CN210663454U - 地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，包括制冷剂循环部、风冷部和数据采集部，所述制冷剂循环部包括压缩机、冷凝器、毛细管和热沉，所述压缩机、所述冷凝器、所述毛细管和所述热沉依次流体导通连接构成制冷剂循环回路；所述压缩机和所述热沉分别与电源电连接；所述风冷部的出风方向朝向所述冷凝器；所述风冷部与电源电连接。本实用新型利用冷凝外管和冷凝内管之间的流体流动实现液态制冷剂表层流体和内部流体之间在微重力环境下的交互流动，从而使冷凝降温环节中的液态制冷剂整体温度的均匀性，进而有利于提高利用本实用新型测得的制冷剂在微重力环境下的相关参数的准确性。
Description
技术领域
本实用新型涉及制冷技术领域。具体地说是一种地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统。
背景技术
空间蒸汽压缩热泵系统为航天器内部乘员、生物样品、精密设备等提供合适的温度环境。空间蒸汽压缩热泵系统与常规空调或制冷系统基本相同，主要由四个基本部件组成，即压缩机、冷凝器(辐射器)、蒸发器和节流元件。它的工作原理是：从节流阀出来的热泵工质湿蒸汽和饱和液体在蒸发器内吸收来自卫星内部回路的热量后变成饱和或过热蒸汽，随后进入压缩机，经压缩做功后，变成高温高压过热蒸汽，再通过辐射冷凝器向空间排出热量，并冷凝成液体。流体经节流阀降压后，再次通过蒸发器吸收来自舱内的废热。
空间蒸汽压缩热泵系统应用前需在地面进行环境模拟试验，包括微重力模拟试验。在微重力环境下运行的蒸汽压缩热泵系统性能是否与地面模拟试验结果保持一致，是需要解决的关键技术问题。蹦极方法是自由落体的一种实现方式，虽然存在较大的残余应力和一些环境限制，但是通过反复的降落和弹起弥补了其他自由落体方法时间短的问题，进而获得较好的地面微重力模拟试验条件和结果。由于处于微重力环境下液态制冷剂流体中的表层流体和内部流体交互流动能力较差，在对高温高压的液态制冷剂进行冷凝降温的过程中，仅仅能依靠液态制冷剂之间的热传递将高温高压的液态制冷剂内部的热量向外扩散，以实现液态制冷剂的降温目的。而现有的冷凝器很难实现液态制冷剂表层流体和内部流体发生较大程度的交互流动，即便是采用翅片管作为散热管的冷凝器，这就使得利用现有地面蹦极微重力模拟实验用蒸汽压缩热泵系统对制冷剂的蒸发压力和冷凝压力等相关参数的测试会出现一定的偏差。
实用新型内容
为此，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，利用冷凝外管和冷凝内管之间的流体流动实现液态制冷剂表层流体和内部流体之间在微重力环境下的交互流动，从而使冷凝降温环节中的液态制冷剂整体温度的均匀性，进而有利于提高利用本实用新型测得的制冷剂在微重力环境下的相关参数的准确性。
为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：
地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，包括：
制冷剂循环部；所述制冷剂循环部包括压缩机、冷凝器、毛细管和热沉；所述冷凝器包括集液管、分液管和散热构件，所述散热构件包括冷凝外管、冷凝内管、冷凝支管和散热片，所述散热片一端固定在所述冷凝外管外壁上，所述冷凝外管套在所述冷凝内管上且所述冷凝外管与所述冷凝内管之间的间隙设有所述冷凝支管，所述冷凝支管一端与所述冷凝内管外壁固定连接且所述冷凝支管与所述冷凝内管流体导通连接；所述压缩机出液端与所述分液管进液端流体导通连接，所述分液管出液端与所述冷凝外管进液端流体导通连接，所述冷凝外管通过所述冷凝支管管壁上的导液孔和所述冷凝内管管壁上的流通孔与所述冷凝内管流体导通连接，所述冷凝内管出液端与所述集液管进液端流体导通连接，所述集液管出液端与所述毛细管进液端流体导通连接，所述毛细管出气端与所述热沉进气端流体导通连接，所述热沉出气端与所述压缩机进气端流体导通连接；所述压缩机和所述热沉分别与电源电连接；
风冷部；所述风冷部的出风方向朝向所述冷凝器；所述风冷部与电源电连接；
数据采集部；所述数据采集部包括温度传感器、压力传感器和数据采集仪，所述温度传感器的信号输出端和所述压力传感器的信号输出端分别与所述数据采集仪的信号输入端通信连接，所述数据采集仪、所述温度传感器和所述压力传感器分别与电源电连接；
所述压缩机出气口内壁上、所述冷凝器冷凝管路内壁上和所述热沉制冷剂流通路径内壁上各设有一个所述温度传感器；所述毛细管制冷剂进口和制冷剂出口各设有一个所述压力传感器。
