CN103612776A - 一种喷淋式氮气调温器 - Google Patents

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Abstract

本发明通过一种喷淋式氮气调温器，将液氮供液管路供应的液氮通过喷嘴喷淋进入内容器，与内容器内的常温微正压氮气进行热交换，使氮气出口温度降低并稳定在设定的目标温度。本发明将液氮液滴与内容器内的氮气进行充分的混合换热，最大限度的利用了液氮的制冷功效。同时，通过氮气出口温度反馈控制液氮调节阀的开度，从而有效控制喷淋进入内容器内的液氮量，即可精确控制氮气的出口温度，控制方案简便易行。

Description

一种喷淋式氮气调温器
技术领域
本发明涉及航天器真空热试验技术领域，具体来说，涉及一种氮气调温器。
背景技术
航天器在轨运行时，空间环境呈周期性剧烈变化。巨大的温差使得航天器上许多部件发生较为严重的热变形，因此需要空间环境模拟器提供大温差背景温度的模拟环境。同时航天器上有多种大型柔性结构，为验证这些结构在空间环境下的工作性能，也需要在空间环境模拟器中进行结构展开试验。目前空间环境模拟器常规配置的液氮系统与红外热流模拟装置相结合的试验方法无法满足上述两项特殊试验的试验要求。
因此，为了克服上述不足，需要设计出一种可以符合上述特殊试验要求的控制温度的装置。
发明内容
本发明主要通过设计一种喷淋式氮气调温器，实现了对氮气出口温度的精确控制。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种喷淋式氮气调温器，包括外容器、内容器、氮气进气口组件、氮气排气口组件、喷淋口组件、泄放口组件、压力控制阀、液氮调节阀、氮气排气温度传感器、调温器上部温度传感器、调温器下部温度传感器、安全阀、支腿、喷嘴、液氮供液管路、液氮排液管路以及泄放阀，其中，所述压力控制阀和氮气排气温度传感器安装在氮气排气口组件上，液氮调节阀安装在液氮供液管路上，喷嘴与液氮供液管路连接，泄放阀安装在液氮排液管路上。
更具体的，所述喷淋式氮气调温器还包括均气板组件。
更具体的，所述均气板组件包括上压片、下压片、金属丝网、安装环以及销钉，安装环上均布有销钉孔。
更具体的，所述上压片、下压片、金属丝网、安装环的材质均为0Cr18Ni9。
更具体的，所述外容器由外容器上封头、外容器直筒段、外容器下封头组合而成，并且，所述外容器还具有外容器氮气排气口开孔，外容器氮气进气口开孔，外容器真空抽气接口，外容器温度传感器开孔，外容器泄放口组件安装孔以及喷淋口组件安装孔。
更具体的，所述内容器由内容器上封头、内容器直筒段、内容器下封头组合而成，并且，所述内容器还具有内容器氮气排气口开孔，内容器氮气进气口开孔，内容器温度传感器开孔，内容器安全阀口开孔、内容器泄放口组件安装孔以及喷嘴安装口。
更具体的，所述氮气进气口组件包括氮气进气口对接法兰、连接管、进气口波纹管以及过渡板，连接管一端与氮气进气口对接法兰连接，另一端穿过过渡板插入内容器氮气进气口开孔，进气口波纹管一端与过渡板连接，另一端插入外容器氮气进气口开孔，过渡板一端与进气口波纹管连接，另一端与连接管的外壁连接。
更具体的，所述氮气排气口组件包括氮气排气口对接法兰、连接管、排气口波纹管、过渡板、排气温度传感器安装接口以及压力控制阀安装接口，连接管一端与氮气排气口对接法兰连接，另一端穿过过渡板插入内容器氮气排气口开孔，排气口波纹管一端与过渡板连接，另一端插入外容器氮气排气口开孔，过渡板一端与排气口波纹管连接，另一端与连接管的外壁连接。
