CN104503505B - 一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统，该系统包括循环风机、气体排空口、三通道回热器、水冷换热器、液氮流量控制阀、液氮储槽、液氮换热器、加热器、加热截止阀、制冷截止阀、通用截止阀、汽化器、热沉、传感器及管路。系统采用氮气或空气等气体作为循环工质，通过循环风机使气体在密闭循环系统管道中进行循环，循环气体对热沉等被控温部件进行冷却或加热，循环气体在高温循环时采用加热器对气体进行加热控温，在低温循环时采用液氮对气体进行冷却控温；采用回热原理，利用三通道回热器对流出热沉等被控温部件的气体的冷量或热量进行回收；既使热沉等被控温部件从‑173℃～+200℃宽范围调温，又能降低流程能耗和运行成本。

Description

一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统

技术领域

本发明涉及一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统，该系统可用于空间环境模拟试验设备温度环境实现的控温系统，对环境模拟设备热沉从-173℃～200℃进行精确控温；也可用于制冷、化工等需要加热和制冷的领域。

背景技术

空间环境模拟试验设备是模拟外太空空间真空和高低温环境的设备，其高低温环境由具有一定温度的热沉通过辐射热交换实现。为了获得高低温环境，就必须将热沉控制在所需的特定温度，这就需要通过各种控温流程的工作对热沉温度进行控制。

根据热沉及空间环境模拟试验设备要求的温度区间不同，目前采用的各种控温系统包括液氮循环控温、蒸汽压缩循环制冷控温、气体调温等。液氮循环控温只能在100K附近对热沉实现控温，蒸汽压缩循环制冷控温能够实现-70℃至120℃范围对热沉的控温。但在许多情况下，空间环境模拟试验温度需要从-173℃～+150℃十分宽的范围内变化，液氮、压缩制冷流程均很难满足这种需求，而氮气、空气等气体作为循环工质，在-173℃～+150℃范围内可以稳定可靠工作，这就是气体调温。但现有的气体调温系统为开式循环，气体从热沉出口直排到大气，冷量消耗和加热电耗都很大，很不经济且还存在升降温速率小等缺点。

发明内容

针对现有调温系统的缺点，本发明所要解决的技术问题是：提供一种空间环境模拟试验设备热沉调温系统，该系统可用于对环境模拟设备热沉从-173℃～200℃进行宽范围精确控温；系统也可用于制冷、化工等需要加热和制冷的领域。

系统采用氮气或空气等气体作为循环工质，通过循环风机使气体在密闭循环系统管道中进行循环，循环气体对热沉等被控温部件进行冷却或加热，使热沉等被控温部件从-173℃～+200℃宽范围调温；循环气体在高温循环时采用加热器对气体进行加热控温，在低温循环时采用液氮对气体进行冷却控温；系统采用了回热原理，利用三通道回热器(一种换热器)对流出热沉等被控温部件的气体的冷量或热量进行回收，降低流程能耗和运行成本；同时，回热器的使用，使得进入循环风机的气体处于常温状态，循环风机在常温下工作，改善了风机的使用环境，提高了风机的运行可靠性；密闭循环气体在大于1kg/cm²(绝对压力)的压力状态运行，使得循环气体的密度和雷诺数(Re)增大，从而增大了换热系数，提高了热沉等被控温部件的升降温速率，更好地满足空间环境模拟试验的需求。

系统的工作过程为：

(1)加热循环过程

流出热沉或其他被控温结构的低压返流高温气体在三通道回热器中与从循环风机来的常温气体换热，返流气降至常温后进入循环风机增压，循环风机输出的增压气体经过水冷换热器，压缩热被冷却水带走，降低温度后进入三通道回热器，与热沉出来的高温气体进行热交换，回收低压返流气体热量，增压气体温度又升至与流出热沉时接近的温度，通过加热截止阀进入加热器，加热至所需温度后进入热沉，对热沉进行加热，完成循环。

