JP3702376B2

JP3702376B2 - ロケット室を製作する方法

Info

Publication number: JP3702376B2
Application number: JP33121095A
Authority: JP
Inventors: マーク・エル・ハートマン; ラッセル・ゼー・メルニック; ダニエル・エー・ベールス
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1995-11-28
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2015-11-28
Also published as: EP0720876A2; JPH08210184A; DE69525518T2; EP0720876B1; US5546656A; DE69525518D1; EP0720876A3

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、熱交換器に関し、更に詳細には、ロケットに使用される管状熱交換器を形成する方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
例えば宇宙飛行に使用されるようなロケットエンジンの設計及び製作には、非常に費用がかかる。また、ロケットにより有効搭載量（ペイロード）を宇宙又は近地球軌道に運ぶことができるようにする要求も連続して増大している。その結果として、このようなロケットエンジンの製作においては、ロケットエンジンに組み込まれる構成要素を製作するコストを低減することができる新しい方法が絶えまなく捜し求められている。
【０００３】
このようなロケットエンジンの構成要素のひとつとして、ロケット推力室があり、このロケット推力室内においてロケットエンジンの推進薬が燃焼され、加速される。この場合、推力室を通して動く推進薬の温度は非常に高いので、推力室の壁は持続するエンジン燃焼が要求されるこれらの適用においては冷却しなければならない。このような冷却は、典型的に、推力室の内壁を形成する管又は通路を通して冷却材を流すことにより行われる。
【０００４】
このような推力室の典型的な例が、米国特許第３，２０８，１３２号明細書に示されている。すなわち、この米国特許明細書は、爆発成形法によって２枚のシートにそれぞれ冷却材流れ通路が形成されるように製作されているロケット室を開示している。したがって、このように形成された２枚のシートはその後一緒に溶接又はろう付けして独立する流れ通路を形成するようにしなければならないが、これら溶接部の完全性を点検するのは難しい。また、米国特許第３，１９０，０７０号明細書は、予め形成された複数の冷却材管から形成されているロケット室を開示している。しかしながら、このような冷却材管は、それらの管群がロケット室の構造用ジャケットを燃焼生成物から十分に遮へいするのを確実にするために精密な公差で製作しなければならない。更に、米国特許第３，５９５，０２５号明細書は、構造用ジャケットと組み合ったときに冷却通路を形成する複数の溝を有するロケット室用ライナを開示している。しかしながら、このような溝はライナに機械加工によって形成しなければならず、したがってその製作に多大な労力を要求される。
【０００５】
以上述べたことから、それほど精密でない公差で製作でき、また従来技術よりも少ない労力で製作でき、更に容易に点検することができるロケット推力室の製作方法が要望されている。
【０００６】
【発明の概要】
したがって、本発明の目的は、隣接する冷却材管間を確実に結合できると共に簡単な製作技術を提供することができるロケット推力室の製作方法を提供することにある。
【０００７】
