[实用新型]一种喷淋式主动冷却装置

说明书

技术领域

本实用新型属于空间低温技术领域，特别涉及一种用于微重力空间下液氢低温存储的喷淋式主动冷却装置。

背景技术

低温推进剂被公认为是未来进入太空及空间轨道转移最经济、效率最高的化学推进剂，也是进行星球探测的首选推进剂。在太空中，影响和制约低温推进剂蒸发与放空的主要因素是微重力空间环境，同时低温推进剂长时间在轨应用的核心是如何解决推进剂蒸发量的控制问题。空间系统上实现长周期、低蒸发损失的低温流体贮存，是关系未来人类空间探索的重大关键技术之一，开展该领域的研究具有重要的学术价值和工程应用意义。而低温推进剂无损存储技术（ZBO）是指借助先进的低温制冷和低温绝热等技术平衡低温推进剂储槽的漏热损失，从而使得储槽内低温推进剂的蒸发率显著降低，甚至降低为零，并保持低温推进剂储槽内部压力恒定的一种储存方法。我国载人航天工程已突破天地往返和出舱活动等技术，载人航天任务由中短期太空飞行转为长期空间驻留，载人空间站工程等后续任务已提上日程。随着我国空间技术的发展，微重力下ZBO储存技术成为亟待突破的重大科学问题，这对于我国空间技术的突破和载人航天技术的安全实施有着重要的意义。

目前针对ZBO技术，科技人员已做了大量的工作，例如美国专利US006073450A“Combined diffuser and recirculation manifold in a propellant tank”提出的ZBO储仓模型结构包括推进剂储箱、歧管、歧管管路、增压气体管路及排气管路。歧管位于推进剂储箱的上部，推进剂储箱中的气体通过歧管排出，在歧管孔口淹没之前停止排气。通过歧管引导储箱中低温液体推进剂的蒸汽再循环，引出储箱，冷却以及引导循环蒸汽返回储箱的过程，从而使储箱中的液体致密。美国专利US005644920A“Liquid propellant densification”同样提出一种低温推进剂储存系统，该系统通过将低温液体推进剂过冷的方式使其致密化，从而实现在降低蒸汽压力和操作压力的同时，同样的储箱体积能够携带更多的推进剂。美国专利US20080134693A1“Storage tank for a cryogenic liquid and method of re-filling same”中描述了一种用于储存低温液体的低温储箱，以及一种低温液体重注的方式。HoSon等在国际期刊International journal of hydrogen energy33(2008)878-888中的“Nozzle injection displacement mixing in a zero boil-off hydrogen storage tank”一文提出的ZBO储仓结构形式包括仓体、换热器、导管、分配器及喷嘴。由于飞行器在空中运行时，热量从壁面导入，壁面的最高温度就是整个流体区域的最高温度。通过模拟及实验可知，仓体中存在着两个高温的死滞区，分别位于贮仓的底部和顶部。如何降低这两处及整体仓体的温度就变得十分重要了，虽然HoSon提出的结构形式能降低仓体顶部的高温及整体仓体温度，但其中仍存在许多问题，如低温流体从中间喷口喷出后要经过很长的距离才能到达壁面上，此时速度已经非常小，不仅起不到很好的冷却效果，而且由于其方向垂直于贮仓底部壁面，还有可能将壁面上的形成的气泡压在壁面上使其更难脱离壁面，或者将已经脱离的气泡带回壁面附近，这对液氢的安全储存非常不利。由于上述专利和现有文献中涉及的低温储箱，没有充分考虑到储箱内部低温流体的流场和热场对于储箱最高温度及漏热量的影响，不能有效地解决仓体底部或者其他位置的高温区，这对飞行器的运行和低温推进剂的消耗都会产生较大影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有低温储仓系统温度分布不均匀的缺点，提供了一种冷却低温储仓壁面温度（尤其是底部壁面温度）的喷淋式主动冷却装置。

为了达到以上目的，本实用新型采用的技术方案是：包括仓体以及设置在仓体出口并与仓体相连通的换热器及布置在换热器内的液体泵，在仓体内设置有与换热器相连通的导管，导管的另一端安装有与导管相连通的水平环形分配器及与水平环形分配器相垂直的导引管，所述的水平环形分配器的外沿下表面开设有一环形喷嘴，导引管的下端开设有导引管喷嘴。

所述的导引管位于环形分配器中心处，导引管的中线和环形分配器以及导管的中线重合。

所述的仓体半径为R，导引管出口距离仓体底部的距离为0.1-0.15R，导引管直径取0.005-0.01R；水平环形分配器的半径为0.75-0.85R；环形喷嘴的宽度为0.01-0.03R；导管长度为0.53R，直径为0.01R。