更具体的，喷淋口组件包括喷嘴安装对接法兰、过渡板、喷淋口组件波纹管、喷嘴安装口连接管、螺栓、安全阀安装座以及安全阀安装口接管，喷嘴安装口连接管一端与喷嘴安装对接法兰连接，另一端穿过过渡板插入内容器的喷嘴安装口，安全阀安装口接管一端与安全阀安装座连接，另一端穿过过渡板插入内容器安全阀口开孔，喷淋口组件波纹管一端与过渡板连接，另一端插入外容器的喷淋口组件安装孔，过渡板一端与喷淋口组件波纹管连接，另一端与喷嘴安装口连接管以及安全阀安装口接管的外壁连接，喷嘴安装对接法兰通过螺栓与喷嘴安装固定，安全阀通过螺纹连接安装于安全阀安装座。
更具体的，所述泄放口组件包括波纹管、过渡板、泄放口对接法兰、连接管以及螺栓，连接管一端与泄放口对接法兰连接，另一端穿过过渡板插入内容器泄放口组件安装孔，泄放口波纹管一端与过渡板连接，另一端插入外容器泄放口组件安装孔，过渡板一端与泄放口波纹管连接，另一端与连接管的外壁连接，液氮排液管路通过螺栓与泄放口对接法兰紧固连接。
本发明具有如下的有益效果：
本发明通过喷嘴将一定压力和流量的液氮喷射到调温器内一定压力和流量的常温氮气中，使液氮液滴分散并碎裂成微米级小颗粒的雾化液滴，与常温氮气进行充分换热，使调温器出口氮气温度降低。通过液氮控制阀控制喷射进入调温器的液氮量，来控制与常温氮气进行热交换的液氮雾化液滴量，从而精确控制调温器出口氮气温度在-173℃到0℃范围内定点可调。
附图说明
图1为本发明的喷淋式氮气调温器的结构主视图；
图2为本发明的喷淋式氮气调温器工作流程图；
图3为本发明的喷淋式氮气调温器内外容器结构主视图；
图4为本发明的喷淋式氮气调温器内外容器结构的俯视图；
图5为本发明的喷淋式氮气调温器氮气进气口组件的结构图；
图6为本发明的喷淋式氮气调温器氮气排气口组件的结构图；
图7为本发明的喷淋式氮气调温器均气板组件的结构图；
图8为本发明的喷淋式氮气调温器喷淋口组件的结构图；
图9为本发明的喷淋式氮气调温器泄放口组件的结构图。
具体实施方式
图1为本发明喷淋式氮气调温器结构主视图，包括外容器11、内容器12、氮气进气口组件13、氮气排气口组件14、均气板组件15、喷淋口组件16、泄放口组件17、压力控制阀18、液氮调节阀19、氮气排气温度传感器110、调温器上部温度传感器111、调温器下部温度传感器112、安全阀113、支腿114、喷嘴115、液氮供液管路116、液氮排液管路117、真空抽气接口118、泄放阀119。
图3为本发明的喷淋式氮气调温器内外容器结构主视图，图4为本发明的喷淋式氮气调温器内外容器结构俯视图。内容器11由内容器上封头31、内容器直筒段32、内容器下封头33三部分焊接组装而成；以距离内容器直筒段32最顶端180mm为中心，方位90°，开有内容器氮气排气口开孔，以距离内容器直筒段32最底端180mm为中心，方位270°，开有内容器氮气进气口开孔，以距离内容器直筒段32最顶端460mm、910mm为中心，方位270°，分别开有内容器温度传感器开孔，内容器上封头31跨中均布喷嘴安装口4个，安装口中心距为Φ350mm，内容器上封头31中心开有安全阀口开孔1个，内容器下封头33中心开有泄放口组件安装孔1个。
外容器12由外容器上封头34、外容器直筒段35、外容器下封头36三部分焊接组装而成，外容器12上还设置支腿114，以距离外容器直筒段35最顶端223mm为中心，方位90°，开有外容器氮气排气口开孔，以距离外容器直筒段35最底端223mm为中心，方位270°，开有外容器氮气进气口开孔，以距离外容器直筒段35最底端80mm中心，方位270°，安装有外容器真空抽气接口118，内外容器间抽真空，以距离外容器直筒段35最顶端500mm、1050mm为中心，方位270°，分别开有外容器温度传感器开孔，外容器下封头36中心开有泄放口组件安装孔1个，外容器上封头34中心开有喷淋口组件安装孔1个。
