CN113504061A - 一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，包括压缩机、冷凝器、多级级联换热单元、控制阀、末端换热器、加热器。压缩机驱动多元混合工质通过冷凝后，进入多级级联换热单元逐级分凝，自动复叠制冷的同时，利用级联换热单元的多级回热管路与另一气源管路进行多级逆流热交换，最后通过末端蒸发器或加热器来获取最终超低温或高温的气流。效果为：干燥气源被逐级制冷，换热效率高，通过控制冷热气流对需要试验测试的物件进行高速冷热气流冲击试验，可实现高速温变冷热循环冲击，温区宽，升降温速率显著增强。

Description

一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统

技术领域

本发明涉及环境模拟试验技术领域，具体涉及一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，主要适用航天、军工、电子、通讯、汽车、机械、材料等行业的产品可靠性检测，可以考核试验件的结构、材料性能、力学性能、机械性能、寿命等指标。

背景技术

现有的环境模拟试验系统都是在一个固定的箱体或容器内进行，多采用二元复叠技术，使用两台或多台压缩机，与提倡节能减排的环境理念相抵触，使用温区也有一定的局限性，且冷热交变冲击升降温速度慢，使用范围基本在-80℃～+120℃，最大支持15℃/min的降温速率，且机械制冷的能耗功率较大，升降温比较慢，成本费用太高，蒸发器易存积制冷系统里面的冷冻润滑油形成油膜，不但影响制冷效果且不利于压缩机及时回油提供润滑，使用寿命短。随着各行业快速发展，现如今对产品及关键零部件的性能指标也提出了更为苛刻的要求。对于新出台的一些行业标准，如国标、美标、日标等相关的标准，现有技术已经无法满足。

发明内容

为此，本发明提供一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，以解决现有技术中的上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，包括压缩机、冷凝器、多级自复叠制冷单元、末端换热器、气源制冷电磁阀以及加热器；所述压缩机的出口通过管道与所述冷凝器连接，所述多级自复叠制冷单元内设置有可相互换热的第一通道、第二通道和第三通道，所述末端换热器内设置有可相互换热的第一管路和第二管路；气源入口与所述多级自复叠制冷单元的第一通道的入口之间设置有所述气源制冷电磁阀，所述多级自复叠制冷单元的第一通道的出口与所述末端换热器的第一管路的入口连接，所述末端换热器的第一管路的出口与所述加热器的入口连接；所述冷凝器的出口依次通过所述多级自复叠制冷单元的第二通道、所述末端换热器的第二管路以及所述多级自复叠制冷单元的第三通道与所述压缩机的入口构成换热回路。

进一步地，还包括气源旁通电磁阀，气源入口还通过旁侧并联管路直接与所述加热器的入口连接，所述旁侧并联管路上设置有所述气源旁通电磁阀。

进一步地，所述旁侧并联管路入口设置在所述气源制冷电磁阀的入口前端。

进一步地，所述多级自复叠制冷单元包括第一级换热器、第二级换热器、第三级换热器、第四级换热器以及第五级换热器，所述第一级换热器、所述第二级换热器、所述第三级换热器、所述第四级换热器以及所述第五级换热器均具有可相互换热的第一管路、第二管路和第三管路；所述气源制冷电磁阀依次通过所述第一级换热器的第一管路、所述第二级换热器的第一管路、所述第三级换热器的第一管路、所述第四级换热器的第一管路、所述第五级换热器的第一管路以及所述末端换热器的第一管路与所述加热器连接；所述冷凝器的出口依次通过所述第一级换热器的第二管路、所述第二级换热器的第二管路、所述第三级换热器的第二管路、所述第四级换热器的第二管路、所述第五级换热器的第二管路、所述末端换热器的第二管路、所述第五级换热器的第三管路、所述第四级换热器的第三管路、所述第三级换热器的第三管路、所述第二级换热器的第三管路以及所述第一级换热器的第三管路与所述压缩机的入口构成换热回路。

进一步地，所述第五级换热器的第二管路的出口还通过管道与所述第五级换热器的第三管路的入口连接构成换热回路，且所述第五级换热器的第二管路的出口与所述第五级换热器的第三管路的入口之间的管道上还设置有节流装置。

