СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ МИКРОТЕЧЕЙ СТЕНОК ЗАМКНУТЫХ ПОЛОСТЕЙ, СОДЕРЖАЩИХ ЖИДКИЙ ВОДОРОД Советский патент 2006 года по МПК F17C5/04 

Изобретение относится к области криогенной и ракетно-космической техники и может быть использовано, например, для ускоренной герметизации микротечей стенок емкостей и трубопроводов, заполненных жидким водородом, космических летательных аппаратов многоразового использования.

В технике широко известен и используется способ герметизации микротечей (непровары, пористые места, трещины, свищи и др.) стенок металлических корпусов с помощью заполнения микротечи расплавленным металлом (герметиком), называемый сваркой.

Из патентной литературы известны способы герметизации стыков и стенок полостей путем заполнения зазоров (течей) герметиком (см., например. авт.св. СССР по классу С 09 К №439509, №429670, №546641).

Известен также способ герметизации микротечей металлических и стеклянных стенок замкнутых полостей, заключающийся в локализации (обнаружении) места течи и заполнении микротечи различными герметиками: припоями, замазками, восками, смолами, лаками и др. (см., например, книгу Г.Л.Эшбаха. Практические сведения по вакуумной технике, Энергия, М. - Л.: 1966. с.263-267).

Известный способ обладает существенными недостатками, заключающимися в необходимости предварительной локализации места течи, обязательного доступа к месту течи с последующим заполнением микротечи герметиком, что представляет большие трудности, связанные как с обнаружением места течи, так и с доступом к месту, и не всегда возможно осуществить из-за соображений техники безопасности (ТБ), конструкционного исполнения или программы полета летательного аппарата. Так, например, при возникновении течи во внутренней стенке емкости с вакуумной изоляцией и заполненной жидким водородом из-за соображений ТБ (жидкий водород является взрыво и пожароопасным компонентом) необходимо слить жидкий водород из полости, провести отогрев и продувку полости инертным (химически не взаимодействующий с жидким водородом при рабочих условиях) газом со сдачей анализа на отсутствие водорода, произвести локализацию течи, вскрыть наружную оболочку вакуумной изоляции для доступа к месту течи на внутренней стенке. Только после этих операций возможно провести собственно герметизацию микротечи-заполнение герметиком. Данный способ герметизации является дорогостоящим из-за высокой стоимости сливаемого из емкости жидкого водорода, трудоемким и длительным из-за наличия операций слива компонента из полости, локализации места течи (на настоящий момент не существует эффективных методов локализации течи во внутренней стенке без разрушения наружней), доступа к месту течи и собственно герметизации микротечи. А возникновение течи в стенке емкости или трубопровода, содержащих жидкий водород под избыточным давлением, на космическом летательном аппарате, находящемся на стартовой позиции или во время полета, ведет к срыву выполнения программы полета из-за большой потери компонента или взрыва, поскольку герметизацию течи известными способами провести невозможно.

Целью настоящего изобретения является упрощение и ускорение герметизации (внезапно возникших) нелокализованных микротечей без проведения слива жидкого водорода, содержащегося в полости.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве герметика, которым заполняют микротечи, используют твердые примеси, растворимые в жидком водороде, например отвержденные инертные газы, концентрацию которых в жидком водороде, содержащемся в полости, повышают до предела растворимости (насыщения).

Другое отличие состоит в том, что концентрацию твердых растворимых примесей повышают до предела растворимости только в пристеночном слое жидкого водорода, содержащегося в полости.

Кроме того концентрацию твердых примесей, растворим в жидком водороде, повышают до предела растворимости путем вдува инертных газов, отверждающихся в жидком водороде.

Использование в качестве герметика, заполняющего микротечи, твердых примесей растворимых в жидком водороде, стало возможным благодаря обнаруженному авторами экспериментально и подтвержденному теоретически свойству этих примесей транспортироваться истекающим через микротечь жидким водородом с последующим выпадением в канале (микротечи) в виде твердой фазы (порошка, кристалликов), адсорбированием на стенках канала и заполнением канала до обеспечения полной герметизации микротечи. Принципиальное отличие состоит в том, что герметик растворяют в жидком водороде. Выпадение отвержденной растворенной примеси (герметика) из жидкого водорода происходит из-за понижения давления вдоль канала при истечении. При понижении давления предел растворимости примесей в жидком водороде уменьшается и часть примесей выпадает из раствора. К тому же дополнительно выпадению отвержденной растворенной примеси из жидкого водорода способствует испарение жидкого водорода, которое происходит также из-за понижения давления, имеющего место вдоль канала (микротечи) и подвода тепла из окружающей среды.

Увеличение концентрации твердых примесей, растворимых в жидком водороде, только в пристеночном слое полости позволяет сохранить относительную высокую чистоту жидкого водорода в основной ее массе.

Увеличение концентрации твердых растворимых примесей в жидком водороде путем вдува инертных газов, отверждающихся в жидком водороде, обеспечивает сильное упрощение и ускорение самого процесса герметизации нелокализованных микротечей.

