CN102890006A - 一种高变温速率的高低温空间环境模拟容器 - Google Patents

Abstract

一种高变温速率的高低温空间环境模拟容器，包括：主舱体、舱门、设置于该主舱体内的热沉，连接主舱体和舱门的门封结构、绝热穿舱通道、样品载物平台、高低温摄像组件、高低温流体搅拌器、测温系统、测压系统和抽空结构，本发明的容器内为非高真空环境，充注氦气，除了有与热真空罐相同的辐射传热，更重要的是舱内增加了自然对流甚至强制对流传热，从而大大加强传热速度，为待测样品提供高变温速率且温度均匀的高低温环境（68K～373K），工作稳定，安全可靠。

Description

一种高变温速率的高低温空间环境模拟容器

技术领域

本发明涉及的是一种高低温环境模拟系统，具体是一种舱内为非高真空环境且具有高变温速率和高温度均匀性特征的高低温空间环境模拟绝热容器。

技术背景

空间环境模拟系统是检验航天设备及其组件在空间环境下或者极端恶劣条件下安全性和可靠性的重要系统。以月球为例，由于其表面几乎没有大气层和大气活动，昼夜温差很大，且任一位置昼夜交替瞬间发生，升降温速率极大。通过地面的空间环境模拟系统，在设备离开地球之前，模拟和验证设备在极端高低温环境中静态和大速率动态温变条件下的可靠安全性是十分必要的。目前的热环境空间模拟系统基本上都采用高真空条件下低温热沉或电加热热屏来实现内部被测样品的降温或升温，其温度变化过程缓慢，特别是在接近目标温度时由于冷源/热源同样品间的温差很小，达到热平衡往往需要十几小时甚至更长时间。例如美国大型空间环境模拟实验室SESL，空载极限真空度1.3×10^-3Pa，热沉温度100~400K可调；我国的KM6大型空间环境试验设备，极限真空度4.5×10^-6Pa，热沉温度低于100K.上述设备均采用热真空罐的形式，模拟空间热真空环境。

经过对现有技术的检索发现，授权公号为20101062400.7所述的一种小型月球环境综合模拟系统，在模拟月球环境时，使用机械泵使试验舱内真空度达到10^-2Pa,再用分子泵，使真空度达到10^-4Pa，利用辐射传热模拟月球高低温环境。其试验舱为高真空环境，与外太空相似，仅通过辐射传热，其缺点是无法满足大升降温速率的要求，且最低工作温度不够低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种氦气氛高低温空间环境模拟试验舱，在试验舱内充注一定压力的氦气，通过辐射传热和自然对流甚至强迫对流等换热方式，实现试验舱内更高的降温速率和温度均匀性要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高变温速率的高低温空间环境模拟容器，其特点在于，该容器包括：主舱体、舱门、设置于该主舱体内的热沉，连接主舱体和舱门的门封结构；

所述的主舱体包括：主舱体外筒体、主舱体内筒体、主舱体液氮冷屏和主舱体多层绝热材料，所述的主舱体外筒体和主舱体内筒体构成主框架，同轴嵌套布置并用第一环氧棒支撑间隔，主舱体外筒体和主舱体内筒体相互之间形成高真空密封夹层，所述的主舱体液氮冷屏设置于该高真空密封夹层内，所述的主舱体多层绝热材料设置在主舱体外筒体和液氮冷屏之间；

在所述的主舱体上分别设有主舱体夹层抽空通道、主舱体内腔抽空通道、弱电电缆通道、冷屏液氮通道、热沉液氮入口通道、热沉气氮出口通道、低温氦气出入通道、强电电缆通道；

所述的主舱体夹层抽空通道、舱门夹层抽空通道、主舱体内腔抽空通道、冷屏液氮通道、热沉液氮入口通道、热沉气氮出口通道和低温氦气出入通道均采用杜瓦管绝热结构，有效减少环境通过通道向容器内部的漏热。

