CN102175457A - 平板形液氮液氦双介质兼容热沉装置及其制冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明为平板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。热沉主体包括液氮、液氦两个热沉和一个骨架，液氮、液氦两个热沉为平板圆形，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

平板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，具体是指一种平板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。

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。

一种平板形液氮液氦双介质兼容热沉装置，包括热沉表面电阻温度传感器、平板形热沉主体、液氮供应系统、气氮吹除系统、气氦吹除系统、液氦供应系统以及辅助排液管路；

所述的平板形热沉主体包括液氦热沉、液氮热沉及骨架，骨架焊在舱体封头上，所述的液氮热沉的外侧安装有骨架，内侧通过绝热材料与液氦热沉连接，所述的液氦热沉靠挂钩挂在舱体封头上，其下面靠下支板支撑，液氦热沉和液氮热沉为平板形，液氮热沉的平板直径大于液氦热沉的平板直径，液氦热沉和液氮热沉的所有进出液口位于同侧，水平进，水平出，进液口在下，出液口在上；热沉表面电阻温度传感器均设置在液氦热沉和液氮热沉的带翅片支管表面上，用于检测热沉主体温度；液氮供应系统提供液氮源，通过管路与液氦热沉和液氮热沉的进液口，以及辅助排液管路连接；气氮吹除系统提供气氮源，用于吹除液氦热沉中残留的液氮，通过管路与液氦热沉进液口以及辅助排液管路连接；气氦吹除系统提供气氦源，用于吹除液氦热沉中残留的气氮，通过管路与液氦热沉进液口以及辅助排液管路连接；液氦供应系统提供液氦源，通过管路与液氦热沉进液口以及辅助排液管路连接；辅助排液管路通过管路与液氦热沉的进液口连接，其位于热沉的进液总管入口处，位置低于进液总管，用于方便液氦热沉中剩余液氮的排出。

上述平板形液氮液氦双介质兼容热沉装置的实验方法，具体是：首先启动液氮供应系统为液氮热沉一直通液氮制冷；然后为液氦热沉先通液氮制冷，再通液氦制冷，具体为：(1)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，当液氦热沉温度达到77K左右时，关闭液氦热沉液氮供应阀；(2)打开辅助排液管路上的低温排液阀，将液氦热沉中的大量液氮通过辅助排液管路排出，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；(3)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，待液氦热沉主体温度升至80K以上时，关闭气氮吹除阀；(4)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；(5)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，直至液氦热沉主体温度达到4.2K。

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，解决了平板形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)采用平板形双热沉结构，即平板形两层热沉，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；

(3)平板形液氦热沉没有骨架，节约热沉制造成本、减小热沉重量。

(4)保障了液氦热沉由液氮切换到液氦时，流程正常工作；

(5)液氮热沉及液氦热沉的进出口均位于舱体同侧，水平进出，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)所有带肋片支管均采用直管，不弯曲，上总管和下总管均采用圆弧形弯管，沿舱体封头圆周弯曲一定角度。为保证流动顺畅，减少气堵，上总管直径大于下总管直径，下总管直径大于支管直径。

(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匀性。

(8)避免了平板形液氦热沉易产生气堵导致热沉温度不均匀现象。

附图说明

图1为本发明的平板型形热沉装置的总体结构示意图；

图2为本发明的液氦热沉的结构示意图；

图3为图2中C-C剖面所示的挂钩的连接结构示意图；

图4(a)为图2中F-F剖面所示的下支板的连接结构示意图；

图4(b)为图4(a)中下支板与下夹块的具体连接示意图；

图5为图2中B-B剖面所示的液氦热沉上汇总管与带翅片支管的连接示意图；

图6为波纹管组件连接的结构示意图；

图7为图2中J-J剖面所示的带翅片支管的截面图；

图8为本发明的液氮热沉的结构示意图；

图9为图8中I所示的液氮热沉骨架与辐射屏连接部位的放大示意图；

图10为图8中E-E剖面所示的翅片与骨架横梁的连接示意图；

图11中，(a)为本发明中骨架大圆环的上支撑板的连接示意图；(b)为图8中D-D剖面所示的骨架大圆环的左右支撑板的连接示意图；(c)为本发明中骨架大圆环的下支撑板的连接示意图；

