CN103244820A - 一种用于低温罩地面加注液氮时的防霜隔热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于低温罩地面加注液氮时的防霜隔热装置及方法，属于低温液体加注领域。所述装置包括氮气钢瓶、氮气减压阀、稳压阀、气路转换开关、测温仪、气缸、热电偶、防霜罩、低温罩、电子秤、加注阀、液氮供应容器、氦气调压阀、氦气钢瓶；其中防霜罩采用可拆分式结构，由两个半罩组成，同时安装在防霜罩接缝处两侧的气缸以有一定的分压力使防霜罩紧紧闭合，以防止外界空气进入防霜罩内。另外对低温罩表面通以微正压的氦气进行气体保护，不会在低温罩表面出现气体凝结的现象，防止空气进入防霜罩内。采用本发明的防霜隔热装置及方法，有效地解决了低温罩地面液氮加注过程中出现的结霜问题。

Description

一种用于低温罩地面加注液氮时的防霜隔热装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于低温罩地面加注液氮时的防霜隔热装置及方法，属于低温液体加注领域。

背景技术

在飞行器外部装上一个轻薄的低温罩，利用液氮将低温罩表面温度降到液氮温度，可以降低飞行器外表面的红外辐射强度，从而大大缩短被红外探测器探测到的距离。但是低温罩在地面加注液氮时，表面会吸收水气结霜，如环境湿度较大，表面会过度结霜、严重时甚至结冰。结霜会改变低温罩表面的发射率，影响低温罩表面红外特性。为减少或防止结霜，需要采用防霜隔热措施。要求在地面时可以使低温罩表面不结霜，并使低温罩内液氮损失尽量少，在空间还可实现低温罩与防霜罩的分离。

通常对低温罩采取的防结霜方法有以下三种：

第一种是通干燥氮气对低温罩表面进行保护，但是对于加注液氮的低温罩来说，液氮温度下氮气会冷凝，同样存在低温罩表面结霜的可能。

第二种方案是制作防霜隔热罩，套在低温罩表面进行密封，防霜隔热罩可以采用多层绝热材料、软质泡沫塑料、硬质泡沫塑料进行制作，但这种方法的难点是如何实现防霜罩和低温罩之间的分离。若防霜罩采用拆分式，其接缝处的密封又是一个关键问题。

第三种方法是在低温罩金属表面涂以某种憎水或亲水涂料以阻止和延缓结霜。试验表明：无涂层表面形成膜状凝结速度很快，且很快形成霜生长所需要的冰核；对有憎水涂层表面则始终保持珠状凝结，且形成易倒伏的枝晶容易被吹掉，从而延缓了霜的形成初期；对有亲水涂层表面，由于空气不断溶于液态的亲水溶液中，相当于降低了空气经过冷壁表面的焓湿量，也大大延缓了霜的形成初期，降低了冷壁表面的结霜速率。另外，亲水涂层冷壁表面的凝固点较低，这使亲水涂层的冷壁表面的冰点大大降低，从而起到了抑制和延缓结霜的作用。但是，涂层有可能改变低温罩的红外发射率。

发明内容

为解决飞行器地面加注液氮时的防霜隔热问题，本发明的目的是提供一种地面加注液氮时有效的防霜隔热装置及方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种用于低温罩地面加注液氮时的防霜隔热装置，所述装置包括氮气钢瓶、氮气减压阀、稳压阀、气路转换开关、测温仪、气缸、热电偶、防霜罩、低温罩、电子秤、加注阀、液氮供应容器、氦气调压阀、氦气钢瓶；

上述组成部件之间的连接关系为：

低温罩底部为金属法兰，低温罩外部设有热电偶，所述热电偶与测温仪连接，对低温罩温度进行监测；

低温罩底部对称设有2个加注口，液氮供应容器通过加注阀与2个加注口分别连接；

在低温罩外部套有防霜罩，低温罩和防霜罩之间留有空隙；所述防霜罩由两个半罩组成，两个半罩分别通过合页与低温罩底部的金属法兰连接，在防霜罩外壁的接缝口两侧各自对称设有两个气缸；所述气缸上下各开有一个进气口，气缸内设有气杆；上进气口进气时气杆回收，下进气口进气时气杆伸长；气缸开有下进气口的一端通过铰链与金属法兰连接，开有上进气口的一端固定在防霜罩上；当防霜罩闭合时，气缸与竖直方向的夹角为15～20°；将低温罩和防霜罩作为整体置于电子称上；

