CN107082123A - 基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统及控制方法，该系统主要由高低温密闭环境舱、压缩机、膨胀机、换热器、压缩侧四通换向阀和膨胀侧四通换向阀组成；高低温密闭环境舱设有压缩侧风口和膨胀侧风口；压缩机与膨胀机同轴设置，之间设有驱动二者的高速电机；根据需求不同，该系统可运行于制冷和制热两种工作模式：制冷时，压缩侧风口为进风口，膨胀侧风口为出风口，密闭环境舱中的空气依次通过压缩侧四通换向阀、压缩机、换热器、膨胀侧四通换向阀、膨胀机完成制冷循环；制热时，压缩侧风口为出风口，膨胀侧风口为进风口，密闭环境舱中的空气，依次通过膨胀侧四通换向阀、膨胀机、换热器、压缩侧四通换向阀、压缩机完成制热循环。

Description

基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统及控制方法

技术领域：

本发明涉及一种基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统及控制方法，特别适用于大型密闭高低温环境舱(即飞行器环境模拟舱)的环境营造，属于飞行器环控领域。

背景技术：

大型密闭高低温环境舱，即飞行器环境模拟舱，要求舱内温度在约-70℃到70℃变化，制冷制热快速可靠，节能环保，且要求舱内密封性能好，可以达到要求的真空状态。现有的环境营造技术特点如下：

(1)蒸气压缩循环制冷，应用广泛，技术成熟，制冷效率高。但制冷速率慢，复叠制冷系统复杂、维护困难，且低于-70℃时蒸气压缩循环的制冷系数相对空气循环无优势，而且室内需要额外设置风机，在低温(-80℃)情况下，风机及其变频器的可靠性存在问题，此外可能存在制冷剂泄漏的风险。

(2)双极压缩空气循环制冷，制冷速率快，低于-70℃时制冷效率较高，且室内无需设置风机，可靠性高。但存在以下问题：①需要设置两套设备(电动压缩机和压缩-膨胀机)，使得系统复杂，维护困难；②目前只考虑了制冷，而制热普遍直接采用电加热，没有从外界环境吸热，使得加热能耗巨大；③一般为开式空气循环系统，难以保障系统密封性，加重了抽真空设备的负荷。

针对现有技术的不足，本发明拟提出一套基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统及控制方法，使得高低温环境营造系统紧凑、简洁、方便保温和维护，提高可靠性，且利用空气循环实现制冷和制热(热泵)，切实降低制热能耗，达到节能目标。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明提出了一套基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统及控制方法，采用高速电机驱动的压缩-膨胀机代替双极压缩循环(电动压气机+压缩膨胀机)，简化系统形式，方便系统维护，降低了初投资；利用反向空气循环作为热泵制热，切实降低制热能耗；同时采用巧妙的管路连接和控制方式，使得系统紧凑、简洁、管路顺畅，易于控制。

本发明采用如下技术方案：一种基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统，由高、低温密闭环境舱、压缩机、膨胀机、换热器、空气过滤器、压缩侧四通换向阀、膨胀侧四通换向阀以及真空泵组成；所述高、低温密闭环境舱设有压缩侧风口和膨胀侧风口；所述压缩机与膨胀机同轴设置，之间设有驱动二者的高速电机；所述压缩侧四通换向阀上设有压缩侧四通换向阀端口A、压缩侧四通换向阀端口B、压缩侧四通换向阀端口C、压缩侧四通换向阀端口D以及压缩侧四通换向阀阀芯，其中压缩侧四通换向阀端口A通过管道与压缩侧风口连接，中间设置空气过滤器，压缩侧四通换向阀端口B与压缩机进口连接，压缩侧四通换向阀端口C与换热器连接，压缩侧四通换向阀端口D与压缩机出口连接，通过压缩侧四通换向阀阀芯的位置控制端口连通形式；所述膨胀侧四通换向阀上设有膨胀侧四通换向阀端口A、膨胀侧四通换向阀端口B、膨胀侧四通换向阀端口C、膨胀侧四通换向阀端口D以及膨胀侧四通换向阀阀芯，其中膨胀侧四通换向阀端口A通过管道与换热器另一端连接，膨胀侧四通换向阀端口B与膨胀机进口连接，膨胀侧四通换向阀端口C与膨胀侧风口连接，膨胀侧四通换向阀端口D与膨胀机的出口连接，通过膨胀侧四通换向阀阀芯的位置控制端口连通形式；所述换热器并联设有冷热旁通管，冷热旁通管上设有冷热调节活门。