すなわち、本発明の好適な実施例によれば、複数の管が互いに接して構造用ジャケットに置かれジャケット内に管群を形成する。各管の両端はジャケットに対して密封され、またライナが管群内に置かれてジャケットに対して密封される。このように組立てた組立体が、それから、コールドアイソスタティック圧力室（以下ＣＩＰ室という）内に置かれる。そして、ＣＩＰ室は管が実質的な塑性又は超塑性変形に容易にさらされる圧力にまで昇圧され、これにより管が膨らんで変形し、構造用ジャケット及び隣接する他の管に緊密に接触すると共に、ライナも膨らんで変形し、管に緊密に接触する。それから、上記組立体、すなわち構造用ジャケット、管及びライナは各管、この管に直接に隣接する他の管及びライナを更に変形させて更に緊密な接触状態にするのに十分な周波数及び振幅で超音波振動にさらされ、これにより原子結合が生じる。圧力は、管が他の管、ライナ及び構造用ジャケットに結合されるまで維持される。これらの管、ライナ及び構造用ジャケットは、それから、周囲条件すなわち大気圧状態に戻される。以上述べた本発明の好適な実施例におけるライナは、第１の変形例によれば、管とジャケットとの結合中管に結合できないようにされる。また、第２の変形例によれば、ライナはツーピース型のマンドレルに置換され、このマンドレルは結合がひとたび完了すると推力室から取り除くことができる。
【０００８】
本発明の上述した特徴及び利益は、添付図面を参照して詳述する下記の説明からより一層明らかになるであろう。
【０００９】
【発明を実施するための最良の形態】
図１は本発明によるロケット推力室の構造用ジャケット１０を示し、構造用ジャケット１０は中央軸線５０を有している。なお、本発明をロケット推力室について適用した例について説明するけれども、この例は模範的な例であって、本発明の請求の範囲を限定するものではない。構造用ジャケット１０は、ジャケット１０の一方端１２に隣接すると共に半径方向に取り囲む複数のマニホルド入口穴１１と、このマニホルド入口穴と同じ数であって、ジャケット１０の反対側の他方端１４に隣接すると共に半径方向に取り囲むマニホルド出口穴１３とを包含する。そして、ジャケット１０の内表面１５は、例えば銅のような結合材料の層（図示せず）によって被覆されている。また、ジャケット１０は、その構造上の特質から、好適には、例えばステンレス鋼のような高張力材料によって作られている。
【００１０】
そして、本発明の好適な実施例によれば、図２に示されるように、各々入口穴１１及び出口穴１３よりもわずかに小さい外径を有する複数の管２０が、構造用ジャケット１０の内表面１５の軸方向形状と適合する形状に形成されている。これらの管２０は、好適には、例えば銅又は銅合金のような高伝導材料によって作られ、図３に示されるように外表面５２及び内表面５４を有する。各管２０は、構造用ジャケット１０に沿って軸方向に延びるように構造用ジャケット１０内に置かれる。それから、各管２０の一方端２２が１つの入口穴１１に挿入され、また各管２０の他方端２３が１つの出口穴１３に挿入される。それから、各管２０の両端２２、２３が好適には溶接によって密封され、これにより入口穴１１及び出口穴１３を通して構造用ジャケット１０の内表面１５と外表面２４との間が連通するのが防止される。したがって、複数の軸方向に整列された管２０は、構造用ジャケット１０の軸方向に沿う管群２５を形成し、この管群２５の断面が図４に示されている。
【００１１】
各管２０がジャケット１０に固着された後、図５に示されるように、多少円筒形の形のライナ３０が管群２５内に挿入される。ライナ３０は本質的には“バッグ”であり、この“バッグ”は好適には例えば銅又は銅合金のような高熱伝導性を有する材料によって作られている。ライナ３０の厚さは好適には０．２５４〜０．３８１ｍｍ（０．０１０〜０．０１５インチ）であり、これによりライナ３０を破壊することなしにジャケット１０ののど部３１を通して圧入するのに十分な展性のある“バッグ”が作られる。ライナ３０は、ジャケット１０の中央軸線５０と同軸である長手方向軸線３２、内面３３及び外面３４を有する。また、ライナ３０は、その外面３４に少なくとも１つのパージ口３５を有すると共に、このパージ口３５に接続されたパージライン又は管路４０を有する。パージ管路４０は、ライナ３０の外面３４からライナ３０の一端４１を通してライナの外へ延びている。そして、パージ管路４０はこのパージ管路４０を選択的に開閉する弁４２を有している。
【００１２】
