CN106091743B - 一种机载高热流密度表面冷却系统及方法 - Google Patents

一种机载高热流密度表面冷却系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机载高热流密度表面冷却系统，由间歇热载荷表面通过管道依次连接第二储液器、第二泵、至少一个相变储热器、第一储液器、过滤器、第一泵和雾化喷嘴至间歇热载荷表面构成一循环系统，其中所述管道中设有制冷剂，所述相变储热器还设有冷源进口和冷源出口。本发明具有体积小、重量轻，换热效果好，节约能源，不产生污染的特点；同时结构紧凑、制造工艺简单。适用于高热流密度间歇热载荷的冷却。本发明还公开了一种机载高热流密度表面冷却系统的工作方法。

Description

一种机载高热流密度表面冷却系统及方法
技术领域
本发明涉及一种机载高热流密度表面冷却系统及方法，属于飞行器环境控制领域。
背景技术
随着飞行器机动性能、隐身性能、防御性能要求地不断提高，高功率激光技术、电子元器件高度集成与微型化等技术得以迅速发展并逐渐成功运用到材料化学、天文探测等多个领域。近年来，世界各国为了获得航空及航天领域的跨时代优势，积极开展了下一代战机的研究工作。定向能武器为下一代战机的标配，是亟需攻克的关键技术堡垒之一。定向能武器的工作为间歇式作战方式，发射瞬间几秒内产生兆瓦级的热量，导致其表面产生极大的热载荷和极高的热流密度(热流密度可达数百W/cm2甚至数千W/cm2)。如此高的热流密度会降低激光光束的质量输出功率，导致设备发热功率不断升高，损毁激光介质。因此如何高效、可靠地解决机载定向能武器的快速散热成为提高其输出功率的瓶颈，对于提升我国下一代战机的作战能力具有重要的研究意义。
传统的散热方式无法解决高热流密度的有效散热。目前喷雾冷却是高热流密度电子设备冷却领域较有前途的冷却方式，然而尽管国外的相关机构对喷雾冷却高温表面机理进行了一定程度的研究，但是关于定向能武器的高热流密度表面的综合冷却系统研究较少，尤其是喷雾系统终端液体的冷却是个关键问题。飞机上传统的最终冷源是冲压空气及燃油，若按照最大功率设计换热器则换热器的体积相对较大、质量较重，因此一种基于喷雾冷却的结构紧凑、体积较小的热处理方案迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是针对机载定向能武器的快速散热问题，提供一种结构简单、尺寸小、重量相对较轻的机载高热流密度表面冷却系统及工作方法。
为了达到上述目的，本发明解决问题所采用的技术方案是：
一种机载高热流密度表面冷却系统，包括间歇热载荷表面18通过管道依次连接第二储液器19、第二泵20、至少一个相变储热器13、第一储液器14、过滤器15、第一泵16和雾化喷嘴17至间歇热载荷表面18构成一循环系统，其中所述管道中设有制冷剂，所述相变储热器13还设有冷源进口23和冷源出口24。
进一步，所述的冷源为空气、燃油或者涡轮冷却空气中的一种或多种的组合，其选择取决于间歇热载荷的热流密度及相变材料的相变温度。
进一步，所述的制冷剂为R134a,NH3,或去离子水。
进一步，所述的相变储热器13包括具有冷源进口23和冷源出口24的箱式壳体，所述箱式壳体中通过设置第一隔板4和第二隔板6自上而下形成上夹层1、中间夹层2和下夹层3三个相互隔开的密封空腔；
其中，所述上夹层1位于箱式壳体侧壁上设置有连通冷源进口23的第一冷流体进口11和连通冷源出口24的第一冷流体出口21，上夹层1中水平设置有用于增强换热的第一折板7。
所述中间夹层2中水平设置具有热流体进口9和热流体出口10的螺旋盘管5，其中所述热流体进口9延伸至所述箱式壳体侧壁外与所述第二储液器19连通，所述热流体出口10延伸至所述箱式壳体侧壁外与所述第一储液器14连通。
所述下夹层3位于箱式壳体侧壁上设置有连通冷源进口23的第二冷流体进口12和连通冷源出口24的第二冷流体出口22，下夹层3中水平设置有用于增强换热的第二折板8。
所述的中间夹层2中填充有相变材料，所述相变材料为有机物、无机物或复合物，优选为石蜡。所述的中间夹层2中还填充有用于增强所述相变材料导热的金属或非金属的泡沫结构材料。
所述的第一折板7和第二折板8的断截面形状均为波浪形板状体。
本发明的一种机载高热流密度表面冷却系统的工作方法，包括如下步骤：