图12为本发明平板型形热沉装置的制冷方法的步骤流程图。

其中：

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-放空阀；204-低温安全阀；205-液氮热沉骨架；701-低温排液阀；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-辅助排液管路；800-舱体封头；1-液氦热沉带翅片支管；2-液氦热沉上汇总管；3-液氦热沉下汇总管；4-液氦热沉出液总管；5-液氦热沉进液总管；6-接管；7-金属软管；8-导热带；9-挂钩；10-下支板；11-焊块；12-吊杆；13-螺旋扣；14-上夹块；15-绝热垫；16-螺栓；17-下夹块；18-波纹管组件；19-出口法兰；20-舱体法兰；21-与舱体连接的法兰；22-螺钉；23-密封圈；24-翅片；25-支管；26-液氮热沉带翅片支管；27-液氮热沉上汇总管；28-液氮热沉下汇总管；29-液氮热沉出液总管；30-液氮热沉进液总管；31-防辐射屏；32-裙边；33-上支撑板；34-下支撑板；35-左、右支撑板；36-吊耳；37-舱体封头上的左、右支板；38-舱体封头上的下支板。

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。

本发明提供的平板形液氮液氦双介质兼容热沉装置，如图1、图2所示，包括热沉表面电阻温度传感器100、平板形热沉主体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以及辅助排液管路700。

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，液氦热沉液氮供应阀302通过管路分别连接至辅助排液管路700与液氦热沉201的进液口。液氮贮槽301连接液氮热沉液氮供应阀303，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连接至辅助排液管路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，待辅助排液管路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连接至辅助排液管路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连接至辅助排液管路700与液氦热沉201的进液口。在液氦供应阀602连接液氦热沉201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。

辅助排液管路700由管路及低温排液阀701组成，辅助排液管路700位于液氦热沉201的液氦热沉与液氮热沉的进液总管入口处，位置低于进液总管，便于液氦热沉201中剩余液氮的排出，辅助排液管路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。

平板形热沉主体200，如图1所示，采用双平板式结构制造热沉，由液氦热沉201、液氮热沉202及液氮热沉骨架205组成，两层热沉，一个骨架，骨架205内侧为平板形液氮热沉202，液氮热沉202内侧为平板形液氦热沉201，其中液氦热沉201通液氮、液氦双制冷介质，液氮热沉202作为防辐射屏(冷屏)只通液氮制冷介质，用于保护液氦热沉201，降低舱体对液氦热沉201的热辐射。液氦热沉201和液氮热沉202都为平板形，液氮热沉202的平板直径大于液氦热沉201直径，液氮热沉202安装在液氮热沉骨架205上，靠骨架205固定支撑，骨架205焊在舱体封头800上。液氦热沉201通过绝热材料与液氮热沉202连接。平板形液氦热沉201没有骨架，其上面仅靠挂钩9挂在舱体封头800上，其下面仅靠下支板10支撑，如图2所示，挂钩9和下支板10各两条，上下对称安装，每条挂钩9与液氦热沉201竖直的中心线的夹角，与每条下支板10与液氦热沉201竖直的中心线的夹角都相同，且夹角都为锐角，如图2中所示，左上的挂钩9与右上的挂钩9分别与液氦热沉201竖直的中心线间夹角为21.5度，左下的下支板10与右下的下支板10分别与液氦热沉201竖直的中心线间夹角为21.5度。液氦热沉201或液氮热沉202带翅片支管的所有进出液口位于同侧，水平进，水平出。液氦热沉201和液氮热沉202的出液管路上分别连接有一个放空阀203，如图1。

如图2与图4所示，热沉表面电阻温度传感器100均设在液氦热沉202的带翅片支管1的表面及液氦热沉201的带翅片支管26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Pt100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。

