CN114226074B - 基于热源分析的超重力离心装置的温控系统和温控方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于热源分析的超重力离心装置的温控系统和温控方法，所述超重力离心装置包括机房以及安装于机房内的旋转臂和试验舱，所述旋转臂可绕自身中心转动，所述试验舱固定于所述旋转臂的端部，所述温控系统包括第一冷却循环系统，所述第一冷却循环系统包括沿制冷剂循环回路依次连接的第一压缩机、第一冷凝器、第一降压装置以及第一内侧蒸发器，所述第一内侧蒸发器设置于所述机房的内壁和所述试验舱之间，所述第一压缩机、第一冷凝器以及第一降压装置设置于所述机房的外侧。本申请提供的基于热源分析的超重力离心装置的温控系统，制冷效率较高。

Description

基于热源分析的超重力离心装置的温控系统和温控方法

技术领域

本申请涉及超重力技术领域，特别是涉及基于热源分析的超重力离心装置的温控系统和温控方法。

背景技术

超重力离心装置由通过高速转动形成的离心力来模拟超重力环境，超重力场有诸多应用，例如，利用超重力环境中的缩尺效应实现土力学的物理模拟，校验本构模型，还可利用超重力场中的传质、传热强化效应减小反应设备体积，提高效率，或制备新材料等。

超重力离心装置大多包括转动部分、固定部分和填充于两者间的流质，以转动部分为旋转臂和试验舱，固定部分为机房的超重力离心装置为例，随着转动部分转速加大，摩擦热将导致装置温度迅速上升，为确保超重力离心装置安全运行，必须采取温控措施。

现有的温控方法大多依据原有超重力离心装置自身结构和运行特点，将液冷系统、风冷系统与之结合，最简单的如室内通入冷风、室壁液冷等。但是随着转速的不断增大，高转速下振动要求更高，向舱体内通入风冷冷却的方法会增加振动，故多采用室壁液冷，现有可提供大功率制冷系统的低温制冷剂主要为乙二醇水溶液，可提供-15℃低温，但当温度继续下降时效率会大幅下降。且温度过低会降低超重力离心模拟装置金属材质的性能，导致安全问题。

发明内容

本申请提供了一种基于热源分析的超重力离心装置的温控系统，制冷效率较高。

本申请提供的基于热源分析的超重力离心装置的温控系统，所述超重力离心装置包括机房以及安装于机房内的旋转臂和试验舱，所述旋转臂可绕自身中心转动，所述试验舱固定于所述旋转臂的端部，所述温控系统包括第一冷却循环系统，所述第一冷却循环系统包括沿制冷剂循环回路依次连接的第一压缩机、第一冷凝器、第一降压装置以及第一内侧蒸发器，所述第一内侧蒸发器设置于所述机房的内壁和所述试验舱之间，所述第一压缩机、第一冷凝器以及第一降压装置设置于所述机房的外侧。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

可选的，所述温控系统还包括第二冷却循环系统，所述第二冷却循环系统包括沿制冷剂循环回路依次连接的第二压缩机、第二冷凝器、第二降压装置以及第二蒸发器，所述第二蒸发器设置于所述机房的内壁和所述试验舱之间，所述第二压缩机、第二冷凝器以及第二降压装置设置于所述机房的外侧，所述第二蒸发器与所述第一内侧蒸发器换热。

可选的，所述第一降压装置和所述第二降压装置为膨胀机或节流装置。

可选的，还包括级联结构，所述级联结构包括连接在所述第一降压装置和第一压缩机之间的第一外侧蒸发器，所述第一外侧蒸发器设置于所述机房的外侧，用于对所述第二冷凝器换热降温。

