CN1113164C - 复合材料的热交换器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
热交换器，包括一个耐热复合材料、例如C/C复合材料的中间部分(14)，在该部分中形成流体循环通道(16)，并夹在形成热屏蔽(12)的耐热复合材料、例如陶瓷基质如C/SiC的复合材料部分和形成交换器保持结构(18)的热结构复合材料、例如C/C复合材料部分之间，构成热交换器的部分通过焊接装配在一起。该热交换器用于作为暴露在强热流中的壁元件，特别是用于核聚变反应堆和冲压式喷气发动机的燃烧室中。
Description
发明领域
本发明涉及使用以流体循环为基础的热交换组件的热交换器，这些热交换器用于严峻的热环境。
本发明的特殊但非限定的应用领域为物质转变系统，例如核聚变反应堆和推进系统，特别是喷气发动机、尤其是冲压式喷气发动机燃烧室壁的元件。
背景技术
在这些应用中使用的热交换器一般是金属的，至少部分是金属的。然而，金属和金属合金的热性能和机械性能限制了热交换器的使用范围以及它们的工作特性和安全性。另外，金属热交换器很笨重，这至少在某些应用方面限制了它们的使用。
人们已经考虑单独使用复合耐火材料或与金属相结合来制造用于严峻热环境、特别是核聚变反应堆壁的热交换器。因此，专利申请WO98/03297描述了通过把碳/碳(C/C)复合材料的零件焊接在一个用循环流体冷却的金属(铜)基础上来实现这种热交换器。这里仍使用了金属。对于同样的应用，专利US 5583895描述了一种C/C复合材料块形状的热交换器结构，复合材料块中形成流体循环的通道。通过一种金属衬里使通道壁密封，例如把铜焊接在C/C复合材料上。
发明的目的和概述
本发明的目的是提供一种能够用于严峻热环境的热交换器。
本发明的目的还在于提供一种热交换器，其中各种热功能和结构功能都可以优化，以尽可能降低重量、体积和成本。
本发明的目的还在于提供一种容易实现的热交换器。
本发明的目的还在于这种热交换器的制造方法。
本发明的热交换器的特征在于，它包括一个耐热复合材料的中间部分，在这部分中形成一些流体循环的通道，中间部分夹在两个复合材料的部分之间，一个是形成热屏蔽的耐热复合材料部分，另一部分为形成交换器保持结构的热结构复合材料部分，热交换器的组成部分通过焊接装配在一起。
热结构复合材料是一种具有机械属性的复合材料，使该材料能够构成一些结构件，并且把这些特性保持到高温。热结构复合材料一般是具有耐热纤维(例如碳纤维或陶瓷纤维)的纤维加固的复合材料，纤维加固用一种耐热基质、如碳或陶瓷基质来增加密度。热结构复合材料的例子有，具有加固纤维和碳基质的碳/碳复合材料和陶瓷基质、例如碳化硅(SiC)复合材料(CMC)。
另外，形成交换器保持结构的热结构复合材料是一种C/C复合材料。它可以是蜂窝状，或者是一种重叠纤维层形成纤维加固的复合材料，各层之间通过一些相对各层横向延伸的纤维而互相连接，正如在专利US4790052中所描述的通过植绒得到。
另外，中间部分的材料也是一种C/C复合材料，由于其耐热性，用的比结构型多。
也可考虑把形成保持结构的部分和中间部分放在同一个C/C复合材料块中，把形成热屏蔽的部分焊接在该复合材料块上。
另外，形成热屏蔽部分的材料为CMC型的材料，例如C/SiC或SiC/SiC复合材料(碳纤维加固或碳化硅纤维加固，用碳化硅基质增加密度)，更能使C/C复合材料暴露在强热流、特别是含氧大气中。本发明所述热交换器的优点是可以选择最适宜的材料，以保证热交换器的热功能和机械功能，从而在性能和体积方面优化实现热交换器。
根据本发明热交换器的另一个特征，在中间零件的一个表面例如通过加工形成流体循环的通道，并且通道部分由另两个部分之一的邻近壁所限定。因此，流体循环通道的形成特别简单。
如果需要，通道的密封性可以通过在通道壁上形成保护层，例如一个金属薄层来保证。可以在要装配部分的所有表面上形成保护层，以便于焊接，并形成焊料的悬挂层。
附图说明
—图1为本发明第一实施例的热交换器的一个元件的剖面图；
—图2示出制造图1所示热交换器元件的步骤；
—图3以分解的方式示出根据本发明第二实施例的形成热交换器的喷气发动机燃烧室的一个元件；
—图4示意性地示出冲压式喷气发动机的一个室，及根据本发明第三实施例的形成热交换器的燃烧室壁的元件的细部。
优选实施例的描述
图1为组成一个热交换器元件的单元块10的剖面图。块10可以构成一个外壳壁的元件，外壳中的热条件很严峻，例如核聚变反应堆中等离子体约束室壁的一个元件。
热交换器块10包括热屏蔽12、中间部分14和保持结构18，热屏蔽12的外表面12a暴露在热流中，中间部分14有一些流体循环通道16。中间部分夹在热屏蔽12和保持结构18之间，并通过焊接与这两部分连接。加工在中间部分挨着热屏蔽12的表面加工得到流体循环通道，并且通道由热屏蔽的内表面12b所覆盖，因此内表面12b部分限定了通道16。通道16与载热流体的循环线路连接。