进一步地，所述第五级换热器的第二管路的出口与所述末端换热器的第二管路的入口之间的管道上还设置有节流装置。

进一步地，还包括第一气液分离器、第二气液分离器以及第三气液分离器；所述第一气液分离器的入口通过管道与所述第一级换热器的第二管路的出口连接，所述第一气液分离器的气体出口通过管道与所述第二级换热器的第二管路的入口连接，所述第一气液分离器的液体出口通过管道与所述第二级换热器的第三管路入口连接构成回路；所述第二气液分离器的入口通过管道与所述第二级换热器的第二管路的出口连接，所述第二气液分离器的气体出口通过管道与所述第三级换热器的第二管路的入口连接，所述第二气液分离器的液体出口通过管道与所述第三级换热器的第三管路入口连接构成回路；所述第三气液分离器的入口通过管道与所述第三级换热器的第二管路的出口连接，所述第三气液分离器的气体出口通过管道与所述第四级换热器的第二管路的入口连接，所述第三气液分离器的液体出口通过管道与所述第四级换热器的第三管路入口连接构成回路。

进一步地，所述第一气液分离器的液体出口与所述第二级换热器的第三管路入口之间的管道上设置有节流装置，所述第二气液分离器的液体出口与所述第三级换热器的第三管路入口之间的管道上设置有节流装置，所述第三气液分离器的液体出口与所述第四级换热器的第三管路入口之间的管道上设置有节流装置。

进一步地，所述第一级换热器、所述第二级换热器、所述第三级换热器、所述第四级换热器、所述第五级换热器以及所述末端换热器的结构为套管式换热器或板换式换热器；所述节流装置为毛细管或节流阀。

进一步地，所述冷凝器采用水冷方式或风冷方式进行冷凝。

本发明具有如下优点：通过本发明的一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，打破了传统环境模拟试验模式，采用干燥气源(压缩空气、纯氮或纯氩)作为介质对需要测试的物件进行超高低温高速温变冷热气流交变冲击，采用独特的单一压缩机驱动多元混合工质的多级自复叠闭式循环制冷技术，逐级制冷气源来获得低温气流，功耗低、温区宽，可替代液氮，配合加热器气流输出温度范围可在-150℃～+300℃，根据气流量的大小最低可10秒内完成所需的周期温度变化，实现真正意义上的超快速、高速温变，适用于适用航天、军工、电子、通讯、汽车、机械、材料等行业的产品可靠性检测，可以考核试验件的结构、材料性能、力学性能等，或其他行业的产品特性分析、高低温循环测试、冷热冲击测试、失效分析等可靠性试验；实现了高速温变冷热循环冲击，温区宽，降温速率是传统高低温冲击试验系统无法比拟的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明一些实施例提供的一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统的结构图。

图中：1、压缩机，2、冷凝器，3、末端换热器，4、气源制冷电磁阀，5、加热器，6、气源旁通电磁阀，7、第一级换热器，8、第二级换热器，9、第三级换热器，10、第四级换热器，11、第五级换热器，12、第一气液分离器，13、第二气液分离器，14、第三气液分离器，15、节流装置，16、第一管路，17、第二管路，18、第三管路。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明第一方面实施例中的一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，包括压缩机1、冷凝器2、多级自复叠制冷单元、末端换热器3、气源制冷电磁阀4以及加热器5；压缩机1的出口通过管道与冷凝器2连接，多级自复叠制冷单元内设置有可相互换热的第一通道、第二通道和第三通道，末端换热器3内设置有可相互换热的第一管路16和第二管路17；气源入口与多级自复叠制冷单元的第一通道的入口之间设置有气源制冷电磁阀4，多级自复叠制冷单元的第一通道的出口与末端换热器3的第一管路16的入口连接，末端换热器3的第一管路16的出口与加热器5的入口连接；冷凝器2的出口依次通过多级自复叠制冷单元的第二通道、末端换热器3的第二管路17以及多级自复叠制冷单元的第三通道与压缩机1的入口构成换热回路。