进一步地，还包括设置于高、低温密闭环境舱上的补气阀门、抽真空阀门和真空泵。

进一步地，所述压缩侧四通换向阀和膨胀侧四通换向阀为多个两通或三通阀门组合形式。

本发明还采用如下技术方案：一种基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统的控制方法，包括如下步骤：

(a)需要制冷时，此时的高、低温密闭环境舱为低温密闭环境舱，压缩侧四通换向阀的压缩侧四通换向阀阀芯滑到左端，使得压缩侧四通换向阀端口A和压缩侧四通换向阀端口B连通，压缩侧四通换向阀端口C和压缩侧四通换向阀端口D连通；同时膨胀侧四通换向阀的膨胀侧四通换向阀阀芯滑到左端，使得膨胀侧四通换向阀端口A和膨胀侧四通换向阀端口B连通，膨胀侧四通换向阀端口C和膨胀侧四通换向阀端口D连通；压缩侧风口为进风口，膨胀侧风口为出风口；低温密闭环境舱中的空气，通过压缩侧风口、空气过滤器和压缩侧四通换向阀进入压缩机加压升温，然后进入换热器向外界散热，通过膨胀侧四通换向阀进入膨胀机膨胀制冷，低温空气通过膨胀侧风口进入环境舱，完成制冷循环；

(b)需要制热时，此时的高、低温密闭环境舱为高温密闭环境舱，压缩侧四通换向阀的压缩侧四通换向阀阀芯滑到右端，使得压缩侧四通换向阀端口B和压缩侧四通换向阀端口C连通，压缩侧四通换向阀端口A和压缩侧四通换向阀端口D连通；同时膨胀侧四通换向阀的膨胀侧四通换向阀阀芯滑到右端，使得膨胀侧四通换向阀端口B和膨胀侧四通换向阀端口C连通，膨胀侧四通换向阀端口A和膨胀侧四通换向阀端口D连通；压缩侧风口为出风口，膨胀侧风口为进风口；高温密闭环境舱中的空气，通过膨胀侧风口和膨胀侧四通换向阀进入膨胀机减压降温，然后进入换热器从外界环境吸热，通过压缩侧四通换向阀进入压缩机加压升温，高温空气通过压缩侧风口进入环境舱，完成制热循环。

