用於熱真空試驗的熱沉控溫系統及控溫方法
2023-05-08 14:36:46 1
專利名稱：用於熱真空試驗的熱沉控溫系統及控溫方法
技術領域：
本發明屬於空間環境模擬中的熱試驗技術領域，具體涉及ー種用於熱真空試驗的熱沉的溫度控制系統及控溫方法。
背景技術：
熱真空試驗是太空飛行器所特有的試驗，它是在規定的真空和熱循環條件下驗證太空飛行器部組件、分系統和整個太空飛行器滿足規定要求的能力，從而暴露太空飛行器在材料、エ藝和製造質量方面的潛在缺陷，評定工作性能，驗證飛行性能的試驗。在熱真空試驗中，需要將太空飛行器部組件溫度控制在規定的範圍，檢驗其工作性能。因此，熱真空試驗設備除需要提供真空冷黑環境之外，還要求對試驗件的溫度進行控制。 我國現有的熱真空試驗環境模擬設備中，多採用液氮製冷或機械製冷提供低溫環境，使用太陽模擬器、紅外加熱器、表面接觸式電加熱片等設備模擬衛星在軌所受到的外熱流和溫度變化，以實現對試驗件的溫度控制。外部調溫措施中，太陽模擬器可研究太陽輻射在太空飛行器上產生的光譜能量效應和熱效應，沒有引進近似和假設，模擬結果精度高、直觀、可靠，然而其運行費用高，技術難度大，而且還要建造複雜的運動模擬器。此外，熱真空試驗沒有對光譜的要求，因此較少使用太陽模擬器來模擬外部環境。紅外加熱器僅考慮熱效應，能全面模擬外熱流，其技術簡單、製作容易、成本低、操作維護方便和經濟性好，得到了廣泛的應用，目前我國進行這種試驗多數是在熱沉冷黑背景下，試驗件周圍設置紅外加熱裝置(紅外加熱籠和紅外燈陣)，用紅外加熱器的熱流達到調溫的目的。但是這種方法不但會増加液氮消耗量，還要消耗大量的電能；並且使用紅外加熱器對試件適應性差，需要根據不同的試件設計不同的紅外加熱器，特別對形狀複雜和尺寸較小試件，紅外加熱器設計會很困難。表面接觸式電加熱片是指在太空飛行器的外蒙皮上粘貼具有一定電阻值的薄膜電加熱片，在加熱片表面塗上輻射率與衛星表面相同的塗層。由於加熱片粘貼於衛星蒙皮上，改變了太空飛行器表面的真實狀態，從而改變了表面的熱物理性能，導致一定的試驗誤差。熱沉調溫方法是指通過向熱沉中通入溫度和流量可控的介質，將熱沉溫度控制在規定的溫度範圍內，從而利用熱沉溫度的改變來實現試驗件溫度的升高、降低以及試驗件的溫度控制。該方法在試驗中不需要電加熱裝置對試驗件進行加熱，具有經濟性好、對試驗件無遮擋、可加速降溫和使用方便等優點。
發明內容
為了解決上述問題，本發明提出了ー種用於熱真空試驗的熱沉的溫度控制系統及控溫方法。該控制系統通過利用導熱油對兩套熱沉進行溫度控制，提高了溫度控制的精確性。為了實現上述目的，本發明採用了如下的技術方案
用於熱真空試驗的熱沉的溫度控制系統，主要包括製冷系統、載冷劑冷卻器、載冷劑加熱與溫控系統、循環泵、載冷劑緩衝容器及熱沉系統，載冷劑加熱與溫控系統包括分別用於主熱沉加熱和溫度控制的載冷劑加熱與溫度控制器和用於輔熱沉加熱和溫度控制的載冷劑加熱和溫度控制器，製冷系統對載冷劑冷卻器中的載冷劑進行冷卻，載冷劑冷卻器中經過冷卻的載冷劑通過管道分別進入用於主熱沉的載冷劑加熱與溫度控制器以及用於輔熱沉的載冷劑加熱與溫度控制器，達到控制溫度的兩路載冷劑分別進入真空熱試驗容器中的主熱沉和輔熱沉以對它們進行冷卻，之後兩路載冷劑通過管路流回載冷劑冷卻器完成ー個閉式循環，在循環管路中設置有循環泵以提供載冷劑循環動力，在循環管路中設置有載冷劑緩衝容器以減緩由於溫度的變化帶來的循環管路內壓カ的變化。