如图2所示，液氦热沉201主要由液氦热沉带翅片支管1、液氦热沉上汇总管2、液氦热沉下汇总管3、液氦热沉出液总管4和液氦热沉进液总管5组成。本发明实施例中液氦热沉带翅片支管1总共有18根，所有带翅片支管1均采用直管，不弯曲。液氦热沉上汇总管2和液氦热沉下汇总管3均采用圆弧形弯管，沿舱体封头800圆周弯曲一定角度，弯管两端均用堵头封住。像肋条一样竖直分布的带翅片支管1，每根带翅片支管1的两端分别焊在液氦热沉上汇总管2和液氦热沉下汇总管3上。为保证流动顺畅，减少气堵，液氦热沉上汇总管2直径大于液氦热沉下汇总管3直径，液氦热沉下汇总管3直径大于带翅片支管1直径。在液氦热沉上汇总管2的水平顶部位置通过接管6连接有液氦热沉出液总管4，在液氦热沉下汇总管3的水平底部位置通过金属软管7连接有液氦热沉进液总管5。液氦热沉出液总管4与液氦热沉进液总管5分别焊接有一个波纹管组件18。

液氦从液氦热沉下汇总管3的底部送入，液体(或汽液两相)沿18根带翅片支管1上升，汇总到液氦热沉上汇总管2后，从液氦热沉上汇总管2顶部通过液氦热沉出液总管4排出舱外。为了尽可能避免液氦流动短路，除了逐渐增大短带翅片支管1的间距使每根带翅片支管的热容量尽可能接近外，液氦热沉下汇总管3的弯管端部离其最近即最边上一根带翅片支管1的中心加长200mm，即在液氦流动管路中形成了一个盲肠，当部分液氦或冷氦气进入盲肠，由于盲肠内温度较高，盲肠内氦气的压力升高，这样就可阻止液氦或冷氦气流向短带翅片支管1从而避免短带翅片支管1短路。此外，在离液氦热沉下汇总管3最近的带翅片支管1的翅片间加有导热带8，当支管液氦入口出现较大温差时，导热带8可使这个温差变小，从而避免液氦从入口温度较低的支管短路。由于液氦热沉201的带翅片支管1的间距很小，约200mm，故液氦热沉201本身刚度很好，故没有给液氦热沉201安装骨架，而是用特殊的绝热悬挂装置将上汇总管挂在舱体封头800上，比与液氮热沉做成一体冷损更小。

如图3所示，挂钩9的上端通过螺旋扣13连接有一个带有焊块11的吊杆12，焊块11用于与舱体封头800焊接，挂钩9的下端与夹固着液氦热沉上汇总管2的上夹块14挂接，液氦热沉上汇总管2与上夹块14之间布置有多层绝热垫15，液氦热沉上汇总管2、上夹块14与绝热垫15通过螺栓16固定连接。螺栓16与螺栓孔之间设置有垫圈密封。当液氦热沉201管内通液氦时，整个液氦热沉201圆盘的直径会缩小，由于由挂钩9作为主体的悬挂装置是不冷缩的，因此液氦入口会向上移动，故在液氦入口总管上加有一段金属软管7，以补偿这个变形，这样也就不会在液氦热沉进液总管5与液氦热沉下汇总管3焊接的焊缝中产生较大的温度应力。

如图4(a)与图4(b)所示，下支板10一端与舱体封头800连接，另一端与夹固着液氦热沉下汇总管3的下夹块17通过螺栓16固定连接，连接处都垫有绝热垫15。液氦热沉下汇总管3与下夹块17之间布置有多层绝热垫15，液氦热沉下汇总管3、下夹块17与多层绝热垫15通过螺栓16固定连接。螺栓16与螺栓孔之间都设置有垫圈密封。

如图5所示，为液氦热沉上汇总管2与液氦热沉带翅片支管1连接的示意图，液氦热沉上汇总管2与液氦热沉下汇总管3对应位置上开有孔，之间焊接有液氦热沉带翅片支管1，液氦热沉带翅片支管1的直径比液氦热沉上汇总管2的直径小。

