淋器，所述液氮喷淋器为喇叭形，所述液氮喷淋器的小径端与所述液氮储罐连接，所述液氮喷淋器的大径端上设置有端盖，所述端盖上设置有多个喷射孔，每个所述喷射孔均朝向所述端盖的外周倾斜设定角度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述设定角度的范围为4°-10°。

作为上述技术方案的进一步改进，任意相邻的两个所述喷射孔之间的间距相等。

本发明提供的温控系统，其包括液氮储罐及由真空容器、循环风机、氮气加热器和液氮蒸发器首尾依次连接形成的循环子系统；当液氮蒸发器处于非工作状态时，氮气加热器处于工作状态且能够使来自于真空容器内的低温氮气转换为高温氮气并返回至真空容器内；当氮气加热器处于非工作状态时，液氮蒸发器处于工作状态且能够使液氮储罐所提供的液氮转换为氮气并输送至真空容器内，或，液氮蒸发器处于工作状态且能够利用液氮储罐所提供的液氮使来自于真空容器内的高温氮气转换为低温氮气并返回至真空容器内。具体地，启动该温控系统，工作初始，液氮储罐向液氮蒸发器提供液氮，液氮蒸发器将该液氮转换为具有设定温度的氮气并输送至真空容器内，使真空容器内充满氮气；当真空容器内的氮气需要升高温度时，该氮气经由真空容器的出口到达氮气加热器，氮气加热器对该部分氮气进行加热使之成为设定温度的高温氮气，由于氮气加热器处于工作状态时液氮蒸发器处于非工作状态，高温氮气经由真空容器的入口重新进入容器内；当真空容器内的氮气需要降低温度时，此时氮气加热器处于非工作状态，而液氮蒸发器处于工作状态，该氮气经由真空容器的出口到达液氮蒸发器，液氮蒸发器利用储罐所提供的液氮对来自真空容器的氮气进行降温使之成为设定温度的低温氮气。

本发明提供的温控系统采用液氮作为冷源并利用该液氮转变而来的氮气和循环系统原有的氮气作为载冷剂导入真空容器内，相比于现有技术中采用液氮制冷结合红外加热笼加热的方式，本发明采用纯氮气作为温控介质，即温控介质仅为一种气体物质，不存在其他物质，其温度范围很易控制，根据氮气本身的属性，真空容器中的温度范围可被精准地控制在±175℃之间，其温控精度高；并且，放热和吸热反应都可快速进行，使得真空容器内的温度在短时间内达到设定要求；与此同时，由于采用氮气作为载冷剂，在进入或流出真空容器的过程中，氮气不存在相变的问题，出口温度与入口温度之间的误差不超过±3℃，亦即，整个真空容器内的温度均匀性和温控精度高，使得整个温控系统的调控能力提高；再者，该温控系统中的氮气通过加热器被加热，高温氮气通入真空容器中，以实现环境模拟试验的高温试验需求，亦即，真空容器内不再需要设置红外加热笼作为温控系统的加热源，大幅降低温控系统的制作难度和运行成本。

相比于现有技术中采用液态导热油作为载冷剂的方式，本发明提供的温控系统以纯氮气作为载冷剂，利用氮气固有的粘度随着温度的降低而减小的特性，在极低的温度条件下，载冷剂在循环系统中的运行时所受到的运行阻力很小，从而避免了使用导热油作为载冷剂时，在极低温度条件下载冷剂循环系统运行阻力过大而无法正常运行的问题出现；与此同时，通过液氮直接作用在载冷剂中，提高了制冷效率，减小了换热损失，并且，液氮气化后即变成了载冷剂，不会改变原有载冷剂的成分，亦即，不会改变原有氮气的成分，在满足环境模拟试验温度要求的同时又保证了系统的稳定性。

综上所述，本发明提供的温控系统，其不仅调控能力高，而且制造成本低。

本发明的另一目的还在于提供一种环境模拟系统，该环境模拟系统包括如上所述的温控系统。

所述环境模拟系统相比于现有技术的有益效果，与上述温控系统相比于现有技术的有益效果相同，此处不再赘述。

本发明的另一目的还在于提供一种可靠性测试设备，该可靠性测试设备包括如上所述的温控系统。

所述可靠性测试设备相比于现有技术的有益效果，与上述温控系统相比于现有技术的有益效果相同，此处不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有相关技术的示意图一；

