專利名稱：一種冷屏過熱蒸汽二次擴(kuò)壓分流機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種空間冷屏蔽相變制冷系統(tǒng)中的過熱蒸汽二次擴(kuò)壓分流 機(jī)構(gòu)，屬于制冷領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于飛行器在起動及穩(wěn)定飛行過程中具有復(fù)雜的氣動傳熱工況，所以冷屏
不斷產(chǎn)生大量的飽和蒸汽及過熱蒸汽，含濕蒸汽及過熱蒸汽在變壓變溫過程中 不段向外排放同時造成空間飛行擾動問題，擾動會改變飛行器飛行軌跡。本實(shí) 用新型主要針對空間氣體排放造成的擾動問題，分析不同排放方式對飛行器運(yùn) 動的擾動影響，研究減少擾動影響的排放控制結(jié)構(gòu)，包括蒸汽排放的位置、方 向、排放口徑及最佳排放結(jié)構(gòu)等問題，最終解決空間用冷屏蔽系統(tǒng)的工程化應(yīng) 用問題。二次擴(kuò)壓分流技術(shù)有利于節(jié)流后冷蒸汽均勻分配各分支管路，保證出
口氣流均勾、穩(wěn)定、垂直排出，從而不影響彈道軌跡；二次擴(kuò)壓對于加注或起 動過程中過量制冷劑的進(jìn)一步氣化膨脹制冷、進(jìn)一步微擴(kuò)壓并保持整體結(jié)構(gòu)穩(wěn) 定性、全局壓力合理分布同樣具有重要作用。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型根據(jù)開式空間相變制冷過程中冷蒸汽排放的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)二 次擴(kuò)壓分流裝置，用于解決變壓、變溫、變流量的空間動態(tài)制冷過程中的低溫 流體流動排放所帶來的技術(shù)難題，提高空間相變制冷效率，實(shí)現(xiàn)空間制冷的相 對穩(wěn)定，從而減小對飛行器彈道的影響。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案
微重力高真空環(huán)境下空間冷屏蔽系統(tǒng)過熱蒸汽二次擴(kuò)壓分流技術(shù)解決方 案，其特征在于空間冷屏蔽系統(tǒng)由二次擴(kuò)壓分流系統(tǒng)及其附件等構(gòu)成，其中
二次擴(kuò)壓分流系統(tǒng)由二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路(2)、 二次擴(kuò)壓器(6)、擴(kuò)壓器內(nèi)毛細(xì) 多孔介質(zhì)(10)、 二次擴(kuò)壓排氣格柵8、 二次擴(kuò)壓排氣管路(5)組成，與其相 關(guān)聯(lián)的附件有毛細(xì)多孔材料(1 )、毛細(xì)多孔材料(1 )吸收的內(nèi)部制冷劑(13 )、 毛細(xì)材料支架(4)、冷屏外層(7)、冷屏內(nèi)層(3)、 一次擴(kuò)壓腔(12)等，毛 細(xì)材料支架(4)由錐形支架體(15)及其內(nèi)部水平圓環(huán)形隔板(14)等組成， 錐形面上開有氣流流通方孔(16)。
