CN110346665A - 一种宽温域低温环境试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽温域低温环境试验装置，涉及低温环境试验领域，包括保温舱体、液氮供给系统、气氮发生及稳压系统、升温系统、降温系统、高低温循环管路系统、防积液装置和测量控制系统，其中，气氮发生及稳压系统由液氮汽化器、氮气减压器、氮气管道安全阀、氮气管路电磁阀组成，保温舱体分为静压室、工作空间和循环风道，升温系统由循环风道中电加热器和固态继电器组成，降温系统由液氮壁面蒸发器、液氮二次蒸发器以及循环风道中的液氮蒸发器组成，高低温循环管路系统将保温舱体、液氮供给系统、气氮发生及稳压系统、升温系统、降温系统连接起来，形成回路。本发明可实现超低温温区试验温度环境，温场均匀，无积液现象，安全可靠。

Description

一种宽温域低温环境试验装置
技术领域
本发明涉及低温环境试验领域，尤其涉及一种宽温域低温环境试验装置。
背景技术
在航空航天设备、精密电子元器件等重要元件的研发过程中，常需要提供高低温热环境来模拟元件工作环境，以检验元件功能与性能。通过对现有技术检索发现，在CN200410078807.3、CN200910201130.0、CN201210424959.9和CN201710043525.7等采用非机械制冷的相关专利中，热试验环境通常只能实现-150℃及以上温区。受液氮积液、温场均匀性差等问题限制，临近液氮饱和温度(约-196℃)的超低温区间通常难以实现。若需要实现饱和液氮临近温区的超低温环境，对设备有着较高的设计及控制要求。因此，本领域的技术人员致力于开发一种宽温域低温环境试验装置，可实现具有低至液氮温度的宽工作温域、可控性升降温速率、低温度波动度和高温度均匀性的试验环境。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是，提供一种宽温域低温环境试验装置，能够实现液氮饱和温度的超低温区间热试验环境，且防止液氮临近温区积液现象的发生。
为实现上述目的，本发明提供了一种宽温域低温环境试验装置，包括保温舱体、液氮供给系统、气氮发生及稳压系统、升温系统、降温系统、高低温循环管路系统、防积液装置和测量控制系统；其中，所述气氮发生及稳压系统包括液氮汽化器、氮气减压器、氮气管道安全阀和氮气管路电磁阀；所述保温舱体包括静压室、工作空间和循环风道；所述升温系统包括所述循环风道中电加热器和固态继电器；所述降温系统包括液氮壁面蒸发器、液氮二次蒸发器和所述循环风道中的液氮蒸发器；所述高低温循环管路系统将保温舱体、液氮供给系统、气氮发生及稳压系统、升温系统、降温系统连接起来，形成回路。
进一步地，所述静压室位于所述工作空间顶部，所述静压室与所述工作空间通过孔板相隔，所述循环风道侧面与所述工作空间和所述静压室的侧面由壁面隔断，所述循环风道与所述静压室之间、所述循环风道与所述工作空间之间设置风口。
进一步地，所述保温舱体的围护结构包括内支撑框架、外支撑框架和保温材料；所述外支撑框架上设置门、观察窗和照明装置；所述保温材料选用气凝胶毡和LTD低温橡塑棉。
进一步地，所述液氮供给系统包括液氮储罐、液氮出口低温截止阀和总管路安全阀。
进一步地，所述高低温循环管路系统包括液氮管道阀门、冷氮气出风集合管、低温离心风机和氮气排放装置。
进一步地，所述测量控制系统包括露点温度计、微压差传感器、温度计和可编程逻辑控制器。
进一步地，所述工作空间四周壁面设置盘管式液氮壁面蒸发器，所述盘管式液氮壁面蒸发器入口与所述液氮供给系统相连，所述盘管式液氮壁面蒸发器出口与所述降温系统中循环风道中液氮蒸发器的液氮入口相连。
