CN105674038A - 一种用于长期在轨贮存低温液体的装置及其冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于长期在轨贮存低温液体的装置及其冷却方法，该装置包括：贮存箱、箱外主动热防护装置及箱内主动冷却装置，贮存箱用于贮存低温液体；箱外主动热防护装置设置于贮存箱的外部，用于利用循环介质对贮存箱的外壁进行循环冷却；箱内主动冷却装置设置于贮存箱的内部，用于对贮存箱内的低温流体进行循环冷却和控制箱内压力。该方法包括：利用循环介质在设置在贮存箱外的箱外主动热防护装置中循环，对贮存箱的外侧进行冷却；贮存箱中贮存的低温液体在设置在贮存箱内的箱内主动冷却装置中循环，对贮存箱内的低温气体和液体进行冷却，降低箱内压力。本发明通过内外双重主动的方式对贮存箱进行冷却，实现了低温液体长期在轨的零蒸发贮存。

Description

一种用于长期在轨贮存低温液体的装置及其冷却方法
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种用于长期在轨贮存低温液体的装置及其冷却方法。
背景技术
低温推进剂长时间在轨贮存技术可以应用于上面级、探月、深空探测器、空间燃料站等多个航天领域。低温推进剂(如本发明的目标对象液氧)的特点是具有较低的沸点，尽管绝热技术的发展能使低温贮箱的绝热性能达到很高的水平，但还是或多或少会存在蒸发，致使箱内压力上升。为确保低温贮箱的安全，当箱内压力上升到一定值时，传统的方式是通过排气，对箱内液体冷却的同时控制贮箱内压力。但是定期的排气使得航天器在长时间的在轨运行中，低温液体会大量损失，低温液体利用率会大大减小。
另外，在太空环境中，低温液体的排放存在着其他潜在危险。首先，微重力环境使气液界面不确定，若无气液分离器，排气过程中将有大量液体被排出。其次，排出的气体由于微重力的影响会弥漫在航天器周围，如果是易燃易爆的低温推进剂，将严重危害航天器以及宇航员的安全。另外，定期的排放使低温液体的携带量需要远远大于额定需液量，这就直接影响到贮箱的质量，增加了运行负荷，大大增加了发射费用。
因此，急需提供一种有效减少低温液体蒸发、减少携带量，进而降低发射费用的用于贮存低温液体的装置。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种用于长期在轨贮存低温液体的装置及其冷却方法，采用箱外主动热防护和箱内主动冷却的联合运行，实现冷量的高效利用，实现了低温液体长期在轨的零蒸发存储，减少了低温液体携带量，节省了发射费用。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种用于长期在轨贮存低温液体的装置，其包括：贮存箱、箱外主动热防护装置以及箱内主动冷却装置，
所述贮存箱用于贮存低温液体；
所述箱外主动热防护装置设置于所述贮存箱的外部，用于利用循环介质对所述贮存箱的外壁进行循环冷却；
所述箱内主动冷却装置设置于所述贮存箱的内部，用于对所述贮存箱的内部的低温液体进行循环冷却。
较佳地，所述箱外主动热防护装置包括：冷却管路、驱动装置以及第一级低温制冷单元；其中，
所诉冷却管路设置在所述贮存箱的外侧，所述冷却管路的一端与所述驱动装置相连，另一端与所述第一级低温制冷单元相连，所述驱动装置与所述第一级低温制冷单元相连；
所述冷却管路与所述驱动装置以及所述第一级低温制冷单元组成第一循环回路，所述循环介质在所述第一循环回路中循环。
较佳地，所述冷却管路包括多根冷却管，所述多根冷却管沿所述贮存箱的外壁为等距分布。
较佳地，所述第一低温制冷单元与所述贮存箱之间的管路上设置有第一温度传感器，和/或所述驱动装置与所述第一级低温制冷单元之间的管路上设置有第二温度传感器；设置第一温度传感器和第二温度传感器可以实时采集贮存箱所述第一循环回路中的工况数据，根据其采集的温度信息可以对贮存箱所述第一循环回路中循环工质的状态进行实时监控，对冷却系统进行实时控制。
较佳地，所述贮存箱的外侧设置有绝热结构，所述冷却管路位于所述贮存箱和所述绝热结构之间。
较佳地，所述箱内主动冷却装置包括：喷杆、低温循环泵以及第二级低温制冷单元；其中，
所述喷杆的顶端位于所述贮存箱中，所述喷杆的底端从所述贮存箱中穿出与所述第二级低温制冷单元相连，所述第二级低温制冷单元与所述贮存箱相连；