Пример. По данным ВНИИФТРИ, предел растворимости твердого азота в жидком водороде при температуре Т-22°K составляет 1·10^-4% объемных или 1·10^-6 объемных долей. Полагая, что из жидкого водорода выпадает и адсорбируется только 50% всего количества примесей при истечении его через течь, можно грубо оценить, что для заполнения (герметизации) микротечи во всем объеме отвержденным азотом необходимо пропустить через течь жидкого водорода в количестве 2·10⁶ объемов канала (микротечи). Практически полная герметизация микротечи наступает значительно раньше, поскольку доля адсорбированного на стенках течи твердого азота сможет достигать 100% в зависимости от свойств стенок микротечи, а также и по той причине, что герметизацию микротечи могут обеспечить несколько кристалликов твердого азота, меньших по объему, чем объем всего канала (микротечи) и выпавших в каком-либо (вероятнее всего в наименьшем) сечение канала. Кроме того герметизация микротечи происходит не только твердым азотом, но и другими отвержденными примесями, растворенными всегда в жидком водороде, например, углекислый газ, метан, кислород и др. Проведенные авторами эксперименты убедительно демонстрировали надежную и быструю (за несколько минут) герметизацию микротечей в виде капилляров с диаметром до 200 мкм (и длиной 10÷20 мм), изготовленных из материалов с плохими показателями адсорбции (гладкие стенки, низкий коэффициент адсорбции),как например, из стекла.

Предлагаемый способ может быть реализован, например, на устройстве, изображенном на чертеже. Устройство представляет собой емкость 1, заполненную жидким водородом. Емкость имеет вакуумную изоляцию 2. Заправка и слив жидкого водорода из емкости производится соответственно через отсечные клапаны 7 и 6. Внутри емкости смонтирован коллектор 3 для вдува инертных газов, отверждающихся в жидком водороде. Клапан 4 служит для предварительной (перед подачей инертного газа) продувки коллектора 3 газообразным винилом. Клапан 5 предназначен для подачи инертного газа через коллектор 3 в жидкий водород. Коллектор 3 для создания концентрации твердых примесей только в пристеночном слое жидкого водорода выполняется в непосредственной близости от стенок. Во внутренней полости установлен сигнализатор 8 утечки водорода, по сигналу которого предпринимаются меры по герметизации микротечей.

Так в случае возникновения течи, например, во внутренней стенке 1 емкости с вакуумной изоляцией 2 концентрацию твердых примесей в жидком водороде, содержащегося в полости, увеличивают до предела растворимости путем вдува инертных газов, например, газообразного азота, через клапан 4 и коллектор 3 с предварительной продувкой коллектора 3 газообразным винилом через клапан 5. Для создания концентрации твердых примесей в пристеночном слое емкости коллектор 3 конструктивно выполняется вблизи стенок.

Использование предлагаемого способа герметизации микротечей по сравнению с существующими способами обеспечивает следующие преимущества:

а) ускоряет и упрощает герметизацию нелокализованных микротечей стенок замкнутых полостей, содержащих жидкий водород, без проведения слива жидкого водорода из полости;

б) позволяет устранить дорогостоящую и длительную операцию по локализации течи с обязательным доступом к месту течи для проведения заполнения микротечи герметиком;

в) является незаменимым в условиях внезапно возникшей течи в стенке емкости или трубопровода, содержащих жидкий водород, на космическом летательном аппарате, находящегося на стартовой позиции или во время полета. Повышает живучесть криогенных систем жидкого водорода.

Изобретение относится к области криогенной и ракетно-космической техники и может быть использовано, например, для ускоренной герметизации микротечей стенок емкостей и трубопроводов, заполненных жидким водородом, космических летательных аппаратов многоразового использования. Способ герметизации микротечей стенок замкнутых полостей, содержащих жидкий водород под избыточным давлением, включает заполнение микротечей герметиком. В качестве герметика используют твердые примеси, растворимые в жидком водороде, например, отвержденные инертные газы, концентрацию которых в жидком водороде увеличивают до предела их растворимости. Концентрацию твердых растворимых примесей повышают до предела растворимости в пристеночном слое жидкого водорода, содержащегося в полости. Концентрацию твердых растворимых примесей в жидком водороде, содержащегося в полости, повышают до предела растворимости путем вдува инертных газов, отверждающихся в жидком водороде. Изобретение позволяет упростить и ускорить герметизацию нелокализованных микротечей без слива жидкого водорода. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ герметизации микротечей стенок замкнутых полостей, содержащих жидкий водород под избыточным давлением путем заполнения микротечей герметиком, отличающийся тем, что, с целью упрощения и ускорения герметизации нелокализованных микротечей без проведения слива жидкого водорода из полости, в качестве герметика используют твердые примеси, растворимые в жидком водороде, концентрацию которых в жидком водороде увеличивают до предела их растворимости.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве твердых примесей используют отвержденные инертные газы, а концентрацию твердых растворимых примесей до предела растворимости повышают в пристеночном слое полости с жидким водородом.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что концентрацию твердых примесей повышают путем вдува инертных газов в полость с жидким водородом.