所述的主舱体内腔抽空通道一端与容器工作腔体连通，另一端安装电气动真空闸板阀，在容器抽真空过程中打开，当真空度达到要求后关闭。

所述的主舱体底部设置底座，固定连接于地面的建筑基础。

所述的舱门包括：舱门外封头、舱门内封头、舱门液氮冷屏和舱门多层绝热材料，所述的舱门外封头和舱门内封头互相之间构成密封夹层，互相以第二环氧棒支撑间隔，所述的舱门液氮冷屏设置在该密封夹层中，所述的舱门多层绝热材料设置在舱门外封头和舱门液氮冷屏之间；

所述的舱门安装在活动导轨上，可沿轨道水平移动，实现绝热容器的开舱和关舱。在关舱状态通过所述的门封结构实现密封。

在所述的舱门上设有舱门夹层抽空通道。

所述的门封结构包括：薄壁波纹管、玻璃钢支撑、液氮盘管和密封法兰，采用对半配合结构。其中，在靠近法兰端波纹管约1/4处焊接液氮盘管到波纹管上，当容器内部工作温度低于液氮温度时，为减少斯特林制冷机的冷量消耗，通过液氮盘管内的液氮冷却方式承担绝大部分由门封结构导入的外界漏热。为防止结露结霜现象的发生，在处于室温下的所述密封法兰上设置电加热带，在冷工况工作时开启电加热带进行热量补偿。

所述的液氮冷屏包括：容器主舱体和舱门内都设有液氮冷屏，冷屏实际为通径20mm的不锈钢盘管，内侧焊接厚度为1mm的不锈钢板圆筒。

所述的热沉为不锈钢管网和铜翅片结合的鱼骨式结构，由液氮管路和低温氦气管路间隔组成，各自形成独立的通道，热沉外部壁面布置电加热带，并在热沉内表面喷涂特种黑漆。

所述的热沉包围的内部空间里设有样品载物平台、高低温摄像组件、高低温流体搅拌器。

所述的样品载物平台：采用铝合金骨架，单侧焊接平板构成载物面，底面涂黑漆。载物平台布置于容器主舱体内部工作腔的底部，通过固定在热沉上的滑行道轨支撑固定。

所述的高低温摄像组件：能在68K~373K温度范围内工作，实时监视和记录舱体内部情况，并可提供即时回放功能，详细结构见发明专利，申请号201110225019.2。

所述的高低温流体搅拌器：能在68K~373K温度范围内工作，为试验舱内提供强制对流条件。实现更高的升降温速率和更好的温度均匀性要求。

所述的测温系统包括：25个Pt100铂电阻布置于容器内部工作腔不同位置处，实时监控测量试验舱内温度场情况及其分布均匀性。

所述的测压/测真空系统：采用电离规管测量夹层高真空，皮拉尼真空规管测量舱内绝对压力（真空）。

本发明低温空间环境模拟容器在冷工况工作时，先利用热沉液氮管路内液氮较大的气化潜热和大温差下的显热将容器内氦气和被测物冷却至液氮温区，再采用热沉液氮管路内流动的由斯特林制冷机提供的冷气氦，实现77K以下温区冷却；在热工况工作时，启动附于热沉上的的电加热进行复温或高温试验。

本发明可实现系统内腔工作温度68K到373K可调，并可在深冷条件下长久（15天以上）恒温保存，用于被测样品的生存试验，平均升降温速率为±3K/min～±10K/min，并且容器内工作空间任意两点温度不均匀性不大于±3K，可实现多种工作模式包括液氮温区工况、低温氦气温区工况、高温温区工况，可连续、耦合切换。容器内为非高真空环境，且充注一定压力氦气。

