CN103231815B - 一种水升华器工质自动充装系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水升华器工质自动充装系统和方法，突破了国内航天器热控系统用水升华器用工质地面工质充装问题，满足了水升华器研制过程中开展工作性能测试与实验的需求，为水升华器的研制提供了必不可少的技术保障；通过开启加热装置对水工质加热进行脱气处理，为水升华器所用工质的预处理和精确充装工作提供必要的保障；控制子系统，通过采集真空计、压力传感器和质量流量计的读数，来控制与其相连的分子泵、干泵和蠕动泵的启动或停止，提高系统自动充装水工质的自动化程度；本发明的工质自动充装方法，相比于现有的自动充装方法，提高了充装效率，节省充装时间。

Description

一种水升华器工质自动充装系统和方法

技术领域

本发明涉及航天器热控技术领域，具体涉及一种水升华器工质自动充装系统和方法。

背景技术

水升华器是一种利用工质的升华原理进行工作的热控装置，它通过使一种消耗性介质发生相变并最终将其排放至外太空的过程将航天器废热带走，从而实现航天器热控系统的热排散。它结构简单、体积小、重量轻，是航天器不足以提供足够的散热面、或其它热控措施不能发挥作用时必不可少的热控措施。曾经在国外的航天器热控系统，尤其是航天员出舱活动单元(EMU)生保系统(PLSS)的热控中发挥了重大作用，并且仍是目前的宇航服必不可少的组成部分之一。

随着我国探月活动及深空探测工作的逐步开展，水升华器热控技术已成为我国未来航天器热控中必不可少和必须突破的热控手段之一。然而水升华器内部结构存在微米级的多孔板对水的洁净度有很高要求，另外为避免水升华冷板工作过程中出现不可控的“击穿”，因此对水工质的气体含量也有很高的要求。在水升华器研制阶段，保证水升华器用水工质的质量对水升华器整套系统的性能测试具有极其重要的价值。由于水升华器对水工质的特殊要求，因此水升华器工质自动充装系统必须满足如下几方面的条件：(1)水工质要选用高纯去离子水且需要经过加热和抽真空对其进行脱气处理；(2)真空系统需要具备抽水汽的能力；(3)整个充装过程，要保证水工质不得与外界环境接触且需精确控制充装量；(4)具备温度、压力、流量、真空度及质量流量控制功能，并可以对温度、压力、流量、真空度及充装质量等多项试验数据进行实时在线监测与处理。

水升华器工质充装系统是研制水升华器的必要条件，不仅可以为水升华器工质供给系统提供必要的工质充装，而且可以扩展到有同样需求的高精度、高洁净度、自动化程度要求较高的工质充装情况，因此具有十分重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种水升华器工质自动充装系统和方法，能够解决水升华器研制及性能测试过程中所需要的高洁净度脱气去离子水供给的需求，提供一种对目标贮箱进行自动充装水工质的系统，从而为航天器热控系统用水升华器的研制提供必须的技术保障。

本发明的一种水升华器工质自动充装系统，包括真空子系统、脱气子系统和充装子系统，其中：

所述脱气子系统包括贮水瓶、活塞、加热装置、手轮和丝杠；其中，活塞外圆与贮水瓶内壁配合，活塞与其下端的贮水瓶内腔形成密闭空腔；活塞上设置一个出气口；活塞上端垂直固定连接丝杠，丝杠上套接手轮；贮水瓶外壁设置加热装置；贮水瓶底部设置进水口；

所述真空子系统包括分子泵、干泵、7个截止阀、1个低真空计和2个高真空计；

所述分子泵的排气端口与干泵的工作端口之间串联第七截止阀；所述分子泵的进气端口连接第一截止阀的一端，第一截止阀的另一端分出两路，其中一路依次串联第一高真空计、第二截止阀和第三截止阀后与目标贮箱的进水口相连；所述干泵的工作端口依次串联第四截止阀、低真空计、第二高真空计以及第六截止阀后与所述贮水瓶的出气口相连；所述第一截止阀和第一高真空计之间管路与第四截止阀和低真空计之间管路由第五截止阀连接；

