CN102175456A - 直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置及其制冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明为直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置及其制冷方法，热沉装置包括热沉主体、热沉表面电阻温度传感器、辅助排液管路以及液氮供应、气氮吹除、气氦吹除与液氦供应系统。热沉主体为双鱼骨式结构，具有一个骨架和液氮、液氦两个热沉，液氦热沉装在液氮热沉内侧，热沉表面电阻温度传感器均布在液氮、液氦热沉的表面；液氮供应、气氮吹除、气氦吹除、液氦供应系统以及辅助排液管路都连接液氦热沉进口，液氮供应系统还连接液氮热沉的进口。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。本发明的实现了液氮和液氦共用同一热沉流道，满足发动机羽流试验需求，降低试验成本。

Description

直筒形液氮液氦双介质兼容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：

(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，并保障了液氦热沉由液氮切换到液氦时，流程正常工作；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)解决了鱼骨式结构热沉只能采用一种换热介质的缺陷；

(3)采用双热沉结构，即双鱼骨式两层热沉，内侧为液氦热沉，外侧为液氮热沉，利用液氮热沉作为液氦热沉的防辐射屏(冷屏)，降低了舱体对液氦热沉的热辐射，减少液氦消耗，降低试验成本；

(4)两层热沉共用一个骨架，节约制热沉造成本及重量，液氦热沉只通过多层绝热材料聚四氟乙烯垫与液氮热沉连接，降低了骨架对液氦热沉的热辐射及传导漏热，减少液氦消耗，降低试验成本；

(5)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，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)液氮热沉上总管与骨架靠短U形螺栓连接，不拧紧，便于液氮热沉低温下的热胀冷缩，液氦热沉上总管与骨架靠长U形螺栓连接，不拧紧，便于液氦热沉低温下的热胀冷缩。

(7)液氦热沉与液氮热沉之间采用多层聚四氟乙烯垫绝热，降低了同等厚度下的传导漏热。

附图说明

图1为本发明的直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置的整体结构示意图；

图2为本发明的热沉主体的周向截面的结构示意图；

图3为图2中A-A剖面展开所示的热沉主体的结构示意图；

图4为本发明的滚轮组件的放大示意图；

图5为图2中C-C剖面所示的液氦热沉与液氮热沉之间绝热垫的示意图；

图6为图2中E-E剖面所示的液氦热沉与液氮热沉之间绝热垫的示意图；

图7为本发明的液氮热沉下总管进口波纹管组件的结构示意图；

图8为图3中K-K剖面中液氮热沉上出液汇总管与骨架连接的示意图；

图9为图3中L-L剖面中液氦热沉上出液汇总管与骨架连接的示意图；

图10为图3中O-O剖面所示的液氮热沉下进液汇总管与液氦热沉下进液汇总管连接的示意图；

图11为图3中P-P剖面所示的液氮热沉下进液汇总管、液氦热沉下进液汇总管与骨架连接的示意图；

图12为图3中Q-Q剖面所示的液氮热沉下进液汇总管与骨架连接的示意图；

图13为本发明热沉装置制冷方法的步骤流程图。

其中：1-骨架；2-液氮热沉；3-液氦热沉；4-液氮热沉下总管；5-液氮热沉下总管进口波纹管组件；6-液氦热沉下总管进口波纹管组件；7-液氦热沉下总管；8-液氦热沉上总管；9-液氦热沉上总管出口波纹管组件；10-液氮热沉上总管出口波纹管组件；11-液氮热沉上总管；12-滚轮组件；13-六角头螺栓；14-液氦热沉翅片；15-液氦热沉支管；16-液氮热沉翅片；17-液氮热沉支管；18-T形梁；19-绝热垫A；20-开槽沉头螺钉；21-绝热垫B；22-舱体法兰；23-与舱体连接的法拉；24-波纹管的出口法兰；25-低温排液阀；26-液氦热沉液氮供应阀；27-液氮贮槽；28-液氮热沉液氮供应阀；29-气氮吹除阀；30-气氮瓶；31-气氦吹除阀；32-气氦瓶；33-液氦供应阀；34-液氦贮槽；36-短U形螺栓A；38-长U形螺栓A；39-短U形螺栓B；40-绝热垫C；42-长U形螺栓B；43-绝热垫E；44-短U形螺栓C；45-六角螺栓；46、47-密封圈A、B；48-内六角螺钉；100-热沉主体；200-热沉表面电阻温度传感器；300-液氮供应系统；400-气氮吹除系统；500-气氦吹除系统；600-液氦供应系统；700-辅助排液管路；800-舱体；60-液氮热沉上出液汇总管；61-液氦热沉上出液汇总管；62-液氮热沉下进液汇总管；63-液氦热沉下进液汇总管；64-带翅片支管。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，如图1所示，包括热沉主体100、热沉表面电阻温度传感器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以及辅助排液管路700。