如此不断循环，通过控制进入热沉气体的温度，满足对热沉温度控制要求。

本循环利用回热原理充分回收返流气的热量，以降低加热功率；且返流气通过换热器回热后，温度从热沉出口的高温降到常温，以满足压气机对进气温度的要求。

流程启动前，开启汽化器通过对循环管路进行充气，使管道内气体压力达到所需值：绝对压力大于1kg/cm²，小于8kg/cm²。另外，在流程工作过程中，管路可能会存在气体微漏致使循环压力下降，此时汽化器可对循环管路补气。

(2)制冷循环过程

流出热沉或其他被控温结构的低压返流低温气体在三通道回热器中与从循环风机来的常温增压气体换热，返流气升至常温后进入循环风机增压，循环风机输出的增压气体经过水冷换热器，压缩热被冷却水带走，降低温度后进入三通道回热器，与热沉出来的低温气体以及液氮换热器流出的低温气体进行热交换，回收低压返流气体冷量，增压气体温度又降至与流出热沉时接近的温度，通过制冷截止阀进入液氮换热器，利用液氮的潜热和显热对气体降温，通过控制进入液氮换热器的液氮流量控制被冷却气体的温度，被冷却至所需温度后进入热沉，对热沉进行冷却至所需温度，完成循环。

进入液氮换热器作为冷源的液氮通过流量控制阀控制流量，液氮升温汽化后流入三通道回热器回收冷量，最后以常温常压状态气体排出三通道回热器并从气体排空口排空，使冷量得到充分利用。

如此不断循环，通过控制进入热沉气体的温度，满足对热沉温度控制要求。

本循环利用回热原理充分回收返流气的冷量，并且在气体循环的常温段进行气体排空以减少冷量损失，以降低液氮的消耗量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统，包括循环风机、排空口、三通道回热器、水冷换热器、液氮流量控制阀、液氮换热器、通用截止阀、制冷截止阀、加热截止阀、加热器、传感器、热沉或其他被控温结构、液氮储槽、汽化器及管道。

液氮换热器和加热器并联方式下，其连接关系为：

热沉或其他被控温结构进口通过管道与流程的出口相连，热沉出口连接三通道回热器第一通道进口，三通道回热器的第一通道出口与循环风机进口相连，循环风机出口与水冷换热器气侧进口相连，水冷换热器气侧出口与三通道回热器的第二通道进口相连；水冷换热器水侧通冷却循环水；三通道回热器的第二通道出口通过制冷截止阀和加热截止阀分别与液氮换热器第一通道进口及加热器进口相连；液氮换热器第二通道液氮进口通过液氮流量控制阀连接液氮储槽；液氮换热器第二通道氮气出口与三通道回热器的第三通道进口相连，三通道回热器的第三通道出口连接排空口；液氮换热器第一通道出口和加热器出口并联至流程出口并与热沉或其他被控温结构相连；汽化器将液氮汽化为常温氮气，通过管道连接至循环风机出口向系统管路充气；传感器安装在流程管路上，包括温度、压力、流量传感器，用于测量流程中状态参数并对流程中气体参数进行控制。

一种回热式气体闭式循环制冷加热调温方法，包括如下步骤：

步骤一：将液氮储槽增压至高于系统循环压力值；大于1kg/cm²(绝对压力)，小于8kg/cm²(绝对压力)；

步骤二：根据热沉或其它被控温结构的控温需求，若控温目标值高于室温，则进行加热循环，执行步骤三；若控温目标值低于室温，则进行制冷循环，执行步骤四；

步骤三：打开汽化器进出口阀，对系统管路充气至所需压力值；开启加热截止阀，关闭制冷截止阀；开启循环风机和水冷换热器循环冷却水，开启加热器；根据传感器测量的数据对加热功率进行调节以控制进入热沉的气体温度，从而控制热沉的温度；流出热沉的低压返流高温气体在三通道回热器中与从循环风机来的常温增压气体换热，返流气降至常温后进入循环风机，气体在循环风机中被增压，增压压比不大于2.0，增压气体经过水冷换热器，压缩热被冷却水带走，温度降低至常温后进入三通道回热器，与从热沉来的低压返流高温气体进行热交换，回收低压返流气体热量，增压气体温度又升至与流出热沉时接近的温度，完成了气体的增压和回热过程；

