CN117781089A - 真空绝热管结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种真空绝热管结构及其制造方法。真空绝热管结构具有细长，且能够适用于走向复杂空间的特点，真空绝热管结构包括内导管、外套管、绝热支撑、夹套法兰结构以及外套管连接件；外套管套装在内导管外侧，外套管与内导管均具有一个或多个弯曲部，在弯曲部处，外套管与内导管之间设置有绝热支撑；外套管的端部通过外套管连接件与夹套法兰结构连接，外套管和/或夹套法兰结构上开设有真空换气口。管道绝热管结构整体厚度小，能够达到细长形状。由于其尺寸规格小，能够完全适应轨姿控动力系统的结构紧凑的总装布局。本发明的绝热管能随着系统布局的要求进行任意角度与空间的弯制，达到了真空绝热管结构可以随空间走向需要进行弯制的效果。
Description
技术领域
本发明涉及低温推进系统技术领域，具体地，涉及一种推进系统低温推进剂的输送细长绝热管路及其制作的方法，特别地，涉及一种细长且具有复杂空间走向的真空绝热管及其制作方法，尤其地，涉及一种真空绝热管结构及其制造方法。
背景技术
随着液体火箭技术的发展，以液氧液氢、液氧甲烷为工质的低温推进技术将会是未来发展的重要方向。低温推进系统需要具有良好的热控手段以保证低温推进剂的输送，放置低温推进剂的汽化。尤其是对于低温轨姿控动力系统而言其在地面就开始系统预冷。以保证发动机点火时发动机入口温度的要求，在轨姿控动力系统中存在大量的细长管路，会对系统会产生巨大的漏热，增加了推进剂预冷损耗，甚至会影响发动机的可靠点火。传统的低温系统一般采用聚氨酯/气凝胶热控包覆的被动堆积绝热方案，针对低温贮箱、长的推进剂输送管路等无需拆换组件一般采用聚氨酯发泡包覆，但其包覆材料厚度针对轨姿控动力系统用细长管路来说较厚，系统上较难实施。且管路曲率半径很小且管路走向常呈三维不规则形式，细长管路的聚氨酯发泡每根都需要制模，工艺存在一定风险。对于可重复使用火箭将经历多次低温环境吸湿/凝露/结冰后，隔热性能将会大幅下降。目前市场上也有成熟的真空绝热管，但其大多数都是针对大规格管路系统，尺寸庞大，焊缝数量众多，制作工序复杂，无法直接应用低温轨姿控动力系统中。因此，针对低温轨姿控动力系统亟需采取新的管路热控手段，对系统进行被动热控设计。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种真空绝热管结构及其制造方法。
根据本发明提供的一种真空绝热管结构，包括内导管、外套管、绝热支撑、夹套法兰结构以及外套管连接件；
所述外套管套装在所述内导管外侧，外套管与内导管均具有一个或多个弯曲部，在所述弯曲部处，所述外套管与内导管之间设置有绝热支撑；
所述外套管的端部通过所述外套管连接件与所述夹套法兰结构连接，所述内导管的端部与所述夹套法兰结构连接；所述外套管和/或夹套法兰结构上开设有真空换气口。
优选的，真空绝热管结构为细长绝热管，所述细长为所述真空绝热管结构的外径与长度之比小于1:40；
所述外套管在制作加工前为金属直管，其内表面光亮，其内径大于内导管外径1～3mm。
优选的，所述夹套法兰结构包括夹套法兰本体与夹套法兰内衬，所述夹套法兰内衬套装在所述夹套法兰本体内，所述夹套法兰内衬直接与所述内导管连接，所述夹套法兰本体通过所述外套管连接件与所述外套管连接；
所述外套管和/或夹套法兰本体上开设有真空换气口；
法兰内衬与法兰本体接触的部位为减少金属导热，设计厚度在1mm以内；
