气动热环境下的自增压主动冷却结构

本发明主要涉及到热防护，尤其是一种气动热环境下的自增压主动冷却结构。

背景技术：

1、高温加热下的热防护问题存在于诸多领域，如航空航天领域发动机燃烧火焰热防护、能源动力领域中发电厂的锅炉、燃烧室及炉膛等高温热防护、机械制造领域中如玻璃制造、陶瓷烧结等产生的高温等。这些高温热源产生的原因多种多样，但存在一个共同的问题，即需要结构承载体具备较高的耐温防热特性。为了确保高温下结构功能正常，需要对耐热结构采取一定的热防护措施。

2、根据热防护机理的不同，热防护可分为被动热防护与主动冷却热防护。被动热防护主要依靠防热材料高耐温性能，承受高温火焰及其他气流的加热、烧蚀，常用的材料有陶瓷、碳基复合材料等。主动冷却热防护则是利用冷却工质大热沉及高效换热特性，对结构热面进行主动散热、吸热降温。

3、主动冷却热防护方式主要有：发汗冷却、再生冷却（对流冷却）、膜冷却、喷雾冷却等。被动热防护对防热材料的耐温性能依赖较大，防热适用范围较窄。主动冷却热防护具有防热效率高、维形效果好、防热范围大等优点，被广泛应用于各高温领域的热防护。

4、从冷却效率看，发汗冷却效率最高，对工质需求量较小，是一种具有极大应用价值的冷却方式。但是发汗冷却热防护系统中，冷却工质往往带有高压输送系统，其所占的体积和重量一般较大，还需要对工质供应进行控制，在一定程度上限制了发汗冷却的应用范围。

技术实现思路

1、针对现有技术中发汗冷却方式存在的不足，本发明提出一种气动热环境下的自增压主动冷却结构。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明提供一种气动热环境下的自增压主动冷却结构，为多层腔体冷却结构，由外至内依次设有多孔材料层、缓冲腔、真空腔和集液腔；

4、所述多孔材料层的外侧为气动热空间，所述多孔材料层的内侧设有缓冲腔，所述缓冲腔和集液腔之间设置有真空腔；所述集液腔用于储存冷却水；

5、所述缓冲腔和集液腔之间设置有导通过滤控制通道，所述导通过滤控制通道设置有安全阀，仅当集液腔压力达到导通过滤控制通道中安全阀设定压力值后，安全阀自动打开，基于压差使得集液腔内产生的高压水蒸汽能够通过导通过滤控制通道进入缓冲腔，高压水蒸汽在缓冲腔内稳流后通过多孔材料层过程中与多孔材料层充分换热，同时降低多孔材料层向内的导热，增大热阻隔，经多孔材料层向外排出的水蒸汽在多孔材料层外表面形成一层冷却气膜，降热的同时还起到隔热效果。

6、优选地，所述导通过滤控制通道还设置有单相过滤器，当安全阀打开时，集液腔内产生的水汽能够通过导通过滤控制通道内的安全阀以及单相过滤器进入缓冲腔，所述单相过滤器能够过滤掉其中的液态水，确保仅有水蒸汽通过单相过滤器进入缓冲腔。

7、优选地，所述真空腔的腔内压力不大于100pa，通过低压来消除腔内对流换热。

8、优选地，所述真空腔内壁喷涂防辐射涂层，降低壁面辐射换热。

9、优选地，所述多孔材料层内密布微孔，所述多孔材料层为孔隙率为0.2～0.5范围内的多孔耐高温结构。

10、优选地，所述多孔材料层内微孔直径为5μm～30μm之间。

11、优选地，所述多层腔体冷却结构的整体外形不限，可以根据其应用的对象结构设计，其应用对象也不限，各种在气动热环境下的设备均可应用。

12、另一方面，本发明提供一种飞行器，包括上述气动热环境下的自增压主动冷却结构。根据飞行器有降热隔热需求的具体位置，可以将所述气动热环境下的自增压主动冷却结构与飞行器进行一体设计。不是一般性，飞行器头锥部位设置有所述自增压主动冷却结构，所述自增压主动冷却结构整体呈锥形。

