一种螺旋式热防护结构
1.本发明涉及热防护领域，特别适用于需要在高温环境下保持工作温度的系统。
背景技术：
2.在航天、石油开采系统等应用中，电子设备通常要在高温恶劣的环境下工作。电子设备具有能够承受的临界温度，超过临界温度可能会导致电子设备失效甚至损坏，将造成极大的损失和安全隐患。因此，对电子设备进行热防护有利于提高电子设备在高温环境的工作可靠性与稳定性，延长设备的使用寿命，同时也能大大减少安全隐患。目前的热防护主要分为被动式热防护与主动式热防护，被动式热防护通常使用低导热系数的隔热材料，或是利用相变材料，依靠材料自身的低导热系数等特性阻碍热量的传递。主动式热防护通过主动消耗其他能量来带走热量从而起到热防护效果。然而，在高温恶劣环境下，被动式热防护的热防护性能会随着热防护层的温度升高而逐渐降低，在一定的工作时间后将失去热防护的效果。而主动式热防护由于循环工质通常没有隔热工质那样优异的热防护性能，可能会导致系统热负荷较大，会对循环系统提出较高要求。因此，通过将主动式与被动式热防护结合，利用被动式热防护降低主动式热防护的热负荷，利用主动式热防护维持被动式热防护的热防护能力，将能够更好的控制电子设备温度，大大提升热防护能力。因此，想要开发一种能够应用于深井开采、航空航天、汽车等领域的热防护层，既含有隔热层填充隔热材料，阻碍热量的传递，又含有主动式水冷系统，通过循环流动带走传入的热量维持热防护层的隔热效果，能够长久、高效的为内部精密的电子设备提供热防护。然而，在主动式热防护中通常会面临热防护分布不均，弯折处出现流动死区等问题，通过对水冷通道内部进行结构优化，构建了双螺旋形流道，在满足热防护的前提下提升水通道传热特性，并改良工质的流动特性。
3.专利cn216015993u所公开的一种等弯曲直径光纤凹槽的水冷通道，通过使用冷却板以及设置在冷却板表面的螺旋凹槽，实现对光纤激光器模式的有效控制，保证光纤激光器工作的稳定性。在螺旋形光纤凹槽下方的冷却板内的水冷通道呈螺旋形或者s形紧密排布。该专利提出了将水冷板与隔热材料相结合的思路，但水冷通道并非用于热防护，形状也为长板形，且无更详细相关冷却水通道的描述，与本专利螺旋形水冷通道的设计方法不相同。
4.专利cn213782103u所公开的一种冷却效果好的水冷板，通过水冷槽焊接有螺旋的涡状线结构水冷管，制造了一种新型的水冷散热板，解决了单路水冷管路后半程吸换热效率变差问题，该专利提出了利用往复流动的冷却水带走热量的思路，但水冷通道为平板形，水冷管也是在平板上的螺旋的涡状结构，与本专利中沿轴向延伸的双螺旋水冷通道不同。
5.专利cn103997257b所公开的一种双螺旋管式废热回电装置，通过将废气中的部分热量利用双螺旋管中的传热介质收集并传导至热电发电组件产生温差电动势，对汽车车载电池进行充电。该专利提出了双螺旋管的吸收热量装置，但其目的是收集热量，与本专利的热防护领域相反，此外螺旋管道内的介质为单向流动，与本专利中双向流动的结构不同。
4:1。
17.包覆通道是半椭圆形的弧形结构，径向为长轴并长于轴向的短轴，位于夹层的一端，连接两个相对的螺旋水冷通道，多组螺旋水冷通道的包覆通道叠加布置，将夹层的端密封；夹层的另一端为水冷通道的入口和/或出口。
18.隔热层内部采用空气层隔热或真空隔热方式，或填充玻璃棉、气凝胶材料，隔热层位于双螺旋水冷通道外壳的外侧。
19.还包括电子器件包裹层，用于承载电子器件，电子器件包裹层和电子器件都被包裹在内壳之间，置于热防护结构围成区域的中间位置。
20.双螺旋水冷通道可设置为不同直径大小的多层，径向嵌套包覆，层与层之间紧密排列或留有间隙。