所述夹套法兰本体端面配有密封面或是密封槽用于管路间的连接密封，在夹套法兰本体4端面中间设计有凹陷结构用于安装所述夹套法兰内衬。
优选的，所述绝热支撑的数量根据弯曲部的弯曲角度决定；
弯曲部弯曲角度在90゜以内，绝热支撑的数量为2个；
弯曲部弯曲角度大于90゜小于180゜，绝热支撑的数量为3个。
优选的，绝热支撑的材料选择为具有较强硬度，较低热导率的材料；绝热支撑的厚度在3mm以内；
绝热支撑为设置有剪裁部的圆环结构，所述剪裁部31沿圆环结构的周向布置；所述剪裁部用于减少绝热支撑与外套管的接触表面积从而减少热量传递，也用于制造真空绝热管结构时，灌砂倒砂步骤中，砂粒能正常进出夹套结构。
优选的，所述外套管连接件为环状结构，且为不锈钢材质制成。
根据本发明提供的一种真空绝热管结构的制造方法，用于制造所述的真空绝热管结构，包括如下步骤：
S1、尺寸量取；
S2、夹套灌沙；
S3、绝热管弯制；
S4、夹套清砂；
S5、弯制检查；
S6、夹套法兰焊接；
S7、法兰与绝热管焊接；
S8、夹层抽空密封。
优选的，所述步骤S1包括：根据实际需求弯制样棒并量取样棒的长度，选取对应规格金属直管清洗烘干后作为内导管与外套管，并根据样棒长度量取内导管的长度，外套管的长度在内导管的长度的基础上减去两端各2～5mm，再用量绳量取样棒折弯或弯曲位置，并根据折弯或弯曲角度确定绝热支撑数量及位置，用记号笔在内导管与外套管支撑安装的对应位置做好记号，将绝热支撑套入内导管，并用胶水固定，待胶水凝固后，将带有绝热支撑的内导管塞入外套管中，两端各留出2～5mm，形成半成品绝热管，所述半成品绝热管为夹套结构。
所述S2包括：将堵盖工装固定在半成品绝热管的一端，将半成品绝热管竖立，对内导管与外套管之间的夹层进行灌砂；灌砂后在半成品绝热管的另一侧也塞入堵盖工装，封堵半成品绝热管，并用夹紧工装夹紧堵盖工装，加固堵盖工装对于半成品绝热管的封堵。
所述步骤S3包括：比照所需弯制的样棒将半成品绝热管放置于弯制模具上在所需的位置弯制到所需大小的角度。
优选的，所述步骤S4包括：半成品绝热管弯制后取下一头的堵盖工装，去除夹层内的铁砂；
所述步骤S5包括：采用万用表测量内所述导管与所述外套管之间的电阻阻值，观察期是否为开路状态，如其显示为开路状态则可认为弯制合格；
或通过X光拍片的方式对弯曲部进行检查。
所述步骤S6包括：
将所述夹套法兰本体放置夹套法兰内衬的中心部位，后进行激光焊接；焊接后对密封平面进行车加工，用于保证密封平面度与粗糙度。
优选的，所述步骤S7包括：
先将外套管连接件套在弯制完的绝热管的外套管上，并在半成品绝热管夹层中投入吸气剂，再将内导管与夹套法兰内衬进行焊接，而后，将外套管连接件移至法兰本体与外套管空缺处，对其两端进行焊接，最后通过X关拍片检查外套管连接件与法兰本体、外套管的焊缝质量。
所述步骤S8包括：将安装夹套法兰结构后的夹层间管路抽空至10-3Pa，并完成对真空换气口焊接封堵，最终完成所述绝热管结构的制作。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明与传统堆积发泡绝热相比，其尺寸规格较小，无需制作发泡模具减少成本与工序，解决了在推进系统中管路接头位置在器上较难实施包覆的问题。
2、本发明外套管内径仅大于内导管外径1～3mm，使得管道绝热管结构整体厚度小，能够达到细长形状。由于其尺寸规格小，能够完全适应轨姿控动力系统的结构紧凑的总装布局。