しかして、ライナ３０が管群２５内に置かれた後に、ライナ３０はその外周でジャケット１０の両端に対して好適には溶接により密封される。電子ビーム溶接部４３、４４がライナ３０をジャケット１０に対して密封し、また密封溶接部４５、５１が１つの入口又は出口穴１１又は１３内において管２０の両端２２、２３の各々を密封する結果として、隔離された容積部５３（図６を参照）がライナ３０の外面３４、ジャケット１０の内表面１５及び各管２０の外表面５２によって限定される。この隔離容積部５３は、弁４２が開放されたパージ管路４０を通してのみジャケット１０の外表面２４に連通する。また、各管２０の内表面５４、ジャケット１０の外表面２４及びライナ３０の内面３３は常に大気圧にさらされている。このような状態の下で、パージ管路４０を真空吸引し、ヘリウムガス棒をジャケット１０及びライナ３０のまわりに通すことによって管２０の漏れを検査することができる。この検査のために、ヘリウムが隔離容積部５３に漏れたかどうかを判定する真空装置用検出装置が使用される。そして、ひとたび漏れが存在しないことが確認されると、パージ管路４０を使用して水素による洗浄サイクルが行われる。それから、パージ管路４０を使用して隔離容積部５３からガスを排出する。このガスが排出された後に、パージ管路４０の弁４２は閉じられ、これにより、管２０の外表面５２、構造用ジャケット１０の内表面１５及びライナ３０の外面３４を大気圧から隔離する。ライナ３０、管２０及びジャケット１０の相対的な配置は、図６に断面で示されている。
【００１３】
これらのライナ３０、管２０及びジャケット１０から成る組立体は、それから、ＣＩＰ室内に置かれる。そして、ＣＩＰ室は、高圧力（典型的には６０ｋｓｉ）に加圧され、この高圧力で管２０の塑性又は超塑性変形が生じ、したがって各管２０を加圧する。各管２０の外表面５２は真空にさらされるので、各管２０は膨らみ、隣接する他の管２０、ジャケット１０及びライナ３０に緊密に接触する。また、ライナ３０の内面３３は外面３４よりも非常に高い圧力にさらされるので、ライナ３０も同様に膨らんで管２０に緊密に接触し、これによりライナ３０は図７に示されるように管２０によって形成されている波形模様の形状に変形する。上記組立体は、それから、超音波振動にさらされ、その振幅で各管２０とこの管に直接に隣接する他の管２０との接触部及び各管２０と、構造用ジャケット１０とライナ３０との接触部に変形が生じる。このような超音波による結合は当業界では知られており、したがってこの特徴は本発明の範囲外のものである。超音波溶接機械は、例えばアメリカ合衆国コネチカット州ダンベリーに所在するブランサンウルトラソニックスコーポレーション（ＢｒａｎｓｏｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）などの製造会社から商業的に入手することができる。この超音波振動によって、各管２０をこの管に接触している他の管２０、構造用ジャケット１０及びライナ３０に局部的に結合するのに十分な局部的な変形を生じさせることができる。このように結合した結果の組立体が、図８に示されている。超音波振動による結合が完了した後は、ＣＩＰ室内の圧力は大気圧に減圧され、それから上記組立体がＣＩＰ室から取り出される。このようにして製作した推力室は、一体化したライナ３０、管群２５及びジャケット１０から成る。入口穴１１及び出口穴１３から外方に延びる管２０の両端２２、２３の突出部分は、機械で切断して滑らかなマニホルドオリフィスにすることができる。更に、当業者であれば、加圧と超音波結合とを同時に行うことができ、また管２０が超音波結合をすることができない材料で作られている場合には、管２０を例えば銅のような結合材料で被覆することができ、これにより本発明の利益を超音波結合をすることができる材料で作られている管２０に限定することなく得ることができることを容易に認識できよう。
【００１４】
幾つかのロケットへの適用において、ライナ３０を推力室から完全に取り除くことが望まれるほどにライナ３０を通しての熱束が非常に大きいことがある。このような場合、本発明の第１の変形例によれば、ライナ３０をはく離剤で被覆して、ライナ３０と管２０との結合を防止することができるようにしている。そして、この場合にあっても、上述した好適な実施例による方法がそれから同様に行われる。ただし、ライナ３０は超音波結合がひとたび完了すると、上記組立体から取り除かれる。
【００１５】