上述地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，所述压缩机、所述冷凝器、所述毛细管和所述热沉分别固定在一个壳体内；所述电源和所述数据采集仪安装在所述壳体外壁上。
上述地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，所述壳体包括长方体形不锈钢框架和6块不锈钢板，所述不锈钢板安装在所述长方体形不锈钢框架上且构成一个封闭的壳体；所述冷凝器安装在位于所述长方体形不锈钢框架左表面的所述不锈钢板右侧板面上，所述热沉安装在位于所述长方体形不锈钢框架右表面的所述不锈钢板左侧板面上，所述压缩机和所述毛细管分别安装在位于所述长方体形不锈钢框架底面的所述不锈钢板的上板面上；所述电源和所述数据采集仪分别安装在位于所述长方体形不锈钢框架上表面的所述不锈钢板的上板面上。
上述地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，所述压缩机为ASPEN微型滚动转子压缩机。
上述地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，所述散热片上设有通风孔。
上述地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，所述冷凝支管与所述冷凝内管螺纹连接。
上述地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，所述毛细管内径D＝0.64mm，毛细管的长度Lcap＝2.75m。
上述地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，所述热沉的结构为冷板结构，所述热沉包括微槽基板和盖板，所述微槽基板上板面上设有宽度为2mm的流通槽，所述盖板套在所述微槽基板上且所述流通槽与所述盖板与所述流通槽围成Z字形通道；所述微槽基板下板面上设置有电加热膜，所述电加热膜所述电源电连接。
上述地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，所述盖板上设有供制冷剂进出的通流孔，所述通流孔内安装有导流管。
本实用新型的技术方案取得了如下有益的技术效果：
1.本实用新型主要针对航天空间热控制，但是该蒸汽压缩热泵系统兼具制冷性能和微重力试验数据。因此，不仅可以作为普通制冷空调系统应用于市场，也可以作为空间热控制的样机搭载上天，保证空间环境的舒适和电子器件的正常运行。
2.利用冷凝外管和冷凝内管之间的实现液态制冷剂在微重力环境下的表层流体与内部流体之间的交互流动，从而使得制冷剂不同温度流体之间的混合，不仅有利于高温高压液态制冷剂的冷凝降温，更有利于提高利用本实用新型测得的制冷剂在微重力环境下的相关参数的准确性。
附图说明
图1为本实用新型地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统的结构示意图；
图2为本实用新型地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统中的冷凝器的结构示意图；
图3为本实用新型地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统中的散热构件的结构示意图；
图4为本实用新型地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统中的冷凝内管的结构示意图；
图5为本实用新型地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统中的冷凝支管的结构示意图(适用于圆柱体形试件)；
图6为本实用新型透水地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统中的散热片的结构示意图；
图7为本实用新型地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统中的微槽基板的结构示意图；
图8为本实用新型地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统中的盖板的结构示意图。
