專(zhuān)利名稱(chēng)：表面溫度控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及在高熱通量的環(huán)境中且在表面上同時(shí)具有高速流的情況下提供表面溫度控制的方法和裝置，和更具體地，涉及傳統(tǒng)上在上述環(huán)境中涉及氣膜冷卻或發(fā)散冷卻的表面溫度控制方法和裝置。
背景技術(shù)：
許多工程應(yīng)用，包括航空器、導(dǎo)彈和航天器的各種部件，需要在邊界上具有高速流且同時(shí)遭受高附帶熱通量的表面上進(jìn)行溫度控制。在這些情況下的傳統(tǒng)表面溫度控制方法是氣膜冷卻(film cooling)和發(fā)散冷卻。
典型的氣膜冷卻系統(tǒng)包括承載結(jié)構(gòu)壓力通風(fēng)系統(tǒng)(load bearingstructural plenum)，其具有大量鉆入其外結(jié)構(gòu)壁中的小孔，冷卻空氣通過(guò)這些孔脫離壓力通風(fēng)系統(tǒng)，從而形成使外結(jié)構(gòu)壁的溫度降低的冷卻氣膜。然而，這種冷卻系統(tǒng)具有缺點(diǎn)必須在待冷卻表面中鉆出大量的孔，增加了壓力通風(fēng)系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，同時(shí)降低了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。此外，必須小心地設(shè)計(jì)這些孔以在各種各樣的外部環(huán)境中產(chǎn)生有效的冷卻氣膜，以非常高的速度脫離的冷卻空氣將吹透和吹出表面邊界層進(jìn)入自由流體流，導(dǎo)致壓力通風(fēng)系統(tǒng)外壁的熱傳遞減小和表面溫度控制相應(yīng)地變壞。
典型的發(fā)散冷卻系統(tǒng)包括以外壁為界的壓力通風(fēng)系統(tǒng)，外壁由燒結(jié)金屬或陶瓷形成的結(jié)構(gòu)多孔材料構(gòu)成，這些多孔材料具有大的每單位體積表面積，且能提供材料的高效冷卻和相應(yīng)良好的表面溫度控制。然而，選擇用作壓力通風(fēng)系統(tǒng)外壁的多孔材料類(lèi)型是很難的設(shè)計(jì)問(wèn)題。結(jié)構(gòu)陶瓷傾向于較脆并且具有比金屬更低的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。燒結(jié)金屬傾向于更強(qiáng)但還是比結(jié)構(gòu)陶瓷更重，并因此可能施加不可接受的重量負(fù)擔(dān)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種表面溫度控制裝置，其包括以?xún)?nèi)壁和外壁為界的結(jié)構(gòu)冷卻空氣壓力通風(fēng)系統(tǒng)，多孔層附于外壁上，多孔層可以包括低強(qiáng)度陶瓷泡沫，可以通過(guò)使冷卻空氣流入和然后流出多孔層來(lái)實(shí)現(xiàn)表面溫度控制，提供了少量的可以鉆透外壓力通風(fēng)系統(tǒng)壁進(jìn)入多孔層的冷卻介質(zhì)進(jìn)入孔。
可以將半透過(guò)層附于多孔層的外表面上以防止多孔層的腐蝕和確保大部分冷卻介質(zhì)流通過(guò)小孔脫離多孔層，所述小孔可以鉆透或沖壓透半透過(guò)層。通過(guò)表面脫離孔脫離的冷卻介質(zhì)流與發(fā)散透過(guò)半透過(guò)層的冷卻介質(zhì)結(jié)合，在表面處形成冷卻氣膜。


通過(guò)結(jié)合附圖閱讀下列說(shuō)明，本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得很明顯，在所述附圖中圖1是本發(fā)明冷卻裝置的剖視圖；圖2是圖1的冷卻裝置的俯視圖；以及圖3是作為下游距離的函數(shù)的冷卻效率的圖線，該圖線提供了可以用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的冷卻效率的實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
