CN110641683A - 一种热防护结构及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热防护结构及加工方法。热防护结构包括外壳，外壳包括外层壳和内层壳，所述外层壳和所述内层壳之间形成密闭的真空腔；所述真空腔内灌装具有遇热汽化特性的液体工质；所述外层壳外侧的一侧为尖端或弧形端结构，所述尖端或所述弧形端结构上预设有吸热端面，述外层壳外侧还设有平直段，所述平直段上预设有散热端面，所述外层壳的内侧预设有吸液芯；所述热防护结构还包括若干个设置在所述真空腔内的支架，所述支架将所述真空腔分割成若干个子腔体，所述液体工质在任意两个所述子腔体之间自由流动。本发明保证了液体工质在横向的传热效果不受影响，从而大大提高了液体工质的横向传热能力，进而进一步提高了热防护性能。

Description

一种热防护结构及加工方法

技术领域

本发明涉及热防护结构技术领域，特别是涉及一种热防护结构及加工方法。

背景技术

高超声速飞行器(一般指飞行速度大于5马赫的飞行器)具有机动性高、突防能力强、可全球范围快速精确打击等特点，是当代飞行器发展的重要趋势。随着高超声速飞行器飞行速度的不断提高，机翼前缘等尖锐部位的热防护问题正成为限制其发展的重要技术难题。

目前普遍的一种解决方法是使用陶瓷基复合材料或钨钼等耐高温合金作为热防护结构材料，该方法属于被动式热防护，特点为热量由表面辐射出去或被吸收，效率较低，仅适用较低温度和短时热脉冲。在未来对飞机结构重量系数要求越来越高情况下，被动式热防护的局限性越来越多。

热管是一种利用工质相变进行热量传递的高效传热元件。主要由管壳、吸液芯和工作介质(工作液)组成。管壳的主要作用是将热管的工作部分封闭起来，在热端和冷端分别吸收和放出热量，并承受管内外压力不同时所产生的压力差，管壳材料通常采用不锈钢、铜、钛和高温合金等。吸液芯是一种紧贴管壳内壁的多孔毛细结构，为液态工质的回流提供毛细吸力，吸液芯通常用铜、镍、不锈钢、钛的多层金属丝网、粉末多孔材料和纤维毡等制成。工作介质的选择视热管的工作环境而定，工作介质应具有高的汽化潜热、良好的热稳定性和足够大的表面张力等，高温热管通常采用锂、钠、钾等碱金属作为工作介质。

热管的工作原理如附图1所示，热管的一端为蒸发段，另一端为冷凝段，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。其中蒸发段位于热源处，工作时蒸发段的工作液体受热蒸发为气体，气体在微小压差作用下经绝热段流向冷凝段。在冷凝段蒸汽被冷却凝结为液体，放出热量，积聚在冷凝段吸液芯中的液体借助吸液芯的毛细力作用回流到蒸发段，如此反复循环进行热量的传递。热管具有超强的导热能力，其等效传热系数是铜棒的1000-10000倍。通过选用不同的管壳材料和工质，热管可以在4K-2300K的温度范围内工作，如以钾、钠等碱金属为工作介质，以高温合金、铌合金等耐高温材料为管壳的高温热管，其工作温度可达到1000K以上。此外，热管还具有优良的温度展平能力，它可使驻点热量均匀地分布在整个结构表面区域，这种热量的重新分布避免了“热点”在局部形成，降低了驻点峰值温度、减小结构温差和热致应力。

目前，对于热管的研究发现，基于内置高温热管的半主动热防护技术具有传热效率高、结构简单、无需提供外动力、可重复使用等优点，是最具研发潜力和应用前景的一种。国外发明的典型D型高温热管翼面前缘热防护结构如附图2所示。但该方案存在横向传热能力差、加工制造难度大等问题，导致热防护效果不佳。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例第一方面提供了一种热防护结构。采用外层壳和内层壳组成的外壳结构，并在外壳内设置有支架，且液体工质在任意两个所述子腔体之间自由流动，解决了现有技术中液体工质无法在真空腔内横向移动的难题，提高了横向传热效果和热防护效果。

