CN109862756A - 基于多孔材料蒸发冷却装置的低空应急主动式热控系统和方法 - Google Patents

Abstract

基于多孔材料蒸发冷却装置的低空应急主动式热控系统,包括多孔材料直接式蒸发器、主动控制单元、电磁阀、过滤器、冷凝器、抽气泵、储液箱、汽液分离器和温度测量传感器；储液箱为热控系统提供相变换热工质，工质通过管路连接分别流经电磁阀和过滤器进入多孔材料直接式蒸发器；工质吸收热量发生相变后的汽液混合物由多孔材料直接式蒸发器的集气腔排出，然后依次流经冷凝器和汽液分离器，汽液分离之后，液体部分回流至储液箱供回路循环使用，蒸汽部分通过抽气泵排到大气环境中；抽气泵通过控制工作转速来调节汽液相变的蒸发压力并且驱动整个热控系统；主动控制单元将温度信号采集并且通过控制电磁阀的开关和调节抽气泵工作转速实现主动热控。

Description

基于多孔材料蒸发冷却装置的低空应急主动式热控系统和 方法

技术领域

本发明涉及一种基于多孔材料蒸发冷却装置的低空应急主动式热控系统和方法。

背景技术

随着现代无人机对任务要求的提高，其载有的电子设备数量越来越多，设备的功率也越来越大，其中出现了一系列具有高热流密度、短时间间歇工作的大功率组件，比如激光武器、机动飞行控制系统和舰载雷达等，这类设备的短时间峰值功率大大超过了平均发热量，峰值发热功率下运行时由于散热量不足而导致电子设备等温度升高过高超过其正常的安全工作温度，使得其热可靠性显著降低并导致任务失效。

蒸发器的作用是通过制冷剂蒸发(沸腾)，吸收热量，从而达到制冷的目的，传统蒸发器作为常用的冷却技术手段广泛应用于真空、临近空间等电子设备的冷却系统中。具有具有散热能力强、结构简单的特点，但在低空环境散热应用中，低空环境压力在100kpa左右小幅度变化，水在该压力条件下的对应的饱和蒸发温度在100℃左右，而该温度高于大多数电子元器件的安全运行温度，因此无法利用水在该压力条件下的相变换热。

发明内容

因此，为了解决低空环境背压较高，水不宜发生蒸发相变的问题，满足短期峰值热载荷的散热需求。为了克服现有技术的该缺陷，本发明提出了一种基于多孔材料蒸发冷却装置的低空应急主动式热控系统。本发明的低空应急主动式热控系统适用于无人机、舰艇等短期峰值热载荷的散热，可以作为其应急式补充散热的热控手段。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于多孔材料蒸发冷却装置的低空应急主动式热控系统，其特征在于包括：

该系统主要包括多孔材料直接式蒸发器、主动控制单元、电磁阀、过滤器、冷凝器、抽气泵、储液箱、汽液分离器和温度测量传感器等，

其中：

储液箱为热控系统用于提供相变换热工质，

相变换热工质通过管路连接分别流经电磁阀和过滤器而进入多孔材料直接式蒸发器，

相变换热工质吸收热量发生相变后的汽液混合物由多孔材料直接式蒸发器的集气腔排出，然后依次流经冷凝器和汽液分离器，汽液分离之后，的相变换热工质的液体部分回流至储液箱供回路循环使用，汽液分离之后的相变换热工质的蒸汽部分通过抽气泵被排到大气环境中，

所述多孔材料直接式蒸发器是由包括多孔泡沫金属、集气插管、集气腔和导热壳体组装成为的一体式结构，其中导热壳体的内部由多孔泡沫金属填充，

作为冷却工质的相变换热工质流入多孔材料直接式蒸发器，在毛细力的作用下充满整个泡沫金属空间，

多孔材料直接式蒸发器作为换热器通过上下安装表面的导热接受电子元器件等产生的热量Q，使得冷却工质作为冷却工质的相变换热工质发生相变蒸发为气体，该气体通过集气管和集气腔被排出，

所述主动控制单元，采集多孔材料直接式蒸发器的温度信号和电子元器件的温度信号，通过控制电磁阀的开关和调节抽气泵工作转速实现主动热控制。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的基于多孔材料蒸发冷却装置的低空应急主动式热控系统的系统组成示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的多孔材料直接式蒸发器的工作原理示意图。

