CN112397466A - 用于功率器件的深低温控温系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于功率器件的深低温控温系统，包括：储液罐，存储适用于不同的温区的多种冷却液中的至少一种；气体供应模块，与储液罐连接，并且向储液罐内提供不同压强的压缩气体，以挤出储液罐内的冷却液；流体管路，与储液罐连接，并且根据不同的流动速率将从储液罐中挤出的冷却液流动至热负载，以对热负载进行制冷，冷却液在流体管路中的流动速率与气体供应模块提供的压缩气体的压强相关联；控制模块，分别与气体供应模块及热负载通信连接，并且根据获取到的热负载的加热功率控制气体供应模块向储液罐内提供的压缩气体的压强，以控制流体管路内流动的冷却液的流动速率。本发明通过气压挤出不同种类的冷却液对热负载进行冷却。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，特别涉及一种用于大功率器件的深低温控温系统。
背景技术
随着世界各国航天技术的进一步发展，深空探测活动的增加，深空探测的地面模拟以及相关探测器的低温工作需求也在进一步上升。因深空探测的低温背景特性，相关地面模拟和探测器测试的深低温需求进一步增加。
以月球探测为例，位于月球自转轴点附近的沙克尔顿陨石坑，其坑底为永久阴影区，温度低至88K，因此富含水冰以及多种挥发物，是研究月球起源和演变的理想场所。针对此类场景的模拟集中针对此类深低温环境与探测器深低温背景的地面模拟，亟需设计一套可靠的低温冷却系统，以保证地面环境能够准确模拟深空探测的复杂冷背景。
常用的动态红外场景模拟系统也需要工作在低温甚至深低温环境中，以实现针对航空航天等敏感目标探测的模拟工作。动态红外场景模拟系统的核心器件是大功率电阻阵列。针对新型大功率电阻阵列工作在100K以下深低温环境中的极端工况要求，目前传统的机械制冷机已经远不能达到要求，该系统的正常工作也亟需一套大功率深低温制冷系统的支持。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中缺乏适用于深空探测器地面模拟时深低温背景的冷却系统的缺陷，提供一种用于功率器件的深低温控温系统。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种用于功率器件的深低温控温系统，包括：
储液罐，用于存储适用于不同的温区的多种冷却液中的至少一种；
气体供应模块，与所述储液罐连接，并且用于向所述储液罐内提供不同压强的压缩气体，以挤出所述储液罐内的冷却液；
流体管路，与所述储液罐连接，并且用于根据不同的流动速率将从所述储液罐中挤出的所述冷却液流动至目标热负载，以对所述目标热负载进行制冷，所述冷却液在所述流体管路中的流动速率与所述气体供应模块提供的压缩气体的压强相关联；以及，
控制模块，分别与所述气体供应模块及所述目标热负载通信连接，并且被配置为根据获取到的所述目标热负载的加热功率控制所述气体供应模块向所述储液罐内提供的压缩气体的压强，以控制所述流体管路内流动的所述冷却液的流动速率。
可选地，所述气体供应模块包括气源、气体管路、电控调压阀及气压表；
所述气体管路的一端与所述气源连接，并且另一端与所述储液罐连接；
所述电控调压阀设置于所述气体管路上，并且与所述控制模块通信连接，所述控制模块被配置为控制所述电控调压阀的阀门开合状态，以控制所述气体管路向所述储液罐内提供的压缩气体的压强；
所述气压表设置于所述气体管路上，并且与所述控制模块通信连接，所述气压表用于获取所述气体管路内的压缩气体的压强并发送至所述控制模块。
可选地，所述气体供应模块还包括放气阀；
所述放气阀设置于所述气体管路上。
可选地，所述气体管路包括304L不锈钢管路；和/或，
所述气体管路的外径的范围为7mm～9mm，所述气体管路的内径的范围为5mm～7mm。
可选地，还包括充注阀及出液阀；
所述流体管路的一端与所述储液罐连接，并且另一端通过所述充注阀引入至所述目标热负载的流体入口；
所述流体管路的另一端还从所述目标热负载的流体出口引出并与所述出液阀连接。