本发明实施例第二方面提供了一种热防护结构的加工方法，通过外层壳、内层壳、支架以及吸液芯的依次安装，简化了加工流程，提高了效率。

(2)技术方案

第一方面，本发明的实施例提出了一种热防护结构，包括外壳，所述外壳包括外层壳以及与所述外层壳相对设置的内层壳，所述外层壳和所述内层壳之间形成密闭的真空腔；所述真空腔内灌装具有遇热汽化特性的液体工质；所述外层壳外侧的一侧为尖端或弧形端结构，所述尖端或所述弧形端结构上预设有吸热端面，述外层壳外侧还设有平直段，所述平直段上预设有散热端面，所述外层壳的内侧预设有吸液芯；所述热防护结构还包括若干个设置在所述真空腔内的支架，所述支架将所述真空腔分割成若干个子腔体，所述液体工质在任意两个所述子腔体之间自由流动。

进一步地，所述外壳的截面形状为V形结构或U形结构。

进一步地，所述吸热端面为V形结构的尖端部位或为U形的弧形部位。

进一步地，所述散热端面为V形结构或U形结构的平直段。

进一步地，所述外层壳和所述内层壳均为平板状，所述外层壳和/或所述内层壳的厚度为1mm-10mm。

进一步地，所述液体工质为碱金属锂钠钾。

进一步地，所述壳体由外层壳和内层壳经过预先冲压形成弯折边缘的金属薄板扣合构成；两个所述金属薄板的弯折边缘通过焊接连接。

进一步地，所述吸液芯的厚度小于所述真空腔的高度。

进一步地，所述吸液芯为丝网结构或多孔结构。

第二方面，提供了一种热防护结构的加工方法，包括：

步骤一、根据所述外壳的尺寸将所述外层壳和所述内层壳经冲压、弯折加工成型，将所述支架焊接在所述内层壳的内侧面上；

步骤二、将所述吸液芯安装在所述外层壳的内侧面上；

步骤三、将所述外层壳和所述内层壳焊接形成空腔体；

步骤四、将液体工质灌装至所述空腔体内；

步骤五、将所述空腔体抽真空直至抽至内部气压为10-20Pa为止，并密封所述空腔体形成真空腔。

(3)有益效果

综上，本发明提供的热防护结构运用热管原理，首先，吸热端面在气动过程中产生很多的热量输入到尖端表面上，随后该处吸液芯内的液体工质蒸发吸收热量，蒸发以后的液体工质变为气体相经由真空腔移动到后部外层壳的平直段后冷凝释放热量；接着，冷凝以后的工质液化后由吸液芯输送到吸热端面处再次进行蒸发吸热，从而达到热防护的目的。

同时，为进一步提高热防护效果、提高横向传热能力，本发明提供的热防护结构在真空腔内设置有支架。一方面利用支架可以将外层壳与内层壳支撑开，保持真空腔不会因压力而压扁，不会因压扁的真空腔阻绝液体工质的传输通道，从而能保证热防护能力不受降低；另一方面，支架可以将真空腔分割成若干个子腔体，且液体工质可以在各个子腔体之间的自由流动，保证了液体工质在横向的传热效果不受影响，从而大大提高了液体工质的横向传热能力，进而进一步提高了热防护性能。

除此之外，本发明提出的热防护结构的加工方法，具有加工方法简单、易行的优点，而加工出来的热防护结构中液体工质在横向的传热效果得到了提高，加大了整体的传热效果，热防护能力突出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1是现有技术中热管的典型结构及工作原理图。

图2是现有技术中D型高温热管翼面前缘热防护结构。

图3是本发明实施例的一种热防护结构的立体结构示意图。

图4是本发明实施例的一种热防护结构的工作原理示意图。

图5是本发明实施例的一种热防护结构的透视结构示意图。

图6是本发明实施例的一种热防护结构的加工方法流程图。

图中：外壳1、外层壳11、吸热端面111、散热端面112、内层壳12、真空腔13、吸液芯14、支架15。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图3-附图6并结合实施例来详细说明本申请。

本发明实施例第一方面的一种热防护结构，包括外壳1，所述外壳1包括外层壳11以及与所述外层壳11相对设置的内层壳12，所述外层壳11和所述内层壳12之间形成密闭的真空腔13；所述真空腔13内灌装具有遇热汽化特性的液体工质；所述外层壳11外侧的一侧为尖端或弧形端结构，所述尖端或所述弧形端结构上预设有吸热端面111，述外层壳外侧还设有平直段，所述平直段上预设有散热端面112，所述外层壳11的内侧预设有吸液芯14；所述热防护结构还包括若干个设置在所述真空腔13内的支架15，所述支架15将所述真空腔13分割成若干个子腔体，所述液体工质在任意两个所述子腔体之间自由流动。

