[發明專利]一種冷卻器

在審

• 申請號: 201711095199.0
• 申請日: 2017-11-09
• 公開（公告）號: CN107966048A
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發明（設計）人: 胡旭坤;張奎好;李斌;曲勝;孫樹江;趙宏;張海棟;畢明卉;張偉;郭敬;李欣;金誠;徐鑫;劉屹;孔凡超;鄭鑫
• 申請（專利權）人: 北京航天試驗技術研究所
• 主分類號: F28D7/08
• 分類號: F28D7/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種冷卻器，尤其是涉及一種高速氣流的低流阻冷卻器，適用于來流為高溫、高速氣流，要求冷卻設備流阻低的場合，如火箭發動機、沖壓發動機、航空發動機試驗系統以及燒蝕試驗系統等。

背景技術

某些火箭發動機、沖壓發動機、航空發動機試驗系統以及燒蝕試驗系統需要配置冷卻器，其功能是將高溫、高速氣流冷卻，以便進行后續處理。例如主動引射火箭發動機高空模擬試驗臺，發動機燃氣溫度可達2800K以上，一般在擴壓器和引射器之間設置一個冷卻器，將發動機燃氣溫度降低到373K以下，以保護下游設備，同時可以減小發動機燃氣比容，降低引射系統抽氣負載，進而降低設備規模和成本。

目前，常用的冷卻器有套管式冷卻器、殼管式冷卻器、管式冷卻器、板式冷卻器、翅片管式冷卻器及板翅式冷卻器等。

套管式冷卻器由不同直徑的兩種管子套在一起組成的同心套管構成。小圓管內流過一種流體，小圓管外壁與大圓管內壁之間形成的環形空間流過另一種流體。小圓管的管壁就成為隔在兩種流體之間的傳熱壁面。如果需要更大的傳熱面積時，可用多個套管連接起來工作，這種冷卻器不適合用在流量較大的場合。

殼管式冷卻器由許多根平行管組成的管束插入一個圓筒形殼體內構成。一種流體從管內流過，另一種流體在殼內從管外流過。為了確保流體按一定順序流入管子，管板外裝有管箱和隔板。殼體內還布置著許多橫向折流板，以確保殼內流體橫向流過管外，并有足夠的流速。

管式冷卻器換熱面是由很多管子按一定方式排列成的管束構成的，管子兩端連在管板上，形成管內、管外兩側分隔的通道。當采有外面帶翅片的管子時，成為管翅式冷卻器，使傳熱面積增大。

板式冷卻器由一系列互相平行、具有波紋表面的薄金屬板相疊而成。各傳熱板片按一定的順序相疊即形成板片間的流道，冷、熱流體在板片兩側各自的流道內流動，通過板片進行熱交換。

板翅式冷卻器是將波形翅片夾在兩層隔板之間，兩側用封條密封，形成冷卻器的基本單元。波形翅片可以是矩形、三角形、波紋形等形式。將許多這樣的單元重疊起來就構成了板翅式冷卻器。相鄰單元，即隔板兩側，流過不同的流體，通過兩側帶有翅片的平板傳遞熱量。

以上各種冷卻器應用于來流是高溫、高速氣流的情況下，存在以下問題：

(1)冷卻器內氣流擾動造成較大阻力；

(2)高溫、高速氣流在冷卻器中部流速較快，而四周流速較慢，不能充分利用換熱面積；

(3)冷卻器內受熱不均勻，造成焊縫、密封處應力集中，容易發生滲漏現象，導致整個系統不能正常運行。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于克服現有高溫、高速氣流冷卻技術的不足，提供一種新的冷卻器，尤其是適用于火箭發動機、沖壓發動機、航空發動機試驗系統以及燒蝕試驗系統等來流是高溫、高速氣體，要求冷卻器流阻低的場合。

為解決上述問題，本發明是通過以下方案實現的：冷卻器由來流入口、外殼、擴張段、導流錐、光管冷卻段、冷卻光管、冷卻光管冷卻水入口、冷卻光管冷卻水出口、翅片管冷卻段、冷卻翅片管、冷卻翅片管冷卻水入口、冷卻翅片管冷卻水出口、導流錐冷卻水出口、外殼冷卻水出口、來流出口、導流錐冷卻水入口、外殼冷卻水入口組成，高溫氣流從來流入口進入冷卻器，經過擴張段、光管冷卻段、翅片管冷卻段冷卻后從來流出口流出冷卻器。導流錐位于冷卻器中部，來流從導流錐與外殼間設置了冷卻光管及冷卻翅片管的環形空間通過。外殼及導流錐采用夾層水冷形式，可防止高溫來流對壁面造成燒蝕，同時對高溫來流也具有冷卻效果。

由于采用了上述方案，本發明與現有技術相比具有如下優點：

(1)導流錐的設置使來流分布均勻，降低了流通面積突然增大造成的擾動，有利于降低流阻，并充分利用換熱面積，同時導流錐本身對來流也具有冷卻效果。

(2)冷卻器前部來流溫度較高處利用光管束換熱結構，提高了設備耐高溫性能，有利于降低管束流阻；后部來流溫度降低后利用翅片管束，提高冷卻器換熱系數、增強換熱效率，在有限區域內增大了冷卻器換熱面積。

(3)換熱管束為圓弧形，受熱膨脹所導致的熱應力較小。

(4)換熱管冷卻水入口、出口具有較大容積的集水腔，使得各換熱管入口、出口壓差一致，從而使得換熱管冷卻水流量分配均勻，避免出現局部水流不暢導致過熱產生水蒸氣的問題。

附圖說明

圖1是本發明冷卻器的主視圖(剖視圖)；

圖2是沿圖1中A-A線的剖視圖；

圖3是沿圖1中B-B線的剖視圖。

具體實施方式