如图6所示，为液氦热沉出液总管4与波纹管组件18连接的示意图，波纹管组件18的一端装有出口法兰19用于连接供应系统300、400、500、600与辅助排液管路700。波纹管组件18的另一端的与舱体连接的法兰21通过螺栓16、螺钉22与舱体封头800上的舱体法兰20固定连接。在法兰20、21的连接处均垫有密封圈23。

如图7所示，带翅片支管1均是由支管25与翅片24组成，支管25上每隔一段焊接有翅片24。

如图8所示，液氮热沉202为圆形平板。液氮热沉202主要包括带翅片支管26、液氮热沉上汇总管27、液氮热沉下汇总管28、液氮热沉出液总管29和液氮热沉进液总管30组成。液氮热沉上汇总管27和液氮热沉下汇总管28为圆弧形弯管，沿舱体封头圆周弯曲一定角度，两端均用堵头封住。所有带翅片支管26均采用直管，不弯曲，本发明实施例中液氮热沉带翅片支管26为10根。像肋条一样竖直均匀分布的液氮热沉带翅片支管26两端分别焊接在液氮热沉上汇总管27和液氮热沉下汇总管28上。液氮热沉带翅片支管26的间距约为400mm。平板形液氮热沉202周向焊接有圆筒形裙边32，裙边32直径大于平板形液氦热沉201直径，空间上将平板形液氦热沉201包裹起来，裙边32用于降低舱体周向对液氦热沉201的辐射热负荷，平板形液氮热沉202用于降低舱体径向对液氦热沉201的辐射热负荷，群边32上部均匀焊接在液氮热沉202各竖直翅片支管26的翅片上，下部不焊接，用于补偿温度变化带来的变形。

如图8所示，在液氮热沉上汇总管27的水平顶部位置通过接管6与金属软管7连接有液氮热沉出液总管29，在液氮热沉下汇总管28的水平底部位置通过接管6与金属软管7连接有液氮热沉进液总管30。在液氮热沉进、出液总管30、29上都加有金属软管7，以补偿汇总管与支管一起向上、下移动，避免了液氮热沉进、出液总管30、29直接与液氮热沉上、下汇总管27、28焊接而在焊缝中产生较大的温度应力的情况。液氮热沉上汇总管27直径大于液氮热沉下汇总管28直径，液氮热沉下汇总管28直径大于带翅片支管26直径。液氮从液氮热沉下汇总管28的底部送入，液体(或汽液两相)沿10根液氮热沉带翅片支管26上升，汇总到液氮热沉上汇总管27后，从液氮热沉上汇总管27顶部通过液氮热沉出液总管29排出舱外。液氮热沉出液总管29和液氮热沉进液总管30分别焊接有一个波纹管组件18，具体波纹管组件18的连接同如图6所示的液氦热沉出液总管4与波纹管组件18的连接。

与液氦热沉201不同，液氮热沉202安装有骨架205，以便于在骨架205上装辐射屏31，骨架205是由一个大圆环和近似十字形的横竖梁连成一个圆盘形。如图9所示，辐射屏31通过螺栓16固定在骨架205上，连接处均布置有绝热垫15，螺栓16的连接处设置有密封垫圈。