从三通道换热器第二通道出来的气体通过加热截止阀进入加热器，在加热器中升温至所需温度后进入热沉，对热沉进行加热，之后流出热沉完成循环；加热器对气体的加热可根据传感器测量的数据对加热功率进行自动控制；

在加热循环工作过程中，管路及各部件可能会存在气体微漏致使循环压力下降，此时汽化器可对循环管路进行补气；

利用三通道回热器充分回收了返流气的热量，降低了加热功率；且返流气通过三通道回热器回热后，温度从热沉出口的高温降到常温，循环风机工作在常温范围。

步骤四：打开汽化器进出口阀，对系统管路充气至所需压力值；开启制冷截止阀，关闭加热截止阀；开启循环风机和水冷换热器循环冷却水，开启液氮流量控制阀；根据传感器测量的数据对液氮流量控制阀开度进行调节；

流出热沉的低压返流低温气体在三通道回热器中与从循环风机来的常温增压气体换热，返流气升至常温后进入循环风机，气体在循环风机中被增压，增压压比不大于2.0，增压气体经过水冷换热器，压缩热被冷却水带走，温度降低至常温后进入三通道回热器，与热沉出来的低温气体进行热交换，回收低压返流气体冷量，增压气体温度又降至与流出热沉时接近的温度，完成了气体的增压和回热过程；

从三通道回热器第二通道出来的气体通过制冷截止阀进入液氮换热器第一通道，此时，加热截止阀处于关闭状态；同时，液氮通过液氮流量控制阀进入液氮换热器第二通道，利用液氮的潜热和显热对第一通道气体降温，通过控制进入液氮换热器的液氮流量，以控制流经第一通道气体的温度；流出液氮换热器第一通道的气体进入热沉，对热沉进行冷却至所需温度，之后流出热沉进入三通道回热器完成循环；

进入液氮换热器作为冷源的液氮通过液氮流量控制阀控制流量，液氮升温汽化后流入三通道回热器第三通道回收冷量，最后以常温常压状态气体排出三通道回热器并从气体排空口排空，使冷量得到充分利用；

液氮换热器对气体的冷却可根据传感器测量的数据对液氮流量控制阀进行自动控制而实现；

在制冷循环工作过程中，管路及各部件可能会存在气体微漏致使循环压力下降，此时汽化器可对循环管路进行补气。

本发明利用回热原理充分回收返流气的冷量，并且排空口排出气体为常温状态以减少冷量损失，以降低液氮的消耗量。且返流气通过三通道回热器换热后，温度从热沉出口的低温升至常温，使循环风机工作在常温范围。

技术方案中的热沉也可以是其它被控温结构。

本技术方案中循环风机、气体排空口、三通道回热器、水冷换热器、液氮流量控制阀、液氮储槽、液氮换热器、加热器、加热截止阀、制冷截止阀、汽化器、热沉、传感器及管路的连接关系中也可将加热器与液氮换热器连接关系改为串联，将加热截止阀和制冷截止阀合并为一个通用截止阀，即：热沉出口连接三通道回热器第一通道进口，三通道回热器的第一通道出口与循环风机进口相连，循环风机出口与水冷换热器气侧进口相连，水冷换热器气侧出口与三通道回热器的第二通道进口相连，水冷换热器水侧通冷却循环水；三通道回热器的第二通道出口通过通用截止阀与液氮换热器气体进口串连，液氮换热器出口和加热器入口串联，加热器出口与热沉进口管路相连接，热沉进口管路上设传感器，汽化器一侧连接液氮储槽，一侧通过管道连接至循环风机出口；串联的液氮换热器和加热器的前后顺序可调换。

此时，加热过程为：流出热沉的低压返流高温气体在三通道回热器中与从循环风机来的常温气体换热，返流气降至常温后进入循环风机增压，循环风机输出的增压气体经过水冷换热器，压缩热被冷却水带走，温度降低至常温后进入三通道回热器，与热沉出来的高温气体进行热交换，回收低压返流气体热量，增压气体温度又升至与流出热沉时接近的温度，通过通用截止阀和液氮换热器进入加热器，此时液氮换热器不工作，加热至所需温度后进入热沉，对热沉进行加热，完成循环。