首先參考圖1，整體由10表示的冷卻裝置包括與外結(jié)構(gòu)壁14結(jié)合的內(nèi)結(jié)構(gòu)件12，在這兩者之間形成壓力通風(fēng)系統(tǒng)16?？梢杂山饘俨牧先玮佇纬蓛?nèi)結(jié)構(gòu)件12和外結(jié)構(gòu)壁14，多孔層18可以粘合到或以其它方式附于外結(jié)構(gòu)壁14上，進(jìn)入孔20可以形成于外結(jié)構(gòu)壁14中，并且可以穿透多孔層18，以提供由粗體箭頭22所示的冷卻空氣流的從壓力通風(fēng)系統(tǒng)16到多孔層18中的流動(dòng)。進(jìn)入孔20例如可以具有大約2.29mm(千分之90英寸)的直徑，達(dá)到多孔層18的一半厚度的深度，以及可以間隔大約6.9mm(0.27英寸)。
多孔層18還可以具有小于50微米的孔隙尺寸，并且可以由陶瓷泡沫絕熱材料形成。陶瓷泡沫的低導(dǎo)熱性有助于將表面溫度控制系統(tǒng)要求的冷卻減到最小。陶瓷泡沫與傳統(tǒng)多孔材料相比的低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并不重要，因?yàn)橄旅娴慕Y(jié)構(gòu)壓力通風(fēng)系統(tǒng)充當(dāng)主要承載結(jié)構(gòu)。所述陶瓷泡沫類(lèi)型的實(shí)例是商業(yè)上可購(gòu)買(mǎi)的Rescor 360剛性絕熱材料。該絕熱材料由CotronicsCorporation制造并且可以具有大約256.3kg/m3(16lbs./ft.3)的密度和大約2.54cm(1.0英寸)的厚度。由于陶瓷泡沫的絕熱性質(zhì)，所以可以用商業(yè)上可購(gòu)買(mǎi)的室溫硬化(RTV)硅樹(shù)脂，如GE RTV-630、GE RTV-560或Dow CorningDC3145，將其結(jié)合到壓力通風(fēng)系統(tǒng)上。粘合劑的粘合層厚度可以薄至0.2mm(0.008英寸)。
可以將半透過(guò)層24設(shè)置在多孔層18的外表面上，半透過(guò)層24保護(hù)下面的低強(qiáng)度多孔層不會(huì)由于高速流而受到腐蝕，半透過(guò)層24可以由覆蓋有陶瓷基復(fù)合材料(CMC)的致密層組成，致密產(chǎn)品的一個(gè)實(shí)例是商業(yè)上可購(gòu)買(mǎi)的Rescor901A液態(tài)絕熱硬化劑(hardener)和由Cotronics Corporation制造的硬化劑(rigidizer)，與燒結(jié)陶瓷基結(jié)合的Nextel312織物是CMC的一個(gè)實(shí)例。在輻射是熱傳遞的主要模式的環(huán)境中，半透過(guò)層24可以改為是高反射半透過(guò)表皮層，當(dāng)結(jié)合到多孔層18的外表面時(shí)，高反射半透過(guò)表皮層既能限制發(fā)散又能將被吸收的能量減到最小。
半透過(guò)阻擋層可以包括多個(gè)充當(dāng)冷卻空氣脫離孔26的穿孔，這些脫離孔26不必與進(jìn)入孔20對(duì)齊且能以錯(cuò)開(kāi)的排的形式布置，形成如圖2中所示的均勻網(wǎng)格。脫離孔26與進(jìn)入孔20的比可以是每個(gè)進(jìn)入孔大約10.7個(gè)脫離孔，脫離孔26可以具有大約1mm(千分之40英寸)的直徑、大約2.5mm(0.1英寸)的深度和可以間隔3.05mm(0.12英寸)?？梢杂勉@孔操作或在不需要昂貴的鉆孔操作的情況下用簡(jiǎn)單且廉價(jià)的沖孔操作形成脫離孔26，沖孔操作穿過(guò)半透過(guò)層24的一部分。
由箭頭30表示的熱源設(shè)置在冷卻裝置10上面，由箭頭32表示的被引入壓力通風(fēng)系統(tǒng)16中的冷卻空氣通過(guò)進(jìn)入孔20進(jìn)入多孔層18，如箭頭22所示。然后，冷卻空氣在穿過(guò)多孔層18的厚度的同時(shí)在多孔層18的平面中散布，如多孔層18中所示的多個(gè)箭頭34所示。由于半透過(guò)層24有效地阻礙冷卻空氣流出多孔層18，所以大部分冷卻空氣流過(guò)脫離孔26，如箭頭36所示。少量沒(méi)有流過(guò)脫離孔26的冷卻空氣在脫離孔26之間的區(qū)域中發(fā)散透過(guò)半透過(guò)層24，如箭頭28所示。
本發(fā)明結(jié)合了氣膜冷卻和發(fā)散冷卻的最好的特質(zhì)，同時(shí)克服了各個(gè)方法中的局限性。與在傳統(tǒng)的氣膜冷卻系統(tǒng)中所需的相比，該系統(tǒng)具有少得多的鉆透壓力通風(fēng)系統(tǒng)外壁的孔，這導(dǎo)致更容易制造的和結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固的壓力通風(fēng)系統(tǒng)。因?yàn)槔鋮s空氣容易在平面內(nèi)擴(kuò)散和擴(kuò)散過(guò)多孔層的厚度，所以外壓力通風(fēng)系統(tǒng)壁中少量的進(jìn)入孔保持均勻的表面溫度控制，并且少量的進(jìn)入孔保持了一個(gè)效果，由于嚴(yán)格限制了發(fā)生在半透過(guò)層的發(fā)散而使得該效果得到增強(qiáng)。
