一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵及其製冷方法

2023-09-18 11:42:20 3

專利名稱：一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵及其製冷方法
技術領域：
本發明涉及一種用於空間環境模擬試驗設備低溫流程系統的部件，具體是一種液 氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵及其製冷方法。
背景技術：
人造衛星、飛船、空間站、深空探測器、飛彈以及運載火箭上大量使用的姿軌控發 動機，在高空稀薄環境下工作時其噴流會向外部環境自由膨脹形成真空羽流。羽流會對空 間飛行器產生羽流汙染、羽流幹擾力和羽流熱效應等羽流影響。這些影響輕則降低工作元 件的性能，重則導致飛行任務的失敗。隨著航天事業的迅速發展，航天設計部門越來越關注 空間飛行器上的姿軌控發動機工作時產生的羽流問題。羽流效應問題研究的一個重要前提是保證羽流氣體的快速吸附，使得環境真空 度能夠達到規定的指標。目前用於吸附羽流氣體的設備主要是環繞真空艙內表面的深冷 低溫泵，即氦板。國際上研究較早的美國和德國均採用此種結構形式。如德國宇航中心 (Deutsches Zentrum fur Luft-und Raumfahrt，簡稱 DLR)的 STG 真空羽流試驗系統，罐體 直徑為3. 3m，長度為7. 6m,內裝直徑1. 6m、長度5. 25m的圓筒形液氦低溫泵，其吸附面積為 30m2，可保證0. 5N發動機(質量流量0. 2g/s，試驗介質常溫氮氣)連續工作時，維持壓力小 於 l(T3Pa。按照這種低溫泵的布局結構，要實現較大推力發動機的高空(動態真空度小於 I(T3Pa)研究工作，就要相應的增加氦板的面積，即增大真空艙的體積。實際上，根據氣體的 種類及其溫度，氦板的面積會有很大的差異。氣體分子量越小、溫度越高，吸附面積越大。如 要研究質量流量2g/s、溫度1000K的氮氣羽流效應，要維持連續工作時10_3Pa量級，則需要 的氦板面積達約3000m2。如果按照目前世界上通用的這種布局，真空艙的體積相當龐大，無 論從成本還是從試驗場地，都是難以實現的。為了解決這一問題，根據羽流流場的特點，認為試驗發動機噴出的羽流氣體密度 (壓力)分布、運動狀況與靜態氣體完全不同，前者核心流區的氣體佔其總質量的絕大部 分，其密度沿徑向變化很大，且沿軸向高速運動(3 5個馬赫數)，所以分布於真空艙壁的 低溫泵只能吸附流場中的小部分氣體。為了提高真空艙的動態真空度，必須增大其軸向氣 體的吸附能力。為此發明了專用於吸附羽流氣體的低溫深冷泵，簡稱羽流吸附泵，羽流吸附 泵是熱沉的一種。空間環境模擬試驗設備及發動機羽流試驗設備都是模擬空間真空和低溫環境的 設備，熱沉是該類設備的主要部件，通過輻射熱交換，為設備試驗空間提供所需的環境溫度 和真空度，為達到這一目的，必須對熱沉進行溫度控制，控制熱沉溫度是通過傳熱介質在熱 沉通道中強迫流動，與熱沉換熱來實現。根據熱沉要求的溫度區間不同，目前的各種熱沉常採用以下換熱介質，液氮、酒 精、氟利昂等，極少採用液氦，主要是由於液氦昂貴及用於液氦溫區的超低溫熱沉技術復 雜，因此目前國內還沒有專門採用液氦作為換熱介質的熱沉系統。液體火箭發動機真空羽
4流效應試驗時，常採用氮氣作為試驗工質，由於同種介質不能凝固吸附同種介質，這就必須 採用比液氮溫度更低的製冷介質來吸附羽流試驗工質氮氣，常壓下液氦的液化溫度達到 4. 2K，利用其作為換熱介質，可使熱沉表面平均溫度達到液氦溫區，此溫區能夠充分凝固吸 附羽流試驗工質氮氣，滿足試驗要求。因此為了滿足發動機羽流試驗需求，就必須採用液氦 作為製冷介質的熱沉系統。液氮、酒精、氟利昂這幾種常見的製冷介質中，溫度最低的是液氮，可使熱沉達到 77K，為節約昂貴的液氦用量，考慮用液氮和液氦組合製冷介質，即先利用液氮將熱沉預冷 至液氮溫區(77K)，然後利用液氦接著將熱沉預冷至4. 2K。不管採用何種介質，目前的熱 沉均為單介質流道，熱沉的流道只能循環一種傳熱介質，無法切換另外一種介質。