CN113368920B - 一种双冷源大型高低温环境模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双冷源大型高低温环境模拟试验系统，包括高低温保温箱体、液氮供给系统、高温循环管路系统、低温循环管路系统、气体置换管道、气氮发生及稳压系统、制冷机系统、自动控制系统；液氮供给系统的第一个支路连接至低温循环管路系统，第二个支路连接至气氮发生及稳压系统的入口，气氮发生及稳压系统的出口连接至低温循环管路系统；低温循环管路系统的入口和高温循环管路系统的出口连接后，连接至高低温保温箱体的底部；低温循环管路系统的出口和高温循环管路系统的入口连接后，连接至高低温保温箱体的顶部；制冷机系统进口和出口管路连接至高低温保温箱体的顶部。本发明设计合理、功能全面，能够快速高效实现不同温度控制。

Description

一种双冷源大型高低温环境模拟试验系统

技术领域

本发明涉及高低温试验系统技术领域，尤其涉及一种双冷源大型高低温环境模拟试验系统。

背景技术

近年来，随着我国航空航天技术的不断发展，航天器研制建设方面取得了长足进步。为了确保卫星等航天器能够平稳安全地完成任务，需要在其全寿命周期中对其进行大量地面试验测试。GJB-1027A系列中明确指出对于含有电工、电子元器件的组件应该进行热循环试验以发现可能导致产品早期失效的潜在质量缺陷。而在热循环试验中需要高低温试验系统来实现组件实际需要的高低温环境。通过对现有技术检索发现，在相关高低温试验系统的专利中，热试验环境通常只采用液氮换热这一种方式作为降温保温工况冷量来源。受到液氮积液、用量大、储槽占地面积大等问题限制，单一冷源高低温试验系统通常采用串联方式，系统冗余能力较差。当液氮制冷循环中任意组件出现故障时，整个系统运行将受到影响。同时考虑到试验空间内气体环境，当只存在液氮循环时，整个试验空间中被干燥氮气充满。当试验空间突发故障需要检修或者试验过程中需要对模型进行姿态调整时，这种环境无法支持人员进入到试验空间中，安全可靠性大大降低。

因此，本领域的技术人员致力于提供一种双冷源大型高低温环境模拟试验系统，通过添加制冷机循环提高系统冗余能力，使其能够在液氮制冷循环发生故障的情况下，仍能确保系统的正常运行，同时通过添加制冷机循环营造适宜的气体环境，方便试验人员进出系统。

发明内容

有鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种双冷源大型高低温环境模拟试验系统，通过制冷机与液氮独立完成降温及保温过程，实现具有可控性升降温速率、低温度波动度和温度均匀性的试验环境。

为实现上述目的，本发明提供了一种双冷源大型高低温环境模拟试验系统，包括高低温保温箱体、液氮供给系统、高温循环管路系统、低温循环管路系统、气体置换管道、气氮发生及稳压系统、制冷机系统、自动控制系统；所述液氮供给系统的出口分为两个支路，第一个支路连接至所述低温循环管路系统，第二个支路连接至所述气氮发生及稳压系统的入口，所述气氮发生及稳压系统的出口通过管道连接至所述低温循环管路系统；所述低温循环管路系统的入口和所述高温循环管路系统的出口连接后，连接至所述高低温保温箱体的底部；所述低温循环管路系统的出口和所述高温循环管路系统的入口连接后，连接至所述高低温保温箱体的顶部；所述制冷机系统进口和出口管路连接至所述高低温保温箱体的顶部；所述气体置换管道的第一端连接至所述高低温保温箱体，所述气体置换系统的第二端通向室外大气；自动控制系统对所述试验系统的参数进行控制。

进一步地，所述液氮供给系统包括低温储槽，所述低温储槽共设置二个，所述低温储槽并联设置。

进一步地，所述气氮发生及稳压系统包括空温汽化器和氮气储气罐，所述空温汽化器共设置二个，所述空温汽化器并联设置，所述空温汽化器通过管道连接至所述氮气储气罐。

进一步地，所述高温循环管路系统包括循环热风机和电加热器，所述循环热风机和所述电加热器通过管道连接。

进一步地，所述低温循环管路系统包括循环冷风机和液氮气液换热器，所述循环冷风机和所述液氮气液换热器通过管道连接，所述液氮供给系统出口的第二个支路连接至所述液氮气液换热器，所述气氮发生及稳压系统的出口连接至所述循环冷风机和所述液氮气液换热器之间的管道。