與傳統(tǒng)的氣膜冷卻系統(tǒng)相比，可以把冷卻介質(zhì)脫離孔看作從外壓力通風(fēng)系統(tǒng)壁移出到多孔陶瓷泡沫的表面，通過(guò)使用簡(jiǎn)單的穿透半透過(guò)阻擋層的沖壓機(jī)，就能在多孔泡沫中容易地制造脫離孔，而不必采用昂貴的鉆孔操作。
陶瓷泡沫層另外用來(lái)大幅度地減小冷卻空氣的脫離速度。較低的冷卻速度能減小邊界層的穿透，從而避免傳統(tǒng)氣膜冷卻系統(tǒng)的共同缺陷，并改為提供與傳統(tǒng)發(fā)散冷卻系統(tǒng)同等的冷卻性能。多孔陶瓷泡沫絕熱材料的低導(dǎo)熱性將來(lái)自高熱通量環(huán)境的熱傳遞減到最小，因此允許壓力通風(fēng)系統(tǒng)由較低溫度、較低成本的材料構(gòu)造。通過(guò)將泡沫直接結(jié)合到壓力通風(fēng)系統(tǒng)外結(jié)構(gòu)壁來(lái)減輕重量輕的陶瓷泡沫絕熱材料的低強(qiáng)度問(wèn)題，這種安排比利用傳統(tǒng)發(fā)散冷卻陶瓷的系統(tǒng)更堅(jiān)固，且比多孔燒結(jié)金屬發(fā)散冷卻系統(tǒng)更輕。
這些優(yōu)點(diǎn)在提供了優(yōu)于傳統(tǒng)氣膜冷卻系統(tǒng)的表面溫度控制和與傳統(tǒng)發(fā)散冷卻系統(tǒng)同等的表面溫度控制的系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的熱效率很高，因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)中實(shí)施的氣膜冷卻和發(fā)散冷卻的結(jié)合在外表面產(chǎn)生了一冷卻氣膜，氣膜中有最小的邊界層穿透。當(dāng)與傳統(tǒng)的氣膜冷卻系統(tǒng)相比時(shí)，這又意味著需要較低的冷卻介質(zhì)流量來(lái)獲得規(guī)定的表面溫度。
本發(fā)明的熱效率已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中得到證明。進(jìn)行了一個(gè)試驗(yàn)，其中用高溫硅樹(shù)脂將附有硬化CMC半透過(guò)層的2.54cm(1英寸)厚的多孔陶瓷絕熱材料片粘合到鈦基體。以均勻網(wǎng)格形式布置的脫離孔穿透樣品的半透過(guò)層，所述均勻網(wǎng)格由錯(cuò)開(kāi)的多排孔構(gòu)成。這些孔具有大約1mm(千分之40英寸)的直徑、大約3.05mm(0.12英寸)的間隔和刺入大約2.54mm(0.1英寸)的深度。具有大約2.29mm(千分之90英寸)直徑的進(jìn)入孔以每個(gè)進(jìn)入孔10.7個(gè)脫離孔的孔密度鉆透鈦基體。在使冷卻空氣以幾種流量吹過(guò)樣品的同時(shí)，將高速、高溫空氣被沿切線方向引到樣品的表面上。
該試驗(yàn)的結(jié)果在圖3中示出。該圖標(biāo)出了作為樣品上下游距離的函數(shù)的冷卻效率η。冷卻效率是冷卻空氣將樣品表面溫度降低到未冷卻表面溫度之下的效率的量度標(biāo)準(zhǔn)，如圖上的注釋所示的等式中所表明的。0.0的冷卻效率與等于未冷卻壁溫的冷卻壁溫對(duì)應(yīng)，而1.0的冷卻效率與等于壓力通風(fēng)系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)供給溫度的冷卻壁溫對(duì)應(yīng)，圖上的垂線38和40分別表示樣品表面上的脫離孔網(wǎng)格的上游和下游界限。
在效率曲線的形狀中可以看到在樣品表面的兩種不同冷卻模式的效率。有一個(gè)初始上游區(qū)域，在初始上游區(qū)域上面，冷卻氣膜厚度的建立以迅速上升的效率為特征，初始上游區(qū)域后面是完全發(fā)展的冷卻氣膜區(qū)域，其特征是近似不變的效率。