所述充装子系统包括蠕动泵、质量流量计、过滤器、压力传感器、背压阀以及4个截止阀；原料水进口处连接第八截止阀的一端，第八截止阀的另一端分出两路：其中一路串接第九截止阀后连接贮水瓶的进水口；另一路依次串接第十截止阀、蠕动泵、质量流量计、过滤器、背压阀、压力传感器、第十一截止阀后接入到第二截止阀和第三截止阀之间的管路上。

所述脱气子系统还包括液位计，所述液位计通过所述活塞上的开孔深入到活塞下方的贮水瓶的内腔中，用于测量该内腔的工质液位。

所述加热装置包括温控仪、测温传感器和加热膜片，其中加热膜片和测温传感器分别与温控计相连；所述测温传感器设置在贮水瓶外壁上，用于测量贮水瓶中工质的温度，并将温度发送给温控计；温控计根据接收到的温度向加热膜片发送开始加热或者停止加热命令；所述加热膜片粘结在贮水瓶外壁，根据温控计的命令对贮水瓶进行加热。

在所述第三截止阀远离目标贮箱进水口的一端连接压紧式橡胶密封的充装接口，用于目标贮箱与充装子系统的管道连接。

本发明的自动充装系统还包括控制子系统，该控制子系统分别与第一高真空计、第二高真空计、低真空计、压力传感器、质量流量计、分子泵、干泵和蠕动泵相连；

所述控制子系统接收第一高真空计的数据并与目标贮箱高真空设定值比较，当达到该设定值时，关闭分子泵；

当真空子系统对贮水瓶进行抽真空时，控制子系统接收低真空计的数据并与贮水瓶真空设定值比较，当达到该设定值时，开启分子泵对贮水瓶进行高真空抽取工作；

当真空子系统对目标贮箱进行抽真空时，控制子系统接收到低真空计的数据并与目标贮箱低真空设定值比较，当达到该设定值时，开启分子泵对目标贮箱进行高真空抽取工作；

所述控制子系统将接收到的质量流量计的数据与质量设定值比较，当达到该设定值时，关闭蠕动泵；

所述控制子系统实时接收压力传感器显示的目标贮箱内压力值，在质量流量计失效的情况下，当目标贮箱内压力值超过其压力设定值时，控制子系统关闭蠕动泵。

本发明的一种工质自动充装方法，包括如下4个步骤：

步骤一、对贮水瓶抽高真空：关闭第九截止阀，摇动手轮，驱动活塞向上运动，打开第四截止阀、第六截止阀和启动干泵，对贮水瓶抽真空，当低真空计的压力达到设定值时，打开第七截止阀，启动分子泵，继续对贮水瓶抽真空，当第二高真空计达到设定值时，分别关闭第四截止阀、第七截止阀和分子泵；

步骤二、对贮水瓶补水：打开第八、第九截止阀，当低真空计显示的贮水瓶内真空度达到设定值时，关闭第八、第九截止阀，；摇动手轮，驱动活塞向上运动，打开第四截止阀，对贮水瓶抽真空，当低真空计的压力达到设定值时，重复上述操作，直到贮水瓶中的工质容量达到设定值；

步骤三、对贮水瓶脱气：控制加热装置对贮水瓶进行加热，温度达到设定值时，打开第四截止阀，开启干泵，当真空度达到设定值时，关闭第六截止阀和干泵；

步骤四、对目标贮箱抽真空：打开第五、第二和第三截止阀，开启干泵，当低真空计达到设定值时，关闭第四和第五截止阀；开启分子泵、打开第七截止阀和第一截止阀，当高真空计达到设定值时，关闭第七截止阀、第一截止阀、分子泵和干泵；

步骤五、充装工质：关闭第二截止阀，打开第九、第十、第十一截止阀和蠕动泵，当质量流量计达到设定值时，关闭蠕动泵及第三截止阀、第九截止阀、第十截止阀和第十一截止阀。

本发明具有如下有益效果：

（1）本发明突破了国内航天器热控系统用水升华器用工质地面工质充装问题，满足了水升华器研制过程中开展工作性能测试与实验的需求，为水升华器的研制提供了必不可少的技术保障；