图中附图标记表示为：1-壳体；2-数据采集仪；3-热沉，3-1-微槽基板，3-2-盖板，3-3-流通槽，3-4-导流管；4-毛细管；5-压缩机；6-风扇；7-冷凝器，7-1-分液管，7-2-集液管，7-3-散热构件，7-4-冷凝外管，7-5-冷凝支管，7-6-冷凝支管，7-7-散热片，7-8-螺孔，7-9-流通孔，7-10-导液孔，7-11-通风孔；8-电源。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，包括制冷剂循环部、风冷部和数据采集部，所述制冷剂循环部用以制冷剂的压缩、冷凝、节流和汽化四个过程，所述风冷部用以辅助制冷剂的冷凝降温，所述数据采集部用以采集制冷剂循环过程中制冷剂相关参数的采集。
其中，如图1～8所示，所述制冷剂循环部包括压缩机5、冷凝器7、毛细管4和热沉3，所述压缩机5、所述冷凝器7、所述毛细管4和所述热沉3依次用直径6mm的铜管连接，构成制冷剂循环回路；所述冷凝器7包括集液管7-2、分液管7-1和散热构件7-3，所述散热构件7-3包括冷凝外管7-4、冷凝内管7-5、冷凝支管7-6和散热片7-7，所述散热片7-7一端固定在所述冷凝外管7-4外壁上，所述冷凝外管7-4套在所述冷凝内管7-5上且所述冷凝外管7-4与所述冷凝内管7-5之间的间隙设有所述冷凝支管7-6，所述冷凝支管7-6一端与所述冷凝内管7-5外壁固定连接且所述冷凝支管7-6与所述冷凝内管7-5流体导通连接；所述压缩机5出液端与所述分液管7-1进液端流体导通连接，所述分液管7-1出液端与所述冷凝外管7-4进液端流体导通连接，所述冷凝外管7-4通过所述冷凝支管7-6管壁上的导液孔7-10和所述冷凝内管7-5管壁上的流通孔7-9与所述冷凝内管7-5流体导通连接，所述冷凝内管7-5出液端与所述集液管7-2进液端流体导通连接，所述集液管7-2出液端与所述毛细管4进液端流体导通连接，所述毛细管4出气端与所述热沉3进气端流体导通连接，所述热沉3出气端与所述压缩机5进气端流体导通连接；所述压缩机5和所述热沉3分别与电源8电连接；所述风冷部的出风方向朝向所述冷凝器7，所述风冷部为风扇6，所述风扇6与所述冷凝器7固定安装在一起，邻近所述冷凝器7的壳体上开设有排风孔，所述风扇6吹出的风经过所述冷凝器7后从排风孔排出到壳体外；所述风冷部与电源8电连接；所述数据采集部包括温度传感器、压力传感器和数据采集仪2，所述温度传感器的信号输出端和所述压力传感器的信号输出端分别与所述数据采集仪2的信号输入端通信连接，所述数据采集仪2、所述温度传感器和所述压力传感器分别与电源8电连接；所述压缩机5出气口内壁上、所述冷凝器7冷凝管路内壁上和所述热沉3制冷剂流通路径内壁上各设有一个所述温度传感器；所述毛细管4制冷剂进口和制冷剂出口各设有一个所述压力传感器。所述压缩机5为ASPEN微型滚动转子压缩机5，该压缩机5采用了全封闭式结构，压缩机5整体重量只有0.59kg，其体积也很小，直径约5.33cm，高7.44cm。且其具有体积小、重量轻、高功率、低能耗、工作安静无振动、可变频和易于精确控制等特点；所述毛细管4内径D＝0.64mm，毛细管4的长度Lcap＝2.75m；所述温度传感器使用T型和J型热电偶，测温范围为0-120℃，测量误差为±0.1℃；所述压力传感器高压量程为0-2.8MPa，低压量程为0-2MPa，测量精度均为0.25％；所述电源8为24V20A的锂电池。
本实施例中，所述压缩机5、所述冷凝器7、所述毛细管4和所述热沉3分别固定在一个壳体1内；所述电源8和所述数据采集仪2安装在所述壳体1外壁上。其中，所述壳体1包括长方体形不锈钢框架和6块不锈钢板，所述不锈钢板安装在所述长方体形不锈钢框架上且构成一个封闭的壳体1；所述冷凝器7安装在位于所述长方体形不锈钢框架左表面的所述不锈钢板右侧板面上，所述热沉3安装在位于所述长方体形不锈钢框架右表面的所述不锈钢板左侧板面上，所述压缩机5和所述毛细管4分别安装在位于所述长方体形不锈钢框架底面的所述不锈钢板的上板面上；所述电源8和所述数据采集仪2分别安装在位于所述长方体形不锈钢框架上表面的所述不锈钢板的上板面上。
为了提高所述冷凝器7的散热降温效果以及所述散热片7-7之间的空气流通能力，本实施例中，如图6所示，在所述散热片7-7上设有通风孔7-11。而且为了便于对所述冷凝支管7-6进行更换，本实施例中，将所述冷凝支管7-6与所述冷凝内管7-5螺纹连接，即将所述冷凝支管7-6的一端安装在所述冷凝内管7-5管壁上的螺孔7-8内。
