CN105206158A - 南极低温低压环境模拟舱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种南极低温低压环境模拟舱，包括具有进气口和出气口的舱体，舱体包括底座以及与一升降架连接的罩体，该罩体在升降架的作用下与底座密封或分离，进气口和出气口设置在罩体上，在进气口和出气口连接有一控制舱体内温度和压力的温度压力调控系统，该温度压力调控系统包括进风干燥降温装置和压力控制装置，进风干燥降温装置包括真空泵、制冷机组、液氮制冷装置以及超声波除冰器，在舱体内还设置有离心风机和温度、压力、湿度、风速传感器。本发明模拟舱温度压力调控系统中的两台制冷机组和液氮制冷装置可以准确有效的将空气温度降低到模拟舱所需的工况，同时采用压力控制装置和双层舱体结构使得舱内压力在空气流动状态下保持稳定。

Description

南极低温低压环境模拟舱

技术领域

本发明涉及一种环境模拟舱，具体涉及的是一种南极低温低压环境模拟舱。

背景技术

南极是地球上至今未被开发、未被污染的洁净大陆，在全球气候变化研究中起着不可替代的作用，而且南极蕴藏着较北极更为丰富的资源和能源，对南极进行开发有利于改变目前人类发展面临的困境。但是南极洲的气候比较恶劣，主要特点是酷寒、低压、烈风和干燥。南极内陆高原年平均气温约-58℃，最低约-83℃，极限低温可能达-100℃，为世界最冷的陆地，全洲平均风速17.8米/秒，是世界上风力最强和最多风的地区，绝大部分地区降水量不足250毫米，空气非常干燥，有“白色荒漠”之称。

恶劣的环境使得南极科考使用的设备和相关实验面临巨大的挑战，而且在南极进行科学研究需要付出的代价极大，但现有的人工环境模拟舱一般只具备单一的低温或者低压模拟功能，而且温度还达不到模拟南极环境所需的低温，无法满足国内进行有关南极科学研究的需求。

为此，本发明充分考虑了南极的低温、低压、多风环境，设计了一种应用于模拟环境的南极低温低压环境模拟舱，从而达到校验相关设备或实验在南极环境下的可行性的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供了一种应用于模拟环境的南极低温低压环境模拟舱。

技术方案

为解决南极低温低压环境模拟舱设计上存在的问题，本发明采用的技术方案是：

一种南极低温低压环境模拟舱，包括具有进气口和出气口的舱体，其特征在于：所述舱体包括底座以及与一升降架连接的罩体，该罩体在所述升降架的作用下与所述底座密封会分离，所述进气口和出气口设置在所述罩体上，在所述进气口和出气口连接有一控制所述舱体内温度和压力的温度压力调控系统，该温度压力调控系统包括进风干燥降温装置和压力控制装置，其中，进风干燥降温装置包括真空泵、制冷机组、液氮制冷装置以及超声波除冰器，所述真空泵连接在所述出气口，所述制冷机组和液氮制冷装置连接在所述进气口，在所述制冷机组制冷通道壁面上设置有所述超声波除冰器；所述压力控制装置包括气动定值器与电动调节阀，所述气动定值器设置在所述液氮制冷装置与进气口之间，在所述进气口和出气口各设一个所述电动调节阀；在所述舱体内还设置有离心风机和温度、压力、湿度、风速传感器，所述风干燥降温装置根据所述温度、压力、湿度、风速传感器获取的温度和湿度信号控制从进气口进入的气体的温度和湿度，所述压力控制装置根据所述温度、压力、湿度、风速传感器获取的压力信号通过调整进气口的进风量和出气口的出风量控制所述舱体内的压力；所述离心风机根据所述温度、压力、湿度、风速传感器获取的风速信号调整风速。

所述罩体包括外壳、内壳、真空层以及保温材料层，在所述外壳和内壳之间形成一隔层，所述保温材料层位于所述外壳外表面，所述真空层位于所述外壳内表面，在所述内壳上均布有小孔，所述进气口连接至所述隔层，所述出气口开设在所述内壳上。