二次擴(kuò)壓分流系統(tǒng)與附件的位置關(guān)系從外向里依次為冷屏外層(7)、 二次 擴(kuò)壓分流系統(tǒng)、毛細(xì)材料支架(4)、毛細(xì)多孔材料(1)、冷屏內(nèi)層(3)，其中 冷屏外層(7)、 二次擴(kuò)壓分流系統(tǒng)(主要包括二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路(2)、 二次擴(kuò) 壓器(6)、 二次擴(kuò)壓排氣管路(5))、毛細(xì)材料支架(4)、毛細(xì)材料(1 )之間 緊密貼合，毛細(xì)材料(1 )與冷屏內(nèi)層之間留有氣流通道。二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路(2)) 均勻分布于冷屏外層(7)內(nèi)表面上且與內(nèi)表面緊密相貼，二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路(2) 的進(jìn)口位置連接至冷屏內(nèi)一次擴(kuò)壓腔(12)底部，末端與二次擴(kuò)壓器進(jìn)口 (9) 相連。二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路(2)與毛細(xì)材料支架(4)錐面及底面緊密相貼，二 次擴(kuò)壓器(6)與毛細(xì)材料支架(4)的底面緊密相貼，二次擴(kuò)壓排氣管路(5) 與毛細(xì)材料支架(4)的底面緊密相貼并以切向關(guān)系與支架(4)底面圓邊緣相 連接且沿?cái)U(kuò)壓器(6)徑向等圓周平均排開。毛細(xì)多孔材料(1 )做環(huán)形分割后 分層安裝于毛細(xì)材料支架(4)的圓環(huán)形隔板(14)上。擴(kuò)壓器中心(8)為圓 形出口，用于飛行器與推進(jìn)系統(tǒng)的連接，擴(kuò)壓器內(nèi)充裝有擴(kuò)壓降噪用毛細(xì)多孔 介質(zhì)(10)。
其工作方式為節(jié)流后的冷蒸汽流經(jīng)二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路(2 )后繼續(xù)吸收冷屏 表面(7)太陽能輻射熱進(jìn)而蒸發(fā)過熱，同時通過二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路(2)將冷 屏外表面(7)太陽能熱量傳遞于毛細(xì)多孔材料(1 )所吸收的內(nèi)部制冷劑(13), 內(nèi)部制冷劑(13)吸熱蒸發(fā)產(chǎn)生的冷量又通過毛細(xì)多孔材料(1)、毛細(xì)材料支 架體(4)及二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路(2)向外傳遞從而使傳熱達(dá)到平衡，因而，冷 屏表面(7)溫度保持恒定。制冷劑飽和蒸汽節(jié)流后的汽液兩相流經(jīng)二次擴(kuò)壓進(jìn) 氣管路充分蒸發(fā)吸熱后產(chǎn)生過熱蒸汽，過熱蒸汽流經(jīng)擴(kuò)壓器(6)中的毛細(xì)多孔 介質(zhì)(10)時由于毛細(xì)多孔介質(zhì)(10)受力引起孔隙彈性變化從而引起過熱蒸 汽在擴(kuò)壓器(6)中減速擴(kuò)壓并降噪，擴(kuò)壓整流后經(jīng)出氣格柵9及二次擴(kuò)壓排 氣管路(5)均勻排入空間，從而減小對飛行器飛行軌跡的影響。 方案所涉及的原理問題
一次節(jié)流擴(kuò)壓(擴(kuò)壓適用于超過控制壓力時的排放過程或加注過程)后的 冷蒸汽或汽液兩相須經(jīng)二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路進(jìn)一步分流、蒸發(fā)及過熱，二次擴(kuò)壓 進(jìn)氣管路相當(dāng)于一次節(jié)流后的蒸發(fā)器，可以充分利用 一次節(jié)流后的冷量來冷卻 冷屏表面。由于冷屏表面受太陽輻射，所以擴(kuò)壓進(jìn)氣管道與冷屏外表面直接接 觸更有利于于出口低溫冷蒸汽直接吸收太陽能輻射熱變?yōu)檫^熱蒸汽。