制冷循环过程为：流出热沉的低压返流低温气体在三通道回热器中与从循环风机来的常温增压气体换热，返流气升至常温后进入循环风机增压，循环风机输出的增压气体经过水冷换热器，压缩热被冷却水带走，温度降低至常温后进入三通道回热器，与热沉出来的低温气体进行热交换，回收低压返流气体冷量，增压气体温度又降至与流出热沉时接近的温度，完成了气体的增压和回热过程；

从三通道回热器第二通道出来的气体通过通用截止阀进入液氮换热器第一通道；同时，液氮通过液氮流量控制阀进入液氮换热器第二通道，利用液氮的潜热和显热对第一通道气体降温，通过控制进入液氮换热器的液氮流量，以控制流经第一通道气体的温度；流出液氮换热器第一通道的气体进入热沉，对热沉进行冷却至所需温度，之后流出热沉进入三通道回热器完成循环；

本发明中所提到的加热控制阀，制冷控制阀和通用控制阀均为相同阀门的不同名称表示，不同名称仅表示在本技术方案中所起作用的不同。

有益效果

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)热沉温度从-173℃～200℃可任意控制，完全解决了这一温区空间载荷温度调节的难题，克服了加热笼调温模式中加热笼对冷黑背景的严重遮挡。

2)在流程中应用三通道回热器，使得氮气循环风机在常温下工作，降低了循环风机的技术要求和难度，可使闭式气氮循环调温流程得以在环模设备上获得应用。

3)在流程中应用三通道回热器，回收利用了流出热沉流体的热量(或冷量)，回收利用了液氮换热器流出的低温氮气冷量，降低了环模设备的能耗和液氮消耗。

4)密闭循环气体在大于1kg/cm²(绝对压力)的压力状态运行，使得循环气体的密度和雷诺数(Re)增大，从而增大了换热系数，提高了热沉等被控温部件的升降温速率，可以更好地满足空间环境模拟试验的需求。

附图说明

图1为本发明采用了液氮换热器和加热器并联方式的流程图；

图2为本发明采用了液氮换热器和加热器串联方式的流程图。

图中，1-循环风机、2-排空口、3-三通道回热器、4-水冷换热器、5-液氮流量控制阀、6-液氮换热器、7-通用截止阀、8-制冷截止阀、9-加热器、10-加热截止阀、11-传感器、12-热沉或其他被控温结构、13-液氮储槽、14-汽化器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统，包括循环风机1、排空口2、三通道回热器3、水冷换热器4、液氮流量控制阀5、液氮换热器6、通用截止阀7、制冷截止阀8和加热截止阀10、加热器9、传感器11、热沉或其他被控温结构12、液氮储槽13、汽化器14及连接以上各功能部件的管道。

液氮换热器和加热器并联方式下，其连接关系如附图1所示：

热沉或其他被控温结构12进口通过管道与流程的出口相连，热沉12出口连接三通道回热器3第一通道进口，三通道回热器3的第一通道出口与循环风机1进口相连，循环风机1出口与水冷换热器4气侧进口相连，水冷换热器4气侧出口与三通道回热器3的第二通道进口相连；水冷换热器4水侧通冷却循环水；三通道回热器3的第二通道出口通过制冷截止阀8和加热截止阀10分别与液氮换热器6第一通道进口及加热器9进口相连；液氮换热器6第二通道液氮进口通过液氮流量控制阀5连接液氮储槽13；液氮换热器6第二通道氮气出口与三通道回热器3的第三通道进口相连，三通道回热器3的第三通道出口连接排空口2；液氮换热器6第一通道出口和加热器9出口并联至流程出口并与热沉或其他被控温结构12相连；

