一种防冻结过冷装置及火箭的制作方法

1.本发明涉及冷却装置技术领域，具体涉及一种防冻结过冷装置及火箭。


背景技术：

2.随着航天技术的发展，低温运载火箭逐渐迈向商业化，液甲烷作为一种燃料推进剂受到越来越多的关注，通过过冷的方式可以改善液甲烷的热力学性能、增加其自身密度、降低饱和压力等，从而提升火箭的有效载荷，具有巨大的应用价值。现有技术中常采用液氮作为冷却介质，通过液氮与液甲烷进行热交换来对液甲烷进行冷却，然而，液甲烷的冷却需要适度，在对液甲烷进行过冷冷却的过程中，若液氮的温度过低，则会造成液甲烷冻结，从而造成加注管路堵塞、加注延迟等问题，进而影响火箭发射及运行。现有技术中有使用抽空减压装置来进行升温的过冷装置，然而该装置需要先对作为冷却介质液氮进行抽空减压，以使液氮的饱和温度升高，然后使用使用升温后的液氮对液甲烷进行冷却，以防止液甲烷冻结，因而需要设置盛放冷却介质的容器及管路，整体结构复杂。


技术实现要素：

3.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中防冻结过冷装置结构复杂的缺陷，从而提供一种结构简单的防冻结过冷装置。
4.为解决上述技术问题，本发明提供的一种防冻结过冷装置，包括：
5.储罐，适于盛放待冷却介质，所述待冷却介质具有气体状态和液体状态；
6.真空泵，与所述储罐连通，适于抽出所述储罐中呈气体状态的所述待冷却介质；
7.压力控制模块，适于检测所述储罐内的压力，并根据检测到的压力值控制所述真空泵的转速。
8.可选的，所述压力控制模块包括：压力表，所述压力表与所述储罐内部连通，适于检测所述储罐中的压力。
9.可选的，所述防冻结过冷装置还包括：温度控制模块，所述温度控制模块适于检测呈液体状态的所述待冷却介质的温度，并根据检测到的温度控制所述真空泵的转速。
10.可选的，所述温度控制模块包括：温度计，所述温度计与所述储罐内部连通，适于检测呈液体状态的所述待冷却介质的温度。
11.可选的，所述储罐与所述真空泵之间设置有过冷管路，所述过冷管路上设置有换热设备，所述换热设备适于提高所述过冷管路中的呈气体状态的所述待冷却介质的温度。
12.可选的，所述防冻结过冷装置还包括：安全阀，所述安全阀与所述储罐内部连通，所述安全阀适于在所述储罐中的气压过高时打开。
13.可选的，所述防冻结过冷装置还包括：液位计，所述液位计与所述储罐相连，适于监控所述储罐中呈液体状态的所述待冷却介质的液位高度。
14.可选的，所述防冻结过冷装置还包括：入口管路，所述入口管路与所述储罐的入口连通，所述入口管路适于向所述储罐中通入冷却前的呈液体状态的待冷却介质；
15.出口管路，所述出口管路与所述储罐的出口连通，所述出口管路适于将所述储罐中冷却后的呈液体状态的待冷却介质导出。
16.本发明提供一种火箭，包括：
17.如上述所述的防冻结过冷装置；
18.箭上贮箱，与所述防冻结过冷装置的出口管路连通，所述出口管路适于将冷却后的待冷却介质导入所述箭上贮箱中。
19.可选的，所述箭上贮箱划分为燃料贮箱和氧化剂贮箱，所述燃料贮箱与所述氧化剂贮箱的至少部分壁面位于所述箭上贮箱内部，所述氧化剂贮箱中的氧化剂适于通过位于所述箭上贮箱内部的壁面与所述燃料贮箱中的待冷却介质进行换热。
20.本发明技术方案，具有如下优点：
21.1.本发明提供的防冻结过冷装置，通过设置真空泵与储罐连通，所述真空泵抽出所述储罐中呈气体状态的待冷却介质，使得所述储罐中压力降低，从而降低所述储罐中呈液体状态的所述待冷却介质的饱和温度，从而实现对所述呈液体状态的所述待冷却介质的冷却，同时，通过设置压力控制模块检测所述储罐内的压力，并根据检测到的压力值控制所述真空泵的转速，从而使所述储罐内的压力维持在合理范围内，避免出现因所述储罐内压力过低而造成所述待冷却介质温度过低，进而造成所述待冷却介质冻结的现象，自动化程度高，结构简单，有利于所述防冻结过冷装置的推广使用。
