CN108801020A - 一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板 - Google Patents

一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板 Download PDF

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Abstract

一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板，属于航空推进系统实验与应用技术领域，结构上是耐烧蚀层、高温相变隔热层、低温隔热层、上基板、自驱动气液相变散热层和下基板相互复合形成的梯度功能夹层结构。其中，自驱动气液相变散热层通过串联并接多组工字型自驱动气液脉动相变传热模块而形成并联式空气冷却流道，空气冷却流道上端凸出加工有引流槽；自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板通过在自驱动气液相变散热层背部铰联的曲柄连杆传动机构控制收放。本发明采用梯度功能夹层设计，能有效隔热并同时实现导流板在无机械动力驱动下的高效空气对流散热，具有安装维护方便，工作可靠性好的特点。

Description

一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板
技术领域
本发明属于航空推进系统实验与应用技术领域，涉及一种隔热导流装置，具体的说是涉及用于高温、高速喷射气流隔热导流的一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板。
背景技术
在航空推进系统实验与应用中，如果对高温、高速喷射气流不做隔热引导(如喷射气流式航空发动机尾焰温度可以达到1200～1300℃，气流速度高达530～550m/s)，将会对实验与应用现场及周边的操作人员、设备、建筑乃至航空推进系统本身造成损伤。因此，航空推进系统实验与应用中常采用隔热导流板将高温、高速喷射气流向两侧及上方引导并隔离其释放的热量，从而有效保证操作人员及重要设备的安全。
长期以来，喷射气流导流板往往采用涂有防滑涂层的铝合金板，然而这一类导流板抗冲击和耐烧蚀性能差，导致其使用寿命较短。同时，为了降低自身工作温度，此类导流板背后常设有复杂的机械泵驱动液冷装置，冷却管道易腐蚀，工作可靠性较差，维护成本较高。因此，为了提高导流板的综合性能，近年来涌现出了多种改进型的设计方案，如采用涂覆陶瓷隔热层、多功能复合涂层等新型材料代替传统的防滑涂层，从而增强导流板的耐温与耐烧蚀性；采用机械驱动的空气冷却代替水冷，用以缓解水冷管道易腐蚀以及维修成本高的问题；采用功能夹层结构(如激光焊接波纹板、泡沫碳复合材料层等)对导流板隔热效果进行强化。但是这些改进方案仍存在着一定局限，如导流板在平面方向的热扩展能力及其隔热结构向冷源的散热能力有限，造成导流板内部容易产生热积聚，导致局部热点甚至烧毁；此外，空气冷却介质流动散热往往需要复杂的机械动力装置(如风机等)驱动，结构复杂、成本较高、工作可靠性有待提升。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板，该导流板采用梯度功能夹层设计，能有效隔热并同时实现导流板在无机械动力驱动下的高效空气对流散热，具有安装维护方便，工作可靠性好的特点。
本发明的技术方案是：一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板，包括导流板支架和设置在导流板支架内的曲柄连杆传动机构；其特征在于：所述自驱动气液相变热管式隔热导流板还由耐烧蚀层、高温相变隔热层、低温隔热层、上基板、自驱动气液相变散热层和下基板构成，所述耐烧蚀层、高温相变隔热层、低温隔热层、上基板、自驱动气液相变散热层和下基板相互复合后形成了梯度功能的夹层结构；