可选地，所述流体管路包括304L不锈钢管路；和/或，
所述流体管路的外径的范围为7mm～9mm，所述流体管路的内径的范围为5mm～7mm。
可选地，所述冷却液包括液氮或液态甲烷；和/或，
所述控制模块包括控制电脑。
可选地，所述深低温控温系统包括测试装置；
所述测试装置包括所述储液罐、所述气体供应模块、所述流体管路、所述控制模块，所述测试装置还包括换热器及气体质量流量计；
所述流体管路的一端与所述储液罐连接，并且另一端经过所述热负载与所述换热器连接，所述换热器还与所述气体质量流量计连接，所述气体质量流量计还与所述控制模块通信连接；
所述换热器用于气化所述流体管路内流动的冷却液；
所述气体质量流量计用于测量所述冷却液通过所述换热器气化后的气体的质量流量并发送至所述控制模块。
可选地，所述换热器的冷却盘管路包括螺旋紫铜冷却管路；和/或，
所述换热器的冷却盘管路的外径的范围为7mm～9mm，所述换热器的冷却盘管路的内径的范围为5mm～7mm；和/或，
所述换热器的冷却盘管路放置于水浴箱中并固定，所述水浴箱的水浴温度的设定范围为23℃～27℃；和/或，
所述换热器的材质包括无氧铜。
可选地，所述深低温控温系统包括运行装置；
所述运行装置包括所述储液罐、所述气体供应模块、所述流体管路、所述控制模块，所述运行装置还包括集液罐；
所述流体管路的一端与所述储液罐连接，并且另一端经过所述热负载与所述集液罐连接；
所述集液罐用于收集所述流体管路内流动的未气化的冷却液，以实现所述冷却液的循环使用。
在符合本领域常识的基础上，所述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实施例。
本发明的积极进步效果在于：
本发明提供的用于功率器件的深低温控温系统，有效地适用于深空探测器地面模拟时深低温背景的提供，也可通过更换不同种类的低温冷却液体，满足不同温区、不同功率低温热负载的制冷需求。
所述深低温控温系统主要具有以下几个有益效果：
1、通过控制储液罐中压缩气体的压强达到控制低温冷却液流动速率的目的，从而控制系统的冷却速率，达到控制热负载或模拟系统降温速率的目的；
2、通过选取适用于不同温区的冷却液，保证该系统适用于多种低温模拟场景；
3、通过测试装置的实验，总结出适用于不同冷却液的挤出气压-加热功率关系，从而可以在正常工况下通过控制模块实现冷却液挤出的自动/半自动控制。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的所述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1为根据本发明的实施例2的用于功率器件的深低温控温系统的测试装置的结构示意图。
图2为根据本发明的实施例3的用于功率器件的深低温控温系统的运行装置的结构示意图。
附图标记说明：
气源 1；
气体管路 2；
电控调压阀 3；
气压表 4；
放气阀 5；
储液罐 6；
充注阀 7；
流体管路 8；
热负载 9；
控制模块 10；
出液阀 11；
换热器 12；
气体质量流量计 13；
集液罐 14。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
为了克服目前存在的上述缺陷，本实施例提供一种用于功率器件的深低温控温系统，所述深低温控温系统包括：储液罐，用于存储适用于不同的温区的多种冷却液中的至少一种；气体供应模块，与所述储液罐连接，并且用于向所述储液罐内提供不同压强的压缩气体，以挤出所述储液罐内的冷却液；流体管路，与所述储液罐连接，并且用于根据不同的流动速率将从所述储液罐中挤出的所述冷却液流动至目标热负载，以对所述目标热负载进行制冷，所述冷却液在所述流体管路中的流动速率与所述气体供应模块提供的压缩气体的压强相关联；以及，控制模块，分别与所述气体供应模块及所述目标热负载通信连接，并且被配置为根据获取到的所述目标热负载的加热功率控制所述气体供应模块向所述储液罐内提供的压缩气体的压强，以控制所述流体管路内流动的所述冷却液的流动速率。
在本实施例中，优选地，所述功率器件为大功率电阻阵列等大功率器件。