22.2.本发明提供的防冻结过冷装置，通过设置温度控制模块检测呈液体状态的所述待冷却介质的温度，并根据检测到的温度控制所述真空泵的转速，实现对所述储罐内压力的控制，从而实现对所述待冷却介质温度的控制，避免出现因所述真空泵转速过高造成所述储罐内压力过低，进而因所述待冷却介质温度过低而使得所述待冷却介质冻结的现象，或出现因所述真空泵转速过低造成所述储罐内压力过高，进而因所述待冷却介质温度过高而使得所述待冷却介质气化的现象出现，实现所述待冷却介质保持在合适的温度。
23.3.本发明提供的防冻结过冷装置，通过在所述储罐与所述真空泵之间的过冷管路上设置换热设备提高所述过冷管路中的呈气体状态的所述待冷却介质的温度，避免温度过低的所述待冷却介质直接进入所述真空泵而对所述真空泵造成损坏，从而实现对所述真空泵的保护。
24.4.本发明提供的防冻结过冷装置，通过设置安全阀与所述储罐内部连通，当所述储罐中的气压过高时打开所述安全阀，降低系统的压力，从而保护系统安全运行，避免发生爆炸或泄露等危险。
25.5.本发明提供的火箭，通过设置箭上贮箱与所述防冻结过冷装置的出口管路连通，实现将冷却后的待冷却介质导入所述箭上贮箱中，并且，通过设置所述箭上贮箱划分为燃料贮箱和氧化剂贮箱，所述燃料贮箱和氧化剂贮箱的至少部分壁面位于所述箭上贮箱内部，实现所述箭上贮箱只有一个壁面与外界交换热量，从而降低所述箭上贮箱的漏热量；同时，所述氧化剂贮箱中的氧化剂通过位于所述箭上贮箱内部的壁面与所述燃料贮箱中的待冷却介质进行换热，实现所述氧化剂对所述待冷却介质进行冷却，进一步实现对所述待冷却介质的过冷，且过冷过程无需额外的设备，成本低、可靠性高。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明防冻结过冷装置的示意图；
28.图2为本发明第一种燃料贮箱与氧化剂贮箱的位置关系图；
29.图3为本发明第二种燃料贮箱与氧化剂贮箱的位置关系图；
30.图4为本发明第三种燃料贮箱与氧化剂贮箱的位置关系图；
31.图5为本发明第四种燃料贮箱与氧化剂贮箱的位置关系图；
32.图6为本发明第五种燃料贮箱与氧化剂贮箱的位置关系图；
33.图7为本发明第六种燃料贮箱与氧化剂贮箱的位置关系图；
34.图8为本发明第七种燃料贮箱与氧化剂贮箱的位置关系图；
35.图9为本发明第八种燃料贮箱与氧化剂贮箱的位置关系图。
36.附图标记说明：
37.1、过滤器；2、储罐；3、压力表；4、安全阀；5、第一阀门；6、换热设备；7、第二阀门；8、止回阀；9、真空泵；10、温度计；11、液位计；12、第三阀门；13、燃料贮箱；14、氧化剂贮箱。
具体实施方式
38.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
42.实施例一
43.结合图1所示，本实施例提供的防冻结过冷装置，包括：
44.储罐2，适于盛放待冷却介质，所述待冷却介质具有气体状态和液体状态；
45.真空泵9，与所述储罐2连通，适于抽出所述储罐2中呈气体状态的所述待冷却介质；
46.压力控制模块，适于检测所述储罐2内的压力，并根据检测到的压力值控制所述真空泵9的转速。
47.需要说明的是，根据热力学原理，随着压力的降低，液体的饱和温度随之降低，因而通过所述真空泵9对所述储罐2内抽空减压，减压后的所述储罐2内的所述待冷却介质的饱和温度降低，从而实现了对所述待冷却介质的冷却，实现所述待冷却介质的过冷。
48.可选的，所述待冷却介质为液甲烷。