热沉主体100置于发动机舱体800内，如图2所示，采用双鱼骨式结构制造，包括骨架1、液氮热沉2和液氦热沉3，由于自身重力，液氦热沉3、液氮热沉2、骨架1及舱体800的中心线均不重合，液氮热沉2和液氦热沉3都为直筒形式。骨架1也为一直筒形，装在液氮热沉2的外侧，用于支撑液氮热沉2及液氦热沉3的重量。液氮热沉2内侧为液氦热沉3，液氦热沉3通过绝热材料与液氮热沉2连接，这样可以尽量减少对液氦热沉的传导漏热及辐射热，减小液氦消耗，节约试验成本，同时，液氮热沉2又是液氦热沉3的支撑。所述的绝热材料采用聚四氟乙烯，超低温绝热性能良好。其中，液氦热沉3通液氮、液氦双制冷介质，液氮热沉2作为防辐射屏也就是冷屏，只通液氮制冷介质。如图1所示，液氮热沉2与液氦热沉3的进出口均位于舱体同侧，进口在下，出口在上，方便管路布局及操作，便于液氮、液氦及气氮、气氦的供应。

热沉表面电阻温度传感器200，如图3所示，均布在热沉主体100的液氦热沉3与液氮热沉2的带翅片支管64的表面上。热沉表面电阻温度传感器200用于检测热沉表面温度，其中液氮热沉2表面采用Pt100电阻温度传感器，测温范围77K～300K；液氦热沉3表面采用铑铁电阻温度传感器，测温范围1.3K～300K。

如图1所示，液氮供应系统300、气氮吹除系统400、气氦吹除系统500以及液氦供应系统600都通过管道与辅助排液管路700一端以及热沉主体100的液氦热沉3的进口相连，辅助排液管路700的另一端通向大气。

液氮供应系统300包括液氮贮槽27、液氦热沉液氮供应阀26与液氮热沉液氮供应阀28，液氮贮槽27通过管道连接液氦热沉液氮供应阀26连接至热沉主体100的液氦热沉3与辅助排液管路700，液氮贮槽27通过管道连接液氮热沉液氮供应阀28连接至热沉主体100的液氮热沉2的进口。液氮供应系统300可同时或单独向液氦热沉3及液氮热沉2通液氮制冷介质。

气氮吹除系统400包括气氮瓶30与气氮吹除阀29，气氮瓶30通过管路连接气氮吹除阀29连接至辅助排液管路700以及液氦热沉3的进口。气氮吹除系统400用于吹除液氦热沉3中残留的液氮，使液氦热沉3中剩余液氮排出干净，在辅助排液管路700排出大部分液氮后启动，减小气氮吹除时间及气氮用量，防止液氦热沉3温升过高。

气氦吹除系统500包括气氦瓶32与气氦吹除阀31，气氦瓶32通过管路连接气氦吹除阀31连接至辅助排液管路700以及液氦热沉3的进口。气氦吹除系统500用于吹除液氦热沉3中残留的气氮，使液氦热沉3中剩余气氮排出干净，在气氮吹除系统400充分吹除液氮后启动，减小气氦吹除时间及气氦用量，防止液氦热沉3温升过高。

液氦供应系统600包括液氦贮槽34与液氦供应阀33，液氦贮槽34通过管路连接液氦供应阀33连接至辅助排液管路700以及液氦热沉3的进口。液氦供应系统600用于单独向液氦热沉3通液氦制冷介质。

