一種螺旋式熱防護結構
1.本發明涉及熱防護領域，特別適用于需要在高溫環境下保持工作溫度的系統。
背景技術：
2.在航天、石油開采系統等應用中，電子設備通常要在高溫惡劣的環境下工作。電子設備具有能夠承受的臨界溫度，超過臨界溫度可能會導致電子設備失效甚至損壞，將造成極大的損失和安全隱患。因此，對電子設備進行熱防護有利于提高電子設備在高溫環境的工作可靠性與穩定性，延長設備的使用壽命，同時也能大大減少安全隱患。目前的熱防護主要分為被動式熱防護與主動式熱防護，被動式熱防護通常使用低導熱系數的隔熱材料，或是利用相變材料，依靠材料自身的低導熱系數等特性阻礙熱量的傳遞。主動式熱防護通過主動消耗其他能量來帶走熱量從而起到熱防護效果。然而，在高溫惡劣環境下，被動式熱防護的熱防護性能會隨著熱防護層的溫度升高而逐漸降低，在一定的工作時間后將失去熱防護的效果。而主動式熱防護由于循環工質通常沒有隔熱工質那樣優異的熱防護性能，可能會導致系統熱負荷較大，會對循環系統提出較高要求。因此，通過將主動式與被動式熱防護結合，利用被動式熱防護降低主動式熱防護的熱負荷，利用主動式熱防護維持被動式熱防護的熱防護能力，將能夠更好的控制電子設備溫度，大大提升熱防護能力。因此，想要開發一種能夠應用于深井開采、航空航天、汽車等領域的熱防護層，既含有隔熱層填充隔熱材料，阻礙熱量的傳遞，又含有主動式水冷系統，通過循環流動帶走傳入的熱量維持熱防護層的隔熱效果，能夠長久、高效的為內部精密的電子設備提供熱防護。然而，在主動式熱防護中通常會面臨熱防護分布不均，彎折處出現流動死區等問題，通過對水冷通道內部進行結構優化，構建了雙螺旋形流道，在滿足熱防護的前提下提升水通道傳熱特性，并改良工質的流動特性。
3.專利cn216015993u所公開的一種等彎曲直徑光纖凹槽的水冷通道，通過使用冷卻板以及設置在冷卻板表面的螺旋凹槽，實現對光纖激光器模式的有效控制，保證光纖激光器工作的穩定性。在螺旋形光纖凹槽下方的冷卻板內的水冷通道呈螺旋形或者s形緊密排布。該專利提出了將水冷板與隔熱材料相結合的思路，但水冷通道并非用于熱防護，形狀也為長板形，且無更詳細相關冷卻水通道的描述，與本專利螺旋形水冷通道的設計方法不相同。
4.專利cn213782103u所公開的一種冷卻效果好的水冷板，通過水冷槽焊接有螺旋的渦狀線結構水冷管，制造了一種新型的水冷散熱板，解決了單路水冷管路后半程吸換熱效率變差問題，該專利提出了利用往復流動的冷卻水帶走熱量的思路，但水冷通道為平板形，水冷管也是在平板上的螺旋的渦狀結構，與本專利中沿軸向延伸的雙螺旋水冷通道不同。
5.專利cn103997257b所公開的一種雙螺旋管式廢熱回電裝置，通過將廢氣中的部分熱量利用雙螺旋管中的傳熱介質收集并傳導至熱電發電組件產生溫差電動勢，對汽車車載電池進行充電。該專利提出了雙螺旋管的吸收熱量裝置，但其目的是收集熱量，與本專利的熱防護領域相反，此外螺旋管道內的介質為單向流動，與本專利中雙向流動的結構不同。
4:1。
17.包覆通道是半橢圓形的弧形結構，徑向為長軸并長于軸向的短軸，位于夾層的一端，連接兩個相對的螺旋水冷通道，多組螺旋水冷通道的包覆通道疊加布置，將夾層的端密封；夾層的另一端為水冷通道的入口和/或出口。
18.隔熱層內部采用空氣層隔熱或真空隔熱方式，或填充玻璃棉、氣凝膠材料，隔熱層位于雙螺旋水冷通道外殼的外側。
19.還包括電子器件包裹層，用于承載電子器件，電子器件包裹層和電子器件都被包裹在內殼之間，置于熱防護結構圍成區域的中間位置。
20.雙螺旋水冷通道可設置為不同直徑大小的多層，徑向嵌套包覆，層與層之間緊密排列或留有間隙。