在所述罩体内还设置有照明灯和摄像头。

在所述底座上设置有实验工作台。

在所述实验工作台上设置有3D移动实验台。

在所述罩体上设置有航空接头，所述摄像头与温度、压力、湿度、风速传感器通过所述航空接头与一监控室连接。

所述制冷机组包括制冷机组一和制冷机组，所述制冷机组一采用单级压缩制冷，制冷剂采用R717、R12、R22或R502，所述制冷机组二采用复叠式蒸汽压缩制冷，低温制冷剂采用R23、R13、R14或二氧化碳。

进风干燥降温装置与压力控制装置相连，其中制冷设备包括制冷机组一、制冷机组二和液氮制冷装置，常规的制冷设备无法有效的使空气温度降低到模拟环境所需的低温，两个制冷机组和液氮制冷装置搭配使用可以分步降低空气的温度，能够满足模拟南极环境的极限低温要求。制冷机组一采用单级压缩制冷，制冷剂可以采用R717、R12、R22,R502等，制冷机组二采用复叠式蒸汽压缩制冷，低温制冷剂可以采用R23、R13、R14、二氧化碳等，液氮制冷装置采用液氮作为制冷剂。首先，真空泵对模拟舱抽真空，去除舱内的气体，降低舱内压力，空气通过气体流量计后，依次进入制冷机组一、制冷机组二和液氮制冷装置，温度降低到一定程度后通过压力控制装置进入舱内，其次，制冷机组和液氮制冷装置在降低空气温度的同时，低温会使空气含有的水蒸气在送风通道制冷壁面上凝结成冰，既除去了空气中含有的水蒸气，也达到了干燥空气的目的。超声波除冰器安装在制冷机组和液氮制冷装置送风通道上，是一种利用超声波的机械效应、热效应和空化效应来进行除冰的装置，用于除去制冷机组和液氮制冷装置制冷壁面上形成的冰层，防止冰层影响制冷设备的工作效率。

气动定值器位于模拟舱的进气口，是一种高精度的压力定值装置，具有调定、比较和放大的功能，电动调节阀分别位于进风通道和排风通道上，在舱内压力达到所需工况时，使气动定值器出口压力值和舱内压力保持一致，调节两侧电动调节阀，使进风通道和排风通道的气体流量相同，实现在空气流动状态下保持舱内压力稳定的目的。

舱体系统包括舱体、底座、保温层和舱体升降架,采用钟罩形式，舱体采用双层结构，包括内壳和外壳，中间有隔层，内壳上均匀分布通气小孔，空气进入隔层后，通过通气小孔进入舱内，使得进入舱内的气流均匀稳定，内壳壁面上对称装有一对离心风机机组，可以根据工况需求，调整风机功率，改变模拟舱内风速模拟南极的多风环境。舱体升降架通过缆绳和舱体连接，通过升降架上面的步进电机（电磁制动三相异步电动机）控制舱体的升降，实现舱体上升安放调整实验仪器和下降形成密封舱的功能，舱体下降后嵌入到底座中去，在接触面布有密封圈，两者固定后能够形成密封。保温层包括真空层和保温材料层，真空层位于外壳内侧与隔层相接触，保温材料层包裹在外壳上，保温材料可采用PU（聚氨基甲酸酯简称聚氨酯）、聚乙烯等，可有效减少因舱内外较大温差造成的能量损失，具有较好的保温效果。

监控系统包括舱内数据采集和舱体控制两部分，数据采集部分接收位于舱内的温度、压力、湿度、风速传感器和视频监控的数据信号，舱体内部安装有照明设备和360度全景摄像头，360度全景摄像头外部装有球形护罩，和内部辅助加热保温装置，使摄像头能够在低温低压下安全稳定工作，观察舱内实验状况，所有的电线和数据线都通过舱体上的航空插头和外部进行连接，维持舱内密封环境。舱体控制部分与温度压力调控系统以及实验工作平台连接，利用计算机软件平台，实现模拟环境的实时数据监测，同时根据需要进行工况参数调整，当舱内温度升高时，可以通过控制系统降低制冷设备的制冷温度来降低送风温度。