21.本发明与现有技术相比具有以下效果：
22.本发明提供的一种螺旋式热防护结构，利用多组双螺旋流道，引导冷却水沿螺旋轨迹流动，能够明显改善水冷通道的流动与换热特性。冷却水流通通道与螺旋隔板占据外壳与内壳夹层的全部空间，构成对内壳的全覆盖式热防护结构；双螺旋水冷通道能够提供主动式热防护，带走从隔热层流入的热量，维持隔热层的热防护能力，此外，螺旋流道相较于直线流道，能够避免冷却水流动时出现过大的弯折，减少阻力与流动死区，同时，能够显著延长冷却水流动距离，并引导冷却水同时沿轴向与周向流动，提高换热的均匀性和充分性；通过选择可以改变双螺旋水冷通道的螺距的结构，能够适应非均匀外部热源的工作环境，当外界为高热流区时，可通过减少螺距，增多螺旋数量以增大换热面积；当外界为低热流区时，可通过增加螺距，减少螺旋数量，便于加工；包覆通道是半椭圆形的弧形结构，径向为长轴并远长于轴向的短轴，内部为矩形流体通道，位于夹层的一端，连接两个螺旋流体通道，实现冷却水流向转变，在夹层形成一组双螺旋流体通道结构，流体以连续螺旋形式在夹层流动，通过包覆通道以相同螺旋方式反向流动，可实现入口与出口在双螺旋水冷通道的同侧布置，便于冷却系统布置，此外，多组包覆通道组合构成多组往复流动的通道，消除了折流处的死区与涡旋，同时还能形成封闭腔体，相较于单向流动，冷却水的往复流动能更明显提升水冷通道的换热的均匀性，避免了冷却水上下游出现较大温差，提升了水冷通道的热防护能力；隔热层位于双螺旋水冷通道外壳的外侧，能够覆盖整个双螺旋水冷通道和包覆通道，隔热层可采用空气层隔热、真空隔热、填充低导热系数材料等方式，利用被动式热防护阻隔从外界流入的热量，降低水冷的热负荷，隔热层与双螺旋水冷通道和包覆通道共同构成热防护系统；当采用多层水冷通道时，相较于单层水冷通道，在同等的单层流道高度下能够提供更多的冷却水，而在同等的总流道高度下，多层较窄流道相较于单层较宽流道的特征长度更大，nu数更大，因此换热能力也更强，在充足的布置空间下，可通过布置多层水冷通道实现更好的热防护效果。
附图说明
23.图1a是本发明一种螺旋式热防护结构的三维结构整体示意图。
24.图1b是本发明一种螺旋式热防护结构的三维结构部分分解图。
25.图2是本发明一种螺旋式热防护结构中一组双螺旋水冷通道与一个包覆通道构成的完整水冷通道的三维结构示意图。
26.图3a是本发明一种螺旋式热防护结构双螺旋水冷通道的三维结构示意图。
27.图3b是本发明一种螺旋式热防护结构附图3a在局部a的放大图。
28.图4a是本发明一种变螺距螺旋式热防护结构双螺旋水冷通道的三维结构示意图。
29.图4b是本发明一种变螺距螺旋式热防护结构单根螺旋水冷通道的结构示意图。
30.图5a是本发明一种螺旋式热防护结构包覆通道的三维结构示意图。
31.图5b是本发明一种螺旋式热防护结构附图5a在b方向的局部顶视图。
32.图6a是本发明一种螺旋式热防护结构隔热层的三维整体示意图。
33.图6b是本发明一种螺旋式热防护结构附图6a在c方向的侧视图。
34.图7是模拟高温环境下水冷通道在不同长短轴比下的出口水温与内壁温的对比图。
35.图8a是本发明一种多层式螺旋式热防护结构双螺旋水冷通道的三维结构整体示意图。
36.图8b是本发明一种多层式螺旋式热防护结构双螺旋水冷通道的三维结构部分分解图。
37.附图标记说明：
38.1-双螺旋水冷通道；
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2-包覆通道；