21.本發明與現有技術相比具有以下效果：
22.本發明提供的一種螺旋式熱防護結構，利用多組雙螺旋流道，引導冷卻水沿螺旋軌跡流動，能夠明顯改善水冷通道的流動與換熱特性。冷卻水流通通道與螺旋隔板占據外殼與內殼夾層的全部空間，構成對內殼的全覆蓋式熱防護結構；雙螺旋水冷通道能夠提供主動式熱防護，帶走從隔熱層流入的熱量，維持隔熱層的熱防護能力，此外，螺旋流道相較于直線流道，能夠避免冷卻水流動時出現過大的彎折，減少阻力與流動死區，同時，能夠顯著延長冷卻水流動距離，并引導冷卻水同時沿軸向與周向流動，提高換熱的均勻性和充分性；通過選擇可以改變雙螺旋水冷通道的螺距的結構，能夠適應非均勻外部熱源的工作環境，當外界為高熱流區時，可通過減少螺距，增多螺旋數量以增大換熱面積；當外界為低熱流區時，可通過增加螺距，減少螺旋數量，便于加工；包覆通道是半橢圓形的弧形結構，徑向為長軸并遠長于軸向的短軸，內部為矩形流體通道，位于夾層的一端，連接兩個螺旋流體通道，實現冷卻水流向轉變，在夾層形成一組雙螺旋流體通道結構，流體以連續螺旋形式在夾層流動，通過包覆通道以相同螺旋方式反向流動，可實現入口與出口在雙螺旋水冷通道的同側布置，便于冷卻系統布置，此外，多組包覆通道組合構成多組往復流動的通道，消除了折流處的死區與渦旋，同時還能形成封閉腔體，相較于單向流動，冷卻水的往復流動能更明顯提升水冷通道的換熱的均勻性，避免了冷卻水上下游出現較大溫差，提升了水冷通道的熱防護能力；隔熱層位于雙螺旋水冷通道外殼的外側，能夠覆蓋整個雙螺旋水冷通道和包覆通道，隔熱層可采用空氣層隔熱、真空隔熱、填充低導熱系數材料等方式，利用被動式熱防護阻隔從外界流入的熱量，降低水冷的熱負荷，隔熱層與雙螺旋水冷通道和包覆通道共同構成熱防護系統；當采用多層水冷通道時，相較于單層水冷通道，在同等的單層流道高度下能夠提供更多的冷卻水，而在同等的總流道高度下，多層較窄流道相較于單層較寬流道的特征長度更大，nu數更大，因此換熱能力也更強，在充足的布置空間下，可通過布置多層水冷通道實現更好的熱防護效果。
附圖說明
23.圖1a是本發明一種螺旋式熱防護結構的三維結構整體示意圖。
24.圖1b是本發明一種螺旋式熱防護結構的三維結構部分分解圖。
25.圖2是本發明一種螺旋式熱防護結構中一組雙螺旋水冷通道與一個包覆通道構成的完整水冷通道的三維結構示意圖。
26.圖3a是本發明一種螺旋式熱防護結構雙螺旋水冷通道的三維結構示意圖。
27.圖3b是本發明一種螺旋式熱防護結構附圖3a在局部a的放大圖。
28.圖4a是本發明一種變螺距螺旋式熱防護結構雙螺旋水冷通道的三維結構示意圖。
29.圖4b是本發明一種變螺距螺旋式熱防護結構單根螺旋水冷通道的結構示意圖。
30.圖5a是本發明一種螺旋式熱防護結構包覆通道的三維結構示意圖。
31.圖5b是本發明一種螺旋式熱防護結構附圖5a在b方向的局部頂視圖。
32.圖6a是本發明一種螺旋式熱防護結構隔熱層的三維整體示意圖。
33.圖6b是本發明一種螺旋式熱防護結構附圖6a在c方向的側視圖。
34.圖7是模擬高溫環境下水冷通道在不同長短軸比下的出口水溫與內壁溫的對比圖。
35.圖8a是本發明一種多層式螺旋式熱防護結構雙螺旋水冷通道的三維結構整體示意圖。
36.圖8b是本發明一種多層式螺旋式熱防護結構雙螺旋水冷通道的三維結構部分分解圖。
37.附圖標記說明：
38.1-雙螺旋水冷通道；
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2-包覆通道；