氮气钢瓶位于低温罩的一侧，氮气钢瓶的出气口依次通过氮气减压阀、稳压阀和气路转换开关后分为两路，一路分别与四个气缸的上进气口连接，另一路分别与四个气缸的下进气口连接；通过气路转换开关控制四个气缸的进气和排气，从而控制防霜罩的闭合和开启；

所述转换开关有三种状态，当位于左侧时，气缸的下进气口进气，气杆伸长，防霜罩开启；当位于右侧时，气缸的上进气口进气，气杆回收，防霜罩闭合；当转换开关处于中间位置时，气缸中的压力与大气压相等，气杆处于平衡状态，防霜罩维持开启或闭合状态；

氦气钢瓶位于低温罩的另一侧，氦气钢瓶的出气口通过氦气调压阀后进入防霜罩，并与防霜罩和低温罩之间的空隙相通；优选所述空隙的径向宽度为10～20mm，

其中，优选防霜罩外壁为一层铝合金外壳，内壁衬一层厚30mm的高效隔热材料（硬质聚胺酯泡沫），在两个半罩的接缝处设有密封条。

一种用于低温罩地面加注液氮时的防霜隔热方法，所述方法具体步骤如下：

在操作开始前，所有阀门及气路转换开关均处于关闭状态。

步骤一、依次打开氮气减压阀、稳压阀，将气路转换开关置于右侧，使氮气从气缸的上进气口进入，维持气缸内的氮气压力为0.1～0.2MPa，使防霜罩紧闭；

步骤二、打开氦气调压阀，将氦气气压调至0.03～0.15MPa，氦气进入防霜罩和低温罩之间的空隙，使防霜罩内部的氦气处于微正压；

步骤三、打开液氮供应容器上的加注阀，向低温罩内加注液氮，通过电子称判断液氮是否加满；当液氮加满并维持一段时间后，将气路转换开关处于左侧，氮气从气缸下进气口进入，防霜罩自动开启，观察低温罩表面是否结霜。

如果没有结霜，说明本次试验有效；

如果结霜，重复步骤一～三，直至低温罩表面观察不到结霜现象。

有益效果

本发明采用高效隔热材料作为防霜隔热罩，防霜罩采用可拆分式结构，由两个半罩组成，在其接缝处粘有密封条，同时安装在防霜罩接缝处两侧的气缸以有一定的分压力使防霜罩紧紧闭合，以防止外界空气进入防霜罩内。另外对低温罩表面通以微正压的氦气进行气体保护，由于氦气的沸点温度为4K，大大低于液氮温度77K，所以不会在低温罩表面出现气体凝结的现象，同时由于氦气压力稍微外界的空气压力，不至于将防霜罩撑开，但又防止了空气进入防霜罩内。采用本发明的防霜隔热装置及方法，有效地解决了低温罩地面液氮加注过程中出现的结霜问题。

附图说明

图1为本发明所述的用于地面加注液氮时的防霜隔热装置的结构示意图，其中防霜罩处于闭合状态；

图2为本发明所述的用于地面加注液氮时的防霜隔热装置的结构示意图，其中防霜罩处于打开状态；

其中，1-氮气钢瓶、2-氮气减压阀、3-稳压阀、4-气路转换开关、5-测温仪、6-气缸、7-热电偶、8-防霜罩、9-低温罩、10-电子秤、11-低温加注接头、12-加注阀、13-液氮供应容器、14-氦气调压阀、15-氦气钢瓶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示的一种用于低温罩地面加注液氮时的防霜隔热装置，所述装置包括氮气钢瓶1、氮气减压阀2、稳压阀3、气路转换开关4、测温仪5、气缸6、热电偶7、防霜罩8、低温罩9、电子秤10、低温加注接头11、加注阀12、液氮供应容器13、氦气调压阀14、氦气钢瓶15；