3、本发明相比传统的真空绝热管相比，本发明的绝热管能随着系统布局的要求进行任意角度与空间的弯制，即本发明的真空绝热管结构中的弯曲部可设置一个或者多个，达到了真空绝热管结构可以随空间走向需要进行弯制的效果。
4、本发明在弯曲部为连续管，无焊缝，仅在管路的两端有焊缝，大大减少了产品的焊缝数量，增加了产品的可靠性，减少了制作过程的成本。
5、本发明真空绝热管结构的内导管内流通希望与外界环境绝的流体介质，外套管与内导管之间构建高真空状态，最大程度降低夹层间空气对流形成的换热。
6、本发明在外套管与内导管间，添加了绝热支撑，防止内导管与外套管在管子的弯管处贴壁导致热短路。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为本发明支撑绝热材料与内外管的剖面示意图。
图3为本发明支撑绝热材料在管子内放置位置的剖面示意图。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种真空绝热管结构，其具有细长，且能够适用于走向复杂空间的特点，所述真空绝热管结构的外径与长度之比小于1:40。如图1-3所示，所述真空绝热管结构为硬管结构，包括内导管1、外套管2、绝热支撑3、夹套法兰结构以及外套管连接件6；
所述外套管2套装在所述内导管1外侧，外套管2与内导管1均具有一个或多个弯曲部，内导管1上的弯曲部与外套管2上的弯曲部位置相对应，在所述弯曲部处，所述外套管2与内导管1之间设置有绝热支撑3；
所述外套管2的端部通过所述外套管连接件6与所述夹套法兰结构连接，在一个优选例中，所述外套管连接件6为环状结构，且为不锈钢材质制成。
所述内导管1的端部与所述夹套法兰结构连接；所述外套管2和/或夹套法兰结构上开设有真空换气口7。
所述夹套法兰结构包括夹套法兰本体4与夹套法兰内衬5，所述夹套法兰内衬5套装在所述夹套法兰本体4内，具体的，所述夹套法兰本体4端面配有密封面或是密封槽用于管路间的连接密封，在夹套法兰本体4端面中间设计有凹陷结构用于安装所述夹套法兰内衬5。所述夹套法兰内衬5安装于所述法兰本体4的中间，并在其端面处与所述法兰本体4进行焊接，法兰内衬5与法兰本体4接触的部位为减少金属导热设计厚度在1mm以内，所述夹套法兰内衬5内部用于流通用于绝热的流体。
所述夹套法兰内衬5直接与所述内导管1连接，所述夹套法兰本体4通过所述外套管连接件6与所述外套管2连接，所述外套管连接件6用于连接所述夹套法兰本体4与所述外套管2使夹层空间形成闭合与外界环境进行隔绝，外套管连接件6长度在20mm以内。
所述外套管2和/或夹套法兰本体4上开设有真空换气口7，所述真空换气口7用于对夹层间的状态进行控制，通过所述真空换气口7气体抽取使夹层成为真空状态。
所述内导管1，其在制作加工前为金属细长直管，其表面光亮。所述外套管2，其在制作加工前为金属直管，其内表面光亮，其内径大于内导管1外径1～3mm。
所述绝热支撑3为导热系数较低、硬度与强度较高的材料，在一个优选例中，所述绝热支撑3导热系数小于0.5W/m·K，在一个优选例中，所述绝热支撑3为玻璃纤维材料制成。所述绝热支撑3具有一定的构型，具体的，绝热支撑3为周围设置有剪裁部31的圆环结构，所述剪裁部31沿圆环结构的周向布置，也可以理解为绝热支撑3原本是中间掏了个孔的圆环，但是在其周边给裁掉了一些部分。所述剪裁部31的设计，一方面能够用于进一步减少通过绝热支撑的导热，另一方面能够使制造真空绝热管结构时，铁砂能够顺利通过绝热支撑3处。绝热支撑3设置在所述真空绝热管结构的弯曲处，即绝热支撑3位于所述绝热管的弯头处，每个弯头处根据弯的弧度大小设置绝热支撑数量，90゜以内弯设2个，大于90゜小于180゜设3个，用于防止内导管1、外套管2贴壁接触造成漏热量的增加，绝热支撑的厚度较小在3mm以内。