本实施例中，所述热沉3的结构为冷板结构且所述热沉3采用铝合金加工而成，所述热沉3包括微槽基板3-1和盖板3-2，如图7和图8所示，所述微槽基板3-1上板面上设有宽度为2mm的流通槽3-3，所述盖板3-2套在所述微槽基板3-1上且所述流通槽3-3与所述盖板3-2与所述流通槽3-3围成Z字形通道；所述微槽基板3-1下板面上设置有电加热膜，所述电加热膜所述电源8电连接。所述盖板3-2上设有供制冷剂进出的通流孔，所述通流孔内安装有导流管3-4。所述微槽基板3-1为长方形，加工所述微槽基板3-1时，需要在基板基材上利用线切割方法加工出两个平行交错布置的直列矩形微槽通道阵列A和直列矩形微槽通道阵列B，在基板基材的一端直列矩形微槽通道阵列A相对直列矩形微槽通道阵列B突出，在基板基材的另一端直列矩形微槽通道阵列B相对直列矩形微槽通道阵列A突出；所述盖板3-2是通过铣床铣出一个凹形内腔，内腔的内部高度与所述流通槽3-3高度一致，然后在所述盖板3-2上的表面相应位置钻出制冷剂进出口孔洞。凹形内腔上盖板3-2的侧面被用来封闭各个直列矩形微槽通道阵列A和直列矩形微槽通道阵列B的端口，以形成闭合Z字形通道整体。其中，所述直列矩形微槽通道阵列A和所述直列矩形微槽通道阵列B均由所述流通槽3-3组成。
使用本实用新型对制冷剂在微重力环境中的蒸发压力、冷凝压力等参数进行测定时，具体操作步骤为：
Ⅰ：启动锂电池电源8，开启冷凝器7的风扇6，启动压缩机5，调节压缩机5到恒定转速，打开蒸发器的电加热开关。
Ⅱ：蒸发器温度降低，待系统运行平稳时，启动数据自动存储按钮，开始反复微重力超重试验。
Ⅲ：实验结束后，关闭自动存储按钮，保存数据，关闭压缩机5，关闭电源8，将系统中的制冷剂排出。
试验时，本实用新型利用蹦极设备进行自由落体运动，并且是在本实用新型稳定运行之后进行的试验。
当高温高压液态制冷剂流入所述冷凝外管7-4内后，通过所述冷凝外管7-4管壁进行热辐射散热，同时靠近所述冷凝内管7-5的制冷机的热量通过热传递的方式向所述冷凝外管7-4的方向传递，在所述冷凝外管7-4中冷却后的制冷剂经所述流通孔7-9、所述冷凝支管7-6和所述导液孔7-10流入所述冷凝内管7-5内并经所述冷凝内管7-5流入所述集液管7-2内。在制冷剂经由所述流通孔7-9、所述冷凝支管7-6和所述导液孔7-10流入所述冷凝内管7-5内时，位于所述冷凝外管7-4内的制冷剂在所述流通孔7-9、所述导液孔7-10和所述冷凝支管7-6中孔的约束作用下会使表层制冷剂与内部制冷剂进行混合，从而有利于制冷剂内部温度的均匀性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (9)
1.地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，其特征在于，包括：
制冷剂循环部；所述制冷剂循环部包括压缩机(5)、冷凝器(7)、毛细管(4)和热沉(3)；所述冷凝器(7)包括集液管(7-2)、分液管(7-1)和散热构件(7-3)，所述散热构件(7-3)包括冷凝外管(7-4)、冷凝内管(7-5)、冷凝支管(7-6)和散热片(7-7)，所述散热片(7-7)一端固定在所述冷凝外管(7-4)外壁上，所述冷凝外管(7-4)套在所述冷凝内管(7-5)上且所述冷凝外管(7-4)与所述冷凝内管(7-5)之间的间隙设有所述冷凝支管(7-6)，所述冷凝支管(7-6)一端与所述冷凝内管(7-5)外壁固定连接且所述冷凝支管(7-6)与所述冷凝内管(7-5)流体导通连接；所述压缩机(5)出液端与所述分液管(7-1)进液端流体导通连接，所述分液管(7-1)出液端与所述冷凝外管(7-4)进液端流体导通连接，所述冷凝外管(7-4)通过所述冷凝支管(7-6)管壁上的导液孔(7-10)和所述冷凝内管(7-5)管壁上的流通孔(7-9)与所述冷凝内管(7-5)流体导通连接，所述冷凝内管(7-5)出液端与所述集液管(7-2)进液端流体导通连接，所述集液管(7-2)出液端与所述毛细管(4)进液端流体导通连接，所述毛细管(4)出气端与所述热沉(3)进气端流体导通连接，所述热沉(3)出气端与所述压缩机(5)进气端流体导通连接；所述压缩机(5)和所述热沉(3)分别与电源(8)电连接；
风冷部；所述风冷部的出风方向朝向所述冷凝器(7)；所述风冷部与电源(8)电连接；
数据采集部；所述数据采集部包括温度传感器、压力传感器和数据采集仪(2)，所述温度传感器的信号输出端和所述压力传感器的信号输出端分别与所述数据采集仪(2)的信号输入端通信连接，所述数据采集仪(2)、所述温度传感器和所述压力传感器分别与电源(8)电连接；