主要原 因是各製冷介質的凝固點不同，以液氦、液氮兩種製冷介質為例，當液氦通入循環過液氮 的熱沉流道時，流道中殘存的液氮就會被凍成固體，堵塞甚至損壞熱沉，故之前沒有共用液 氮、液氦兩種製冷介質的超低溫熱沉流道。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種新型的用於空間環境模擬試驗設備及發 動機羽流試驗設備的羽流吸附泵，既為一種用於吸附羽流試驗氣體的低溫深冷泵，又可同 時用於發動機羽流試驗和衛星等熱真空試驗，發動機羽流試驗時通液氦製冷，熱真空試驗 時通液氮製冷。一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵，包括羽流吸附泵主體、電阻溫度傳感器、液 氮供應系統、氣氮吹除系統、氣氦吹除系統、液氦供應系統與輔助排液管路。所述的羽流吸 附泵主體由三個同心圓筒形管板所形成的圓筒組成，成錐形排列，三個圓筒的後端齊平，前 端等比例內縮，三個圓筒的進出液口位於同側，水平進，水平出，進液口在下，出液口在上， 進液口、出液口都分別連通，三個圓筒的進液口都連接到進液總管。電阻溫度傳感器設置在 羽流吸附泵主體的三個圓筒的帶翅片支管表面上，用於檢測溫度。液氮供應系統、氣氮吹除 系統、氣氦吹除系統以及液氦供應系統，都通過管路與羽流吸附泵主體三個圓筒的進液總 管以及輔助排液管路的一端連接，輔助排液管路的另一端通往大氣。三個圓筒的出液口分別通過管道連接控制閥並連接到總放空閥，總放空閥用於控 制將流經羽流吸附泵的流體排出羽流吸附泵主體，通過調節控制閥的開度對對應的圓筒進 行流量調節。一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵的製冷方法，具體為(1)啟動液氮供應系 統，打開液氮供應閥，向羽流吸附泵主體通入液氮製冷介質，通過電阻溫度傳感器觀察羽流 吸附泵主體的三個圓筒的溫度及降溫速率，並通過控制閥來調節各筒溫度及降溫速率，當 三個圓筒的主體溫度均達到77K時，關閉液氮供應閥；(2)打開低溫排液閥，將羽流吸附泵 主體中的液氮通過輔助排液管路排出，通過觀察，待輔助排液管路中無液氮流出時，關閉低 溫排液閥；(3)啟動氣氮吹除系統，打開氣氮吹除閥向羽流吸附泵主體通入氣氮，通過電阻 溫度傳感器觀察三個圓筒的主體溫度，待三個圓筒的主體溫度均升至80K以上時，關閉氣 氮吹除閥；(4)啟動氣氦吹除系統，打開氣氦吹除閥向羽流吸附泵主體通入氣氦，5 10分 鍾後，關閉氣氦吹除閥；(5)啟動液氦供應系統，打開液氦供應閥，向羽流吸附泵主體通入 液氦製冷介質，通過電阻溫度傳感器觀察三個圓筒的主體溫度及降溫速率，並通過控制閥來調節各筒溫度及降溫速率，直至三個圓筒的主體溫度均達到4. 2K。本發明與現有技術相比的有益效果是(1)本發明的羽流吸附泵可以兼容液氮和液氦兩種介質的換熱介質，避免了雙流 道(液氮和液氦各有流道)製造複雜，易造成超低溫冷漏的缺點。(2)能同時兼顧發動機羽流試驗和衛星等熱真空試驗。發動機羽流試驗時，羽流吸 附泵通液氮、液氦雙製冷介質，先通液氮製冷，後通液氦製冷，用於減少液氦消耗；熱真空試 驗時，羽流吸附泵直接通液氮製冷介質。(3)羽流吸附泵的三個同心圓圓筒一體化設計，方便同時安裝、拆除。(4)羽流吸附泵進出口均位於艙體同側，一進三出，即大筒、中筒、小筒共用一個進 液口，各有一個出液口，水平進出，進口在下，出口在上，方便管路布局及操作，便於對羽流 吸附泵的三個同心圓圓筒同時進行溫度調節。(5)在三個進液匯總管頂部的堵頭離小筒進液管的中心加長到200mm，形成了一 個盲腸，儘可能避免了液氦流動短路。(6)在每個圓筒形管板靠近下匯總管的支管翅片間加有導熱帶，儘可能避免了液 氦流動短路。(7)通過在進液管入口增設限流環調節流過三個圓筒的氣氦量，使流過三個圓筒 的氣氦量與它們預冷所需冷量成比例，儘可能避免了液氦流動短路。(8)多層圓筒形的結構，使得氣體分子在圓筒之間進行來回碰撞，氣體分子的捕獲 率明顯增大，使得氣體的吸附係數較高。(9)本發明方法當液氮製冷介質使用完畢，利用輔助氮氣吹除系統吹除熱沉中殘 留的液氮，使熱沉中液氮蒸發完全，然後利用輔助氦氣吹除系統吹除熱沉中殘留的氣氮，使 熱沉中殘留的氣氮被吹除乾淨，最後將液氦製冷介質通入，如此完成兩種製冷介質的安全 切換，通過兩種製冷介質的安全切換達到節約液氦並使熱沉溫度從4. 2K 300K之間可調， 滿足發動機羽流試驗需求，降低試驗成本。