次に、本発明の第２の変形例が図９〜図１１に示されている。この本発明の第２の変形例は、上述した好適な実施例とは、ライナ３０を管群２５内に挿入するに代えて、図９に示されるように、ツーピース型のマンドレル５９を管群２５内に挿入した点を除いて、同じである。マンドレル５９は、構造用ジャケット１０の中央軸線５０に沿って延びる長手方向軸線６６と、第１のピース６０と、第２のピース６１とを有し、第１のピース６０は長手方向軸線６６に沿って最小径部６２で第２のピース６１に結合されている。また、図１０に示されるように、マンドレル５９の外面６３は複数の谷部６４を有する波形模様に形成され、これら谷部６４の数は管２０の数と等しくされている。そして、マンドレル５９の外面６３は、好適には、はく離剤で被覆されていると共に、波形模様の外面６３からマンドレル５９の一端７１を通して延びる少なくともひとつのパージ管路６５を有する。また、上述した好適な実施例と同様に、パージ管路６５は、このパージ管路６５を選択的に開閉する弁７２を有している。
【００１６】
しかして、ツーピース型のマンドレル５９が管群２５内に置かれた後に、ジャケット１０の両端１２、１４はマンドレル５９に対してその外周で好適には電子ビーム溶接により密封される。電子ビーム溶接部７３、７４がマンドレル５９をジャケット１０に対して密封し、また溶接部７５、７６が１つの入口又は出口穴１１又は１３内において管２０の両端８０、８１の各々を密封する結果として、上述したと同様な隔離された容積部８２がマンドレル５９によって作られ、このマンドレル５９は境界部として上述した好適な実施例のライナ３０の代りとなるものである。したがって、各管２０の内表面５４、ジャケット１０の外表面２４及びマンドレル５９の外面６３は常に大気圧にさらされる。それから、隔離容積部８２には上述したように漏れ検査がなされ、その後水素による洗浄サイクルが行われ、その後ガスが隔離容積部８２から排出され、弁７２が閉じられる。
【００１７】
これらのマンドレル５９、管２０及びジャケット１０から成る組立体は、それから、ＣＩＰ室内に置かれ、その後管２０の塑性又は超塑性変形が生じる所要温度にまで昇温される。ＣＩＰ室は、それから、高圧力（典型的には６０ｋｓｉ）に加圧され、これにより各管２０が上述した好適な実施例で述べたように膨らみ、隣接する他の管２０、ジャケット１０及びマンドレル５９の波形模様外面６３に緊密に接触する。それから、上述した好適な実施例で述べたように、超音波振動により、各管２０は隣接する他の管２０及び構造用ジャケット１０に結合する。上述したように、加圧と超音波結合とは連続して行う必要はなく、同時に行うことができる。管２０は、しかし、管２０がマンドレル５９の谷部６４に結合するのを防止するはく離剤のために、マンドレル５９には結合することができない。結合が完了した後に、ＣＩＰ室内の圧力は大気圧に減圧され、それから上記組立体がＣＩＰ室から取り出される。それから円周溶接部７３、７４が機械で切断されて、マンドレル５９が構造用ジャケット１０から切り離され、これによりマンドレル５９を取り除くことができるようになる。このように製作した推力室は、図１１に示されるように、複数の管２０から成る管群と、この管群に一体化したジャケット１０とから成る。入口穴１１及び出口穴１３から外方に延びる管２０の両端２２、２３の突出部分は、機械で切断して滑らかなマニホルドオリフィスにすることができる。
【００１８】
結合強度を増大するために、上述した好適な実施例及び第１、第２の各変形例において、被覆材料により構造用ジャケットの内径部及び管の外径部、更に好適な実施例にあってはライナの外径部をそれぞれ被覆することができることを理解すべきである。また、上述したロケット推力室の重量を減少するために、上述した各実施及び変形例におけるジャケットを、ステンレス鋼に代えて、例えば銅グラファイトのような複合材料で作ることもできる。ただし、ジャケット用に選択される複合材料は管が作られている材料又は管を被覆している材料である結合材料と結合できるものでなければならない。
【００１９】
以上本発明を添付図面に例示した好適な実施例及び第１、第２の変形例について詳述したけれども、本発明はこれら特定の例に決して限定されるものではなく、当業者であれば本発明の精神及び範囲を逸脱することなしに、種々の変化変形がなし得ることを理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるロケット推力室の構造用ジャケットの断面図である。
【図２】図１の構造用ジャケットと、このジャケット内に設けられている複数の管とを示す断面図である。
【図３】１本の管の断面図である。
【図４】図２の４−４線断面図である。