实验工作平台位于底座上，上面安放有自动3D移动实验台，下部配备有水电接口，可以满足实验过程中的供电供水需求，自动3D移动实验台和水电接口都可以通过监控系统控制，在监控下实现自动3D移动实验台的上下左右移动和水电通断。

有益效果：

本发明涉及的是一种南极低温低压环境模拟舱，模拟舱温度压力调控系统中的两台制冷机组和液氮制冷装置可以准确有效的将空气温度降低到模拟舱所需的工况，同时采用压力控制装置和双层舱体结构使得舱内压力在空气流动状态下保持稳定。通过舱体下降与底座接触，可以形成很好的舱内密封环境，采用双层保温结构，能够有效保持舱内低温，减少能量损耗，此外以计算机为基础的监控系统，能够利用传感器数据和监控摄像头的视频影像准确监控舱内环境变化，并通过温度压力调控系统进行调整，而且可以根据需要改变实验工作平台上实验装置的位置，保证实验测试可靠有效进行。

附图说明

图1南极低温低压环境模拟舱示意图；

图2离心风机机组布置示意图；

图3温度压力调控系统示意图；

图4舱体结构立体剖面图；

图中：1.保温材料层；2.外壳；3.真空层；4.内壳；5.航空接头；6.舱体升降架；7.离心风机机组；8.气流通道接口；9.实验工作平台；10.底座；11.温度、压力、湿度、风速传感器；12.360度全景摄像头；13.照明灯；14.自动3D移动实验台；15.水电通道；16.监控室；17.真空泵；18.气体流量计；19.电动调节阀；20.动定值器；21.制冷机组二；22.制冷机组一;23.超声波除冰器；24.液氮制冷装置。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

图1给出了南极低温低压环境模拟舱示意图，包括舱体升降架、舱体、底座、实验工作平台。具体结构包括：保温材料层1、外壳2、真空层3、内壳4、航空接头5、舱体升降架6、离心风机机组7、气流通道接口8、实验工作平台9、底座10、温度、压力、湿度、风速传感器11、360度全景摄像头12、照明灯13和自动3D移动实验台14等主要组成部分，其中气流通道接口8为两个，一个为进气口，一个为出气口。需要模拟舱进行工作时，松开气流通道接口8，控制起重架6上面的步进电机将舱体吊起至合适的高度，实验人员进入，在实验工作平台9上安放实验仪器和相关设备，根据需要操控自动3D移动实验台14，在舱内控制实验装置的上下左右移动，连接水电通道15，完成后控制舱体升降架6上面的电机将舱体下降，嵌入到底座10中，完全接触后将舱体和底座10固定在一起，形成密封环境。舱内的温度、压力、湿度和风速传感器11采集舱内工况数据，由照明灯13给舱内提供照明，通过360度全景摄像头12观察舱内变化，将所有的供电和数据传输线路集成到航空接头5上，然后通过航空接头5和监控室连接起来，实现供电和数据传输，最后将气流通道接口8和温度压力调控系统的接口通过松紧扣紧密连接。

