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1、(10)申请公布号 CN 102427936 A(43)申请公布日 2012.04.25CN102427936A*CN102427936A*(21)申请号 201080021603.X(22)申请日 2010.05.0512/476,003 2009.06.01 USB32B 3/10(2006.01)F28F 13/00(2006.01)(71)申请人波音公司地址美国伊利诺伊州(72)发明人 AJ雅克布森 SE雷曼GP麦克奈特 WB卡特(74)专利代理机构北京纪凯知识产权代理有限公司 11245代理人赵蓉民(54) 发明名称用于以微型桁架为基的结构隔热层的方法和设备(57) 摘要本发明公开一。
2、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构件的微型桁架结构，所述微型桁架结构限定第一表面和第二表面。该第二表面可操作以用于附连于该机件。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，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。表皮材料不与微型桁架结构的某些构造形式一起使用。(30)优先权数据(85)PCT申请进入国家阶段日2011.11.16(86)PCT申请的申请数据PCT/US2010/033725 2010.05.05(87)PCT申请的公布数据WO2010/141176 EN 2010.1。
3、2.09(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 4 页CN 102427942 A 1/2页21.一种用于保持机件和热源之间的温差的设备，所述设备包括：包括多个节点和构件的微型桁架结构，所述微型桁架结构还包括第一表面和第二表面，所述第二表面可操作以用于附连于所述机件；以及表皮材料，其附连于所述微型桁架结构的所述第一表面，以便所述表皮材料可操作以用于放置在所述热源和所述微型桁架之间，所述表皮材料限定通过所述微型桁架结构的流体流动路径的至少一部分。2.根据权利要求1的设备，其中所述微型桁架结构包括聚合物、金属、金属合金。
4、和陶瓷材料其中之一。3.根据权利要求1的设备，其中所述微型桁架结构的所述第二表面利用粘结剂被附连于该机件的表面。4.根据权利要求1的设备，其中所述表皮材料包括不可渗透材料，所述表皮材料和该机件的表面形成流体流动能够通过的内部区域，该内部区域包含所述微型桁架结构。5.根据权利要求1的设备，其中所述表皮材料包括多孔材料，所述表皮材料和该机件的表面形成流体流动的一部分能够通过以提供对流冷却的内部区域，该内部区域包含所述微型桁架结构，所述流体流动的另一部分通过所述表皮材料以在所述表皮材料处提供流逸冷却。6.根据权利要求1的设备，其中所述表皮材料包括通过该表皮材料形成的多个定向冷却孔，所述表皮材料和要被。
5、保护免受热源的表面形成流体流动的一部分通过以提供对流冷却的内部区域，该内部区域包含所述微型桁架结构，所述流体流动的另一部分穿过在所述表皮材料中的所述定向冷却孔以在所述表皮材料处提供薄膜冷却。7.根据权利要求1的设备，其中所述微型桁架结构包括多个空心构件，流体流动的至少一部分能够被引导通过所述空心构件，所述表皮材料包括下述其中之一：多孔材料，所述空心构件的一部分对齐于所述多孔材料，以引导所述流体流动的一部分从中穿过，从而在所述表皮材料处提供流逸冷却；不可渗透材料，其包括通过其形成的多个定向冷却孔，所述空心构件的一部分与所述多个定向冷却孔对齐，以在所述表皮材料处提供薄膜冷却。8.根据权利要求7的设。
6、备，其中所述微型桁架结构的所述节点和所述构件限定多个空间，所述结构还包括填充由所述微型桁架结构所限定的所述空间的隔热材料。9.一种用于保护表面免受发自热源的热波动的结构，所述结构包括：包括在节点相交的多个空心构件的微型桁架结构，所述空心构件限定第一表面和第二表面及其间的多个空间，所述第二表面被构造成靠近要被保护免受所述热源的所述表面放置，所述空心构件和节点被构造成使得流体流动可以被引导从中穿过；和填充由所述微型桁架结构的所述空心构件和所述节点限定的所述空间的隔热材料。10.根据权利要求9的结构，还包括附连于所述微型桁架结构的第二表面的流动通道，所述流动通道被构造成将流体流动引导到所述多个空心构。