【図５】図２の構造用ジャケット及び管と、本発明の好適な実施例にしたがって管群内に挿入されているライナとを示す断面図である。
【図６】図５の６−６線断面図である。
【図７】ジャケットに対する管の変形と、管に対するライナの変形とを示す、図６と同様な図である。
【図８】管と、ジャケットと、ライナとを結合した後の状態を示す、図７と同様な図である。
【図９】図２の構造用ジャケット及び管と、本発明の変形にしたがって管群内に挿入されているマンドレルとを示す断面図である。
【図１０】図９の１０−１０線断面図であって、ジャケットとマンドレルとの間の管の変形を示す。
【図１１】管とジャケットとを結合し、マンドレルを取り除いた後の状態を示す、図１０と同様な図である。
【符号の説明】
１０構造用ジャケット
１１マニホルド入口穴
１２ジャケットの一方端
１３マニホルド出口穴
１４ジャケットの他方端
１５ジャケットの内表面
２０管
２２管の一方端
２３管の他方端
２４ジャケットの外表面
２５管群
３０ライナ
３１ジャケットののど部
３２ライナの長手方向軸線
３３ライナの内面
３４ライナの外面
３５パージ穴
４０パージ管路
４１ライナの一端
４２弁
４３，４４，４５，５１溶接部
５０ジャケットの中央軸線
５２管の外表面
５３隔離容積部
５４管の内表面
５９マンドレル
６０マンドレルの第１のピース
６１マンドレルの第２のピース
６２マンドレルの最小径部
６３マンドレルの外面
６４谷部
６５パージ管路
６６マンドレルの長手方向軸線
７０パージ穴
７１マンドレルの一端
７２弁
７３，７４，７５，７６溶接部
８０管の一方端
８１管の他方端
８２隔離容積部

Claims

管状通路を有するロケット室を製作する方法において、
第１の端、この第１の端と反対側の第２の端、外表面及び結合材料で被覆されている内表面を有する構造用ジャケットであって、更に、前記第１の端及び第２の端にそれぞれ隣接してジャケットを貫通している複数の第１の穴及び第２の穴を有するジャケットを作り、
それから、結合材料から成る外表面を有する複数の管を前記ジャケット内に配置して、各管の第１の管端を前記第１の穴のひとつに位置させると共に、各管の第２の管端を前記第２の穴のひとつに位置させて、管群を形成し、
それから、前記ジャケットをその第１及び第２の各穴で各管端に溶接して密封し、これによりジャケットの内表面と外表面とが第１及び第２の穴を通して連通するのを防止し、
それから、結合材料で被覆されているライナであって、このライナを貫通しているパージ穴及びこのパージ穴に接続されているパージ管路を有する前記ライナを前記管群内に配置し、
それから、前記ジャケットの第１及び第２の端の周囲を前記ライナに溶接して密封し、これにより前記ライナ、ジャケット及び各管の外側により制限されると共にジャケットの外表面に前記パージ管路を通してのみ連通する隔離容積部を限定し、
それから、この隔離容積部を排気すると共に、前記パージ管路を密封し、
それから、前記ジャケット、管及びライナから成る組立体をコールドアイソスタティック圧力室内に置いて、この圧力室の圧力を管の塑性又は超塑性変形が生じる圧力まで昇圧し、これより各管を膨らませて、他の直接に隣接する管、ジャケットの内表面及びライナに緊密に接触させると共に、ライナを同時に膨らませて管に緊密に接触させ、その後前記組立体を、各管とこの管に接触している他の直接に隣接する管、ライナ及びジャケットの内表面との接触部分で変形を生じさせるのに十分な周波数及び振幅で、超音波振動にさらし、前記変形により前記接触部分で原子結合を生じさせるようにしたことを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、前記ジャケットは複合材料で作られている、方法。
請求項２記載の方法において、前記パージ管路はこのパージ管路を選択的に開閉する弁を有している、方法。
請求項３記載の方法において、前記結合材料は銅である、方法。
管状通路を有するロケット室を製作する方法において、
第１の端、この第１の端と反対側の第２の端、外表面及び結合材料で被覆されている内表面を有する構造用ジャケットであって、更に、前記第１の端及び第２の端にそれぞれ隣接してジャケットを貫通している複数の第１の穴及び第２の穴を有するジャケットを作り、