图5为本发明的喷淋式氮气调温器氮气进气口组件13结构图，包括氮气进气口对接法兰51、连接管52、进气口波纹管53、过渡板54。连接管52一端与氮气进气口对接法兰51焊接，另一端穿过过渡板54插入内容器直筒段32上的进气口开孔，并与内容器直筒段32焊接。进气口波纹管53一端与过渡板54焊接，另一端插入外容器直筒段35上的进气口开孔，并与外容器直筒段35焊接。过渡板54一端与进气口波纹管53焊接后，另一端与连接管52的外壁焊接。温度为常温（约+25℃）、压力为微正压（表压约14kPa）的氮气，通过氮气进气口组件13进入氮气调温器内容器12。
图6为本发明的喷淋式氮气调温器氮气排气口组件14结构图，包括氮气排气口对接法兰61、连接管62、排气口波纹管63、过渡板64、排气温度传感器安装接口65、压力控制阀安装接口66。连接管62一端与氮气排气口对接法兰61焊接，另一端穿过过渡板64插入内容器直筒段32上的排气口开孔，并与内容器直筒段32焊接。排气口波纹管63一端与过渡板64焊接，另一端插入外容器直筒段35上的排气口开孔，并与外容器直筒段35焊接。过渡板64一端与排气口波纹管63焊接后，另一端与连接管62的外壁焊接。以距离排气口对接法兰最外侧55mm、105mm为中心，分别焊接排气温度传感器安装接口65、压力控制阀安装接口66，以用于氮气排气温度传感器110、压力控制阀18的安装。温度为设定目标温度（可在-173℃到0℃范围内任意设定）、压力为微正压（表压约12kPa）的氮气，通过氮气排气口组件14排出氮气调温器内容器12。
图7为本发明的喷淋式氮气调温器均气板组件15结构图，包括上压片71、下压片72、金属丝网73、安装环74、销钉75。上压片71、下压片72、金属丝网73材质为0Cr18Ni9，按照内容器12的有效内径上压片71、下压片72裁剪为圆环形，金属丝网73裁剪为圆形，利用上压片71、下压片72将金属丝网73夹在中间压紧后边缘焊接，使其固定在一起。安装环74材质为0Cr18Ni9，采用扁钢按照内容器12的有效内径拼焊成圆环形，然后在距离内容器直筒段32最顶端1394mm处，焊接于内容器12内壁，安装环74上均布有4个销钉孔，通过销钉75将上压片71、下压片72、金属丝网73的焊接组装件安装于安装环74上。液氮通过喷嘴115喷射形成的分散、碎裂的微米级小颗粒雾化液滴，由上至下撞击至均气板组件15上，进一步分散、破碎，通过氮气进气口组件13进入内容器12的常温氮气自下而上经过均气板组件15，加强了气流的扰动，从而使液氮雾化液滴与氮气混合的更加充分，有效地提高了换热效率。
图8为本发明的喷淋式氮气调温器喷淋口组件16结构图，包括喷嘴安装对接法兰81、过渡板82、喷淋口组件波纹管83、喷嘴安装口连接管84、螺栓85、安全阀安装座86、安全阀安装口接管87。喷嘴安装口连接管84一端与喷嘴安装对接法兰81焊接，另一端穿过过渡板82插入内容器上封头31上的喷嘴安装口，并与内容器上封头31焊接。喷淋口组件波纹管83一端与过渡板82焊接，另一端插入外容器上封头34上的喷淋口组件安装孔，并与外容器上封头34焊接。安全阀安装口接管87一端与安全阀安装座86焊接，另一端穿过过渡板82插入内容器上封头31上的安全阀口开孔，并与内容器上封头31焊接。过渡板82一端与喷淋口组件波纹管83焊接后，另一端与喷嘴安装口连接管84以及安全阀安装口接管87的外壁焊接。喷嘴安装对接法兰81通过螺栓85与喷嘴115安装固定，液氮供液管路116与喷嘴115上的液氮管路焊接连接。安全阀113通过螺纹连接安装于安全阀安装座86。高压过冷液氮通过液氮调节阀19调节流量后，由液氮供液管路116提供喷嘴115喷射进入内容器12，与通过氮气进气口组件13进入氮气调温器内容器12的常温微正压氮气进行热交换。