在適度的0.034kg/min/cm2(0.49lbm/min/in2)的冷卻空氣流量下，本發(fā)明在完全發(fā)展區(qū)域中實(shí)現(xiàn)了高水平的大約71％的冷卻效率。將冷卻介質(zhì)流量削減40％使其為0.020kg/min/cm2(0.29lbm/min/in2)僅僅將完全發(fā)展的效率減小到大約65％，流量進(jìn)一步減小到0.013kg/min/cm2(0.18lbm/min/in2)產(chǎn)生大約59％的完全發(fā)展的效率，對(duì)于冷卻介質(zhì)流量的幾乎三分之二的減少，僅僅損失了12個(gè)百分點(diǎn)的效率，該事實(shí)突出了本發(fā)明的高熱效率。
效率曲線還示出了在樣品表面的完全發(fā)展區(qū)域上面，特別是在較高的流量下，獲得的高度的冷卻均勻性。這表示本發(fā)明產(chǎn)生相對(duì)地高度的表面溫度均勻性。
與傳統(tǒng)的氣膜冷卻系統(tǒng)相比，根據(jù)本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)較便宜，結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固，且熱效率更高。本發(fā)明還提供了一種結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固、重量更輕的冷卻系統(tǒng)，其熱效率至少與傳統(tǒng)的發(fā)散冷卻系統(tǒng)一樣。此外，本發(fā)明能容易地適應(yīng)出現(xiàn)在航空器、導(dǎo)彈、超音速運(yùn)載工具和航天器上的各種設(shè)計(jì)情況。
雖然已經(jīng)為了說(shuō)明性的目的披露了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，在不背離這里和所附權(quán)利要求中披露的發(fā)明的范圍和精神的情況下，各種改變、增加和替換都是可能的。例如，雖然已經(jīng)披露了空氣作為冷卻介質(zhì)，但當(dāng)然可以使用其它流體。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括內(nèi)結(jié)構(gòu)件和外結(jié)構(gòu)壁，在它們之間確定了壓力通風(fēng)系統(tǒng)；附于所述外結(jié)構(gòu)壁上的多孔層；所述外結(jié)構(gòu)壁包括位于其中的孔口。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述多孔層包括陶瓷泡沫絕熱層。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括設(shè)置在所述多孔層的外表面上的穿孔層。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述穿孔層由半透過(guò)性材料構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述半透過(guò)性材料是硬化的陶瓷基復(fù)合材料。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述外結(jié)構(gòu)壁由金屬材料形成。
7.一種使表面冷卻的方法，包括提供以?xún)?nèi)結(jié)構(gòu)件和外結(jié)構(gòu)壁為界的結(jié)構(gòu)壓力通風(fēng)系統(tǒng)；提供在所述壓力通風(fēng)系統(tǒng)的外部附于所述外結(jié)構(gòu)壁上的多孔層；在所述外結(jié)構(gòu)壁中提供孔口以使所述壓力通風(fēng)系統(tǒng)與所述多孔層流體地連通；和在所述壓力通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)提供增壓空氣。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于將半透過(guò)層附于所述多孔層上。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括在所述半透過(guò)層中提供多個(gè)孔口。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述增壓空氣通常從所述壓力通風(fēng)系統(tǒng)外結(jié)構(gòu)壁中的孔口流過(guò)所述多孔層的厚度到達(dá)所述半透過(guò)層，其中在多孔層的平面中有一些氣流的擴(kuò)散。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于大部分增壓空氣通過(guò)所述半透過(guò)層中的多個(gè)孔口脫離所述多孔層。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述增壓空氣的一部分在所述孔口之間的區(qū)域中發(fā)散透過(guò)所述半透過(guò)層。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于通過(guò)所述多個(gè)孔口脫離的增壓空氣與發(fā)散透過(guò)半透過(guò)層的那部分增壓空氣結(jié)合以形成鄰接被冷卻表面的冷卻氣膜。
