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一種用于真空環境中的模擬月壤加熱制冷系統設計.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510357564.5

申請日:

2015.06.25

公開號:

CN104990760A

公開日:

2015.10.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01N 1/08申請日:20150625|||公開
IPC分類號: G01N1/08; F25B29/00 主分類號: G01N1/08
申請人: 北京航空航天大學
發明人: 丁希侖; 劉舒婷; 張濤; 張武翔; 徐坤
地址: 100191北京市海淀區學院路37號
優先權:
專利代理機構: 北京永創新實專利事務所11121 代理人: 趙文穎
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510357564.5

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.07.20|||2015.11.18|||2015.10.21

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種用于真空環境中的模擬月壤加熱制冷系統設計,包括加熱裝置和制冷裝置,整個加熱裝置和制冷裝置的內冷卻循環部分置于真空容器內;加熱裝置位于月壤筒上部,包括燈罩安裝架、碘鎢燈罩、碘鎢燈、燈罩調節機構;制冷裝置包括月壤筒、冷卻盤管、盤管固定片、低溫止回閥、低溫截止閥、內部低溫軟管、低溫密封結構、外部低溫軟管、低溫制冷循環機;本發明可用于真空環境中,與真空系統有相匹配的密封接口,整個裝置對真空系統的真空度影響很小。

權利要求書

權利要求書
1.  一種用于真空環境中的模擬月壤加熱制冷系統,包括加熱裝置和制冷裝置,整個加熱裝置和制冷裝置的內冷卻循環部分置于真空容器內;
加熱裝置位于月壤筒上部,包括燈罩安裝架、碘鎢燈罩、碘鎢燈、燈罩調節機構;
燈罩安裝架固定在真空容器內壁上,用于固定碘鎢燈罩,碘鎢燈罩上設有鉆桿孔,側壁上設有與燈罩調節機構相連接的接口;碘鎢燈安裝在碘鎢燈罩殼內頂部,碘鎢燈燈管的數量和功率根據月壤導熱率和需要的溫度來確定;燈罩調節機構包括四個支腳,每個支腳包括球鉸、連桿b、連桿c、支座;連桿b與碘鎢燈罩之間通過球鉸連接,連桿b和連桿c之間、連桿c和支座之間通過螺栓及橡膠墊片連接;燈罩調節機構有三個自由度,沿Z軸上下運動,沿x、y軸轉動,當碘鎢燈照射角度和照射范圍確定后,擰緊螺栓,鎖定機構;
制冷裝置包括月壤筒、冷卻盤管、盤管固定片、低溫止回閥、低溫截止閥、內部低溫軟管、低溫密封結構、外部低溫軟管、低溫制冷循環機;
月壤筒外壁開有橫截面為半圓的螺旋槽;冷卻盤管采用紫銅管制成,冷卻盤管的出入口設置在月壤筒底部;冷卻盤管纏繞在月壤筒外壁的螺旋槽內,并用盤管固定片進行固定,冷卻盤管與月壤筒為面接觸,在冷卻盤管的入口安裝低溫止回閥,出口安裝低溫截止閥,低溫止回閥和低溫截止閥固定在月壤筒下端法蘭上;低溫止回閥與內部進水軟管連接,低溫截止閥與內部出水軟管連接;內部進水軟管通過金屬管連接外部進水軟管,內部出水軟管通過金屬管連接外部出水軟管,外部進水軟管、外部出水軟管另一端分別與低溫制冷循環機的冷卻液進、出口連接。

2.  根據權利要求1所述的一種用于真空環境中的模擬月壤加熱制冷系統,所述的金屬管與真空容器壁采用耐低溫聚氨酯密封件進行密封,并用密封堵頭將密封件壓緊實現低溫密封。