在本实施例中，优选地，多种冷却液包括液氮及液态甲烷(CH4)，但并不仅限于此，可根据实际需求进行相应的选择及调整。
本发明针对不同冷却温区和不同冷却液的热物性参数，可以选用不同冷却液。例如，针对80K～100K的冷却需求，可以选取液氮作为冷却液；针对100K～120K的冷却需求，可以选取液态甲烷作为冷却液。
在本实施例中，优选地，所述压缩气体为压缩氮气，但并不仅限于此，可根据实际需求进行相应的选择及调整。
系统中外接的压缩氮气仅作为气源，起到挤出冷却液的作用，可以根据冷却液的需求换成不与冷却液反应、不溶于冷却液且工作温度不液化的其他压缩气体。
在本实施例中，所述深低温控温系统连接低温目标热负载，通过气压挤出低温冷却液对低温目标热负载进行冷却。系统工作时通过控制储液罐中的气压控制冷却液压出的速度，从而控制低温目标热负载的冷却速率。系统满足不同工作温区低温大功率热负载的低温冷却介质循环需求，并且可以通过控制模块进行调试与自动化控制，适用于低温大功率器件的测试和运行工作。
本发明可以根据实际使用需要提供最高不低于1000W的制冷量，并且制冷量可以通过控制压缩气体的压强进行控制。因此，本发明在大冷量深低温制冷领域拥有优势。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例提供一种用于功率器件的深低温控温系统，所述深低温控温系统包括测试装置。
如图1所示，所述测试装置主要包括气体供应模块、储液罐6、流体管路8、充注阀7、控制模块10、出液阀11、换热器12及气体质量流量计13。
具体地，所述气体供应模块主要包括气源1、气体管路2、电控调压阀3、气压表4及放气阀5。
如图1所示，气体管路2分别与气源1、电控调压阀3、气压表4及放气阀5通过液压接头(图中未示出)连接，以保证气体管路的气密性。
具体地，气源1直接与气体管路2的一端连接，气体管路2的另一端连接到电控调压阀3，电控调压阀3后接一个液压三通接头(图中未示出)，该接头分别连接电控调压阀3、气压表4和后续气体管路2，后续气体管路2接一个液压三通接头，该接头分别连接前一个三通接头、放气阀5和储液罐6的进气管。
在本实施例中，优选地，气体管路2选用304L不锈钢管路，但并不仅限于此，可根据实际需求进行相应的选择及调整。
在本实施例中，气体管路2的外径的范围为7mm～9mm，气体管路2的内径的范围为5mm～7mm。
优选地，气体管路2的外径为8mm，气体管路2的内径为6mm，但并不仅限于此，可根据实际需求进行相应的选择及调整。
电控调压阀3及气压表4的电学接口以及低温目标热负载9的测温传感器分别通过导线与控制模块10通信连接，气压表4用于获取气体管路2内的压缩气体的压强并发送至控制模块10，热负载9的测温传感器用于获取热负载9的温度并发送至控制模块10。
控制模块10可以实时读取气压表4的读数以及热负载9的温度分布，同时控制电脑10可以通过改变输出电压的大小控制电控调压阀3，即使用控制软件对电控调压阀3的阀门开合大小进行控制，以控制气体管路2向储液罐6内提供的压缩气体的压强，从而控制冷却液对热负载9进行冷却。
在本实施例中，优选地，控制模块10选用控制电脑，但并不仅限于此，可根据实际需求进行相应的选择及调整。
低温流体管路8与充注阀7、低温目标热负载9以及出液阀11通过液压接头连接，以保证管路的气密性。
具体地，低温流体管路8的一端伸入储液罐6的低温冷却液的液面下方，并且另一端引出储液罐6后，连接到充注阀7，充注阀7继续与低温流体管路8连接，之后连接到低温目标热负载9的流体入口，低温流体管路8的另一端还从热负载9的流体出口引出并与出液阀11连接。
在本实施例中，优选地，流体管路8选用304L不锈钢管路，但并不仅限于此，可根据实际需求进行相应的选择及调整。
在本实施例中，流体管路8的外径的范围为7mm～9mm，流体管路8的内径的范围为5mm～7mm。
优选地，流体管路8的外径为8mm，流体管路8的内径为6mm，但并不仅限于此，可根据实际需求进行相应的选择及调整。
出液阀11通过液压接头连接到流体管路8，之后连接到换热器12，换热器12的出口连接到气体质量流量计13，气体质量流量计13还与控制模块10通信连接。