与现有技术相比，本发明的优点是温度范围宽、为被测样品提供高变温速率且温度均匀的高低温环境，工作稳定，安全可靠。

附图说明

图1为本发明高变温速率的高低温空间环境模拟容器的结构示意图。

图2为本发明中主舱体上通道的分布示意图。

图中：主舱体1、舱门2、热沉3、门封结构4、主舱体外筒体5、主舱体内筒体6、主舱体液氮冷屏7、主舱体多层绝热材料8、舱门外封头9、舱门内封头10、舱门液氮冷屏11、舱门多层绝热材料12、主舱体夹层抽空通道13、舱门夹层抽空通道14、主舱体内腔抽空通道17、弱电电缆通道18、冷屏液氮通道19、热沉液氮入口通道20、热沉气氮出口通道21、低温氦气出入通道22、强电电缆通道23、第一环氧棒24、样品载物平台25、高低温摄像组件26、高低温流体搅拌器27、测温系统28、底座29、第二环氧棒30。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请先参阅图1，图1为本发明高变温速率的高低温空间环境模拟容器的结构示意图，如图所示，一种高变温速率的高低温空间环境模拟容器，包括：主舱体1、舱门2、设置于该主舱体1内的热沉3，连接主舱体1和舱门2的门封结构4；所述的主舱体1包括：主舱体外筒体5、主舱体内筒体6、主舱体液氮冷屏7和主舱体多层绝热材料8，所述的主舱体外筒体和主舱体内筒体构成主框架，同轴嵌套布置并用第一环氧棒24支撑间隔，主舱体外筒体和主舱体内筒体相互之间形成高真空密封夹层，所述的主舱体液氮冷屏设置于该高真空密封夹层内，所述的主舱体多层绝热材料设置在主舱体外筒体和液氮冷屏之间；在所述的主舱体上分别设有绝热穿舱通道主舱体夹层抽空通道13、主舱体内腔抽空通道17、弱电电缆通道18、冷屏液氮通道19、热沉液氮入口通道20、热沉气氮出口通道21、低温氦气出入通道22、强电电缆通道23；所述的舱门2包括：舱门外封头9、舱门内封头10、舱门液氮冷屏11和舱门多层绝热材料12，所述的舱门外封头和舱门内封头互相之间构成密封夹层，互相以第二环氧棒30支撑间隔，所述的舱门液氮冷屏设置在该密封夹层中，所述的舱门多层绝热材料设置在舱门外封头和舱门液氮冷屏之间；主舱体外筒体5直径为2.7m，长度为4.57m。所述的容器有效工作空间，即热沉3的直径为2.05m，长2.2m。

主舱体液氮冷屏7和舱门液氮冷屏11均为通径为20mm的不锈钢盘管，其内侧焊接有厚度为1mm的不锈钢板圆筒。

热沉3为不锈钢管网和铜翅片结合的鱼骨式结构，由液氮管路和低温氦气管路组成，热沉外部壁面布置电加热带，并在热沉内表面喷涂特种黑漆。

门封结构4采用对半配合结构，由薄壁波纹管、玻璃钢支撑和密封法兰组成，在近法兰端波纹管约1/4处焊接液氮盘管到波纹管上，并在密封法兰上设置电加热带。

主舱体内腔抽空通道17、冷屏液氮通道19、热沉液氮入口通道20、热沉气氮出口通道21、低温氦气出入通道22和强电电缆通道23均采用杜瓦管绝热结构，有效减少环境漏热。

第一环氧棒24和第二环氧棒30一方面用于承受各部件的重量负载，另一方面实现内筒体空间位置的相对固定不晃动，同时在容器内热胀冷缩时提供轴向的微量补偿。

样品载物平台25采用铝合金骨架，单侧焊接平板构成载物面，底面涂黑漆。样品载物平台25布置于容器主舱体内部工作腔的底部，通过固定在热沉上的滑行道轨支撑。

高低温摄像组件26能在68K~373K温度范围内工作，实时监视和记录舱体内部情况，并可提供即时回放功能。详细结构见发明专利，申请号201110225019.2。

高低温流体搅拌器27为具有保温功能的电机驱动风扇，能在68K~373K温度范围内工作，为试验舱内提供强制对流条件。

所述的测温系统28为Pt100铂电阻温度计，在热沉的门侧、中心侧、尾侧截面分别布置8个测温点，每一截面包括在圆周上成90°的4支热沉壁面温度计和4支空间温度计，另布一支于热沉内部中心点处。