（2）本发明所采用的贮水瓶通过手轮对活塞高度的调节，可以实现自身充水过程中产生负压环境和对目标贮箱进行工质充装过程中消除负压环境的功能。通过开启加热装置对水工质加热进行脱气处理，为水升华器所用工质的预处理和精确充装工作提供必要的保障；

（3）通过在贮水瓶中设置液位计，当贮水瓶内水位过高或过低时向工作人员报警，提高系统的安全性；

（4）加热装置中设置温控仪和温度传感器，温度传感器将贮水瓶温度发给温控仪，温控仪再根据该温度控制加热膜片对水工质进行加热，提高系统的自动化程度，同时实现对水工质温度的精确控制；

（5）本发明的系统中设置了控制子系统，通过采集真空计、压力传感器和质量流量计的读数，来控制与其相连的分子泵、干泵和蠕动泵的启动或停止，提高系统自动充装水工质的自动化程度；

（6）本发明还提供了一种水工质自动充装方法，相比于现有的自动充装方法，提高了充装效率，节省充装时间。

附图说明

图1为本发明的工质自动充装系统的原理图。

其中，1-分子泵，2-干泵，3-丝杠，4-手轮，5-目标贮箱，6-贮水瓶，7-活塞，8-加热装置，J1-第一截止阀，J2-第二截止阀，J3-第三截止阀，J4-第四截止阀，J5-第五截止阀，J6-第六截止阀，J7-第七截止阀，J8-第八截止阀，J9-第九截止阀，J10-第十截止阀，J11-第十一截止阀，V1-第一高真空计，V2-第二高真空计，V3-低真空计，R1-蠕动泵，Z1-质量流量计，G1-过滤器，B1-背压阀，P1-压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种水升华器工质自动充装系统，包括真空子系统、脱气子系统和充装子系统，其中：

脱气子系统包括贮水瓶、活塞、加热装置、手轮和丝杠；其中，活塞外圆紧贴贮水瓶内壁放置，活塞与其下端的贮水瓶内腔形成密闭空腔；活塞上设置一个出气口；活塞上端垂直固定连接丝杠，丝杠上套接手轮；贮水瓶外壁设置加热装置；贮水瓶底部设置进水口；

真空子系统包括分子泵、干泵、6个截止阀、1个低真空计和1个高真空计；

分子泵的工作端口连接第一截止阀的一端，第一截止阀的另一端分出两路，其中一路依次串联第一高真空计、第二截止阀和第三截止阀后与目标贮箱的进水口相连；干泵的工作端口依次串联第四截止阀、低真空计、第二高真空计以及第六截止阀后与脱气系统中的贮水瓶的出气口相连；第一截止阀和第一高真空计之间管路与第四截止阀和低真空计之间管路由第五截止阀连接；

充装子系统包括蠕动泵、质量流量计、过滤器、压力传感器、背压阀以及4个截止阀；原料水进口处连接第八截止阀的一端，第八截止阀的另一端分出两路：其中一路串接第九截止阀后连接贮水瓶的进水口；另一路依次串接第十截止阀、蠕动泵、质量流量计、过滤器、背压阀、压力传感器、第十一截止阀后接入到第二截止阀和第三截止阀之间的管路上。

真空子系统主要用于目标贮箱、贮水瓶及管路的抽真空处理，并对贮水瓶6内的去离子水进行脱气处理。由于系统中贮水瓶内去离子水脱气过程中会产生大量水蒸汽，因此真空系统的选择了涡旋型干泵。该型真空泵无需真空泵油，避免了泵油被水稀释带来的润滑下降、密封性下降等问题，能够适用于含水蒸汽的系统中。低真空计和高真空计分别用于测量真空度，由于系统中有水蒸汽，因此测量真空的低真空计和高真空计均采用薄膜规。

脱气子系统主要用于贮水瓶内水工质的脱气处理：手轮和丝杠配合使用可以驱动活塞向上运动，由此增大密闭空腔的体积；用干泵对密闭空腔进行抽真空，腔内压力逐渐降低，打开第八和第九截止阀后，工质水进入到贮水瓶中，由于工质水含有气体，通过加热装置对工质水进行加热，释放气体后，再进行抽真空处理；而后继续转动手轮，向贮水瓶中蓄水。通过对贮水瓶进行多次抽真空-加热-抽真空的操作，确保溶解在水中的空气彻底的释放出来。

