CN105485834B - 一种临近空间密封舱的温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种临近空间密封舱的温度控制系统，包括：舱壁换热器，其布置在密封舱的舱壁上，用以获取舱外冷源；蓄冷换热器，其内具有蓄冷工质，其输入端通过液体管路连接所述舱壁换热器的输出端，其输入端或输出端处设有第一控制阀；第一旁通管路，其通过液体管路并联在所述蓄冷换热器两端，其上设置有第二控制阀；气液换热器，其用以和舱内换热，其输入端通过液体管路连接所述蓄冷换热器的输出端，其输出端通过液体管路连接所述舱壁换热器的输入端；以及采集控制器，用以控制所述第一控制阀和第二控制阀。本发明能够满足临近空间密封舱载人飞行在上升、停留、下降过程中的温度需要，解决外界环境变化距离对舱内温度影响的问题。

Description

一种临近空间密封舱的温度控制系统

技术领域

本发明涉及临近空间飞行器领域，尤其涉及临近空间密封舱的温度控制技术。

背景技术

随着现代科学技术的发展，临近空间(Near space，20～100km高度的高空)独特的资源优势已成为各国关注的热点，临近空间飞行器凭借其综合能力较强、费用相对较低等优点，成为各国争相研发的热点，临近空间载人旅行、高空实验、摄影勘探、导航等领域逐渐得到开发利用，其中，临近空间短期载人旅行作为一个新兴的旅游产业，逐渐引起人们的兴趣。但为了保证载人旅行的安全、提高人员舒适度，就必须做好密封舱相应的温度控制。然而，由于临近空间独特的气温、气压等环境因素，使得临近空间飞行器的温度控制措施既不同于通常的航空飞行器，也不同于大气层外卫星等航天器。在20km以下的近地空间，气温和气压随海拔高度的增加逐渐降低。而在临近空间中则不同，每千米高度约升温2℃，而气压亦随海拔高度的增加逐渐降低，在20km高度处，气温-57℃，大气压力约5500Pa，而在50km高度处，气温升至-3℃，大气压力降至80Pa。由于临近空间飞行器所处空间的热环境特殊性，使其温度控制具有与卫星或地面设备明显不同的“特殊性”，需要研究适用于临近空间飞行器的温度控制技术，特别是针对短期载人飞行的密封舱，必须采用特殊的设计理念，满足人员对舱内环境温度的需求。密封舱在上升和下降过程中由于外界环境变化较为剧烈，必须实现外界环境的隔绝，采用相对独立的温度控制措施，而密封舱在临近空间停留过程中，外界环境相对较为稳定，可以充分利用外界环境冷源，与外界进行良好和相对稳定的冷热交换，同时为保证下降过程中对冷量的需求，减少系统的复杂性，对制冷设备进行冷量补充。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种临近空间密封舱的温度控制系统，能够满足临近空间密封舱载人飞行在上升、停留、下降过程中的温度需要，解决外界环境变化距离对舱内温度影响的问题。

为解决上述问题，本发明提出一种临近空间密封舱的温度控制系统，包括：

舱壁换热器，其布置在密封舱的舱壁上，用以获取舱外冷源；

蓄冷换热器，其内具有蓄冷工质，其输入端通过液体管路连接所述舱壁换热器的输出端，其输入端或输出端处设有第一控制阀；

第一旁通管路，其通过液体管路并联在所述蓄冷换热器两端，其上设置有第二控制阀；

气液换热器，其用以和舱内换热，其输入端通过液体管路连接所述蓄冷换热器的输出端，其输出端通过液体管路连接所述舱壁换热器的输入端；以及

采集控制器，用以控制所述第一控制阀和第二控制阀。

根据本发明的一个实施例，所述采集控制器控制所述第一控制阀关闭、第二控制阀打开，则管路液体工质依次循环流经舱壁换热器、第一旁通管路、气液换热器构成舱壁换热器供冷回路；所述采集控制器控制所述第一控制阀打开、第二控制阀打开，则管路液体工质流经舱壁换热器后同时流经蓄冷换热器和第一旁通管路、之后流经气液换热器构成循环的舱壁换热器供冷蓄冷回路。

根据本发明的一个实施例，还包括第二旁通管路，其通过液体管路并联在所述舱壁换热器的两端，其上设置有由所述采集控制器控制的第三控制阀；所述舱壁换热器的输入端或输出端处设有第四控制阀；所述采集控制器控制所述第一控制阀打开、第二控制阀关闭、第三控制阀打开、第四控制阀关闭，则管路液体工质依次循环流经第二旁通管路、蓄冷换热器、气液换热器构成蓄冷换热器供冷回路。