所述压缩机(5)出气口内壁上、所述冷凝器(7)冷凝管路内壁上和所述热沉(3)制冷剂流通路径内壁上各设有一个所述温度传感器；所述毛细管(4)制冷剂进口和制冷剂出口各设有一个所述压力传感器。
2.根据权利要求1所述的地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，其特征在于，所述压缩机(5)、所述冷凝器(7)、所述毛细管(4)和所述热沉(3)分别固定在一个壳体(1)内；所述电源(8)和所述数据采集仪(2)安装在所述壳体(1)外壁上。
3.根据权利要求2所述的地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，其特征在于，所述壳体(1)包括长方体形不锈钢框架和6块不锈钢板，所述不锈钢板安装在所述长方体形不锈钢框架上且构成一个封闭的壳体(1)；所述冷凝器(7)安装在位于所述长方体形不锈钢框架左表面的所述不锈钢板右侧板面上，所述热沉(3)安装在位于所述长方体形不锈钢框架右表面的所述不锈钢板左侧板面上，所述压缩机(5)和所述毛细管(4)分别安装在位于所述长方体形不锈钢框架底面的所述不锈钢板的上板面上；所述电源(8)和所述数据采集仪(2)分别安装在位于所述长方体形不锈钢框架上表面的所述不锈钢板的上板面上。
4.根据权利要求3所述的地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，其特征在于，所述压缩机(5)为ASPEN微型滚动转子压缩机(5)。
5.根据权利要求1～4任一所述的地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，其特征在于，所述散热片(7-7)上设有通风孔(7-11)。
6.根据权利要求1～4任一所述的地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，其特征在于，所述冷凝支管(7-6)与所述冷凝内管(7-5)螺纹连接。
7.根据权利要求1～4任一所述的地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，其特征在于，所述毛细管(4)内径D＝0.64mm，毛细管(4)的长度Lcap＝2.75m。
8.根据权利要求1～4任一所述的地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统，其特征在于，所述热沉(3)的结构为冷板结构，所述热沉(3)包括微槽基板(3-1)和盖板(3-2)，所述微槽基板(3-1)上板面上设有宽度为2mm的流通槽(3-3)，所述盖板(3-2)套在所述微槽基板(3-1)上且所述流通槽(3-3)与所述盖板(3-2)与所述流通槽(3-3)围成Z字形通道；所述微槽基板(3-1)下板面上设置有电加热膜，所述电加热膜所述电源(8)电连接。
9.根据权利要求8所述的地面蹦极微重力模拟试验用蒸汽压缩热泵系统,其特征在于，所述盖板(3-2)上设有供制冷剂进出的通流孔，所述通流孔内安装有导流管(3-4)。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114148553A (zh) * | 2021-11-12 | 2022-03-08 | 中国运载火箭技术研究院 | 一种类失重流体分布形态构建系统及控制系统 |
| CN116129719A (zh) * | 2023-01-09 | 2023-05-16 | 中国科学院国家空间科学中心 | 利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的系统及方法 |
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2019
- 2019-10-28 CN CN201921825831.7U patent/CN210663454U/zh active Active
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| CN116129719B (zh) * | 2023-01-09 | 2024-01-26 | 中国科学院国家空间科学中心 | 利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的系统及方法 |
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