圖1為本發明的羽流吸附泵的總體結構示意圖；圖2為圖1中A-A剖面所示的羽流吸附泵主體軸向的結構示意圖；圖3為圖1中B-B剖面所示的帶翅片支管的結構示意圖；圖4為圖1中F-F剖面所示的三個出液總管通過連接板固定的示意圖；圖5為圖1中C-C剖面所示的小筒上匯總管與中筒上匯總管連接的示意圖；圖6為圖1中D-D剖面所示的支撐的示意圖；圖7為圖1中E-E剖面所示的吊板的示意圖；圖8為圖2中K-K剖面所示的翅片間加有導熱帶的示意圖；圖9為圖1中I與II處所示的限流環的放大圖；圖10為圖2中III處所示的定位角鋼安裝放大圖。圖11為本發明的羽流吸附泵的製冷方法的步驟流程圖。其中，100-羽流吸附泵主體；200-電阻溫度傳感器；300-液氮供應系統；301-液 氮貯槽；302-液氮供應閥；400-氣氮吹除系統；401-氣氮瓶；402-氣氮吹除閥；500-氣氦吹除系統；501-氣氦瓶；502-氣氦吹除閥；600-液氦供應系統；601-液氦貯槽；602-液氦 供應閥；700-輔助排液管路；701-低溫排液閥；101-大筒；102-中筒；103-小筒；104-大 筒控制閥；105-中筒控制閥；106-小筒控制閥；107-總放空閥；108-管路安全閥；1-大筒 上匯總管；2-大筒帶翅片支管；3-大筒下匯總管；4-大筒進液管；5-大筒出液管；6-中筒 上匯總管；7-中筒帶翅片支管；8-中筒下匯總管；9-中筒進液管；10-中筒出液管；11-小 筒上匯總管；12-小筒帶翅片支管；13-小筒下匯總管；14-小筒進液管；15-小筒出液管； 16-進液匯總管；17-進液總管；18-金屬軟管；19-吊板；20-支撐；21-90度彎頭；22-翅片； 23-支管；24-連接板；25-吊掛螺栓；26-導熱帶；27-螺栓；28-限流環；29-角鋼夾條。
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明的一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵，如圖1所示，包括羽流吸附泵主 體100、電阻溫度傳感器200、液氮供應系統300、氣氮吹除系統400、氣氦吹除系統500、液氦 供應系統600與輔助排液管路700。如圖1與圖2所示，羽流吸附泵主體100是由大筒101、中筒102和小筒103三個 用液氦冷卻的同心圓筒形管板組成，成錐形排列，三個圓筒101、102、103的後端齊平，前端 等比例內縮，內縮長度取小筒103直徑的1/4。本發明實施例中三個圓筒101、102、103的 尺寸分別為 Φ 3200 X 3510 (單位是 mm)、Φ 2200 X 3005 (單位是 mm)、Φ 1200 X 2500 (單位 是mm)。三個圓筒101、102、103的進出液口位於同側，水平進，水平出，進液口在下，出液口 在上。三個圓筒101、102、103的進液口連通並都通過進液總管17與液氮供應系統300、氣 氮吹除系統400、氣氦吹除系統500、液氦供應系統600、輔助排液管路700連接。三個圓筒 101、102、103的出液口連通並各設有流量調節閥大筒控制閥104、中筒控制閥105和小筒 控制閥106，大筒101的流量調節靠大筒控制閥104來完成，中筒102的流量調節靠中筒控 制閥105來完成，小筒103的流量調節靠小筒控制閥106來完成，如果哪個筒降溫過快，可 調節其出口處控制閥104、105、106的開度，通過憋壓減少流經該筒的換熱介質，由於三個 筒的進口是連通的，被阻止的換熱介質自然流向其它筒，這就等效的增加了流經其它筒的 換熱介質，達到調節各筒溫度的目的。當先冷下來的一個圓筒開始噴液氦時，可關掉該圓筒 出液口管路上的控制閥，等待其它圓筒降溫至液氦溫區。