本发明高变温速率的高低温空间环境模拟容器的工作原理是：首先利用主舱体抽空通道13和舱门抽空通道14对内外筒体夹层抽真空，常温下真空度达到10^-3Pa数量级，处于低温状态时到达10^-4Pa以上。开启罗茨泵真空机组，通过内腔抽口通道17将整个内腔气体抽出，真空度10^-1Pa。关闭真空泵阀门，打开氦气钢瓶阀向试验舱内充入1kPa的低压氦气。再次开启真空泵阀门，将舱内气体抽除至10^-1Pa。如此往复置换试验舱内气体三次，实现气体纯化。最终往容器内充入绝压90kPa氦气。为避免快速降温对容器和管路产生过大的热应力，先用低温氮气流经热沉液氮盘管进行初步冷却。液氮经过空气汽化器后为低温氮气，进入主舱体液氮冷屏7、舱门液氮冷屏11和热沉3的不锈钢盘管，通过辐射和自然对流的形式实现舱内氦气和被测物的冷却。当容器内冷却至150K，关闭冷气氮的阀门，切换为液氮阀门，使液氮进入冷屏液氮通道19热沉液氮入口通道20，对主舱体内进一步冷却，直至温度达到85K左右。继续降温将使液氮固化膨胀导致不锈钢盘管道堵塞甚至破裂，因此先用氦气吹除热沉3盘管内的液氮。开启低温制冷机，出口温度为50K的低温氦气经低温氦气出入通道22进入热沉的氦气盘管，将试验器件冷却至68K附近。然后通过变频调节制冷机冷量输出及电加热补偿的方法实现68K温度精确控制。当容器完成降温过程进入稳态保温阶段，可根据需要调节氦气流量，以维持容器处于稳态时的冷量补偿需求。

完成深冷试验后，如需复温或进行高温试验（373K），首先关闭冷气氦的供给，开启附于热沉3壁面的电加热，通过辐射和自然对流对舱内气体和试验件进行加热。电加热器功率共为30W，分为5组，其中4组采用可控硅控制，根据需要开启所需数量，第5组采用调压器控制，可进行微调。每组电加热器都沿热沉轴向均匀布置，与其他四组交错，保证热量的均匀输入，对实现舱内工作空间温度均匀性有利。

本发明高低温空间环境模拟容器内为非高真空环境，通过在容器内充注一定压力的稀薄氦气，工作温度范围为68K~373K，除了利用与热真空罐相同的辐射传热，更重要的是舱内增加了自然对流甚至强制对流传热手段，从而大大加强传热速度，特别是在接近目标温度时明显减少对被测物的冷却或加热时间。通常的热真空罐由其工作原理决定不能在工作舱内充注气体，否则不仅不能达到工作温度要求，而且易在罐体外部出现严重的结露结霜现象和发烫现象。

本发明的形成源自空间产品设备的地面全物理仿真模拟试验验证等发面的需求。但该发明的应用不限于此，具有广泛的应用前景。

Claims (11)

1.一种高变温速率的高低温空间环境模拟容器，其特征在于，该容器包括：主舱体（1）、舱门（2）、设置于该主舱体（1）内的热沉（3），连接主舱体（1）和舱门（2）的门封结构（4）； 

所述的主舱体（1）包括：主舱体外筒体（5）、主舱体内筒体（6）、主舱体液氮冷屏（7）和主舱体多层绝热材料（8），所述的主舱体外筒体和主舱体内筒体构成主框架，同轴嵌套布置并用第一环氧棒（24）间隔，主舱体外筒体和主舱体内筒体相互之间形成高真空密封夹层，所述的主舱体液氮冷屏设置于该高真空密封夹层内，所述的主舱体多层绝热材料设置在主舱体外筒体和液氮冷屏之间； 