图2为现有相关技术的示意图二；

图3为本发明实施例提供的温控系统的示意图一；

图4为本发明实施例提供的温控系统的示意图二；

图5为本发明实施例提供的液氮喷淋器的示意图；

图6为图5的同轴剖视图；

图7为图6的同轴侧视图。

附图标记：

1-液氮储罐； 2-真空容器；

3-循环风机； 4-氮气加热器；

5-液氮蒸发器； 6-液氮低压保护开关；

7-液氮电磁阀； 8-液氮自动调节阀；

9-压力传感器； 10-系统超压保护开关；

11-系统安全阀； 12-第一温度传感器；

13-手动调节阀； 16-第二温度传感器；

17-排气管； 18-排气自动调节阀；

19-温控器； 20-液氮喷淋器；

21-喷射孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图3为本发明实施例提供的温控系统的示意图一，图4为本发明实施例提供的温控系统的示意图二。请参阅图3和图4，本发明实施例提供的温控系统，包括液氮储罐1及由真空容器2、循环风机3、氮气加热器4和液氮蒸发器5首尾依次连接形成的循环子系统；当所述液氮蒸发器5处于非工作状态时，所述氮气加热器4处于工作状态且能够使来自于所述真空容器2内的低温氮气转换为高温氮气并返回至所述真空容器2内；当所述氮气加热器4处于非工作状态时，所述液氮蒸发器5处于工作状态且能够使所述液氮储罐1所提供的液氮转换为具有设定温度的氮气并输送至真空容器2内，或，所述液氮蒸发器5处于工作状态且能够利用所述液氮储罐1所提供的液氮使来自于所述真空容器内的高温氮气转换为低温氮气并返回至所述真空容器2内。一般地，该温控系统刚进入工作状态时，液氮蒸发器能够使液氮储罐所提供的液氮转换为低温氮气，该氮气的具体温度可根据实际需要进行调整并获取。

本发明提供的温控系统，其包括液氮储罐及由真空容器、循环风机、氮气加热器和液氮蒸发器首尾依次连接形成的循环子系统；当液氮蒸发器处于非工作状态时，氮气加热器处于工作状态且能够使来自于真空容器内的低温氮气转换为高温氮气并返回至真空容器内；当氮气加热器处于非工作状态时，液氮蒸发器处于工作状态且能够使液氮储罐所提供的液氮转换为低温氮气并输送至真空容器内，或，液氮蒸发器处于工作状态且能够利用液氮储罐所提供的液氮使来自于真空容器内的高温氮气转换为低温氮气并返回至真空容器内。具体地，启动该温控系统，工作初始，液氮储罐向液氮蒸发器提供液氮，液氮蒸发器将该液氮转换为具有设定温度的氮气并输送至真空容器内，使真空容器内充满氮气；当真空容器内的氮气需要升高温度时，该氮气经由真空容器的出口到达氮气加热器，氮气加热器对该部分氮气进行加热使之成为设定温度的高温氮气，由于氮气加热器处于工作状态时液氮蒸发器处于非工作状态，高温氮气经由真空容器的入口重新进入容器内；当真空容器内的氮气需要降低温度时，此时氮气加热器处于非工作状态，而液氮蒸发器处于工作状态，该氮气经由真空容器的出口到达液氮蒸发器，液氮蒸发器利用储罐所提供的液氮对来自真空容器的氮气进行降温使之成为设定温度的低温氮气。

本发明提供的温控系统采用液氮作为冷源并利用该液氮转变而来的氮气和循环系统原有的氮气作为载冷剂导入真空容器内，相比于现有技术中采用液氮制冷结合红外加热笼加热的方式，本发明采用纯氮气作为温控介质，即温控介质仅为一种气体物质，不存在其他物质，其温度范围很易控制，根据氮气本身的属性，真空容器中的温度范围可被精准地控制在±175℃之间，其温控精度高；并且，放热和吸热反应都可快速进行，使得真空容器内的温度在短时间内达到设定要求；与此同时，由于采用氮气作为载冷剂，在进入或流出真空容器的过程中，氮气不存在相变的问题，出口温度与入口温度之间的误差不超过±3℃，亦即，整个真空容器内的温度均匀性和温控精度高，使得整个温控系统的调控能力提高；再者，该温控系统中的氮气通过加热器被加热，高温氮气通入真空容器中，以实现环境模拟试验的高温试验需求，亦即，真空容器内不再需要设置红外加热笼作为温控系统的加热源，大幅降低温控系统的制作难度和运行成本。