充装子系统主要用于将工质水从贮水瓶中向目标贮箱充装。其中的蠕动泵9的作用是靠压力将脱完气的水注入目标储箱，之所以选择蠕动泵就是因为该类型的泵能够从结构上保证所输送的介质不与外界空气接触，杜绝了泵外空气泄露进入水中的可能。背压阀用于管路中背压，防止因贮箱中真空负压将管路中去离子水吸入，从而提高充装精度。质量流量计用于测量充装时的瞬时质量和累计流量，当流量达到充装设定值时给蠕动泵信号停止充装。

为了提高本发明自动充装系统的自动化性能，本发明还包括控制系统，该控制系统分别与第一高真空计、第二高真空计、低真空计、压力传感器、质量流量计、分子泵、干泵和蠕动泵均相连；

控制子系统接收第一高真空计V1的数据并与目标贮箱5高真空设定值比较，当达到该设定值时，关闭分子泵1；

当真空子系统对贮水瓶6进行抽真空时，控制子系统接收低真空计V3的数据并与贮水瓶6真空设定值比较，当达到该设定值时，开启分子泵1对贮水瓶6进行高真空抽取工作；当真空子系统对目标贮箱5进行抽真空时，控制子系统接收到低真空计V3的数据并与目标贮箱5低真空设定值比较，当达到该设定值时，开启分子泵1对目标贮箱5进行高真空抽取工作；

控制子系统将接收到的质量流量计Z1的数据与质量设定值比较，当达到该设定值时，关闭蠕动泵R1；

控制子系统实时接收压力传感器P1显示的目标贮箱5内压力值，在质量流量计Z1失效的情况下，当目标贮箱5内压力值超过其压力设定值时，控制子系统关闭蠕动泵R1。

充装接口是连接目标贮箱的接口，选用压紧式橡胶密封结构，拆装方便，可靠性高。

涡旋型干泵要求清洁无油，真空泵组中干泵和分子泵之间安装手动真空阀门，当进行除气工作时将阀门关闭，只用干泵进行脱气，防止水蒸汽进入分子泵中，影响分子泵性能。

高精度电容薄膜规，测量范围在0.0133～133Pa范围内，测量精度达到0.2%；

蠕动泵流量指标为2.9ml～1740ml/min，精度在0.5%～1%。具有通讯接口，可以实现与设备对接。

温控仪其测控精度：±0.5%，具有无超调专家PID算法，AT自整定,手/自动无扰动切换控制功能。

质量流量计要求体积或质量显示可选，即可输出显示体积实时值与体积累计值，或质量实时值和质量累计值，测量精度高0.1%～0.2%，标校量程在2～40kg/h可选。压力传感器，测量范围为0～0.15MPa，测量精度0.1%。

选用电容式液位计测量贮水瓶的液位，通过测控监测贮水瓶内去离子水的储量，并及时输出高低液位报警信号。在补液状态时，液位计反映贮水瓶内原料水由少到多的变化过程，当液位达到规定的液位上限时，液位表输出一报警信号，给出声音报警给操作员，以便及时关闭补液阀。在向目标储箱充装时，液位计反映贮水瓶内液位的变化过程，当液位降到规定的液位下限时，同样输出报警信号发出声音报警以提醒用户及时补液。液位计适应的介质温度：-100～200℃，测量范围：可按照实际测量情况，定制探极长度，测量精度：±0.2%F〃S。

基于上述的自动充装系统，本发明还提供了一种自动充装方法，具体步骤如下：

步骤一、对贮水瓶6抽高真空：关闭第九截止阀J9，摇动手轮4，驱动活塞7向上运动，打开第四截止阀J4、第六截止阀J6和启动干泵2，对贮水瓶6抽真空，当低真空计V3的压力达到设定值时，打开第七截止阀J7，启动分子泵1，继续对贮水瓶6抽真空，当第二高真空计V2达到设定值时，分别关闭第四截止阀J4、第七截止阀J7和分子泵1；

