热真空试验设备复叠制冷系统

第24卷第1期航天器环境工程2007年2月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING51热真空试验设备复叠制冷系统李高,刘波涛,刘敏（北京卫星环境工程研究所，北京100094）摘要：卫星部组件热真空试验设备制冷系统提供试验设备的冷黑环境。文章介绍了复叠制冷系统的工艺流程和系统组成，说明了制冷系统的性能特点。为了满足试验设备的长寿命性能，对复叠制冷系统进行了可靠性设计。复叠制冷系统可以应用于卫星部组件热真空试验设备、高低温试验箱以及医用低温箱等。关键词：复叠制冷系统；热真空试验设备；温度控制中图分类号：TB661；O514.1文献标识码：B文章编号：1673-1379（2007）01-0051-031前言卫星部组件热真空试验设备主要用于卫星单机组件的低气压放电试验和热真空试验。制冷系统提供热真空试验设备的冷黑环境，同时提高高、低温试验所需的容器真空度要求。根据卫星部组件热真空试验的要求，制冷系统需提供-50～-80℃的低温。对于这个温度范围的制冷，目前国内工程上比较成熟的方法主要是氟利昂相变制冷。其中，复叠式制冷系统和双级压缩制冷系统相比较，复叠制冷系统虽然系统较复杂，调节温度范围较小，还存在蒸发冷凝器的传热温差，但其每台压缩机工作压力范围适中，使得低温压缩机的输气量减少，输气系数和指示功率都有所提高，特别是摩擦功率大大减少，使复叠式制冷系统实际循环的制冷系数比双级压缩制冷系统还要高，而且复叠式制冷系统内保持正压，空气不会漏入，运行稳定性较好。在国外，当蒸发温度低于-40℃时，很多已用复叠式制冷系统。2主要技术参数(1)容器直径1m，热沉100kg；(2)热沉昀低温度-80℃；(3)热沉从常温降到-80℃的平均降温速率2℃/min；(4)温度控制精度±2℃（稳定后，空载，真空）；（5）每台压缩机功率3kW。3系统工艺流程复叠制冷系统主要由制冷压缩机、油分离器、冷凝器、干燥过滤器、热力膨胀阀、电磁阀、蒸发冷凝器、膨胀容器、热沉以及工作阀门等组成。其工艺流程如图1所示。1.高温级压缩机；2.高温级油分离器；3.水冷冷凝器；4.高温级干燥过滤器；5.高温级热力膨胀阀；6.蒸发冷凝器；7.高温气液油分离器；8.低温级压缩机；9.低温级油分离器；10.低温级干燥过滤器；11.低温级热力膨胀阀；12.热沉；13.膨胀容器图1复叠制冷系统Fig.1Cascaderefrigerationsystem复叠制冷系统是在两种制冷剂的高低温两个系统之间用热交换器（蒸发冷凝器）把它们组合在一起的低温制冷系统，常用的低温制冷剂有R23，高温制冷剂有R502。压缩机将高温级R502制冷剂蒸汽压缩成高压气体后，经油分离器将所挟带的油分离出来，然后进入水冷冷凝器，在其中被冷凝为R502液体。在冷凝器中放出的热量不断被冷却水带走。液态R502自冷凝器出来后，————————————收稿日期：2006-06-27；修回日期：2007-01-23作者简介：李高(1969-),男，工程师,主要从事空间环境模拟设备研制工作。联系电话：[phone]。52航天器环境工程2007年第24卷经过干燥过滤器、电磁阀和热力膨胀阀，节流后的低压R502液体被送往蒸发冷凝器。在蒸发冷凝器中，R502液体吸收了来自低温部分压缩机排出的R23蒸汽的热量而气化，气化后的R502再被压缩机吸入，在压缩机中压缩，如此不断循环进行工作。低温级R23制冷剂在蒸发器（热沉）内吸收了试件对热沉的辐射热而气化，气化后的R23蒸汽被压缩机吸入，经压缩机压缩后，在油分离器中将润滑油从R23蒸汽中分离出来。分离后的R23蒸汽进入蒸发冷凝器，由R502液体的气化吸热而使R23的蒸汽冷凝成液体。R23液体再通过干燥过滤器、电磁阀和热力膨胀阀节流降压，而后进入蒸发器（热沉）吸收热量而气化，如此不断循环，以达到制冷的目的[1]。4系统特点在蒸发温度低于-80℃的氟利昂复叠制冷系统中，低温部分的压缩机回油将难以进行，因为此时油的粘度将大大增加，以致丧失流动度。因此，低温部分应采用凝固点高的润滑油，如真空润滑油，在油、氟利昂混合物进入蒸发冷凝器前通过油分离冷凝器将油冷凝，从循环的氟利昂中分离出来，并重新加热后流回压缩机中。制冷系统需进行干燥处理，并注意抽真空和密封，必须严格掌握制冷剂的含水量标准，因为空气及进入系统的水分会给系统带来下列影响：(1)由于节流降温，使水分在节流处产生“冰塞”，而使系统循环停顿，影响正常工作；(2)在高温处水分会使氟利昂产生分解，腐蚀系统金属或电动机绕组，产生镀铜现象，分解产生的不凝性气体和空气会增加压缩机的功耗并减少制冷量；(3)水分还会加速润滑油的老化，给压缩机运转带来障碍。所以，氟利昂制冷系统一定要注意密封，以便防止制冷剂的泄漏和空气因系统内部压力低于大气压力时进入系统。在氟利昂液体管道上还安装了干燥器。高温级冷凝器冷却水管道中安装冷凝压力调节阀，防止机组冷却水温变化影响压缩机的运行。复叠制冷系统采用韩国LG可编程控制器，PMU330BT蓝白色触摸屏全自动控制。通过触摸屏能够控制系统的开机、停机、热沉温度、报警参数。当有更高要求的控制精度时，可以设定补充温度参数。触摸屏可以显示开机的设定温度、启机温度、当前温度、高温级压缩机工作指示、低温级压缩机工作指示、低温级高压卸载指示、低温级压缩机喷液指示及报警参数状态等。