专利名称：一种液氮液氦双介质兼容的圆锥形双层热沉装置及其制冷方法
技术领域：
本发明涉及一种用于空间环境模拟试验设备低温流程系统的部件，尤其涉及一种用于发动机羽流试验设备超低温流程系统的部件，具体是指一种用于带铰链的舱体封头处的液氮液氦双介质兼容的圆锥形双层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. I，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。但是不管采用何种介质，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。同时，为了提高发动机羽流试验的真空度，需在有效空间内增加热沉面积，热沉面积越大，抽速越大，舱内能达到的动态真空度越高。常用的用于舱体封头处的热沉为平板形热沉，如图1所示，平板形封头液氮热沉802与平板形封头液氦热沉803组成的平板形的热沉不能充分利舱体封头800处的容积，无法有效增加热沉面积。同时由于热沉形状的改变 (平板形变成圆锥形)，圆锥形热沉的具体结构设计和平板形热沉不同。
发明内容
本发明针对平板形热沉不能够充分利用舱体封头处的容积的不足，提出了一种液氮液氦双介质兼容的圆锥形双层热沉装置及其制冷方法，可充分利用舱体封头处的容积的不足，有效增加热沉面积，大大提高了发动机羽流试验的真空度。
—种液氮液氦双介质兼容的圆锥形双层热沉装置，包括热沉表面电阻温度传感器、热沉主体、液氮供应系统、气氮吹除系统、气氦吹除系统、液氦供应系统、辅助排液系统以及流体排放系统。热沉主体包括液氦热沉、液氮热沉、液氮热沉骨架以及液氦热沉骨架。液氦热沉和液氮热沉都采用圆锥式结构制造，液氮热沉的外侧安装有圆锥形的液氮热沉骨架，液氦热沉位于液氮热沉内侧，液氦热沉朝向液氮热沉一侧安装有圆锥形的液氦热沉骨架，液氦热沉和液氮热沉的进出液口均位于舱体封头的铰链侧，进液口位于铰链的下侧，出液口位于铰链的上侧。热沉表面电阻温度传感器均设在液氦热沉和液氮热沉的带翅片支管的表面上，液氮供应系统、气氮吹除系统、气氦吹除系统与液氦供应系统都通过管道与辅助排液系统以及液氦热沉的进口相连，液氮供应系统还与液氮热沉的进口相连。 流体排放系统通过管道与液氦热沉和液氮热沉的出口相连。所述的液氮热沉与舱体封头之间安装有防辐射屏，防辐射屏将液氦热沉和液氮热沉包裹在其中。所述的液氮热沉骨架与液氦热沉骨架均为锥状体，均由大环梁、小环梁、水平横梁及纵梁焊接而成，各梁均采用工字型梁焊接。所述的热沉主体通过波纹软管与管路连接液氮供应系统、气氮吹除系统、气氦吹除系统、液氦供应系统、辅助排液系统以及流体排放系统。所述的液氦热沉带翅片支管的间距小于液氮热沉带翅片支管的间距，液氮热沉带翅片支管数量约为液氦热沉带翅片支管数量的两倍。所述的下进液弯管和上出液弯管均采用不锈钢金属软管。上述圆锥形液氮液氦双介质兼容双层热沉装置的实验方法，具体是首先启动液氮供应系统，在整个工作过程中，一直打开液氮热沉液氮供应阀为液氮热沉通液氮制冷；然后、为液氦热沉先通液氮制冷，再通液氦制冷，具体是(一 )启动液氮供应系统，打开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时，关闭液氦热沉液氮供应阀，停止液氮供应；(二)打开低温排液阀，将液氦热沉中的液氮排出，通过观察，待辅助排液系统中无液氮流出时，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. I。整个制冷过程中，流体排放系统一直处于开启状态，液氮热沉排放阀及液氦热沉排放阀均打开。本发明与现有技术相比的有益效果是(1)同一热沉流道，液氦热沉可以兼容液氮和液氦两种介质的换热介质，解决了普通热沉只能采用一种换热介质的缺陷，避免了双流道(液氮和液氦各有流道)制造复杂，易造成超低温冷漏的缺点；