步骤二、对贮水瓶6补水：打开第八、第九截止阀J9，当低真空计V3显示的贮水瓶6内真空度达到设定值时，关闭第八、第九截止阀J9，摇动手轮4，驱动活塞7向上运动，打开第四截止阀J4，对贮水瓶6抽真空，当低真空计V3的压力达到设定值时，重复上述操作，直到贮水瓶6中的工质容量达到设定值；

步骤三、对贮水瓶6脱气：控制加热装置对贮水瓶6进行加热，温度达到设定值时，打开第四截止阀J4，开启干泵2，当真空度达到设定值时，关闭第六截止阀J6和干泵2；

步骤四、对目标贮箱5抽真空：打开第五、第二和第三截止阀J3，开启干泵2，当低真空计V3达到设定值时，关闭第四和第五截止阀J5；开启分子泵1、打开第七和第一截止阀J1，当高真空计达到设定值时，关闭第七截止阀J7、第一截止阀J1、分子泵1和干泵2；

步骤五、充装工质：关闭第二截止阀J2，打开第九、第十、第十一截止阀J11和蠕动泵R1，当质量流量计Z1达到设定值时，关闭蠕动泵R1及第三、第九、第十、第十一截止阀J11。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水升华器工质自动充装系统，其特征在于，包括真空子系统、脱气子系统和充装子系统，其中：

所述脱气子系统包括贮水瓶(6)、活塞(7)、加热装置、手轮(4)和丝杠(3)；其中，活塞(7)外圆与贮水瓶(6)内壁配合，活塞(7)与其下端的贮水瓶(6)内腔形成密闭空腔；活塞(7)上设置一个出气口；活塞(7)上端垂直固定连接丝杠(3)，丝杠(3)上套接手轮(4)；贮水瓶(6)外壁设置加热装置；贮水瓶(6)底部设置进水口；

所述真空子系统包括分子泵(1)、干泵(2)、7个截止阀、1个低真空计(V3)和2个高真空计；

所述分子泵(1)的排气端口与干泵(2)的工作端口之间串联第七截止阀(J7)；所述分子泵(1)的进气端口连接第一截止阀(J1)的一端，第一截止阀(J1)的另一端分出两路，其中一路依次串联第一高真空计(V1)、第二截止阀(J2)和第三截止阀(J3)后与目标贮箱(5)的进水口相连；所述干泵(2)的工作端口依次串联第四截止阀(J4)、低真空计(V3)、第二高真空计(V2)以及第六截止阀(J6)后与所述贮水瓶(6)的出气口相连；所述第一截止阀(J1)和第一高真空计(V1)之间管路与第四截止阀(J4)和低真空计(V3)之间管路由第五截止阀(J5)连接；

所述充装子系统包括蠕动泵(R1)、质量流量计(Z1)、过滤器(G1)、压力传感器(P1)、背压阀(B1)以及4个截止阀；原料水进口处连接第八截止阀(J8)的一端，第八截止阀(J8)的另一端分出两路：其中一路串接第九截止阀(J9)后连接贮水瓶(6)的进水口；另一路依次串接第十截止阀(J10)、蠕动泵(R1)、质量流量计(Z1)、过滤器(G1)、背压阀(B1)、压力传感器(P1)、第十一截止阀(J11)后接入到第二截止阀(J2)和第三截止阀(J3)之间的管路上。

2.如权利要求1所述的一种水升华器工质自动充装系统，其特征在于，所述脱气子系统还包括液位计(Y1)，所述液位计(Y1)通过所述活塞(7)上的开孔深入到活塞(7)下方的贮水瓶(6)的内腔中，用于测量该内腔的工质液位。

3.如权利要求1所述的一种水升华器工质自动充装系统，其特征在于，所述加热装置包括温控计、测温传感器和加热膜片，其中加热膜片和测温传感器分别与温控计相连；所述测温传感器设置在贮水瓶(6)外壁上，用于测量贮水瓶(6)中工质的温度，并将温度发送给温控计；温控计根据接收到的温度向加热膜片发送开始加热或者停止加热命令；所述加热膜片粘结在贮水瓶(6)外壁，根据温控计的命令对贮水瓶(6)进行加热。