14.一種制造冷卻表面裝置的方法，包括將多孔層附于外結(jié)構(gòu)壁上；在所述外結(jié)構(gòu)壁中提供孔口，所述孔口可以穿透所述多孔層；和通過(guò)將所述外結(jié)構(gòu)壁與內(nèi)壁結(jié)合來(lái)形成壓力通風(fēng)系統(tǒng)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述多孔層由陶瓷泡沫絕熱材料形成。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括將半透過(guò)層附于所述多孔層的外表面上。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，包括在所述半透過(guò)層中形成孔口。
18.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述半透過(guò)層中的孔口穿過(guò)所述多孔層的一部分。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于在將所述半透過(guò)層附于所述多孔層的外表面上之后，在半透過(guò)層中形成所述孔口。
20.一種航空器，包括結(jié)構(gòu)件，包括內(nèi)結(jié)構(gòu)件和外結(jié)構(gòu)壁，在它們之間確定壓力通風(fēng)系統(tǒng)；和結(jié)合到所述外結(jié)構(gòu)壁的多孔層；所述外結(jié)構(gòu)壁包括位于其中的孔口。
21.如權(quán)利要求20所述的航空器，其特征在于所述多孔層包括陶瓷泡沫絕熱層。
22.如權(quán)利要求20所述的航空器，還包括設(shè)置在所述多孔層的外表面上的穿孔層。
23.如權(quán)利要求22所述的航空器，其特征在于所述穿孔層由半透過(guò)性材料構(gòu)成。
24.如權(quán)利要求23所述的航空器，其特征在于所述半透過(guò)性材料是硬化的陶瓷基復(fù)合材料。
25.如權(quán)利要求20所述的航空器，其特征在于所述外結(jié)構(gòu)壁由金屬材料形成。
26.一種宇宙飛船包括結(jié)構(gòu)件，包括內(nèi)結(jié)構(gòu)件和外結(jié)構(gòu)壁，在它們之間確定壓力通風(fēng)系統(tǒng)；結(jié)合到所述外結(jié)構(gòu)壁的多孔層；所述外結(jié)構(gòu)壁包括位于其中的孔口。
27.如權(quán)利要求26所述的宇宙飛船，其特征在于所述多孔層包括陶瓷泡沫絕熱層。
28.如權(quán)利要求26所述的宇宙飛船，還包括設(shè)置在所述多孔層的外表面上的穿孔層。
29.如權(quán)利要求28所述的宇宙飛船，其特征在于所述穿孔層由半透過(guò)性材料構(gòu)成。
30.如權(quán)利要求29所述的宇宙飛船，其特征在于所述半透過(guò)性材料是硬化的陶瓷基復(fù)合材料。
31.如權(quán)利要求26所述的宇宙飛船，其特征在于所述外結(jié)構(gòu)壁由金屬材料形成。
全文摘要
一種用于表面溫度控制的裝置(10)和方法。通過(guò)使冷卻介質(zhì)流入和然后流出附于結(jié)構(gòu)壓力通風(fēng)系統(tǒng)上的低強(qiáng)度多孔層(18)來(lái)實(shí)現(xiàn)表面溫度控制?？梢詫⒏郊訉?24)附于多孔層(18)的外表面上，以防止多孔層(18)的腐蝕和促進(jìn)表面氣膜冷卻。
文檔編號(hào)B64C1/00GK1832883SQ200480022447
公開(kāi)日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2004年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月5日
發(fā)明者威廉·W·貝倫斯, 安德魯·R·塔克, 詹姆斯·E·弗倫奇, 蓋爾·J·米勒 申請(qǐng)人:波音公司