真空绝热管结构的内导管1内流通希望与外界环境绝的流体介质，外套管2与内导管1之间构建高真空状态，最大程度降低夹层间空气对流形成的换热。除此以外，在外套管2与内导管1间，添加了绝热支撑，防止内导管1与外套管2在管子的弯管处贴壁导致热短路。本发明的真空绝热管结构还可以随空间走向需要进行弯制。
本发明还提供了一种真空绝热管结构的制造方法，用于制造所述的真空绝热管结构，包括如下步骤：S1、尺寸量取；S2、夹套灌沙；S3、绝热管弯制；S4、夹套清砂；S5、弯制检查；S6、夹套法兰焊接；S7、法兰与绝热管焊接；S8、夹层抽空密封。
所述步骤S1包括：根据实际需求弯制样棒并量取样棒的长度，选取对应规格金属直管清洗烘干后作为内导管1与外套管2，并根据样棒长度量取内导管1的长度，外套管2的长度在内导管的长度的基础上减去两端各2～5mm，具体的，内导管的长度1m，外套管的长度994mm，两端各留3mm用于焊接。再用量绳量取样棒折弯或弯曲位置，并根据折弯或弯曲角度确定绝热支撑3数量及位置，具体的，折弯或弯曲角度90°以下，在折弯或弯曲处两侧布置2个支撑，大于90°小于180°采用3个支撑的原则，用记号笔在内导管与外套管支撑安装的对应位置做好记号。将绝热支撑3套入内导管1，并用胶水固定，待胶水凝固后，将带有绝热支撑3的内导管1塞入外套管2中，两端各留出2～5mm，具体的，为3mm，形成半成品绝热管，所述半成品绝热管为夹套结构，此时绝热支撑3与内导管1外套管2的截面关系，如图2所示。
所述S2包括：将堵盖工装固定在半成品绝热管的一端，防止后续添加的细铁砂漏出。将半成品绝热管竖立用灌铁砂工装，对内导管1与外套管2之间的夹层进行灌砂，该过程必须保证干燥。所述铁砂直径0.1mm，期间使用工装，使内导管1正立，与外套管2之间的间隙保持均匀。在铁砂溢出后，使用工具，轻敲击外套管2，使得内部铁砂间距更致密，此时铁砂会下降，后对下降的位置进行补填铁砂，重复2～3次以上步骤，直到铁砂液位不再下降，后在导管的另一侧也塞入堵盖工装，封堵半成品绝热管，并用夹紧工装夹紧堵盖工装，加固堵盖工装对于半成品绝热管的封堵。
所述步骤S3包括：比照所需弯制的样棒将半成品绝热管放置于弯制模具上在所需的位置弯制到所需大小的角度，此时绝热支撑3与内导管1外套管2的沿着轴线的截面关系，如图3所示。
所述步骤S4包括：半成品绝热管弯制后取下一头的堵盖工装，将铁砂全部倒出，倒的过程中边倒边用工具敲击外套管壁，使夹套内的铁砂完全倒净，后用气枪与相应工装对夹套间进行左右吹除，去除夹层内的铁砂。
所述步骤S5包括：采用万用表等工具测量内所述导管1与所述外套管2之间的电阻阻值，观察期是否为开路状态，如其显示为开路状态则可认为弯制合格，也可通过X光拍片的方式对弯头处进行检查。
所述步骤S6包括：将所述夹套法兰本体4放置夹套法兰内衬5的中心部位，后进行激光焊接，熔深1mm。焊接后的夹套法兰本体4与夹套法兰内衬5形成了夹套法兰结构，由于焊接热变形导致密封平面的变形因此焊接后对密封平面进行车加工0.1mm，用于保证密封平面度与粗糙度。
所述步骤S7包括：先将外套管连接件6套在弯制完的绝热管的外套管2上，并在半成品绝热管夹层中投入少量活性炭等吸气剂，再将内导管1与夹套法兰内衬5进行焊接，对焊缝进行拍片或气密检查后，将外套管连接件6移至法兰本体4与外套管2空缺处，对其两端进行焊接，最后通过X关拍片检查外套管连接件4与法兰本体4、外套管2的焊缝质量。