(2)采用圆锥形双热沉结构，即圆锥形两层热沉，增加了热沉面积，内侧为液氦热沉，外侧为液氮热沉，液氮热沉直径大于液氦热沉直径，利用液氮热沉作为液氦热沉的防辐射屏(冷屏)，降低了舱体封头对液氦热沉的热辐射，减少液氦消耗，降低试验成本；(3)采用的防辐射屏安装在舱体与液氮热沉之间，由圆筒形防辐射屏、圆锥形防辐射屏及平板形防辐射屏组成，将液氮热沉及液氦热沉包裹在其中，进一步降低舱体对液氮热沉及液氦热沉的热辐射；(4)配有液氮、液氦、气氮、气氦供应系统，保障了液氦热沉由液氮切换到液氦时， 流程正常工作；(5)液氦热沉和液氮热沉的所有进出液口均位于舱体封头铰链侧，从铰链下侧输入，从铰链上侧排出，方便管路布局、操作及维修，便于液氮、液氦及气氮、气氦的供应；(6)所有带肋片支管均采用弯管，互成夹角的下进液汇总管和上出液汇总管均采用直管，各支管圆周长度不同且沿上下汇总管轴向均勻分布，同时上出液汇总管直径大于下进液汇总管直径，下进液汇总管直径大于各支管直径保证了流动顺畅、温度均勻、减少气堵；(7)液氦热沉支管间距小于液氮热沉支管间距，液氮热沉支管数量约为液氦热沉支管数量的两倍，充分保证了液氦热沉温度的均勻性；(8)下进液弯管和上出液弯管均采用不锈钢金属软管，便于高低温下的管路长度补偿，避免焊缝撕裂造成低温冷漏；(9)热沉主体通过波纹软管与供应系统连接，便于舱体封头的开启和关闭及管路高低温下的长度补偿。
图1为平板形双层封头热沉装置的总体结构示意图；图2为本发明的圆锥形双层封头热沉装置的总体结构示意图；图3为图2中A-A剖面所示的圆锥形双层封头热沉的侧视结构示意图；图4为本发明的圆锥形液氮热沉的结构示意图；图5为图4中C-C所示的带翅片支管与骨架横梁连接的结构示意图；图6为本发明的液氮热沉的下进液汇总管与下进液弯管、带翅片支管连接的结构示意图；图7为图4中I处所示的液氮热沉骨架顶部与舱体封头连接的结构示意图；图8为图4中II处所示的圆筒形防辐射屏与带翅片支管的连接示意图；图9为图4中III处所示的液氮热沉骨架底部与舱体封头连接的结构示意图；图10为本发明的圆锥形液氦热沉的结构示意图；图11为图10中0-0处所示的带翅片支管与骨架横梁连接的结构示意图；图12为本发明的液氦热沉的下进液汇总管与下进液弯管、带翅片支管的结构示意图；图13为图10中I处所示的液氦热沉骨架顶部与舱体封头连接的结构示意图；图14为图10中II处所示的液氦热沉骨架底部与舱体封头连接的结构示意图；图15为本发明的液氮热沉骨架及液氦热沉骨架结构示意图16为本发明圆锥形双层热沉装置的制冷方法的步骤流程图。其中800-舱体封头；801-铰链；802-平板形封头液氮热沉；803-平板形封头液氦热沉；100-热沉表面电阻温度传感器；200-热沉主体；201-液氦热沉；202-液氮热沉； 203-低温安全阀；204-低温安全阀；300-液氮供应系统；302-液氦热沉液氮供应阀； 301-液氮贮槽；303-液氮热沉液氮供应阀；400-气氮吹除系统；402-气氮吹除阀；401-气氮瓶；500-气氦吹除系统；502-气氦吹除阀；501-气氦瓶；600-液氦供应系统；602-液氦供应阀；601-液氦贮槽；700-辅助排液系统；701-低温排液阀；900-流体排放系统； 901-液氮热沉排放阀；902-液氦热沉排放阀；1-液氮热沉下进液直管；2-液氮热沉下进液弯管；3-液氮热沉下进液汇总管；4-90度弯头；5-液氮热沉上出液汇总管；6-液氮热沉上出液弯管；7-液氮热沉上出液直管；8-液氮热沉带翅片支管；9-液氮热沉骨架；10-圆筒形防辐射屏；11-圆锥形防辐射屏；12-圆板形防辐射屏；13-支管；14-翅片；15-液氮热沉骨架水平横梁；16-液氮热沉骨架纵梁；17-螺钉；18-上吊板；19-绝热垫；20-螺栓；21-下支板；22-双头螺钉；23-螺母；24-波纹软管；25-液氮热沉骨架大环梁；26-液氮热沉骨架小环梁；51-液氦热沉下进液直管；52-液氦热沉下进液弯管；53-液氦热沉下进液汇总管； 54-液氦热沉上出液汇总管；55-液氦热沉上出液弯管；56-液氦热沉上出液直管；57-带翅片支管；58-液氦热沉骨架；59-液氦热沉骨架水平横梁；60-液氦热沉骨架纵梁；61-液氦热沉骨架大环梁；62-液氦热沉骨架小环梁。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明提供的液氮液氦双介质兼容的圆锥形双层热沉装置，如图2和图3所示， 包括热沉表面电阻温度传感器100、圆锥形热沉主体200、液氮供应系统300、气氮吹除系统 400、气氦吹除系统500、液氦供应系统600、辅助排液系统700以及流体排放系统900。液氮供应系统300由液氮贮槽301及液氦热沉液氮供应阀302、液氮热沉液氮供应阀303组成。