进一步地，所述工作空间底部设置回风口和排风口。
进一步地，所述防积液装置从上至下分层布置泡沫铜网、电加热丝、泡沫铜网、电加热丝、泡沫铜网、引流静压孔板。
进一步地，所述引流静压孔板形状为波浪形，开孔均位于波浪形的波峰位置。
进一步地，所述防积液装置的孔板的开孔率为30％。泡沫铜网的孔径在毫米量级，孔隙率为80％。
进一步地，保温舱室的静压室的低温离心风机的电机轴采用磁流体穿舱密封
本装置可实现超低温温区试验温度环境，温场均匀，无积液现象，装置安全可靠。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的宽温域低温环境试验装置原理示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的宽温域低温环境试验装置三维图；
图3是本发明的一个较佳实施例的保温舱体管路透视图；
图4是本发明的一个较佳实施例的防积液装置结构示意图；
其中，1-液氮储罐，2-液氮出口低温截止阀，3-总管路安全阀，4-低温管道保温，5-液氮汽化器，6-氮气减压器，7-液氮管路电磁阀，8-氮气管道安全阀，9-氮气管道安全阀，10-液氮管路电磁阀，11-液氮管路电动调节阀，12-氮气管路电磁阀，13-底部回风口温度计，14-工作空间底板，15-液氮壁面蒸发器，16-液氮蒸发器，17-液氮蒸发器出口温度计，18-电加热器，19-液氮二次蒸发器，20-低温离心风机，21-重力自垂式单向阀，22-风机出口温度计，23-顶部温度计，24-冷氮气出风集合管，25-泡沫铜网与电加热丝，251-泡沫铜网，253-泡沫铜网，255-泡沫铜网，252-电加热丝，254-电加热丝，26-波浪形积液引流静压孔板，27-微压差传感器，28-露点温度计，29-观察窗，30-氮气排放复温汽化器，31-引线穿舱通道，32-氮气排放单向阀，33-保温密封箱体。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1、图2和图3所示，宽温域低温环境试验装置包括保温舱体、液氮供给系统、气氮发生及稳压系统、升温系统、降温系统、高低温循环管路系统、防积液装置和测量控制系统。其中，保温舱体用于为测试件提供高低温试验环境,其包括保温密封箱体33、引线穿舱通道31，观察窗29和顶部温度计23。液氮供给系统包括液氮储罐1、液氮出口低温截止阀2和总管路安全阀3。气氮发生及稳压系统用于将液氮转换为稳压干燥氮气，供置换工况及高低温循环管路系统使用，其包括液氮汽化器5、氮气减压器6、氮气管道安全阀8、氮气管道安全阀9和氮气管路电磁阀12。液氮汽化器5与氮气减压器6相结合，产生稳定干燥氮气。升温系统包括电加热器18，用于提供复温工况、升温工况、高温保温工况所需热量。降温系统包括液氮壁面蒸发器15、液氮蒸发器16和液氮蒸发器出口温度计17。高低温循环管路系统包括低温管道保温4、液氮管路电磁阀10、液氮管路电动调节阀11、液氮管路电磁阀12、冷氮气出风集合管24、低温离心风机20、重力自垂式单向阀21、风机出口温度计22、底部回风口温度计13、氮气排放单向阀32和氮气排放复温汽化器30。在冷氮气出风集合管24处，汽化后液氮与来自低温离心风机20的氮气混合，产生均匀低温冷氮气，送入静压室内。低温离心风机20可提供气体循环动力，同时提升出风集合管处氮气均匀度。