擴(kuò)壓管路的尺寸、數(shù)量及排列方式由傳熱數(shù)值模擬結(jié)果初步確定，模擬結(jié) 果必須滿足表面溫度分布足夠均勻且最大溫度即內(nèi)部過熱蒸汽溫度不超過相應(yīng) 制冷劑的飽和蒸汽壓所對應(yīng)的飽和溫度上限的兩倍(飽和蒸汽壓力或過熱蒸汽 壓力的大小直接決定冷屏系統(tǒng)的關(guān)鍵尺寸，所以盡可能的降低內(nèi)部壓力可以減 小冷屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力值。)。根據(jù)出口氣流流量(由太陽能輻射強(qiáng)度、環(huán)境輻 射強(qiáng)度、冷屏外表面吸收率等參數(shù)決定)、流速及冷屏夾層的厚度(由飛行器在 起動過程及空間飛行過程中傳熱量的大小、制冷劑的填充量及物性決定)三個 主要參數(shù)進(jìn)一步確定出口管路尺寸及分布規(guī)律，運(yùn)用流場數(shù)值模擬結(jié)杲確定最 小冷蒸汽氣流速度時的出口管路尺寸，即根據(jù)近視為不可壓縮冷蒸汽時所對應(yīng) 的最大流速確定出口管路的尺寸、數(shù)量及分布形式。
由于氣流在流動或排放過程中存在振動及對飛行器彈道擾動等問題，所以 根據(jù)氣流擴(kuò)壓原理設(shè)計(jì)管路時盡可能地按對稱及并列多管路(各支管路的有效
截面盡可能小)的方式設(shè)計(jì)，排氣管路的設(shè)計(jì)按排氣端出口截面盡可能大(截 面的大小還須根據(jù)管路及擴(kuò)壓器所承受內(nèi)部壓力的大小決定，截面增大時所承 受的壓力會減小。)先擴(kuò)壓后分流的方式進(jìn)行排氣，且二次擴(kuò)壓排氣管路入口端 采用致密格柵排出方式，從而達(dá)到無旋均勻分配并排放的目的。
在起動過程中由于過熱沸騰(開式制冷)引起的液泛產(chǎn)生的汽液兩相流或 在地面加注過程中由于過冷沸騰引起的汽液兩相流流經(jīng)二次擴(kuò)壓系統(tǒng)2時，在
管路(2)中蒸發(fā)并過熱，同時未汽化的多余液體流入擴(kuò)壓器7并被擴(kuò)壓器7 內(nèi)毛細(xì)多孔介質(zhì)(10)吸收以繼續(xù)蒸發(fā)制冷，從而達(dá)到冷量的有效利用。 本實(shí)用新型的技術(shù)特點(diǎn)
本實(shí)用新型主要針對空間飛行器冷屏蔽系統(tǒng)的冷蒸汽排放問題而提出的過 熱蒸汽二次擴(kuò)壓分流技術(shù)，其特點(diǎn)是能夠滿足節(jié)流擴(kuò)壓后的氣液兩相有足夠的
空間進(jìn)行蒸發(fā)制冷及與外界進(jìn)行熱交換，可以充分利用 一次節(jié)流后的冷量來冷 卻冷屏表面，有利于出口低溫冷蒸汽吸收太陽能輻射變成過熱蒸汽。更重要的 是二次擴(kuò)壓分流技術(shù)能夠滿足冷蒸汽擴(kuò)壓后均勻分配并排放的目的，減小對空
間飛行器的擾動影響，減小氣流造成的振動及噪音等問題。

圖1為過熱蒸汽二次擴(kuò)壓分流系統(tǒng)與冷屏蔽系統(tǒng)的位置關(guān)系圖。
圖2為過熱蒸汽二次擴(kuò)壓分流系統(tǒng)圖。
圖3為擴(kuò)壓系統(tǒng)與毛細(xì)材料支架體關(guān)系圖。
圖4為擴(kuò)壓系統(tǒng)與毛細(xì)材料關(guān)系圖。
圖5為擴(kuò)壓系統(tǒng)與冷屏外層內(nèi)表面關(guān)系半剖圖。
圖6為擴(kuò)壓器與排氣管^^關(guān)系圖。
圖7為擴(kuò)壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
圖8為擴(kuò)壓器進(jìn)出口位置關(guān)系圖。
圖9為排氣格柵立體圖。