液氮贮槽301通过管路连接液氦热沉液氮供应阀302与液氮热沉液氮供应阀 303，液氦热沉液氮供应阀302通过管路分别连接至辅助排液系统700与液氦热沉201的进液口。液氮热沉液氮供应阀303通过管路连接至液氮热沉202的进液口。在液氮热沉液氮供应阀303连接液氮热沉202进液口的管路上设置有低温安全阀204，用于防止本发明的热沉装置压力过高。液氮供应系统300提供液氮源，可同时或单独向液氦热沉201及液氮热沉202通液氮制冷介质。气氮吹除系统400由气氮瓶401及气氮吹除阀402组成，气氮瓶401通过管路连接气氮吹除阀402连接至辅助排液系统700与液氦热沉201的进液口。气氮吹除系统400 提供气氮源，用于吹除液氦热沉201中残留的液氮，使液氦热沉201中剩余液氮排出干净， 待辅助排液系统700排出大部分液氮后启动，这样可以减小气氮吹除时间及气氮用量，防止液氦热沉201温升过高。气氦吹除系统500由气氦瓶501及气氦吹除阀502组成，气氦瓶501通过管路连接气氦吹除阀502连接至辅助排液系统700与液氦热沉201的进液口。气氦吹除系统500 提供气氦源，用于吹除液氦热沉201中残留的气氮，使液氦热沉201中剩余气氮排除干净，待气氮吹除系统400充分吹除液氮后启动，可以减小气氦吹除时间及气氦用量，防止液氦热沉201温升过高。液氦供应系统600由液氦贮槽601及液氦供应阀602组成，液氦贮槽601通过管路连接液氦供应阀602连接至辅助排液系统700与液氦热沉201的进液口。液氦供应系统 600提供液氦源，专门用于单独向液氦热沉201通液氦制冷介质。辅助排液系统700由管路及低温排液阀701组成，辅助排液系统700位于液氦热沉201的进液总管入口处，位置低于进液总管，便于液氦热沉201中剩余液氮的排出，辅助排液系统700的管直径小于液氦热沉与液氮热沉进出液总管及带翅片支管的管直径。在液氮供应系统300、气氮吹除系统400、气氦吹除系统500、液氦供应系统600以及辅助排液系统700连接液氦热沉201进液口的管路上设置有低温安全阀203，用于防止本发明的热沉装置压力过高。流体排放系统900由管路和液氮热沉排放阀901、液氦热沉排放阀902组成，流体排放系统900位于热沉主体200的出口处，位置高于出液总管，流体排放系统900的管径等于液氦热沉与液氮热沉出液总管的管径。液氮热沉202通过波纹软管M及管路连接至液氮热沉排放阀901，液氦热沉201通过波纹软管M及管路连接至液氦热沉排放阀902。如图3所示，圆锥形热沉主体200采用双圆锥式结构制造热沉，锥角为130度，圆锥形热沉主体200包括圆锥形的液氦热沉201、圆锥形的液氮热沉202、液氮热沉骨架9及液氦热沉骨架58。所述的圆锥形液氮热沉202的外侧安装有圆锥形液氮热沉骨架9，圆锥形液氦热沉201的外侧安装有圆锥形液氦热沉骨架61。所述的液氦热沉202和液氮热沉 201的所有进出液口均位于舱体封头铰链801侧，从铰链801下侧输入，从铰链801上侧排出。液氮热沉骨架9及液氦热沉骨架58均为工字型梁。液氮热沉202的最大直径大于液氦热沉201的最大直径。液氮热沉202位于舱体封头800与液氦热沉201之间，降低舱体封头800对液氦热沉201的热辐射。舱体封头 800与液氮热沉202之间安装有防辐射屏，如图3所示，所述的防辐射屏包括圆筒形防辐射屏13、圆锥形防辐射屏14及平板形防辐射屏29，防辐射屏将液氮热沉202及液氦热沉201 包裹在其中，进一步降低舱体封头800对液氮热沉202及液氦热沉201的热辐射。本发明实施例中的防辐射屏厚度1. 5mm，平板形防辐射屏四直径为1000mm，大于液氮热沉202最小带翅片支管所在圆的直径。如图15所示，圆锥形液氮热沉骨架9及圆锥形液氦热沉骨架58均由大环梁25、 61、小环梁沈、62、水平梁15、59及纵梁16、60焊接而成；顶部各自通过螺栓20与舱体上吊板18连接，底部各自通过双头螺钉22与舱体下支板21连接，左右两端各自通过螺栓与舱体左右支板连接。如图4所示，液氮热沉202主要包括下进液直管1、下进液弯管2、下进液汇总管 3、上出液汇总管5、上出液弯管6、上出液直管7以及带翅片支管8。液氮热沉下进液直管 1通过一个90度弯头4与液氮热沉下进液弯管2相连接，液氮热沉下进液弯管2通过一个 90度弯头4与液氮热沉下进液汇总管3相连接。