当间歇热载荷表面18处于工作时，制冷剂由第一泵16通过雾化喷嘴17对间歇热载荷表面18进行快速冷却，第一储液器14中的制冷剂至少满足间歇热载荷18的单次工作期，其次吸热后的制冷剂进入第二储液器19，然后经过第二泵20的作用通过螺旋盘管5热流体进口9进入相变储热器13的中间夹层2，在此工作过程中，相变储热器13中的相变介质吸收了制冷剂的热量，冷却后的制冷剂通过螺旋盘管5的热流体出口10进入第一储液器14以实现一定量的机载制冷剂循环使用；
当间歇热载荷表面18处于不工作时，冷源通过冷源进口23进入设置于上夹层1的第一冷流体进口11和下夹层3的第二冷流体进口12，随之进入相变换热器13；相变换热器13中间夹层2中的相变介质通过相变冷却过程释放热量，同时，冷源吸收热量后的通过设置于上夹层1的第一冷流体出口21和下夹层3的第二冷流体出口22汇集至冷源出口24流出相变储热器13。
本发明具有的特点和有益效果：
本发明利用高热功率表面间歇式工作的特点，设计了基于相变储热器的机载高热流密度表面冷却系统，其相对于按照最大功率设计的间歇热载荷综合热处理方案来说增加了相变储热结构，其按照平均热功率设计。该方案具有体积小、重量低，换热效果好，节约能源，不产生污染的特点；同时本发明结构紧凑、制造工艺简单。
附图说明
图1是本发明的机载高热流密度表面冷却系统的原理图；
图2是本发明的机载高热流密度表面冷却系统中的相变储热器的结构示意图；
图3是图2的剖切三视图，其中，图(a)为剖切后主视图，图(b)为剖切后螺旋盘管俯视图，图(c)为剖切后右侧视图；
图4是图2的剖切三视图立体图，其中，图(a)为中间夹层立体图，图(b)为平行于yz平面纵剖立体图，图(c)为平行于xz平面纵剖立体图；
图5是图2的左侧视图；
图中编号说明：1.上夹层；2.中间夹层；3.下夹层；4.第一隔板1；5.螺旋盘管；6.第二隔板2；7.第一折板1；8.第二折板2；9.热流体进口；10.热流体出口；11.第一冷流体进口；12.第二冷流体进口；13.相变换热器；14.第一储液器；15.过滤器；16.第一泵；17.雾化喷嘴；18.间歇热载荷表面；19.第二储液器；20.第二泵；21.第一冷流体出口；22.第二冷流体出口；23.冷源进口；24.冷源出口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至图5所示，为本发明的一种机载高热流密度表面冷却系统，包括间歇热载荷表面18通过管道依次连接第二储液器19、第二泵20、至少一个相变储热器13、第一储液器14、过滤器15、第一泵16和雾化喷嘴17至间歇热载荷表面18构成一循环系统，其中所述管道中设有制冷剂，所述相变储热器13还设有冷源进口23和冷源出口24。其中，
所述的相变储热器13包括具有冷源进口23和冷源出口24的箱式壳体，所述箱式壳体中通过设置第一隔板4和第二隔板6自上而下形成上夹层1、中间夹层2和下夹层3三个相互隔开的密封空腔；其中，
所述上夹层1位于箱式壳体侧壁上设置有连通冷源进口23的第一冷流体进口11和连通冷源出口24的第一冷流体出口21，上夹层1中水平设置有用于增强换热的第一折板7。
所述中间夹层2中水平设置具有热流体进口9和热流体出口10的螺旋盘管5，其中所述热流体进口9延伸至所述箱式壳体侧壁外与所述第二储液器19连通，所述热流体出口10延伸至所述箱式壳体侧壁外与所述第一储液器14连通。
所述下夹层3位于箱式壳体侧壁上设置有连通冷源进口23的第二冷流体进口12和连通冷源出口24的第二冷流体出口22，下夹层3中水平设置有用于增强换热的第二折板8。
所述的中间夹层2中填充有相变材料，所述相变材料为有机物、无机物或复合物，优选为石蜡。所述的中间夹层2中还填充有用于增强所述相变材料导热的金属或非金属的泡沫结构材料。
所述的第一折板7和第二折板8的断截面形状均为波浪形板。
所述的冷源为空气、燃油或者涡轮冷却空气中的一种或多种的组合，其选择取决于间歇热载荷的热流密度及相变材料的相变温度。
所述的制冷剂为R134a,NH3,或去离子水。
如图1至图5所示，本发明的一种机载高热流密度表面冷却系统的工作方法，具体方式是：
当间歇热载荷表面18处于工作时，制冷剂由第一泵16通过雾化喷嘴17对间歇热载荷表面18进行快速冷却，第一储液器14中的制冷剂至少满足间歇热载荷18的单次工作期，其次吸热后的制冷剂进入第二储液器19，然后经过第二泵20的作用通过螺旋盘管5热流体进口9进入相变储热器13的中间夹层2，在此工作过程中，相变储热器13中的相变介质吸收了制冷剂的热量，冷却后的制冷剂通过螺旋盘管5的热流体出口10进入第一储液器14以实现一定量的机载制冷剂循环使用；