暴露在最严峻的热条件中的热屏蔽12由一种耐热复合材料制成，最好是陶瓷基质的复合材料(CMC)，例如用碳化硅基质增加密度的碳纤维加固的C/SiC型复合材料。
中间部分也用一种耐热复合材料制成，例如用碳基质增加密度的碳纤维加固的C/C复合材料。
保持结构用一种热结构复合材料制成，用于保证块10的结构功能。例如使用一种C/C复合材料的蜂窝构造的保持结构。专利US 5415715中描述了这种结构的制造方法。还可以使用一种C/C复合材料的保持结构，在这种复合材料中一些纤维织物的平面层形成纤维加固，各层之间通过相对于各层横向延伸的纤维互相连接。各层例如为织物层、按不同方向重叠的单向层、毛毡层…，各层最好通过植绒互相连接。专利US 4790052中描述了这种C/C复合材料的制造方法。
图2示出了热交换器块10的制造方法的步骤。
CMC材料，例如C/SiC复合材料的热屏蔽、C/C复合材料的中间部分和C/C复合材料的保持结构分开制造(步骤20、22、24)。通过纤维加固或预先制造以及用一种基质增加纤维加固的密度来制造C/C或C/SiC复合材料零件的方法是已知的。增加密度可以通过汽相化学渗透或液态基质先驱物的浸透，以及通过热处理进行先驱物的转换来实现。
在中间部分14的一个表面加工出通道16(步骤26)。
然后，可以在中间部分、热屏蔽和保持结构的所有表面上形成金属保护层(步骤28)。选择金属保护层以改善面对所用焊料的润湿性，然后把不同的部分装配在一起，因而有利于焊料的悬挂。另外，金属保护层还保证流体循环通道壁的密封性。实际上，前面得到的复合材料C/C或材料CMC都不可避免地具有一定的残余孔隙度，需要从表面封闭，以保证通道的密封性。
金属保护层，例如钛、铬、锆、铪或铍可以通过汽相化学沉积或真空喷涂来实现。
在不需要焊料悬挂金属保护层的情况下，仍需要保证通道16壁的密封性。这种密封性通过一个密封层来保证，至少在中间部分的加工部分和邻近热屏蔽的表面部分是这样。密封层通过汽相化学沉积实现。密封层是金属的或非金属的，例如碳或陶瓷。
把焊料层放在要装配的中间部分、热屏蔽和保持结构的表面，把整个部分放在一个装置中，在所使用的焊接所需的焊接温度下完成焊接(步骤29)。使用的焊料在已知的用于陶瓷与耐热复合材料之间的焊接或与金属的焊接的焊料中选择，例如美国Wesgo公司销售的“TiCuSil”或“Cu-ABA”焊料。还可以参考前面提到的专利申请WO 98/03297以及A.G.Foley和D.J.Andrews的文章《用于陶瓷与金属的结合的活性金属钎焊》(见<GEC ALSTHOM TECHNICAL REVIEW>1994年2月第13期第49-64页)。
图3以分解的方式示出本发明热交换器的另一个实施例，形成喷气发动机燃烧室的一个元件30。热屏蔽32是一个轴对称的环形零件，包括柱形前部，并由一个锥形部分向后延长。热屏蔽32是一个CMC复合材料，例如C/SiC复合材料制成的单一零件。通过把纤维织物缠绕在适当形状的套筒上，并将得到的预制物通过复合材料的基质增加密度来实现复合材料的纤维加固。
流体循环通道36通过对中间部分34与热屏蔽相对的表面进行轴向加工得到。中间部分34由C/C复合材料制成。载热流体为一种可燃流体，注入燃烧室前通过热交换器而被加热。流体的引入和输出孔33a、33b穿过热屏蔽32，靠近其轴向端点，在槽37处，槽37在中间部分的前、后部周向地加工，以便在一端把流体分配到通道36中，并且在通道的另一端收集流体。
中间部分34与保持结构38连成一体，保持结构为C/C复合材料制成的环形结构。通过把纤维织物一层一层重叠缠绕在一个套筒上形成中间部分，各层之间通过相对各层横向延伸的纤维、通过例如植绒互相连接。用一种碳基质增加得到的环形预制件的密度。在已经提到的专利US4790052中描述了形成C/C复合材料结构零件加固的植绒环形预制件的一个实施例。
保持结构38和中间部分可以做成两个部分，通过焊接装配在一起，或者如所示例子制成一个部分。
热屏蔽32焊接在中间部分具有通道36和槽37的表面上。
正如前面参照图1、2所描述的，在形成悬挂焊料的金属保护层后，至少在通道36的壁和槽37上形成密封保护层后再进行焊接。
图4示意性地示出一个冲压式喷气发动机的结构，该结构的壁40构成本发明的热交换器。
壁40具有与图1的块10相似的结构，并且用相似的方法制成。位于壁40内侧的热屏蔽42用CMC材料、例如C/SiC制成。热屏蔽42焊接在中间部分44上，中间部分的一个表面加工出通道46，具有通道的中间部分44的表面由热屏蔽44覆盖。流体穿过通道46，在经过壁40被加热后成为燃料注入燃烧室。
中间部分44由C/C复合材料44制成，并且焊接在也是C/C复合材料的保持结构48上。保持结构最好是蜂窝状，以最大程度地减轻整体重量。