图3是水的三相图。

图4是根据本发明的一个实施例的主动控制流程图。

图5是根据本发明的一个实施例的多孔材料直接式蒸发器的结构图。

图6是根据本发明的一个实施例的多孔材料直接式蒸发器沿A-A切面剖视图。

图7是根据本发明的一个实施例的多孔材料直接式蒸发器多切面剖视图。

附图标记：100-多孔材料直接式蒸发器，200-主动控制单元，300-电磁阀，400-过滤器，500-冷凝器，600-抽气泵，700-储液箱，800-电子元器件，900-汽液分离器，101-多孔材料泡沫金属，102-多孔材料集气插管，103-集气腔，104-导热壳体，104A-导热壳体上下受热安装面，104B-导热壳体给水口安装侧面，104C-导热壳体与集气腔连接面，105-集气插管出口端环，106-液体工质入口管，107-集气腔出口，108-密封垫，109-固定螺纹孔，T_A-电子元器件工作温度，T_允许-电子元器件允许安全温度，T_B-多孔材料直接式蒸发器温度。

具体实施方式

为了解决低空环境背压较高，水不宜发生蒸发相变的问题，满足短期峰值热载荷的散热需求，本发明提出了一种基于多孔材料蒸发冷却装置的低空应急主动式热控系统。

根据本发明，通过主动控制单元通过控制电磁阀的开关和调节抽气泵工作转速来调节液体工质相变的蒸发压力，保证气液进行相变换热，利用气液蒸发相变潜热大的特点带走较大的热量，应对不同工况该系统可以主动的控制冷却装置的冷却能力与发热元器件的发热功率动态匹配，一方面克服了低空环境压力下水不宜蒸发的缺点，适用于短期峰值散热，可以作为应急式补充散热的有效热控手段，另一方面主动调节散热装置的冷却能力，可以减小能源的浪费，提高了冷却装置的效率。

图1所示的是根据本发明的一个实施例的基于多孔材料蒸发冷却装置的低空应急主动式热控系统的组成示意图，其包括：多孔材料直接式蒸发器(100)、主动控制单元(200)、电磁阀(300)、过滤器(400)、冷凝器(500)、抽气泵(600)、储液箱(700)、汽液分离器(900)和温度测量传感器等；其中，储液箱(700)提供相变换热工质，相变换热工质通过管路连接分别流经电磁阀(300)和过滤器(400)进入多孔材料直接式蒸发器(100)；工质吸收热量发生相变后的汽液混合物由多孔材料直接式蒸发器(100)的集气腔(103)排出，然后依次流经冷凝器(500)和汽液分离器(900)，汽液分离之后，液体部分回流至储液箱(700)供回路循环使用，蒸汽部分通过抽气泵(600)排到大气环境中。

参见图2所示，多孔材料直接式蒸发器(100)是包括多孔泡沫金属(101)、集气插管(102)、集气腔(103)和导热壳体(104)为一体式结构；冷却工质流入多孔材料直接式蒸发器(100)，在毛细力的作用下充满整个泡沫金属空间，多孔材料直接式蒸发器(100)作为换热器通过上下安装表面(104A)的导热接受电子元器件(800)等产生的热量Q，使得冷却工质发生相变蒸发为气体，再通过集气管(102)和集气腔(13)排出；多孔材料直接式蒸发器作为该系统核心部件，和传统的蒸发器不同，该多孔材料直接式蒸发器将工质直接蒸发至大气环境中，利用工质的相变潜热为被冷对象提供冷量；多孔材料直接式蒸发器(100)包括安装在蒸发器内的具有合适压降特性的多孔材料，在多孔材料中液相水发生蒸发相变；其中，泡沫铝的导热能力强，由于材料被加热及多孔孔隙间流动等因素，使孔隙中吸附着固相骨架内的液相水被蒸发成水蒸气，并以水蒸气形式停留在孔隙中或向临近的孔隙迁移。