可选的，还包括回路切换装置，所述回路切换装置包括：

第一切断阀，设置于所述第一降压装置和所述第一外侧蒸发器之间，或设置于所述第一外侧蒸发器和所述第一压缩机之间，用于切断流经所述第一外侧蒸发器的制冷剂；

第二切断阀，设置于所述第一降压装置和所述第一内侧蒸发器之间，或设置于所述第一内侧蒸发器和所述第一压缩机之间，用于切断流经所述第一内侧蒸发器的制冷剂。

可选的，还包括连接于所述机房的真空系统。

可选的，在所述超重力离心装置的径向上，所述第一内侧蒸发器位于所述机房的内壁和所述第二蒸发器之间。

可选的，还包括设置于所述机房内壁的绝热防护层。

可选的，所述第一冷却循环系统和所述第二冷却循环系统的制冷剂为氟利昂。

本申请还提供了一种基于热源分析的超重力离心装置的温控方法，所述温控方法基于所述的温控系统，所述温控方法包括：

获取超重力离心装置内的实测温度；

将所述实测温度与依次增大的第一预设温度、第二预设温度以及第三预设温度比较；当所述实测温度小于第一预设温度时，关闭所述第一切断阀和所述第二压缩机，打开所述第二切断阀和所述第一压缩机；当实测温度大于等于第一预设温度且小于第二预设温度时，关闭所述第二切断阀，打开所述第一切断阀和所述第二压缩机；当所述实测温度大于等于第二预设温度且小于第三预设温度时，同时打开所述第一切断阀和所述第二切断阀；当实测温度大于等于第三预设温度时，开启所述真空系统对所述机房抽真空。

本申请提供的基于热源分析的超重力离心装置的温控系统，制冷效率较高。

附图说明

图1为本申请一实施例的结构示意图；

图2为本申请另一实施例的结构示意图；

图3为图2中A区的放大图。

图中附图标记说明如下：

1、机房；2、旋转臂；3、试验舱；4、第一冷却循环系统；41、第一压缩机；42、第一冷凝器；43、第一降压装置；44、第一内侧蒸发器；45、第一外侧蒸发器；46、第一切断阀；47、第二切断阀；5、第二冷却循环系统；51、第二压缩机；52、第二冷凝器；53、第二降压装置；54、第二蒸发器；6、真空系统；7、绝热防护层。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请提供了一种基于热源分析的超重力离心装置的温控系统，制冷效率较高。

参考图1～图3，超重力离心装置包括机房1以及安装于机房1内的旋转臂2和试验舱3，旋转臂2可绕自身中心转动，试验舱3固定于旋转臂2的端部。本申请的基于热源分析的超重力离心装置的温控系统包括第一冷却循环系统4，第一冷却循环系统4包括沿制冷剂循环回路依次连接的第一压缩机41、第一冷凝器42、第一降压装置43以及第一内侧蒸发器44，第一内侧蒸发器44设置于机房1的内壁和试验舱之间，第一压缩机41、第一冷凝器42以及第一降压装置43设置于机房1的外侧。

中温中压液态制冷剂在第一内侧蒸发器44内蒸发并吸收机房1内的热量，制冷剂蒸发后由中温中压液体相变为中温中压气体，中温中压气体经第一压缩机41压缩后成为高温高压气体，高温高压气体经第一冷凝器42冷却为中高温高压液体，中高温高压液体经过第一降压装置43后转变为中温中压液体，中温中压液体再次回到第一内侧蒸发器44内蒸发吸热，依此循环。

本实施例仅靠中温冷源的冷源温度完成散热，整个过程中无中间载冷液体，由液态制冷剂直接蒸发吸收超重力离心装置的热量，不存在由于中间载冷液体换热导致的换热温差，从而可以进一步降低机房1内壁的温度。同时由于制冷剂在第一冷却循环系统4内发生的是相变吸热，热流密度更大，两相转变的热流密度可达到100W/cm²量级，普通水冷热流密度仅0.1W/cm²量级，增大了100倍。

参考图2，为进一步提高制冷效率，本申请的温控系统还包括第二冷却循环系统5，第二冷却循环系统5包括沿制冷剂循环回路依次连接的第二压缩机51、第二冷凝器52、第二降压装置53以及第二蒸发器54。第二蒸发器54设置于机房1的内壁和试验舱3之间，第二压缩机51、第二冷凝器52以及第二降压装置53设置于机房1的外侧。