根据本发明的一个实施例，还包括第三旁通管路，其通过液体管路并联在所述气液换热器的两端，其上设有由所述采集控制器控制的第五控制阀。

根据本发明的一个实施例，所述第一控制阀、第四控制阀和第五控制阀均包括一由所述采集控制器控制调节流经的管路液体工质流量的电动调节阀。

根据本发明的一个实施例，还包括设置在液体管路上并用以为液体管路补加管路液体工质的储液器。

根据本发明的一个实施例，还包括循环风机，其设置在气液换热器上，用以驱动空气循环加速气液换热器的换热。

根据本发明的一个实施例，还包括电加热器，其设置在所述循环风机输出的通风管路上，并由采集控制器控制启闭。

根据本发明的一个实施例，还包括液体泵，其设置在液体管路中，用以驱动管路液体工质循环。

根据本发明的一个实施例，还包括设置在液体管路上的手动控制阀。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：通过在密封舱的舱壁上设置舱壁换热器，从而可以获取到密封舱之外的冷源，设置蓄冷换热器，从而能够对该冷源进行储蓄，实现在临近空间停留阶段的蓄冷换热器的载蓄冷，降低蓄冷换热器的重量，实现蓄冷换热器的再利用，并且设置第一旁通管路，能够对舱壁换热器的冷源直接利用，对舱内进行供冷，蓄冷或供冷的选择和调节可由采集控制器控制第一控制阀和第二控制阀实现。通过对蓄冷和供冷的选择和调节，满足临近空间密封舱载人飞行在上升、停留、下降过程中的温度需要，解决外界环境变化距离对舱内温度影响的问题。

通过管路回路切换，满足临近空间不同外界环境条件下舱内制冷的需求，此外还通过电加热器满足舱内制热需求，实现了临近空间密封舱不同飞行阶段对舱内温度调节的目的，系统简单可靠，可以多次重复使用，降低了使用费用，缩短了发射流程。

附图说明

图1是本发明实施例的临近空间密封舱的温度控制系统的结构示意图。

图中标号说明：

气液换热器1，循环风机2，电加热器3，液体泵4，蓄冷换热器5，舱壁换热器6，储液器7，采集控制器8，第五控制阀9，第一控制阀10，第四控制阀11，第二控制阀12，第三控制阀13，压力传感器14，温度传感器15，手动阀门16，液体管路17，通风管路18，第一旁通管路P1，第二旁通管路P2，第三旁通管路P3

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

本发明采用蓄冷换热器和舱壁换热器结合，可以在密封舱飞行的不同阶段合适地为舱内供冷，调整不同的换热回路(换热回路包括供冷回路和/或蓄冷回路)，实现密封舱在上升、停留和下降全过程中舱内温度的适应性保障，满足密封舱载人飞行的温度需要，解决外界环境的剧烈变化对舱内温度造成影响的问题；在临近空间停留阶段，可切换至相应换热回路，通过舱壁换热器采集舱外冷源，对蓄冷换热器进行蓄冷，从而降低了蓄冷换热器的重量，实现蓄冷换热器的再利用。

参看图1，在本实施例中，临近空间密封舱的温度控制系统包括舱壁换热器6、蓄冷换热器5、第一旁通管路P1、气液换热器1和采集控制器8。

舱壁换热器6可以是换热盘管，布置在密封舱的舱壁上，从而可以获取舱外临近空间的冷源，舱壁换热器6例如是布置在密封舱的内表面上，从而通过舱壁间接获取外部冷源，其余的设备可以布置在密封舱内。

蓄冷换热器5内具有蓄冷工质，蓄冷换热器5输入端通过液体管路17连接舱壁换热器6的输出端，蓄冷换热器5的输入端或输出端处设有第一控制阀10，第一控制阀10可以为一个阀门或者阀门组，通过控制阀门的开启，舱壁换热器6流出的管路液体工质流经蓄冷换热器5。在一个实施例中，第一控制阀10为电动调节阀，由采集控制器8控制调节电动调节阀的开度，从而调节流经蓄冷换热器5的管路液体工质的流量，对换热回路进行调节。较佳的，在连接蓄冷换热器5的输入端或输出端的液体管路17上还设有手动控制阀，便于设备的维修和更换。

第一旁通管路P1通过液体管路17并联在蓄冷换热器5两端，第一旁通管路P1上设置有第二控制阀12，第二控制阀12可以为一个阀门或者阀门组，通过控制阀门的开启，舱壁换热器6流出的管路液体工质流经第一旁通管路P1。在一个实施例中，第二控制阀12为自锁阀，由采集控制器8控制打开或关闭，或者第二控制阀12也可以为电动控制阀，由采集控制器8控制开度，从而控制流经的流量。

气液换热器1通过密封舱内的气体流通来和舱内换热，气液换热器1输入端通过液体管路17连接蓄冷换热器5的输出端，也就是第一旁通管路P1的输出端，气液换热器1的输出端通过液体管路17连接舱壁换热器6的输入端，气液换热器1内的管路液体工质通过换热后流回舱壁换热器6。较佳的，在连接气液换热器1的输入端或输出端的液体管路17上还设有手动控制阀，便于设备的维修和更换。