进一步地，所述制冷机系统包括制冷机冷热送风箱、制冷机主机、室外闭式冷却塔，所述制冷机冷热送风箱共设置二个，所述制冷机冷热送风箱并联设置；所述室外闭式冷却塔通过管道连接至所述制冷机主机的第一侧，所述制冷机主机的第二侧通过管道连接至所述制冷机冷热送风箱的第一侧，所述制冷机冷热送风箱的第二侧连接至所述高低温保温箱体。

进一步地，所述制冷机冷热送风箱包括制冷机系统蒸发器、制冷机系统蒸发器加热管、制冷机系统循环风机。

进一步地，所述室外闭式冷却塔包括冷却水箱和闭式冷却塔，所述冷却水箱通过管道与所述闭式冷却塔连接。

进一步地，所述高低温保温箱体包括两个独立的隔间，所述高低温保温箱体的两个隔间通过移门隔开；所述高温循环管路系统、所述低温循环管路系统、所述气体置换管道、所述制冷机系统分别连接至所述高低温保温箱体的两个隔间。

进一步地，所述高低温保温箱体为下沉式结构，所述高低温保温箱体的底板上表面与所述高低温保温箱体外的地面齐平。

本发明至少具有如下有益技术效果：

1、本发明提供的双冷源大型低温环境模拟试验系统，使用液氮系统和制冷机系统作为双冷源，提高了系统的冗余能力，提高了试验系统的可靠性，降低了液氮供应系统的用量和占地面积。

2、本发明提供的双冷源大型低温环境模拟试验系统，通过气体置换系统为试验箱体提供安全的氧浓度环境，同时通过添加制冷机循环营造适宜的气体环境，方便了试验人员进出试验系统。

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是本发明的较佳实施例的双冷源大型高低温环境模拟试验系统的流程示意图；

图2是本发明的较佳实施例的双冷源大型高低温环境模拟试验系统的制冷机冷热送风箱流程示意图；

图3是本发明的较佳实施例的双冷源大型高低温环境模拟试验系统的室外闭式冷却塔流程示意图；

图4是本发明的较佳实施例的双冷源大型高低温环境模拟试验系统以制冷机为冷源的降温流程示意图；

图5是本发明的较佳实施例的双冷源大型高低温环境模拟试验系统以液氮为冷源的降温流程示意图；

图6是本发明的较佳实施例的双冷源大型高低温环境模拟试验系统的空气低温复温流程示意图；

图7是本发明的较佳实施例的双冷源大型高低温环境模拟试验系统的氮气低温复温流程示意图。

其中，1-液氮槽车，2-低温储槽，3-空温汽化器，4-氮气储气罐，5-液氮气液换热器，6-电加热器，7-循环冷风机，8-循环热风机，9-氮气置换排气管道，10-液氮降温排气管道，11-制冷机冷热送风箱，111-制冷机系统蒸发器，112-制冷机系统蒸发器加热管，113-制冷机系统循环风机，12-顶部静压室，13-高低温保温箱体，14-底部静压室，15-制冷机除湿/融霜排水管路，16-制冷机主机，17-室外闭式冷却塔，171-冷却水箱，172-闭式冷却塔。

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所示，本发明的双冷源大型高低温环境模拟试验系统，包括高低温保温箱体13、液氮供给系统、高温循环管路系统、低温循环管路系统、气体置换管道、气氮发生及温压系统、制冷机系统、自动控制系统。高低温保温箱体13为测试工件提供足够的放置空间；液氮供给系统为液氮制冷循环提供冷源，同时为气氮发生及温压系统提供所需液氮；高温循环管路系统和低温循环管路系统将高低温保温箱体13与液氮供给系统、气氮发生及温压系统连接起来，从而实现置换、降温、保温、复温、升温等过程，还可通过改变管路中阀门开度对试验的速度、温度进行调节；气体置换管道用于在气体置换过程中高低温保温箱体13向外排出气体，通过气体置换，降低高低温保温箱体13中的露点温度，通过将干燥气体通入高低温保温箱体13，降低箱体内水蒸气含量，从而完成置换过程；气氮发生及稳压系统用于将液氮转换为稳压干燥氮气，供置换工况及高温循环管路系统和低温循环管路系统使用；自动控制系统用于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；制冷机系统为制冷机循环提供冷量，通过风机将制冷机冷量送入到高低温保温箱体13中。

