CN110230939B - 一种模块化喷雾式散热热沉装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模块化喷雾式散热热沉装置，利用喷雾冷却技术实现了高传热热流与传热系数的高密度储热能力，以新型集成化、模块化结构布局降低了系统的复杂性与总体质量，以表面强化相变技术消弭了气液分离难题，以单气泵耦合气动增压活塞气缸的方案实现了针对动态热源散热的简单有效喷雾性能控制，以关键结构尺寸的协调设计支撑实现了特定散热量、特定传热热流密度、特定温度控制水平的热控目标，因此本发明解决了喷雾冷却技术在仪器舱工程化应用所面临的诸多难题，能够为高速飞行器仪器舱散热提供主动式散热热沉。
Description
技术领域
本发明涉及一种模块化喷雾式散热热沉装置，属于航空航天热控/热管理领域，是一种传热系数高、储热密度高、紧凑化高、可靠性高、质量小、体积小、控制灵活、可长期贮存的散热热沉装置。
背景技术
飞行器在大气层内高速飞行时会遇到气动加热问题，即“热障”。飞行速度越大，气动加热现象越严重。当气动加热提升到一定程度时，热量会透过热密封结构侵入飞行器仪器舱内，连同仪器舱内电子器件的散热量，给仪器舱内设备的正常运转提出了散热需求。
常规地面运载装备与空间航天装备均面临热控/散热需求，其散热技术发展很成熟，但尚不足以支撑解决高速飞行器仪器舱的散热问题。常规地面与空间装备的散热系统均将热量排至自然冷源：前者将热量通过对流排至大气环境，后者将热量通过辐射排至深冷空间。而飞行器在高速飞行时被高温气体包覆，其表面辐射能力受制于实际可行的表面温度并当达到一定极限时，多余热量将侵入飞行器舱内，并无法直接与自然冷源(大气环境、深冷空间、海洋环境等)之间建立传递路径，因而需要在舱内以主动式热沉的方式予以解决。
主动液冷回路技术能够以循环水显热的方式形成舱内热沉，但储热量小、质量代价高；主动液冷相变回路技术能够利用部分循环水的潜热来形成舱内相变热沉，一定程度上提高了传热速率、储热量，但系统复杂性降低了可靠性，同时质量代价依然较高；固液相变材料技术可利用相变材料的潜热来存储热量，但受限于其潜热与比热容较小，所需的质量代价依然较高，同时其吸热速率较低，难以应对高热流密度的散热需求。
喷雾冷却技术能够以较高的临界传热热流与传热系数实现较高的储热量，应用于舱内作主动热沉时具有较大优势。但即使针对稳态热源散热的常规喷雾冷却系统复杂性依然较高，同时喷雾产生的气液分离与收集也是难点，进一步针对动态热源散热的喷雾冷却还需要额外配套复杂的背压调节系统，因此喷雾冷却作为飞行器仪器舱散热热沉的工程化应用尚存在障碍。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模块化喷雾式散热热沉装置，解决了喷雾冷却技术在仪器舱工程化应用所面临的诸多难题，能够为高速飞行器仪器舱散热提供主动式散热热沉。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种散热热沉装置，包括储液腔、喷雾腔、储气腔、气泵以及压力传动装置；
储液腔内置隔膜，隔膜的外侧为加压区，内侧为存储冷却工质的储液区；储液腔与喷雾腔之间设置喷出冷却工质的喷嘴；气泵能够将喷雾腔内的气体泵入储气腔；储气腔通过压力传动装置向加压区传递压力。