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3-隔熱層；
39.4-外殼；
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5-內殼；
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6-螺旋隔板；
40.7-冷卻水流向；
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8-電子設備；
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9-電子器件包裹層；
具體實施方式
41.圖1-圖8是本發明提供的一種螺旋式熱防護結構示意圖。
42.下面結合附圖對本發明進行具體描述。一種螺旋式熱防護結構，包括多組雙螺旋水冷通道1、包覆通道2與隔熱層3，其中隔熱層3可以是一端封閉，一端敞開的結構。雙螺旋水冷通道1至少包括外殼4、內殼5及螺旋隔板6。所述外殼4與內殼5通常為圓筒結構，沿軸向同心布置，外殼4與內殼5之間形成一定厚度的夾層，并將夾層與其他部件分隔；所述螺旋隔板6位于夾層之間，螺旋隔板6沿同心軸均勻排布，彼此平行且互補重疊，用于分隔螺旋流體通道，螺旋隔板6能夠引導冷卻水沿螺旋軌跡流動，改善水冷通道的流動與換熱特性。所述包覆通道2為矩形流體通道，位于夾層的一端，能夠解決折流處易出現流動死區的問題，并實現冷卻水的流向轉變；所述隔熱層3位于雙螺旋水冷通道外殼4的外側，能夠利用被動式熱防護特性減少熱量輸入；需要熱防護的電子設備8位于電子器件包裹層9以內，電子器件包裹層9用于承載電子器件8，兩者構成的結構包裹在內殼5之間，在熱防護結構圍成區域的中間位置。
43.圖7為雙螺旋水冷通道1與包覆通道2構成的完整水冷通道在100℃的高溫外環境下的模擬結果，示出了弧形的包覆通道2在徑向與軸向的長度之比分別為4：2、4：3、4：4和4：5時的內壁溫與出口水溫。徑向長度不變時，增加軸向長度將會導致冷卻水的流通通道延長，使得內壁溫與出口水溫升高。此外，為避免端部占用空間太大，螺旋直段太短，影響效果，包覆通道2的軸向的長度也應盡可能小，然而，從結構上，其需要一定的軸向長度來保證能夠連接兩條雙螺旋水冷通道1，否則將無法發揮作用，因此本應用中包覆通道2弧形的徑向與軸向的長度之比應在4：2與4：3之間。
44.優選的，雙螺旋水冷通道1的外殼4與內殼5同心布置，形成夾層，并將冷卻水流道、隔熱層3與電子設備8彼此分隔，螺旋隔板6在夾層中需布置至少兩組，隔板之間長度相同，螺旋隔板能夠將夾層分隔成螺旋流體通道，雙螺旋水冷通道1的螺旋流道相較于直線流道，能夠避免冷卻水流動時出現過大的彎折，減少流動阻力，改善冷卻水的流動特性，同時有助于提高換熱的均勻性和充分性。
45.優選的，對于雙螺旋水冷通道1的變螺距結構，雖然較難加工，但是變螺距結構比較適用于非均勻外部熱源的工作環境，當外界為高熱流區時，可通過減少螺旋結構的螺距以使得該區域的螺旋數量增多，延長該區域內流體的流動長度，增大換熱面積；當外界為低熱流區時，可通過增加螺旋結構的螺距以減少該區域的螺旋數量，便于加工，降低成本。
46.優選的，包覆通道2為矩形流體通道，位于夾層的一端，用于連接兩個對應相同的螺旋流體通道，在夾層形成一組雙螺旋流體通道結構，流體以連續螺旋形式在夾層流動，通過包覆通道后以相同螺旋方式反向流動，可實現入口與出口在雙螺旋水冷通道的同側布置，便于冷卻系統布置，此外，包覆通道2實現了冷卻水流向轉變，多組包覆通道2組合構成多組往復流動的通道，同時形成封閉腔體，往復流動相較于單向流動能更好提升水冷通道的整體換熱特性。