49.本实施例提供的防冻结过冷装置，通过设置所述真空泵9与所述储罐2连通，所述真空泵9抽出所述储罐2中呈气体状态的待冷却介质，使得所述储罐2中压力降低，从而降低所述储罐2中呈液体状态的所述待冷却介质的饱和温度，从而实现对所述呈液体状态的所述待冷却介质的冷却，同时，通过设置压力控制模块检测所述储罐2内的压力，并根据检测到的压力值控制所述真空泵9的转速，从而使所述储罐2内的压力维持在合理范围内，避免出现因所述储罐2内压力过低而造成所述待冷却介质温度过低，进而造成所述待冷却介质冻结的现象，自动化程度高，结构简单，有利于所述防冻结过冷装置的推广使用。
50.具体地，所述压力控制模块包括：压力表3，所述压力表3与所述储罐2内部连通，适于检测所述储罐2中的压力。
51.可选的，所述压力表3与控制器电连接，所述控制器适于根据所述压力表3检测到的压力值控制所述真空泵9的转速。
52.具体地，所述防冻结过冷装置还包括：温度控制模块，所述温度控制模块适于检测呈液体状态的所述待冷却介质的温度，并根据检测到的温度控制所述真空泵9的转速。
53.本实施例提供的防冻结过冷装置，通过设置温度控制模块检测呈液体状态的所述待冷却介质的温度，并根据检测到的温度控制所述真空泵9的转速，实现对所述储罐2内压力的控制，从而实现对所述待冷却介质温度的控制，避免出现因所述真空泵9转速过高造成所述储罐2内压力过低，进而因所述待冷却介质温度过低而使得所述待冷却介质冻结的现象，或出现因所述真空泵9转速过低造成所述储罐2内压力过高，进而因所述待冷却介质温度过高而使得所述待冷却介质气化的现象出现，实现所述待冷却介质保持在合适的温度。
54.具体地，所述温度控制模块包括：温度计10，所述温度计10与所述储罐2内部连通，适于检测呈液体状态的所述待冷却介质的温度。
55.可选的，所述温度计10与控制器电连接，所述控制器适于根据所述温度计10检测到的温度值控制所述真空泵9的转速，当所述温度计10检测检测到呈液体状态的所述待冷却介质的温度低于其三相点时，所述控制器立刻控制所述真空泵9停止运转，避免所述待冷却介质发生冻结。
56.具体地，所述储罐2与所述真空泵9之间设置有过冷管路，所述过冷管路上设置有换热设备6，所述换热设备6适于提高所述过冷管路中的呈气体状态的所述待冷却介质的温度。
57.本实施例提供的防冻结过冷装置，通过在所述储罐2与所述真空泵9之间的过冷管路上设置换热设备6提高所述过冷管路中的呈气体状态的所述待冷却介质的温度，避免温度过低的所述待冷却介质直接进入所述真空泵9而对所述真空泵9造成损坏，从而实现对所述真空泵9的保护。
58.可选的，所述真空泵9与所述换热设备6之间设置有止回阀8，所述止回阀8适于防
止所述过冷管路中的呈气体状态的所述待冷却介质倒流。
59.可选的，所述换热设备6与所述止回阀8之间设置有第二阀门7，所述第二阀门7适于控制所述换热设备6与所述止回阀8之间的过冷管路的通断。
60.可选的，所述换热设备6与所述储罐2之间设置有第一阀门5，所述第一阀门5适于控制所述换热设备6与所述储罐2之间的过冷管路的通断。
61.具体地，所述防冻结过冷装置还包括：安全阀4，所述安全阀4与所述储罐2内部连通，所述安全阀4适于在所述储罐2中的气压过高时打开。
62.本实施例提供的防冻结过冷装置，通过设置所述安全阀4与所述储罐2内部连通，当所述储罐2中的气压过高时打开所述安全阀4，降低系统的压力，从而保护系统安全运行，避免发生爆炸或泄露等危险。
63.具体地，所述防冻结过冷装置还包括：液位计11，所述液位计11与所述储罐2相连，适于监控所述储罐2中呈液体状态的所述待冷却介质的液位高度。
64.本实施例提供的防冻结过冷装置，通过设置所述液位计11监控所述储罐2中呈液体状态的所述待冷却介质的液位高度，便于观察，保证所述液位高度在合理的范围内波动，避免因液位高度过高而溢出至所述过冷管路中，或因所述液位过低而不能排出所述储罐2，从而保障系统的安全运行。
65.具体地，所述防冻结过冷装置还包括：入口管路，所述入口管路与所述储罐2的入口连通，所述入口管路适于向所述储罐2中通入冷却前的呈液体状态的待冷却介质；
66.出口管路，所述出口管路与所述储罐2的出口连通，所述出口管路适于将所述储罐2中冷却后的呈液体状态的待冷却介质导出。