本发明具有如下有益效果：

(1)、利用高速电机驱动的压缩-膨胀机代替双极压缩系统(电动压气机+压缩膨胀机)，使得系统简化，易于保温和维护。

(2)、采用空气压缩循环制热代替电加热，从外界环境吸热，使得制热COP大于1，切实降低了制热能耗，且省却了电加热时需要的风机。

(3)、构建了闭式空气循环系统，保障了系统的密闭性，有利于抽真空设备模拟高空低压环境。

(4)、通过巧妙的管路连接，使得系统紧凑、简洁、管路顺畅，同时易于控制，方便维护。

附图说明：

图1为本发明基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统的制冷流程图。

图2为本发明基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统的制冷模式T-S图。

图3为本发明基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统的制热流程图。

图4为本发明基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统的制热模式T-S图。

图中：

1－高、低温密闭环境舱；2－压缩侧风口；3－膨胀侧风口；4－高速电机；5－压缩机；6－膨胀机；7－空气过滤器；8－压缩侧四通换向阀；81－压缩侧四通换向阀端口A；82－压缩侧四通换向阀端口B；83－压缩侧四通换向阀端口C；84－压缩侧四通换向阀端口D；85－压缩侧四通换向阀阀芯；9－膨胀侧四通换向阀；91－膨胀侧四通换向阀端口A；92－膨胀侧四通换向阀端口B；93－膨胀侧四通换向阀端口C；94－膨胀侧四通换向阀端口D；95－膨胀侧四通换向阀阀芯；10－冷热调节活门；11－换热器；12-补气阀门；13-抽真空阀门；14-真空泵。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统由高、低温密闭环境舱1、压缩机5、膨胀机6、换热器11、空气过滤器7、压缩侧四通换向阀8、膨胀侧四通换向阀9以及真空泵14组成；其中高、低温密闭环境舱1设有压缩侧风口2和膨胀侧风口3；压缩机5与膨胀机6同轴设置，之间设有驱动二者的高速电机4；压缩侧四通换向阀8上设有压缩侧四通换向阀端口A81、压缩侧四通换向阀端口B82、压缩侧四通换向阀端口C83、压缩侧四通换向阀端口D84以及压缩侧四通换向阀阀芯85，其中压缩侧四通换向阀端口A81通过管道与压缩侧风口2连接，中间设置空气过滤器7，压缩侧四通换向阀端口B82与压缩机5进口连接，压缩侧四通换向阀端口C83与换热器11连接，压缩侧四通换向阀端口D84与压缩机5出口连接，通过压缩侧四通换向阀阀芯85的位置控制端口连通形式；膨胀侧四通换向阀9上设有膨胀侧四通换向阀端口A91、膨胀侧四通换向阀端口B92、膨胀侧四通换向阀端口C93、膨胀侧四通换向阀端口D94以及膨胀侧四通换向阀阀芯95，其中膨胀侧四通换向阀端口A91通过管道与换热器11另一端连接，膨胀侧四通换向阀端口B92与膨胀机6进口连接，膨胀侧四通换向阀端口C93与膨胀侧风口3连接，膨胀侧四通换向阀端口D94与膨胀机6的出口连接，通过膨胀侧四通换向阀阀芯95的位置控制端口连通形式；本发明中压缩侧四通换向阀8和膨胀侧四通换向阀9可为多个两通或三通阀门组合形式。换热器11并联设有冷热旁通管，冷热旁通管上设有冷热调节活门10；根据需求不同，该系统可运行于制冷和制热两种工作模式。

图1为制冷工况流程图，图2为制冷工况T-S图。此时的高、低温密闭环境舱1为低温密闭环境舱。需要制冷时，压缩侧四通换向阀8的压缩侧四通换向阀阀芯85滑到左端，使得压缩侧四通换向阀端口A81和压缩侧四通换向阀端口B82连通，压缩侧四通换向阀端口C83和压缩侧四通换向阀端口D84连通；同时膨胀侧四通换向阀9的膨胀侧四通换向阀阀芯95滑到左端，使得膨胀侧四通换向阀端口A91和膨胀侧四通换向阀端口B92连通，膨胀侧四通换向阀端口C93和膨胀侧四通换向阀端口D94连通；压缩侧风口2为进风口，膨胀侧风口3为出风口；低温密闭环境舱中的空气，通过压缩侧风口2、空气过滤器7和压缩侧四通换向阀8进入压缩机5加压升温，然后进入换热器11向外界散热，通过膨胀侧四通换向阀9进入膨胀机6膨胀制冷，低温空气通过膨胀侧风口3进入环境舱，完成制冷循环。通过冷热调节活门10调节进入换热器11的空气流量，进而调节向外界环境散热量。

图3为制热工况流程图，图4为制热工况T-S图。此时的高、低温密闭环境舱1为高温密闭环境舱。需要制热时，压缩侧四通换向阀8的压缩侧四通换向阀阀芯85滑到右端，使得压缩侧四通换向阀端口B82和压缩侧四通换向阀端口C83连通，压缩侧四通换向阀端口A81和压缩侧四通换向阀端口D84连通；同时膨胀侧四通换向阀9的膨胀侧四通换向阀阀芯95滑到右端，使得膨胀侧四通换向阀端口B92和膨胀侧四通换向阀端口C93连通，膨胀侧四通换向阀端口A91和膨胀侧四通换向阀端口D94连通；压缩侧风口2为出风口，膨胀侧风口3为进风口；高温密闭环境舱中的空气，通过膨胀侧风口3和膨胀侧四通换向阀9进入膨胀机6减压降温，然后进入换热器11从外界环境吸热，通过压缩侧四通换向阀8进入压缩机5加压升温，高温空气通过压缩侧风口2进入环境舱，完成制热循环。通过冷热调节活门10调节进入换热器11的空气流量，进而调节从外界环境的吸热量。值得注意的是，制热时吸收了外界环境热量，制热效率必然大于1，相比于现有的电加热技术具有显著的节能优势。