相比于现有技术中采用液态导热油作为载冷剂的方式，本发明提供的温控系统以纯氮气作为载冷剂，利用氮气固有的粘度随着温度的降低而减小的特性，在极低的温度条件下，载冷剂在循环系统中的运行时所受到的运行阻力很小，从而避免了使用导热油作为载冷剂时，在极低温度条件下载冷剂循环系统运行阻力过大而无法正常运行的问题出现；与此同时，通过液氮直接作用在载冷剂中，提高了制冷效率，减小了换热损失，并且，液氮气化后即变成了载冷剂，不会改变原有载冷剂的成分，亦即，不会改变原有氮气的成分，在满足环境模拟试验温度要求的同时又保证了系统的稳定性。

综上所述，本发明提供的温控系统，其不仅调控能力高，而且制造成本低。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括PLC控制器，所述液氮储罐1、所述循环风机3、所述氮气加热器4和液氮蒸发器5分别与所述控制器连接，以使所述温控器通过PLC控制器实现自动控制，提高该温控系统的使用便捷性。

作为上述技术方案的进一步改进，由所述液氮储罐1至所述液氮蒸发器5的连接线上依次设置有液氮低压保护开关6、液氮电磁阀7和液氮自动调节阀8，所述液氮电磁阀7和所述液氮自动调节阀8分别与所述控制器连接，以实现进一步精准控制的目的。

进一步地，由所述液氮蒸发器5至所述真空容器2的连接线上依次设置有安全阀组和第一温度传感器12，所述安全阀组靠近所述液氮蒸发器5，所述第一温度传感器12靠近所述真空容器2的进口，第一温度传感器12用于检测真空容器2的进口处的温度；所述安全阀组包括相互并联的系统超压保护开关10和系统安全阀11，以保证该温控系统的稳定性。

进一步地，由所述真空容器2至所述循环风机3的连接线上依次设置有手动调节阀13和第二温度传感器16，第二温度传感器16用于检测真空容器2的出口处的温度；所述手动调节阀13与所述第二温度传感器16之间的连接线上设置有排气管17，所述排气管上设置有排气自动调节阀18，因制冷用的液氮气化而增加的氮气可通过排气自动调节阀排放到大气中，其余的氮气作为载冷剂继续在系统中循环。

优选地，循环风机3与氮气加热器4之间的连接线上设置有压力传感器9，以随时感应系统的压力，氮气加热器4上设置有温控器，以其加热温度。

优选地，所述液氮蒸发器5中设置有液氮喷淋器20，所述液氮喷淋器20为喇叭形，所述液氮喷淋器20的小径端与所述液氮储罐1连接，所述液氮喷淋器20的大径端上设置有端盖，所述端盖上设置有多个喷射孔21，每个所述喷射孔21均朝向所述端盖的外周倾斜设定角度，与单喷孔喷嘴相比，增加了单位面积上的液氮喷液量；同时，每一个喷孔带有微小的角度，保证了需要的喷射覆盖面积。

优选地，所述设定角度的范围为4°-10°，与其他的液氮蒸发器相比，减小了喷射角度，从而大大削减了喷射的覆盖面积。

进一步地，为了保证每一个喷孔喷出的液柱均匀且不相互碰撞，避免影响液氮的气化效果，设置任意相邻的两个所述喷射孔之间的间距相等，亦即，采用蜂巢式布局，从而能够很好的保证液氮的气化效果。

本发明的另一目的还在于提供一种环境模拟系统，该环境模拟系统包括如上所述的温控系统。

所述环境模拟系统相比于现有技术的有益效果，与上述温控系统相比于现有技术的有益效果相同，此处不再赘述。

本发明的另一目的还在于提供一种可靠性测试设备，该可靠性测试设备包括如上所述的温控系统。

所述可靠性测试设备相比于现有技术的有益效果，与上述温控系统相比于现有技术的有益效果相同，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。