采集控制器8可以控制第一控制阀10和第二控制阀12的启闭，或者可以调节第一控制阀10和第二控制阀12的阀门开度。

较佳的，温度控制系统还包括液体泵4，其设置在液体管路17中，用以驱动管路液体工质循环，更具体的是设置在舱壁换热器6的输入端的液体管路17上，管路液体工质在液体泵4的驱动下，进入舱壁换热管6，并在相应换热回路内流通。

具体的，采集控制器8控制第一控制阀10关闭、第二控制阀12打开时，则管路液体工质流经舱壁换热器6，与外界冷环境进行换热，管路液体工质温度降低，接着流经第一旁通管路P1，然后进入气液换热器1，与密封舱内的气体进行换热，实现舱内的制冷，如此循环构成舱壁换热器供冷回路。

采集控制器8控制第一控制阀10打开、第二控制阀12打开时，则管路液体工质流经舱壁换热器6后，与外界冷环境进行换热，管路液体工质温度降低，管路液体工质同时流经蓄冷换热器5和第一旁通管路P1，流经第一旁通回路P1的管路液体工质流入气液换热器1，与密封舱内的气体进行换热，实现舱内的制冷，流经蓄冷换热器5的管路液体工质和蓄冷换热器5内的蓄冷工质进行换热，实现蓄冷换热器5的蓄冷，如此循环构成舱壁换热器供冷蓄冷回路，控制第一控制阀10的开度可以调节蓄冷换热器5的蓄冷量。通过舱壁换热器6获取外界冷源，提供给蓄冷换热器5蓄冷，可以在飞行过程中实现释放冷量和重新蓄冷，从而可以多次重复使用。

在一个实施例中，温度控制系统还包括第二旁通管路P2，第二旁通管路P2通过液体管路17并联在舱壁换热器6的两端，第二旁通管路P2上设置有由采集控制器8控制的第三控制阀13，第三控制阀13打开，则管路液体工质会流经第二旁通管路P2中；舱壁换热器6的输入端或输出端处设有第四控制阀11，第四控制阀11打开时，则管路液体工质会流经舱壁换热器6。采集控制器8控制第一控制阀10打开、第二控制阀12关闭、第三控制阀13打开、第四控制阀11关闭，则管路液体工质流经第二旁通管路P2，接着流经蓄冷换热器5，与其中的蓄冷工质进行换热，然后进入气液换热器1，与密封舱内的气体进行换热，实现舱内制冷，如此循环构成蓄冷换热器供冷回路。

在一个实施例中，第三控制阀13为自锁阀，由采集控制器8控制打开或关闭，或者第三控制阀13也可以为电动控制阀，由采集控制器8控制开度，从而控制流经的流量。在一个实施例中，第四控制阀11为电动调节阀，由采集控制器8控制调节电动调节阀的开度，从而调节流经舱壁换热器6的管路液体工质的流量，对换热回路进行调节，在第四控制阀11开启时，换热回路可以包括舱壁换热器供冷回路和舱壁换热器供冷蓄冷回路，在第四控制阀11关闭、第三控制阀13开启时，换热回路可以包括蓄冷换热器供冷回路。较佳的，在连接舱壁换热器的6输入端或输出端的液体管路17上还设有手动控制阀，便于设备的维修和更换。

在一个实施例中，温度控制系统还可以包括第三旁通管路P3，通过液体管路17并联在气液换热器1的两端，第三旁通管路P3上设有由采集控制器8控制的第五控制阀9，控制第五控制阀9打开，管路液体工质会部分流入到第三旁通管路P3中，也就是减少进入气液换热器1中的流量，通过控制第五控制阀9的开度，可以实现对气液换热器1液体温度的调节，进而可以调节舱内的温度。较佳的，在第三旁通管路P3上还设有手动控制阀16，可以手动开关，便于设备的维修和更换。

手动控制阀16的设置位置并不限于图中所示位置，还可以是液体管路17上的其他位置，用来截止管路液体工质的流通。在温度控制系统正常工作状态下，手动控制阀16全部为打开状态，在需要维修过更换时，将相应处的手动控制阀16关断。

本发明的实施例可以通过控制各控制阀的开度来管路液体工质在液体管路17中的流量，进而调节舱内的温度，而控制阀开关的不同组合则可以切换不同的换热回路，从而实现通过外界冷源供冷，或通过外界冷源供冷的同时蓄冷，或通过蓄冷换热器5的蓄冷源进行供冷，可以在外界环境发生剧烈改变时，选择合适的换热回路进行供冷，而在临近空间停留时，还可以充分利用外界冷源蓄冷，实现蓄冷换热器5的重复利用。