三個圓筒101、102、103的出液口 分別通過管道連接大筒控制閥104、中筒控制閥105、小筒控制閥106連接到總放空閥107， 總放空閥107用於控制將流經羽流吸附泵的流體(液體、氣體或氣液兩相)排出羽流吸附 泵主體100。電阻溫度傳感器200設置在羽流吸附泵主體100的三個圓筒101、102、103的帶翅 片支管表面上，用於檢測溫度，本發明實施例中電阻溫度傳感器200均採用銠鐵電阻溫度 傳感器，測溫範圍1. 3K 300K。液氮供應系統300主要由液氮貯槽301及液氮供應閥302組成，用於向羽流吸附 泵主體100通液氮製冷介質。液氮貯槽301通過管道連接液氮供應閥302連接至羽流吸附 泵主體100的進液總管17以及輔助排液管路700。氣氮吹除系統400包括氣氮瓶401及氣氮吹除閥402，用於吹除羽流吸附泵主體 100中殘留的液氮，使羽流吸附泵主體100中剩餘液氮排出乾淨，待輔助排液管路700排出
7大部分液氮後啟動，這樣可以減小氣氮吹除時間及氣氮用量，防止羽流吸附泵溫升過高。氣 氮瓶401通過管道連接氣氮吹除閥402連接至羽流吸附泵主體100的進液總管17以及輔 助排液管路700。氣氦吹除系統500包括氣氦瓶501及氣氦吹除閥502，用於吹除羽流吸附泵主體 100中殘留的氣氮，使羽流吸附泵主體100中剩餘氣氮排出乾淨，待氣氮吹除系統400充分 吹除液氮後啟動，這樣可以減小氣氦吹除時間及氣氦用量，防止羽流吸附泵溫升過高。氣氦 瓶501通過管道連接氣氦吹除閥502連接至羽流吸附泵主體100的進液總管17以及輔助 排液管路700。液氦供應系統600包括液氦貯槽601及液氦供應閥602，專門用於單獨向羽流吸 附泵通液氦製冷介質。液氦貯槽601通過管道連接液氦供應閥602連接至羽流吸附泵主體 100的進液總管17以及輔助排液管路700。輔助排液管路700位於羽流吸附泵主體100進液總管17的入口處，位置低於進液 總管17，便於羽流吸附泵主體100中剩餘液氮的排出，輔助排液管路700的管直徑小於進液 總管17及帶翅片支管2、7、12直徑。輔助排液管路700上設置有低溫排液閥701，一端與 各供應系統300、400、500、600以及羽流吸附泵主體100的進液總管17相連，另一端通往大氣。所述的羽流吸附泵配有管路安全閥108，防止系統管路壓力過高。如圖1中所示， 在液氦供應系統600連接羽流吸附泵主體100的進液總管17以及輔助排液管路700的管 路上設置有管路安全閥108。所述羽流吸附泵中所有閥門均可手動調節，用於控制流量大 小。如圖1所示，大筒101由若干帶翅片支管2與上匯總管1、下匯總管3焊接而成，有 自己的進液管4與出液管5。大筒帶翅片支管2為圓弧彎管，上匯總管1、下匯總管3上對 應開有一排徑向孔，對應的徑向孔之間焊有左右兩個帶翅片支管2，對應兩個左右帶翅片支 管2形成一個圓形。大筒上匯總管1位於大筒101前端的一端通過堵頭堵住，另一端通過 一個金屬軟管18連接有大筒出液管5，大筒下匯總管3的兩端都通過堵頭堵住，大筒下匯總 管3上靠近大筒101前端的入口位置，如圖1中為左側入口位置，通過一個90度彎頭21連 接有大筒進液管4。大筒上、下匯總管1、3與進、出液管4、5均為直管。如圖1所示，中筒102由若干帶翅片支管7與中筒上下匯總管6、8焊接而成，有自 己的進液管9與出液管10。中筒帶翅片支管7也為圓弧彎管，上匯總管6與下匯總管8上 對應開有一排徑向孔，對應的徑向孔之間焊有左右兩個帶翅片支管7，對應兩個左右帶翅片 支管7形成一個圓形。中筒上匯總管6位於中筒102前端的一端通過堵頭堵住，另一端通 過一個金屬軟管18連接有中筒出液管10，中筒下匯總管8的兩端都通過堵頭堵住，中筒下 匯總管8在靠近中筒102前端的入口位置，如圖1中為左側入口位置，通過一個90度彎頭 21連接有中筒進液管9。中筒上、下匯總管6、8與進、出液管9、10都為直管。如圖1所示，小筒103由若干帶翅片支管12與上匯總管11、下匯總管13焊接而 成，有自己的進液管14和出液管15。小筒帶翅片支管12為圓弧彎管，上下匯總管11、13上 對應開有一排徑向孔，對應的徑向孔之間焊有左右兩個帶翅片支管12，對應兩個左右帶翅 片支管12形成一個圓形。