本发明基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统为闭式系统，所有设备和管路需要密封和保温。

本发明基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统还包括有设置于高、低温密闭环境舱1上的补气阀门12、抽真空阀门13和真空泵14，通过补气阀门12、抽真空阀门13和真空泵14方便地调节于高、低温密闭环境舱1压力，模拟高空低压环境。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统，其特征在于：由高、低温密闭环境舱(1)、压缩机(5)、膨胀机(6)、换热器(11)、空气过滤器(7)、压缩侧四通换向阀(8)、膨胀侧四通换向阀(9)以及真空泵(14)组成；所述高、低温密闭环境舱(1)设有压缩侧风口(2)和膨胀侧风口(3)；所述压缩机(5)与膨胀机(6)同轴设置，之间设有驱动二者的高速电机(4)；所述压缩侧四通换向阀(8)上设有压缩侧四通换向阀端口A(81)、压缩侧四通换向阀端口B(82)、压缩侧四通换向阀端口C(83)、压缩侧四通换向阀端口D(84)以及压缩侧四通换向阀阀芯(85)，其中压缩侧四通换向阀端口A(81)通过管道与压缩侧风口(2)连接，中间设置空气过滤器(7)，压缩侧四通换向阀端口B(82)与压缩机(5)进口连接，压缩侧四通换向阀端口C(83)与换热器(11)连接，压缩侧四通换向阀端口D(84)与压缩机(5)出口连接，通过压缩侧四通换向阀阀芯(85)的位置控制端口连通形式；所述膨胀侧四通换向阀(9)上设有膨胀侧四通换向阀端口A(91)、膨胀侧四通换向阀端口B(92)、膨胀侧四通换向阀端口C(93)、膨胀侧四通换向阀端口D(94)以及膨胀侧四通换向阀阀芯(95)，其中膨胀侧四通换向阀端口A(91)通过管道与换热器(11)另一端连接，膨胀侧四通换向阀端口B(92)与膨胀机(6)进口连接，膨胀侧四通换向阀端口C(93)与膨胀侧风口(3)连接，膨胀侧四通换向阀端口D(94)与膨胀机(6)的出口连接，通过膨胀侧四通换向阀阀芯(95)的位置控制端口连通形式；所述换热器(11)并联设有冷热旁通管，冷热旁通管上设有冷热调节活门(10)。

2.如权利要求1所述的基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统，其特征在于：还包括设置于高、低温密闭环境舱(1)上的补气阀门(12)、抽真空阀门(13)和真空泵(14)。

3.如权利要求1所述的于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统，其特征在于：所述压缩侧四通换向阀(8)和膨胀侧四通换向阀(9)为多个两通或三通阀门组合形式。

4.一种基于闭式空气循环的紧凑型高空环境模拟系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤

(a)需要制冷时，此时的高、低温密闭环境舱(1)为低温密闭环境舱，压缩侧四通换向阀(8)的压缩侧四通换向阀阀芯(85)滑到左端，使得压缩侧四通换向阀端口A(81)和压缩侧四通换向阀端口B(82)连通，压缩侧四通换向阀端口C(83)和压缩侧四通换向阀端口D(84)连通；同时膨胀侧四通换向阀(9)的膨胀侧四通换向阀阀芯(95)滑到左端，使得膨胀侧四通换向阀端口A(91)和膨胀侧四通换向阀端口B(92)连通，膨胀侧四通换向阀端口C(93)和膨胀侧四通换向阀端口D(94)连通；压缩侧风口(2)为进风口，膨胀侧风口(3)为出风口；低温密闭环境舱中的空气，通过压缩侧风口(2)、空气过滤器(7)和压缩侧四通换向阀(8)进入压缩机(5)加压升温，然后进入换热器(11)向外界散热，通过膨胀侧四通换向阀(9)进入膨胀机(6)膨胀制冷，低温空气通过膨胀侧风口(3)进入环境舱，完成制冷循环；

(b)需要制热时，此时的高、低温密闭环境舱(1)为高温密闭环境舱，压缩侧四通换向阀(8)的压缩侧四通换向阀阀芯(85)滑到右端，使得压缩侧四通换向阀端口B(82)和压缩侧四通换向阀端口C(83)连通，压缩侧四通换向阀端口A(81)和压缩侧四通换向阀端口D(84)连通；同时膨胀侧四通换向阀(9)的膨胀侧四通换向阀阀芯(95)滑到右端，使得膨胀侧四通换向阀端口B(92)和膨胀侧四通换向阀端口C(93)连通，膨胀侧四通换向阀端口A(91)和膨胀侧四通换向阀端口D(94)连通；压缩侧风口(2)为出风口，膨胀侧风口(3)为进风口；高温密闭环境舱中的空气，通过膨胀侧风口(3)和膨胀侧四通换向阀(9)进入膨胀机(6)减压降温，然后进入换热器(11)从外界环境吸热，通过压缩侧四通换向阀(8)进入压缩机(5)加压升温，高温空气通过压缩侧风口(2)进入环境舱，完成制热循环。