液氮热沉带翅片支管26也如图7所示，由支管25与翅片24组成，每根支管25上每隔一段焊接有一片翅片24。如图10所示，液氮热沉带翅片支管26的翅片24与骨架205的水平梁接触的地方均用一个螺钉22将其拧住，这样液氮热沉202的重量就都支承在这根水平梁上了。液氮热沉上汇总管27与液氮热沉下汇总管28均与骨架205不连接，它们的重量由带翅片支管26支承。当液氮热沉202管内通液氮时，带翅片支管26相对骨架205的水平梁是不能移动的，它只能以拧螺钉22处为中心向上、下收缩，液氮热沉上、下汇总管27、28与带翅片支管26一起向上、下移动，因此不会在带翅片支管26与液氮热沉上、下汇总管27、28焊接的焊缝中产生较大的温度应力。液氮热沉带翅片支管26的翅片24与骨架205的环形梁接触的地方也用一个螺钉22将其与环形梁连接但不拧紧，且在翅片24上开长孔，该螺钉22可以让翅片24与环形梁接触，但又不影响液氮热沉带翅片支管26自由伸缩。骨架大圆环的上、下、左、右均焊有支承板33、34、35，如图11中(a)所示，整个液氮热沉202就靠上支撑板33通过螺栓16连接吊耳36焊在舱体封头800上，连接处都设置有绝热垫15。如图11中(b)所示，左支撑板35通过螺栓16与焊在舱体封头上的左支板37相连，连接处都设置有绝热垫15，右支撑板35与舱体封头800的连接与之相同。如图11中(c)所示，下支撑板34通过螺栓16与焊在舱体封头800上的下支板38相连，连接处都设置有绝热垫15。这样通过三个支撑板，液氮热沉202既能固定在舱体封头800上，又能与舱体封头800绝热还能自由伸缩。

平板形液氦热沉201的带翅片支管1由316不锈钢支管和T2紫铜翅片焊接而成，液氦热沉上、下汇总管2、3采用316不锈钢管，液氦热沉进、出液总管5、4焊接的波纹管组件18材料采用316不锈钢。液氮热沉202的带翅片支管26由304不锈钢支管和T2紫铜翅片焊接而成，液氮热沉上、下汇总管27、28采用304不锈钢管，液氮热沉进出液总管30、29焊接的波纹管组件18采用304不锈钢。液氦热沉带翅片支管1的间距小于液氮热沉带翅片支管26的间距，液氮热沉带翅片支管1的数量约为液氦热沉带翅片支管26的数量的两倍，充分保证了液氦热沉201温度的均匀性。液氮热沉201外侧安装有平板形防辐射屏31，防辐射屏31焊在液氮热沉骨架205上，材料采用304不锈钢板，抛光(用于降低辐射系数)。通过上述设计，可以尽量减少外界对液氦热沉201的传导漏热及辐射热，减小液氦消耗，节约试验成本。本发明的热沉装置中所有阀门，包括放空阀203、低温安全阀204、液氦热沉液氮供应阀302、液氮热沉液氮供应阀303、气氮吹除阀402、气氦吹除阀502、液氦供应阀602以及低温排液阀701均可手动调节，用于控制流量大小。

应用上述的装置进行制冷的方法流程，具体如图12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，为平板形液氮热沉202在整个制冷工作过程中，一直通液氮制冷。通液氮制冷的平板形液氮热沉202，当做平板形液氦热沉201的防辐射屏(冷屏)，尽量减少对平板形液氦热沉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，平板形液氦热沉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。

整个切换过程中，确保了通入液氦制冷介质时，液氦热沉201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)

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

所述的平板形热沉主体(200)包括液氦热沉(201)、液氮热沉(202)及骨架(205)，骨架(205)焊在舱体封头(800)上，所述的液氮热沉(202)的外侧安装有骨架(205)，内侧通过绝热材料与液氦热沉(201)连接，所述的液氦热沉(201)靠挂钩(9)挂在舱体封头(800)上，其下面靠下支板(10)支撑，液氦热沉(201)和液氮热沉(202)为平板形，液氮热沉(202)的平板直径大于液氦热沉(201)的平板直径，液氦热沉(201)和液氮热沉(202)的所有进出液口位于同侧，水平进，水平出，进液口在下，出液口在上；热沉表面电阻温度传感器(100)均设置在液氦热沉(201)和液氮热沉(202)的带翅片支管表面上，用于检测液氦热沉(201)和液氮热沉(202)表面温度；液氮供应系统(300)提供液氮源，通过管路与液氦热沉(201)和液氮热沉(202)的进液口，以及辅助排液管路(700)连接；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，通过管路与液氦热沉(201)进液口以及辅助排液管路(700)连接；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，通过管路与液氦热沉(201)进液口以及辅助排液管路(700)连接；液氦供应系统(600)提供液氦源，通过管路与液氦热沉(201)进液口以及辅助排液管路(700)连接；辅助排液管路(700)通过管路与液氦热沉(201)的进液口连接，其位于热沉主体(200)的进液总管入口处，位置低于进液总管，用于方便液氦热沉(201)中剩余液氮的排出。