如图4所示，防积液装置包括泡沫铜网与电加热丝25、波浪形积液引流静压孔板26和液氮二次蒸发器19。泡沫铜网与电加热丝25包括泡沫铜网251、泡沫铜网253、泡沫铜网255、电加热丝252和电加热丝254。防积液装置的特点在于，防积液装置从上至下依次为泡沫铜网-电加热丝-泡沫铜网-电加热丝-泡沫铜网-引流静压孔板。孔板的开孔率为30％。泡沫铜网的孔径在毫米量级，孔隙率为80％。可利用网状结构细化未汽化的液氮颗粒，通过电加热丝252、电加热丝254完成汽化。静压室出口处仍未汽化的液氮，可经由波浪形积液引流静压孔板26回收，送至液氮二次蒸发器19完成汽化。该防积液装置一方面可防止超低温温区积液现象的发生，另一方面将液氮冷量充分利用，降低试验成本。
高低温保温舱体分为静压室、工作空间和循环风道。静压室位于工作空间顶部，两者通过孔板相隔。循环风道侧面与工作空间和静压室的侧面由壁面隔断。循环风道与静压室之间、循环风道与工作空间之间设置风口。工作空间与底部风道之间由工作空间底板14隔开，实验工件放在工作空间底板14上。工作空间四周壁面设置盘管式液氮壁面蒸发器15。盘管式液氮壁面蒸发器15入口与液氮供给系统相连，盘管式液氮壁面蒸发器15出口与循环风道中液氮蒸发器16的液氮入口相连。工作空间底部设置回风口和排风口。回风口与循环风道相连，排风口与排风管道相连。排风管道上安装氮气排放单向阀32，并与氮气排放复温汽化器30相连，可将冷氮气复温至室温再排至室内。循环风道的特点，气体在低温离心风机20的作用下从下到上依次流经液氮蒸发器16、电加热器18、液氮二次蒸发器19进入顶部的静压室，与汽化后的液氮混合后送入保温舱体内，完成气体循环。液氮二次蒸发器19通过管道与波浪形积液引流静压孔板26相连，其高度需低于波浪形积液引流静压孔板26。
高低温循环管路系统通过高低温循环管路系统中阀门的开闭，可完成置换、降温、升温、保温、复温等多种热试验过程。通过调节高低温循环管路中阀门的大小，可调节各热循环试验温场的温度、风速等参数。来自液氮供给系统的液氮依次经过升温系统或降温系统、高低温循环管路系统后，以气态或气液两相状态通过冷氮气出风集合管喷淋至静压室。低温离心风机20的电机轴采用磁流体穿舱密封。
液氮供给系统的储罐出口连接三条管道，分别为：气氮发生及稳压系统、高低温循环降温管路、高低温循环调温管路；三条管路均设置调节阀或电磁阀，并与保温舱体相连。
升温系统包括循环风道中电加热器18和固态继电器，可以实现不同工况所需加热功率。
测量控制系统包括露点温度计28、微压差传感器27、温度计和可编程逻辑控制器。测量控制系统用于数据参数的实时显示和记录、数据参数的实时显示和记录以及必要时的警报和故障处理。
本发明装置在常压试验中有以下六种工况：置换工况、降温工况、低温保温工况、低温复温工况、升温工况和高温保温工况。保证提供宽温域低温的试验环境。
置换工况：在置换过程中，打开液氮出口低温截止阀2，关闭液氮管路电磁阀7、液氮管路电磁阀10。从液氮储罐1出来的低温液氮，经过液氮汽化器5、氮气减压器6、氮气管路电磁阀12进入密闭空间。在密闭空间内经过液氮壁面蒸发器15、液氮蒸发器16，从舱体顶部的静压室进入舱体，由底部氮气排放单向阀32、氮气排放复温汽化器30排出系统。
降温工况：在降温工况中，打开液氮出口低温截止阀2、液氮管路电磁阀10，关闭氮气管路电磁阀12、液氮管路电磁阀7。液氮流经液氮壁面蒸发器15、液氮蒸发器16，从舱体顶部的静压室进入舱体。未完全汽化的液氮经过泡沫铜网与电加热丝25、液氮二次蒸发器19，完成汽化再次进入装置。为维持舱体内压力稳定，多余气体由底部氮气排放单向阀32、氮气排放复温汽化器30排出系统。通过开启低温离心风机20，提升送风速度。通过调节液氮管路电磁阀10来控制降温速率。