图9为本发明的喷淋式氮气调温器泄放口组件17结构图，包括波纹管91、过渡板92、泄放口对接法兰93、连接管94、螺栓95。连接管94一端与泄放口对接法兰93焊接，另一端穿过过渡板92插入内容器下封头33上的泄放口组件安装孔，并与内容器下封头33焊接。泄放口波纹管91一端与过渡板92焊接，另一端插入外容器下封头36上的泄放口组件安装孔，并与外容器下封头36焊接。过渡板92一端与泄放口波纹管91焊接后，另一端与连接管94的外壁焊接。液氮排液管路117通过螺栓95与泄放口对接法兰93紧固连接，内容器12内残余的氮气或液氮通过泄放阀119排放到室外。
图2为本发明喷淋式氮气调温器工作流程图，其工作流程如下：温度为常温（约+25℃）、压力为微正压（表压约4kPa）的氮气进入氮气调温器内容器12，通过氮气排气口组件排出，氮气排气温度传感器110测得出口氮气温度高于设定温度（可在-173℃到0℃范围内任意设定），反馈控制液氮调节阀19的开度，将液氮供液管路供应的高压（表压约0.6MPa）过冷液氮（温度约-180℃）通过喷嘴115喷淋进入内容器12，与内容器12内的常温微正压氮气进行热交换，使氮气出口温度降低并稳定在设定的目标温度。本发明充分利用了液氮的汽化潜热，通过喷嘴115，将液氮液滴分散并碎裂成微米级小颗粒的雾化液滴，使之与内容器12内的氮气进行充分的混合换热，最大限度的利用了液氮的制冷功效。同时，通过氮气出口温度反馈控制液氮调节阀19的开度，从而有效控制喷淋进入内容器12内的液氮量，即可精确控制氮气的出口温度，控制方案简便易行。同时内容器12内的氮气压力可通过压力控制阀18进行控制，内容器12内的压力超过压力控制阀18的设定值时，压力控制阀18自动打开，当内容器12内的压力回复至低于压力控制阀18的设定值时，压力控制阀18自动关闭。内容器12中有液氮或氮气残留时，打开泄放阀119，将液氮或氮气排出即可。
尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (10)

1.一种喷淋式氮气调温器，其特征在于，包括外容器(11)、内容器(12)、氮气进气口组件(13)、氮气排气口组件(14)、喷淋口组件(16)、泄放口组件(17)、压力控制阀(18)、液氮调节阀(19)、氮气排气温度传感器(110)、调温器上部温度传感器(111)、调温器下部温度传感器(112)、安全阀(113)、喷嘴(115)、液氮供液管路(116)、液氮排液管路(117)以及泄放阀(119)，其中，所述压力控制阀(18)和氮气排气温度传感器(110)安装在氮气排气口组件(14)上，液氮调节阀(19)安装在液氮供液管路(116)上，喷嘴(115)与液氮供液管路(116)连接，泄放阀(119)安装在液氮排液管路(117)上。
2.如权利要求1所述的喷淋式氮气调温器，其特征在于，所述喷淋式氮气调温器还包括均气板组件(15)。
3.如权利要求2所述的喷淋式氮气调温器，其特征在于，所述均气板组件(15)包括上压片(71)、下压片(72)、金属丝网(73)、安装环(74)以及销钉(75)，安装环(74)上均布有销钉孔。