4.如权利要求1所述的一种水升华器工质自动充装系统，其特征在于，在所述第三截止阀(J3)远离目标贮箱(5)进水口的一端连接压紧式橡胶密封的充装接口，用于目标贮箱(5)与充装子系统的管道连接。

5.如权利要求1所述的一种水升华器工质自动充装系统，其特征在于，还包括控制子系统，该控制子系统分别与第一高真空计(V1)、第二高真空计(V2)、低真空计(V3)、压力传感器(P1)、质量流量计(Z1)、分子泵(1)、干泵(2)和蠕动泵(R1)相连；

所述控制子系统接收第一高真空计(V1)的数据并与目标贮箱(5)高真空设定值比较，当达到该设定值时，关闭分子泵(1)；

当真空子系统对贮水瓶(6)进行抽真空时，控制子系统接收低真空计(V3)的数据并与贮水瓶(6)真空设定值比较，当达到该设定值时，开启分子泵(1)对贮水瓶(6)进行高真空抽取工作；

当真空子系统对目标贮箱(5)进行抽真空时，控制子系统接收到低真空计(V3)的数据并与目标贮箱(5)低真空设定值比较，当达到该设定值时，开启分子泵(1)对目标贮箱(5)进行高真空抽取工作；

所述控制子系统将接收到的质量流量计(Z1)的数据与质量设定值比较，当达到该设定值时，关闭蠕动泵(R1)；

所述控制子系统实时接收压力传感器(P1)显示的目标贮箱(5)内压力值，在质量流量计(Z1)失效的情况下，当目标贮箱(5)内压力值超过其压力设定值时，控制子系统关闭蠕动泵(R1)。

6.一种基于权利要求1所述的水升华器工质自动充装系统的工质自动充装方法，其特征在于，包括如下5个步骤：

步骤一、对贮水瓶(6)抽高真空：关闭第九截止阀(J9)，摇动手轮(4)，驱动活塞(7)向上运动，打开第四截止阀(J4)、第六截止阀(J6)和启动干泵(2)，对贮水瓶(6)抽真空，当低真空计(V3)的压力达到设定值时，打开第七截止阀(J7)，启动分子泵(1)，继续对贮水瓶(6)抽真空，当第二高真空计(V2)达到设定值时，分别关闭第四截止阀(J4)、第七截止阀(J7)和分子泵(1)；

步骤二、对贮水瓶(6)补水：打开第八截止阀(J8)和第九截止阀(J9)，当低真空计(V3)显示的贮水瓶(6)内真空度达到设定值时，关闭第八截止阀(J8)和第九截止阀(J9)；摇动手轮(4)驱动活塞(7)向上运动，打开第四截止阀(J4)，对贮水瓶(6)抽真空，当低真空计(V3)的压力达到设定值时，重复步骤二的操作，直到贮水瓶(6)中的工质容量达到设定值；

步骤三、对贮水瓶(6)脱气：控制加热装置对贮水瓶(6)进行加热，温度达到设定值时，打开第四截止阀(J4)，开启干泵(2)，当真空度达到设定值时，关闭第六截止阀(J6)和干泵(2)；

步骤四、对目标贮箱(5)抽真空：打开第五截止阀(J5)、第二截止阀(J2)和第三截止阀(J3)，开启干泵(2)，当低真空计(V3)达到设定值时，关闭第四截止阀(J4)和第五截止阀(J5)；开启分子泵(1)、打开第七截止阀(J7)和第一截止阀(J1)，当高真空计达到设定值时，关闭第七截止阀(J7)、第一截止阀(J1)、分子泵(1)和干泵(2)；

步骤五、充装工质：关闭第二截止阀(J2)，打开第九截止阀(J9)、第十截止阀(J10)、第十一截止阀(J11)和蠕动泵(R1)，当质量流量计(Z1)达到设定值时，关闭蠕动泵(R1)及第三截止阀(J3)、第九截止阀(J9)、第十截止阀(J9)和第十一截止阀(J11)。