CN101453862B - 一种大功率微波负载能量耗散装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于航天器真空热试验的大功率微波负载能量耗散装置，包括制冷换热系统、水循环系统、参数测量系统、加热测温系统、压力预警系统和大功率微波负载。水循环系统内的管路连接处采用双密封接头的连接结构。制冷换热系统为水循环系统提供了在10～25℃内任意设定温度的冷源，水循环系统对负载进行冷却，参数测量系统用于监测水循环系统的状态，加热测温系统用于确保水循环系统管路在水不循环的情况下不结冰，压力预警系统用来判断水循环系统是否出现泄漏，双密封接头可以实现在真空冷黑环境下管路连接处的密封。本发明通过引入冗余设计思想、采用双密封结构、安装压力预警系统等有效手段，大大地提高了装置运行的可靠性与安全性。

Description

一种大功率微波负载能量耗散装置

技术领域

本发明涉及一种大功率微波负载能量耗散装置，特别涉及一种用于航天器真空热试验中的大功率微波负载能量耗散装置。

背景技术

随着我国航天事业的发展，对通讯卫星的需求也逐年增多，以SINOSAT-2卫星为代表的大功率通讯卫星将成为今后通讯卫星发展的一个方向。由于大功率转发器的存在，给卫星在地面进行真空热试验提出了一个难题。大功率转发器通过微波进行容器内外的通讯工作。而微波的能量如果不能及时进行耗散，将导致转发器温度过高，使转发器处于危险中。经过广泛调研，决定使用微波负载来进行能量耗散，即将转发器的功率通过波导管引入到微波负载内，通过外界的冷源将微波负载内的能量耗散出去。如果在大气环境下进行试验，可以采用风冷、水冷等多种方式进行冷却。但是由于卫星在试验过程中是在密闭的真空环境下进行的，因此冷却的方式受到了很大的限制，所选择的冷却方式必须在不能影响容器的密封的前提下保证冷却效率。在此之前的卫星、飞船的真空热试验过程中，还从来没有这方面的要求。

要想将微波负载内的能量耗散出去，涉及到如管路密封技术、制冷换热技术、泄漏检测技术等几项关键技术，尤其是真空冷黑环境中的管路密封技术。真空热试验过程中，卫星及其需要进行冷却的负载是安放在一个内部已经设定为冷黑环境的容器中的。此处的冷黑环境是指压力在1.3×10^-3Pa甚至更低、温度在100K以下的真空低温环境，该环境是卫星进行真空热试验的必须环境。在试验过程中必须保证容器内压力的稳定。因此要想将容器外的冷源引入到负载内，必须选择可靠的密封方式。现有技术中实现真空密封的方式比较多，如橡胶圈密封、金属密封等都可以实现真空密封，但这些密封都是在常温环境、一个大气压压差的情况下密封比较可靠。而在本装置的应用中，将冷却剂引入真空冷黑环境内并且循环起来，需要0.3～0.4MPa压力的，压差达到了3～4个大气压，普通真空密封很难达到密封的效果。如果密封处泄漏，将导致容器内的压力高于试验要求的压力值，进而导致试验失败。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于航天器真空热试验中的大功率微波负载能量耗散装置，并采用锥面加橡胶圈的双密封结构作为本装置的密封方式，达到真空冷黑环境下的密封要求。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种用于航天器真空热试验的大功率微波负载能量耗散装置，包括制冷换热系统、水循环系统、参数测量系统、加热测温系统、压力预警系统和大功率微波负载。水循环系统内的管路连接处采用双密封接头的连接结构。其中，制冷换热系统为水循环系统提供了在10～25℃内任意设定温度的冷源，水循环系统对大功率微波负载进行冷却，参数测量系统用于监测水循环系统的状态，加热测温系统用于确保水循环系统的管路在水不循环的情况下不结冰，压力预警系统用来判断水循环系统是否出现泄漏情况，所述双密封接头可以实现在真空冷黑环境下管路连接处的密封。

其中，双密封接头包括内锥、外锥、螺母和密封圈。内锥与外锥的锥体角度相同，内锥与外锥通过螺母拧紧，两个锥面之间紧密配合，形成第一道密封，外锥的外锥体表面开有数个密封槽，密封槽内的密封圈压紧到内锥的内锥体内表面上，形成第二道密封。

