轻质低流阻低温蒸气冷却屏

摘要

轻质低流阻低温蒸气冷却屏，包括顶盖、直筒段、底座、第一蒸气入口管、第二蒸气入口管、蒸气出口管；所述的直筒段包括蒸气分流总管、一定数量的支管、一定数量的导热翅片和蒸气汇集总管；所述的管路、导热翅片以及顶盖和底座均采用薄壁铝制材料，既利用了铝较高的导热系数满足蒸气冷却屏自身高传热性能的要求，又充分降低了蒸气冷却屏结构质量；采用分流总管、若干并联支管、汇集总管的组合方式，在均匀分配冷量的同时充分降低了系统流动阻力。

说明书

技术领域

本发明涉及低温蒸气冷却屏，特别是一种轻质低流阻低温蒸气冷却屏，可应用于地面和航天低温推进剂贮箱绝热。

技术背景

随着航天技术的发展，特别是月球探测、火星探测的不断深入，航天器所使用的低温推进剂需要满足未来空间在轨阶段数月甚至长达数年的长时间贮存任务需求。由于低温推进剂的饱和温度极低且汽化潜热较小，贮存过程中易受热蒸发，难于长期贮存。因此如何降低推进剂的蒸发损失，延长推进剂贮存时间是当前国内外低温领域亟待解决的关键问题。

蒸气冷却屏通过利用蒸发后的低温推进剂蒸气冷量来为贮箱构造一个相对低温的环境边界，从而降低贮箱漏热以及推进剂蒸发损失，是一种高效的绝热结构。然而在低温推进剂贮箱上增设蒸气冷却屏会带来两方面问题：一是给航天器增加一定的结构质量，使得发射载荷有所增加；二是蒸气冷却屏位于低温贮箱排气管路下游，给原有管路系统带来了新的流动阻力，若阻力过大，将会影响低温贮箱泄压速度、推进剂的正常排放，严重时甚至可能造成安全性事故。因此，需要设计一种既能满足航天器轻量化要求，又不对流体管路造成过大影响的轻质低流阻低温蒸气冷却屏。

经过对现有技术进行检索发现，公开号为CN108590887A的专利“基于蒸汽冷却屏的低温推进系统”、公开号为CN106595759A的专利“一种低温推进剂贮存技术地面试验系统”以及公开号为CN111307485A的专利“一种基于蒸发量热器的蒸气冷却屏性能测试系统”公开了基于蒸气冷却屏的低温推进剂贮箱蒸发量控制方案，主要涉及蒸气冷却屏与低温贮箱之间连接方式、系统流程以及绝热性能测试方法等方面，对蒸气冷却屏的具体结构未曾涉及。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种轻质低流阻低温蒸气冷却屏，该低温蒸气冷却屏具有质量轻、流动阻力小的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种轻质低流阻低温蒸气冷却屏，其特点在于，包括顶盖、直筒段、底座、第一蒸气入口管、第二蒸气入口管和蒸气出口管；所述的直筒段包括蒸气分流总管、一定数量的支管、一定数量的导热翅片和蒸气汇集总管；各个支管之间采取相互并联的形式以降低管路流动阻力；每根支管左、右两侧均与导热翅片相连，支管与导热翅片依次连接从而组成圆筒形冷屏；蒸气分流总管和蒸气汇集总管为圆环形，分别设置于圆筒形冷屏的底端和顶端；蒸气分流总管沿圆周方向均匀开设与支管数量相等的蒸气分流口，蒸气汇集总管沿圆周方向均匀开设与支管数量相等的蒸气汇集口，支管的一端与蒸气分流口相连，另一端与蒸气汇集口相连；蒸气分流总管上开设有第一蒸气入口和第二蒸气入口，分别与第一蒸气入口管和第二蒸气入口管相连；蒸气汇集总管上开设有蒸气出口，与蒸气出口管相连；第一蒸气入口管、第二蒸气入口管和蒸气出口管位于蒸气冷却屏直筒段外侧，第一蒸气入口管和第二蒸气入口管与低温贮箱排气口相连，蒸气出口管与外部环境相通。

所述的蒸气分流总管和蒸气汇集总管采用壁厚小于等于1.5mm的薄壁铝管，支管采用壁厚小于等于0.8mm的薄壁铝管，从而降低蒸气管路的结构质量；为使蒸气流量在支管内尽可能均匀分配，蒸气分流总管上的第一蒸气入口、第二蒸气入口和蒸气汇集总管上蒸气出口三者在圆周方向上呈120°间隔布置；蒸气分流总管和蒸气汇集总管管径相同，为支管管径的2～8倍；

所述的导热翅片为壁厚小于等于1mm的圆弧形薄壁铝片，导热翅片与支管之间可以采用焊接的方式以实现良好的热接触；为避免铝焊接过程过程中支管或导热翅片上产生穿孔、热变形等问题，导热翅片与支管之间采用间断式点焊接，即通过一定数量的焊接点将导热翅片与支管相连；进一步地，导热翅片与支管之间也可以采用支管、翅片一体式挤压生长的方式先形成铝翅片管，再对相邻铝翅片管的翅片进行间断式点焊接；

所述的顶盖和底座采用壁厚小于等于1mm的薄壁铝片以降低结构质量，其物理形状可根据需要采用椭圆封头、阶梯型封头或圆形平面封头，为便于蒸气冷却屏的安装与拆卸，顶盖与底座上不设低温蒸气管路，利用铝的良好导热性从直筒段获得冷量；

