CN106288907B - 用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器，包括箱式壳体，所述箱式壳体中由第一隔板和第二隔板自上而下分隔形成上夹层、中间夹层和下夹层三个密封空腔；其中上夹层的侧壁上设置第一冷流体进口和第一冷流体出口；中间夹层中水平设置具有热流体进口和热流体出口的螺旋盘管及相变材料；下夹层的侧壁上设置第二冷流体进口和第二冷流体出口，上夹层和下夹层中分别水平设置有第一折板和第二折板。本发明的相变换热器利用高热流密度表面间歇工作的特点，将高热功率表面的热量通过相变材料进行了能量存储和释放，其结构紧凑、体积小，换热面积大，且吸热和放热能力强。本发明还公开了用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器的工作方法。

Description

用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器及方法
技术领域
本发明属于飞行器环境控制技术领域，涉及一种换热器，更具体地说，涉及一种用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器。
背景技术
随着飞机作战性能的飞速发展，高热流密度电子设备和武器的运用越来越多。其中一部分电子设备和武器的工作具有热流密度大和间歇式工作的特点，例如定向能武器。因此如何高效、可靠地解决机载高热流密度表面的快速散热成为科研工作者致力于研究的方向。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表面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系统进行了一定程度的研究，但是关于其机载的综合热管理系统研究较少，尤其是喷雾系统终端制冷介质的冷却是个关键问题。飞机上传统的最终冷源是冲压空气、燃油、涡轮冷却空气，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，因此一种针对机载喷雾冷却系统终端液体的结构紧凑、体积较小，换热面积较大的换热器设计迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是针对机载间歇式高热流密度表面散热问题，提供一种结构紧凑、体积较小，换热面积较大，且吸热和放热能力强的相变蓄热换热器。
为了达到上述目的，本发明解决问题所采用的技术方案是：
一种用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器，包括箱式壳体，所述箱式壳体中由第一隔板4和第二隔板6自上而下分隔形成上夹层1、中间夹层2和下夹层3三个密封空腔；
其中，所述上夹层1位于箱式壳体侧壁上设置有第一冷流体进口11和第一冷流体出口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；
所述下夹层3位于箱式壳体侧壁上设置有第二冷流体进口12和第二冷流体出口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、无机物或复合物中的任一种。
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结构。
所述的上夹层1和下夹层3中设有冷源，所述冷源为空气、燃油或者涡轮冷却空气中的一种，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。
所述的中间夹层2中设有介质，所述介质为R134a,NH3,或去离子水中的一种。
本发明的一种用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器的工作方法，包括如下方式：
当机载高热流密度电子设备或表面处于工作状态时，其热量首先传递给某种介质，该介质通过中间夹层2的热流体进口9进入相变换热器，在此工作过程中，相变储热器中的相变介质吸收了介质的热量；
当机载高热流密度电子设备或表面处于非工作状态时，冷源进入设置于上夹层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；相变换热器中间夹层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流出相变储热器。
本发明具有的特点和有益效果：
1、本发明的相变换热器具有很强的吸热能力，能在短时间内吸收大量的热量进行存储，适用于定向能武器这样间歇式工作的高热功率表面的散热系统；
2、由于本发明的换热器利用机载间歇式高热流密度表面间歇运行的特点，将机载间歇式高热流密度表面的热量在运行期间通过相变材料进行了能量存储，然后当高热功率表面处于非运行状态时，将相变材料吸收的热量慢慢进行散热，因此其设计是按照机载间歇热载荷的平均功率来设计的，因此相对于直接采用冲压空气作为冷源按照最大功率来设计的换热器来说，结构小、重量轻。
3、本发明的相变换热器结构紧凑、体积较小，换热面积较大，且吸热和放热能力强。
附图说明
图1是本发明的用于机载高热流密度表面冷却系统中的相变换热器的结构示意图；
图2是图1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3是图1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4是图1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；5.螺旋盘管；6.第二隔板；7.第一折板；8.第二折板；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；21.第一冷流体出口；22.第二冷流体出口。
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4所示，为本发明的一种用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器，包括一长方体箱式壳体，所述箱式壳体中采用第一隔板4和第二隔板6自上而下分隔形成上夹层1、中间夹层2和下夹层3三个独立的密封空腔；其中，
所述上夹层1位于箱式壳体侧壁上设置有第一冷流体进口11和第一冷流体出口21，上夹层1中水平设置有用于增强换热的断截面形状均为波浪形第一折板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。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、无机物或复合物中的任一种。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。
所述下夹层3位于箱式壳体侧壁上设置有第二冷流体进口12和第二冷流体出口22，下夹层3中水平设置有用于增强换热的断截面形状均为波浪形的第二折板8。
所述的上夹层1和下夹层3中设有冷源，其冷源可为空气、燃油或者涡轮冷却空气，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。
所述的中间夹层2中设有介质，其介质可为R134a,NH3,或去离子水。
如图1至图4所示，本发明的一种用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器的工作方法，具体方式是：
当机载高热流密度电子设备或表面处于工作状态时，其热量首先传递给某种介质，该介质通过中间夹层2的热流体进口9进入相变换热器，在此工作过程中，相变储热器中的相变介质吸收了介质的热量；
当机载高热流密度电子设备或表面处于非工作状态时，冷源进入设置于上夹层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；相变换热器中间夹层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流出相变储热器。
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 (9)

1.一种用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器，包括箱式壳体，其特征在于：所述箱式壳体中由第一隔板(4)和第二隔板(6)自上而下分隔形成上夹层(1)、中间夹层(2)和下夹层(3)三个密封空腔；其中，
所述上夹层(1)位于箱式壳体侧壁上设置有第一冷流体进口(11)和第一冷流体出口(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)中设置有介质，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)；
所述下夹层(3)位于箱式壳体侧壁上设置有第二冷流体进口(12)和第二冷流体出口(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所述的一种用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器，其特征在于：所述的中间夹层(2)中还填充有相变材料。
3.根据权利要求2所述的一种用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器，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所述的一种用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器，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或2所述的一种用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器，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所述的一种用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器，其特征在于：所述上夹层(1)和下夹层(3)中设置有冷源。
7.根据权利要求6所述的一种用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器，其特征在于：所述冷源为空气、燃油或涡轮冷却空气中的任一种。
8.根据权利要求1所述的一种用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器，其特征在于：所述介质为R134a,NH3,或去离子水中的任一种。
9.一种根据权利要求1至8任一项所述的用于机载间歇式高热流密度表面散热的相变换热器的工作方法，其特征在于具体方式是：
当机载高热流密度电子设备或表面工作状态时，其热量首先传递给某种介质，该介质通过中间夹层(2)的热流体进口(9)进入相变换热器，在此工作过程中，相变换热器中的相变介质吸收了介质的热量；
当机载高热流密度电子设备或表面处于非工作状态时，冷源进入设置于上夹层(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；相变换热器中间夹层(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)流出相变换热器。
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