一种叠层式薄板发汗冷却结构

技术领域

本发明属于航天和航空飞行器/发动机领域的主动热防护设计领域，具体涉及一种叠层式薄板发汗冷却结构。

背景技术

发汗冷却技术通过增压装置将液态冷却工质输运至高热部位，并从预置的多孔层向外壁面渗出，依靠液态工质的相变吸收大量的结构热量，同时工质汽化后在高热表面形成气膜层，可以有效阻隔高温气流对结构的直接加热，具有较高的冷却效率。与此同时，发汗冷却还具有减小表面气动阻力、降低表面红外目标特性等优点，现已成为航空航天各类高速飞行器和火箭发动机主动热防护的关键技术和主要途径。

飞行器设计通常追求极端轻质化，以实现更高、更快、更远的目标。将发汗冷却技术应用于空天飞行器身部大面积等区域时，将面临厚度和重量的严重制约。此外，大面积发汗冷却的工程化应用还必须解决工质的均匀分配和供给难题，否则极易因为部分区域冷却工质的输运不畅导致局部结构高温，进而出现“传热恶化”。因此，薄壁构件的多孔发汗结构必须在有限厚度内实现工质的大面积均匀化和同步化供给。

发汗冷却结构在原理可行的基础上，还必须考虑工艺的可实现性。目前，能够制备用于渗流发汗的金属微孔构件的工艺一般包括丝网烧结和3D打印等技术。与烧结工艺相比，3D打印可以实现多孔和实体区域的一体化成型，结构内部输运流道可设计性强，这其中，激光选区熔化(SLM)3D打印技术具有成型精度高、微观组织精确可控、近净成形等显著优势，是多孔发汗结构的优选工艺。但该技术在结构成型后，内部流道充满金属粉末，必须及时予以清除，在结构设计时也应兼顾考虑粉末清出的便捷性，避免出现闭腔等情形。

综合设计和工艺，既满足工质输运需求，又满足工艺清粉需求，是薄板发汗冷却结构设计的难点所在。目前，针对薄壁构件的发汗冷却结构，尚未有公开检索的文献报道。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种适应激光选区熔化3D打印技术的叠层式薄板发汗冷却结构，通过不同尺度的覆斗型积液单元的叠层和阵列设计，实现较小厚度内工质的大面积同步化、均匀化供给，同时便于3D打印后粉末的清除。积液腔结构还可以起到抵抗热冲击和短时大过载、适应不同曲面外形变化的作用。

一种叠层式薄板发汗冷却结构，包括多孔表层、实体基板和接管嘴；所述实体基板内部含有工质的输运腔道，底部中心位置开设工质入口；所述多孔表层的外壁面是待冷却表面，内壁面与工质接触；工作时，冷却工质由工质入口进入输运腔道中，到达末端的多孔表层，冷却工质经多孔表层内部的微孔向外壁面渗出；所述接管嘴与工质入口相连，通过3D打印直接成型或通过焊接方式与实体基板固连。

所述输运腔道由四级积液腔叠层组合而成，与工质入口相连的为一级积液腔，向上依次为二级积液腔、三级积液腔和四级积液腔；每一层级积液腔均包含同样结构的单元，每一个单元均呈覆斗型；由一级积液腔至四级积液腔，层级依次降低，包含的覆斗型单元的数量以四的倍数增长，同时覆斗型单元的体积同步缩小。

进一步的，针对平面尺寸为100mm×100mm的平板薄壁构件，所述一级积液腔包含的覆斗型单元共1个，厚度为2.5mm；二级积液腔包含的覆斗型单元共4个，厚度为2mm；三级积液腔包含的覆斗型单元共16个，厚度为1.5mm；四级积液腔包含的覆斗型单元共64个，厚度为1.5mm；输运腔道的总厚度为7.5mm，实体基板的厚度为1.5mm，加上7.5mm厚的输运腔道和1mm厚的多孔表层，整个薄壁构件总厚度为10mm。

进一步的，所述二级积液腔的小厎平面位于一级积液腔的覆斗型单元的四个角点位置，对称排布；同样地，由二级积液腔到三级积液腔，由三级积液腔到四级积液腔，结构均一致；冷却工质由一级积液腔经四个角点进入二级积液腔的4个覆斗型单元时，流动阻力相同，工质将被均匀分为4份，分别进入4个覆斗型单元；依此类推，最终工质由工质入口5到达任意一个四级积液腔的覆斗型单元的路径完全相等，流阻亦完全一致。

进一步的，所述四级积液腔的64个覆斗型单元均匀阵列排布，相邻覆斗型单元之间的间隔宽度为1mm，单个覆斗型单元的平面尺寸为11.5mm×11.5mm，小底平面尺寸为2mm×2mm。

进一步的，所述覆斗型单元均预置泄出倾角，倾角为17.5°。

进一步的，通过激光选区熔化3D打印技术成型。

本发明的有益效果如下：

(1)叠层式积液腔结构可以在10mm厚度内实现冷却工质在大面积区域上的均匀化、同步化供给，有效避免因局部冷却工质输运不畅导致的传热恶化；

(2)覆斗型单元为金属粉末预置泄出倾角，解决了内含复杂流道的薄壁构件使用激光选区熔化3D打印技术成型后的清粉难题；

(3)覆斗型单元的存在，使工质始终充满积液腔，可以抵抗因飞行姿态突变等导致的瞬时热载荷冲击，增强发汗冷却结构的热环境适应性；

(4)覆斗型单元的入口较小，工质反流的阻力较大，可以避免单一区域的压力波动对其余单元工质供给的影响，在一定程度上抵抗短时的大过载，同时使发汗结构对曲面外形的适应性较强，提高了工程化应用的价值；