在上述实施例中，需要说明的是，打破了传统环境模拟试验模式，采用干燥气源压缩空气、纯氮或纯氩作为介质对需要测试的物件进行超高低温高速温变冷热气流交变冲击，采用独特的单一压缩机驱动多元混合工质的多级自复叠闭式循环制冷技术，逐级制冷气源来获得低温气流，功耗低、温区宽，可替代液氮，配合加热器气流输出温度范围可在-150℃～+300℃，根据气流量的大小最低可10秒内完成所需的周期温度变化。

上述实施例达到的技术效果为：实现真正意义上的超快速、高速温变，适用于适用航天、军工、电子、通讯、汽车、机械、材料等行业的产品可靠性检测，可以考核试验件的结构、材料性能、力学性能等，或其他行业的产品特性分析、高低温循环测试、冷热冲击测试、失效分析等可靠性试验；实现了高速温变冷热循环冲击，温区宽，降温速率是传统高低温冲击试验系统无法比拟的。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，还包括气源旁通电磁阀6，气源入口还通过旁侧并联管路直接与加热器5的入口连接，旁侧并联管路上设置有气源旁通电磁阀6。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，还包括控制单元，压缩机1、冷凝器2、气源制冷电磁阀4、气源旁通电磁阀6以及加热器5均与控制单元连接。

上述可选的实施例的有益效果为：通过设置控制单元，实现了出口气体温度的自动化调整，通过持续加热或脉冲式加热将低温气体加热或恒定在所需的温度值。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，旁侧并联管路入口设置在气源制冷电磁阀4的入口前端。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，例如，旁侧并联管路通过三通管道与气源制冷电磁阀4的入口前端连接。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，多级自复叠制冷单元包括第一级换热器7、第二级换热器8、第三级换热器9、第四级换热器10以及第五级换热器11，第一级换热器7、第二级换热器8、第三级换热器9、第四级换热器10以及第五级换热器11均具有可相互换热的第一管路16、第二管路17和第三管路18；气源制冷电磁阀4依次通过第一级换热器7的第一管路16、第二级换热器8的第一管路16、第三级换热器9的第一管路16、第四级换热器10的第一管路16、第五级换热器11的第一管路16以及末端换热器3的第一管路16与加热器5连接；冷凝器2的出口依次通过第一级换热器7的第二管路17、第二级换热器8的第二管路17、第三级换热器9的第二管路17、第四级换热器10的第二管路17、第五级换热器11的第二管路17、末端换热器3的第二管路17、第五级换热器11的第三管路18、第四级换热器10的第三管路18、第三级换热器9的第三管路18、第二级换热器8的第三管路18以及第一级换热器7的第三管路18与压缩机1的入口构成换热回路。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，除此之外，多级自复叠制冷单元还可采用两个换热器、三个换热器、四个换热器、六个换热器以及更多个换热器进行自复叠制冷。

上述可选的实施例的有益效果为：通过上述设置，满足了不同的制冷需求，逐级换热，起到了极高的制冷效率。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，第五级换热器11的第二管路17的出口还通过管道与第五级换热器11的第三管路18的入口连接构成换热回路，且第五级换热器11的第二管路17的出口与第五级换热器11的第三管路18的入口之间的管道上还设置有节流装置15。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，第五级换热器11的第二管路17的出口与末端换热器3的第二管路17的入口之间的管道上还设置有节流装置15。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，还包括第一气液分离器12、第二气液分离器13以及第三气液分离器14；第一气液分离器12的入口通过管道与第一级换热器7的第二管路17的出口连接，第一气液分离器12的气体出口通过管道与第二级换热器8的第二管路17的入口连接，第一气液分离器12的液体出口通过管道与第二级换热器8的第三管路18入口连接构成回路；第二气液分离器13的入口通过管道与第二级换热器8的第二管路17的出口连接，第二气液分离器13的气体出口通过管道与第三级换热器9的第二管路17的入口连接，第二气液分离器13的液体出口通过管道与第三级换热器9的第三管路18入口连接构成回路；第三气液分离器14的入口通过管道与第三级换热器9的第二管路17的出口连接，第三气液分离器14的气体出口通过管道与第四级换热器10的第二管路17的入口连接，第三气液分离器14的液体出口通过管道与第四级换热器10的第三管路18入口连接构成回路。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，第一气液分离器12、第二气液分离器13以及第三气液分离器14的结构均相同。