上述组成部件之间的连接关系为：

低温罩9底部为金属法兰，低温罩9外部竖直方向均匀粘贴有8个热电偶7，所述热电偶7从防霜罩8的接缝底部通过引线，与测温仪5连接；热电偶7测的是低温罩9的温度

低温罩9底部对称设有2个加注口，在加注口上设有低温加注接头11，两个低温加注接头11采用一路加注管路，液氮供应容器13通过加注阀12与2个加注口分别连接；

在低温罩9外部套有防霜罩8，低温罩9和防霜罩8之间留有空隙；所述防霜罩8由两个半罩组成，两个半罩分别通过合页与低温罩9底部的金属法兰连接，在防霜罩8外壁的接缝口两侧各自对称设有两个气缸6；所述气缸6上下各开有一个进气口，气缸6内设有气杆；上进气口进气时气杆回收，下进气口进气时气杆伸长；气缸6开有下进气口的一端通过铰链与金属法兰连接，开有上进气口的一端固定在防霜罩8上；当防霜罩8闭合时，气缸6与竖直方向的夹角为15～20°；将低温罩9和防霜罩8作为整体置于电子称10上；

氮气钢瓶1位于低温罩9的一侧，氮气钢瓶1的出气口依次通过氮气减压阀2、稳压阀3和气路转换开关4后分为两路，一路分别与四个气缸6的上进气口连接，另一路分别与四个气缸6的下进气口连接；通过气路转换开关控制四个气缸6的进气和排气，从而控制防霜罩8的闭合和开启；

所述气路转换开关4有三种状态，当位于左侧时，气缸6的下进气口进气，气杆伸长，防霜罩8开启；当位于右侧时，气缸6的上进气口进气，气杆回收，防霜罩8闭合；当转换开关4处于中间位置时，气缸6中的压力与大气压相等，气杆处于平衡状态，防霜罩8维持开启或闭合状态；

氦气钢瓶15位于低温罩9的另一侧，氦气钢瓶15的出气口通过氦气调压阀14后进入防霜罩8，并与防霜罩8和低温罩9之间的空隙相通；所述空隙的径向宽度为10～20mm，

其中，优选防霜罩8外壁为一层铝合金外壳，内壁衬一层厚30mm的硬质聚胺酯泡沫，在两个半罩的接缝处设有密封条。

各部分的作用如下：

氮气钢瓶1：用于在进行液氮加注期间及加注后向低温罩9提供纯度不低于99%，压力不低于0.1MPa的氮气；

氮气减压阀2：用于控制氦气钢瓶1向低温罩9充氦气时的压力；

稳压阀3：用于维持氦气钢瓶1向低温罩9充氦气时的压力恒定；

气路转换开关4：用于控制进入气缸6的气路方向；

测温仪5：用于显示低温罩9的表面温度；

气缸6：用于控制防霜罩8的开启和闭合；

热电偶7：用于作为温度传感器，测量低温罩,9的表面温度；

防霜罩8：用于套在低温罩9外表面，防止低温罩9加注液氮期间及加注后结霜；

低温罩9：用于模拟套在飞行器外部的低温夹层容器；

电子秤10：用于称量低温罩9内的液氮量，计算蒸发量；

低温加注接头11：用于低温罩9和加注阀12之间管路的导通和断开；

加注阀12：用于低温加注接头1113和液氮供应容器13之间管路的导通和断开；

液氮供应容器13：用于提供向低温罩9内所加注的液氮；

氦气调压阀14：调节进入低温罩9和防霜罩8间隙的氦气压力；

氦气钢瓶15：用于向防霜罩8内提供氦气。

所述防霜罩9外壁是一层铝合金外壳，内壁衬一层厚30mm的高效隔热材料，防霜罩9内壁和低温罩10外表面相似，之间有5mm间隙。

一种用于低温罩地面加注液氮时的防霜隔热方法，所述方法具体步骤如下：

在操作开始前，所有阀门及气路转换开关4均处于关闭状态。

步骤一、依次打开氮气减压阀2、稳压阀3，将气路转换开关4置于右侧，使氮气从气缸6的上进气口进入，维持气缸6内的氮气压力为0.1MPa，使防霜罩8紧闭；

步骤二、打开氦气调压阀14，将氦气气压调至0.02MPa，氦气进入防霜罩8和低温罩9之间的空隙，使防霜罩8内部的氦气处于微正压；

步骤三、打开液氮供应容器13上的加注阀，向低温罩9内加注液氮，通过电子称10判断液氮是否加满；当液氮加满并维持一段时间后，将气路转换开关4处于左侧，氮气从气缸6下进气口进入，防霜罩8自动开启，观察低温罩9表面是否结霜。

如果没有结霜，说明本次试验有效；

如果结霜，重复步骤一～三，直至低温罩9表面观察不到结霜现象。

综上所述，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)