如图3所示，以水为例，水的汽化热为607kcl/kg(1cal＝4.184J)，在质量流量为0.5kg/s时，换热量为1270W；当环境压力为101kpa，水的饱和蒸发相变温度为100℃，当环境压力降至10kpa时，水的饱和蒸发相变温度为50℃，当环境压力降至1kpa时，水的饱和蒸发相变温度为0℃，因此，可以通过主动调节汽液相变的饱和蒸气压来保证对应电子元器件的安全工作温度下发生汽液蒸发相变，当温度较高时，打开电磁阀，热控系统开始工作，然后通过控制抽气泵工作转速来调节液体工质相变的蒸发压力，保证在该温度下，气液进行相变换热从而带走较多的热量，实现主动控制。

参见图4所示，主动控制单元(200)采集多孔材料直接式蒸发器(100)和电子元器件(800)的温度信号，通过控制电磁阀(300)的开关和调节抽气泵(600)工作转速实现主动热控制。主动控制单元通过铜/康铜热电偶传感器采集电子元器件的温度T_A和多孔材料直接式蒸发器的温度T_B；当电子元器件达到峰值热载荷导致其工作温度超过其允许的安全温度时，本系统开始工作进行冷却散热，主动控制单元输出电信号，打开电磁阀及抽气泵；主动控制单元实时处理计算电子元器件和多孔材料直接式蒸发器的温差ΔT＝T_A-T_B，根据不同的运行工况来调节抽气泵(600)的转速，当ΔT增大时，提高抽气泵(600)的转速，降低汽液蒸发相变的饱和温度，增大多孔材料直接式蒸发器的冷却能力；当ΔT减小时，降低抽气泵(600)的转速，增加汽液蒸发相变的饱和温度，减小多孔材料直接式蒸发器的冷却能力，从而降低能源消耗；当ΔT不变时，保持抽气泵(600)的转速不变，维持当前的冷却能力。如果电子元器件的工作温度没有超过其允许的安全温度工作，那么该系统将停止运行。

参见图1，根据本发明的一个实施例的基于多孔材料蒸发冷却装置的低空应急主动式热控系统包括多孔材料直接式蒸发器(100)、主动控制单元(200)、电磁阀(300)、过滤器(400)、冷凝器(500)、抽气泵(600)、储液箱(700)、汽液分离器(900)和温度测量传感器等；储液箱(700)为热控系统提供相变换热工质—水，水通过管路连接分别流经电磁阀(300)和过滤器(400)进入多孔材料直接式蒸发器(100)，水进入多孔材料直接式蒸发器(100)中在毛细力的作用下充满整个多孔材料腔体；电子元器件的热量Q₁和Q₂分别通过多孔材料直接式蒸发器(100)的上下安装表面及腔体填充的泡沫金属材料(101)导热传给蒸发器内的水，水在一定的蒸发压力下温度升高至沸点，发生汽液相变，蒸发的气体通过集气管(102)的多孔管壁进入集气管(102)，通过集气腔(103)排出；排出的汽液混合物进入到小型空冷冷凝器(500)，冷凝之后进入汽液分离器(900)，其中液体部分在重力的作用下回流至储液箱(700)，蒸汽部分通过抽气泵(600)排到大气环境中。

根据本发明的一个实施例，多孔材料直接式蒸发器(100)是包括导热壳体(104)、多孔泡沫金属(101)、集气插管(102)和集气腔(103)的一体式结构；如图5、图6、图7所示，导热壳体(104)采用厚度为3mm的铜合金板材加工焊接而成；多孔泡沫金属(101)采用孔隙较为稀疏的泡沫铜，集气插管(102)采用管壁孔隙较为致密的中空陶瓷毛细芯，首先将集气插管(102)安装到有预留孔的泡沫铜中。为了减小接触热阻，导热壳体(104)的内表面被加工成光滑平整，并且泡沫铜与导热壳体(104)之间采用过盈配合，通过挤压的方式将泡沫铜嵌入导热壳体(104)。集气腔(103)由铜合金或铝合金板材制成，通过密封垫(108)和螺母连接至蒸发器导热壳体连接部分(104C)。