第二冷却循环系统5与第一冷却循环系统4可分别采用不同蒸发温度的制冷剂，第二冷却循环系统5的工作过程与第一冷却循环系统4类似，以下以蒸发温度低于第一冷却循环系统4的制冷剂为例进行说明。低温低压液态制冷剂在第二蒸发器54内蒸发并吸收机房1内的热量，制冷剂蒸发后由低温低压液体相变为低温低压气体，低温低压气体经第二压缩机51压缩后成为中高温中压气体，中高温中压气体经第二冷凝器52冷却为中温中压液体，中温中压液体经过第二降压装置53后转变为低温低压液体，低温低压液体再次回到第二蒸发器54内蒸发吸热，依此循环。

当超重力离心装置高速转动时，处于机房1内的第二蒸发器54排出的低温低压气体可能过热，过热气体会导致第二压缩机51吸气量大幅下降，进而导致制冷效率大幅下降。为进一步提高制冷效率，第二蒸发器54与第一内侧蒸发器44换热，避免第一冷却循环系统4过热。

具体的，第一降压装置43和第二降压装置53为膨胀机或节流装置。在超重力离心装置的径向上，第一内侧蒸发器44位于机房1的内壁和第二蒸发器54之间。第一冷却循环系统和第二冷却循环系统的制冷剂为氟利昂。本申请的温控系统还包括设置于机房1内壁的绝热防护层7。

为降低制冷温度，本申请的温控系统还包括级联结构，级联结构包括连接在第一降压装置43和第一压缩机41之间的第一外侧蒸发器45，第一外侧蒸发器45设置于机房1的外侧，用于对第二冷凝器52换热降温。

为方便切换制冷回路，以适应超重力离心装置的不同工况，本申请的温控系统还包括回路切换装置，回路切换装置包括第一切断阀46和第二切断阀47。第一切断阀46设置于第一降压装置43和第一外侧蒸发器45之间，或设置于第一外侧蒸发器45和第一压缩机41之间，用于切断流经第一外侧蒸发器45的制冷剂。第二切断阀47设置于第一降压装置43和第一内侧蒸发器44之间，或设置于第一内侧蒸发器44和第一压缩机41之间，用于切断流经第一内侧蒸发器44的制冷剂。

为进一步提高制冷效率，本申请的温控系统还包括连接于机房1的真空系统6。

本申请还提供一种基于热源分析的超重力离心装置的温控方法，该温控方法包括：获取超重力离心装置内的实测温度；将实测温度与依次增大的第一预设温度、第二预设温度以及第三预设温度比较。

当实测温度小于第一预设温度时，关闭第一切断阀46和第二压缩机51，打开第二切断阀47和第一压缩机41，由第一冷却循环系统4单独为超重力离心装置降温。

当实测温度大于等于第一预设温度且小于第二预设温度时，关闭第二切断阀47，打开第一切断阀46和第二压缩机51，由第一冷却循环系统4和第二冷却循环系统5的联合为超重力离心装置降温。

当实测温度大于等于第二预设温度且小于第三预设温度时，同时打开第一切断阀46和第二切断阀47，利用第一冷却循环系统4防止高速运行时机房1内的第二蒸发器54过热。

当实测温度大于等于第三预设温度时，认定第一冷却循环系统4和第二冷却循环系统5已处于超负荷状态。传统超重力离心装置的热源或边界层主要有两个：一是气流与旋转臂2、试验舱3之间的边界层，称之为第一热源；二是气流与机房1内壁之间的边界层，称之为第二热源。采用上述操作后，应当视为第二热源处的温差和换热系数(相变换热)均很高，这时认为当前的超高温是由第一热源处产热较高热量积聚所致，通过开启真空系统6对机房1抽真空，可进一步降低传统超重力离心装置的温度。