7、件中。11.根据权利要求9的结构，还包括附连于所述微型桁架结构的所述第一表面的多孔表皮材料，所述表皮材料可以操作以暴露于所述热源，并且被构造成使得所述流体流动能够从所述空心构件通过所述表皮材料从而在所述表皮材料处提供流逸冷却。12.根据权利要求9的结构，还包括不可渗透材料，其包括通过其形成的多个定向冷却权 利 要 求 书CN 102427936 ACN 102427942 A 2/2页3孔并且附连于所述微型桁架结构的所述第一表面，所述表皮材料可以操作以暴露于所述热源，所述多个空心构件的一部分与所述多个定向冷却孔对齐从而在所述表皮材料处提供薄膜冷却。13.一种用于使表面与靠近该表面的热源隔离的方。
8、法，所述方法包括：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该热源之间；并且使流体流动与该微型桁架结构相关联，以便所述流体流动的运行从与该微型桁架结构有关联的区域带走热。14.根据权利要求13的方法，还包括与该微型桁架结构附连于该表面的附连相反地将不可渗透表皮材料附连于该微型桁架结构，使得该表皮材料和该表面形成流体流动能够穿过的内部区域，该内部区域包含所述微型桁架结构，该流体流动提供该微型桁架结构的对流冷却。15.根据权利要求13的方法，还包括与该微型桁架结构附连于该表面的附连相反地将多孔表皮材料附连于该微型桁架结构，使得该表皮材料和该表面形成流体流动能够穿过的内部区域，该内部区域包。
9、含所述微型桁架结构，该流体流动提供该微型桁架结构的对流冷却和在所述多孔表皮材料处的流逸冷却。16.根据权利要求13的方法，还包括与该微型桁架结构附连于该表面的附连相反地、将其中包含定向冷却孔的表皮材料附连于该微型桁架结构，使得该表皮材料和该表面形成流体流动能够穿过的内部区域，该内部区域包含所述微型桁架结构，该流体流动提供该微型桁架结构的对流冷却和在具有所述冷却孔的所述表皮材料处的薄膜冷却。17.根据权利要求13的方法，其中将微型桁架结构附连于该表面还包括附连包括多个空心构件的微型桁架结构；和使流体流动与该微型桁架结构相关联包括引导所述流体流动通过所述空心构件。18.根据权利要求17的方法，还包。
10、括用隔热材料填充由该微型桁架结构限定的空间。19.根据权利要求17的方法，还包括与该微型桁架结构附连于该表面的附连相反地、将表皮材料附连于该微型桁架结构，该表皮材料是允许流体流动穿过的多孔材料或具有在其内形成的定向冷却孔的材料其中之一，其中该定向冷却孔与该微型桁架结构的所述空心构件对齐。20.根据权利要求17的方法，其中附连包括多个空间构件的微型桁架结构还包括：将流体通道附连于要被保护免受所述热源的所述表面；和将该微型桁架结构附连于该流动通道，该流动通道被构造成将所述流体流动引导到该多个空心构件中。权 利 要 求 书CN 102427936 ACN 102427942 A 1/4页4用于以微型。
11、桁架为基的结构隔热层的方法和设备技术领域0001 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0002 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。0003 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。
12、，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)。0004 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0005 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。0006 另一。
13、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。0007 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。0008 已经讨论的特征、功能和优点可。
14、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0009 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。0010 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。说 明 书CN 102427936 ACN 102427942 A 2/4页50011 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。0012 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。0013 图5是微型桁架结构的示图。0014 图6是包括空心桁架构件的微型桁架结构。