其中，製冷系統包括制冷機組以及進行冷卻的冷卻水。優選地，載冷劑加熱與溫控系統管路上設置有流量控制閥。優選地，用於主熱沉加熱和溫度控制的載冷劑加熱與溫度控制器和用於輔熱沉加 熱和溫度控制的載冷劑加熱和溫度控制器上設置有溫度計。其中，載冷劑為浴油。ー種利用上述溫度控制系統進行溫度控制的方法，包括主熱沉溫度控制方法和輔熱沉溫度控制方法，主要包括以下步驟I)設定待測試件的目標溫度、主熱沉和輔熱沉的初始目標溫度；2)調整載冷劑溫度和流量使主熱沉溫度和輔熱沉溫度達到初始目標溫度；3)判斷待測試件是否達到熱平衡狀態，如不滿足熱平衡條件，則進行適當時間延遲；4)判斷待測試件是否達到目標溫度，如達到目標溫度，則本次調溫結束；5)如果沒有達到目標溫度，則調整主熱沉和輔熱沉的目標溫度值，並重複步驟2) 4)，使待測試件溫度在熱平衡狀態下趨近並達到目標溫度。進ー步地，該方法還包括通過調整載冷劑的溫度和流量，以根據待測試件目標溫度的變化要求，重複步驟2) 5)，完成新的調溫過程。本發明的控溫系統是在熱沉中通入溫度和流量可調的導熱油，通過控制熱沉溫度來實現對試驗件溫度的控制技術。與現有的以紅外加熱設備來控制試驗件溫度的方法相比，本發明的調溫熱沉的控溫系統和方法具有如下特點a)利用調溫熱沉控溫技術，熱沉溫度定點可調，不需要紅外電加熱設備即可實現試驗件的溫度調節及控制，簡化了系統，提高了控溫精度；b)相對於紅外設備控溫技木，利用調溫熱沉控溫技木，對待測試驗件無遮擋，可加速試驗件降溫；c)熱沉調溫系統在一定溫區內替代了液氮，提高了系統的可靠性和自動化控制水平。
圖I是本發明的用於熱真空試驗的熱沉的溫度控制系統的結構示意圖。圖2為本發明的用於熱真空試驗的熱沉的溫度控制系統的控制說明圖。圖3是本發明的用於熱真空試驗的熱沉的溫度控制方法流程圖。
具體實施例方式以下介紹的是作為本發明所述內容的具體實施方式
，下面通過具體實施方式
對本發明的所述內容作進ー步的闡明。當然，描述下列具體實施方式
只為示例本發明的不同方面的內容，而不應理解為限制本發明範圍。如圖I所示，本發明的用於熱真空試驗的熱沉的溫度控制系統，主要包括製冷系統、載冷劑冷卻器、載冷劑加熱與溫控系統、循環泵、載冷劑緩衝容器及熱沉系統，載冷劑加熱與溫控系統包括分別用於主熱沉加熱和溫度控制的載冷劑加熱與溫度控制器和用於輔熱沉加熱和溫度控制的載冷劑加熱和溫度控制器，製冷系統對載冷劑冷卻器中的載冷劑進行冷卻，載冷劑冷卻器中經過冷卻的載冷劑通過管道分別進入用於主熱沉的載冷劑加熱與溫度控制器和用於輔熱沉的載冷劑加熱與溫度控制器，達到控制溫度的兩路載冷劑分別進入真空熱試驗容器中的主熱沉和輔熱沉以對它們進行冷卻，之後兩路載冷劑通過管路流回載冷劑冷卻器完成ー個閉式循環，在循環管路中設置有循環泵以提供載冷劑循環動力，在循環管路中設置有載冷劑緩衝容器以減緩由於溫度的變化帶來的循環管路內壓カ的變化。製冷系統包括制冷機組以及進行冷卻的冷卻水。