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3-隔热层；
39.4-外壳；
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5-内壳；
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6-螺旋隔板；
40.7-冷却水流向；
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8-电子设备；
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9-电子器件包裹层；
具体实施方式
41.图1-图8是本发明提供的一种螺旋式热防护结构示意图。
42.下面结合附图对本发明进行具体描述。一种螺旋式热防护结构，包括多组双螺旋水冷通道1、包覆通道2与隔热层3，其中隔热层3可以是一端封闭，一端敞开的结构。双螺旋水冷通道1至少包括外壳4、内壳5及螺旋隔板6。所述外壳4与内壳5通常为圆筒结构，沿轴向同心布置，外壳4与内壳5之间形成一定厚度的夹层，并将夹层与其他部件分隔；所述螺旋隔板6位于夹层之间，螺旋隔板6沿同心轴均匀排布，彼此平行且互补重叠，用于分隔螺旋流体通道，螺旋隔板6能够引导冷却水沿螺旋轨迹流动，改善水冷通道的流动与换热特性。所述包覆通道2为矩形流体通道，位于夹层的一端，能够解决折流处易出现流动死区的问题，并实现冷却水的流向转变；所述隔热层3位于双螺旋水冷通道外壳4的外侧，能够利用被动式热防护特性减少热量输入；需要热防护的电子设备8位于电子器件包裹层9以内，电子器件包裹层9用于承载电子器件8，两者构成的结构包裹在内壳5之间，在热防护结构围成区域的中间位置。
43.图7为双螺旋水冷通道1与包覆通道2构成的完整水冷通道在100℃的高温外环境下的模拟结果，示出了弧形的包覆通道2在径向与轴向的长度之比分别为4：2、4：3、4：4和4：5时的内壁温与出口水温。径向长度不变时，增加轴向长度将会导致冷却水的流通通道延长，使得内壁温与出口水温升高。此外，为避免端部占用空间太大，螺旋直段太短，影响效果，包覆通道2的轴向的长度也应尽可能小，然而，从结构上，其需要一定的轴向长度来保证能够连接两条双螺旋水冷通道1，否则将无法发挥作用，因此本应用中包覆通道2弧形的径向与轴向的长度之比应在4：2与4：3之间。
44.优选的，双螺旋水冷通道1的外壳4与内壳5同心布置，形成夹层，并将冷却水流道、隔热层3与电子设备8彼此分隔，螺旋隔板6在夹层中需布置至少两组，隔板之间长度相同，螺旋隔板能够将夹层分隔成螺旋流体通道，双螺旋水冷通道1的螺旋流道相较于直线流道，能够避免冷却水流动时出现过大的弯折，减少流动阻力，改善冷却水的流动特性，同时有助于提高换热的均匀性和充分性。
45.优选的，对于双螺旋水冷通道1的变螺距结构，虽然较难加工，但是变螺距结构比较适用于非均匀外部热源的工作环境，当外界为高热流区时，可通过减少螺旋结构的螺距以使得该区域的螺旋数量增多，延长该区域内流体的流动长度，增大换热面积；当外界为低热流区时，可通过增加螺旋结构的螺距以减少该区域的螺旋数量，便于加工，降低成本。
46.优选的，包覆通道2为矩形流体通道，位于夹层的一端，用于连接两个对应相同的螺旋流体通道，在夹层形成一组双螺旋流体通道结构，流体以连续螺旋形式在夹层流动，通过包覆通道后以相同螺旋方式反向流动，可实现入口与出口在双螺旋水冷通道的同侧布置，便于冷却系统布置，此外，包覆通道2实现了冷却水流向转变，多组包覆通道2组合构成多组往复流动的通道，同时形成封闭腔体，往复流动相较于单向流动能更好提升水冷通道的整体换热特性。