其中，锥体母线与轴线的夹角为15°～35°，密封槽的数量为1～2个。

其中，锥体母线与轴线的夹角为15°，密封槽的数量为1个。

其中，双密封接头可以通过焊接方式将内锥与外锥同水循环系统的管路相连接。

其中，水循环系统包括水箱、两个互为备份的主水泵、两个互为备份的辅水泵以及承载冷却水介质的管路。制冷换热系统、参数测量系统、水箱、两个主水泵、两个辅水泵和水循环系统的一部分管路位于容器壁外部的大气常温环境中，加热测温系统、压力预警系统以及水循环系统的一部分管路位于容器壁内部的真空冷黑环境中。容器外部分与容器内部分的管路通过容器壁上的法兰连接。容器外的水管路中安置有过滤网。

其中，制冷换热系统包括两个互为备份的冷水机以及板式换热器。大功率微波负载的进水口和回水口各布置有一个参数测量系统，参数测量系统包括压力传感器、流量传感器、温度传感器以及实现冷水机及主、辅水泵自动切换功能的PLC控制系统。加热测温系统包括缠绕在容器内水管路上的加热带及粘贴在对应水管路上的热电偶。加热测温系统可以设置在容器内需要采取加热的任意一段管路上。压力预警系统布置在容器内大功率负载的附近，包括真空规管及配套的真空计。水循环系统其中一个参数测量系统可以不设置流量传感器。

其中，根据大功率微波负载的数目，建立多个水循环子系统，每个水循环子系统包含有一个大功率负载、两个参数测量系统和加热测温系统，水循环子系统并联后同水箱串联，组成水循环系统。每个子系统其中一个参数测量系统可以不设置流量传感器。

本发明通过采用双密封结构、氟利昂制冷技术、板式换热器、压力预警系统，并引入冗余设计思想等有效手段，大大地提高了装置运行的可靠性与安全性，具有以下的有益效果：①容器内管路连接用的锥面加橡胶圈的双密封结构接头，能够应用到较宽的内外压差条件下的密封环境，其即可以密封高压，又可以密封低压；②氟利昂制冷技术不仅制冷功率能够做到很大，而且制冷机运行稳定，能够长时间连续运行；板式换热器换热效率高，能够迅速进行热交换，满足热试验的要求；③参照计算机控制系统的冗余设计思想，在本装置的设计中也采用冗余设计的思想，对一些关键部件，如制冷机、主水泵、辅水泵进行了冗余备份，以便在其出现问题时实现自动切换。此外，对于容器内管路的泄漏，利用真空规管测量容器内压力值进行监控。

附图说明

图1为本发明提供的大功率微波负载能量耗散装置示意图。

图2为制冷换热系统示意图。

图3为水循环系统示意图。

图4为参数测量系统示意图。

图5为加热测温系统示意图。

图6为压力预警系统示意图。

图7为冷水机组成原理图。

图8为双密封接头结构示意图。

图中：1-制冷换热系统、2-水循环系统、3-参数测量系统、4-加热测温系统、5-压力预警系统、6-1#冷水机、7-2#冷水机、8-板式换热器、10-水箱、11-法兰、12-大功率微波负载、13-1#主水泵、14-2#主水泵、15-1#辅水泵、16-2#辅水泵、17-过滤网、18-压力传感器、19-流量传感器、20-温度传感器、21-加热带、22-热电偶、23-双密封接头、24-真空规管、25-制冷机、26-冷水机水箱、27-冷水机水泵、28-内锥、29-外锥、30-螺母、31-密封圈。

具体实施方式

下面结合附图1-8对本发明专利作进一步的说明。

本装置按照试验过程中装置中的仪器设备所处的环境来划分，可以分为容器内部分及容器外部分。其中容器外部分在卫星及其负载进入容器前进行安装。而容器内部分则要等卫星吊入容器后根据卫星上负载的具体位置进行安装。

用于航天器真空热试验的大功率微波负载能量耗散装置，包括制冷换热系统1、水循环系统2、参数测量系统3、加热测温系统4、压力预警系统5、大功率微波负载12。其中，制冷换热系统1、参数测量系统3、包括水箱10、1#主水泵13、2#主水泵14、1#辅水泵15、2#辅水泵16和部分水管路的水循环系统2位于容器壁11外部的大气常温环境中，加热测温系统4、压力预警系统5以及包括其余部分水管路的水循环系统2位于容器壁11内部的真空冷黑环境中。

1#冷水机6、2#冷水机7通过管路与板式换热器8相连接，组成制冷换热系统1，且1#冷水机6和2#冷水机7互为备份。1#冷水机6与2#冷水机7结构相同，其组成如图7所示，包括制冷机25、冷水机水箱26及冷水机水泵27。其中制冷机25利用氟利昂作为制冷剂，其制冷产生的冷量直接冷却冷水机水箱26中的水到要求值。冷水机水箱26中被冷却的水由冷水机水泵27送入到板式换热器8中，在板式换热器8中与水循环系统2中的工质水进行热交换，将其冷却，为水循环系统2提供了在10～25℃范围内任意设定温度的冷源。