小筒上匯總管11位於小筒103前端的一端通過堵頭堵住，另一 端通過一個金屬軟管18連接有小筒出液管15，小筒下匯總管13的兩端都通過堵頭堵住，小筒下匯總管13在靠近小筒103前端的入口位置，如圖1中為左側入口位置，通過一個90度 彎頭21連接有小筒進液管14。小筒上、下匯總管11、13與進、出液管14、15都為直管。如圖1與圖4所示，羽流吸附泵主體100的三個圓筒101、102、103的大筒出液管 5、中筒出液管10與小筒出液管15利用連接板24焊在一起，增加強度。如圖1所示，大筒進 液管4、中筒進液管9與小筒進液管14分別通過金屬軟管18連接至進液匯總管16。進液 匯總管16的上端通過堵頭堵住，進液匯總管16的上端離小筒進液管14的中心加長200mm， 即在液氦入口管路中形成了一個盲腸。進液匯總管16的下端通過90度彎頭21連接至進 液總管17。羽流吸附泵主體100的大筒上匯總管1、中筒上匯總管6、小筒上匯總管11、大筒 出液管5、中筒出液管10與小筒出液管15上焊接的金屬軟管18，用於補償羽流吸附泵主體 100因熱脹冷縮產生的軸向移動。金屬軟管18的管內直徑與其連接的上匯總管或出液管的 管內直徑基本相同。進液匯總管16的上端部分形成的盲腸，避免液氦流動短路。當液氦從進液匯總管 16最下面進入時，根據自然對流規律，冷氦氣或部分液氦會迅速向上，如果沒有盲腸，冷氦 氣會迅速進入小筒進液管14，從而在小筒進液管14處形成短路。由於有了 200mm長的一段 盲腸管，冷氦氣會首先進入盲腸，由於盲腸內溫度較高，盲腸內氦氣的壓力升高，這樣就可 阻止液氦或冷氦氣向上流動，而從阻力較小的大筒進液管4流入大筒101，待大筒101內液 氦液面上升到中筒進液管9高度時，液氦就會從大筒進液管4和中筒進液管9同時流入，待 大筒101和中筒102內液氦液面上升到小筒進液管14高度時，液氦就會從大筒進液管4、中 筒進液管9和小筒進液管14同時流入，這樣三個圓筒會比較平穩地同時降溫。但三個筒不 可能同時降到液氦溫度，在預冷過程中總會有一部分低溫氣氦從出液總管中排出，預冷速 度越快，這種情況越嚴重。為了節省液氦，首先應儘量降低預冷速度，使氣氦與管板能進行 充分的熱交換。大筒帶翅片支管2、中筒帶翅片支管7與小筒帶翅片支管12均由316不鏽鋼支 管23和T2紫銅翅片22焊接而成，如圖3所示。支管23間距200mm，支管23的管尺寸為 Φ 21x2. 2 (單位是mm)，翅片厚度1.5mm。三個圓筒的上、下匯總管1、3、6、8、11、13都採用 316不鏽鋼管材料，為保證流動順暢，減少氣堵，上匯總管1、6、11的直徑大於下匯總管3、8、 13的直徑，下匯總管3、8、13的直徑大於帶翅片支管2、7、12的管直徑。本發明實施例中下 匯總管3、8、13的尺寸為Φ45χ2. 5(單位是mm)，上匯總管1、6、11的尺寸為Φ 57x2. 5 (單位 是mm)。上述管尺寸的第一個數表示管直徑，第二個數表示管壁厚度，比如Φ21χ2. 2表示管 直徑21mm，管壁厚度2. 2mm。由於羽流吸附泵主體100的三個圓筒形管板101、102、103要求同時安裝、同時拆 出，故三個圓筒形管板101、102、103被做成一個整體。如圖1所示，小筒上匯總管11通過兩 個吊掛螺栓25吊掛在中筒上匯總管10上，兩個吊掛螺栓25位於小筒兩端，用於承受小筒 重量，兩個吊掛螺栓25和中筒上匯總管6的連接如圖5所示。為了在拆卸羽流泵時讓小筒 103更穩定，在小筒下匯總管13和中筒下匯總管8間還加有兩個支撐20，如圖6所示。當 小筒103內通液氦時，由於冷縮小筒103會離開這兩個支撐20，因此小筒下匯總管13與支 撐20間是不能焊接的。為防止小筒左右晃動，採用角鋼夾條29通過螺栓27將小筒帶翅片 支管12與中筒帶翅片支管7固定，角鋼夾條都位於在圓筒周向上半部分左右兩側與豎直中心線對稱的周線上。如圖10所示，在小筒103周向左上與右上兩側的帶翅片支管12上對 稱各取一處，兩側對應點與小筒103中心成60度銳角，中筒102周向左上與右上兩側的帶 翅片支管7上對稱位置各取一處，所取點在小筒103兩側所取點與中心所在的周線上，角鋼 夾條29所處的軸向位置可任意選取，長度可根據小筒103與中筒102間距確定。