汽化器14将液氮汽化为常温氮气，通过管道连接至循环风机1出口向系统管路充气。

传感器11安装在流程管路上，包括温度、压力、流量传感器，用于测量流程中状态参数并对流程中气体参数进行控制。

一种回热式气体闭式循环制冷加热调温方法，包括如下步骤：

步骤一：将液氮储槽增压至大于1kg/cm²(绝对压力)，小于8kg/cm²(绝对压力)；

步骤二：根据热沉或其它被控温结构的控温需求，若控温目标值高于室温，则进行加热循环，执行步骤三；若控温目标值低于室温，则进行制冷循环，执行步骤四。

根据步骤三，进入加热循环过程：

打开汽化器14进出口阀，对流程管路充气至大于1kg/cm²(绝对压力)，小于8kg/cm²(绝对压力)间的压力值。

开启加热截止阀10，关闭制冷截止阀8；开启循环风机1和水冷换热器4循环冷却水，开启加热器9；加热流程开始运行，并根据传感器11测量的数据对加热功率进行调节以控制进入热沉12的气体温度，从而控制热沉或其他被控温结构12的温度。

气体在流程中的循环工作过程为：流出热沉或其他被控温结构12的低压返流高温气体在三通道回热器3中与从循环风机1来的常温增压气体换热，返流气降至常温后进入循环风机1，气体在循环风机1中被增压，增压压比不大于2.0，增压气体经过水冷换热器4，压缩热被冷却水带走，温度降低至常温后进入三通道回热器3，与从热沉来的低压返流高温气体进行热交换，回收低压返流气体热量，增压气体温度又升至与流出热沉或其他被控温结构12时接近的温度，完成了气体的增压和回热过程。

从三通道回热器3第二通道出来的气体通过加热截止阀10进入加热器，在加热器9中升温至所需温度后进入热沉或其他被控温结构12，对热沉或其他被控温结构12进行加热，之后流出热沉或其他被控温结构12完成循环。加热器9对气体的加热可根据传感器11测量的数据对加热功率进行自动控制。

在流程工作过程中，管路及各部件可能会存在气体微漏致使循环压力下降，此时汽化器14可对循环管路进行补气。

利用三通道回热器3充分回收了返流气的热量，降低了加热功率；且返流气通过三通道回热器3回热后，温度从热沉12出口的高温降到常温，循环风机1工作在常温范围。

若根据步骤二判断结果为制冷，则进入步骤四：

将液氮储槽13增压至大于1kg/cm²(绝对压力)，小于8kg/cm²(绝对压力)，打开汽化器14进出口阀，对流程管路充气至所需值。

开启制冷截止阀8，关闭加热截止阀10；开启循环风机1和水冷换热器4循环冷却水，开启液氮流量控制阀5；制冷流程开始运行，并根据传感器11测量的数据对液氮流量控制阀5开度进行调节以控制进入热沉12的气体温度，从而控制热沉或其他被控温结构12的温度。

流出热沉或其他被控温结构12的低压返流低温气体在三通道回热器3中与从循环风机1来的常温增压气体换热，返流气升至常温后进入循环风机1，气体在循环风机1中被增压，增压压比不大于2.0，增压气体经过水冷换热器4，压缩热被冷却水带走，温度降低至常温后进入三通道回热器3，与热沉出来的低温气体以及液氮换热器流出的低温气体进行热交换，回收低压返流气体冷量，增压气体温度又降至与流出热沉或其他被控温结构12时接近的温度，完成了气体的增压和回热过程。

从三通道回热器第二通道出来的气体通过制冷截止阀8进入液氮换热器6第一通道；同时，液氮通过液氮流量控制阀5进入液氮换热器6第二通道，利用液氮的潜热和显热对第二通道气体降温，通过控制进入液氮换热器6的液氮流量，以控制流经第二通道气体的温度；流出液氮换热器6第一通道气体进入热沉或其他被控温结构12，对热沉或其他被控温结构12进行冷却至所需温度，之后流出热沉或其他被控温结构12进入三通道回热器3完成循环。

进入液氮换热器6作为冷源的液氮通过液氮流量控制阀5控制流量，液氮汽化升温后流入三通道回热器3第三通道回收冷量，最后以常温常压状态气体排出三通道回热器3并从气体排空口2排空，使冷量得到充分利用。