所述下基板的背面与所述曲柄连杆传动机构铰接连接，所述自驱动气液相变散热层的底端与下基板耦合焊接连接，所述自驱动气液相变散热层的顶端与上基板耦合焊接连接，所述低温隔热层焊接设置在所述上基板上，所述高温相变隔热层通过耐高温粘接剂粘接在所述低温隔热层的上方，所述耐烧蚀层通过扩散焊连接设置在高温相变隔热层的上方；
所述自驱动气液相变散热层由多个自驱动气液脉动相变传热模块串联并接形成并联式空气冷却流道，所述空气冷却流道上端设有凸出的引流槽，所述空气冷却流道下端设有空气冷却流道入口，每个所述自驱动气液相变传热模块均是由两个凹形自驱动气液脉动相变热管背对背焊接构成的工字型结构，每个所述凹形自驱动气液脉动相变热管的凹槽中耦合焊接有若干个侧部肋片，所述凹形自驱动气液脉动相变热管均由毛细通道扁管热弯后在其两端焊接密封并抽真空充液制成，所述毛细通道扁管内设有多层平行的毛细通道，且每层毛细通道的端部相互贯通，所述毛细通道的端部焊接设有上封头和下封头，形成多层相互并联的闭合回路；
所述自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板通过所述曲柄连杆传动机构来控制收放，高温偏转喷射气流流经所述引流槽时产生低压区，将导流板底部环境空气经自驱动气液相变散热层抽吸出来，从而实现流道内冷却空气在无机械动力驱动下产生对流换热。
所述下封头是由内基片、外基片焊接形成，内基片表面采用机械冲孔形成六个槽口，外基片表面刻有三条平行槽道，槽口、槽道的具体尺寸及位置与毛细通道扁管相匹配。
所述毛细通道的截面形状为矩形、圆形或三角形中的一种，当量直径介于1.5mm～3mm。
所述引流槽为开口向上、周围与导流板焊接为一体的敞口矩形槽体，引流槽的槽长与导流板主体长度一致，其槽深和槽宽根据引流需要确定。
所述耐烧蚀层是以碳或碳化硅为基体、碳纤维为增强体制成的碳纤维增强复合材料层，耐烧蚀层的厚度不小于6mm。
所述高温相变隔热层是由在多孔碳床中填充高温相变材料并在其表面包裹耐高温的钛合金蒙皮层构成，高温相变材料为熔点高且相变潜热大的氟化物或氯化物，高温相变隔热层的厚度不小于5mm。
所述低温隔热层由气凝胶材料表面包裹耐高温钛合金蒙皮层构成，气凝胶材料为具有低热扩散系数的二氧化硅气凝胶或碳气凝胶，低温隔热层的厚度不小于10mm。
所述钛合金蒙皮层的厚度在1mm左右。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板，结构上由耐烧蚀层、高温相变隔热层、低温隔热层、上基板、自驱动气液相变散热层和下基板相互复合形成的梯度功能夹层结构，耐烧蚀层具有优异的耐烧蚀性能，高温相变隔热层能有效分担耐烧蚀层和低温隔热层所承受的热负荷，而低温隔热层具有良好的隔热效果，可有效降低自驱动气液相变散热层所接收的热负荷；自驱动气液相变散热层以模块化的工字型自驱动气液脉动相变热管作为基本传热元件，传热与力学性能良好，可有效改善导流板的散热性能，降低整板工作温度，消除局部热点的产生，并可适应导流板在各工作角度上的散热需求；空气冷却流道上端设置引流槽，能够实现流道内冷却空气在无机械动力驱动的条件下产生对流换热，安装维护方便，工作可靠性高。
附图说明
图1为本发明导流板抬起状态的结构示意图。
图2为本发明导流板收起状态的结构示意图。
图3 为本发明中梯度功能夹层结构分解结构示意图。
图4为本发明中工字型自驱动气液脉动相变传热模块的制作流程示意图。
图5为本发明中下封头的制作流程示意图。
图6为本发明中自驱动气液脉动相变热管的工质流动路径示意图。
图7为本发明中下基板引流槽工作原理示意图。
图中：耐烧蚀层1、高温相变隔热层2、低温隔热层3、上基板4、自驱动气液相变散热层5、下基板6、曲柄连杆传动机构7、导流板支架8、钛合金蒙皮层9、侧部肋片10、环境空气11、高温偏转喷射气流12、引流槽13、空气冷却流道14、引流槽混合区域15、毛细通道扁管16、上封头17、下封头18、凹形自驱动气液脉动相变热管19、内基片20、外基片21、碳纤维增强复合材料22、高温相变材料23、气凝胶材料24。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1～3所示，一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板，由耐烧蚀层1、高温相变隔热层2、低温隔热层3、上基板4、自驱动气液相变散热层5、下基板6、曲柄连杆传动机构7构成。