高低温保温箱体13由两个相对独立的隔间组成，两个隔间通过移门分开，可独立使用也可组合使用。高低温保温箱体13为下沉式结构，箱体底板上表面与箱体外厂房地面齐平。高低温保温箱体13内的地面铺设玻璃砖以实现地面的保温，地面结构包括鹅卵石蓄热蓄冷、混凝土找平、保温玻璃砖、承压钢板、石棉板、内封板等。玻璃砖上铺设钢板以保证均匀承重。高低温保温箱体13由内外框架及保温材料组成，内框架为封闭箱体，由瓦楞板和支撑立柱组成；外框架采用钢架结构；保温材料由玻璃丝绵、橡塑棉与聚氨酯组成。高低温保温箱体13的顶部风口采用风管分流，完成送风，风管均匀对称布置，为保证内部温度均匀性，采用孔板型式，孔板与顶部之间设置顶部静压室12；高低温保温箱体13的底部风口在地面进入，底部同样设置有底部静压室14以及孔板。

液氮供给系统包括两个并联的低温储槽2，低温储槽2的入口和出口均设置有桥管，低温储槽2通过液氮槽车1供应液氮。在低温储槽2的进出口管路上还设置有低温阀门，以实现对流体的控制。为防止在整个使用过程中运输管道出现表面结霜、漏冷等现象，对液氮管路进行保温。低温储槽2的出口管路分别两个支路，分别连接至气氮发生及温压系统、低温循环管路系统。

气氮发生及温压系统包括两个并联的空温汽化器3和氮气储气罐4，自液氮供给系统的出口支路来的液氮经空温汽化器3汽化后进入氮气储气罐4，氮气储气罐4的出口连接至低温循环管路系统。气氮发生及温压系统的管路上设置有阀门，以实现对流体的控制。

低温循环管路系统包括循环冷风机7和液氮气液换热器5，液氮气液换热器5位于循环冷风机7的出口。高温循环管路系统包括循环热风机8和电加热器6，电加热器6位于循环热风机8的进口。循环热风机8的出口和循环冷风机7进口并联后，分别从高低温保温箱体13的底部连接至两个隔间，液氮气液换热器5第一侧的出口和电加热器6的入口并联后，分别从高低温保温箱体13的顶部连接至两个隔间。氮气储气罐4出口的管道连接至循环冷风机7和液氮气液换热器5之间的管路，低温储槽2出口的第二个支路连接至液氮气液换热器5的第二侧入口，液氮气液换热器5的第二侧出口连接至液氮气液换热器5的第一侧出口管路。低温循环管路系统和高温循环管路系统上设置有阀门，实现对管路的控制。

在低温循环管路系统和高温循环管路系统中，当循环冷风机7工作时，采用上送下回的方式，当循环热风机8工作的时候，采用下送上回的方式，以保证温度的均匀性。低温循环管路系统中循环冷风机7与液氮气液换热器5相连，通过导热-对流耦合传热将换热工质冷却至目标温度；高温循环管路系统中循环热风机8与电加热器6相连，利用电加热的方式将换热工质加热至目标温度。

气体置换管道包括氮气置换排气管道9和液氮降温排气管道10，氮气置换排气管道9的起始端连接至低温循环管路系统，液氮降温排气管道10的起始端分别连接至高低温保温箱体13的两个隔间，氮气置换排气管道9和液氮降温排气管道10的末端分别通向室外大气。气体置换管道上设置有阀门，气体置换管道和气氮发生及稳压系统构成气体置换系统。气体置换系统的工作介质分为氮气与空气两种，低温液氮经过空温汽化器3后通过相变形成干燥氮气，空气干燥过程发生于蒸发器中。空气在蒸发器中与外界物质进行热交换从而温度降低，进而实现饱和蒸汽压下降，空气中部分水蒸气由此析出冷凝，在经过气液相分离后形成干燥空气。气体置换系统以干燥空气为工作介质时，可以置换高低温保温箱体13内的氮气或低氧浓度气体，从而达到人员进入的安全氧浓度环境。