换热器12用于气化流体管路8内流动的冷却液，气体质量流量计13用于测量所述冷却液通过换热器12气化后的气体的质量流量并发送至控制模块10。
在本实施例中，换热器12后接气体质量流量计13，可通过分析质量流量、气压与热负载9之间的相互关系，控制储液罐6的气压即可定量控制热负载9的冷却速率。
在本实施例中，优选地，换热器12的冷却盘管路选用螺旋紫铜冷却管路，但并不仅限于此，可根据实际需求进行相应的选择及调整。
所述冷却盘管路的外径的范围为7mm～9mm，所述冷却盘管路的内径的范围为5mm～7mm。
优选地，所述冷却盘管路的外径为8mm，所述冷却盘管路的内径为6mm，但并不仅限于此，可根据实际需求进行相应的选择及调整。
所述冷却盘管路放置于水浴箱中并固定，所述水浴箱的水浴温度的设定范围为23℃～27℃，优选为25℃，但并不仅限于此，可根据实际需求进行相应的选择及调整。
在本实施例中，优选地，所述换热器的材质为无氧铜，但并不仅限于此，可根据实际需求进行相应的选择及调整。
本实施例以使用液氮作为冷却介质，要求热负载稳定在100K以下为例，举例说明所述测试装置的具体操作方法，如图1所示，该方法过程如下：
按照图1搭建好所述测试装置，考虑储液罐6的耐压能力(以1.5MPa为例)，选取几组覆盖储液罐6的耐压能力的压缩氮气压强Pg，如0.2MPa、0.5MPa、0.8MPa、1.1MPa、1.4MPa。
改变热负载的加热功率Ph，测量保证稳定正常工况(100K以下)条件下最小压缩氮气压强Pg和经过质量流量计室温(25℃)氮气的质量流量qm，可以得到保证制冷效果的最小压缩氮气压强Pg与加热功率Ph的关系式Pg＝f(Ph)，同时可以得到氮气的质量流量qm随储液罐内气体压强Pg和加热功率Ph变化的关系式qm＝f(Pg,Ph)。
即，测试装置主要起到收集实验数据、验证系统可行性的作用。通过测试装置的实验结果，可以获得热负载的加热功率Ph、压缩气体的压强Pg与冷却流体的质量流量qm三者关系。
在本实施例中，可以使用不同冷却液对不同制冷要求的低温热负载进行制冷，同时可以通过控制储液罐中的气压，达到控制低温热负载制冷速率的目的。
实施例3
在实施例1和实施例2的基础上，本实施例提供一种用于功率器件的深低温控温系统，所述深低温控温系统包括运行装置。
如图2所示，本实施例的运行装置与实施例2的测试装置的主要区别在于：所述运行装置还包括集液罐14，但不包括实施例2的测试装置的换热器12及气体质量流量计13。在本实施例中，所述运行装置的其他部件基本与实施例2的测试装置相同或相似，故不再具体赘述。
在本实施例中，出液阀11通过液压接头连接低温流体管路8，低温流体管路8直接伸入集液罐14内部。
集液罐14用于收集流体管路8内流动的未气化的冷却液，以实现所述冷却液的循环使用。
本实施例以使用液氮作为冷却介质，要求热负载稳定在100K以下为例，举例说明所述运行装置的具体操作方法，如图2所示，该方法过程如下：
使用所述运行装置时，当加热功率为Ph0时，参考实施例2的测试装置所得保证制冷效果的最小压缩氮气压强Pg0加热功率Ph0的关系式Pg0＝f(Ph0)，通过控制电脑保证压缩氮气压强不小于Pg0；同时，可以根据氮气的质量流量qm0随储液罐内气体压强Pg0和加热功率Ph变化的关系式qm0＝f(Pg0,Ph0)，得到流入集液罐14的最小质量流量qm0，方便测算更换集液罐14的时间。
利用上述变化关系和控制模块执行的控制算法，即可实现对本发明系统的自动化控制。
本发明提供的用于功率器件的深低温控温系统，有效地适用于深空探测器地面模拟时深低温背景的提供，也可通过更换不同种类的低温冷却液体，满足不同温区、不同功率低温热负载的制冷需求。
所述深低温控温系统主要具有以下几个有益效果：
1、通过控制储液罐中压缩气体的压强达到控制低温冷却液流动速率的目的，从而控制系统的冷却速率，达到控制热负载或模拟系统降温速率的目的；
2、通过选取适用于不同温区的冷却液，保证该系统适用于多种低温模拟场景；