47.優選的，隔熱層3位于雙螺旋水冷通道外殼4的外側，隔熱層3可采用空氣層隔熱、真空隔熱，也可填充玻璃棉、氣凝膠或隔熱氣體等隔熱材料，利用被動式熱防護阻隔從外界流入的熱量，隔熱層3與雙螺旋水冷通道1和包覆通道2共同構成熱防護系統。
48.優選的，將不同直徑大小的雙螺旋水冷通道1內外嵌套包覆，能夠構造出徑向多層的，層與層之間緊密排列的多層水冷通道。多層水冷通道相較于單層水冷通道，能夠明顯的提升換熱能力，因此在充足的布置空間內可通過利用多層水冷通道實現更好的熱防護效果。并且，不同層的螺旋水冷通道可以采用固定螺距與變螺距通道組合的形式，例如，內層通道采用變螺距，外層通道采用固定螺距，由此兼顧換熱效率與加工成本的均衡性。
49.優選的，經過雙螺旋水冷通道1流出的流體可根據具體的結構對出口水進行冷卻，包括外部制冷系統降溫、風冷或水冷降溫等。此外，在深井條件下，由于空間限制，可以通過構建相變材料恒溫倉，利用相變特性吸收出口水的溫度。
50.本發明的實施方式只是對本專利的示例性說明，并不限定它的保護范圍，本領域技術人員還可以對其局部進行改變，只要沒超出本專利的精神實質，都在本專利的保護范圍內。
技術特征：
1.一種螺旋式熱防護結構，其特征在于：包括雙螺旋水冷通道、包覆通道與隔熱層；所述雙螺旋水冷通道至少包括外殼、內殼及螺旋隔板，外殼與內殼為圓筒結構，中間形成夾層，夾層內布置有螺旋隔板，分隔出多個螺旋流體通道；所述包覆通道的截面為矩形流體通道，位于夾層的一端；所述隔熱層位于雙螺旋水冷通道外殼的外側。2.如權利要求1所述一種螺旋式熱防護結構，其特征在于：所述雙螺旋水冷通道的外殼與內殼同心布置，形成夾層，螺旋隔板在夾層內布置至少兩組；雙螺旋水冷通道采用固定螺距或變螺距的結構。3.如權利要求2所述一種螺旋式熱防護結構，其特征在于：所述雙螺旋水冷通道采用變螺距結構，螺距最大區域與螺距最小區域的螺距比為2:1-4:1。4.如權利要求1所述一種螺旋式熱防護結構，其特征在于：所述包覆通道是半橢圓形的弧形結構，徑向為長軸并長于軸向的短軸，位于夾層的一端，連接兩個相對應的螺旋流體通道，多組螺旋水冷通道的包覆通道疊加布置，將夾層的一端密封；夾層的另一端為水冷通道的入口或出口。5.如權利要求1所述一種螺旋式熱防護結構，其特征在于：所述隔熱層內部采用空氣層隔熱或真空隔熱方式，或采用填充玻璃棉和/或氣凝膠材料，隔熱層位于雙螺旋水冷通道外殼的外側。6.如權利要求1所述一種螺旋式熱防護結構，其特征在于：還包括電子器件包裹層，用于承載電子器件，電子器件包裹層和電子器件都被包裹在內殼之間，置于熱防護結構圍成區域的中間位置。7.如權利要求1所述一種螺旋式熱防護結構，其特征在于：雙螺旋水冷通道可設置為不同直徑大小的多層，徑向嵌套包覆，層與層之間緊密排列或留有間隙。
技術總結
本發明涉及一種螺旋式熱防護結構，包括雙螺旋水冷通道、包覆通道與隔熱層；所述雙螺旋水冷通道至少包括外殼、內殼及螺旋隔板，外殼與內殼為圓筒結構，中間形成夾層，夾層內布置有螺旋隔板，分隔出多個螺旋流體通道；所述包覆通道的截面為矩形流體通道，位于夾層的一端；所述隔熱層位于雙螺旋水冷通道外殼的外側。采用本發明的結構，流體以螺旋形式在夾層流動，通過包覆通道后以相同螺旋方式反向流動，可實現入口與出口在雙螺旋水冷通道的同側布置。本發明的結構可有效降低徑向傳入的熱流量，達到穩定的熱防護效果。達到穩定的熱防護效果。達到穩定的熱防護效果。