15、的示图。0015 图7是空心桁架构件的放大图。具体实施方式0016 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。0017 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(T)。调节通过微型桁架表面的冷却空气流动的能力能。
16、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。0018 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。0019 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。
17、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。0020 正如本说明书别处所描述的，微型桁架结构12可以由聚合物、金属(或合金)或由陶瓷材料制造。对于超过近似200摄氏度的温度，微型桁架材料必需被换成陶瓷或金属。一个优选实施例利用陶瓷微型桁架。碳化硅和氧化铝是这种陶瓷的两个例子，不过还有其他陶瓷。这样做的理由有许多，并且理由包括：由于陶瓷材料的密度一般比金属低，由于陶瓷材料在较高温度环境下通常。
18、具有更好的热稳定性，以及由于陶瓷材料通常具有较低的热传导性，这防止热通过桁架构件传导到需要保护免受热通量的表面。0021 在不可渗透表皮材料10的情况下，入射热能朝着到需要保护免受热通量40的表面30传导通过制造微型桁架结构12的构件的材料。冷却空气50被引导通过该微型桁架结构，从而提供对流冷却机制以保持理想T。不可渗透表皮材料的一个实施例是陶瓷纤维增强的陶瓷基质复合物(CMC)。0022 对于不可抗渗透表皮材料10，被引导通过该微型桁架结构12的冷却空气50的温说 明 书CN 102427936 ACN 102427942 A 3/4页6度将随着冷却空气50从微型桁架结构12的单个构件带走热。
19、而增加。由于减少冷却空气50和表皮材料10之间减少的温差，所以这种现象随着通过微型桁架结构的有效路径的长度增加而降低冷却空气50的效率。如果这种冷却机制足以针对具体应用中的所需温度条件保持安全T，那么将最终确定对于冷却空气流率的限制。0023 如图1和后面的图所示，微型桁架结构12附连于需要保护免受高热通量40的表面30。可以用粘接或机械附连方法。在一个优选实施例中，微型桁架结构12用高温硅树脂粘结剂附连于表面30，其提供有效的应变消除层。如果在粘接表面希望较低的热梯度，则可以用市场上可得到的其他粘接方法。0024 正如在这里描述的其他实施例的情况，通过使冷却空气50穿过与微型桁架结构12有关。
20、的该结构的天然流动通道来控制/保持表皮材料10和表面30之间的温差。此外，并且如图2所示，表皮材料100可以是多孔的，从而使冷却空气能够从微型桁架结构12的内部区域60穿过多孔表皮材料100，并到高热通量40，从而提供流逸(transpiration)机制。在所示的实施例中，通过微型桁架结构12的对流冷却以及表皮100的表面102处的流逸冷却来保护底层结构32的表面30免受高热通量40。0025 作为一个被描述的实施例，能够通过利用多孔的表皮材料100实现流逸冷却，该多孔的表皮材料100使冷却空气50能够从微型桁架结构12的内部区域60朝着入射热通量40的方向“流逸”。这种主动冷却机制对于给定。
21、热通量而言减少了表皮温度(与具有相似热传导性的不可渗透的表皮材料相比)，因此减少通过桁架构件传导的热量。多孔表皮材料100的例子包括形成超过10的开口孔隙率的烧结颗粒和/或纤维。在多孔陶瓷表皮材料的情况下，颗粒和/或纤维可以由氧化物的或非氧化物成分构成。0026 图3示出表皮材料150可以被制造成包括多个对齐的孔152，该孔152能够使冷却空气50从微型桁架结构12的内部区域60朝着热源40流过对齐的孔152，从而提供薄膜冷却机制。这种构造形式的其他方面和前面一样，具体说，同样通过微型桁架结构的对流冷却并通过在表皮150的表面处的薄膜冷却来保护底层结构32的表面30免受高热通量40。0027 。
