CN108168140A - 一种使用辐射板冷却循环水的机载喷雾冷却系统 - Google Patents
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Abstract
一种使用辐射板冷却循环水的机载喷雾冷却系统，属于机载高热流密度设备冷却领域。本发明主要为了解决机载雷达芯片和激光武器等高热流密度表面的持续散热问题。主要包括：水箱(1)、水泵(2)、流量调节阀(3)、截止阀(4)、流量计(5)、喷雾室(6)、喷嘴(7)、待冷却表面(8)、铜管(9)、风扇(10)、辐射板换热器(11)、密封层(12)、保温层(13)、塑料支撑网格(14)、保温装置收缩开关(15)。本发明在喷雾室内利用水的汽化潜热对机载电子设备表面进行喷雾冷却，使用辐射板换热器利用高空低温冷源带走高温电子设备表面的热量，所述的闭式系统运行安全稳定节能，满足机载复杂热力环境下的冷却需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用辐射板冷却循环水的机载喷雾冷却系统，属于机载高热流密度设备冷却领域。
背景技术
随着机载雷达技术的飞速发展，功放芯片已从硅芯片、GaAs芯片发展到了第3代半导体GaN芯片。美国海军和空军的若干项目显示，在研的GaN芯片热流密度已达500W/cm2，未来芯片的热流密度将超过1000W/cm2。同时随着对军用飞机机动性能、隐身性能、防御性能要求的不断提高，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。激光武器在发射瞬间几秒内会产生兆瓦级的热量，导致其表面产生数百甚至数千W/cm2的热流密度。如果不采取有效措施降低雷达芯片和激光武器表面温度，轻则大大降低其工作效率，重则烧毁电子器件，影响飞行安全。因此，如何高效安全地解决雷达芯片及机载设备的快速散热问题具有重要的研究意义。常规的风冷和水冷方式换热能力已达到极限，无法满足日益提高的电子设备的散热需求。
喷雾冷却是将冷却介质通过雾化分解为无数的离散型小液滴，喷淋到加热表面上通过单相换热和两相换热带走热量的一种新型冷却方式。喷雾冷却技术在机载设备冷却领域具有很强的应用前景。已有部分专利提出了喷雾冷却在机载领域的应用方法，如专利ZL201510072716.7提出了一种基于空气膨胀制冷的机载发热元件的冷却系统，主要特点是使用涡轮作为制冷器件和动力源，该方案投入使用时必须首先使用涡轮蓄冷方可进行喷雾冷却，蓄冷时间长，无法随时投入使用；结构复杂且设备空间大，在军用飞机上安装困难。专利CN201611007244.8提出了一种使用机载蒸发循环制冷综合热管理系统及其方法与应用，主要特点为使用蒸发制冷循环为系统提供间接冷源，加入蒸发制冷循环后体积和能耗均非常大，不符合机载条件下减重和节约能源的要求。
高空环境温度低，万米高空气温在-50℃左右，为喷雾冷却系统提供了天然的冷源。本专利使用闭式系统，且采用辐射板换热器利用外界高空冷源冷却喷雾冷却换热完成后的水，喷雾冷却可持续循环进行，不仅减轻了系统负重，有利于节约机载空间；而且在冷源选取方面节约了机内能源。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用辐射板冷却循环水的机载喷雾冷却系统，从而充分利用外界低温空气，提升喷雾冷却效率。
该系统主要包括水箱(1)、水泵(2)、流量调节阀(3)、截止阀(4)、流量计(5)、喷雾室(6)、喷嘴(7)、待冷却表面(8)、铜管(9)、风扇(10)、辐射板换热器(11)、密封层(12)、保温层(13)、塑料支撑网格(14)、保温装置收缩开关(15)；
其中，喷雾室(6)具有一个入口和一个出口，入口为冷却介质入口，出口为冷却介质出口；