液氮换热器6对气体的冷却可根据传感器11测量的数据对液氮流量控制阀5进行自动控制而实现。

在流程工作过程中，管路及各部件可能会存在气体微漏致使循环压力下降，此时汽化器14可对循环管路进行补气。

本循环利用回热原理充分回收返流气的冷量，并且排空口排出气体为常温状态以减少冷量损失，以降低液氮的消耗量。且返流气通过三通道回热器3换热后，温度从热沉出口的低温升至常温，使循环风机1工作在常温范围。

液氮换热器和加热器串联方式下，加热截止阀和制冷截止阀替换为通用截止阀7，如附图2所示：

热沉或其他被控温结构12进口通过管道与流程的出口相连，热沉12出口连接三通道回热器3第一通道进口，三通道回热器3的第一通道出口与循环风机1进口相连，循环风机1出口与水冷换热器4气侧进口相连，水冷换热器4气侧出口与三通道回热器3的第二通道进口相连；水冷换热器4水侧通冷却循环水；三通道回热器3的第二通道出口连接通用截止阀7，通用截止阀7与液氮换热器6第一通道进口相连；液氮换热器6第二通道进口通过液氮流量控制阀5连接氮储槽13；液氮换热器6第二通道氮气出口与三通道回热器3的第三通道进口相连，三通道回热器3的第三通道出口连接排空口2；液氮换热器6第一通道出口与加热器9进口相连，加热器9出口与热沉12相连。

汽化器14将液氮汽化为常温氮气，通过管道连接至循环风机1出口向系统管路充气；传感器11安装在流程管路上；

若判断为加热循环，则将液氮储槽13增压至大于1kg/cm²(绝对压力)，小于8kg/cm²(绝对压力)压力值，打开汽化器14进出口阀，对流程管路充气至所需压力值。开启通用截止阀7；开启循环风机1和水冷换热器4循环冷却水，开启加热器9；加热流程开始运行，并根据传感器11测量的数据对加热功率进行调节以控制进入热沉或其他被控温结构12的气体温度，从而控制热沉12的温度。

流出热沉或其他被控温结构12的低压返流高温气体进入三通道回热器3第一通道，在三通道回热器3中与从循环风机1来的常温增压气体换热，返流气降至常温后进入循环风机1，气体在循环风机1中被增压，增压压比不大于2.0，增压气体经过水冷换热器4，压缩热被冷却水带走，温度降低至常温后返回三通道回热器3第二通道，与从热沉来的低压返流高温气体进行热交换，回收低压返流气体热量，增压气体温度又升至与流出热沉或其他被控温结构12时接近的温度，完成了气体的增压和回热过程。

从三通道回热器3第二通道出来的气体通过通用截止阀7进入液氮换热器6和加热器9的串连管段，此时液氮换热器6不工作，气体在加热器9中升温至所需温度后进入热沉或其他被控温结构12，对热沉或其他被控温结构12进行加热，之后流出热沉或其他被控温结构12进入三通道回热器3第一通道完成循环。加热器9对气体的加热可根据传感器11测量的数据对加热功率进行自动控制。

在流程工作过程中，管路及各部件可能会存在气体微漏致使循环压力下降，此时汽化器14可对循环管路进行补气。

利用三通道回热器3充分回收了返流气的热量，降低了加热功率；且返流气通过三通道回热器3回热后，温度从热沉或其他被控温结构12出口的高温降到常温，循环风机1工作在常温范围。

若为制冷循环，则将液氮储槽13增压至大于1kg/cm²(绝对压力)，小于8kg/cm²(绝对压力)的压力值，打开汽化器14进出口阀，对流程管路充气至所需值。

开启通用截止阀7，开启循环风机1和水冷换热器4循环冷却水，开启液氮流量控制阀5；制冷流程开始运行，并根据传感器11测量的数据对液氮流量控制阀5开度进行调节以控制进入热沉或其他被控温结构12的气体温度，从而控制热沉或其他被控温结构12的温度。