水箱10、1#主水泵13、2#主水泵14、1#辅水泵15、2#辅水泵16和承载冷却水介质的水管路联接，组成水循环系统2。该系统中的水管路有一部分分布在容器内，一部分分布在容器外，容器外的水管路中安置有过滤网17。1#主水泵13和2#主水泵14互为备份，1#辅水泵13和2#辅水泵14互为备份。主水泵的作用是将水箱10内的水通过管道送入大功率微波负载12内部进行热交换，经过热交换的水从大功率微波负载12中再流回水箱10，如此往复循环。辅水泵的作用是将水箱10中的水送入板式换热器8内。由于板式换热器8已经被制冷换热系统1冷却到了某一个温度值，因此来自水箱10内的水经过板式换热器8后，其温度逐渐降低。如此往复循环，水箱10内的水温度逐渐降低。

参数测量系统3由压力传感器18、流量传感器19、温度传感器20以及PLC控制系统(未示出)组成，其所测得的数值被送入计算机中，用于监测系统的状态。大功率微波负载12的进水口和回水口均布置有一个参数测量系统3，此时可以只保留其中一个参数测量系统的流量传感器。系统异常时，PLC控制系统可以实现制冷换热系统1中的冷水机及水循环系统2中的主、辅水泵的故障自动切换功能，使整个装置具有很高的可靠性。

加热测温系统4由加热带21及热电偶22组成。其中，加热带缠绕在容器内水管路上，用于应急加热，热电偶粘贴在对应管路上，用于测量管道的温度。该系统可以根据热电偶所测得的温度来决定是否对管路进行加热，以确保管路在水不循环的情况下不结冰。大功率微波负载12与进水口处参数测量系统3、大功率微波负载12与回水口处参数测量系统3之间均布置有加热测温系统4。

压力预警系统5布置在容器内大功率负载12的附近，由真空规管24及配套的真空计(在容器外，未示出)组成，真空规管24的读数送入计算机中。该系统可以通过测量大功率负载12与水管连接处的压力变化来判断是否出现泄漏情况，一旦读数异常，计算机发出报警信号。

容器内的管路采用双密封接头23连接，如图8所示。内锥28中部是类似于螺母的六面体结构，尾部是与水循环系统2管路相适应的管接头，头部是外径大于管路外径且小于六面体内切圆直径的螺纹管接头，螺纹管接头外部加工有与螺母29配合的外螺纹，内部是从对接面向尾部方向减缩的内锥体。外锥30的尾部是与水循环系统2管路相适应的管接头，头部是与内锥28中内锥体相适应的从对接面向尾部扩张的外锥体。内锥28的内锥体与外锥30的外锥体锥度相同，且两者锥面的光洁度相同。外锥30通过套在其上的螺母29与内锥28进行紧密配合，形成第一道密封。外锥体侧表面上可以开有1～2个密封槽，密封槽内安放密封圈31。当内锥28与外锥30紧密配合时，密封槽内的密封圈31被压缩，其外锥体外表面与内锥体内表面紧密接触，形成第二道密封。在本实施例中，外锥体侧表面上开有一个密封槽。