所述的顶盖和底座与直筒段之间通过窄边法兰连接，为降低法兰面间的接触热阻，以便于直筒段冷量向顶盖及底座输送，在顶盖法兰、底座法兰与直筒段法兰的连接面之间填充有铟片；

所述的顶盖、直筒段、底座外表面进行抛光或镀覆处理；镀覆处理时的镀层采用金、银等具有高反射率的材料，从而降低蒸气冷却屏外侧(高温侧)的辐射漏热。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明轻质低流阻低温蒸气冷却屏的蒸气管路及冷屏均采用薄壁铝制材料，既利用了铝较高的导热系数满足蒸气冷却屏自身高传热性能的要求，又充分降低了蒸气冷却屏结构质量；

2、采用两根蒸气入口管，且两个蒸气入口与蒸气出口之间采用120°均分设置，保证了低温蒸气在支管内的均匀分配，避免了低温蒸气仅沿蒸气入口附近的支管流通所产生的整体温度不均匀性问题；

3、蒸气分流总管和蒸气汇集总管采用2～8倍支管管径，避免了总管侧由于流量较大而产生过大流动阻力。同时，各个支管之间采用并联形式，在传递蒸气冷量的同时，也充分降低了支管侧流动阻力；

4、顶盖、底座与直筒段之间采用窄边法兰连接，便于蒸气冷却屏的快速安装和拆卸。

附图说明

图1是本发明轻质低流阻低温蒸气冷却屏的实施例的结构示意图。

图2是本发明中采用焊接形式的单个支管和翅片的结构示意图。

图3是本发明中采用支管、翅片一体式挤压生长的两个翅片管连接方式示意图。

其中：1-顶盖，2-蒸气汇集总管，3-支管，4-导热翅片，5-直筒段，6-蒸气出口管，7-第一蒸气入口管，8-第二蒸气入口管，9-蒸气分流总管，10-底座；11-焊接点。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1是本发明轻质低流阻低温蒸气冷却屏的较佳实施例的结构示意图，由图可见，本发明轻质低流阻低温蒸气冷却屏，包括顶盖1、直筒段5、底座10、第一蒸气入口管7、第二蒸气入口管8、蒸气出口管6；本实施例中的直筒段包括蒸气分流总管9、二十一根支管3、二十片导热翅片4以及蒸气汇集总管2；各支管3之间采取相互并联的形式以降低支路流动阻力；每根支管3左、右两侧均与导热翅片4相连，支管3与导热翅片4依次连接从而构成圆筒形冷屏；蒸气分流总管9和蒸气汇集总管2为圆环形，分别位于圆筒形冷屏的底端和顶端；蒸气分流总管9沿圆周方向均匀开设二十一个蒸气分流口，蒸气汇集总管2沿圆周方向均匀开设二十一个蒸气汇集口，支管3一端与蒸气分流口相连，另一端与蒸气汇集口相连；蒸气分流总管9上开设有第一蒸气入口和第二蒸气入口，分别与第一蒸气入口管7和第二蒸气入口管8相连；蒸气汇集总管2上开设有蒸气出口，与蒸气出口管6相连；第一蒸气入口管7、第二蒸气入口管8、蒸气出口管6位于蒸气冷却屏直筒段5外侧，第一蒸气入口管7和第二蒸气入口管8与低温贮箱排气口相连，蒸气出口管6与外部环境相通。

蒸气分流总管9和蒸气汇集总管2采用直径20mm，壁厚1.5mm的薄壁铝管，支管3采用直径3mm，壁厚0.5mm的薄壁铝管，从而降低蒸气管路的总结构质量；为使蒸气流量在支管3内尽可能均匀分配，蒸气分流总管9上的第一蒸气入口、第二蒸气入口和蒸气汇集总管2上的蒸气出口三者在圆周方向上呈120°间隔布置；

导热翅片4为壁厚1mm的弧形薄壁铝片。当导热翅片4与支管3采用焊接方案时，单个支管和翅片的结构示意图如图2所示，导热翅片4与支管3之间采用间断式焊接点11焊接，本实施例中焊接点密度为1焊点/cm；当导热翅片4与支管3之间采用一体式挤压形成铝翅片管方案时，生成的两个相邻铝翅片管翅片4之间的连接方式示意图如图3所示，通过对相邻翅片与翅片之间进行间断式点焊接，从而最终形成圆筒型冷屏；

本实施例中，顶盖1为阶梯型封头；底座10为圆形平面封头；为便于蒸气冷却屏的安装与拆卸，顶盖1与底座10上不设低温蒸气管路。顶盖1和底座10的冷却是通过铝优异的传热性能将蒸气分流总管9和蒸气汇集总管2中的低温蒸气冷量导入而实现的；

顶盖1和底座10与直筒段5之间通过窄边法兰连接。法兰面之间填充有铟片用于降低接触热阻；

顶盖1、直筒段5、底座10外表面进行抛光处理以降低蒸气冷却屏外侧(高温侧)的辐射漏热。

针对上述实施例，具体的蒸气冷却屏工作过程如下：

从贮箱排出的低温蒸气被分为两路，一路进入第一蒸气入口管7，另一路进入第二蒸气入口管8；两路低温蒸气沿蒸气分流总管9进行分流后进入并冷却各个支管3，并最终在蒸气汇集总管2中汇集后沿蒸气出口管6排出。上述过程中，各个支管3在低温蒸气的冷却下开始降温并冷却左、右两侧的导热翅片4，从而形成低温的直筒段5。同时，蒸气分流总管9和蒸气汇集总管2内的低温蒸气也将冷量导入至顶盖1和底座10，最终在低温贮箱的外侧形成一全封闭的低温环境边界。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。