包括1-毛細(xì)材料、2-二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路、3-冷屏內(nèi)層、4-毛細(xì)材料支架、 5-二次擴(kuò)壓排氣管路、6-擴(kuò)壓器及冷屏外層、7-擴(kuò)壓器及冷屏外層(半剖)、4-毛細(xì)材料支架、15-包括錐形支架體、14-水平圓環(huán)形隔板、16-氣流流通方孔、
8- 擴(kuò)壓器內(nèi)環(huán)、11-擴(kuò)壓器排氣格柵、9-擴(kuò)壓器進(jìn)氣口、 10-擴(kuò)壓器內(nèi)毛細(xì)材料、
9- 擴(kuò)壓器進(jìn)口、 12-排氣口。
具體實(shí)施方式
如圖1所示， 一次擴(kuò)壓分流冷蒸汽流入蒸發(fā)器管路即二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路 (2)，經(jīng)充分蒸發(fā)與過熱后流入二次擴(kuò)壓器(6),在二次擴(kuò)壓器(6)內(nèi)做微擴(kuò) 壓后經(jīng)排氣格柵出口 (11)、排氣管路(5)排入空間環(huán)境。
如圖3所示，毛細(xì)材料支架(4 )與二次擴(kuò)壓分流系統(tǒng)2緊密相貼，經(jīng)一次 節(jié)流后的冷蒸汽或汽液兩相在二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路(2 )中充分蒸發(fā)并吸收太陽能 過熱后將熱量通過管路傳遞給毛細(xì)材料支架(4 ),毛細(xì)材料支架(4 )將傳遞的 熱量繼續(xù)傳遞給毛細(xì)材料(1)及毛細(xì)材料所吸附的液體，A/v而達(dá)到熱量的有效 傳遞。
如圖4所示，二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路(2)與毛細(xì)材料(1)緊密相貼，由管路 (2)吸收的熱量可以直接傳遞給毛細(xì)材料(1)所吸收的液體制冷劑從而推動 蒸發(fā)制冷效應(yīng)。
如圖5所示，二次擴(kuò)壓分流管路(2)與冷屏外層內(nèi)表面(7)緊密相貼， 管路(2)中的冷蒸汽或氣液兩相可以直接吸收太陽能輻射熱進(jìn)而充分蒸發(fā)與過 熱，同時冷卻冷屏外表面(7)，使外表面(7)溫度分布更加均勻合理，從而達(dá) 到節(jié)流后冷量的進(jìn)一 步利用。
如圖6所示，冷蒸汽或汽液兩相(在加注過程中由于過冷沸騰而產(chǎn)生的汽 液兩相不能充分蒸發(fā)而伴隨大量末汽化的液體或形成高含濕氣流，在起動過程
中由于飽和蒸汽壓的降低使液體過熱并液泛。)進(jìn)入擴(kuò)壓器(6)以后可以繼續(xù) 蒸發(fā)而不至使液體直接排到空間而造成制冷劑冷量的損失，擴(kuò)壓器(6 )可以起 到收集未汽化液體進(jìn)而繼續(xù)蒸發(fā)的效用。飛行器穩(wěn)定飛行階段，過熱蒸汽向空 間排放時產(chǎn)生很大的流速，通過擴(kuò)壓器(6 )擴(kuò)壓后將冷蒸汽通過二次擴(kuò)壓分流 管路(5)均勻排放到空間。
如圖7所示，擴(kuò)壓器(6)內(nèi)裝有毛細(xì)多孔介質(zhì)(10),高速氣流進(jìn)入擴(kuò)壓
從而達(dá)到均勻、無噪、無振、無擾動排放。