辅助排液管路700位于液氦热沉3的液氦热沉下总管7入口处，位置低于液氦热沉下总管7，其上设置有低温排液阀25，便于液氦热沉3中剩余液氮的排出，辅助排液管路700的管直径小于液氮热沉2和液氦热沉3的上、下总管4、7、8、11及液氮热沉2和液氦热沉3的带翅片支管64的直径。

所述的骨架1由滚路组件12和T形梁18构成，骨架1内侧的T形梁18支撑液氮热沉2，如图2所示，滚轮组件12对称安装在骨架1中心线以下的两侧。如图4所示，滚轮组件12通过六角头螺栓13固定连接在骨架1的T型梁上。滚轮组件12主要方便热沉主体100在发动机舱体800内的滑动安装及调试。

如图5与图6所示，为液氦热沉3与液氮热沉2之间布置的绝热垫支撑结构示意图。在液氦热沉3与液氮热沉2的中心线以下，液氦热沉3与液氮热沉2之间均匀布置四条绝热垫A19，如图2所示，液氦热沉3仅靠这四条绝热垫A19支撑在液氮热沉2上。本发明中采用的绝热垫A19为聚四氟乙烯垫。从传热学角度上来讲，同等厚度下的多层结构比单层结构的传导漏热要小，因此将最底下两条聚四氟乙烯垫厚度上分为六层，如图5中F-F剖面所示，其余两条聚四氟乙烯垫厚度上分为九层，如图6中G-G剖面所示，实际应用中具体层数可根据液氦热沉3和液氮热沉2之间的间隙划分。如图5与图6所示，多层聚四氟乙烯垫通过开槽沉头螺钉20固定。

如图2与图3所示，液氮热沉2包括液氮热沉下总管4、液氮热沉下总管进口波纹管组件5、液氮热沉上总管11、液氮热沉上总管出口波纹管组件10、带翅片支管64、液氮热沉上出液汇总管60与液氮热沉下进液汇总管62。液氦热沉3包括液氦热沉下总管进口波纹管组件6、液氦热沉下总管7、液氦热沉上总管8、液氦热沉上总管出口波纹管组件9、带翅片支管64、液氦热沉上出液汇总管61与液氮热沉下进液汇总管63。

如图3所示，在液氮热沉2的液氮热沉上出液汇总管60与液氮热沉下进液汇总管62上两侧的对称位置上各开一排径向孔，径向孔轴向间距400mm，带翅片支管64两端焊接在对应的上下径向孔上，在液氦热沉上出液汇总管61与液氮热沉下进液汇总管63上两侧的对称位置上同样各开有一排径向孔，径向孔轴向间距200mm，对应的上下径向孔之间也焊接有带翅片支管64。带翅片支管64都是圆弧形弯管，对应的上下径向孔之间都焊接有左右两个带翅片支管64，左右这两个带翅片支管64围成一个圆形。

液氮热沉2的带翅片支管64由半圆状的液氮热沉翅片16与液氮热沉支管17组成，因考虑热胀冷缩的因素，液氮热沉翅片16沿液氮热沉支管17周向每隔300～500mm一段设置一片，采用焊接方式与液氮热沉支管17组合成一体。液氮热沉上出液汇总管60与液氮热沉下进液汇总管62均是一端封住，另一端分别焊接液氮热沉上总管11和液氮热沉下总管4的一端，液氮热沉上总管11和液氮热沉下总管4的另一端分别焊接液氮热沉上总管出口波纹管组件10和液氮热沉下总管进口波纹管组件5。

如图5与图6所示，液氦热沉3的带翅片支管64由半圆状的液氦热沉翅片14与液氦热沉支管15组成，因考虑热胀冷缩的因素，液氦热沉翅片14沿液氦热沉支管15周向每隔300～500mm一段设置一片，采用焊接方式与液氦热沉支管15组合成一体。液氦热沉上出液汇总管61与液氮热沉下进液汇总管63均是一端封住，另一端分别焊接液氦热沉上总管8和液氦热沉下总管7的一端，液氦热沉上总管8和液氦热沉下总管7的另一端分别焊接液氦热沉上总管出口波纹管组件9和液氮热沉下总管进口波纹管组件6。