優選地，載冷劑加熱與溫控系統管路上設置有流量控制閥。優選地，用於主熱沉加熱和溫度控制的載冷劑加熱與溫度控制器和用於輔熱沉加熱和溫度控制的載冷劑加熱和溫度控制器上設置有溫度計。其中，本發明中使用的冷劑選用浴油，通過控制系統和內置循環泵，將滿足溫度要求的浴油通入熱沉管路中，實現對熱沉溫度的控制。主輔熱沉分別設置兩路溫度控制系統，使主輻熱沉的溫度可單獨控制在不同的溫度。本發明的系統能夠在_70°C到+150°C的溫度範圍迅速地加熱和製冷，對於放熱和吸熱反應都可以快速控制。加熱製冷系統採用水冷型的壓縮機製冷，通過高效換熱器，提供系統所需的加熱和製冷功率。通過智能多級溫度控制達到高精度的溫度控制效果。此外，該系統採用內部封閉循環通路，減少了浴油的氧化從而延長了浴油的使用壽命，防止了浴油蒸汽的洩露。熱沉控溫系統是ー個閉環反饋控制系統，其目的是使試驗件溫度精確維持在目標溫度エ況下，控溫的反饋點為試驗件的溫度，在一個採樣周期內，溫度傳感器將檢測到的試驗件溫度經模擬量輸入，由計算機讀取。計算機將讀取的試驗件實時溫度數值PV與目標溫度值SP進行比較，得到偏差e = SP-Pvo根據偏差的大小和溫度控制策略進行計算，得到控制輸出。通過控制電加熱器加熱載冷劑到設定溫度，使得熱沉達到輻射試驗件所需的溫度，從而實現對試驗件溫度的控制，如圖2所示。圖3是本發明的用於熱真空試驗的熱沉的溫度控制方法流程圖。本發明的用於熱真空試驗的熱沉的溫度控制算法，主要包括I)輸入目標參數和初始參數，包括待測試件目標溫度、主熱沉初始溫度等；2)調整載冷劑溫度和流量使主熱沉溫度達到初始目標值；3)判斷待測試件是否達到熱平衡狀態，如不滿足熱平衡條件，則進行適當時間延遲；4)判斷待測試件是否達到目標溫度值，如達到目標溫度，則本次調溫結束；
5)調整主熱沉目標溫度值，並重複步驟2)-4)，使待測試件溫度在熱平衡狀態下趨近並達到目標溫度值。此外，還進一歩包括通過調整載冷劑溫度和流量，以根據待測試件目標溫度的變化要求，重複步驟2) -5)，完成新的調溫過程。同時，在控制方法中，也並行包括輔熱沉的溫度控制過程，其中I)輸入目標參數和初始參數,包括待測試件目標溫度、輔熱沉初始溫度等；2)調整載冷劑溫度和流量使輔熱沉溫度達到初始目標值；3)判斷待測試件是否達到熱平衡狀態，如不滿足熱平衡條件，則進行適當時間延遲；4)判斷待測試件是否達到目標溫度值，如達到目標溫度，則本次調溫結束； 5)如果沒有達到目標溫度，就調整輔熱沉目標溫度值，並重複步驟2) -4)，使待測試件溫度在熱平衡狀態下趨近並達到目標溫度值。此外，還進一歩包括通過調整載冷劑溫度和流量，以根據待測試件目標溫度的變化要求，重複步驟2)-5)，完成新的調溫過程。溫度控制策略是根據系統的傳熱學模型建立的，在調溫熱沉的控溫過程中，載冷劑先通過溫度、流量的變化來控制熱沉溫度，熱沉再通過輻射或熱傳導來控制試驗件溫度，達到試驗要求的目標值。所以，在調溫熱沉控溫技術中，包含熱沉與載冷劑對流換熱模型及溫度控制、熱沉與試驗件換輻射熱模型及溫度控制、試驗件本身的導熱換熱模型及溫度控制，並將以上模型通過控制算法關聯在一起，實現熱沉調溫的試驗目標，溫度控溫策略的具體實施如圖3所示。儘管上文對本發明的具體實施方式
給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是，本領域的技術人員可以依據本發明的精神對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產生的功能作用在未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本發明保護範圍之內。