22、在一个实施例中，并且如图3所示，表皮材料150可以包括定向冷却孔152的阵列以实现上面提到的薄膜冷却。在可选实施例中，用于表皮材料的材料可以是关于图1描述的不可渗透表皮材料10，或可以是关于图2描述的多孔表皮材料100。在两个实施例的任何一个实施例中，冷却空气50离开微型桁架结构12的内部区域60，并且形成靠近表皮材料150的表面154的保护性冷却薄膜。与流逸冷却类似，冷却空气薄膜减少与入射热通量40相邻的表皮材料150的表面温度，因此减少通过微型桁架结构传导的热量。表皮材料150中的冷却孔152的阵列可以是用常规方法钻出或者激光加工的，其垂直于或者以一定角度偏离该表面154的法向。微型桁架结。
23、构12的架构可以被构造成使得冷却孔152位于微型桁架结构12的节点160之间，从而实现可预计的冷却空气流动样式。0028 图4示出另一个可替代实施例，其中能够通过使冷却空气50穿过微型桁架结构202的空心构件200到表皮材料212的表面210而实现薄膜冷却。在这个实施例中，微型桁架结构202的内部220能够选择地填充有诸如气凝胶的高度隔热材料224。冷却空气230通过在微型桁架结构202和需要与高热通量40隔热的底层结构32的表面30之间形成的单独的冷却通道230被引导到空心的微型桁架构件200中。在一个实施例中，通过将流动通道240设置于要被保护免受高热通量40的底层结构32的表面30来形成。
24、所述单独的冷说 明 书CN 102427936 ACN 102427942 A 4/4页7却通道230。在这个实施例中，根据空气流动渗透性和填充微型桁架202的内部220的隔热材料224的耐用性，可选择单独的表皮材料，例如表皮材料100或表皮材料150。0029 图5是微型桁架结构250的一个实施例的示图，其示出冷却空气能够从中流过的通道252。图6是微型桁架结构300的放大图，其包括空心的桁架构件302。图7是空心的桁架构件302的进一步放大图。0030 关于包括上述微型桁架结构12和202其中之一的主动冷却隔热层的尺寸、总厚度在具体实施例中为近似0.1英寸和2英寸之间。在一个优选实施例中，。
25、微型桁架结构的厚度范围在0.3英寸和1英寸之间。表皮材料的范围在从总厚度的大约百分之一到大约百分之五十。微型桁架结构的固体体积部分或相对密度的范围在大约百分之一到大约百分之五十之间。0031 除了能够使冷却流动通过主动冷却隔热层的结构之外，微型桁架材料还被用作夹层结构芯材，其能够在底层结构和表皮材料之间传递载荷。微型桁架结构12和202的这种结构功能可以减少隔热层的附加重量。0032 也可以预期到其他实施例，其组合关于图1-4所描述的一个或更多个特征。例如，不利用隔热材料224，而是正如关于图1-3所描述地，围绕微型桁架结构202，冷却空气能够被定路线通过空心桁架构件200并通过该结构的内部2。
26、20。此外，可选表皮可以是图2的多孔表皮材料100，或图3的具有与空心的桁架构件200对齐的孔152的表皮材料150。0033 在任何实施例中，当微型桁架结构被形成和/或制造时，能够通过改变单元微孔尺寸、单元微孔架构、桁架构件直径和桁架构件角度其中之一或多个来优化微型桁架结构。0034 在一种应用中，所描述的实施例可以用作飞机的热防护系统的一部分。所描述的实施例涉及一体的阻热结构，该阻热结构利用桁架元件以形成类似夹层结构的复合物，从而引导热离开表面。在一个实施例中，利用导致空心微型桁架元件的改进的(developed)过程，来形成桁架元件。本发明的一个重点是桁架结构，其中流体流动(空气)通过一。
27、个或多个桁架结构和空心桁架构件，从而为需要保护免受大热梯度的表面提供冷却。0035 这种书面描述利用例子描述包括最佳模式的各种实施例，使本领域的任何技术人员能够实施这些实施例，包括制造和使用任何装置或系统，并且执行任何所包含的方法。可授予专利权的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其他例子。如果它们具有与权利要求的文字语言无差别的结构元件，或者它们包括具有与权利要求的文字语言非实质区别的同等结构元件，那么这种其他例子则确定在权利要求的范围内。说 明 书CN 102427936 ACN 102427942 A 1/4页8图1图2说 明 书 附 图CN 102427936 ACN 102427942 A 2/4页9图3图4说 明 书 附 图CN 102427936 ACN 102427942 A 3/4页10图5图6说 明 书 附 图CN 102427936 A。