說明書

說明書一種用于真空環境中的模擬月壤加熱制冷系統設計
技術領域
本發明涉及一種用于真空環境中的模擬月壤加熱制冷系統設計,該系統模擬月球表面月壤的溫度環境,可用于研究月壤鉆取試驗的研究,屬于空間資源探測技術領域。
背景技術
探月工程(三期)項目的任務為發射無人月面著陸器,在月面進行鉆取和表面采樣工作,并將采集到的月壤樣品帶回地球。為了完成鉆取和采樣任務,需要設計鉆取機構,并進行一系列鉆取性質研究,為探月工程(三期)項目的任務提供相關知識儲備,以保證機構的安全可靠性。
月球白天受太陽直接照射,輻照度高達1358W/m2,極限溫度可達150℃;午夜幾乎不受太陽照射,輻照度降為0,極限溫度可達-180℃。月球表面較大的晝夜溫差造成白天月球表面溫度高,而300mm以下溫度則很低的溫度分布特點。
月壤的物理特性與鉆進過程中鉆具的熱特性密切相關,會影響鉆具的切削性能及采樣質量。而月壤的物理性質如熱導率、比熱容等都與溫度密切相關,月球表面特殊的溫度分布環境造成月壤的物理性質與在地面常溫環境時有較大差別。
因此,需要設計一種模擬月壤加熱制冷系統,使模擬月壤的溫度分布接近月球表面情況,在此模擬月壤中進行月面鉆進過程熱特性試驗研究,以獲得更接近事實的數據,識別苛刻工況中的風險,確定合理的鉆進策略和安全鉆進臨界條件。
發明內容
本發明的目的是為了解決上述問題,提出一種可用于真空環境中的模擬月壤加熱制冷系統。該系統可以實現模擬月壤表面室溫~+80℃高溫范圍調節,300mm以下-40℃~室溫低溫范圍調節。該系統包括加熱裝置和制冷裝置。
一種用于真空環境中的模擬月壤加熱制冷系統,包括加熱裝置和制冷裝置,整個加熱裝置和制冷裝置的內冷卻循環部分置于真空容器內;
加熱裝置位于月壤筒上部,包括燈罩安裝架、碘鎢燈罩、碘鎢燈、燈罩調節機構;
燈罩安裝架固定在真空容器內壁上,用于固定碘鎢燈罩,碘鎢燈罩上設有鉆桿孔,側壁上設有與燈罩調節機構相連接的接口;碘鎢燈安裝在碘鎢燈罩殼內頂部,碘鎢燈燈管的數量和功率根據月壤導熱率和需要的溫度來確定;燈罩調節機構包括四個支腳,每個支腳包括球鉸、連桿b、連桿c、支座;連桿b與碘鎢燈罩之間通過球鉸連接,連桿b和連桿c之間、連桿c和支座之間通過螺栓及橡膠墊片連接;燈罩調節機構有三個自由度,沿Z軸上下運動,沿x、y軸轉動,當碘鎢燈照射角度和照射范圍確定后,擰緊螺栓,鎖定機構;
制冷裝置包括月壤筒、冷卻盤管、盤管固定片、低溫止回閥、低溫截止閥、內部低溫軟管、低溫密封結構、外部低溫軟管、低溫制冷循環機;
月壤筒外壁開有橫截面為半圓的螺旋槽;冷卻盤管采用紫銅管制成,冷卻盤管的出入口設置在月壤筒底部;冷卻盤管纏繞在月壤筒外壁的螺旋槽內,并用盤管固定片進行固定,冷卻盤管與月壤筒為面接觸,在冷卻盤管的入口安裝低溫止回閥,出口安裝低溫截止閥,低溫止回閥和低溫截止閥固定在月壤筒下端法蘭上;低溫止回閥與內部進水軟管連接,低溫截止閥與內部出水軟管連接;內部進水軟管通過金屬管連接外部進水軟管,內部出水軟管通過金屬管連接外部出水軟管,外部進水軟管、外部出水軟管另一端分別與低溫制冷循環機的冷卻液進、出口連接。
本發明的優點在于:
(1)本發明可用于真空環境中,與真空系統有相匹配的密封接口,整個裝置對真空系統的真空度影響很小;
(2)本發明中在模擬月壤內設有溫度傳感器,通過閉環控制可以實現對模擬月壤溫度的精確調節;
(3)本發明中加熱裝置可以實現對加熱范圍和照射角度進行微小調節,確保不對月壤筒進行不必要的加熱;
(4)本發明中制冷裝置冷卻盤管與月壤筒為面接觸,有良好的制冷效果,縮短制冷時間;
附圖說明
圖1為本發明用于真空環境中的模擬月壤加熱制冷系統整體結構示意圖;
圖2為本發明中加熱裝置結構示意圖;
圖3為本發明中加熱裝置燈罩調節機構示意圖;
圖4為本發明中制冷裝置結構示意圖;
圖5為本發明中制冷裝置月壤筒結構示意圖;
圖6為本發明中制冷裝置冷卻盤管入口與出口端結構示意圖。
圖7為本發明中制冷裝置金屬管與真空容器間密封結構示意圖。
圖中:
1-加熱裝置                2-制冷裝置                3-真空容器
101-燈罩安裝架            102-碘鎢燈罩              103-碘鎢燈
104-燈罩調節機構          104a-球鉸                 104b-連桿1
104c-連桿2                104d-連桿支座
201-月壤筒                202-冷卻盤管              203-盤管固定片
204-低溫止回閥            205-低溫截止閥            206-內部低溫軟管
207-低溫密封結構          208-外部低溫軟管          209-低溫制冷循環機
206a-內部進水軟管         206b-內部出水軟管         206c-低溫軟管接頭
207a-金屬管               207b-聚氨酯密封圈         207c-密封堵頭