优选的，压力传动装置为气动增压活塞气缸，储气腔内的气体作用于气动增压活塞的大端，加压区内的气体作用于气动增压活塞的小端，大端的气体作用面积大于小端的气体作用面积。
优选的，大端的气体作用面积与小端的气体作用面积的比值与散热量需求呈正相关关系。
优选的，喷雾腔设置一个或多个冷却面，冷却面内表面加工有强化相变的微结构；冷却面外表面与待冷却发热面相贴合。
优选的，冷却面采用薄壁结构，采用导热率大于150W/m/K的材料；散热热沉装置其他部分均选用导热率低于10W/m/K的隔热保温材料。
优选的，还包括电控模块，调整气泵转速，控制喷嘴开闭状态以及调节间歇喷雾时的喷射占空比。
优选的，散热热沉装置整体结构外形为规则几何外形，储液腔位于喷雾腔一侧，气泵设置在喷雾腔与储气腔之间；储液腔与储气腔之间设置压力传动装置。
优选的，外部提供气泵与电控模块的供电电源，腔内冷却工质与气体在出厂前完成充装与密封。
优选的，所述冷却工质为蒸馏水或液态氨。
优选的，所述强化相变的微结构包括毫米级尺度的凹凸结构阵列，且凹凸结构阵列表面上附有微米级尺度的粗糙微结构。
优选的，凹凸结构阵列采用沟槽、圆柱凸台阵列、圆柱凹坑阵列、梯形凸台阵列或凹坑阵列；粗糙微结构采用凸起或孔隙。
优选的，电控模块能够控制实现四种散热工作模式：(1)向喷雾腔内喷入一定量冷却工质后，关闭喷嘴，关闭气泵，喷雾腔内冷却工质在表面强化相变微结构的作用下，以池沸腾的机制实现对发热面的冷却吸热；(2)向喷雾腔内喷入一定量冷却工质后，关闭喷嘴，开启气泵降低腔内压力、降低腔内工质相变温度，使喷雾腔内工质在表面强化相变微结构、高过热度的综合作用下以池沸腾的机制实现对发热面的冷却吸热；(3)开启喷嘴间隙式喷雾，同时开启气泵维持喷雾腔内压力，实现针对发热面的喷雾冷却机制；(4)开启喷嘴无间隙喷雾，同时开启气泵维持喷雾腔内压力，实现针对发热面的最高热流密度的喷雾冷却。
优选的，当发热面热流密度小于第一阈值，且不需要控制发热面平衡温度时，电控模块选择工作模式(1)；当发热面热流密度小于第二阈值，且需要控制发热面平衡温度时，电控模块选择工作模式(2)；当发热面热流密度大于等于第二阈值且小于第三阈值，且需要控制发热面平衡温度时，选择工作模式(3)；当需要发热面热流密度大于等于第三阈值时，选择工作模式(4)。
优选的，第一阈值为发热面额定热流密度的20％～30％，第二阈值为发热面额定热流密度的20％～40％；第三阈值为发热面额定热流密度的40％～90％。
优选的，隔膜下端密封固定在储液腔与喷雾腔之间的隔板上，能够分隔内部的冷却工质与外部气体，并在外部气体的作用下发生变形，挤压内部冷却工质。
同时提供一种利用所述的散热热沉装置进行散热控制的方法，包括：
当发热面热流密度小于第一阈值，且不需要控制发热面平衡温度时，向喷雾腔内喷入一定量冷却工质后，关闭喷嘴，关闭气泵，喷雾腔内冷却工质在表面强化相变微结构的作用下，以池沸腾的机制实现对发热面的冷却吸热；
当发热面热流密度小于第二阈值，且需要控制发热面平衡温度时，向喷雾腔内喷入一定量冷却工质后，关闭喷嘴，开启气泵降低腔内压力、降低腔内工质相变温度，使喷雾腔内工质在表面强化相变微结构、高过热度的综合作用下以池沸腾的机制实现对发热面的冷却吸热；
当发热面热流密度大于等于第二阈值且小于第三阈值，且需要控制发热面平衡温度时，开启喷嘴间隙式喷雾，同时开启气泵维持喷雾腔内压力，实现针对发热面的喷雾冷却机制；