锥体母线与轴线夹角为15°～35°适宜。本实施例中，该夹角为15°。

双密封接头23可以通过焊接方式将内锥28与外锥29尾部的管接头同水循环系统2的管路相连接。

容器外部分与容器内部分的管路通过容器壁11上的法兰(未示出)连接。

根据大功率微波负载12的数目，可以将部分水循环系统2分成多个子系统，每个子系统包含有大功率负载12、参数测量系统3和加热测温系统4，子系统并联后同水箱10串联。

容器外部分设备的连接顺序如下：

1)先后连接两台制冷机6和7与板式换热器8之间的循环水管道，保证进、回水方向正确，连接可靠；

2)连接水循环系统到容器壁11法兰之间的管道。在连接管道的过程中安装管道上的各类传感器及相关阀门；

3)传感器接线并与计算机控制系统进行通讯，保证数据传输正确；

4)将容器外管路按照进、回水管路短接，然后让系统运行，检查各个连接处是否存在漏水等故障情况。检查完毕后停机；

5)将已经短接的进、回水管路拆开，按照正确的连接关系连接到容器壁的法兰上。

卫星调入容器内后，进行容器内管路的连接及压力预警系统、加热测温系统的安装。安装顺序如下：

6)按照对应关系连接负载12与容器壁11之间的管道；

7)对连接好的管路进行逐个双密封接头23的检漏，以保证连接的完好；

8)连接加热测温系统4并进行数据信号读取测试，确保连接的正确性；

9)连接压力预警系统5并进行数据信号读取测试，确保连接的正确性；

10)进行制冷机的温度设定，以保证对大功率微波负载的能量耗散要求。

11)启动系统，进行试验。

尽管上文对本发明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，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于航天器真空热试验中的大功率微波负载能量耗散装置，包括制冷换热系统(1)、水循环系统(2)、参数测量系统(3)、加热测温系统(4)、压力预警系统(5)和大功率微波负载(12)，水循环系统(2)内的管路连接处采用双密封接头(23)，制冷换热系统(1)为水循环系统(2)提供了在10～25℃内任意设定温度的冷源，水循环系统(2)对大功率微波负载(12)进行冷却，参数测量系统(3)用于监测水循环系统(2)的状态，加热测温系统(4)用于确保水循环系统(2)的管路在水不循环的情况下不结冰，压力预警系统(5)用来判断水循环系统(2)是否出现泄漏情况，其特征在于，所述双密封接头(23)包括内锥(28)、外锥(30)、螺母(29)和密封圈(31)，内锥(28)的内锥体与外锥(30)的外锥体锥体角度相同，内锥(28)与外锥(30)通过螺母(29)拧紧，两个锥面之间紧密配合，形成第一道密封，外锥(30)的外锥体表面开有数个密封槽，密封槽内的密封圈(31)压紧到内锥(28)的内锥体内表面上，形成第二道密封；所述双密封接头(23)实现在真空冷黑环境下管路连接处的密封。

2.如权利要求1所述的大功率微波负载能量耗散装置，其特征在于，双密封接头(23)可以通过焊接方式将内锥(28)与外锥(30)同水循环系统(2)的管路相连接。

3.如权利要求1所述的大功率微波负载能量耗散装置，其特征在于，锥体母线与轴线的夹角为15°～35°，密封槽的数量为1～2个。

4.如权利要求3所述的大功率微波负载能量耗散装置，其特征在于，锥体母线与轴线的夹角为15°，密封槽的数量为1个。

5.如权利要求1所述的大功率微波负载能量耗散装置，其特征在于，水循环系统(2)包括水箱(10)、两个互为备份的主水泵(13、14)、两个互为备份的辅水泵(15、16)以及承载冷却水介质的管路，制冷换热系统(1)、参数测量系统(3)、水箱(10)、两个主水泵(13、14)、两个辅水泵(15、16)以及水循环系统(2)的一部分管路位于容器壁(11)外部的大气常温环境中，加热测温系统(4)、压力预警系统(5)以及水循环系统(2)的一部分管路位于容器壁(11)内部的真空冷黑环境中，容器外部分与容器内部分的管路通过容器壁(11)上的法兰连接，容器外的水管路中安置有过滤网(17)。

6.如权利要求5所述的大功率微波负载能量耗散装置，其特征在于，制冷换热系统(1)包括两个互为备份的水冷机(6、7)以及板式换热器(8)，大功率微波负载(12)的进水口和回水口各布置有一个参数测量系统(3)，参数测量系统(3)包括压力传感器(18)、流量传感器(19)、温度传感器(20)以及实现制冷机及主、辅水泵自动切换功能的PLC控制系统，加热测温系统(4)包括缠绕在容器内水管路上的加热带(21)及粘贴在对应水管路上的热电偶(22)，加热测温系统(4)可以设置在容器内需要采取加热的任意一段管路上，压力预警系统(5)布置在容器内大功率负载(12)的附近，包括真空规管(24)及配套的真空计。

7.如权利要求6所述的大功率微波负载能量耗散装置，其特征在于，其中任意一个参数测量系统(3)可以不设置流量传感器(19)。

8.如权利要求6-7任意一项所述的大功率微波负载能量耗散装置，其特征在于，根据大功率微波负载(12)的数目，建立多个水循环子系统，每个水循环子系统包含有一个大功率负载(12)、两个参数测量系统(3)和加热测温系统(4)，水循环子系统并联后同水箱(10)串联，组成水循环系统(2)。

9.如权利要求8所述的大功率微波负载能量耗散装置，其特征在于，每个水循环子系统的其中任意一个参数测量系统(3)可以不设置流量传感器(19)。

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