本发明所述的主动控制单元(200)，通过铜/康铜热电偶传感器采集多孔材料直接式蒸发器(100)和电子元器件(800)的温度信号。主动控制单元(200)输出的电信号控制电磁阀(300)的开关及调节抽气泵(600)工作转速，从而实现主动热控制；所述电磁阀(300)根据主动控制单元的电信号来控制整个流体回路的开关；所述过滤器(400)保证进入多孔材料直接式蒸发器(100)的工质无杂质；所述冷凝器(500)采用小型空冷冷凝器，冷凝汽液混合物；所述汽液分离器(900)，采用重力作用汽液分离器，将冷凝液体回流至系统储液箱，分离蒸汽通过抽气泵排出至大气环境；所述抽气泵(600)，为液体工质相变换热提供一定的蒸发压力，接受控制单元(200)的电信号以调节工作转速，抽气泵(600)选用可调旋片式抽气泵，真空度为1kp-100kpa。

本发明所述的主动控制单元(200)通过铜/康铜热电偶传感器采集电子元器件的温度T_A和多孔材料直接式蒸发器的温度T_B，当电子元器件达到峰值热载荷导致其工作温度超过其允许的安全温度时，本系统开始工作进行冷却散热，主动控制单元(200)输出电信号，以打开电磁阀及抽气泵；主动控制单元(200)实时处理计算电子元器件和多孔材料直接式蒸发器的温差ΔT＝T_A-T_B，根据不同的运行工况来调节抽气泵转速，即：当ΔT增大时，提高抽气泵(600)的转速，降低汽液蒸发相变的饱和温度，增大多孔材料直接式蒸发器的冷却能力；当ΔT减小时，降低抽气泵(600)的转速，增加汽液蒸发相变的饱和温度，减小多孔材料直接式蒸发器的冷却能力，从而降低能源消耗；当ΔT不变时，保持抽气泵(600)的转速不变，维持当前的冷却能力。当电子元器件的工作温度没有超过其允许的安全温度工作时，该系统停止运行。

本发明通过主动控制单元通过控制电磁阀的开关和调节抽气泵工作转速来调节液体工质相变的蒸发压力，保证气液进行相变换热，利用气液蒸发相变潜热大的特点带走较大的热量，应对不同工况该系统可以主动的控制冷却装置的冷却能力与发热元器件的发热功率动态匹配，一方面克服了低空环境压力下水不宜蒸发的缺点，适用于短期峰值散热，可以作为应急式补充散热的有效热控手段，另一方面主动调节散热装置的冷却能力，可以减小能源的浪费，提高了冷却装置的效率。

Claims (10)

1.一种基于多孔材料蒸发冷却装置的低空应急主动式热控系统，其特征在于包括：

多孔材料直接式蒸发器(100)、主动控制单元(200)、电磁阀(300)、过滤器(400)、冷凝器(500)、抽气泵(600)、储液箱(700)、汽液分离器(900)和温度测量传感器，

其中：

储液箱(700)用于提供相变换热工质，

相变换热工质通过管路流经电磁阀(300)和过滤器(400)而进入多孔材料直接式蒸发器(100)，

相变换热工质吸收热量发生相变后的汽液混合物由多孔材料直接式蒸发器(100)的集气腔(103)排出，然后依次流经冷凝器(500)和汽液分离器(900)，汽液分离之后的相变换热工质的液体部分回流至储液箱(700)供回路循环使用，汽液分离之后的相变换热工质的蒸汽部分通过抽气泵(600)被排到大气环境中，

所述多孔材料直接式蒸发器(100)是包括多孔泡沫金属(101)、集气插管(102)、集气腔(103)和导热壳体(104)的一体式结构，其中导热壳体(104)的内部由多孔泡沫金属(101)填充，

作为冷却工质的相变换热工质流入多孔材料直接式蒸发器(100)，在毛细力的作用下充满整个泡沫金属空间，

多孔材料直接式蒸发器(100)作为换热器接受电子元器件(800)产生的热量Q，使得作为冷却工质的相变换热工质相变蒸发为气体，该气体通过集气管(102)和集气腔(13)被排出，

所述主动控制单元(200)采集多孔材料直接式蒸发器(100)的温度信号和电子元器件(800)的温度信号，通过控制电磁阀(300)的开关和调节抽气泵(600)工作转速实现主动热控制。