液氮热沉上出液汇总管5通过一个90度弯头4与液氮热沉上出液弯管6相连接，液氮热沉上出液弯管6通过一个90度弯头4与液氮热沉上出液直管7相连接。液氮热沉下进液直管1通过波纹软管M连接液氮供应系统 300、气氮吹除系统400、气氦吹除系统500、液氦供应系统600和辅助排液系统700。液热沉上出液直管7通过波纹软管M连接流体排放系统900。采用波纹软管M连接，便于舱体封头800的开启和关闭以及管路在高低温条件下的长度补偿。在液氮热沉下进液汇总管3与液氮热沉上出液汇总管5轴向上的相对应位置上各开一排径向孔，径向孔均勻排列在管上，在液氮热沉下进液汇总管3与液氮热沉上出液汇总管5对应位置的径向孔之间都焊接有左、右两个带翅片支管8，带翅片支管8均采用圆弧形弯管，左、右两个带翅片支管8 焊接后形成一个圆形。焊接在不同径向孔的带翅片支管8的圆周长度不同，带翅片支管8 与下进液汇总管3、上出液汇总管5连通。本发明实施例中液氮热沉带翅片支管8左右各有6根，最大支管8所在的圆的直径为4700mm，最小支管8所在的圆的直径为600mm，液氮热沉下进液汇总管3与液氮热沉上出液汇总管5均采用不弯曲直管，两直管互成130度钝角，液氮热沉上出液汇总管5的底部和液氮热沉下进液汇总管3的顶部均用堵头封住。因离堵头最近的带翅片支管8的圆周长度及流阻最小，如果没有局部气阻，大部分液体都会通过此处支管流过，会造成热沉表面温度不均，因此本发明实施例中堵头的中心距离最接近的带翅片支管8的中心留有约130mm的距离，产生的局部气阻可有效增加此处带翅片支管8的流阻，避免了液体(或汽液两相)流动短路。为保证流动顺畅，减少气堵，上出液汇总管5的管直径大于下进液汇总管3的管直径，下进液汇总管3的管直径大于带翅片支管 8的管直径。下进液直管1从铰链801的下侧伸出舱体封头800，上出液直管7从铰链801 的上侧伸出舱体封头800。本发明实施例中下进液直管1与上出液直管7的中心线之间成 88度锐角。液氮热沉下进液弯管2和液氮热沉上出液弯管6均采用不锈钢金属软管，可自由伸缩，便于高低温下的管路长度补偿，避免焊缝撕裂造成低温冷漏。液氮从下进液直管1的底部送入，通过90度弯头2、下进液弯管3、90度弯头4送至下进液汇总管5，然后液体(或汽液两相)沿6根带翅片支管12上升，汇总到上出液汇总管6，最后通过90度弯头7、上出液弯管8、90度弯头9送至上出液直管10。如图4所示，液氮热沉骨架9包括液氮热沉骨架水平横梁15、液氮热沉骨架纵梁 16、液氮热沉骨架大环梁25和液氮热沉骨架小环梁26。液氮热沉骨架水平横梁15分为左右两条，两条水平横梁15轴线夹角为130度，分别设置在位于圆锥形液氮热沉202左半部分和右半部分处于水平位置的轴线上。液氮热沉骨架纵梁16共有四条，在液氮热沉202水平位置的轴线以上以下各设置有两条，设置在液氮热沉202水平位置轴线以上的两条纵梁 16和设置在液氮热沉202水平位置的轴线以下的两条纵梁16上下位置对称，设置在液氮热沉202水平位置的轴线同一侧的两条纵梁16的位置又关于液氮热沉202位于竖直平面上的轴线左右对称，且设置在液氮热沉202水平位置的轴线同一侧的两条骨架纵梁16的轴线夹角为20度锐角。如图15所示，在液氮热沉骨架水平横梁15与液氮热沉骨架纵梁16所在的圆锥形的最大圆周处焊接有液氮热沉骨架大环梁25，在液氮热沉骨架水平横梁15与液氮热沉骨架纵梁16所在的圆锥形的最小圆周处焊接有液氮热沉骨架小环梁沈。液氮热沉骨架水平横梁15和液氮热沉骨架纵梁16都固定在所在的液氮热沉202的轴线位置的带翅片支管8上。带翅片支管8由支管13和翅片14组成。如图5所示，为翅片14通过螺钉 17与液氮热沉骨架水平横梁15固定连接一起。横梁15与纵梁16同带翅片支管8连接的结构是相同的。如图6所示，下进液弯管2通过90度弯头4与下进液汇总管3焊接并连通，下进液汇总管3处于底部入口处的位置开有径向孔，径向孔焊接有左半圆弧带翅片支管8和右半圆弧带翅片支管8，带翅片支管8与下进液汇总管3连通。如图7所示，一端固定在舱体封头800上的上吊板18的另一端通过螺栓20与液氮热沉骨架9的顶部固定连接，连接处都垫有绝热垫19。螺栓20与螺栓孔之间都设置有垫圈密封。如图8所示，带翅片支管8的翅片14与圆筒形防辐射屏10通过焊接固定，本发明实施例为了用防辐射屏完全包裹液氦热沉201，与圆筒形防辐射屏10焊接处的翅片14的宽度最宽，为250mm，而其它处翅片14的宽度仅为205mm。