權(quán)利要求1.一種冷屏過熱蒸汽二次擴(kuò)壓分流機(jī)構(gòu)，包括二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路(2)、二次擴(kuò)壓器(6)、擴(kuò)壓器內(nèi)毛細(xì)多孔介質(zhì)(10)、二次擴(kuò)壓排氣格柵(8)、二次擴(kuò)壓排氣管路(5)組成，與其相關(guān)聯(lián)的附件有毛細(xì)多孔材料(1)、毛細(xì)多孔材料(1)吸收的內(nèi)部制冷劑(13)、毛細(xì)材料支架(4)、冷屏外層(7)、冷屏內(nèi)層(3)、一次擴(kuò)壓腔(12)；毛細(xì)材料支架(4)由錐形支架體(15)及其內(nèi)部水平圓環(huán)形隔板(14)組成，錐形面上開有氣流流通方孔(16)；其特征在于二次擴(kuò)壓分流系統(tǒng)位置關(guān)系為從外向里依次為冷屏外層(7)、二次擴(kuò)壓分流系統(tǒng)、毛細(xì)材料支架(4)、毛細(xì)多孔材料(1)、冷屏內(nèi)層(3)，其中冷屏外層(7)、二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路(2)、二次擴(kuò)壓器(6)、二次擴(kuò)壓排氣管路(5)與毛細(xì)材料支架(4)、毛細(xì)材料(1)之間緊密貼合，毛細(xì)材料(1)與冷屏內(nèi)層之間留有氣流通道；二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路(2)均勻分布于冷屏外層(7)內(nèi)表面上且與內(nèi)表面緊密相貼，二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路(2)的進(jìn)口位置連接至冷屏內(nèi)一次擴(kuò)壓腔(12)底部，末端與二次擴(kuò)壓器進(jìn)口(9)相連；二次擴(kuò)壓進(jìn)氣管路(2)與毛細(xì)材料支架(4)錐面及底面緊密相貼，二次擴(kuò)壓器(6)與毛細(xì)材料支架(4)的底面緊密相貼，二次擴(kuò)壓排氣管路(5)與毛細(xì)材料支架(4)的底面緊密相貼并以切向關(guān)系與毛細(xì)材料支架(4)底面圓邊緣相連接且沿?cái)U(kuò)壓器(6)徑向等圓周平均排開。毛細(xì)多孔材料(1)做環(huán)形分割后分層安裝于毛細(xì)材料支架(4)的圓環(huán)形隔板(14)上；擴(kuò)壓器中心(8)為圓形出口，用于飛行器與推進(jìn)系統(tǒng)的連接，擴(kuò)壓器內(nèi)充裝有擴(kuò)壓降噪用毛細(xì)多孔介質(zhì)(10)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種空間冷屏蔽相變制冷系統(tǒng)中的過熱蒸汽二次擴(kuò)壓分流機(jī)構(gòu)，特別適用于空間冷屏蔽系統(tǒng)中過熱蒸汽的排放控制，是高真空微重力環(huán)境下相變制冷系統(tǒng)不可缺少的機(jī)構(gòu)，其主要作用是利用微擴(kuò)壓原理實(shí)現(xiàn)過熱蒸汽在空間無振、無噪、均勻、對稱排放，從而不影響空間飛行器飛行軌跡的一種氣流擴(kuò)壓排放機(jī)構(gòu)。本實(shí)用新型適用于空間飛行器中過熱蒸汽及系統(tǒng)中殘余氣體的空間排放問題。根據(jù)開式空間相變制冷過程中冷蒸汽排放的技術(shù)特點(diǎn)，二次擴(kuò)壓分流裝置，也可用于解決變壓、變溫、變流量的空間動態(tài)制冷過程中的低溫流體流動排放所帶來的技術(shù)難題，提高空間相變制冷效率，實(shí)現(xiàn)空間制冷的相對穩(wěn)定，從而減小對飛行器飛行軌跡的影響。
文檔編號B64G1/22GK201195595SQ20072019101
公開日2009年2月18日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者張周衛(wèi), 施寶毅, 溫永剛, 王麗紅, 王榮宗, 陳光奇 申請人:中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五一〇研究所