208a-外部進水軟管         208b-外部出水軟管
具體實施方式
下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種用于真空環境中的模擬月壤加熱制冷系統,如圖1所示,包括加熱裝置1和制冷裝置2,其中整個加熱裝置1和制冷裝置2的內冷卻循環部分置于真空容器3內。
如圖2所示,加熱裝置1位于月壤筒上部,包括燈罩安裝架101、碘鎢燈罩102、碘鎢燈103、燈罩調節機構104。
燈罩安裝架101通過螺釘固定在真空容器3內壁上,燈罩安裝架101僅由幾個細的桿件組成,流導很小,對真空泵的抽速幾乎沒有影響。碘鎢燈罩102形狀為錐形殼體,錐度很小,其大小根據月壤照射范圍來設計,燈罩上留有鉆桿孔,供鉆桿穿過,側壁上留有與燈罩調節機構104相連接的接口。碘鎢燈103安裝在碘鎢燈罩102殼內頂部,碘鎢燈103燈管的數量和功率根據月壤導熱率和需要加熱到的溫度來選擇,適當減小碘鎢燈103每根燈管的功率,增加其數量,實驗時可以根據實際加熱效果增加或者減少碘鎢燈103燈管數量,以達到預期 效果。
燈罩調節機構104是一個并聯機構,由四個支腳組成,如圖3所示,每個支腳包括球鉸104a、連桿104b、連桿104c、支座104d。
連桿104b與碘鎢燈罩102之間通過球鉸104a連接,連桿104b和連桿104c之間、連桿104c和支座104d之間通過螺栓及橡膠墊片連接。此并聯機構有三個自由度,可沿Z軸上下運動,沿x、y軸轉動,可以實現對照射角度和照射范圍進行微調,調節好燈罩角度和高度后,將螺栓擰緊,鎖定機構。
如圖4所示,制冷裝置2包括月壤筒201、冷卻盤管202、盤管固定片203、低溫止回閥204、低溫截止閥205、內部低溫軟管206、低溫密封結構207、外部低溫軟管208、低溫制冷循環機209。
月壤筒201結構如圖5所示,其外壁開有橫截面為半圓的螺旋槽。冷卻盤管202采用紫銅管制成,可承受-196℃的低溫,且易成型。為方便操作,將冷卻盤管202的出入口都設置在月壤筒201底部。在裝配過程中,直接將冷卻盤管202纏繞在月壤筒201外壁的螺旋槽內,并用盤管固定片203進行固定,必要時可在某些地方進行點焊加固,冷卻盤管202與月壤筒201為面接觸,增強了制冷效果。在冷卻盤管202的入口安裝低溫止回閥204,出口安裝低溫截止閥205,拆卸冷卻盤管202時可避免冷卻液灑在真空容器3內,并將低溫止回閥204和低溫截止閥205固定在月壤筒下端法蘭上。在低溫止回閥204、低溫截止閥205與真空容器3內壁之間連接有一段內部低溫軟管206,其中低溫止回閥204與內部進水軟管206a相連,低溫截止閥205與內部出水軟管206b相連,如圖6所示,這樣鉆桿在月壤某位置處進行下鉆后,左右轉動月壤筒(60度),即可改變鉆取位置,實現多次鉆取任務。在真空容器3的內部,由內部進水軟管206a、低溫止回閥204、冷卻盤管202、低溫截止閥205、內部出水軟管206b依次連接組成的回路為制冷裝置2的內冷卻循環部分。
如圖7所示,在靠近真空容器3內壁處低溫軟管206與金屬管207a通過低溫軟管接頭206c相連,金屬管207a穿出真空容器3后,另一端與外部低溫軟管208通過低溫軟管接頭206c相連。外部進水軟管208a、外部出水軟管208b的另一端分別與低溫制冷循環機209的冷卻液進、出口連接。低溫制冷循環機209內部冷卻液循環制冷,可以實現-50℃~250℃范圍的溫度調節。在真空容器3的外部,由外部進水軟管208a、低溫制冷循環機209、外 部出水軟管208b依次連接組成的回路為制冷裝置2的外冷卻循環部分。
金屬管207a與真空容器壁采用耐低溫聚氨酯密封件207b進行密封,并用密封堵頭207c將密封件壓緊實現低溫密封,此密封結構漏率極小,可以忽略對整個真空容器漏率的影響。
基于上述所描述的用于真空中的模擬月壤加熱制冷系統,具體操作方法為:
(1)將安裝有冷卻盤管的月壤筒置于真空容器底座內并進行固定;
(2)關閉低溫截止閥,將各部分管道依次相連;
(3)安裝真空容器中間段;
(4)安裝加熱裝置并固定;
(5)打開低溫截止閥,啟動低溫制冷循環機,開始制冷;
(6)打開碘鎢燈電源開關,調節碘鎢燈照射角度和照射范圍,調節好之后將鉸鏈處螺栓擰緊固定,開始加熱;
(7)根據溫度傳感器反饋的數據對制冷和加熱時間進行控制。
拆卸時具體操作方法為:
(1)關閉低溫制冷循環機,關閉碘鎢燈電源開關;
(2)拆除加熱裝置;
(3)移除真空容器中間段;
(4)關閉低溫截止閥,將低溫閥門與低溫軟管之間接口拆卸,拆卸后將軟管內殘留制冷液倒在真空容器外;
(5)拆卸月壤筒。

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一種 用于 真空 環境 中的 模擬 加熱 制冷系統 設計
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