それから、結合材料から成る外表面を有する複数の管を前記ジャケット内に配置して、各管の第１の管端を前記第１の穴のひとつに位置させると共に、各管の第２の管端を前記第２の穴のひとつに位置させて、管群を形成し、
それから、前記ジャケットをその第１及び第２の各穴で各管端に溶接して密封し、これによりジャケットの内表面と外表面とが第１及び第２の穴を通して連通するのを防止し、
それから、はく離剤で被覆されているライナであって、このライナを貫通しているパージ穴及びこのパージ穴に接続されているパージ管路を有する前記ライナを前記管群内に配置し、
それから、前記ジャケットの第１及び第２の端の周囲を前記ライナに溶接して密封し、これにより前記ライナ、ジャケット及び各管の外側により制限されると共にジャケットの外表面に前記パージ管路を通してのみ連通する隔離容積部を限定し、
それから、この隔離容積部を排気すると共に、前記パージ管路を密封し、
それから、前記ジャケット、管及びライナから成る組立体をコールドアイソスタティック圧力室内に置いて、この圧力室の圧力を管の塑性又は超塑性変形が生じる圧力まで昇圧し、これより各管を膨らませて、他の直接に隣接する管、ジャケットの内表面及びライナに緊密に接触させると共に、ライナを同時に膨らませて管に緊密に接触させ、その後前記組立体を、各管とこの管に接触している他の直接に隣接する管、ライナ及びジャケットの内表面との接触部分で変形を生じさせるのに十分な周波数及び振幅で、超音波振動にさらし、前記変形により前記接触部分で原子結合を生じさせ、
それから、前記ライナを管群から取り除くようにしたことを特徴とする方法。
請求項５記載の方法において、前記ジャケットは複合材料で作られている、方法。
請求項６記載の方法において、前記パージ管路はこのパージ管路を選択的に開閉する弁を有している、方法。
請求項７記載の方法において、前記結合材料は銅である、方法。
管状通路を有するロケット室を製作する方法において、
第１の端、この第１の端と反対側の第２の端、外表面及び結合材料で被覆されている内表面を有する構造用ジャケットであって、更に、前記第１の端及び第２の端にそれぞれ隣接してジャケットを貫通している複数の第１の穴及び第２の穴を有するジャケットを作り、
それから、結合材料から成る外表面を有している複数の管を前記ジャケット内に配置して、各管の第１の管端を前記第１の穴のひとつに位置させると共に、各管の第２の管端を前記第２の穴のひとつに位置させて、管群を形成し、
それから、前記ジャケットをその第１及び第２の各穴で各管端に溶接して密封し、これによりジャケットの内表面と外表面とが第１及び第２の穴を通して連通するのを防止し、
それから、マンドレルであって、このマンドレルを貫通しているパージ穴及びこのパージ穴に接続されているパージ管路を有する前記マンドレルを前記管群内に配置し、
それから、前記ジャケットの第１及び第２の端の周囲を前記マンドレルに溶接して密封し、これにより前記マンドレル、ジャケット及び各管の外側により制限されると共にジャケットの外表面に前記パージ管路を通してのみ連通する隔離容積部を限定し、
それから、この隔離容積部を排気すると共に、前記パージ管路を密封し、
それから、前記ジャケット、管及びマンドレルから成る組立体をコールドアイソスタティック圧力室内に置いて、この圧力室の圧力を管の塑性又は超塑性変形が生じる圧力まで昇圧し、これより各管を膨らませて、他の直接に隣接する管、ジャケットの内表面及びマンドレルに緊密に接触させ、その後前記組立体を、各管とこの管に接触している他の直接に隣接する管、マンドレル及びジャケットの内表面との接触部分で変形を生じさせるのに十分な周波数及び振幅で、超音波振動にさらし、前記変形により前記接触部分で原子結合を生じさせるようにしたことを特徴とする方法。
請求項９記載の方法において、前記マンドレルは管がマンドレルに結合するのを防止するはく離剤の被覆物を有している、方法。
請求項１０記載の方法において、前記マンドレルはマンドレルを通して延びる長手方向軸線及び管の数と等しい数の、軸方向に延びる谷部を包含する波形模様の外面を有し、前記パージ管路がこの波形模様の外面に連通すると共に、マンドレルを貫通し、かつマンドレルの他の面を通してマンドレルから突出している、方法。
請求項１１記載の方法において、前記パージ管路はこのパージ管路を選択的に開閉する弁を有している、方法。
請求項１２記載の方法において、前記結合材料は銅である、方法。