所述步骤S8包括：将安装夹套法兰结构后的夹层间管路(即安装夹套法兰结构后的半成品绝热管)抽空至10-3Pa，并完成对真空换气口7焊接封堵，具体的，将夹层间管路放置于电子束焊炉中，将炉子抽空至10-3Pa以下，并完成对真空换气口7焊接封堵，最终完成细长绝热管的制作。
本发明与传统堆积发泡绝热相比，其尺寸规格较小，无需制作发泡模具减少成本与工序，解决了在推进系统中管路接头位置在器上较难实施包覆的问题；本发明采用金属管焊接的形式能完全做到隔离水汽，适应飞行器多次重复使用的要求。与传统堆积热控相比，本发明能够完全解决地面试验时冷热交替使得空气凝露，湿气进入绝热材料造成绝热性能容易丧失的问题；相比与传统的真空绝热管，本发明的尺寸较小，质量小，能够完全适应轨姿控动力系统的结构紧凑的总装布局。本发明相比传统的真空绝热管相比，本发明的细长绝热管能随着系统布局的要求进行任意角度与空间的弯制，且在弯头处为连续管，无焊缝，仅在管路的两端有焊缝，大大减少了产品的焊缝数量，增加了产品的可靠性，减少了制作过程的成本。本发明与传统软管绝热结构相比，因为飞行器中存在大量摆动振动情景，软管一方面重量大，另一方面由于软的性质，不好固定，容易变形，导致软管力学环境复杂，因此软管绝热结构不适用于飞行器中，而本发明质量轻，并且采用硬管结构，不易变形，能够适用于飞行器等环境中。
综上所述，本发明针对低温轨姿控动力提供了一种小规格尺寸，可进行重复使用，耐潮防吸湿的细长绝热管路结构，以及其制作的方法。本发明适用于空间飞行器用低温推进剂输送，尤其是细长管路的低温推进剂输送，对系统低温推进剂输送具有较好的热控效果，与现有的低温推进剂输送采用堆积热控包覆的管路相比,具有维护简单、管路截面空间尺寸小、防潮防吸湿、完全重复使用的优点。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种真空绝热管结构，其特征在于，包括内导管(1)、外套管(2)、绝热支撑(3)、夹套法兰结构以及外套管连接件(6)；
所述外套管(2)套装在所述内导管(1)外侧，外套管(2)与内导管(1)均具有一个或多个弯曲部，在所述弯曲部处，所述外套管(2)与内导管(1)之间设置有绝热支撑(3)；
所述外套管(2)的端部通过所述外套管连接件(6)与所述夹套法兰结构连接，所述内导管(1)的端部与所述夹套法兰结构连接；所述外套管(2)和/或夹套法兰结构上开设有真空换气口(7)。
2.根据权利要求1所述的真空绝热管结构，其特征在于，真空绝热管结构为细长绝热管，所述细长为所述真空绝热管结构的外径与长度之比小于1:40；
所述外套管(2)在制作加工前为金属直管，其内表面光亮，其内径大于内导管(1)外径1～3mm。
3.根据权利要求1所述的真空绝热管结构，其特征在于，所述夹套法兰结构包括夹套法兰本体(4)与夹套法兰内衬(5)，所述夹套法兰内衬(5)套装在所述夹套法兰本体(4)内，所述夹套法兰内衬(5)直接与所述内导管(1)连接，所述夹套法兰本体(4)通过所述外套管连接件(6)与所述外套管(2)连接；
所述外套管(2)和/或夹套法兰本体(4)上开设有真空换气口(7)；
法兰内衬(4)与法兰本体(5)接触的部位为减少金属导热，设计厚度在1mm以内；
所述夹套法兰本体(4)端面配有密封面或是密封槽用于管路间的连接密封，在夹套法兰本体4端面中间设计有凹陷结构用于安装所述夹套法兰内衬(5)。