如图9所示，一端与舱体封头800连接的下支板21的另一端通过双头螺钉22、螺母23与液氮热沉骨架9的底部固定连接，连接处都垫有绝热垫19。双头螺钉22与螺栓孔之间都设置有垫圈密封。如图10所示，液氦热沉201主要包括下进液直管51、下进液弯管52、下进液汇总管53、上出液汇总管M、上出液弯管55、上出液直管56以及带翅片支管57。液氦热沉201 各部件的连接结构与液氮热沉202中的各部件的连接结构相同。液氦热沉下进液直管51通过90度弯头4连接液氦热沉下进液弯管52，液氦热沉下进液弯管52通过90度弯头4连接液氦热沉下进液汇总管53。液氦热沉上出液汇总管M通过90度弯头4连接液氦热沉201 上出液弯管55，液氦热沉上出液弯管55通过90度弯头4连接液氦热沉上出液直管56。液氦热沉下进液直管51位于铰链801下侧，液氦热沉上出液直管56位于铰链801上侧，液氦热沉下进液直管51与液氦热沉上出液直管56的中心线之间成88度锐角。液氦热沉下进液弯管52和液氦热沉上出液弯管55均采用不锈钢金属软管，可自由伸缩，用于长度补偿， 避免焊缝撕裂造成低温冷漏。液氦热沉上出液汇总管M和液氦热沉下进液汇总管53均采用不弯曲直管，二直管互成130度钝角，液氦热沉上出液汇总管M底端和液氦热沉下进液汇总管53顶端均用堵头封住。因离堵头最近的带翅片支管8的圆周长度及流阻最小，如果没有局部气阻，大部分液体都会通过此处支管流过，会造成热沉表面温度不均，因此本发明实施例中堵头的中心距离最接近的带翅片支管8的中心留有约130mm的距离，产生的局部气阻可有效增加此处带翅片支管8的流阻，避免了液体(或汽液两相)流动短路。液氦热沉下进液直管51通过波纹软管M连接液氮供应系统300、气氮吹除系统400、气氦吹除系统500、液氦供应系统600和辅助排液系统700。液氦热沉上出液直管56通过波纹软管M 连接流体排放系统900。采用波纹软管M连接，便于舱体封头800的开启和关闭以及管路在高低温条件下的长度补偿。在液氦热沉下进液汇总管53和液氦热沉上出液汇总管M轴向上的相对应位置上各开有一排径向孔，径向孔均勻排列在管上，在液氦热沉下进液汇总管53和液氦热沉上出液汇总管M对应位置的径向孔之间都焊接有左、右两个液氦热沉带翅片支管57，所有液氦热沉带翅片支管57均采用圆弧形弯管，左、右两个带翅片支管57焊接后形成一个圆形，不同径向孔焊接的带翅片支管57的圆周长度不同，带翅片支管57与液氦热沉下进液汇总管53、上出液汇总管M之间相互连通。本发明实施例中液氦热沉带翅片支管57左右各有11根，最大支管直径3700mm，最小支管直径150mm，带翅片支管支管57 沿液氦热沉下进液汇总管53和液氦热沉上出液汇总管M轴向间距200mm均勻分布。为保证流动顺畅，减少气堵，液氦热沉上出液汇总管M的管直径大于液氦热沉下进液汇总管53 的管直径，液氦热沉下进液汇总管53的管直径大于带翅片支管57的管直径。液氦热沉带翅片支管57的间距小于液氮热沉带翅片支管8的间距，液氦热沉带翅片支管57的数量约为液氮热沉带翅片支管8的数量的两倍，充分保证了液氦热沉温度的均勻性。如图10所示，液氦热沉骨架58包括液氦热沉骨架水平横梁59、液氦热沉骨架纵梁 60、液氦热沉骨架大环梁61和液氦热沉骨架小环梁62。液氦热沉骨架水平横梁59分为左右两条，两条水平横梁59轴线夹角为130度，分别设置在位于圆锥形液氦热沉201左半部分和右半部分处于水平位置的轴线上。液氦热沉骨架纵梁60共有四条，在液氦热沉201水平位置的轴线以上部分和以下部分各设置有两条，设置在液氦热沉201水平位置轴线以上的两条纵梁60和设置在液氦热沉201水平位置轴线以下的两条纵梁60上下位置对称，设置在液氦热沉201水平位置的轴线同一侧的两条纵梁60的位置又关于液氦热沉201位于竖直平面的轴线左右对称，且设置在液氦热沉201水平位置的轴线同一侧的两条骨架纵梁 60的轴线夹角为20度锐角。如图15所示，在液氦热沉骨架水平横梁59与液氦热沉骨架纵梁60所在的圆锥形的最大圆周处焊接有液氦热沉骨架大环梁61，在液氦热沉骨架水平横梁59与液氦热沉骨架纵梁60所在的圆锥形的最小圆周处焊接有液氦热沉骨架小环梁62。 液氦热沉骨架水平横梁59和液氦热沉骨架纵梁60都固定在所在的液氦热沉201的轴线位置的带翅片支管57上。