辐射板换热器(11)具有一个入口和一个出口，入口为冷却介质入口，出口为冷却介质出口，铜管(9)位于辐射板换热器(11)上端，风扇(10)位于辐射板换热器(11)下端，风扇(10)上下两端设有塑料支撑网格(14)。辐射板换热器(11)外侧为保温层(13)，保温层(13)外侧为密封层(12)；
水箱(1)的出口与水泵(2)的入口相连，水泵(2)的出口与流量调节阀(3)的入口相连，流量调节阀(3)的出口与截止阀(4)的入口相连，截止阀(4)的出口与流量计(5)的入口相连，流量计(5)的出口经喷雾室(6)的入口与喷嘴(7)的入口相连，喷嘴(7)的出口位于待冷却表面(8)的上方，喷雾室(6)的出口经辐射板换热器(11)的入口与铜管(9)相连，铜管(9)经辐射板换热器(11)的出口与水箱(1)的入口相连。
一种使用辐射板冷却循环水的机载喷雾冷却系统，运行时包括以下过程：
喷雾冷却过程：水箱(1)中储存定量的水，系统运行时，开启水泵(2)和截止阀(4)，通过流量调节阀(3)调节水流量，通过流量计(5)读取水流量。水经水泵(2)、流量调节阀(3)、截止阀(4)和流量计(5)后流入喷嘴(7)，在喷嘴(7)中雾化后喷射至待冷却表面(8)，降低待冷却表面(8)的温度；换热完成后的热水经喷雾室(6)的出口流入辐射板换热器(11)中的铜管(9)内，在铜管(9)中换热变为冷冻水，冷冻水流入水箱(1)完成循环；
辐射板换热过程：喷雾冷却换热完成后的热水经喷雾室(6)的出口流入辐射板换热器(11)中的铜管(9)内；辐射板换热器(11)中风扇(10)启动，促进外界低温空气与铜管(9)换热，铜管(9)与铜管(9)内热水换热，吸收热水内热量，将其变为冷冻水，且将热水内热量排出铜管外。
喷嘴(7)和待冷却表面(8)均封闭安装在喷雾室(6)中。
保温装置外侧为密封层(12)和保温层(13)，保温装置是软性的装置，可以改变形状。当喷雾冷却装置工作时，保温装置收缩开关(15)开启，保温装置收缩到辐射板换热器(11)一侧边，辐射板换热器(11)置于外界环境中；当喷雾冷却装置停止工作时，保温装置收缩开关(15)关闭，保温装置移动到辐射板换热器(11)下侧，辐射板换热器(11)置于保温装置中。
附图说明
附图1为本发明的原理图；
附图1中的标号名称：1.水箱、2.水泵、3.流量调节阀、4.截止阀、5.流量计、6.喷雾室、7.喷嘴、8.待冷却表面、9.铜管、10.风扇、11.辐射板换热器、12.密封层、13保温层、14.塑料支撑网格、15.保温装置收缩开关。
附图2为辐射板换热器(11)工作时的示意图；
附图2中的标号名称：9.铜管、10.风扇、11.辐射板换热器、12.密封层、13保温层、14.塑料支撑网格、15.保温装置收缩开关。
附图3为辐射板换热器(11)置于保温装置中的示意图；
附图3中的标号名称：9.铜管、10.风扇、11.辐射板换热器、12.密封层、13保温层、14.塑料支撑网格、15.保温装置收缩开关。
附图4为辐射板换热器(11)的俯视图；
附图4中的标号名称：9.铜管、10.风扇、11.辐射板换热器、12.密封层、13保温层。
具体实施方式
如图1所示，一种使用辐射板冷却循环水的机载喷雾冷却系统主要包括水箱1、水泵2、流量调节阀3、截止阀4、流量计5、喷雾室6、喷嘴7、待冷却表面8、铜管9、风扇10、辐射板换热器11、密封层12、保温层13、塑料支撑网格14、保温装置收缩开关15。
飞机起飞前，根据飞机续航时间和设备需冷却时间得出喷雾冷却系统运行时间，根据运行时间在水箱1中充注定量的水。此时流量调节阀3、截止阀4均处于关闭状态。
飞机起飞后，当需要对电子设备或其他表面进行冷却时，开启截止阀4，通过流量调节阀3调节水流量，通过流量计5读取水流量。水经水泵2、流量调节阀3、截止阀4和流量计5后流入喷嘴7，在喷嘴7中雾化成为液滴后喷射至待冷却表面8，以喷雾冷却的形式降低待冷却表面8的温度。换热完成后液滴经喷雾室6的出口流入辐射板换热器11中的铜管9内。