4.根据权利要求1所述的真空绝热管结构，其特征在于，所述绝热支撑(3)的数量根据弯曲部的弯曲角度决定；
弯曲部弯曲角度在90゜以内，绝热支撑(3)的数量为2个；
弯曲部弯曲角度大于90゜小于180゜，绝热支撑(3)的数量为3个。
5.根据权利要求1所述的真空绝热管结构，其特征在于，绝热支撑(3)的材料选择为具有较强硬度，较低热导率的材料；绝热支撑的厚度在3mm以内；
绝热支撑(31)为设置有剪裁部(31)的圆环结构，所述剪裁部(31)沿圆环结构的周向布置；所述剪裁部(31)用于减少绝热支撑(3)与外套管(2)的接触表面积从而减少热量传递，也用于制造真空绝热管结构时，灌砂倒砂步骤中，砂粒能正常进出夹套结构。
6.根据权利要求1所述的真空绝热管结构，其特征在于，所述外套管连接件(6)为环状结构，且为不锈钢材质制成。
7.一种真空绝热管结构的制造方法，其特征在于，用于制造所述的真空绝热管结构，包括如下步骤：
S1、尺寸量取；
S2、夹套灌沙；
S3、绝热管弯制；
S4、夹套清砂；
S5、弯制检查；
S6、夹套法兰焊接；
S7、法兰与绝热管焊接；
S8、夹层抽空密封。
8.根据权利要求7所述的真空绝热管结构的制造方法，其特征在于，所述步骤S1包括：根据实际需求弯制样棒并量取样棒的长度，选取对应规格金属直管清洗烘干后作为内导管(1)与外套管(2)，并根据样棒长度量取内导管(1)的长度，外套管(2)的长度在内导管的长度的基础上减去两端各2～5mm，再用量绳量取样棒折弯或弯曲位置，并根据折弯或弯曲角度确定绝热支撑(3)数量及位置，用记号笔在内导管与外套管支撑安装的对应位置做好记号，将绝热支撑(3)套入内导管(1)，并用胶水固定，待胶水凝固后，将带有绝热支撑(3)的内导管(1)塞入外套管(2)中，两端各留出2～5mm，形成半成品绝热管，所述半成品绝热管为夹套结构；
所述S2包括：将堵盖工装固定在半成品绝热管的一端，将半成品绝热管竖立，对内导管(1)与外套管(2)之间的夹层进行灌砂；灌砂后在半成品绝热管的另一侧也塞入堵盖工装，封堵半成品绝热管，并用夹紧工装夹紧堵盖工装，加固堵盖工装对于半成品绝热管的封堵；
所述步骤S3包括：比照所需弯制的样棒将半成品绝热管放置于弯制模具上在所需的位置弯制到所需大小的角度。
9.根据权利要求8所述的真空绝热管结构的制造方法，其特征在于，
所述步骤S4包括：半成品绝热管弯制后取下一头的堵盖工装，去除夹层内的铁砂；
所述步骤S5包括：采用万用表测量内所述导管(1)与所述外套管(2)之间的电阻阻值，观察期是否为开路状态，如其显示为开路状态则可认为弯制合格；
或通过X光拍片的方式对弯曲部进行检查；
所述步骤S6包括：
将所述夹套法兰本体(4)放置夹套法兰内衬(5)的中心部位，后进行激光焊接；焊接后对密封平面进行车加工，用于保证密封平面度与粗糙度。
10.根据权利要求9所述的真空绝热管结构的制造方法，其特征在于，
所述步骤S7包括：
先将外套管连接件(6)套在弯制完的绝热管的外套管(2)上，并在半成品绝热管夹层中投入吸气剂，再将内导管(1)与夹套法兰内衬(5)进行焊接，而后，将外套管连接件(6)移至法兰本体(4)与外套管(2)空缺处，对其两端进行焊接，最后通过X关拍片检查外套管连接件(4)与法兰本体(4)、外套管(2)的焊缝质量；
所述步骤S8包括：将安装夹套法兰结构后的夹层间管路抽空至10-3Pa，并完成对真空换气口(7)焊接封堵，最终完成所述绝热管结构的制作。
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