制冷机系统包括制冷机冷热送风箱11、制冷机主机16、室外闭式冷却塔17。制冷机冷热送风箱11共设置二套，在制冷机主机16的第二侧并联设置，并分别连接至高低温保温箱体13的两个隔间。室外闭式冷却塔17通过管道连接至制冷机主机16的第一侧。如图2所示，制冷机冷热送风箱11包括制冷机系统蒸发器111、制冷机系统蒸发器加热管112、制冷机系统循环风机113，制冷机冷热送风箱11设置有制冷机除湿/融霜排水管路15，用以排出积水。如图3所示，室外闭式冷却塔17包括冷却水箱171和闭式冷却塔172，闭式冷却塔172具有冷却介质全封闭循环的特点，可防止杂物进入冷却管路系统和减少冷却介质的蒸发损耗；可以使用软水作为冷却介质，不结垢、不堵塞管路，故障少；采用风冷和喷淋水蒸发吸热双重冷却方式，冷却效率高；体积小，占用空间小，移动及放置方便。制冷机主机16和室外闭式冷却塔17的管路上设置有循环泵，实现流体的循环。制冷机系统管路上设置有阀门，实现对系统运行的控制。

自动控制系统能够实时测量采集试验室不同点的温度、压力、露点温度等参数；并根据测量值对系统中的液氮、气氮管路风机、阀门、电加热器等实施控制，保证试验室正常的温度与压力控制，显示试验室的工作模式和运行状态，并实现与任务管理计算机的连接。

本发明的双冷源大型高低温环境模拟试验系统，包括以下七种运行工况：

1、氮气工作条件下的置换工况

在试验开始前，用干燥氮气对高低温保温箱体13内的湿空气进行置换，以进行系统的清洁并降低箱体内气体的露点温度，防止箱体内结露、结霜。干燥氮气来源于低温储槽2，在置换过程中，干燥氮气经过液氮气液换热器5、电加热器6、循环冷风机7进入试验箱体中，保证箱体及所有管路系统的充分置换。

2、空气工作条件下的置换工况

在人员进入高低温保温箱体13前，将干燥空气引入箱体，置换箱体内的氮气或低氧浓度气体，从而达到人员进入的安全氧浓度环境。在置换过程中，湿空气经蒸发器将水分冷凝排出后由顶部进入箱体中，保证箱体内氧气浓度恢复到安全水平。

3、液氮降温工况

如图5所示，在进行液氮降温时，采用上送下回的送风方式。以液氮为冷源，关闭高温循环管路系统的阀门，开启低温循环管路系统的阀门，开启循环冷风机7，使液氮进入液氮气液换热器5，液氮气化后与循环冷风机7送入液氮气液换热器5的气氮混合，一同送至高低温保温箱体13的顶部，由送风通道进入顶部静压室12，经多孔板散流后均匀下沉至箱体地面，经由底部的回风通道引回循环冷风机7入口，形成循环。

4、液氮保温工况

降温达到目标温度后开启保温工况。保温工况可以采用两种循环方式，一种开启循环冷风机7和循环热风机8进行冷热保温，另外一种关闭循环冷风机7和循环热风机8，通过氮气与液氮的热交换实现保温。第二种运行模式主要保证高低温保温箱体13保温过程中的安静测量。为保证被试件在测试过程中的稳定，低温保温过程还包括一个流程，即关闭循环冷风机7和循环热风机8，液氮经过液氮气液换热器5，不是和来自于高低温保温箱体13的气体换热，而是和来自于空温汽化器3的气体换热，控制进入箱体顶部的低温气体的温度，保证箱体内的温度稳定。

5、制冷机降温工况

如图4所示，当系统以制冷机系统作为冷源的时候，进入制冷机降温流程。开启制冷机循环系统风机113，开启制冷机系统蒸发器111两侧阀门，关闭液氮气液换热器5前的阀门，从而将制冷机的冷量送入高低温保温箱体13内。其气体循环模式与液氮降温工况相同。