液氦热沉带翅片支管57同图5中所示的液氮热沉带翅片支管8的结构，同样由翅片14和支管13组成。如图11所示，翅片14通过螺钉17与液氦热沉骨架水平横梁59固定连接。液氦热沉骨架纵梁60同样通过螺钉17与翅片14固定连接一起。如图12所示，液氦热沉下进液弯管52通过90度弯头4与液氦热沉下进液汇总管 53焊接并连通，液氦热沉下进液汇总管53处于底部入口处的位置开有径向孔，径向孔焊接有左半圆弧带翅片支管57和右半圆弧带翅片支管57，液氦热沉下进液汇总管53与带翅片支管57连通。如图13所示，上吊板18 —端与舱体封头800连接，另一端通过螺栓20与液氦热沉骨架58的顶部固定连接，连接处都垫有绝热垫19。螺栓20与螺栓孔之间都设置有垫圈密封。如图14所示，液氦热沉骨架58的下端通过下支板21固定在舱体封头800上，下支板21 —端与舱体封头800连接，另一端通过双头螺钉22、螺母23与液氮热沉骨架58底部固定连接，连接处都垫有绝热垫19。双头螺钉22与螺栓孔之间都设置有垫圈密封。所有绝热垫19的材料均采用聚四氟乙烯。如图2、图4和图10所示，热沉表面电阻温度传感器100均设在液氮热沉202的带翅片支管8的表面及液氦热沉201的带翅片支管57的表面上，用于检测热沉表面温度。其中液氮热沉202表面采用PtlOO电阻温度传感器，测温范围77K 300K ；液氦热沉201表面采用铑铁电阻温度传感器，测温范围1. 3K 300K。应用上述的装置进行制冷的方法流程，具体如图16所示首先，启动液氮供应系统300，打开液氮热沉液氮供应阀303，为圆锥形液氮热沉 202在整个制冷工作过程中，一直通液氮制冷。通液氮制冷的圆锥形液氮热沉202，当做圆锥形液氦热沉201的防辐射屏(冷屏)，尽量减少对圆锥形液氦热沉201的传导漏热及辐射热，以节约液氦用量，降低试验成本。然后，为进一步减小液氦用量，圆锥形液氦热沉201先通液氮制冷，然后通液氦制冷。液氦热沉201由液氮制冷向液氦制冷，具体制冷过程为
(1)打开液氦热沉液氮供应阀302，向液氦热沉201通入液氮制冷介质，通过液氦热沉表面电阻温度传感器100观察液氦热沉201主体温度，当液氦热沉201温度达到77K 左右时，关闭液氦热沉液氮供应阀302，停止液氮供应；(2)打开低温排液阀701，将液氦热沉201中的大量液氮通过辅助排液系统700排出，通过观察，待辅助排液系统700中无液氮流出时，关闭低温排液阀701 ；(3)启动气氮吹除系统400，打开气氮吹除阀402向液氦热沉201通入气氮，通过液氦热沉表面电阻温度传感器100观察液氦热沉201主体温度，待液氦热沉201主体温度升至80K以上时，说明液氦热沉201主体管路中液氮蒸发完全，已无液氮残留，此时关闭气氮吹除阀402 ；(4)启动气氦吹除系统500，打开气氦吹除阀502向液氦热沉201通入气氦，一般情况下，5 10分钟后液氦热沉201中的气氮即可被充分置换干净，待气氮被吹除干净后， 关闭气氦吹除阀502 ；(5)启动液氦供应系统600，打开液氦供应阀602，向液氦热沉201通入液氦制冷介质，通过液氦热沉表面电阻温度传感器100观察液氦热沉201主体温度，直至液氦热沉201 主体温度达到4. 2K。此后一直保持该温区不变，待满足给定的试验真空度和试验温度后，即可进行试验。整个制冷过程中流体排放系统900 —直处于开启状态，液氮热沉排放阀901及液氦热沉排放阀902均打开。
权利要求
1.一种液氮液氦双介质兼容的圆锥形双层热沉装置，包括热沉表面电阻温度传感器 (100)、热沉主体(200)、液氮供应系统(300)、气氮吹除系统(400)、气氦吹除系统(500)、液氦供应系统(600)、辅助排液系统(700)以及流体排放系统(900)，热沉主体(200)包括液氦热沉(201)和液氮热沉002)，热沉表面电阻温度传感器(100)均设在液氦热沉(201) 和液氮热沉O02)的带翅片支管的表面上，液氮供应系统(300)、气氮吹除系统000)、气氦吹除系统(500)与液氦供应系统(600)都通过管道与辅助排液系统(700)以及液氦热沉O01)的进口相连，液氮供应系统(300)还与液氮热沉O02)的进口相连；流体排放系统(900)通过管道与液氦热沉(201)和液氮热沉(20 