上述可选的实施例的有益效果为：通过设置第一气液分离器12、第二气液分离器13以及第三气液分离器14，实现了多元混合工质的快速分离，逐级分凝、自然复叠，起到了良好的自复叠制冷效果。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，第一气液分离器12的液体出口与第二级换热器8的第三管路18入口之间的管道上设置有节流装置15，第二气液分离器13的液体出口与第三级换热器9的第三管路18入口之间的管道上设置有节流装置15，第三气液分离器14的液体出口与第四级换热器10的第三管路18入口之间的管道上设置有节流装置15。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，节流装置15可以为为毛细管或节流阀等方式的节流装置。

上述可选的实施例的有益效果为：通过设置节流装置，起到了流量的调节作用。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，第一级换热器7、第二级换热器8、第三级换热器9、第四级换热器10、第五级换热器11以及末端换热器3的结构为套管式换热器或板换式换热器；节流装置15为毛细管或节流阀。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，套管式换热器能够实现第一管路16、第二管路17以及第三管路18中的任意两者之间实现快速的换热，板换式换热器的也能实现第一管路16、第二管路17以及第三管路18中的任意两者之间的换热，板换式换热器由于结构固定，换热效果、稳定性及可靠性略低于套管式换热器。

上述可选的实施例的有益效果为：通过将上述换热器设置为套管式换热器或板换式换热器，起到了较高的换热效率，此外，有利于实现整个系统的标准化加工。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，冷凝器2采用水冷方式或风冷方式进行冷凝。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，此外，冷凝器2还可采用其他方式进行冷凝。

上述可选的实施例的有益效果为：通过冷凝器2采用上述制冷方式，加工成本较低，能够取得显著的经济效益。

上述实施例的工作原理为：制冷时关闭气源旁侧电磁阀6及电加热的加热器5，制冷系统自身逐级冷凝自然复叠制冷的同时，干燥气源通过气源制冷电磁阀4控制进入多级自复叠制冷单元也同时逐级进行热交换至最后末端换热器3来获得低温，利用气源的逐级预冷，来使多级自复叠制冷系统制冷量最大化，当需要恒温时可通过控制单元PID控制加热器5进行气流热平衡高精度恒温；加热系统采用在气流管路末端出口处，用加热器5与气源热交换提供高温气流输出，气源制冷电磁阀4开启制冷完成后再做高温高速温变时，加热器5开启与气流进行热交换，同一制冷管路气流输出做高低温高速温变时能保证气流量稳定不变，也可以关闭气源制冷电磁阀4，同时打开气源旁侧电磁阀6提供不经过制冷单元换热的常温气源经过电加热器热交换来做高温节能输出。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

Claims (10)

1.一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，其特征在于，包括压缩机(1)、冷凝器(2)、多级自复叠制冷单元、末端换热器(3)、气源制冷电磁阀(4)以及加热器(5)；

所述压缩机(1)的出口通过管道与所述冷凝器(2)连接，所述多级自复叠制冷单元内设置有可相互换热的第一通道、第二通道和第三通道，所述末端换热器(3)内设置有可相互换热的第一管路(16)和第二管路(17)；

气源入口与所述多级自复叠制冷单元的第一通道的入口之间设置有所述气源制冷电磁阀(4)，所述多级自复叠制冷单元的第一通道的出口与所述末端换热器(3)的第一管路(16)的入口连接，所述末端换热器(3)的第一管路(16)的出口与所述加热器(5)的入口连接；

所述冷凝器(2)的出口依次通过所述多级自复叠制冷单元的第二通道、所述末端换热器(3)的第二管路(17)以及所述多级自复叠制冷单元的第三通道与所述压缩机(1)的入口构成换热回路。

2.根据权利要求1所述的一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，其特征在于，还包括气源旁通电磁阀(6)，气源入口还通过旁侧并联管路直接与所述加热器(5)的入口连接，所述旁侧并联管路上设置有所述气源旁通电磁阀(6)。

3.根据权利要求2所述的一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，其特征在于，所述旁侧并联管路入口设置在所述气源制冷电磁阀(4)的入口前端。