6、低温复温工况

复温的目的为低温试验完成后高低温保温箱体13内的温度能够快速回复至室温条件。如图6和图7所示，低温复温工作介质分为氮气与空气两种，低温复温工况的循环仍然采用循环冷风机7循环，循环冷风机7首先经过液氮气液换热器5，然后进入电加热器6，加热气体温度，提高箱体的送风温度，不断将箱体内的温度提高，实现复温工况运行。

7、高温工况

高温工况的工作介质与低温复温工况相同，分为氮气与空气两种。在进行高温试验时，采用下送上回的送风方式。关闭冷循环阀门，开启循环热风机8，驱动氮气经地底管路均匀进入高低温保温箱体13内，从下而上进入底部静压室14后经顶部回风口收集后由回风通道返回循环热风机8吸入口。随着箱体内气体温度的升高，气体压力增大，开启排风阀泄压。

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 (8)

1.一种双冷源大型高低温环境模拟试验系统，其特征在于，包括高低温保温箱体、液氮供给系统、高温循环管路系统、低温循环管路系统、气体置换管道、气氮发生及稳压系统、制冷机系统、自动控制系统；所述液氮供给系统的出口分为两个支路，第一个支路连接至所述低温循环管路系统，第二个支路连接至所述气氮发生及稳压系统的入口，所述气氮发生及稳压系统的出口通过管道连接至所述低温循环管路系统；所述低温循环管路系统的入口和所述高温循环管路系统的出口连接后，连接至所述高低温保温箱体的底部；所述低温循环管路系统的出口和所述高温循环管路系统的入口连接后，连接至所述高低温保温箱体的顶部；所述制冷机系统进口和出口管路连接至所述高低温保温箱体的顶部；所述气体置换管道的第一端连接至所述高低温保温箱体，所述气体置换系统的第二端通向室外大气；自动控制系统对所述试验系统的参数进行控制；

所述制冷机系统包括制冷机冷热送风箱、制冷机主机、室外闭式冷却塔，所述制冷机冷热送风箱共设置二个，所述制冷机冷热送风箱并联设置；所述室外闭式冷却塔通过管道连接至所述制冷机主机的第一侧，所述制冷机主机的第二侧通过管道连接至所述制冷机冷热送风箱的第一侧，所述制冷机冷热送风箱的第二侧连接至所述高低温保温箱体；所述制冷机冷热送风箱包括制冷机系统蒸发器、制冷机系统蒸发器加热管、制冷机系统循环风机。

2.如权利要求1所述的双冷源大型高低温环境模拟试验系统，其特征在于，所述液氮供给系统包括低温储槽，所述低温储槽共设置二个，所述低温储槽并联设置。

3.如权利要求1所述的双冷源大型高低温环境模拟试验系统，其特征在于，所述气氮发生及稳压系统包括空温汽化器和氮气储气罐，所述空温汽化器共设置二个，所述空温汽化器并联设置，所述空温汽化器通过管道连接至所述氮气储气罐。

4.如权利要求1所述的双冷源大型高低温环境模拟试验系统，其特征在于，所述高温循环管路系统包括循环热风机和电加热器，所述循环热风机和所述电加热器通过管道连接。

5.如权利要求1所述的双冷源大型高低温环境模拟试验系统，其特征在于，所述低温循环管路系统包括循环冷风机和液氮气液换热器，所述循环冷风机和所述液氮气液换热器通过管道连接，所述液氮供给系统出口的第二个支路连接至所述液氮气液换热器，所述气氮发生及稳压系统的出口连接至所述循环冷风机和所述液氮气液换热器之间的管道。

6.如权利要求1所述的双冷源大型高低温环境模拟试验系统，其特征在于，所述室外闭式冷却塔包括冷却水箱和闭式冷却塔，所述冷却水箱通过管道与所述闭式冷却塔连接。

7.如权利要求1所述的双冷源大型高低温环境模拟试验系统，其特征在于，所述高低温保温箱体包括两个独立的隔间，所述高低温保温箱体的两个隔间通过移门隔开；所述高温循环管路系统、所述低温循环管路系统、所述气体置换管道、所述制冷机系统分别连接至所述高低温保温箱体的两个隔间。

8.如权利要求1所述的双冷源大型高低温环境模拟试验系统，其特征在于，所述高低温保温箱体为下沉式结构，所述高低温保温箱体的底板上表面与所述高低温保温箱体外的地面齐平。

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