中筒102 與大筒101之間的固定形式與小筒103與中筒102之間的固定形式是一樣的。中筒上匯總 管6通過兩個吊掛螺栓25吊掛在大筒上匯總管1上，兩個吊掛螺栓25位於中筒102兩端， 中筒下匯總管8和大筒下匯總管間3均布有三個支撐20，中筒下匯總管8與支撐30間不 焊接，通過角鋼夾條29固定中筒帶翅片支管7與大筒帶翅片支管2，在大筒101周向左上 與右上兩側的帶翅片支管2上對稱各取一處，所取點在連接小筒103與中筒102的角鋼夾 條29所在的周線上，角鋼夾條29所處的軸向位置可任意選取，長度可根據中筒102與大筒 101間距確定。如圖1所示，在三個圓筒101、102、103的後端位置處，為了固定進液管，大筒下匯 總管3與大筒進液管4之間，中筒下匯總管8與中筒進液管9之間，小筒下匯總管13與小 筒進液管14之間均設置有吊板19。如圖7所示為設置在中筒下匯總管8與中筒進液管9 之間吊板19。為了儘可能避免液氦流動短路，在每個圓筒靠近下匯總管的帶翅片支管的翅片間 各加有導熱帶26，如圖7所示，在三個圓筒上共加有六條導熱帶，材料為軟編導線，導熱帶 26通過螺栓27與翅片22固定連接，螺栓27與螺栓孔之間墊有墊圈。通過調節流過三個圓筒的氣氦量，使流過三個圓筒的氣氦量與它們預冷所需冷量 成比例，也可以用來避免液氦流動短路。本發明實施例中，經計算大筒質量708kg，其中銅 487kg，不鏽鋼221kg ；中筒質量417kg，其中銅280kg，不鏽鋼137kg ；小筒質量209kg，其中 銅133kg，不鏽鋼76kg。當它們從90K冷到IOK所需冷量分別為大筒5677887焦(J)、中筒 3335954J、小筒1663149J，故三個筒的氣體流量之比應為1 0.587 0.293。在進液匯總 管16與連接小筒出液管15的金屬軟管18的連接處，以及進液匯總管16與連接中筒進液 管9的金屬軟管18的連接處設置限流環28，使流過三個圓筒的氣氦量與它們預冷所需冷量 成比例。本發明中大筒進液管4內徑為40mm，則中筒進液管9的內徑應為30. 65mm,小筒進 液管14的內徑應為21. 65mm。故在進液匯總管16與連接中筒進液管9的金屬軟管18的連 接處放一個內徑為30. 6mm的限流環28，如圖9中b所示。在進液匯總管16與連接小筒出 液管15的金屬軟管18的連接處放一個內徑為21. 6mm的限流環28，如圖9中a所示。應用上述一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵製冷的方法，如圖11所示，具體 為(1)打開液氮供應閥302，啟動液氮供應系統300向羽流吸附泵主體100通入液氮 製冷介質，通過電阻溫度傳感器200觀察羽流吸附泵主體的三個圓筒的溫度及降溫速率， 並通過大筒控制閥104、中筒控制閥105、小筒控制閥106來調節各筒溫度及降溫速率，當羽 流吸附泵主體100三個圓筒的主體溫度均達到77K左右時，關閉液氮供應閥302，停止液氮 供應；(2)打開低溫排液閥701，將羽流吸附泵主體100中的大量液氮通過輔助排液管路 700排出，通過觀察，待輔助排液管路700中無液氮流出時，關閉低溫排液閥701 ；(3)啟動氣氮吹除系統400，打開氣氮吹除閥402向羽流吸附泵主體100通入氣氮，通過電阻溫度傳感器200觀察羽流吸附泵主體100的三個圓筒的主體溫度，待羽流吸附 泵主體100的三個圓筒的主體溫度均升至80K以上時，說明羽流吸附泵主體100管路中液 氮蒸發完全，已無液氮殘留，此時關閉氣氮吹除閥402 ；(4)啟動氣氦吹除系統500，打開氣氦吹除閥502向羽流吸附泵主體100通入氣 氦，一般情況下，5 10分鐘後羽流吸附泵主體100中的氣氮即可被充分置換乾淨，待氣氮 被吹除乾淨後，關閉氣氦吹除閥502 ；(5)啟動液氦供應系統600，打開液氦供應閥602，向羽流吸附泵主體100通入液氦 製冷介質，通過電阻溫度傳感器200觀察羽流吸附泵三個圓筒的主體溫度及降溫速率，並 通過大筒控制閥104、中筒控制閥105、小筒控制閥106來調節各筒溫度及降溫速率，直至羽 流吸附泵三個圓筒的主體溫度均達到4. 2K。整個切換過程中，確保了羽流吸附泵的三個筒同時降溫，通入液氦製冷介質時，羽 流吸附泵主體管路中只有氦氣，沒有氮氣，通入液氦製冷介質不會產生任何故障。