2.根据权利要求1所述的一种平板形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，所述挂钩(9)和下支板(10)各两条，对称安装，每条挂钩(9)与液氦热沉(201)竖直中心线的夹角，与每条下支板(10)与液氦热沉(201)竖直中心线的夹角都相同，且夹角为锐角。

3.根据权利要求1所述的一种平板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(100)，对于设置在液氦热沉(201)带翅片支管表面上的，采用铑铁电阻温度传感器，测温范围1.3K～300K；对于设置在液氮热沉(202)带翅片支管表面上的，采用Pt100电阻温度传感器，测温范围77K～300K。

4.根据权利要求1所述的一种平板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)包括液氮贮槽(301)及液氦热沉液氮供应阀(302)、液氮热沉液氮供应阀(303)，液氮贮槽(301)通过管路连接液氦热沉液氮供应阀(302)连接至辅助排液管路(700)与液氦热沉(201)的进液口，液氮贮槽(301)通过管路连接液氮热沉液氮供应阀(303)连接至液氮热沉(202)的进液口；液氮供应系统(300)同时或单独向液氦热沉(201)和液氮热沉(202)通液氮制冷介质；

气氮吹除系统(400)包括气氮瓶(401)及气氮吹除阀(402)，气氮瓶(401)通过管路连接气氮吹除阀(402)连接至辅助排液管路(700)与液氦热沉(201)的进液口，气氮吹除系统(400)在辅助排液管路(700)排出大部分液氮后启动；

气氦吹除系统(500)包括气氦瓶(501)及气氦吹除阀(502)，气氦瓶(501)通过管路连接气氦吹除阀(502)连接至辅助排液管路(700)与液氦热沉(201)的进液口，气氦吹除系统(500)在气氮吹除系统(400)充分吹除液氮后启动；

液氦供应系统(600)包括液氦贮槽(601)及液氦供应阀(602)，液氦贮槽(601)通过管路连接液氦供应阀(602)连接至辅助排液管路(700)与液氦热沉(201)的进液口，液氦供应系统(600)单独向液氦热沉(201)通液氦制冷介质；

辅助排液管路(700)上设置有低温排液阀(701)，其管直径小于热沉(201、202)进出液总管及带翅片支管的管直径；

在液氦供应阀(602)连接液氦热沉(201)进液口的管路上，以及在液氮热沉液氮供应阀(303)连接至液氮热沉(202)的进液口的管路上都设置有低温安全阀(206)。

5.根据权利要求1所述的一种平板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(201)包括带翅片支管(1)、液氦热沉上汇总管(2)、液氦热沉下汇总管(3)、液氦热沉出液总管(4)和液氦热沉进液总管(5)；带翅片支管(1)都采用直管，液氦热沉上汇总管(2)和液氦热沉下汇总管(3)均采用圆弧形弯管，沿舱体封头圆周弯曲一定角度，在液氦热沉上汇总管(2)和液氦热沉下汇总管(3)之间均匀焊接有竖直分布的带翅片支管(1)，在液氦热沉上汇总管(2)的水平顶部位置连接有液氦热沉出液总管(4)，在液氦热沉下汇总管(3)的水平底部位置通过金属软管(7)连接有液氦热沉进液总管(5)；液氦热沉出液总管(4)与液氦热沉进液总管(5)分别焊接有一个波纹管组件(18)；液氦热沉上汇总管(2)直径大于液氦热沉下汇总管(3)直径，液氦热沉下汇总管(3)直径大于带翅片支管(1)直径；所述的液氦热沉下汇总管(3)，其两端端部堵头均距离其最近的带翅片支管(1)的中心加长200mm；所述的带翅片支管(1)，其上离液氦热沉下汇总管(3)最近的翅片间加有导热带(8)。