所述贮存箱、所述喷杆以及所述第二级低温制冷单元组成第二循环回路，所述低温液体在所述第二循环回路中循环，所述低温循环泵设置在所述第二循环回路的位于所述贮存箱外的部分，用于将所述低温液体从所述贮存箱中抽出。
采用喷杆式强制循环冷却系统，不仅能对贮存箱内的低温液体进行冷却，还能起到混流的作用，打破贮存箱内存在的热分层现象。
较佳地，所述喷杆上的多个孔的方向不同，且多个孔沿所述贮存箱从上至下的间距越来越大。
较佳地，所述喷杆上设置有压力传感器；当所述压力传感器监测到的压力大于等于预设的阈值上限时，所述箱内主动冷却装置开启；当所述压力传感器监测到的压力小于等于预设的阈值下限时，所述箱内主动冷却装置关闭，如此循环。采用压力传感器实现了对箱内主动冷却装置的智能控制，不仅实现了对低温液体的冷却，还能够使贮存箱内的压力始终保持在理想状态，延长了贮存箱的使用寿命。
较佳地，所述喷杆上设置有第三温度传感器，其可以实时采集贮存箱的工况数据，根据其采集的温度信息可以对贮存箱的工作状态进行实时监控，可以对冷却系统进行实时控制。
较佳地，所述箱外主动热防护装置的第一级低温制冷单元和所述箱内主动冷却装置的第二级低温制冷单元为同一低温制冷机的两级。
较佳地，所述第一循环回路中的循环工质可以为氮气、氖气、氦气等低温气体。
本发明还提供一种用于长期在轨贮存低温液体的装置的冷却方法，其包括以下流程：
S11：利用循环介质在设置在贮存箱外的箱外主动热防护装置中循环，对贮存箱的外壁进行冷却；
S12：所述贮存箱中贮存的低温液体在设置在贮存箱内的箱内主动冷却装置中循环，对所述贮存箱内的所述低温液体进行冷却。
所述流程S11和流程S12不分先后顺序。
较佳地，所述流程S12采用间隙式运行方式，当所述贮存箱内的压力大于等于预设的阈值上限时，开启箱内主动冷却装置；当所述贮存箱内的压力小于等于预设的阈值下限时，关闭所述箱内主动冷却装置。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的用于贮存低温液体的装置及其冷却方法，采用箱外主动热防护和箱内主动冷却的联合运行，实现冷量的高效利用，实现了低温液体长期在轨的零蒸发存储，大大提高了低温液体的利用率，与常规的排气系统相比，减少了低温液体的携带量，进而减小了运行负荷，节省了发射费用；
(2)本发明一方面采用箱外主动热防护装置提供隔热防护，减少贮存箱的漏热量；另一方面采用箱内主动冷却系统对贮存箱内由于漏热逐渐升高的压力进行控制，实现了低温液体长期在轨的零蒸发存储，降低了因为排气带来的安全隐患；
(3)本发明的箱内主动冷却装置采用喷杆式强制循环冷却，其能对贮存箱内低温液体进行冷却的同时，还能起到混流作用，打破贮存箱内存在的热分层现象，达到更好的冷却效果。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的实施例1用于长期在轨贮存低温液体的装置的结构示意图；
图2为本发明的实施例2的箱内主动冷却装置的结构示意图；
图3为本发明的实施例3的用于长期在轨贮存低温液体的装置的结构示意图；
图4为本发明的实施例3的箱内主动冷却装置的结构示意图。
标号说明：1-贮存箱，4-制冷机，5-散热器
21-冷却管路，22-驱动装置，23-第一级低温制冷单元；
31-喷杆，32-低温循环泵，33-第二级低温制冷单元
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明的用于长期在轨贮存低温液体的装置包括：贮存箱、箱外主动热防护装置以及箱内主动冷却装置；贮存箱用于贮存低温液体；箱外主动热防护装置设置于贮存箱的外部，用于利用循环介质对贮存箱的外壁进行循环冷却；箱内主动冷却装置设置于贮存箱的内部，用于对贮存箱的内部的低温液体进行循环冷却。现有的贮存箱的冷却方式大多采用被动式的蒸汽冷却屏技术，即在贮存箱的外部设置绝热保护层，以隔离外界的热量，实现对贮存箱的热防护，此被动冷却方式可控性差、冷却效率低；本发明在贮存箱的原系统基础上，增加了箱外主动热防护和箱内主动冷却，通过内外部的双重主动方式的联合运行实现了冷量的高效利用，更好的实现了低温液体的贮存。本发明的箱外主动热防护装置和箱内主动冷却装置可以有很多种实现方式，下面结合具体实施例对其进行详细描述。
实施例1：
结合图1，对本发明的用于贮存低温液体的装置进行详细描述，其结构示意图如图1所示。