2.根据权利要求1所述的低空应急主动式热控系统，其特征在于：

多孔材料直接式蒸发器(100)通过上下安装表面(104A)中的至少一个的导热而接受电子元器件(800)产生的热量Q。

3.根据权利要求1所述的的低空应急主动式热控系统，其特征在于：

导热壳体(104)包括焊接的铜合金和/或铝合金板材，

导热壳体(104)的一侧有相变换热工质进口，

多孔泡沫金属(101)包括从多孔材料泡沫铜和泡沫铝中选出的至少一种，

在多孔泡沫金属(101)之间插入管壁为致密的多孔材料的集气插管(102)，

集气插管(102)经由导热壳体(104)的一侧与作为侧室的集气腔(103)联通，

相变换热工质是从水和乙二醇溶液中选出的一种。

4.根据权利要求1所述的的低空应急主动式热控系统，其特征在于：

所述抽气泵(600)用于为液体的相变换热工质的相变换热提供一定的蒸发压力，

抽气泵(600)通过根据控制单元(200)的电信号调节工作转速而实现不同的压力。

5.根据权利要求4所述的的低空应急主动式热控系统，其特征在于：

抽气泵可调节的真空度变化范围为1kp-100kpa，

集气腔(103)由铜合金和/或铝合金板材制成，通过密封垫(108)和螺母连接至蒸发器导热壳体连接部分(104C)。

6.一种基于多孔材料蒸发冷却装置的低空应急主动式热控方法，其特征在于包括：

用储液箱(700)提供相变换热工质，

使相变换热工质通过管路流经电磁阀(300)和过滤器(400)而进入多孔材料直接式蒸发器(100)，

使相变换热工质吸收热量发生相变后的汽液混合物由多孔材料直接式蒸发器(100)的集气腔(103)排出，然后依次流经冷凝器(500)和汽液分离器(900)，使汽液分离之后的相变换热工质的液体部分回流至储液箱(700)供回路循环使用，使汽液分离之后的相变换热工质的蒸汽部分通过抽气泵(600)被排到大气环境中，其中所述多孔材料直接式蒸发器(100)是包括多孔泡沫金属(101)、集气插管(102)、集气腔(103)和导热壳体(104)的一体式结构，

用多孔泡沫金属(101)填充导热壳体(104)的内部，

使作为冷却工质流入多孔材料直接式蒸发器(100)的相变换热工质在毛细力的作用下填充多孔泡沫金属(101)，

用多孔材料直接式蒸发器(100)作为换热器接受电子元器件(800)产生的热量Q，使得作为冷却工质的相变换热工质的至少一部分相变蒸发为气体，并使该气体通过集气管(102)和集气腔(13)被排出，

用所述主动控制单元(200)采集多孔材料直接式蒸发器(100)的温度信号和电子元器件(800)的温度信号，控制电磁阀(300)的开关和调节抽气泵(600)工作转速，从而实现主动热控制。

7.根据权利要求6所述的低空应急主动式热控方法，其特征在于：

多孔材料直接式蒸发器(100)通过上下安装表面(104A)中的至少一个的导热而接受电子元器件(800)产生的热量Q。

8.根据权利要求6所述的的低空应急主动式热控方法，其特征在于：

导热壳体(104)包括焊接的铜合金和/或铝合金板材，

导热壳体(104)的一侧有相变换热工质进口，

多孔泡沫金属(101)包括从多孔材料泡沫铜和泡沫铝中选出的至少一种，

相变换热工质是从水和乙二醇水溶液中选出的一种，

进一步包括：

在多孔泡沫金属(101)之间插入管壁作为多孔泡沫金属(101)的集气插管(102)，

使集气插管(102)经由导热壳体(104)的一侧与作为侧室的集气腔(103)联通。

9.根据权利要求6所述的的低空应急主动式热控方法，其特征在于进一步包括：

用所述抽气泵(600)为液体的相变换热工质的相变换热提供一定的蒸发压力，

通过根据控制单元(200)的电信号调节抽气泵(600)的工作转速而实现不同的压力。

10.根据权利要求9所述的的低空应急主动式热控方法，其特征在于：

抽气泵可调节的真空度变化范围为1kp-100kpa，

集气腔(103)由铜合金和/或铝合金板材制成，通过密封垫(108)和螺母连接至蒸发器导热壳体连接部分(104C)。