耐烧蚀层1是由碳纤维增强复合材料22制成，碳纤维增强复合材料22是以碳或碳化硅等为基体，碳纤维为增强体的优良耐烧蚀材料。耐烧蚀层1的厚度不少于6mm，具体厚度根据导流板实际承受的热负荷确定。高温相变隔热层2由通过对在多孔碳床中填充高温相变材料23并在其表面包裹钛耐高温钛合金蒙皮9而形成，高温相变材料23可以为熔点高且相变潜热大的氟化物、氯化物等。高温相变隔热层2的不少于5mm，具体厚度根据导流板实际承受的热负荷确定。低温隔热层3由气凝胶材料24表面包裹耐高温钛合金蒙皮9而形成，气凝胶材料24可以为具有低热扩散系数的二氧化硅气凝胶、碳气凝胶等。低温隔热层3的厚度不少于10mm，具体厚度根据导流板实际承受的热负荷确定。其中，耐高温钛合金蒙皮9的厚度在1mm左右。
如图1～3所示，一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板，自驱动气液脉动相变传热模块耦合焊接形状匹配的上、下基板而形成自驱动气液相变散热层，使得自驱动气液脉动相变散热层蒸发段紧贴上基板4，冷凝段的端部紧贴下基板6；自驱动气液相变散热层由多个自驱动气液脉动相变传热模块串联并接形成并联式空气冷却流道，每个自驱动气液相变传热模块均是由两个凹形自驱动气液脉动相变热管背对背焊接构成的工字型结构，在下基板上端凸出加工有引流槽13，引流槽13为开口向上、周围与所述导流板焊接为一体的敞口矩形槽体，矩形槽体的槽长与导流板主体长度一致，其槽深和槽宽可根据具体的引流需要来决定，下端设置有空气冷却流道入口；自驱动气液相变散热层与低温隔热层3采用焊接方式连接固定；高温相变隔热层2通过耐高温粘结剂粘合于低温隔热层上方，耐烧蚀层1与高温隔热层2采用扩散焊方式进行连接，从而形成梯度功能夹层结构；自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板通过与自驱动气液相变散热层背部铰联的曲柄连杆传动机构7来控制收放。
如图4～6所示，一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板，在工字型结构两侧凹槽中耦合焊接侧部肋片10形成工字型自驱动气液脉动相变传热模块；凹形自驱动气液脉动相变热管19由毛细通道扁管16热弯后在两端焊接密封并抽真空充液制成，毛细通道扁管16内多层平行毛细通道在各自端部位置相互贯通，并焊接上封头17和下封头18而形成多层相互并联的闭合回路；下封头18是由内基片20、外基片21焊接形成，内基片20表面采用机械冲孔形成六个槽口，外基片21表面刻有三条平行槽道，槽口、槽道的具体尺寸及位置与所述毛细通道扁管15相匹配。毛细通道的截面形状可为矩形、圆形或三角形，当量直径介于1.5mm～3mm，工字型自驱动气液脉动相变传热模块的材料为铁基高温合金。
如图4～7所示，一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板的工作原理如下：工字型自驱动气液脉动相变传热模块装配前需进行密封性检查，而后抽真空充入50%～60%的工质，工质的种类可根据管壁金属相容性以及导流板散热需求进行选择；凹形自驱动气液脉动相变热管19的工作原理与传统热管有很大不同，在工作过程中，工质在与上基板4紧贴的蒸发段吸收高温偏转喷射气流12释放的热量而升温气化，体积迅速膨胀导致升压，推动工质流向靠近下基板6一侧的低温冷凝段，该段内工质放热冷凝，压力下降，所释放的热量经过管壁传导至冷凝段侧部肋片10，而后依靠所述引流槽13抽吸出的底部环境空气11以强制对流的方式将热量带走。同时，冷凝段内的冷凝液相工质又回流至蒸发段内再次吸热蒸发，如此往复。这期间，工质在的蒸发段及冷凝段间实现自激振荡循环流动，将高温偏转喷射气流12释放的热量输运至冷凝段并释放到强制对流冷却空气中。高温偏转喷射气流12流经空气流道出口处引流槽13时产生低压区，将导流板底部环境空气11经自驱动气液相变散热层抽吸出来，从而实现流道内冷却空气在无机械动力驱动下产生对流换热。