当间歇热载荷表面18处于不工作时，冷源通过冷源进口23进入设置于上夹层1的第一冷流体进口11和下夹层3的第二冷流体进口12，随之进入相变换热器13；相变换热器13中间夹层2中的相变介质通过相变冷却过程释放热量，同时，冷源吸收热量后的通过设置于上夹层1的第一冷流体出口21和下夹层3的第二冷流体出口22汇集至冷源出口24流出相变储热器13。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (8)

1.一种机载高热流密度表面冷却系统，其特征在于：由间歇热载荷表面(18)通过管道依次连接有第二储液器(19)、第二泵(20)、至少一个相变储热器(13)、第一储液器(14)、过滤器(15)、第一泵(16)和雾化喷嘴(17)至间歇热载荷表面(18)构成一循环系统，其中所述管道中设有制冷剂，所述相变储热器(13)还设有冷源进口(23)和冷源出口(24)；所述的相变储热器(13)为具有冷源进口(23)和冷源出口(24)的箱式壳体，所述箱式壳体中通过设置第一隔板(4)和第二隔板(6)自上而下形成上夹层(1)、中间夹层(2)和下夹层(3)三个相互隔开的密封空腔；其中，
所述上夹层(1)位于箱式壳体侧壁上设置有连通冷源进口(23)的第一冷流体进口(11)和连通冷源出口(24)的第一冷流体出口(21)，上夹层(1)中水平设置有用于增强换热的第一折板(7)；
所述中间夹层(2)中水平设置具有热流体进口(9)和热流体出口(10)的螺旋盘管(5)，其中，所述热流体进口(9)延伸至所述箱式壳体侧壁外与所述第二储液器(19)连通，所述热流体出口(10)延伸至所述箱式壳体侧壁外与所述第一储液器(14)连通；
所述下夹层(3)位于箱式壳体侧壁上设置有连通冷源进口(23)的第二冷流体进口(12)和连通冷源出口(24)的第二冷流体出口(22)，下夹层(3)中水平设置有用于增强换热的第二折板(8)。
2.根据权利要求1所述的一种机载高热流密度表面冷却系统，其特征在于：所述的中间夹层(2)中填充有相变材料。
3.根据权利要求2所述的一种机载高热流密度表面冷却系统，其特征在于：所述相变材料为有机物、无机物或复合物中的任一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种机载高热流密度表面冷却系统，其特征在于：所述的中间夹层(2)中还填充有用于增强所述相变材料导热的金属或非金属的泡沫结构材料。
5.根据权利要求1所述的一种机载高热流密度表面冷却系统，其特征在于：所述的第一折板(7)和第二折板(8)的断截面形状均为波浪形板结构。
6.根据权利要求1所述的一种机载高热流密度表面冷却系统，其特征在于：所述的冷源为空气、燃油或者涡轮冷却空气中的一种或多种的组合，其选择取决于间歇热载荷的热流密度及相变材料的相变温度。
7.根据权利要求1所述的一种机载高热流密度表面冷却系统，其特征在于：所述的制冷剂为R134a,NH3,或去离子水中的一种。
8.一种根据权利要求1至7任一项所述的机载高热流密度表面冷却系统的工作方法，其特征在于具体方式是：
当间歇热载荷表面(18)处于工作时，制冷剂由第一泵(16)通过雾化喷嘴(17)对间歇热载荷表面(18)进行快速冷却，第一储液器(14)中的制冷剂至少满足间歇热载荷表面(18)的单次工作期，其次吸热后的制冷剂进入第二储液器(19)，然后经过第二泵(20)的作用通过螺旋盘管(5)热流体进口(9)进入相变储热器(13)的中间夹层(2)，在此工作过程中，相变储热器(13)中的相变介质吸收了制冷剂的热量，冷却后的制冷剂通过螺旋盘管(5)的热流体出口(10)进入第一储液器(14)以实现一预定量的机载制冷剂循环使用；
当间歇热载荷表面(18)处于不工作时，冷源通过冷源进口(23)进入设置于上夹层(1)的第一冷流体进口(11)和下夹层(3)的第二冷流体进口(12)，随之进入相变换热器(13)；相变换热器(13)中间夹层(2)中的相变介质通过相变冷却过程释放热量，同时，冷源吸收热量后的通过设置于上夹层(1)的第一冷流体出口(21)和下夹层(3)的第二冷流体出口(22)汇集至冷源出口(24)流出相变储热器(13)。
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