權利要求
1.用於熱真空試驗的熱沉的溫度控制系統，主要包括製冷系統、載冷劑冷卻器、載冷劑加熱與溫控系統、循環泵、載冷劑緩衝容器及熱沉系統，載冷劑加熱與溫控系統包括分別用於主熱沉加熱和溫度控制的載冷劑加熱與溫度控制器和用於輔熱沉加熱和溫度控制的載冷劑加熱和溫度控制器，製冷系統對載冷劑冷卻器中的載冷劑進行冷卻，載冷劑冷卻器中經過冷卻的載冷劑通過管道分別進入用於主熱沉的載冷劑加熱與溫度控制器以及用於輔熱沉的載冷劑加熱器與溫度控制器，達到控制溫度的兩路載冷劑分別進入真空熱試驗容器中的主熱沉和輔熱沉以對它們進行冷卻，之後兩路載冷劑通過管路流回載冷劑冷卻器完成一個閉式循環，在循環管路中設置有循環泵以提供載冷劑循環動力，在循環管路中設置有載冷劑緩衝容器以減緩由於溫度的變化帶來的循環管路內壓力的變化。
2.如權利要求I所述的溫度控制系統，其中，製冷系統包括制冷機組以及進行冷卻的冷卻水。
3.如權利要求I所述的溫度控制系統，其中，載冷劑加熱與溫控系統管路上設置有流量控制閥。
4.如權利要求1-3任一項所述的溫度控制系統，其中，用於主熱沉加熱和溫度控制的載冷劑加熱與溫度控制器和用於輔熱沉加熱和溫度控制的載冷劑加熱和溫度控制器上設置有溫度計。
5.如權利要求1-3任一項所述的溫度控制系統，其中，載冷劑為浴油。
6.一種利用上述溫度控制系統進行溫度控制的方法，包括主熱沉溫度控制方法和輔熱沉溫度控制方法，主要包括以下步驟 1)設定待測試件的目標溫度、主熱沉和輔熱沉的初始目標溫度； 2)調整載冷劑溫度和流量使主熱沉溫度和輔熱沉溫度達到初始目標溫度； 3)判斷待測試件是否達到熱平衡狀態，如不滿足熱平衡條件，則進行適當時間延遲； 4)判斷待測試件是否達到目標溫度，如達到目標溫度，則本次調溫結束； 5)如果沒有達到目標溫度，則調整主熱沉和輔熱沉的目標溫度值，並重複步驟2) 4)，使待測試件溫度在熱平衡狀態下趨近並達到目標溫度。
7.如權利要求6所述的方法，還包括通過調整載冷劑的溫度和流量，以根據待測試件目標溫度的變化要求，重複步驟2)-5)，完成新的調溫過程。
全文摘要
本發明公開了一種用於熱真空試驗的熱沉的溫度控制系統，主要包括製冷系統、載冷劑冷卻器、載冷劑加熱與溫控系統、循環泵、載冷劑緩衝容器及熱沉系統，載冷劑加熱與溫控系統包括分別用於主熱沉加熱和溫度控制的載冷劑加熱器與溫度控制器和用於輔熱沉加熱和溫度控制的載冷劑加熱器和溫度控制器，以通過它們對進入到熱沉中的載冷劑溫度進行控制。本發明也公開了溫度控制方法。與現有技術相比，本發明能夠對熱沉溫度進行定點調節，不需要紅外電加熱設備即可實現試驗件的溫度調節及控制，簡化了系統，提高了控溫精度。
文檔編號G05D23/19GK102768548SQ201210258639
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月25日 優先權日2012年7月25日
發明者丁文靜, 付春雨, 何超, 劉敏, 劉波濤, 劉然, 張磊, 李昂, 李高, 童華 申請人:北京衛星環境工程研究所