的出口相连；其特征在于，所述的热沉主体(200)还包括液氮热沉骨架(9)及液氦热沉骨架(58)，液氦热沉(201)和液氮热沉 (202)都采用圆锥式结构制造，液氮热沉O02)的外侧安装有圆锥形的液氮热沉骨架(9)， 液氦热沉(201)位于液氮热沉(20 内侧，液氦热沉(201)朝向液氮热沉(20 —侧安装有圆锥形的液氦热沉骨架(58)，液氦热沉(201)和液氮热沉Q02)的进出液口均位于舱体封头(800)的铰链(801)侧，进液口位于铰链(801)的下侧，出液口位于铰链(801)的上侧， 所述的液氮热沉(20 与舱体封头(800)之间安装有防辐射屏，防辐射屏将液氦热沉(201) 和液氮热沉(20 包裹在其中。
2.根据权利要求1所述的一种液氮液氦双介质兼容的圆锥形双层热沉装置，其特征在于，所述的液氮热沉骨架(9)与液氦热沉骨架(58)的结构相同，均为锥状体，均由大环梁 (25，61)、小环梁( ，62)、水平横梁(15，59)及纵梁(16，60)焊接而成，各梁均为工字型梁； 水平横梁(15，59)分为左右两条，分别设置在位于液氮热沉(20 或液氦热沉(201)左半部分和右半部分处于水平位置的轴线上，纵梁(16，60)有四条，在液氮热沉(20 或液氦热沉(201)水平位置的轴线以上部分和以下部分各设置有两条，设置在水平位置轴线以上的两条纵梁(16，60)和设置在水平位置轴线以下的两条纵梁(16，60)上下位置对称，设置在水平位置轴线同一侧的两条纵梁(16，60)关于液氮热沉(20 或液氦热沉(201)位于竖直平面的轴线左右对称，且设置在水平位置轴线同一侧的两条纵梁(16，60)的轴线夹角为20度锐角，在水平横梁(15，59)与纵梁(16，60)所在的圆锥形的最大圆周处焊接有大环梁05，61)，在水平横梁(15，59)与纵梁(16，60)所在的圆锥形的最小圆周处焊接有小环梁06，62)，水平横梁(15，59)和纵梁(16，60)都固定在所在的液氮热沉(20 或液氦热沉O01)的轴线位置的带翅片支管上；所述的骨架的顶部都通过螺栓与舱体上的吊板连接，底部都通过双头螺栓与舱体下支板连接，左右两端各自通过螺栓与舱体左右支板连接。
3.根据权利要求1所述的一种液氮液氦双介质兼容的圆锥形双层热沉装置，其特征在于，所述的液氦热沉(201)包括下进液直管(51)、下进液弯管(52)、下进液汇总管(53)、上出液汇总管(M)、上出液弯管(55)、上出液直管(56)以及带翅片支管(57)；所述的下进液弯管(5 的两端分别通过90度弯头(4)连接下进液直管(51)的一端以及下进液汇总管 (53)的底端，所述的下进液直管(51)的另一端连接有波纹软管04)并从铰链(801)的下侧伸出舱体封头(800)；所述的上出液弯管(5 的两端分别通过90度弯头(4)连接上出液汇总管(54)的顶端以及上出液直管(56)的一端，所述的上出液直管(56)的另一端连接有波纹软管04)并从铰链(801)的上侧伸出舱体封头(800)；所述的下进液汇总管(53)与上出液汇总管(54)均采用不弯曲直管，两直管互成130度钝角，下进液汇总管(5 的顶端与上出液汇总管(54)的底端均用堵头封住，在下进液汇总管(5 与上出液汇总管(54)的轴向上的相对应位置上各开一排径向孔，径向孔均勻排列在管上，在下进液汇总管(53)与上出液汇总管(54)相对应位置的径向孔之间都焊接连通有左、右两个带翅片支管(57)，带翅片支管(57)均采用圆弧形弯管，左、右两个带翅片支管(57)焊接后形成一个圆形，所述的液氦热沉带翅片支管(57)的间距小于液氮热沉O02)的带翅片支管(8)的间距。
4.根据权利要求3所述的一种液氮液氦双介质兼容的圆锥形双层热沉装置，其特征在于，所述的液氦热沉带翅片支管(57)左、右各有11根，最大带翅片支管(57)所在的圆的直径为3700mm，最小带翅片支管(57)所在的圆的直径为150mm，带翅片支管(57)沿液氦热沉下进液汇总管(5 和液氦热沉上出液汇总管(54)轴向间距200mm均勻分布。