(6)薄壁构件可以作为标准化的装配模块，根据实际外形和面积进行通用化设计和批量化装配，逐一镶嵌、拼接组合而成大面积发汗冷却结构，实用性强。

附图说明

图1是一种叠层式薄板发汗冷却结构示意图；

图2是输运腔道结构示意图；

图3是覆斗型单元结构示意图；

其中，

1-多孔表层2-实体基板3-接管嘴4-输运腔道5-工质入口6-一级积液腔7-二级积液腔8-三级积液腔9-四级积液腔10-单元11-倾角

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明要求保护的范围。

一种叠层式薄板发汗冷却结构，如图1所示，由多孔表层1、实体基板2和接管嘴3共三部分组成。多孔表层1的外壁面为待冷却表面，直接承受高热载荷，内壁面与工质接触，工作时，在供给系统压力驱动下，冷却工质经多孔表层1内部的微孔向外壁面渗出，发挥发汗降热的效果，多孔表层1厚度为1mm。实体基板2是大面积薄壁构件的承力结构，同时内部还含有工质的输运腔道4，底部中心位置开设工质入口5，工作时，冷却工质由工质入口5进入输运腔道4中，并最终到达末端的多孔表层1。接管嘴3与工质入口5相连，可通过3D打印直接成型或通过焊接方式与实体基板2固连。

如图2、图3所示，输运腔道4由四级积液腔叠层组合而成，与工质入口5相连的为一级积液腔6，向上依次为二级积液腔7、三级积液腔8和四级积液腔9。每一层级积液腔均包含若干同样结构的单元10，每一个单元10均呈覆斗型。由一级至四级，积液腔的层级依次降低，包含的覆斗型单元10的数量以四的倍数增长，同时单元10的体积同步缩小。

具体来说，针对平面尺寸为100mm×100mm的平板薄壁构件，一级积液腔6包含的覆斗型单元10共1个，厚度为2.5mm；二级积液腔7包含的覆斗型单元10共4个，厚度为2mm；三级积液腔8包含的覆斗型单元10共16个，厚度为1.5mm；四级积液腔9包含的覆斗型单元10共64个，厚度为1.5mm；输运腔道4的总厚度为7.5mm。在工质入口5位置，实体基板2的厚度为1.5mm，加上7.5mm厚的输运腔道4和1mm厚的多孔表层1，整个薄壁构件总厚度为10mm。

对于四级积液腔9，64个覆斗型单元10均匀阵列排布，相邻覆斗型单元10之间的间隔宽度为1mm，单个覆斗型单元10的平面尺寸为11.5mm×11.5mm，小底平面尺寸为2mm×2mm，厚度方向的倾角11为17.5°。

二级积液腔7的4个覆斗型单元10的小厎平面位于一级积液腔6的覆斗型单元10的四个角点位置，对称排布；同样地，由二级积液腔7到三级积液腔8，由三级积液腔8到四级积液腔9，结构均一致。因此，冷却工质由一级积液腔6经四个角点进入二级积液腔7的4个覆斗型单元10时，流动阻力相同，工质将被均匀分为4份，分别进入4个覆斗型单元10。依此类推，最终工质由工质入口5到达任意一个四级积液腔9的覆斗型单元10的路径完全相等，流阻亦完全一致，因此，四级积液腔9的64个覆斗型单元10将得到同样的工质流量。该结构可以实现在10mm总厚度范围内，工质在大面积的均匀、同步供给。

覆斗型单元10为粉末预置泄出倾角11，通过激光选区熔化3D打印技术成型薄板发汗冷却结构之后，仅需将多孔层水平朝上，同时辅助外部振动，即可在重力的作用下使金属粉末自然流出，不存在清除死角，操作便捷。

叠层式薄板发汗冷却结构应用于飞行器大面积部位时，因覆斗型单元10的存在，使得工质始终充满积液腔，可以抵抗因飞行姿态突变等导致的瞬时热载荷冲击，发挥一定的缓冲作用，增强发汗冷却结构的热环境适应性。

覆斗型单元10的入口较小，工质反流的阻力较大，一旦64个覆斗型单元10中某一个单元10出现瞬时的压力升高，对其余单元10工质供给的扰动较小，可以在一定程度上抵抗短时的大过载。同时该特性不局限于平板，对薄壁构件的曲面外形适应性较强，提高了发汗结构工程化应用的价值。

上述100mm×100mm的薄壁构件可以作为标准化装配模块，便于根据实际外形和面积进行通用化设计和批量化装配，最终逐一镶嵌拼接组合而成大面积发汗冷却结构，具有较强的实用价值。

本发明不局限于上述结构方式，不论在其形状或结构上做任何变化，凡是利用本发明所建立的模塑式整体成型隔热层结构，均落在本发明的保护范围之内。