3、通过测试装置的实验，总结出适用于不同冷却液的挤出气压-加热功率关系，从而可以在正常工况下通过控制模块实现冷却液挤出的自动/半自动控制。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于功率器件的深低温控温系统，其特征在于，包括：
储液罐，用于存储适用于不同的温区的多种冷却液中的至少一种；
气体供应模块，与所述储液罐连接，并且用于向所述储液罐内提供不同压强的压缩气体，以挤出所述储液罐内的冷却液；
流体管路，与所述储液罐连接，并且用于根据不同的流动速率将从所述储液罐中挤出的所述冷却液流动至目标热负载，以对所述目标热负载进行制冷，所述冷却液在所述流体管路中的流动速率与所述气体供应模块提供的压缩气体的压强相关联；以及，
控制模块，分别与所述气体供应模块及所述目标热负载通信连接，并且被配置为根据获取到的所述目标热负载的加热功率控制所述气体供应模块向所述储液罐内提供的压缩气体的压强，以控制所述流体管路内流动的所述冷却液的流动速率。
2.如权利要求1所述的深低温控温系统，其特征在于，所述气体供应模块包括气源、气体管路、电控调压阀及气压表；
所述气体管路的一端与所述气源连接，并且另一端与所述储液罐连接；
所述电控调压阀设置于所述气体管路上，并且与所述控制模块通信连接，所述控制模块被配置为控制所述电控调压阀的阀门开合状态，以控制所述气体管路向所述储液罐内提供的压缩气体的压强；
所述气压表设置于所述气体管路上，并且与所述控制模块通信连接，所述气压表用于获取所述气体管路内的压缩气体的压强并发送至所述控制模块。
3.如权利要求2所述的深低温控温系统，其特征在于，所述气体供应模块还包括放气阀；
所述放气阀设置于所述气体管路上。
4.如权利要求2所述的深低温控温系统，其特征在于，所述气体管路包括304L不锈钢管路；和/或，
所述气体管路的外径的范围为7mm～9mm，所述气体管路的内径的范围为5mm～7mm。
5.如权利要求1所述的深低温控温系统，其特征在于，还包括充注阀及出液阀；
所述流体管路的一端与所述储液罐连接，并且另一端通过所述充注阀引入至所述目标热负载的流体入口；
所述流体管路的另一端还从所述目标热负载的流体出口引出并与所述出液阀连接。
6.如权利要求1所述的深低温控温系统，其特征在于，所述流体管路包括304L不锈钢管路；和/或，
所述流体管路的外径的范围为7mm～9mm，所述流体管路的内径的范围为5mm～7mm。
7.如权利要求1所述的深低温控温系统，其特征在于，所述冷却液包括液氮或液态甲烷；和/或，
所述控制模块包括控制电脑。
8.如权利要求1～7中任意一项所述的深低温控温系统，其特征在于，所述深低温控温系统包括测试装置；
所述测试装置包括所述储液罐、所述气体供应模块、所述流体管路、所述控制模块，所述测试装置还包括换热器及气体质量流量计；
所述流体管路的一端与所述储液罐连接，并且另一端经过所述热负载与所述换热器连接，所述换热器还与所述气体质量流量计连接，所述气体质量流量计还与所述控制模块通信连接；
所述换热器用于气化所述流体管路内流动的冷却液；
所述气体质量流量计用于测量所述冷却液通过所述换热器气化后的气体的质量流量并发送至所述控制模块。
9.如权利要求8所述的深低温控温系统，其特征在于，所述换热器的冷却盘管路包括螺旋紫铜冷却管路；和/或，
所述换热器的冷却盘管路的外径的范围为7mm～9mm，所述换热器的冷却盘管路的内径的范围为5mm～7mm；和/或，
所述换热器的冷却盘管路放置于水浴箱中并固定，所述水浴箱的水浴温度的设定范围为23℃～27℃；和/或，
所述换热器的材质包括无氧铜。
10.如权利要求1～7中任意一项所述的深低温控温系统，其特征在于，所述深低温控温系统包括运行装置；
所述运行装置包括所述储液罐、所述气体供应模块、所述流体管路、所述控制模块，所述运行装置还包括集液罐；
所述流体管路的一端与所述储液罐连接，并且另一端经过所述热负载与所述集液罐连接；
所述集液罐用于收集所述流体管路内流动的未气化的冷却液，以实现所述冷却液的循环使用。
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