47.优选的，隔热层3位于双螺旋水冷通道外壳4的外侧，隔热层3可采用空气层隔热、真空隔热，也可填充玻璃棉、气凝胶或隔热气体等隔热材料，利用被动式热防护阻隔从外界流入的热量，隔热层3与双螺旋水冷通道1和包覆通道2共同构成热防护系统。
48.优选的，将不同直径大小的双螺旋水冷通道1内外嵌套包覆，能够构造出径向多层的，层与层之间紧密排列的多层水冷通道。多层水冷通道相较于单层水冷通道，能够明显的提升换热能力，因此在充足的布置空间内可通过利用多层水冷通道实现更好的热防护效果。并且，不同层的螺旋水冷通道可以采用固定螺距与变螺距通道组合的形式，例如，内层通道采用变螺距，外层通道采用固定螺距，由此兼顾换热效率与加工成本的均衡性。
49.优选的，经过双螺旋水冷通道1流出的流体可根据具体的结构对出口水进行冷却，包括外部制冷系统降温、风冷或水冷降温等。此外，在深井条件下，由于空间限制，可以通过构建相变材料恒温仓，利用相变特性吸收出口水的温度。
50.本发明的实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
技术特征：
1.一种螺旋式热防护结构，其特征在于：包括双螺旋水冷通道、包覆通道与隔热层；所述双螺旋水冷通道至少包括外壳、内壳及螺旋隔板，外壳与内壳为圆筒结构，中间形成夹层，夹层内布置有螺旋隔板，分隔出多个螺旋流体通道；所述包覆通道的截面为矩形流体通道，位于夹层的一端；所述隔热层位于双螺旋水冷通道外壳的外侧。2.如权利要求1所述一种螺旋式热防护结构，其特征在于：所述双螺旋水冷通道的外壳与内壳同心布置，形成夹层，螺旋隔板在夹层内布置至少两组；双螺旋水冷通道采用固定螺距或变螺距的结构。3.如权利要求2所述一种螺旋式热防护结构，其特征在于：所述双螺旋水冷通道采用变螺距结构，螺距最大区域与螺距最小区域的螺距比为2:1-4:1。4.如权利要求1所述一种螺旋式热防护结构，其特征在于：所述包覆通道是半椭圆形的弧形结构，径向为长轴并长于轴向的短轴，位于夹层的一端，连接两个相对应的螺旋流体通道，多组螺旋水冷通道的包覆通道叠加布置，将夹层的一端密封；夹层的另一端为水冷通道的入口或出口。5.如权利要求1所述一种螺旋式热防护结构，其特征在于：所述隔热层内部采用空气层隔热或真空隔热方式，或采用填充玻璃棉和/或气凝胶材料，隔热层位于双螺旋水冷通道外壳的外侧。6.如权利要求1所述一种螺旋式热防护结构，其特征在于：还包括电子器件包裹层，用于承载电子器件，电子器件包裹层和电子器件都被包裹在内壳之间，置于热防护结构围成区域的中间位置。7.如权利要求1所述一种螺旋式热防护结构，其特征在于：双螺旋水冷通道可设置为不同直径大小的多层，径向嵌套包覆，层与层之间紧密排列或留有间隙。
技术总结
本发明涉及一种螺旋式热防护结构，包括双螺旋水冷通道、包覆通道与隔热层；所述双螺旋水冷通道至少包括外壳、内壳及螺旋隔板，外壳与内壳为圆筒结构，中间形成夹层，夹层内布置有螺旋隔板，分隔出多个螺旋流体通道；所述包覆通道的截面为矩形流体通道，位于夹层的一端；所述隔热层位于双螺旋水冷通道外壳的外侧。采用本发明的结构，流体以螺旋形式在夹层流动，通过包覆通道后以相同螺旋方式反向流动，可实现入口与出口在双螺旋水冷通道的同侧布置。本发明的结构可有效降低径向传入的热流量，达到稳定的热防护效果。达到稳定的热防护效果。达到稳定的热防护效果。