参阅附图3-4所示，本发明实施例中，利用外壳1呈现V形结构，在高速移动过程中，V形状结构的前端也就是外层壳11与空气摩擦产生大量的热量，可以认为该V形结构的尖端为吸热端面111，而V形结构的后端为平直结构，认为其为散热端面112，本热防护结构运用热管原理，吸热端面111在气动过程中产生很多的热量，输入到尖端表面上，也就是外层壳11的尖端上。随后，该处吸液芯14内的液体工质蒸发吸收热量，蒸发以后的液体工质变为气体相经由真空腔13移动到后部外层壳11的平直段后冷凝释放热量。接着，冷凝以后的工质液化后由吸液芯14输送到吸热端面111处再次进行蒸发吸热，从而达到热防护的目的。

同时，为进一步提高热防护效果、提高横向传热能力，本申请实施例在真空腔13内设置有支架15。一方面，利用支架15可以将外层壳11与内层壳12支撑开，保持真空腔13不会因压力而压扁，不会因压扁的真空腔13阻绝液体工质的传输通道，从而能保证热防护能力不受降低；另一方面，如附图5所示，支架15可以将真空腔13分割成若干个子腔体，且液体工质可以在各个子腔体之间的自由流动，保证了液体工质在横向的传热效果不受影响，从而大大提高了液体工质的横向传热能力，进而进一步提高了热防护性能。

作为本发明第一方面实施例的一种优选的实施方式，外壳1的截面形状可以为V形结构或U形结构。

如附图3-5所示，本发明实施例可应用于高超声速飞行器机翼前缘尖锐部位，机翼前缘尖锐部位一般为V形结构，高超声速飞行器飞行速度快，V形状结构的前端也就是外层壳11与空气摩擦产生大量的热量，可以认为该V形结构的尖端为吸热端面111，而V形结构的后端为平直结构，认为其为散热端面112，本热防护结构运用热管原理，吸热端面111在气动过程中产生很多的热量，输入到尖端表面上，也就是外层壳11的尖端上。随后，该处吸液芯14内的液体工质蒸发吸收热量，蒸发以后的液体工质变为气体相经由真空腔13移动到后部外层壳11的平直段后冷凝释放热量。接着，冷凝以后的工质液化后由吸液芯14输送到吸热端面111处再次进行蒸发吸热，从而达到热防护的目的。同时，为进一步提高热防护效果、提高横向传热能力，本申请实施例在真空腔13内设置有支架15。一方面，利用支架15可以将外层壳11与内层壳12支撑开，保持真空腔13不会因压力而压扁，不会因压扁的真空腔13阻绝液体工质的传输通道，从而能保证热防护能力不受降低；另一方面，如附图5所示，支架15可以将真空腔13分割成若干个子腔体，且液体工质可以在各个子腔体之间的自由流动，保证了液体工质在横向的传热效果不受影响，从而大大提高了液体工质的横向传热能力，进而进一步提高了热防护性能。

具体地，参阅附图3-附图5所示，所述吸热端面111可以为V形结构的尖端部位或可以为U形的弧形部位，所述散热端面112可以为V形结构或U形结构的平直段。

在本发明实施例中，高超声速飞行器V形结构的尖端部位或U形的弧形部位容易累积热量，从而需要进行热防护，而V形结构或U形结构的平直段不容易累积热量，从而无需进行热防护，可以作为散热端面112。

作为本发明第一方面实施例的一种优选的实施方式，外层壳11和/或内层壳12的厚度范围为1mm-10mm。再次需要说明的时，外层壳11和内层壳12的厚度根据不同材料、不同用途而变，其只需满足本申请的功能即可，不应构成对本申请的限制，而外层壳11和/或内层壳12的厚度范围为1mm-10mm是本发明根据长期验证后发现的最佳厚度范围，厚度较薄结构强度较差，使用寿命较短；厚度较厚影响热防护能力。

具体地，在本发明实施例中液体工质可以为碱金属锂钠钾。在此需要说明的时，液体工质的类型只需满足要求即可，其不应构成对本申请的限制。

作为本发明第一方面实施例的一种优选的实施方式，所述壳体1由外层壳11和内层壳12经过预先冲压形成弯折边缘的金属薄板扣合构成；两个所述金属薄板的弯折边缘通过焊接连接。金属薄板的散热能力较好、结构强度均匀、便于加工维护，适合应用高超音速飞行器中。