当需要发热面热流密度大于等于第三阈值时，开启喷嘴无间隙喷雾，同时开启气泵维持喷雾腔内压力，实现针对发热面的最高热流密度的喷雾冷却。
优选的，第一阈值为发热面额定热流密度的20％～30％，第二阈值为发热面额定热流密度的20％～40％；第三阈值为发热面额定热流密度的40％～90％。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明利用喷雾冷却技术实现针对发热面的热沉式散热，喷雾过程能够通过液滴持续撞击发热面上液膜而形成高数量密度的气泡，众多气泡经过薄液膜蒸发等过程发生传热相变，因而能形成很大的传热热流与很大的换热系数，同时以高潜热的蒸馏水或液态氨作为冷却相变工质，可最大程度地提高散热热沉的总散热量、降低散热系统的质量。
(2)本发明以新型紧凑化、模块化、集成化的结构布局，相比分离式散热系统有效降低了系统的复杂度、降低了泄漏等失效事件的概率，提高了可靠性，同时拆装、维护更便捷，并可以显著降低系统的质量与体积。
(3)本发明通过在贴合发热面的薄壁内侧面上加工强化相变的微结构来提高喷雾腔内积液的池沸腾相变速率、从而消除积液，并通过气泵降低喷雾腔内冷却工质的相变温度(沸点)来有效提高工质蒸发水平，通过调控间歇式喷雾的开闭与喷射脉冲占空比来避免无益的多余喷射，从而促进喷雾腔内液态工质尽快蒸发，消弭了气液分离的问题。
(4)本发明通过气泵降低喷雾腔内压力从而降低腔内冷却工质的相变温度(沸点)，并配合电控间歇式喷雾，实现了针对动态热源散热的喷雾冷却性能的灵活控制。
(5)本发明利用可调速气泵耦合气动增压活塞气缸的方案，既完成了对喷雾腔压力的控制从而实现对喷雾性能的灵活动态控制，又完成了对喷射工质的加压及其压力调控，此设计方案巧妙地借助自循环的方式，降低了传统喷雾系统对泵的数量需求，提高了可靠性、减小了质量与体积代价。
(6)本发明利用封闭的储液腔与开闭可控的喷嘴可实现对冷却工质的长期贮存，以此满足战术导弹等一些特种飞行器对零部件的贮存与维护要求。
附图说明
图1为模块化喷雾散热热沉的原理示意图；
图2为可强化相变的微结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种散热热沉装置，其结构内部设有储液腔1、喷雾腔2、储气腔3。其中储液腔内置隔膜11，隔膜11的外侧为加压区12，内侧为储液区13，储液区储存液态冷却工质，隔膜可以将加压区承受的压力升传递给储液区，使储液区冷却工质可以在压力驱动下流经喷嘴形成喷雾冷却。可控开闭的喷嘴4设置在储液区与喷雾腔之间。喷雾腔设置一个或多个薄壁冷却面21，冷却面外表面与待冷却发热面7相贴合，流经喷嘴形成的喷雾能够撞击在冷却面内表面上，形成对冷却面外侧发热面的冷却。喷雾腔与储气腔之间设置微型可调速气泵5，可调速气泵能够将喷雾腔的气体泵入储气腔，一方面能在持续喷雾、喷雾腔内有持续质量流入时维持喷雾腔的压力，另一方面也能调控喷雾腔内的稳定压力值，从而改变冷却工质的相变饱和温度，进而控制相变过程、形成对喷雾整体冷却性能的控制。储气腔与储液腔之间有压力传动装置6，可采用气动增压活塞气缸或具备相似功能的增压活塞结构，增压活塞两端表面积不同，当处于受力平衡态时，两端表面积之比便同两端压力之比互为倒数，由此实现增压式传动。压力传动装置能够将气泵引起储气腔的压力升以一定倍率放大到储液腔的加压区，然后通过隔膜实现对待喷射冷却工质的加压过程。