4.根据权利要求1所述的一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，其特征在于，所述多级自复叠制冷单元包括第一级换热器(7)、第二级换热器(8)、第三级换热器(9)、第四级换热器(10)以及第五级换热器(11)，所述第一级换热器(7)、所述第二级换热器(8)、所述第三级换热器(9)、所述第四级换热器(10)以及所述第五级换热器(11)均具有可相互换热的第一管路(16)、第二管路(17)和第三管路(18)；

所述气源制冷电磁阀(4)依次通过所述第一级换热器(7)的第一管路(16)、所述第二级换热器(8)的第一管路(16)、所述第三级换热器(9)的第一管路(16)、所述第四级换热器(10)的第一管路(16)、所述第五级换热器(11)的第一管路(16)以及所述末端换热器(3)的第一管路(16)与所述加热器(5)连接；

所述冷凝器(2)的出口依次通过所述第一级换热器(7)的第二管路(17)、所述第二级换热器(8)的第二管路(17)、所述第三级换热器(9)的第二管路(17)、所述第四级换热器(10)的第二管路(17)、所述第五级换热器(11)的第二管路(17)、所述末端换热器(3)的第二管路(17)、所述第五级换热器(11)的第三管路(18)、所述第四级换热器(10)的第三管路(18)、所述第三级换热器(9)的第三管路(18)、所述第二级换热器(8)的第三管路(18)以及所述第一级换热器(7)的第三管路(18)与所述压缩机(1)的入口构成换热回路。

5.根据权利要求4所述的一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，其特征在于，所述第五级换热器(11)的第二管路(17)的出口还通过管道与所述第五级换热器(11)的第三管路(18)的入口连接构成换热回路，且所述第五级换热器(11)的第二管路(17)的出口与所述第五级换热器(11)的第三管路(18)的入口之间的管道上还设置有节流装置(15)。

6.根据权利要求4所述的一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，其特征在于，所述第五级换热器(11)的第二管路(17)的出口与所述末端换热器(3)的第二管路(17)的入口之间的管道上还设置有节流装置(15)。

7.根据权利要求5或6所述的一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，其特征在于，还包括第一气液分离器(12)、第二气液分离器(13)以及第三气液分离器(14)；

所述第一气液分离器(12)的入口通过管道与所述第一级换热器(7)的第二管路(17)的出口连接，所述第一气液分离器(12)的气体出口通过管道与所述第二级换热器(8)的第二管路(17)的入口连接，所述第一气液分离器(12)的液体出口通过管道与所述第二级换热器(8)的第三管路(18)入口连接构成回路；

所述第二气液分离器(13)的入口通过管道与所述第二级换热器(8)的第二管路(17)的出口连接，所述第二气液分离器(13)的气体出口通过管道与所述第三级换热器(9)的第二管路(17)的入口连接，所述第二气液分离器(13)的液体出口通过管道与所述第三级换热器(9)的第三管路(18)入口连接构成回路；

所述第三气液分离器(14)的入口通过管道与所述第三级换热器(9)的第二管路(17)的出口连接，所述第三气液分离器(14)的气体出口通过管道与所述第四级换热器(10)的第二管路(17)的入口连接，所述第三气液分离器(14)的液体出口通过管道与所述第四级换热器(10)的第三管路(18)入口连接构成回路。

8.根据权利要求7所述的一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，其特征在于，所述第一气液分离器(12)的液体出口与所述第二级换热器(8)的第三管路(18)入口之间的管道上设置有节流装置(15)，所述第二气液分离器(13)的液体出口与所述第三级换热器(9)的第三管路(18)入口之间的管道上设置有节流装置(15)，所述第三气液分离器(14)的液体出口与所述第四级换热器(10)的第三管路(18)入口之间的管道上设置有节流装置(15)。

9.根据权利要求8所述的一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，其特征在于，所述第一级换热器(7)、所述第二级换热器(8)、所述第三级换热器(9)、所述第四级换热器(10)、所述第五级换热器(11)以及所述末端换热器(3)的结构为套管式换热器或板换式换热器；所述节流装置(15)为毛细管或节流阀。

10.根据权利要求1所述的一种多级自复叠式高低温高速温变冷热气流冲击试验系统，其特征在于，所述冷凝器(2)采用水冷方式或风冷方式进行冷凝。

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