本实施例中，箱外主动热防护装置包括：冷却管路21，驱动装置22，第一低温制冷单元23，冷却管路21贴在贮存箱1的外壁，本实施例中冷却管路包括多根，等间隔垂直贴在贮存箱1的外壁上，冷却管路21的一端与驱动装置22相连，另一端与第一级低温制冷单元23相连，驱动装置22和第一级低温制冷单元23相连。冷却管路21、驱动装置22以及第一级低温制冷单元23组成第一循环回路，循环工质在第一循环回路中循环，循环工质在第一级低温制冷单元23中进行换热，冷却后的循环工质再通过冷却管路21，进而起到对贮存箱1的热防护作用。
不同实施例中，循环工质可以为氮气、氖气、氦气等低温气体。
本实施例中，箱内主动冷却装置包括：喷杆31、低温循环泵32以及第二级低温制冷单元33。其中，喷杆31垂直放置在贮存箱1内，喷杆的顶端顶到贮存箱的顶部，喷杆31的底端从贮存箱1的底部穿出，通过管道连接到设置在贮存箱1外部的第二级低温制冷单元33，第二级低温制冷单元33还与贮存箱1的底部相连，贮存箱1、第二级低温制冷单元33以及喷杆31组成第二循环回路，低温循环泵32设置在第二级循环回路的位于贮存箱外的管道上，低温循环泵32将贮存箱1内的低温液体抽出贮存箱1，在第二级低温制冷单元33中进行换热，被冷却后的过冷低温液体通过喷杆31喷射回贮存箱1中，以如此循环的方式对贮存箱1内的低温液体进行冷却，并冷却和冷凝气体，降低贮存箱1内的压力。
本实施例中，为了高效利用制冷量，节省空间，简化结构，第一级低温制冷单元23和第二级低温制冷单元33为同一低温制冷机4的两级，低温制冷机4的散热器5也只需设置一个。
专利号为：US2013174583A1，名称为：methodforstoringcryogenicfluidinstoragevessel的美国专利公开了一种贮箱内低温流体贮存方法，其采用的是将一部分低温液体抽出，通过换热器与更低温的冷却工质(以液氮为例)换热，冷却后的低温液体返回贮箱中，以实现对贮箱内压力与温度的控制，但是此种方法并未考虑到低温贮箱内会存在热分层的现象，单纯的冷却，无法破坏热分层，使用此种方法进行冷却的效果不是很理想。此外，在其他文献中，有人提出通过热管与混合泵结合的方法来实现低温贮箱的冷却和混流，但此种方法加入了运动装置，增加了系统的不稳定性。本发明的箱内主动冷却装置采用喷杆强制循环冷却方式来实现贮存箱的低温液体的冷却和混流，打破了热分层的现象，冷却效果好，且没有加入运动装置，系统稳定性强。
较佳实施例中，贮存箱1的外部还设置有绝热结构，冷却管路21设置在贮存箱1的外壁和绝热结构之间，为了增强隔热效果，绝热结构可以包括多层。
实施例2：
本实施例是在实施例1的基础上，对喷杆31上的喷孔的设置进行了改进，喷杆31上的喷孔设置方式为：在喷杆31的四个方向上各开数个喷孔，喷孔从上至下为非等距的，从上至下，孔数越来越稀疏，其透视图如图2所示，这样设置的好处是：因为气枕的位置通常位于贮箱上方，喷孔这样的布置以便于更多的过冷液体进入气枕与气相换热，达到更有效更快速地控压效果；另一方面，即使喷杆下部喷孔布置较疏，也还是能对液氧起到混流破坏温度分层的作用。
实施例3：
本实施例是在实施例1或实施例2的基础上增加了温度传感器和压力传感器，以对系统的运行进行控制和监测，具体设置位置如图3所示，在冷却管路和第一级低温制冷单元之间设置第一温度传感器T1，在驱动装置和第一级低温制冷单元之间设置第二温度传感器T2。
另外，在喷杆上设置第三温度传感器T3和压力传感器P，当压力传感器P监测到的压力大于等于预设的阈值上限，即贮存箱1内的压力上升到贮存箱1的承压上限时，箱内主动冷却装置开启，冷却箱内低温液体并降低贮存箱1内的压力，当压力传感器P监测到的压力小于等于预设的阈值下限，即贮存箱1内的压力降至安全压力以下时，箱内主动冷却装置停止运行，如此循环往复运行，实现对贮存箱1内的低温流体的冷却与压力控制。贮存箱1的上部区域为气团区，该部分的压力上升、下降快，能够更好的反映贮存箱1内的压力变化，所以将压力传感器P设置在该部分，能够更好地监测贮存箱1内的压力变换。
实施例4：
本实施例对本发明的用于贮存低温液体的装置的冷却方法进行详细描述，其包括以下流程：
S11：利用循环介质在设置在贮存箱外的箱外主动热防护装置中循环，对贮存箱的外壁进行冷却；
S12：所述贮存箱中贮存的低温液体在设置在贮存箱内的箱内主动冷却装置中循环，对所述贮存箱内的低温液体进行冷却。