1.一种用于低温罩地面加注液氮时的防霜隔热装置，其特征在于：所述装置包括氮气钢瓶（1）、氮气减压阀（2）、稳压阀（3）、气路转换开关（4）、测温仪（5）、气缸（6）、热电偶（7）、防霜罩（8）、低温罩（9）、电子秤（10）、加注阀（12）、液氮供应容器（13）、氦气调压阀（14）、氦气钢瓶（15）；

上述组成部件之间的连接关系为：

低温罩（9）底部为金属法兰，低温罩（9）外部设有热电偶（7），所述热电偶（7）与测温仪（5）连接；

低温罩（9）底部对称设有2个加注口，液氮供应容器（13）通过加注阀（12）与2个加注口分别连接；

在低温罩（9）外部套有防霜罩（8），低温罩（9）和防霜罩（8）之间留有空隙；所述防霜罩（8）由两个半罩组成，两个半罩分别通过合页与低温罩（9）底部的金属法兰连接，在防霜罩（8）外壁的接缝口两侧各自对称设有两个气缸（6）；所述气缸（6）上下各开有一个进气口，气缸（6）内设有气杆；上进气口进气时气杆回收，下进气口进气时气杆伸长；气缸（6）开有下进气口的一端通过铰链与金属法兰连接，开有上进气口的一端固定在防霜罩（8）上；将低温罩（9）和防霜罩（8）作为整体置于电子称（10）上；

氮气钢瓶（1）位于低温罩（9）的一侧，氮气钢瓶（1）的出气口依次通过氮气减压阀（2）、稳压阀（3）和气路转换开关（4）后分为两路，一路分别与四个气缸（6）的上进气口连接，另一路分别与四个气缸（6）的下进气口连接；通过气路转换开关控制四个气缸（6）的进气和排气，从而控制防霜罩（8）的闭合和开启；

氦气钢瓶（15）位于低温罩（9）的另一侧，氦气钢瓶（15）的出气口通过氦气调压阀（14）后进入防霜罩（8），并与防霜罩（8）和低温罩（9）之间的空隙相通。

2.根据权利要求1所述的一种用于低温罩地面加注液氮时的防霜隔热装置，其特征在于：所述气路转换开关（4）有三种状态，当位于左侧时，气缸（6）的下进气口进气，气杆伸长，防霜罩（8）开启；当位于右侧时，气缸（6）的上进气口进气，气杆回收，防霜罩（8）闭合；当转换开关（4）处于中间位置时，气缸（6）中的压力与大气压相等，气杆处于平衡状态，防霜罩（8）维持开启或闭合状态。

3.根据权利要求1所述的一种用于低温罩地面加注液氮时的防霜隔热装置，其特征在于：当防霜罩（8）闭合时，气缸（6）与竖直方向的夹角为15～20°。

4.根据权利要求1所述的一种用于低温罩地面加注液氮时的防霜隔热装置，其特征在于：防霜罩（8）和低温罩（9）之间空隙的径向宽度为10～20mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于低温罩地面加注液氮时的防霜隔热装置，其特征在于：防霜罩（8）外壁为一层铝合金外壳，内壁衬有隔热材料，在两个半罩的接缝处设有密封条。

6.一种用于低温罩地面加注液氮时的防霜隔热方法，所述方法使用如权利要求1所述的一种用于低温罩地面加注液氮时的防霜隔热装置，其特征在于：具体步骤如下：

在操作开始前，所有阀门及气路转换开关（4）均处于关闭状态。

步骤一、依次打开氮气减压阀（2）、稳压阀（3），将气路转换开关（4）置于右侧，使氮气从气缸（6）的上进气口进入，维持气缸（6）内的氮气压力为0.1～0.2MPa，使防霜罩（8）紧闭；

步骤二、打开氦气调压阀（14），将氦气气压调至0.03～0.15MPa，氦气进入防霜罩（8）和低温罩（9）之间的空隙，使防霜罩（8）内部的氦气处于微正压；

步骤三、打开液氮供应容器（13）上的加注阀，向低温罩（9）内加注液氮，通过电子称（10）判断液氮是否加满；当液氮加满后，将气路转换开关（4处于左侧，氮气从气缸（6）下进气口进入，防霜罩（8）自动开启，观察低温罩（9）表面是否结霜；

如果没有结霜，说明本次试验有效；

如果结霜，重复步骤一～三，直至低温罩（9）表面观察不到结霜现象。

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