Claims (8)

1.一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板，包括导流板支架(8)和设置在导流板支架(8)内的曲柄连杆传动机构(7)；其特征在于：所述自驱动气液相变热管式隔热导流板还由耐烧蚀层(1)、高温相变隔热层(2)、低温隔热层(3)、上基板(4)、自驱动气液相变散热层(5)和下基板(6)构成，所述耐烧蚀层(1)、高温相变隔热层(2)、低温隔热层(3)、上基板(4)、自驱动气液相变散热层(5)和下基板(6)相互复合形成了梯度功能的夹层结构；
所述下基板(6)的背面与所述曲柄连杆传动机构(7)铰接连接，所述自驱动气液相变散热层(5)的底端与下基板(6)耦合焊接连接，所述自驱动气液相变散热层(5)的顶端与上基板(4)耦合焊接连接，所述低温隔热层(3)焊接设置在所述上基板(4)上，所述高温相变隔热层(2)通过耐高温粘接剂粘接在所述低温隔热层(3)的上方，所述耐烧蚀层(1)通过扩散焊连接设置在高温相变隔热层(2)的上方；
所述自驱动气液相变散热层(5)由多个自驱动气液脉动相变传热模块串联并接形成并联式空气冷却流道(14)，所述空气冷却流道(14)上端设有凸出的引流槽(13)，所述空气冷却流道(14)下端设有空气冷却流道入口，每个所述自驱动气液相变传热模块均是由两个凹形自驱动气液脉动相变热管(19)背对背焊接构成的工字型结构，每个所述凹形自驱动气液脉动相变热管(19)的凹槽中耦合焊接有若干个侧部肋片(10)，所述凹形自驱动气液脉动相变热管(19)均由毛细通道扁管(16)热弯后在其两端焊接密封并抽真空充液制成，所述毛细通道扁管(16)内设有多层平行的毛细通道，且每层毛细通道的端部相互贯通，所述毛细通道的端部焊接设有上封头(17)和下封头(18)，形成多层相互并联的闭合回路；
所述自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板通过所述曲柄连杆传动机构(7)来控制收放，高温偏转喷射气流(12)流经所述引流槽(13)时产生低压区，将导流板底部环境空气(11)经自驱动气液相变散热层(5)抽吸出来，从而实现流道内冷却空气在无机械动力驱动下产生对流换热。
2.根据权利要求1所述的一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板，其特征在于：所述下封头(18)是由内基片(20)、外基片(21)焊接形成，内基片(20)表面采用机械冲孔形成六个槽口，外基片(21)表面刻有三条平行槽道，槽口、槽道的具体尺寸及位置与毛细通道扁管(16)相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板，其特征在于：所述毛细通道的截面形状为矩形、圆形或三角形中的一种，当量直径介于1.5mm～3mm。
4.根据权利要求1所述的一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板，其特征在于：所述引流槽(13)为开口向上、周围与导流板焊接为一体的敞口矩形槽体，引流槽(13)的槽长与导流板主体长度一致，其槽深和槽宽根据引流需要确定。
5.根据权利要求1所述的一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板，其特征在于：所述耐烧蚀层(1)是以碳或碳化硅为基体、碳纤维为增强体制成的碳纤维增强复合材料层，耐烧蚀层(1)的厚度不小于6mm。
6.根据权利要求1所述的一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板，其特征在于：所述高温相变隔热层(2)是由在多孔碳床中填充高温相变材料并在其表面包裹耐高温的钛合金蒙皮层(9)构成，高温相变材料为熔点高且相变潜热大的氟化物或氯化物，高温相变隔热层(2)的厚度不小于5mm。
7.根据权利要求1所述的一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板，其特征在于：所述低温隔热层(3)由气凝胶材料表面包裹耐高温钛合金蒙皮层(9)构成，气凝胶材料为具有低热扩散系数的二氧化硅气凝胶或碳气凝胶，低温隔热层(3)的厚度不小于10mm。
8.根据权利要求6-7所述的任意一种自驱动气液脉动相变热管式隔热导流板，其特征在于：所述钛合金蒙皮层(9)的厚度在1mm左右。
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