焊接、在要焊接表面上的悬挂金属保护层的形成和在流体循环通道壁上的密封层的形成如同图1、2所述那样来实现。
前面考虑的是在中间部分靠近热屏蔽的表面形成流体循环通道。这只是一个优选设计，并不排除在中间部分靠近保持结构的表面形成通道。
Claims (21)
1.复合材料的热交换器，其特征在于，它包括一个耐热复合材料的中间部分(14，34，44)，该部分中形成流体循环通道(16，36，46)，中间部分夹在形成热屏蔽的耐热复合材料部分(12，32，42)和形成交换器保持结构的热结构材料部分(18，38，48)之间，构成热交换器的部分通过焊接装配在一起。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，中间部分(14，34，44)由C/C复合材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，形成热屏蔽的部分(12，32，42)由陶瓷基质的复合材料制成。
4.根据权利要求3所述的热交换器，其特征在于，形成热屏蔽的部分(12，32，42)由C/Sic复合材料制成。
5.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，形成保持结构的部分(18，38，48)由C/C复合材料制成。
6.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，流体循环通道(16，36，46)在中间部分(14，34，44)的一个表面形成，并且部分地由另外两个部分之一的邻近壁所限定。
7.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，这些流体循环通道(16，36，46)具有密封保护层。
8.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，形成保持结构的部分为蜂窝状。
9.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，形成保持结构的部分(18，38，48)由包括纤维加固的复合材料制成，纤维加固有几个重叠的纤维层，各层之间通过相对各层横向连接纤维互相连接。
10.冲压式喷气发动机的燃烧室壁的元件(30，40)，其特征在于，它包含一个权利要求1至8之一所述的热交换器。
11.复合材料热交换器的制造方法，其特征在于，它包括：
—实现带有流体循环通道的耐热复合材料的中间部分，
—实现耐热复合材料的热屏蔽部分，
—实现热结构复合材料的保持结构部分，
—通过焊接装配各不同部分，把中间部分夹在热屏蔽部分和结构部分之间。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过在中间部分的一个表面上进行加工形成流体循环通道。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，用C/C复合材料制成中间部分。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在流体循环通道壁上形成密封保护层。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，通过沉积金属层形成密封保护层。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，用陶瓷基质的复合材料制成热屏蔽部分。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，用C/C复合材料制成结构部分。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，制成一个蜂窝状的结构部分。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，用具有纤维加固的复合材料制成结构部分，纤维加固用一种基质增加密度，并且通过多个纤维层的重叠和植绒来实现。
20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在要通过焊接装配的部分的表面形成焊料悬挂金属层。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，通过在中间部分的一个表面进行加工形成流体循环通道，该表面由其它部分的一个邻近表面所覆盖，通道加工后，在中间部分的表面和邻近表面形成金属层，使金属层也构成流体循环通道壁的密封保护层。
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