流程S11和流程S12不分先后顺序，可以同时运行，也可以先后进行。
较佳实施例中，流程S11采用间隙式运行方式，当贮存箱内的压力大于等于预设的阈值上限时，开启箱内主动冷却装置；当贮存箱内的压力小于等于预设的阈值下限时，关闭所述箱内主动冷却装置。这样设置能够将贮存箱内的压力保持在一定范围内，且间隔运行能够节省能源。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (13)

1.一种用于长期在轨贮存低温液体的装置，其特征在于，包括：贮存箱、箱外主动热防护装置以及箱内主动冷却装置，
所述贮存箱用于贮存低温液体；
所述箱外主动热防护装置设置于所述贮存箱的外部，用于利用循环介质对所述贮存箱的外壁进行循环冷却；
所述箱内主动冷却装置设置于所述贮存箱的内部，用于对所述贮存箱的内部的低温液体进行循环冷却。
2.根据权利要求1所述的用于长期在轨贮存低温液体的装置，其特征在于，所述箱外主动热防护装置包括：冷却管路、驱动装置以及两级低温制冷机的第一级制冷单元；其中，
所诉冷却管路设置在所述贮存箱的外侧，所述冷却管路的一端与所述驱动装置相连，另一端与所述第一级低温制冷单元相连，所述驱动装置与所述第一级低温制冷单元相连；
所述冷却管路与所述驱动装置以及所述第一级低温制冷单元组成第一循环回路，所述循环介质在所述第一循环回路中循环。
3.根据权利要求2所述的用于长期在轨贮存低温液体的装置，其特征在于，所述冷却管路包括多根冷却管，所述多根冷却管沿所述贮存箱的外壁为等距分布。
4.根据权利要求2所述的用于长期在轨贮存低温液体的装置，其特征在于，所述第一低温制冷单元与所述贮存箱之间的管路上设置有第一温度传感器，和/或所述驱动装置与所述第一级低温制冷单元之间的管路上设置有第二温度传感器。
5.根据权利要求2所述的用于贮存低温液体的装置，其特征在于，所述贮存箱的外侧设置有绝热结构，所述冷却管路位于所述贮存箱和所述绝热结构之间。
6.根据权利要求1所述的用于长期在轨贮存低温液体的装置，其特征在于，所述箱内主动冷却装置包括：喷杆、低温循环泵以及第二级低温制冷单元；其中，
所述喷杆的顶端位于所述贮存箱中，所述喷杆的底端从所述贮存箱中穿出与所述第二级低温制冷单元相连，所述第二级低温制冷单元与所述贮存箱相连；
所述贮存箱、所述喷杆以及所述第二级低温制冷单元组成第二循环回路，所述低温液体在所述第二循环回路中循环，所述低温循环泵设置在所述第二循环回路的位于所述贮存箱外的部分，用于将所述低温液体从所述贮存箱中抽出。
7.根据权利要求6所述的用于长期在轨贮存低温液体的装置，其特征在于，所述喷杆上的多个孔的方向不同，且多个孔沿所述贮存箱从上至下的间距越来越大。
8.根据权利要求6所述的用于长期在轨贮存低温液体的装置，其特征在于，所述喷杆上设置有压力传感器；
当所述压力传感器监测到的压力大于等于预设的阈值上限时，所述箱内主动冷却装置开启；当所述压力传感器监测到的压力小于等于预设的阈值下限时，所述箱内主动冷却装置关闭，如此循环。
9.根据权利要求6所述的用于长期在轨贮存低温液体的装置，其特征在于，所述喷杆上设置有第三温度传感器。
10.根据权利要求1至9任一项所述的用于长期在轨贮存低温液体的装置，其特征在于，所述箱外主动热防护装置的第一级低温制冷单元和所述箱内主动冷却装置的第二级低温制冷单元为同一低温制冷机的两级。
11.根据权利要求1至9任一项所述的用于贮存低温液体的装置，其特征在于，所述循环工质为低温气体。
12.一种用于长期在轨贮存低温液体的装置的冷却方法，其特征在于，包括以下流程：
S11：利用循环介质在设置在贮存箱外的箱外主动热防护装置中循环，对贮存箱的外壁进行冷却；
S12：所述贮存箱中贮存的低温液体在设置在贮存箱内的箱内主动冷却装置中循环，对所述贮存箱内的所述低温液体进行冷却。
所述流程S11和流程S12不分先后顺序。
13.根据权利要求12所述的用于长期在轨贮存低温液体的装置的冷却方法，其特征在于，所述流程S12采用间隙式运行方式，当所述贮存箱内的压力大于等于预设的阈值上限时，开启箱内主动冷却装置；当所述贮存箱内的压力小于等于预设的阈值下限时，关闭所述箱内主动冷却装置。
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