液氮热沉2和液氦热沉3的所有进出口波纹管组件5、6、9、10均位于热沉主体100同侧，进口波纹管组件5、6在下，出口波纹管组件9、10在上，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。

液氦热沉3的液氦热沉上总管8和液氦热沉下总管7采用316不锈钢管材料，液氦热沉上总管出口波纹管组件9与液氦热沉下总管进口波纹管组件6采用316不锈钢材料，液氦热沉3的带翅片支管64由316不锈钢支管和T2紫铜翅片焊接而成。因为液氦热沉的工作温度为-269℃，必须选用含镍量更高的316不锈钢，含镍量高，奥氏体稳定性更好。液氮热沉2的液氮热沉下总管4与液氮热沉上总管11采用304不锈钢管材料，液氮热沉下总管进口波纹管组件5与液氮热沉上总管出口波纹管组件10采用304不锈钢材料，液氮热沉2的带翅片支管64由304不锈钢支管和T2紫铜翅片焊接而成。

液氮热沉下总管进口波纹管组件5、液氮热沉上总管出口波纹管组件10、液氦热沉下总管进口波纹管组件6与液氦热沉上总管出口波纹管组件9与其他部件的连接是一样的，以液氮热沉下总管进口波纹管组件5的结构来说明。如图7所示，液氮热沉下总管4与液氮热沉下总管进口波纹管组件5一端焊接，液氮热沉下总管进口波纹管组件5的另一端安装有波纹管的出口法兰24用于与液氮供应系统300的管路连接。液氮热沉下总管进口波纹管组件5通过法兰22、23固定连接在舱体800上。液氮热沉下总管进口波纹管组件5上与舱体连接的法拉23通过六角螺栓45与内六角螺钉48与舱体法兰22固定连接，在法兰22、23的连接处垫有密封圈A46与密封圈B47。同样，液氮热沉上总管11与液氮热沉上总管出口波纹管组件10一端焊接，液氮热沉上总管出口波纹管组件10通过法兰固定连接在舱体800上，液氮热沉上总管出口波纹管组件10的出口端安装有波纹管的出口法兰用于与直通大气的排放管路连接。液氦热沉上总管8与液氦热沉上总管出口波纹管组件9一端焊接，液氦热沉上总管出口波纹管组件9通过法兰固定连接在舱体800上，液氦热沉上总管出口波纹管组件9出口端安装有波纹管的出口法兰用于与直通大气的排放管路连接。液氦热沉下总管7一端与液氦热沉下总管出口波纹管组件6一端焊接，液氦热沉下总管出口波纹管组件6通过法兰固定连接在舱体800上，液氦热沉下总管出口波纹管组件6的出口端安装有波纹管的出口法兰用于与液氮供应系统300、气氮吹除系统400、气氦吹除系统500、液氦供应系统600以及辅助排液管路700的管路连接。

如图8所示，液氮热沉上出液汇总管60通过短U形螺栓A36连接骨架1的T形梁18，不拧紧，便于液氮热沉2低温下的热胀冷缩，短U形螺栓A36与骨架1的T形梁18上的螺栓孔之间垫有绝热垫B21。如图9所示，液氦热沉上出液汇总管61通过长U形螺栓A38与骨架1的T形梁18连接，不拧紧，便于液氦热沉低温下的热胀冷缩，长U形螺栓A38与骨架1的T形梁18上的螺栓孔之间垫有绝热垫B21。

如图10所示，液氮热沉下进液汇总管62与液氦热沉下进液汇总管63之间设置有绝热垫C40，液氦热沉下进液汇总管63通过短U形螺栓B39及开槽沉头螺钉20紧固液氮热沉下进液汇总管62以及绝热垫C40。

如图11所示，液氮热沉下进液汇总管62与液氦热沉下进液汇总管63与骨架1通过长U形螺栓B42紧固；在液氮热沉下进液汇总管62与骨架1之间设置有绝热垫D43。长U形螺栓B42与T形梁18上的螺栓孔之间垫有绝热垫B21。

如图12所示，液氮热沉下进液汇总管62与骨架1通过短U形螺栓C44紧固，在液氮热沉下进液汇总管62与骨架1之间设置有绝热垫D43。短U形螺栓C44与T形梁18上的螺栓孔之间垫有绝热垫B21。