在所述的主舱体上分别设有主舱体夹层抽空通道（13）、主舱体内腔抽空通道（17）、弱电电缆通道（18）、冷屏液氮通道（19）、热沉液氮入口通道(20)、热沉气氮出口通道（21）、低温氦气出入通道(22)、强电电缆通道（23）； 

所述的舱门（2）包括：舱门外封头（9）、舱门内封头（10）、舱门液氮冷屏（11）和舱门多层绝热材料（12），所述的舱门外封头和舱门内封头互相之间构成密封夹层，互相以第二环氧棒（30）间隔，所述的舱门液氮冷屏设置在该密封夹层中，所述的舱门多层绝热材料设置在舱门外封头和舱门液氮冷屏之间。 

2.根据权利要求1所述的高变温速率的高低温空间环境模拟容器，其特征在于，所述的热沉（3）内设有样品载物平台（25）、高低温摄像组件（26）、高低温流体搅拌器（27）。 

3.根据权利要求2所述的高变温速率的高低温空间环境模拟容器，其特征在于，所述的热沉（3）为不锈钢管网和铜翅片结合的鱼骨式结构，由独立的液氮管路和低温氦气管路相互间隔组成，热沉外部壁面设置有电加热带，在热沉内表面喷涂特种黑漆。 

4.权利要求1或2所述的高变温速率的高低温空间环境模拟容器，其特征在于，所述的主舱体液氮冷屏和舱门液氮冷屏分别以不锈钢屏为主结构架，外部缠绕不锈钢盘管，该不锈钢盘管的通径为20mm的，内侧有焊接厚度为1mm的不锈钢板圆筒。 

5.根据权利要求1或2所述的高变温速率的高低温空间环境模拟容器，其特征在于，所述的门封结构采用对半配合结构，由薄壁波纹管、液氮盘管、玻璃钢支撑、液氮盘管和密封法兰构成，在靠近密封法兰端的薄壁波纹管的1/4处焊接液氮盘管到波纹管上，在密封法兰上设置电加热带以防止低温工况下的结露和结霜现象产生。 

6.根据权利要求1或2所述的高变温速率的高低温空间环境模拟容器，其特征在于，所述的主舱体夹层抽空通道、舱门夹层抽空通道、主舱体内腔抽空通道、冷屏液氮通道、热沉液氮入口通道、热沉气氮出口通道和低温氦气出入通道均采用杜瓦管绝热结构。 

7.根据权利要求6所述的高变温速率的高低温空间环境模拟容器，其特征在于，所述 的各容器内腔抽空通道上还分布有测压/测真空系统。 

8.根据权利要求2所述的高变温速率的高低温空间环境模拟容器，其特征在于，所述的高低温摄像装置是能在68K~373K温度范围内工作，实时监视和记录舱体内部情况，并可提供即时回放功能。 

9.根据权利要求2所述的高变温速率的高低温空间环境模拟容器，其特征在于，所述的高低温流体搅拌器具有保温功能的电机驱动耐高低温叶片的风扇，能在68K~373K温度范围内工作。 

10.根据权利要求2所述的高变温速率的高低温空间环境模拟容器，其特征在于，所述的测温系统是分别分布在热沉壁和工作空间的测温元件，实时监控测量热沉内部空间温度场情况及温度分布均匀性。 

11.根据权利要求1所述的高变温速率的高低温空间环境模拟容器，其特征在于，其内部模拟环境温度范围宽，可在68K~373K之间工作。工作空间为非高真空环境，通过在容器内充注一定压力的稀薄氦气，除了利用与热真空罐相同的辐射传热，更重要的是舱内增加了自然对流甚至强制对流传热手段，从而大大加强传热速度。 

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