流出热沉或其他被控温结构12的低压返流低温气体进入三通道回热器3第一通道，在三通道回热器3中与从循环风机1来的常温增压气体换热，返流气升至常温后进入循环风机1，气体在循环风机1中被增压，增压压比不大于2.0，增压气体经过水冷换热器4，压缩热被冷却水带走，温度降低至常温后进入三通道回热器3第二通道，与从热沉来的返流低温气体以及液氮换热器流出的低温气体进行热交换，回收低温返流气体冷量，增压气体温度又降至与流出热沉12时接近的温度，完成了气体的增压和回热过程。

从三通道回热器3第二通道出来的气体通过通用截止阀7进入液氮换热器6第一通道和加热器9的串连管段，此时加热器9不工作；同时，液氮通过液氮流量控制阀5进入液氮换热器6第二通道，利用液氮的潜热和显热对第一通道气体降温，通过控制进入液氮换热器6的液氮流量，以控制流经第一通道气体的温度；流出液氮换热器6第一通道气体进入热沉或其他被控温结构12，对热沉12进行冷却至所需温度，之后流出热沉或其他被控温结构12进入三通道回热器3第一通道完成循环。

进入液氮换热器6作为冷源的液氮通过液氮流量控制阀5控制流量，液氮汽化升温后流入三通道回热器3第三通道回收冷量，最后以常温状态气体排出三通道回热器3并从气体排空口2排空，使冷量得到充分利用。

液氮换热器6对气体的冷却可根据传感器11测量的数据对液氮流量控制阀5进行自动控制而实现。

在流程工作过程中，管路及各部件可能会存在气体微漏致使循环压力下降，此时汽化器14可对循环管路进行补气。

本循环利用回热原理充分回收返流气的冷量，并且排空口排出气体为常温气体以减少冷量损失，以降低液氮的消耗量。且返流气通过三通道回热器3换热后，温度从热沉出口的低温升至常温，使循环风机1工作在常温范围。

Claims (3)

1.一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统，其特征在于：包括循环风机、排空口、三通道回热器、水冷换热器、液氮流量控制阀、液氮换热器、通用截止阀、制冷截止阀、加热截止阀、加热器、传感器、热沉或其他被控温结构、液氮储槽、汽化器及管道；

液氮换热器和加热器并联方式下，其连接关系为：

热沉或其他被控温结构进口通过管道与流程的出口相连，热沉或其他被控温结构出口连接三通道回热器第一通道进口，三通道回热器的第一通道出口与循环风机进口相连，循环风机出口与水冷换热器气侧进口相连，水冷换热器气侧出口与三通道回热器的第二通道进口相连；水冷换热器水侧通冷却循环水；三通道回热器的第二通道出口通过制冷截止阀和加热截止阀分别与液氮换热器第一通道进口及加热器进口相连；液氮换热器第二通道液氮进口通过液氮流量控制阀连接液氮储槽；液氮换热器第二通道氮气出口与三通道回热器的第三通道进口相连，三通道回热器的第三通道出口连接排空口；液氮换热器第一通道出口和加热器出口并联至流程出口并与热沉或其他被控温结构相连；汽化器将液氮汽化为常温氮气，通过管道连接至循环风机出口向系统管路充气；传感器安装在流程管路上，包括温度、压力、流量传感器，用于测量流程中状态参数并对流程中气体参数进行控制。

2.如权利要求1所述的一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统，其特征在于：加热器与液氮换热器连接关系改为串联时，将加热截止阀和制冷截止阀合并为一个通用截止阀，即：热沉或其他被控温结构出口连接三通道回热器第一通道进口，三通道回热器的第一通道出口与循环风机进口相连，循环风机出口与水冷换热器气侧进口相连，水冷换热器气侧出口与三通道回热器的第二通道进口相连，水冷换热器水侧通冷却循环水；三通道回热器的第二通道出口通过通用截止阀与液氮换热器气体进口串连，液氮换热器出口和加热器入口串联，加热器出口与热沉或其他被控温结构进口管路相连接，热沉或其他被控温结构进口管路上设传感器，汽化器一侧连接液氮储槽，一侧通过管道连接至循环风机出口；串联的液氮换热器和加热器的前后顺序可调换。