所述的绝热垫B21、绝热垫C40以及绝热垫D43都为聚四氟乙烯垫，利于减小传导漏热。本发明的热沉装置中所有阀门，包括低温排液阀25、液氦热沉液氮供应阀26、液氮热沉液氮供应阀28、气氮吹除阀29、气氦吹除阀31以及液氦供应阀33，均可手动调节，用于控制流量大小。

使用上述热沉装置的方法，如图13所示，在工作过程中，在整个工作过程中，打开液氮热沉液氮供应阀28，一直为液氮热沉2通液氮制冷，给液氦热沉3先通液氮制冷，然后通液氦制冷。

液氦热沉3由液氮制冷向液氦制冷切换的工作过程具体为：

(1)启动液氮供应系统300，打开液氦热沉液氮供应阀26向液氦热沉3通入液氮制冷介质，通过液氦热沉表面电阻温度传感器200观察液氦热沉3主体温度，当液氦热沉3温度达到77K左右时，关闭液氦热沉液氮供应阀26，停止液氮供应；

(2)打开低温排液阀25，将液氦热沉3中的大量液氮通过辅助排液管路700排出，通过观察，待辅助排液管路700中无液氮流出时，关闭低温排液阀25；

(3)启动气氮吹除系统400，打开气氮吹除阀29向液氦热沉3通入气氮，通过液氦热沉表面电阻温度传感器200观察液氦热沉3主体温度，待液氦热沉3主体温度升至80K以上时，说明液氦热沉3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29；

(4)启动气氦吹除系统500，打开气氦吹除阀31向液氦热沉3通入气氦，一般情况下，5～10分钟后液氦热沉3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31；

(5)启动液氦供应系统600，打开液氦供应阀33，向液氦热沉3通入液氦制冷介质，通过液氦热沉表面电阻温度传感器200观察液氦热沉3主体温度，直至液氦热沉3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。

整个切换过程中，确保了通入液氦制冷介质时，液氦热沉3主体管路中只有氦气，没有氮气，通入液氦制冷介质不会产生任何故障。

Claims (10)

1.一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，该装置包括热沉主体(100)、热沉表面电阻温度传感器(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)以及辅助排液管路(700)；

所述的热沉主体(100)采用双鱼骨式结构制造，包括骨架(1)、液氮热沉(2)和液氦热沉(3)，骨架(1)装在液氮热沉(2)的外侧，用于支撑液氮热沉(2)和液氦热沉(3)的重量，液氦热沉(3)装在液氮热沉(2)的内侧，与液氮热沉(2)之间布置有绝热垫(19)，热沉表面电阻温度传感器(200)均布在热沉主体(100)的液氮热沉(2)和液氦热沉(3)的带翅片支管(64)表面上；所述的液氮供应系统(300)、气氮吹除系统(400)、气氦吹除系统(500)以及液氦供应系统(600)都通过管道与辅助排液管路(700)一端以及热沉主体(100)的液氦热沉(3)的进口相连，辅助排液管路(700)的另一端通向大气，液氮供应系统(300)还与热沉主体(100)的液氮热沉(2)的进口相连，所述的液氮热沉(2)和液氦热沉(3)，其进出口均位于热沉主体(100)同侧，进口在下，出口在上。

2.根据权利要求1所述的一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，所述的热沉表面电阻温度传感器(200)，布置在液氮热沉(2)表面的为Pt100电阻温度传感器，测温范围77K～300K，布置在液氦热沉(3)表面的为铑铁电阻温度传感器，测温范围1.3K～300K。

3.根据权利要求1所述的一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，所述的绝热垫(19)为聚四氟乙烯垫，有四条，均匀布置在液氮热沉(2)和液氦热沉(3)的中心线以下。

4.根据权利要求1所述的一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，所述的骨架(1)由滚路组件(12)和T形梁(18)构成，骨架(1)内侧的T形梁(18)支撑液氮热沉(2)，滚轮组件(12)通过六角头螺栓(13)对称固定安装在骨架(1)中心线以下两侧的T型梁(18)上。