较佳的，温度控制系统还包括设置在液体管路17上并用以为液体管路17补加管路液体工质的储液器7，以在管路液体工质流通过程中不足时进行相应的补充。

较佳的，温度控制系统还包括循环风机2，其设置在气液换热器1上，用以驱动空气循环加速气液换热器1的换热，循环风机2的进风口进风后通过气体换热器1和其内部的管路液体工质进行换热，加速舱内气体的流通，从而加快换热的过程，循环风机7可以由采集控制器8进行控制，控制循环风机7的风速也可以调节舱内温度。

进一步的，温度控制系统还包括电加热器3，设置在所述循环风机7输出的通风管路18上，并由采集控制器8控制启闭。当舱内需要制热时，关闭液体管路17，开启通风管路18中的电加热器3，加热循环风机7的循环空气，实现对舱内供热。

在一个实施例中，在液体管路17和通风管路18中分别设置温度传感器15和压力传感器14，系统工作过程中对液体温度、液体压力和气体温度进行测量，参数测量和设备、阀门的控制均可以通过采集控制器8实现。采集控制器8的控制方式可以为人工操作控制，也可以根据反馈的液体温度、液体压力和气体温度进行自适应地控制。

本发明采用蓄冷和舱壁换热两种方式，通过管路回路切换，满足不同外界环境条件下舱内制冷的需求，并通过电加热器满足舱内制热需求，实现了临近空间密封舱不同飞行阶段对舱内温度调节的目的，系统简单可靠，可以多次重复使用，降低了使用费用。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种临近空间密封舱的温度控制系统，包括：

舱壁换热器，其布置在密封舱的舱壁上，用以获取舱外冷源；

蓄冷换热器，其内具有蓄冷工质，其输入端通过液体管路连接所述舱壁换热器的输出端，其输入端或输出端处设有第一控制阀；

第一旁通管路，其通过液体管路并联在所述蓄冷换热器两端，其上设置有第二控制阀；

气液换热器，其用以和舱内换热，其输入端通过液体管路连接所述蓄冷换热器的输出端，其输出端通过液体管路连接所述舱壁换热器的输入端；以及

采集控制器，用以控制所述第一控制阀和第二控制阀；

在临近空间停留阶段，切换至相应换热回路，通过舱壁换热器采集舱外冷源，对蓄冷换热器进行蓄冷，实现在临近空间停留阶段的蓄冷换热器的载蓄冷。

2.如权利要求1所述的临近空间密封舱的温度控制系统，其特征在于，所述采集控制器控制所述第一控制阀关闭、第二控制阀打开，则管路液体工质依次循环流经舱壁换热器、第一旁通管路、气液换热器构成舱壁换热器供冷回路；所述采集控制器控制所述第一控制阀打开、第二控制阀打开，则管路液体工质流经舱壁换热器后同时流经蓄冷换热器和第一旁通管路、之后流经气液换热器构成循环的舱壁换热器供冷蓄冷回路。

3.如权利要求2所述的临近空间密封舱的温度控制系统，其特征在于，还包括第二旁通管路，其通过液体管路并联在所述舱壁换热器的两端，其上设置有由所述采集控制器控制的第三控制阀；所述舱壁换热器的输入端或输出端处设有第四控制阀；所述采集控制器控制所述第一控制阀打开、第二控制阀关闭、第三控制阀打开、第四控制阀关闭，则管路液体工质依次循环流经第二旁通管路、蓄冷换热器、气液换热器构成蓄冷换热器供冷回路。

4.如权利要求3所述的临近空间密封舱的温度控制系统，其特征在于，还包括第三旁通管路，其通过液体管路并联在所述气液换热器的两端，其上设有由所述采集控制器控制的第五控制阀。

5.如权利要求4所述的临近空间密封舱的温度控制系统，其特征在于，所述第一控制阀、第四控制阀和第五控制阀均包括一由所述采集控制器控制调节流经的管路液体工质流量的电动调节阀。

6.如权利要求1所述的临近空间密封舱的温度控制系统，其特征在于，还包括设置在液体管路上并用以为液体管路补加管路液体工质的储液器。

7.如权利要求1所述的临近空间密封舱的温度控制系统，其特征在于，还包括循环风机，其设置在气液换热器上，用以驱动空气循环加速气液换热器的换热。

8.如权利要求7所述的临近空间密封舱的温度控制系统，其特征在于，还包括电加热器，其设置在所述循环风机输出的通风管路上，并由采集控制器控制启闭。

9.如权利要求1所述的临近空间密封舱的温度控制系统，其特征在于，还包括液体泵，其设置在液体管路中，用以驱动管路液体工质循环。

10.如权利要求1所述的临近空间密封舱的温度控制系统，其特征在于，还包括设置在液体管路上的手动控制阀。