4.如权利要求3所述的喷淋式氮气调温器，其特征在于：所述上压片(71)、下压片(72)、金属丝网(73)、安装环(74)的材质均为0Cr18Ni9。
5.如权利要求1所述的喷淋式氮气调温器，其特征在于，所述外容器(11)由外容器上封头(34)、外容器直筒段(35)、外容器下封头(36)组合而成，并且，所述外容器(11)还具有外容器氮气排气口开孔，外容器氮气进气口开孔，外容器真空抽气接口(118)，外容器温度传感器开孔，外容器泄放口组件安装孔以及喷淋口组件安装孔。
6.如权利要求5所述的喷淋式氮气调温器，其特征在于，所述内容器(12)由内容器上封头(31)、内容器直筒段(32)、内容器下封头(33)组合而成，并且，所述内容器(12)还具有内容器氮气排气口开孔，内容器氮气进气口开孔，内容器温度传感器开孔，内容器安全阀口开孔、内容器泄放口组件安装孔以及喷嘴安装口。
7.如权利要求6所述的喷淋式氮气调温器，其特征在于，所述氮气进气口组件(13)包括氮气进气口对接法兰(51)、连接管(52)、进气口波纹管(53)以及过渡板(54)，连接管(52)一端与氮气进气口对接法兰(51)连接，另一端插入内容器氮气进气口开孔，进气口波纹管(53)一端与过渡板(54)连接，另一端插入外容器氮气进气口开孔，过渡板(54)一端与进气口波纹管(53)连接，另一端与连接管(52)的外壁连接。
8.如权利要求6所述的喷淋式氮气调温器，其特征在于，所述氮气排气口组件(14)包括氮气排气口对接法兰(61)、连接管(62)、排气口波纹管(63)、过渡板(64)、排气温度传感器安装接口(65)以及压力控制阀安装接口(66)，连接管(62)一端与氮气排气口对接法兰(61)连接，另一端穿过过渡板(64)插入内容器氮气排气口开孔，排气口波纹管(63)一端与过渡板(64)连接，另一端插入外容器氮气排气口开孔，过渡板(64)一端与排气口波纹管(63)连接，另一端与连接管(62)的外壁连接。
9.如权利要求6所述的喷淋式氮气调温器，其特征在于，喷淋口组件(16)包括喷嘴安装对接法兰(81)、过渡板(82)、喷淋口组件波纹管(83)、喷嘴安装口连接管(84)、螺栓(85)、安全阀安装座(86)以及安全阀安装口接管(87)，喷嘴安装口连接管(84)一端与喷嘴安装对接法兰(81)连接，另一端插入内容器的喷嘴安装口，喷淋口组件波纹管(83)一端与过渡板(82)连接，另一端插入外容器的喷淋口组件安装孔，过渡板(82)一端与喷淋口组件波纹管(83)连接，另一端与喷嘴安装口连接管(84)的外壁连接，安全阀安装口连接管(87)一端与安全阀安装座(86)连接，另一端插入内容器安全阀口开孔，喷嘴安装对接法兰(81)通过螺栓(85)与喷嘴(115)安装固定，安全阀(113)通过螺纹连接安装于安全阀安装座(86)。
10.如权利要求6所述的喷淋式氮气调温器，其特征在于，所述泄放口组件(17)包括波纹管(91)、过渡板(92)、泄放口对接法兰(93)、连接管(94)以及螺栓(95)，连接管(94)一端与泄放口对接法兰(93)连接，另一端插入内容器泄放口组件安装孔，泄放口波纹管(91)一端与过渡板(92)连接，另一端插入外容器泄放口组件安装孔，过渡板(92)一端与泄放口波纹管(91)连接，另一端与连接管(94)的外壁连接，液氮排液管路(117)通过螺栓(95)与泄放口对接法兰(93)紧固连接。
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