[发明专利]用于以微型桁架为基的结构隔热层的方法和设备

说明书

技术领域

本发明的领域总的涉及结构的冷却，特别是涉及用于以微型桁架为基的结构隔热层的方法和设备。

背景技术

多种方案已经用在结构的热防护中。许多这些方案包括作为该结构一部分的低密度芯材，这种芯材允许空气通过同时还提供隔热因素。这些芯材包括碳泡沫、碳化硅泡沫、氧化铝片和有沟槽的蜂巢结构其中一种或多种。其他芯材可以是已知的。

陶瓷泡沫已经用于热防护系统和热交换用途。但是，由于它们随机的泡沫微孔取向，它们没有所希望的机械效率。而且，当试图迫使空气通过该泡沫时这种随机的泡沫微孔取向导致一定程度的困难。此外，从热力学性能的观点看，为了优化这些泡沫结构，随机的网状泡沫还带来有限的设计可变性(主要是泡沫微孔尺寸)。

一种方案包括陶瓷热防护系统，其中陶瓷是多孔的，允许冷却空气从中穿过。然而，这种多孔陶瓷具有许多和网状泡沫相同的特征。具体说，单个微孔的随机性导致空气通过这种陶瓷的效率低。

发明内容

一方面，提供一种用于保持机件和热源之间的温差的设备。该设备包括具有多个节点和限定第一表面和第二表面的构件的微型桁架结构。该第二表面可操作以用于附连到该机件。该设备还包括附连于该微型桁架结构的第一表面的表皮材料，使得该表皮材料可操作以用于放置在热源和微型桁架结构之间。该表皮材料限定通过该微型桁架结构的流体流动路径的至少一部分。

另一方面，提供一种用于保护表面免受发自热源的热波动的结构。该结构包括具有在节点相交的多个空心构件的微型桁架结构。该空心构件限定第一表面和第二表面及其间的多个空间。该第二表面构造成用于靠近要被保护免受热源的表面放置，而空心构件和节点构造成使得流体流可以被引导从中经过。该结构还包括填充由微型桁架结构的空心构件和节点限定的空间的隔热材料。

又一方面，提供一种用于使表面与靠近该表面的热源隔离的方法。该方法包括将微型桁架结构附连于该表面，该微型桁架结构在该表面和热源之间，并且使流体流与该微型桁架结构相关联以便流体流动的运行能够从与微型桁架结构有关联的区域带走热。

已经讨论的特征、功能和优点可以在本发明的各实施例中单独实现，或可以在其他实施例中组合实现，其进一步的细节可以参考下面的描述和附图看到。

附图说明

图1是包括不可渗透的表皮的以微型桁架为基的主动冷却隔热层的剖视图。

图2是包括多孔的表皮的以微型桁架为基的主动冷却隔热层的剖视图。

图3是包括包含在表皮中的定向冷却孔的以微型桁架为基的主动冷却隔热层的剖视图。

图4是以微型桁架为基的主动冷却隔热层的剖视图，其中冷却空气被引导通过空心桁架构件。

图5是微型桁架结构的示图。

图6是包括空心桁架构件的微型桁架结构的示图。

图7是空心桁架构件的放大图。

具体实施方式

所描述的实施例涉及其中具有桁架结构的隔热结构元件。在各种实施例中，桁架结构包括从节点延伸并附连于表皮表面的多个构件。在一些实施例中，该桁架结构和其构件是陶瓷的。在一些实施例中，桁架构件是空心的。关于空心和不空心的桁架实施例两者，整个结构可以包括表皮和附连于该表皮的桁架结构的一个表面。桁架结构的相反表面附连于被保护免受热通量的表面。由于表皮和该表面之间的桁架结构，形成允许不太受约束的空气流动流过该桁架结构的流体流动路径。

所述结构的一个目的是保持表面和入射热通量之间的热差(ΔT)。调节通过微型桁架表面的冷却空气流动的能力能够控制该表面温度。这种微型桁架结构的若干优点包括诸如陶瓷和金属的多样材料选择、净形制造(net shape fabrication)的可能、对冷却空气流动通道没有额外的机械加工，并且微型桁架结构能够提供其他的结构功能。

下面描述的实施例的一种确定的应用是在与飞机排气喷嘴相关联的环境中。不过，当然可以想到需要表面温度控制的其他应用。

更具体地说，桁架结构涉及附连于需要保护免受高热通量源的表面的微型桁架的实施例。参考图1，表皮材料10沿着微型桁架结构12的第一表面16附连于该微型桁架结构12。微型桁架结构12的第二表面18用附件20被附连，使得微型桁架结构12的第二表面18邻接将要被保护免受高热通量40的装置或底层结构32的表面30。在所示的实施例中，通过由穿过微型桁架结构12的冷却空气50所提供的对流冷却，来保护底层结构32的表面30免受高热通量40。表皮10的一个目的是围住微型桁架12的内部区域60，以允许冷却空气50流动。