5.根据权利要求1所述的一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，所述的液氮热沉(2)，其包括液氮热沉下总管(4)、液氮热沉下总管进口波纹管组件(5)、液氮热沉上总管(11)、液氮热沉上总管出口波纹管组件(10)、带翅片支管(64)、液氮热沉上出液汇总管(60)与液氮热沉下进液汇总管(62)；所述的液氮热沉上出液汇总管(60)与液氮热沉下进液汇总管(62)两侧相对应位置上各开一排径向孔，径向孔轴向间距400mm，对应的径向孔间焊接有带翅片支管(64)，液氮热沉上出液汇总管(60)与液氮热沉下进液汇总管(62)均是一端封住，另一端分别焊接液氮热沉上总管(11)和液氮热沉下总管(4)的一端，液氮热沉上总管(11)和液氮热沉下总管(4)的另一端分别焊接液氮热沉上总管出口波纹管组件(10)和液氮热沉下总管进口波纹管组件(5)，液氮热沉上总管出口波纹管组件(10)和液氮热沉下总管进口波纹管组件(5)通过法兰(22、23)固定连接在舱体(800)上；所述液氮热沉(2)的带翅片支管(64)为圆弧形弯管，由半圆状的液氮热沉翅片(16)与液氮热沉支管(17)组成，液氮热沉翅片(16)每沿液氮热沉支管(17)周向每隔300～500mm一段设置一片，采用焊接方式与液氮热沉支管(17)组合成一体。

6.根据权利要求1所述的一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，所述的液氦热沉(3)，其包括液氦热沉下总管进口波纹管组件(6)、液氦热沉下总管(7)、液氦热沉上总管(8)、液氦热沉上总管出口波纹管组件(9)、带翅片支管(64)、液氦热沉上出液汇总管(61)与液氮热沉下进液汇总管(63)；所述液氦热沉上出液汇总管(61)与液氮热沉下进液汇总管(63)两侧相对应位置上各开有一排径向孔，径向孔轴向间距200mm，对应的径向孔间焊接有带翅片支管(64)，液氦热沉上出液汇总管(61)与液氮热沉下进液汇总管(63)均是一端封住，另一端分别焊接液氦热沉上总管(8)和液氦热沉下总管(7)的一端，液氦热沉上总管(8)和液氦热沉下总管(7)的另一端分别焊接液氦热沉上总管出口波纹管组件(9)和液氦热沉下总管进口波纹管组件(6)，液氦热沉上总管出口波纹管组件(9)和液氦热沉下总管进口波纹管组件(6)通过法兰(22、23)固定连接在舱体(800)上；所述的液氦热沉(3)的带翅片支管(64)为圆弧形弯管，由半圆状的液氦热沉翅片(14)与液氦热沉支管(15)组成，液氦热沉翅片(14)每沿液氦热沉支管(15)周向每隔300～500mm一段设置一片，采用焊接方式与液氦热沉支管(15)组合成一体。

7.根据权利要求5或6所述的一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，所述的液氮热沉下总管(4)、液氮热沉下总管进口波纹管组件(5)、液氮热沉上总管(11)和液氮热沉上总管出口波纹管组件(10)采用304不锈钢管材料，所述的液氮热沉的带翅片支管(64)由304不锈钢支管和T2紫铜翅片焊接而成；所述的液氦热沉下总管进口波纹管组件(6)、液氦热沉下总管(7)、液氦热沉上总管(8)和液氦热沉上总管出口波纹管组件(9)采用316不锈钢管材料，液氦热沉(3)的带翅片支管(64)由316不锈钢支管和T2紫铜翅片焊接而成。