13、相对于现有技术，本发明能够产生的技术效果是：

14、本发明提供的气动热环境下的自增压主动冷却结构，大量的冷却水储存在集液腔中，通过在缓冲腔和集液腔之间设置有导通过滤控制通道，所述导通过滤控制通道设置有安全阀，仅当集液腔压力达到导通过滤控制通道中安全阀设定压力值后，安全阀自动打开，基于压差使得集液腔内产生的高压水蒸汽能够通过导通过滤控制通道进入缓冲腔，高压水蒸汽在缓冲腔内稳流后通过多孔材料层过程中与多孔材料层充分换热，同时降低多孔材料层向内的导热，增大热阻隔，经多孔材料层向外排出的水蒸汽在多孔材料层外表面形成一层冷却气膜，降热的同时还起到隔热效果。在冷却过程中，集液腔中的冷却水是自动供应到缓冲腔，然后进入多孔材料层充分换热，无需高压输送系统，因此其不会给应用对象增加较大的体积和重量，而且整个冷却过程中是无需额外干预控制的，能够实现高效率主动冷却功能。

15、本发明提供一种气动热环境下的自增压主动冷却结构具有自增压供应冷却工质、高效率主动冷却功能，能够满足高热流区结构的防热需求。

技术特征：

1.气动热环境下的自增压主动冷却结构，其特征在于，为多层腔体冷却结构，由外至内依次设有多孔材料层、缓冲腔、真空腔和集液腔；

2.根据权利要求1所述的气动热环境下的自增压主动冷却结构，其特征在于，所述导通过滤控制通道还设置有单相过滤器，当安全阀打开时，集液腔内产生的水汽能够通过导通过滤控制通道内的安全阀以及单相过滤器进入缓冲腔，所述单相过滤器能够过滤掉其中的液态水，确保仅有水蒸汽通过单相过滤器进入缓冲腔。

3.根据权利要求1或2所述的气动热环境下的自增压主动冷却结构，其特征在于，所述真空腔的腔内压力不大于100pa，通过低压来消除腔内对流换热。

4.根据权利要求3所述的气动热环境下的自增压主动冷却结构，其特征在于，所述真空腔内壁喷涂防辐射涂层，降低壁面辐射换热。

5.根据权利要求1或2或3或4述的气动热环境下的自增压主动冷却结构，其特征在于，所述多孔材料层内密布微孔，所述多孔材料层为孔隙率为0.2～0.5范围内的多孔耐高温结构。

6.根据权利要求5所述的气动热环境下的自增压主动冷却结构，其特征在于，所述多孔材料层内微孔直径为5μm～30μm之间。

7.根据权利要求1所述的气动热环境下的自增压主动冷却结构，其特征在于，所述多层腔体冷却结构的整体外形根据其应用的对象结构设计。

8.一种飞行器，其特征在于，包括权利要求1或2或4或6或7所述的气动热环境下的自增压主动冷却结构。

9.根据权利要求8所述的飞行器，其特征在于，飞行器头锥部位设置有所述自增压主动冷却结构，所述自增压主动冷却结构整体呈锥形。

技术总结本发明提供一种气动热环境下的自增压主动冷却结构，为多层腔体冷却结构，由外至内依次设有多孔材料层、缓冲腔、真空腔和集液腔，多孔材料层的外侧为气动热空间，多孔材料层的内侧设有缓冲腔，缓冲腔和集液腔之间设置有真空腔；集液腔用于储存冷却水；缓冲腔和集液腔之间设置有导通过滤控制通道，导通过滤控制通道仅在设定压力条件下自动打开，基于压差使得集液腔内产生的高压水蒸汽能够通过导通过滤控制通道进入缓冲腔，高压水蒸汽在缓冲腔内稳流通过多孔材料层过程中与多孔材料层充分换热，降低多孔材料层向内的导热，增大热阻隔，经多孔材料层外排的水蒸汽在多孔材料层外表面形成一层冷却气膜，起到降热隔热效果。技术研发人员：丁瑞,王德全,刘冰,王志祥,王林,钮耀斌,李世斌受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15