制冷系统温度采集采用LG专用四点输入模块，把热沉的温度信号通过温度变送器转换成4～20mA的直流信号送至K7M-DR30U主机来实现温度的采集、显示和控制。系统控制设有两地控制功能，可以实现远程开停控制，通过总控的信号或人为设定的方式和温度值自动控制压缩机组的运行。5系统可靠性设计(1)考虑制冷系统以后的扩容（做高温工况时制冷系统停机），复叠制冷系统在试件做完高温工况后能正常进入低温工况，制冷系统中引入了高压卸载功能，当系统压力高于0.8MPa时，打开电磁阀，低温制冷剂R23进入膨胀容器。并且在蒸发器（热沉）出口安装了安全阀，确保试件的安全。(2)采用自动喷液冷却，保证制冷系统能够从100℃的高温下启动复叠制冷系统。(3)制冷系统设计相应的保护措施有：蒸发压力报警、电源缺相、电机过载热、制冷工作压力过高或过低保护、运行中的延时过程、动力电源异常断相保护等。制冷系统所有的报警参数均由PLC控制，并有一单独画面显示所有报警参数，一旦设备出现报警故障，触摸屏会自动转到报警画面，并显示故障部位。如果同一故障连续出现3次，PLC会自动停机，提示设备可能故障严重需做全面的检查。6结束语复叠制冷系统已经成功应用在卫星部组件热真空试验设备上，具有以下优点：(1)系统降温速率快；(2)系统运行可靠；第1期李高等：热真空试验设备复叠制冷系统53(3)系统运行噪声小，外形美观；(4)系统自动化程度高。同时，在系统运行过程中，也发现有如下不足之处：(1)为了维修而在系统中增加的截止阀出现常温不泄漏而低温泄漏氟利昂，因此，对低温阀门需进行低温检漏。(2)由于部组件试验设备需进行高、低温工况试验，复叠制冷系统热负荷变化很大，使得在低温工况制冷系统热沉温度到达-85℃，系统长期低温运行影响系统的长寿命性能，应该在复叠制冷系统采用旁通卸载方法调节制冷量，同时实现制冷系统的精确控温，也可以防止压缩机的频繁启停。复叠制冷系统可以为科学研究和分析测试实现温度控制或环境模拟提供条件，广泛应用于制药、化工、电子、国防军工和航空航天等领域。主要应用包括国防军工、航空航天、岩土工程、药品和农业等与气象有关的领域。参考文献(References)[1]陈沛霖,岳孝芳.空调与制冷技术手册[M].上海:同济大学出版社,1990[ChenPeilin,YueXiaofang.Manualofairconditioningandrefrigerationtechnology[M].Shanghai:TongjiUniversityPress,1990]CascadeRefrigerationSystemintheThermalVacuumTestFacilityLIGao，LIUBotao,LIUMin(BeijingInstituteofSpacecraftEnvironmentEngineering,Beijing100094,China)Abstract:Lowtemperatureenvironmentissimulatedbyusingacascaderefrigerationsysteminthethermalvacuumtestfacilityofspacecraftsubassembly.Theflowchartandthecharacteristicsofthecascaderefrigerationsystemaregiveninthispaper.Designforacascaderefrigerationsystemisoptimizedwithrespecttothelifeandreliabilityofthetestfacility.Thecascaderefrigerationsystemcanbeappliedtothethermalvacuumtestfacilityofspacecraftsubassembly,ordinarypressurehighandlowtemperaturetestcontainer,lowtemperatureboxformedicine,andsoon.Keywords:cascaderefrigerationsystem;thermalvacuumtestfacility;temperaturecontrol～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～第十一届环太平洋地区国际空间会议（11thISCOPS）征文通知中国宇航学会、美国宇航学会和日本火箭学会将于2007年5月16日至18日在中国北京联合召开第十一届“环太平洋地区国际空间会议”，本届会议的主题是“21世纪的空间探索”。会议研讨议题（MainSessions）：A.国际与国家空间计划B.国际学生会议与竞赛（研究生水平）C.技术分组（TechnicalSession）C1.航天动力学、导航与控制（包括空间机器人与地面操作系统）C2.卫星通信、广播、遥测、遥控与跟踪C3.卫星遥感、气象、小卫星系统/星座，等C4.载人航天、空间站和太平洋空间港（包括月球研究与探索）C5.材料与结构C6.空间运输与推进C7.微重力科学和生命科学（包括空间碎片和环境）如有其他问题可登陆，可查询征文相关信息。