8.根据权利要求5或6所述的一种直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，所述的液氮热沉上出液汇总管(60)通过短U形螺栓(36)连接骨架(1)的T形梁(18)，不拧紧；所述的液氦热沉上出液汇总管(61)通过长U形螺栓(38)与骨架(1)的T形梁(18)连接，不拧紧；所述液氮热沉下进液汇总管(62)与液氦热沉下进液汇总管(63)之间通过短U形螺栓(39)及开槽沉头螺钉20紧固，液氮热沉下进液汇总管(62)与液氦热沉下进液汇总管(63)之间放置有绝热垫(40)；所述的液氮热沉下进液汇总管(62)、液氦热沉下进液汇总管(63)与骨架(1)通过长U形螺栓(42)紧固，液氮热沉下进液汇总管(62)与骨架(1)之间设置有绝热垫(43)；所述的液氮热沉下进液汇总管(62)与骨架(1)通过短U形螺栓(44)紧固；所述的短U形螺栓(36、39、44)、长U形螺栓(38、42)与T形梁(18)上的螺栓孔之间垫有绝热垫(21)，所述的绝热垫(21、40、43)都为聚四氟乙烯垫。

9.根据权利要求1所述的直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，所述的液氮供应系统(300)，其包括液氮贮槽(27)、液氦热沉液氮供应阀(26)与液氮热沉液氮供应阀(28)，液氮贮槽(27)通过管道连接液氦热沉液氮供应阀(26)连接至液氦热沉(3)的进口与辅助排液管路(700)，液氮贮槽(27)通过管道连接液氮热沉液氮供应阀(28)连接至的液氮热沉(2)的进口；液氮供应系统(300)同时或单独向液氮热沉(2)和液氦热沉(3)通液氮制冷介质；

所述的气氮吹除系统(400)包括气氮瓶(30)与气氮吹除阀(29)，气氮瓶(30)通过管路连接气氮吹除阀(29)连接至液氦热沉(3)的进口与辅助排液管路(700)；气氮吹除系统(400)在辅助排液管路(600)排出大部分液氮后启动，用于吹除液氦热沉(3)中残留的液氮，使液氦热沉(3)中剩余液氮排出干净；

所述的气氦吹除系统(500)包括气氦瓶(32)与气氦吹除阀(31)，气氦瓶(32)通过管路连接气氦吹除阀(31)连接至辅助排液管路(700)以及液氦热沉(3)的进口；气氦吹除系统(500)在气氮吹除系统(400)充分吹除液氮后启动，用于吹除液氦热沉(3)中残留的气氮，使液氦热沉(3)中剩余气氮排出干净；

所述的液氦供应系统(600)包括液氦贮槽(34)与液氦供应阀(33)，液氦贮槽(34)通过管路连接液氦供应阀(33)连接至辅助排液管路(700)以及液氦热沉(3)的进口；液氦供应系统(600)用于向液氦热沉(3)通液氦制冷介质；

所述的辅助排液管路(700)位于液氦热沉(3)的液氦热沉下总管(7)入口处，位置低于液氦热沉下总管(7)，其上设置有低温排液阀(25)，辅助排液管路(700)的管直径小于液氮热沉(2)和液氦热沉(3)的上下总管及液氦热沉与液氮热沉之间的带翅片支管(64)的直径。

10.应用权利要求1所述的直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置的制冷方法，其特征在于，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(28)为液氮热沉(2)通液氮制冷；其次为液氦热沉(3)先通液氮制冷，然后通液氦制冷，具体是：一、启动液氮供应系统(300)，打开液氦热沉液氮供应阀(26)，向液氦热沉(3)通入液氮制冷介质，通过液氦热沉表面电阻温度传感器(200)观察液氦热沉(3)主体温度，当温度达到77K时，关闭液氦热沉液氮供应阀(26)，停止液氮供应；二、打开低温排液阀(25)，将液氦热沉(3)中的液氮排出，通过观察，待辅助排液管路(700)中无液氮流出时，关闭低温排液阀(25)；三、启动气氮吹除系统(400)，打开气氮吹除阀(29)向液氦热沉(3)通入气氮，通过液氦热沉表面电阻温度传感器(200)观察液氦热沉(3)主体温度，待温度升至80K以上时，关闭气氮吹除阀(29)；四、启动气氦吹除系统(500)，打开气氦吹除阀(31)向液氦热沉(3)通入气氦，5～10分钟后关闭气氦吹除阀(31)；五、启动液氦供应系统(600)，打开液氦供应阀(33)，向液氦热沉(3)通入液氦制冷介质，通过液氦热沉表面电阻温度传感器(200)观察液氦热沉(3)主体温度，直至温度达到4.2K。

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