5.根据权利要求1所述的一种液氮液氦双介质兼容的圆锥形双层热沉装置，其特征在于，所述的液氮热沉(20 包括下进液直管(1)、下进液弯管( 、下进液汇总管C3)、上出液汇总管(5)、上出液弯管(6)、上出液直管(7)以及带翅片支管(8)；所述的下进液弯管(2) 的两端分别通过90度弯头(4)连接下进液直管(1)的一端与下进液汇总管C3)的底端，所述的下进液直管(1)的另一端连接有波纹软管04)并从铰链(801)的下侧伸出舱体封头 (800)；所述的上出液弯管(6)的两端分别通过90度弯头(4)连接上出液汇总管(5)的顶端与上出液直管(7)的一端，所述的上出液直管(7)的另一端连接有波纹软管04)并从铰链(801)的上侧伸出舱体封头(800)；所述的下进液汇总管C3)与上出液汇总管( 均采用不弯曲直管，两直管互成130度钝角，下进液汇总管C3)的顶端与上出液汇总管( 的底端均用堵头封住，在下进液汇总管(3)与上出液汇总管( 轴向上的相对应位置上各开一排径向孔，径向孔均勻排列在管上，在下进液汇总管C3)与上出液汇总管( 相对应位置的径向孔之间都焊接连通有左、右两个带翅片支管(8)，带翅片支管(8)均采用圆弧形弯管，左、 右两个带翅片支管(8)焊接后形成一个圆形。
6.根据权利要求5所述的一种液氮液氦双介质兼容的圆锥形双层热沉装置，其特征在于，所述的液氮热沉O02)的带翅片支管(8)左、右各有6根，最大带翅片支管(8)所在的圆的直径为4700mm，最小带翅片支管(8)所在的圆的直径为600mm。
7.根据权利要求3或5所述的一种液氮液氦双介质兼容的圆锥形双层热沉装置，其特征在于，所述的下进液弯管( 和上出液弯管(6)均采用不锈钢金属软管。
8.根据权利要求3或5所述的一种液氮液氦双介质兼容的圆锥形双层热沉装置，其特征在于，所述的堵头，其中心距离最接近的带翅片支管(8)的中心留有130mm的距离。
9.根据权利要求3或5所述的一种液氮液氦双介质兼容的圆锥形双层热沉装置，其特征在于，所述的上出液汇总管( 的管直径大于下进液汇总管C3)的管直径，下进液汇总管 (3)的管直径大于带翅片支管(8)的管直径。
10.应用上述权利要求1 9任一所述的圆锥形双层热沉装置的制冷方法，其特征在于，该制冷方法具体步骤为首先、启动液氮供应系统(300)，在整个工作过程中，一直打开液氮热沉液氮供应阀 (303)为液氮热沉(2)通液氮制冷；然后、为液氦热沉(201)先通液氮制冷，再通液氦制冷，具体是(一)启动液氮供应系统(300)，打开液氦热沉液氮供应阀(30 ，向液氦热沉(201)通入液氮制冷介质，通过液氦热沉表面电阻温度传感器(100)观察液氦热沉(201)主体温度， 当温度达到77K时，关闭液氦热沉液氮供应阀(302)，停止液氮供应；(二)打开低温排液阀(701)，将液氦热沉O01)中的液氮排出，通过观察，待辅助排液系统(700)中无液氮流出时，关闭低温排液阀(701)；(三)启动气氮吹除系统G00)，打开气氮吹除阀002)向液氦热沉O01)通入气氮， 通过液氦热沉表面电阻温度传感器(100)观察液氦热沉O01)主体温度，待温度升至80K 以上时，关闭气氮吹除阀G02)；(四)启动气氦吹除系统(500)，打开气氦吹除阀(502)向液氦热沉(201)通入气氦， 5 10分钟后关闭气氦吹除阀(502)；(五)启动液氦供应系统(600)，打开液氦供应阀(60 ，向液氦热沉(201)通入液氦制冷介质，通过液氦热沉表面电阻温度传感器(100)观察液氦热沉(201)主体温度，直至温度达到4. 2K ；整个制冷过程中，流体排放系统(900) —直处于开启状态，液氮热沉排放阀(901)及液氦热沉排放阀(902)均打开。
全文摘要
本发明提出一种液氮液氦双介质兼容的圆锥形双层热沉装置及其制冷方法。所述装置主要包括电阻温度传感器、热沉主体、流体排放系统以及液氮供应、气氮吹除、气氦吹除、液氦供应及辅助排液系统，热沉主体包括液氦、液氮两个热沉及各自的骨架。液氦、液氮热沉都采用圆锥式结构制造，液氦在内侧，热沉主体通过波纹软管与管路连接各供应及排放系统。该装置的制冷方法是在工作过程中，液氮热沉一直通液氮制冷，液氦热沉先通液氮制冷，然后通液氦制冷。本发明实现了液氮和液氦共用同一热沉流道，充分利用舱体封头处的容积的不足，有效增加热沉面积，大大提高了发动机羽流试验的真空度。
文档编号G01M15/02GK102323062SQ20111021165
公开日2012年1月18日 申请日期2011年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者凌桂龙, 张国舟, 张建华, 李晓娟, 王文龙, 蔡国飙, 黄本诚 申请人:北京航空航天大学