低温保温工况：降温达到目标温度后开启低温保温工况。打开液氮出口低温截止阀2、液氮管路电磁阀7，关闭氮气管路电磁阀12、液氮管路电磁阀10。液氮流经液氮壁面蒸发器15、液氮蒸发器16，从舱体顶部的静压室进入舱体。未完全汽化的液氮经过泡沫铜网与电加热丝25、液氮二次蒸发器19，完成汽化再次进入装置。通过调节液氮管路电动调节阀11来控制液氮流量，从而控制温场温度。为维持舱体内压力稳定，多余气体由底部氮气排放单向阀32、氮气排放复温汽化器30排出系统。根据用户实验过程中对风速的要求，调节低温离心风机20的开关。
低温复温工况：关闭液氮出口低温截止阀2，开启循环风道中电加热器18加热舱内气体，利用低温离心风机20进行舱体内气体的循环。
升温工况：在进行高温试验时，关闭液氮出口低温截止阀2，开启循环风道中电加热器18加热舱内气体，利用低温离心风机20进行舱体内气体的循环，直至达到试验所需温度。
高温保温工况：升温达到目标温度后开启高温保温工况。将循环风道中电加热器18调节到较小的功率，补偿此时装置漏热量。关闭低温离心风机20，维持装置温度稳定。
本装置可实现超低温温区试验温度环境，温场均匀，无积液现象。装置安全可靠。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种宽温域低温环境试验装置，其特征在于，包括保温舱体、液氮供给系统、气氮发生及稳压系统、升温系统、降温系统、高低温循环管路系统、防积液装置和测量控制系统；其中，所述气氮发生及稳压系统包括液氮汽化器、氮气减压器、氮气管道安全阀和氮气管路电磁阀；所述保温舱体包括静压室、工作空间和循环风道；所述升温系统包括所述循环风道中电加热器和固态继电器；所述降温系统包括液氮壁面蒸发器、液氮二次蒸发器和所述循环风道中的液氮蒸发器；所述高低温循环管路系统将保温舱体、液氮供给系统、气氮发生及稳压系统、升温系统、降温系统连接起来，形成回路。
2.如权利要求1所述的宽温域低温环境试验装置，其特征在于，所述静压室位于所述工作空间顶部，所述静压室与所述工作空间通过孔板相隔，所述循环风道侧面与所述工作空间和所述静压室的侧面由壁面隔断，所述循环风道与所述静压室之间、所述循环风道与所述工作空间之间设置风口。
3.如权利要求1所述的宽温域低温环境试验装置，其特征在于，所述保温舱体的围护结构包括内支撑框架、外支撑框架和保温材料；所述外支撑框架上设置门、观察窗和照明装置；所述保温材料选用气凝胶毡和LTD低温橡塑棉。
4.如权利要求1所述的宽温域低温环境试验装置，其特征在于，所述液氮供给系统包括液氮储罐、液氮出口低温截止阀和总管路安全阀。
5.如权利要求1所述的宽温域低温环境试验装置，其特征在于，所述高低温循环管路系统包括液氮管道阀门、冷氮气出风集合管、低温离心风机和氮气排放装置。
6.如权利要求1所述的宽温域低温环境试验装置，其特征在于，所述测量控制系统包括露点温度计、微压差传感器、温度计和可编程逻辑控制器。
7.如权利要求2所述的宽温域低温环境试验装置，其特征在于，所述工作空间四周壁面设置盘管式液氮壁面蒸发器，所述盘管式液氮壁面蒸发器入口与所述液氮供给系统相连，所述盘管式液氮壁面蒸发器出口与所述降温系统中循环风道中液氮蒸发器的液氮入口相连。
8.如权利要求2所述的宽温域低温环境试验装置，其特征在于，所述工作空间底部设置回风口和排风口。
9.如权利要求1所述的宽温域低温环境试验装置，其特征在于，所述防积液装置从上至下分层布置泡沫铜网、电加热丝、泡沫铜网、电加热丝、泡沫铜网、引流静压孔板。
10.如权利要求9所述的宽温域低温环境试验装置，其特征在于，所述引流静压孔板形状为波浪形，开孔均位于波浪形的波峰位置。
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