本申请的最低温度可达-40℃以下，即使-40℃以下，制冷系统和超重力离心装置的主体材质并无直接接触，不会因温度过低而导致主体材质性能降低。制冷剂为氟利昂R12、R22、R123、R124、R134a、R141b、R142b、R402A、R404A、R407c、R408A、R409A、R410A、R502、R717中的一种或多种。当制冷剂为氟利昂R22时，氟利昂R22在0.06453MPa时的蒸发温度为-50℃，理论上可以高效地大热流密度地提供-50℃的侧壁面冷却温度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。不同实施例中的技术特征体现在同一附图中时，可视为该附图也同时披露了所涉及的各个实施例的组合例。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.基于热源分析的超重力离心装置的温控系统，所述超重力离心装置包括机房以及安装于机房内的旋转臂和试验舱，所述旋转臂可绕自身中心转动，所述试验舱固定于所述旋转臂的端部，其特征在于，所述温控系统包括第一冷却循环系统，所述第一冷却循环系统包括沿制冷剂循环回路依次连接的第一压缩机、第一冷凝器、第一降压装置以及第一内侧蒸发器，所述第一内侧蒸发器设置于所述机房的内壁和所述试验舱之间，所述第一压缩机、第一冷凝器以及第一降压装置设置于所述机房的外侧；

所述温控系统还包括第二冷却循环系统，所述第二冷却循环系统包括沿制冷剂循环回路依次连接的第二压缩机、第二冷凝器、第二降压装置以及第二蒸发器，所述第二蒸发器设置于所述机房的内壁和所述试验舱之间，所述第二压缩机、第二冷凝器以及第二降压装置设置于所述机房的外侧，所述第二蒸发器与所述第一内侧蒸发器换热；

还包括级联结构，所述级联结构包括连接在所述第一降压装置和第一压缩机之间的第一外侧蒸发器，所述第一外侧蒸发器设置于所述机房的外侧，用于对所述第二冷凝器换热降温；

还包括回路切换装置，所述回路切换装置包括：

第一切断阀，设置于所述第一降压装置和所述第一外侧蒸发器之间，或设置于所述第一外侧蒸发器和所述第一压缩机之间，用于切断流经所述第一外侧蒸发器的制冷剂；

第二切断阀，设置于所述第一降压装置和所述第一内侧蒸发器之间，或设置于所述第一内侧蒸发器和所述第一压缩机之间，用于切断流经所述第一内侧蒸发器的制冷剂。

2.根据权利要求1所述的基于热源分析的超重力离心装置的温控系统，其特征在于，所述第一降压装置和所述第二降压装置为膨胀机或节流装置。

3.根据权利要求1所述的基于热源分析的超重力离心装置的温控系统，其特征在于，在所述超重力离心装置的径向上，所述第一内侧蒸发器位于所述机房的内壁和所述第二蒸发器之间。

4.根据权利要求1所述的基于热源分析的超重力离心装置的温控系统，其特征在于，还包括设置于所述机房内壁的绝热防护层。

5.根据权利要求1所述的基于热源分析的超重力离心装置的温控系统，其特征在于，还包括连接于所述机房的真空系统。

6.根据权利要求1~5中任一项所述的基于热源分析的超重力离心装置的温控系统，其特征在于，所述第一冷却循环系统和所述第二冷却循环系统的制冷剂为氟利昂。

7.基于热源分析的超重力离心装置的温控方法，其特征在于，所述温控方法基于权利要求1~6任一项所述的温控系统，所述温控方法包括：

获取超重力离心装置内的实测温度；

将所述实测温度与依次增大的第一预设温度、第二预设温度以及第三预设温度比较；当所述实测温度小于第一预设温度时，关闭所述第一切断阀和所述第二压缩机，打开所述第二切断阀和所述第一压缩机；当实测温度大于等于第一预设温度且小于第二预设温度时，关闭所述第二切断阀，打开所述第一切断阀和所述第二压缩机；当所述实测温度大于等于第二预设温度且小于第三预设温度时，同时打开所述第一切断阀和所述第二切断阀；当实测温度大于等于第三预设温度时，开启真空系统对所述机房抽真空。

Images