6.根据权利要求1所述的一种平板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(202)包括带翅片支管(26)、液氮热沉上汇总管(27)、液氮热沉下汇总管(28)、液氮热沉出液总管(29)和液氮热沉进液总管(30)；带翅片支管(26)都采用直管，液氮热沉上汇总管(27)和液氮热沉下汇总管(28)均采用圆弧形弯管，在液氮热沉上汇总管(27)和液氮热沉下汇总管(28)之间均匀焊接有竖直分布的带翅片支管(26)，在液氮热沉上汇总管(27)的水平顶部位置通过接管(32)与金属软管(7)连接有液氮热沉出液总管(29)，在液氮热沉下汇总管(28)的水平底部位置通过接管(32)与金属软管(7)连接有液氮热沉进液总管(30)；液氮热沉出液总管(29)和液氮热沉进液总管(30)分别焊接有一个波纹管组件(18)；液氮热沉上汇总管(27)直径大于液氮热沉下汇总管(28)直径，液氮热沉下汇总管(28)直径大于带翅片支管(26)直径；所述液氮热沉(202)周向焊接有圆筒形裙边(32)，裙边(32)直径大于形液氦热沉(201)直径，空间上将液氦热沉(201)包裹起来，裙边(32)上部均匀焊接在液氮热沉(202)的带翅片支管(26)的翅片上，下部不焊接。

7.根据权利要求1或6所述的一种平板形液氮液氦双介质兼容热沉装置，其特征在于，所述的骨架(205)是由一个大圆环和近似十字形的横竖梁连成一个圆盘形，骨架(205)上固定有防辐射屏(31)，液氮热沉带翅片支管(26)与骨架(205)的水平梁接触的翅片(24)均用螺钉(22)将水平梁与翅片(24)固定，液氮热沉带翅片支管(26)与骨架(205)的环形梁接触的翅片(24)上开长孔，用螺钉(22)连接环形梁与翅片(24)，但不拧紧；液氮热沉上汇总管(27)与液氮热沉下汇总管(28)与骨架(205)不连接；骨架(205)的大圆环的上、下、左、右均焊有支承板(33、34、35)，上支承板(33)通过螺栓(16)与焊在舱体封头(800)上的吊耳(36)连接，左、右支承板(35)通过螺栓(16)与焊在舱体封头(800)上的左、右支板(37)连接，下支承板(34)通过螺栓(16)与焊在舱体封头(800)上的下支板(38)相连，连接处都设置有绝热垫(15)。

8.根据权利要求5或6所述的一种平板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(201)的带翅片支管(1)的间距小于液氮热沉(202)的带翅片支管(26)的间距，液氦热沉(201)的带翅片支管(1)的数量为液氮热沉(202)的带翅片支管(26)的数量的两倍。

9.根据权利要求5或6所述的一种平板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(201)的带翅片支管(1)由316不锈钢支管和T2紫铜翅片焊接而成，液氦热沉上汇总管(2)、下汇总管(3)采用316不锈钢管，液氦热沉进液总管(5)、出液总管(4)焊接的波纹管组件(18)采用316不锈钢材料；所述的液氮热沉(202)的带翅片支管(26)由304不锈钢支管和T2紫铜翅片焊接而成，液氮热沉上汇总管(27)、下汇总管(28)采用304不锈钢管，液氮热沉进液总管(30)、出液总管(29)焊接的波纹管组件(18)采用304不锈钢材料；所述的防辐射屏(31)采用304不锈钢板材料，抛光。

10.一种平板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)，为液氮热沉(202)一直通液氮制冷；然后为液氦热沉(201)先通液氮制冷，再通液氦制冷，具体是：

(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时，关闭液氦热沉液氮供应阀(302)；

(2)打开低温排液阀(701)，将液氦热沉(201)中的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(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，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，5～10分钟后关闭气氦吹除阀(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。

Images