權利要求
1.一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵，其特徵在於，所述的羽流吸附泵包括羽流吸 附泵主體、電阻溫度傳感器、液氮供應系統、氣氮吹除系統、氣氦吹除系統、液氦供應系統與 輔助排液管路；所述的羽流吸附泵主體由三個同心圓筒形管板所形成的圓筒組成，成錐形排列，三個 圓筒的後端齊平，前端等比例內縮，三個圓筒的進出液口位於同側，水平進，水平出，進液口 在下，出液口在上，進液口、出液口都分別連通，三個圓筒的進液口都連接到進液總管；電阻 溫度傳感器設置在羽流吸附泵主體的三個圓筒的帶翅片支管表面上，用於檢測溫度；液氮 供應系統、氣氮吹除系統、氣氦吹除系統以及液氦供應系統，都通過管路與羽流吸附泵主體 三個圓筒的進液總管以及輔助排液管路的一端連接，輔助排液管路的另一端通往大氣。
2.根據權利要求1所述的一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵，其特徵在於，所述的 三個圓筒為大筒、中筒和小筒，每個圓筒都包括上匯總管、下匯總管、進液管、出液管及帶翅 片支管；上匯總管、下匯總管、進液管和出液管均為直管，上匯總管的管直徑大於下匯總管 的管直徑，下匯總管的管直徑大於帶翅片支管的管直徑；上匯總管與下匯總管上對應開有 一排徑向孔，對應的徑向孔之間焊有左右兩個帶翅片支管，帶翅片支管為圓弧彎管，對應的 兩個左右帶翅片支管形成一個圓形，每個圓筒靠近下匯總管的帶翅片支管的翅片間加有導 熱帶；上匯總管位於圓筒前端的一端通過堵頭堵住，另一端通過金屬軟管連接有出液管，三 個圓筒的出液管通過連接板焊在一起；下匯總管的兩端都通過堵頭堵住，下匯總管靠近圓 筒前端入口位置連接有進液管，三個圓筒的進液管分別通過金屬軟管連接至進液匯總管， 進液匯總管的上端離小筒進液管的中心加長200mm並通過堵頭堵住，下端連接進液總管。
3.根據權利要求1或2所述的一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵，其特徵在於，所述 的三個圓筒，其出液口分別通過管道連接控制閥並連接到總放空閥，總放空閥用於控制將 流經羽流吸附泵的流體排出羽流吸附泵主體，通過調節控制閥的開度對對應的圓筒進行流 量調節。
4.根據權利要求1或2所述的一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵，其特徵在於，所述 的三個圓筒的前端等比例內縮的內縮長度取小筒直徑的1/4。
5.根據權利要求1或2所述的一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵，其特徵在於，所 述的帶翅片支管由316不鏽鋼支管和T2紫銅翅片焊接而成，316不鏽鋼支管的管間距為 200mm，管尺寸為Φ 21x2. 2mm，翅片厚度1. 5mm，三個圓筒的上匯總管和下匯總管都採用316 不鏽鋼管材料，下匯總管的管尺寸為Φ45χ2. 5mm，上匯總管的管尺寸為Φ57χ2. 5mm，導熱 帶材料為軟編導線。
6.根據權利要求2所述的一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵，其特徵在於，所述的 進液匯總管，與連接中筒與小筒進液管的金屬軟管的連接處設在有限流環，使實際流過三 個圓筒的氣氦量與三個圓筒預冷所需冷量成比例。