3.一种回热式气体闭式循环制冷加热调温方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将液氮储槽增压至高于系统循环压力值：绝对压力大于1kg/cm²且小于8kg/cm²；

步骤二：根据热沉或其它被控温结构的控温需求，若控温目标值高于室温，则进行加热循环，执行步骤三；若控温目标值低于室温，则进行制冷循环，执行步骤四；

步骤三：打开汽化器进出口阀，对系统管路充气至所需压力值；开启加热截止阀，关闭制冷截止阀；开启循环风机和水冷换热器循环冷却水，开启加热器；根据传感器测量的数据对加热功率进行调节以控制进入热沉或其他被控温结构的气体温度，从而控制热沉或其他被控温结构的温度；流出热沉或其他被控温结构的低压返流高温气体在三通道回热器中与从循环风机来的常温增压气体换热，低压返流高温气体降至常温后进入循环风机，气体在循环风机中被增压，增压压比不大于2.0，增压气体经过水冷换热器，压缩热被冷却水带走，温度降低至常温后进入三通道回热器，与从热沉或其他被控温结构来的低压返流高温气体进行热交换，回收低压返流高温气体热量，增压气体温度又升至与流出热沉或其他被控温结构时接近的温度，完成了气体的增压和回热过程；

从三通道换热器第二通道出来的低压返流高温气体通过加热截止阀进入加热器，在加热器中升温至所需温度后进入热沉或其他被控温结构，对热沉或其他被控温结构进行加热，之后流出热沉或其他被控温结构完成循环；加热器对气体的加热可根据传感器测量的数据对加热功率进行自动控制；

在加热循环工作过程中，管路及各部件可能会存在气体微漏致使循环压力下降，此时汽化器对循环管路进行补气；

利用三通道回热器充分回收了低压返流高温气体的热量，降低了加热功率；且低压返流高温气体通过三通道回热器回热后，温度从热沉或其他被控温结构出口的高温降到常温，循环风机工作在常温范围；

步骤四：打开汽化器进出口阀，对系统管路充气至所需压力值；开启制冷截止阀，关闭加热截止阀；开启循环风机和水冷换热器循环冷却水，开启液氮流量控制阀；根据传感器测量的数据对液氮流量控制阀开度进行调节；

流出热沉或其他被控温结构的低压返流低温气体在三通道回热器中与从循环风机来的常温增压气体换热，低压返流低温气体升至常温后进入循环风机，气体在循环风机中被增压，增压压比不大于2.0，增压气体经过水冷换热器，压缩热被冷却水带走，温度降低至常温后进入三通道回热器，与热沉或其他被控温结构出来的低压返流低温气体进行热交换，回收低压返流低温气体冷量，增压气体温度又降至与流出热沉或其他被控温结构时接近的温度，完成了气体的增压和回热过程；

从三通道回热器第二通道出来的低压返流低温气体通过制冷截止阀进入液氮换热器第一通道，此时，加热截止阀处于关闭状态；同时，液氮通过液氮流量控制阀进入液氮换热器第二通道，利用液氮的潜热和显热对第一通道气体降温，通过控制进入液氮换热器的液氮流量，以控制流经第一通道气体的温度；流出液氮换热器第一通道的气体进入热沉或其他被控温结构，对热沉或其他被控温结构进行冷却至所需温度，之后流出热沉或其他被控温结构进入三通道回热器完成循环；

进入液氮换热器作为冷源的液氮通过液氮流量控制阀控制流量，液氮升温汽化后流入三通道回热器第三通道回收冷量，最后以常温常压状态气体排出三通道回热器并从气体排空口排空，使冷量得到充分利用；

液氮换热器对气体的冷却可根据传感器测量的数据对液氮流量控制阀进行自动控制而实现；

在制冷循环工作过程中，管路及各部件可能会存在气体微漏致使循环压力下降，此时汽化器对循环管路进行补气。