具体地，吸液芯12的厚度小于所述真空腔13的高度。这样，可以在真空腔13内形成供液体工质汽化后的输送通道，从而形成热量的输送。

具体地，吸液芯14为丝网结构或多孔结构。在此需要说明的时，吸液芯14的类型、形状只需满足要求即可，其不应构成对本申请的限制。

具体地，外层壳11和内层壳12均为平板状。平板状的外层壳11和内层壳12散热能力较好、结构强度均匀、便于加工维护，适合应用高超音速飞行器中。

本发明实施例第二方面的一种热防护结构的加工方法，参阅附图6所示，包括：

步骤一、根据所述外壳1的尺寸将所述外层壳11和所述内层壳12经冲压、弯折加工成型，将所述支架15焊接在所述内层壳12的内侧面上；

步骤二、将所述吸液芯14安装在所述外层壳11的内侧面上；

步骤三、将所述外层壳11和所述内层壳12焊接形成空腔体；

步骤四、将液体工质灌装至所述空腔体内；

步骤五、将所述空腔体抽真空，并密封所述空腔体形成真空腔13。

上述热防护结构的加工方法首先根据外壳1的尺寸将外层壳11和内层壳12进行冲压、弯折形成外壳1的初步形状后，再依次安装支架15、吸液芯14；接着，再进行灌装液体工质，进行抽真空和密封形成一个完整的热管结构。具有加工方法简单、易行的优点，且本申请可以将热防护结构与高超声速飞行器的机翼形状合成一体，直接利用高超声速飞行器的机翼形状作为一个散热结构，从而散热效果更佳；同时，相比于现有技术，本申请中真空腔13内的吸液芯14可以在横向移动，从而液体工质在横向的传热效果得到了提高，故加大了整体的传热效果，热防护能力突出。

具体地，所述步骤五中抽真空直至抽至内部气压为10-20Pa为止，将真空腔13内的压力抽到10-20Pa一方面尽可能提高内部的真空度，同时也考虑到外壳1承受气压的能力，避免外壳1压扁影响热防护能力，在真空与结构强度之间找到了一个最佳点。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种热防护结构，其特征在于，包括外壳，所述外壳包括外层壳以及与所述外层壳相对设置的内层壳，所述外层壳和所述内层壳之间形成密闭的真空腔；所述真空腔内灌装具有遇热汽化特性的液体工质；所述外层壳外侧的一侧为尖端或弧形端结构，所述尖端或所述弧形端结构上预设有吸热端面，所述外层壳外侧还设有平直段，所述平直段上预设有散热端面，所述外层壳的内侧预设有吸液芯；

所述热防护结构还包括若干个设置在所述真空腔内的支架，所述支架将所述真空腔分割成若干个子腔体，所述液体工质在任意两个所述子腔体之间自由流动。

2.根据权利要求1所述的一种热防护结构，其特征在于，所述外壳的截面形状为V形结构或U形结构。

3.根据权利要求2所述的一种热防护结构，其特征在于，所述吸热端面为V形结构的尖端部位或为U形的弧形部位。

4.根据权利要求2所述的一种热防护结构，其特征在于，所述散热端面为V形结构或U形结构的平直段。

5.根据权利要求1所述的一种热防护结构，其特征在于，所述外层壳和所述内层壳均为平板状，所述外层壳和/或所述内层壳的厚度为1mm-10mm。

6.根据权利要求1所述的一种热防护结构，其特征在于，所述液体工质为碱金属锂钠钾。

7.根据权利要求1所述的一种热防护结构，其特征在于，所述壳体由外层壳和内层壳经过预先冲压形成弯折边缘的金属薄板扣合构成；两个所述金属薄板的弯折边缘通过焊接连接。

8.根据权利要求1所述的一种热防护结构，其特征在于，所述吸液芯的厚度小于所述真空腔的高度。

9.根据权利要求1或8所述的一种热防护结构，其特征在于，所述吸液芯为丝网结构或多孔结构。

10.一种如权利要求1-9任一项所述热防护结构的加工方法，其特征在于，包括：

步骤一、根据所述外壳的尺寸将所述外层壳和所述内层壳经冲压、弯折加工成型，将所述支架焊接在所述内层壳的内侧面上；

步骤二、将所述吸液芯安装在所述外层壳的内侧面上；

步骤三、将所述外层壳和所述内层壳焊接形成空腔体；

步骤四、将液体工质灌装至所述空腔体内；

步骤五、将所述空腔体抽真空直至抽至内部气压为10-20Pa为止，并密封所述空腔体形成真空腔。

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