7.根據權利要求2所述的一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵，其特徵在於，所述三 個圓筒為一體化設置小筒上匯總管通過兩個吊掛螺栓吊掛在中筒上匯總管上，兩個吊掛 螺栓位於小筒兩端，小筒下匯總管和中筒下匯總管間加有兩個支撐，兩個支撐位於小筒兩 端，小筒下匯總管與支撐間不焊接；中筒上匯總管通過兩個吊掛螺栓吊掛在大筒上匯總管 上，兩個吊掛螺栓位於中筒兩端，中筒下匯總管和大筒下匯總管間均布有三個支撐，中筒下 匯總管與支撐間不焊接；在小筒帶翅片支管與中筒帶翅片支管之間、中筒帶翅片支管與大筒帶翅片支管之間分別通過兩條角鋼夾條固定，角鋼夾條位於在圓筒周向上半部分左右兩 側與豎直中心線對稱的周線上，兩條周線與圓筒中心成60度角，角鋼夾條所處的軸向位置 任意選取，長度根據相鄰兩個圓筒的間距確定。
8.根據權利要求1所述的一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵，其特徵在於，所述的 電阻溫度傳感器為銠鐵電阻溫度傳感器，測溫範圍1. 3K 300K。
9.根據權利要求1所述的一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵，其特徵在於，所述的 液氮供應系統包括液氮貯槽及液氮供應閥，液氮貯槽通過管路連接液氮供應閥連接至羽流 吸附泵主體的進液總管以及輔助排液管路；氣氮吹除系統包括氣氮瓶及氣氮吹除閥，氣氮瓶通過管路連接氣氮吹除閥連接至羽流 吸附泵主體的進液總管以及輔助排液管路，氣氮吹除系統在輔助排液管路排出大部分液氮 後啟動；氣氦吹除系統包括氣氦瓶及氣氦吹除閥，氣氦瓶通過管路連接氣氦吹除閥連接至羽流 吸附泵主體的進液總管以及輔助排液管路，氣氦吹除系統在氣氮吹除系統充分吹除液氮後 啟動；液氦供應系統包括液氦貯槽及液氦供應閥，液氦貯槽通過管路連接液氦供應閥連接至 羽流吸附泵主體的進液總管以及輔助排液管路；在液氦供應閥連接羽流吸附泵主體的進液 總管的管路上設置有安全閥；輔助排液管路位於羽流吸附泵主體的進液總管的入口處，位置低於進液總管，其管路 上設置有低溫排液閥，輔助排液管路的管直徑小於進液總管及三個圓筒的帶翅片支管的直 徑。
10.一種液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵的製冷方法，其特徵在於，該方法具體為(1)啟動液氮供應系統，打開液氮供應閥，向羽流吸附泵主體通入液氮製冷介質，通過 電阻溫度傳感器觀察羽流吸附泵主體的三個圓筒的溫度及降溫速率，並通過控制閥來調節 各筒溫度及降溫速率，當三個圓筒的主體溫度均達到77K時，關閉液氮供應閥；(2)打開低溫排液閥，將羽流吸附泵主體中的液氮通過輔助排液管路排出，通過觀察， 待輔助排液管路中無液氮流出時，關閉低溫排液閥；(3)啟動氣氮吹除系統，打開氣氮吹除閥向羽流吸附泵主體通入氣氮，通過電阻溫度傳 感器觀察三個圓筒的主體溫度，待三個圓筒的主體溫度均升至80K以上時，關閉氣氮吹除 閥；(4)啟動氣氦吹除系統，打開氣氦吹除閥向羽流吸附泵主體通入氣氦，5 10分鐘後， 關閉氣氦吹除閥；(5)啟動液氦供應系統，打開液氦供應閥，向羽流吸附泵主體通入液氦製冷介質，通過 電阻溫度傳感器觀察三個圓筒的主體溫度及降溫速率，並通過控制閥來調節各筒溫度及降 溫速率，直至三個圓筒的主體溫度均達到4. 2K。
全文摘要
本發明為液氮液氦雙介質兼容羽流吸附泵及其製冷方法，羽流吸附泵包括羽流吸附泵主體、電阻溫度傳感器、輔助排液管路以及液氮供應、氣氮吹除、氣氦吹除與液氦供應系統。羽流吸附泵主體由三個同心圓筒形管板組成，電阻溫度傳感器均布在三個同心圓筒形管板的表面；液氮供應、氣氮吹除、氣氦吹除與液氦供應系統都通過管路與羽流吸附泵主體的進液總管以及輔助排液管路連接。該裝置的使用方法是在工作過程中，為羽流吸附泵主體先通液氮製冷，然後通液氦製冷。本發明的可以兼容液氮和液氦兩種介質的換熱介質，避免了雙流道製造複雜，易造成超低溫冷漏的缺點，滿足發動機羽流試驗需求，降低試驗成本。
文檔編號F04B37/04GK102094786SQ20111003091
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月28日 優先權日2011年1月28日
發明者凌桂龍, 張國舟, 李曉娟, 王文龍, 蔡國飆, 黃本誠 申請人:北京航空航天大學