图2给出离心风机机组布置示意图，一对离心分机机组7对称安装在内壳2的壁面上，用来改变舱内风速。

图3给出了温度压力调控系统示意图。温度压力调控系统包括进风干燥降温装置和压力控制装置，进风干燥降温装置主要包括真空泵17、制冷机组一22、制冷机组二21、液氮制冷装置24、超声波除冰器23等主要部分。真空泵17布置在排风出口，气体流量计18分别布置在进风通道入口和排风出口处，进风通道的气体流量计18与制冷机组一22相连，空气先通过制冷机组一22再进入制冷机组二21中，最后进入液氮制冷装置24中，制冷设备制冷壁面上装有超声波除冰器23，空气通过制冷干燥降温系统后沿着送风通道进入压力控制装置，压力控制装置包括电动调节阀19、气动定值器20，电动调节阀19分别布置在排风出口和进风通道液氮制冷装置24后，气动定值器20位于舱内空气进气口，与隔层相连接。监控室16通过航空接头5获取舱内环境数据，根据数据信号设定制冷机组一22、制冷机组二21和液氮制冷装置24的制冷温度，自动调节电动调节阀19的阀门开度，实现舱内模拟环境实时监控。

图4出了舱体结构立体剖面图，由外向内，依次是保温材料层1、外壳2、真空层3、内壳4，可通过悬挂在舱体上部的360度全景摄像头12观察舱内实验状况，内壳2壁面上均匀布有通气小孔，隔层的空气可通过通气小孔进入舱内，底座10固定在地面上，底座上根据舱体厚度留有凹槽，舱体可以通过凹槽和底座10紧密联系在一起。

Claims (7)

1.一种南极低温低压环境模拟舱，包括具有进气口和出气口的舱体，其特征在于：所述舱体包括底座以及与一升降架连接的罩体，该罩体在所述升降架的作用下与所述底座密封或分离，所述进气口和出气口设置在所述罩体上，在所述进气口和出气口连接有一控制所述舱体内温度和压力的温度压力调控系统，该温度压力调控系统包括进风干燥降温装置和压力控制装置，其中，进风干燥降温装置包括真空泵、制冷机组、液氮制冷装置以及超声波除冰器，所述真空泵连接在所述出气口，所述制冷机组和液氮制冷装置连接在所述进气口，在所述制冷机组制冷通道壁面上设置有所述超声波除冰器；所述压力控制装置包括气动定值器与电动调节阀，所述气动定值器设置在所述液氮制冷装置与进气口之间，在所述进气口和出气口各设一个所述电动调节阀；在所述舱体内还设置有离心风机和温度、压力、湿度、风速传感器，所述风干燥降温装置根据所述温度、压力、湿度、风速传感器获取的温度和湿度信号控制从进气口进入的气体的温度和湿度，所述压力控制装置根据所述温度、压力、湿度、风速传感器获取的压力信号通过调整进气口的进风量和出气口的出风量控制所述舱体内的压力；所述离心风机根据所述温度、压力、湿度、风速传感器获取的风速信号调整风速。

2.根据权利要求1所述的南极低温低压环境模拟舱，其特征在于：所述罩体包括外壳、内壳、真空层以及保温材料层，在所述外壳和内壳之间形成一隔层，所述保温材料层位于所述外壳外表面，所述真空层位于所述外壳内表面，在所述内壳上均布有小孔，所述进气口连接至所述隔层，所述出气口开设在所述内壳上。

3.根据权利要求1所述的南极低温低压环境模拟舱，其特征在于：在所述罩体内还设置有照明灯和摄像头。

4.根据权利要求1所述的南极低温低压环境模拟舱，其特征在于：在所述底座上设置有实验工作台。

5.根据权利要求4所述的南极低温低压环境模拟舱，其特征在于：在所述实验工作台上设置有3D移动实验台。

6.根据权利要求3所述的南极低温低压环境模拟舱，其特征在于：在所述罩体上设置有航空接头，所述摄像头与温度、压力、湿度、风速传感器通过所述航空接头与一监控室连接。

7.根据权利要求1所述的南极低温低压环境模拟舱，其特征在于：所述制冷机组包括制冷机组一和制冷机组，所述制冷机组一采用单级压缩制冷，制冷剂采用R717、R12、R22或R502，所述制冷机组二采用复叠式蒸汽压缩制冷，低温制冷剂采用R23、R13、R14或二氧化碳。