当喷雾冷却装置工作时，保温装置收缩开关15开启，保温装置收缩到辐射板换热器11一侧边，辐射板换热器11置于外界环境中。辐射板换热器11中风扇10启动，促进外界高空中的低温空气与铜管9内热水换热，吸收热水内热量，将其变为低温冷水，低温冷水流入水箱1完成循环。
当喷雾冷却装置停止工作时，保温装置收缩开关15关闭，保温装置移动到辐射板换热器11下侧，辐射板换热器11置于保温装置中，防止辐射板换热器11的表面结霜。
该使用辐射板的机载喷雾冷却系统，使用水作为冷却介质，对激光武器和雷达芯片表面无腐蚀和污染；使用外界低温空气作为冷源，提升了喷雾冷却的换热效率，同时保证了水的循环利用，提升了机载喷雾冷却系统的持续性和可靠性。
Claims (4)
1.一种使用辐射板冷却循环水的机载喷雾冷却系统，其特征在于包括水箱(1)、水泵(2)、流量调节阀(3)、截止阀(4)、流量计(5)、喷雾室(6)、喷嘴(7)、待冷却表面(8)、铜管(9)、风扇(10)、辐射板换热器(11)、密封层(12)、保温层(13)、塑料支撑网格(14)、保温装置收缩开关(15)；
其中喷雾室(6)具有一个入口和一个出口，入口为冷却介质入口，出口为冷却介质出口；
辐射板换热器(11)具有一个入口和一个出口，入口为冷却介质入口，出口为冷却介质出口，铜管(9)位于辐射板换热器(11)上端，风扇(10)位于辐射板换热器(11)下端，风扇(10)上下两端设有塑料支撑网格(14)。辐射板换热器(11)外侧为保温层(13)，保温层(13)外侧为密封层(12)；
水箱(1)的出口与水泵(2)的入口相连，水泵(2)的出口与流量调节阀(3)的入口相连，流量调节阀(3)的出口与截止阀(4)的入口相连，截止阀(4)的出口与流量计(5)的入口相连，流量计(5)的出口经喷雾室(6)的入口与喷嘴(7)的入口相连，喷嘴(7)的出口位于待冷却表面(8)的上方，喷雾室(6)的出口经辐射板换热器(11)的入口与铜管(9)相连，铜管(9)经辐射板换热器(11)的出口与水箱(1)的入口相连，保温装置收缩开关(15)安装在密封层(12)上。
2.根据权利要求1所述的一种使用辐射板冷却循环水的机载喷雾冷却系统，其特征在于包括以下过程：
喷雾冷却过程：水箱(1)中储存定量的水，系统运行时，开启水泵(2)和截止阀(4)，通过流量调节阀(3)调节水流量，通过流量计(5)读取水流量；水经水泵(2)、流量调节阀(3)、截止阀(4)和流量计(5)后流入喷嘴(7)，在喷嘴(7)中雾化后喷射至待冷却表面(8)，降低待冷却表面(8)的温度；换热完成后的热水经喷雾室(6)的出口流入辐射板换热器(11)中的铜管(9)内，在铜管(9)中换热变为冷冻水，冷冻水流入水箱(1)完成循环；
辐射板换热过程：喷雾冷却换热完成后的热水经喷雾室(6)的出口流入辐射板换热器(11)中的铜管(9)内；辐射板换热器(11)中风扇(10)启动，外界低温空气与铜管(9)进行对流和辐射换热，铜管(9)与铜管(9)内热水换热，吸收热水内热量，将其变为冷冻水，且将热水内热量排出铜管外。
3.根据权利要求1所述的一种使用辐射板冷却循环水的机载喷雾冷却系统，其特征在于包括：
喷嘴(7)和待冷却表面(8)均封闭安装在喷雾室(6)中。
4.根据权利要求1所述的一种使用辐射板冷却循环水的机载喷雾冷却系统，其特征在于包括：
保温装置外侧为密封层(12)和保温层(13)，保温装置是软性的装置，可以改变形状，当喷雾冷却装置工作时，保温装置收缩开关(15)开启，保温装置收缩到辐射板换热器(11)一侧边，辐射板换热器(11)置于外界环境中；当喷雾冷却装置停止工作时，保温装置收缩开关(15)关闭，保温装置移动到辐射板换热器(11)下侧，辐射板换热器(11)置于保温装置中。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180615 |