67.可选的，所述防冻结过冷装置还包括：过滤器1，设置于所述入口管路上，适于过滤进入所述储罐2之前的所述待冷却介质。
68.可选的，所述防冻结过冷装置还包括：第三阀门12，设置于所述出口管路，适于控制所述出口管路的通断。
69.实施例二
70.结合图1-图9所示，本实施例提供的火箭，包括：
71.如上述所述的防冻结过冷装置；
72.箭上贮箱，与所述防冻结过冷装置的出口管路连通，所述出口管路适于将冷却后的待冷却介质导入所述箭上贮箱中。
73.可选的，所述火箭还包括过冷贮箱，所述过冷贮箱设置于所述防冻结过冷装置与所述箭上贮箱之间。
74.需要说明的是，当所述防冻结过冷装置应用于火箭上时，经由所述防冻结过冷装置进行冷却的待冷却介质为火箭的燃料，可选的，所述燃料为液甲烷；可以根据实际需求选择设置所述过冷贮箱或不设置所述过冷贮箱，当设置所述过冷贮箱时，所述燃料经由所述防冻结过冷装置过冷后进入所述过冷贮箱中存放，当需要向所述火箭上加注燃料时，再经由所述过冷贮箱向所述箭上贮箱加注，上述过冷步骤为加注前过冷；当不设置所述过冷贮箱时，所述燃料经由所述防冻结过冷装置过冷后直接进入所述箭上贮箱，上述过冷步骤为加注时过冷。
75.具体地，所述箭上贮箱划分为燃料贮箱13和氧化剂贮箱14，所述燃料贮箱13与所
述氧化剂贮箱14的至少部分壁面位于所述箭上贮箱内部，所述氧化剂贮箱14中的氧化剂适于通过位于所述箭上贮箱内部的壁面与所述燃料贮箱13中的待冷却介质进行换热。
76.图2-图9所示为所述箭上贮箱的燃料贮箱13与氧化剂贮箱14的八种不同的位置关系示意图，其中，图2-图4的箭上贮箱的横截面积为圆形，图5-图9的所述箭上贮箱的横截面积为跑道型，所述箭上贮箱内划分为间隔设置的所述燃料贮箱13与所述氧化剂贮箱14，所述燃料贮箱13与所述氧化剂贮箱14各自的至少部分壁面位于所述箭上贮箱内部，即所述箭上贮箱只有一个壁面与外界交换热量，从而降低所述箭上贮箱的漏热量，有利于保持所述燃料的过冷状态，其中，图2-图8中的所述燃料贮箱13与所述氧化剂贮箱14各自位于所述箭上贮箱内部的壁面为共用壁面，所述氧化剂贮箱14中的氧化剂通过共用壁面与所述燃料贮箱13中的待冷却介质进行换热，进一步实现对所述待冷却介质的过冷，图9中所述燃料贮箱13与所述氧化剂贮箱14各自位于所述箭上贮箱内部的壁面之间有较小的间隔空间，也可以实现较小程度的换热，同样降低了所述箭上贮箱的漏热量。
77.可选的，所述氧化剂为液氧。
78.需要说明的是，常压饱和液氧的温度略高于甲烷的三相点，因而使用液氧对液甲烷进行过冷，不易出现液甲烷冻结。
79.需要说明的是，液甲烷也可以直接进入箭上贮箱，在所述箭上贮箱中利用所述氧化剂对所述待冷却介质进行过冷，此时的过冷步骤为箭上过冷，箭上过冷的过冷效果有限，但无需额外的设备，不会增加成本，可以作为过冷装置的辅助装置；所述加注前过冷、加注时过冷及箭上过冷可以单独设置，也可以选择两种或三种组合设置，优选的，选择加注前过冷或加注时过冷为主要过冷，再选择箭上过冷作为辅助。
80.本实施例提供的火箭，通过设置箭上贮箱与所述防冻结过冷装置的出口管路连通，实现将冷却后的待冷却介质导入所述箭上贮箱中，并且，通过设置所述箭上贮箱划分为燃料贮箱13和氧化剂贮箱14，所述燃料贮箱13和氧化剂贮箱14的至少部分壁面位于所述箭上贮箱内部，实现所述箭上贮箱只有一个壁面与外界交换热量，从而降低所述箭上贮箱的漏热量；同时，所述氧化剂贮箱14中的氧化剂通过位于所述箭上贮箱内部的壁面与所述燃料贮箱13中的待冷却介质进行换热，实现所述氧化剂对所述待冷却介质进行冷却，进一步实现对所述待冷却介质的过冷，且过冷过程无需额外的设备，成本低、可靠性高。
81.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。