喷雾腔贴合外部发热面的薄壁结构选用高导热性能材料，有利于热量进入热沉系统；其他部分结构均选用低导热性能的隔热保温材料，避免系统内存储热量向外部散发，也避免储气腔内蒸汽凝结从而使气缸增压机制失效。
在一个实施例中隔膜11采用橡胶材质,下端密封固定在储液腔1与喷雾腔2之间的隔板上，能够分隔内部的液体与外部气体，并在外部气体的挤压下发生变形挤压内部液体。
在一个实施例中压力传动装置6活塞的两端面积比为1:6，则此时活塞两端压力比为6:1，高压气体通过隔膜挤压储液区的液体形成喷雾的喷射压力。初始时储气腔3内的压力为1atm，随着喷雾的进行，气泵5工作，将喷雾腔2内的气体泵入储气腔3内，使得储气腔3内的压力持续升高，进而在压力传动装置6的作用下，储液腔1内的压力持续升高，实现了对储液区13持续增压，保证了喷雾过程中的喷射压力供给。
系统设置电控模块8，其可控制喷嘴的开闭、间歇喷雾脉动占空比、气泵转速。优选地，所述散热热沉的整体结构外形为立方体、圆柱形等简单规则几何，自身高度集成，对外接口简单，仅需外部提供气泵与电控模块的供电电源，腔内液相与气相工质在出厂前完成充装与密封，而在使用过程中与外部无质量交换，满足装配模块化、替代标准化的要求。
喷雾腔贴合外部发热面的冷却面内表面上加工有可强化相变的微结构9，在一个实施例中，如图2所示，所述微结构为毫米级长度尺度的沟槽、圆柱凸台或凹坑列阵、梯形凸台或凹坑列阵等呈现特定排列几何规则的凹凸结构31，同时其表面上并附有微米级长度尺度的凸起、孔隙等粗糙微结构32。微结构能够增强表面上积液的相变过程，有助于将喷雾腔内的液相工质转换为气相，从而消弭气液分离的难题。
在一个实施例中，喷嘴为电控间歇式喷雾喷嘴，间歇喷射周期、喷射脉冲占空比均可独立调控，通过合理的策略控制喷射开闭、喷射脉冲占空比，避免无益的多余喷射，也有利于消弭气液分离难题。
在一个实施例中，选用蒸馏水或液态氨作为冷却工质，蒸馏水和液态氨的气液相变潜热值很高，能够提升系统的储热量，并降低系统的质量与体积代价。
在一个实施例中，储液腔内的储液容积根据热控任务的总散热量需求而确定，储液腔内隔膜移动的压缩空间总容积、喷嘴的设计选型根据热控任务的传热热流密度与传热系数需求而确定，喷雾腔的容积、气泵的设计选型根据热控任务的温度控制目标而确定，储气腔容积、储液腔隔膜气侧容积、压力传动装置的设计选型根据热控任务的传热热流密度与传热系数需求而确定。
所述模块化喷雾式热沉有四种散热工作模式：(1)向喷雾腔内喷入一定量液态工质后，关闭喷嘴，关闭气泵，喷雾腔内液态工质在表面强化相变微结构的作用下，以池沸腾的机制实现对发热面的冷却吸热；(2)向喷雾腔内喷入一定量液态工质后，关闭喷嘴，开启气泵降低腔内压力、降低腔内工质相变温度，使喷雾腔内工质在表面强化相变微结构、高过热度的综合作用下以池沸腾的机制实现对发热面的冷却吸热；(3)开启喷嘴间隙式喷雾，同时开启气泵维持喷雾腔内压力，实现针对发热面的喷雾冷却机制；(4)开启喷嘴无间隙喷雾，同时开启气泵维持喷雾腔内压力，实现针对发热面的最高热流密度的喷雾冷却。四种工作模式可分别应对不同的散热需求。
电控模块可根据发热面的工作状态确定本装置的工作模式，当发热面热流密度较小时，例如小于额定热流密度的20％～30％，可以选择模式(1)，节省液态工质；当发热面热流密度较小时，例如小于额定热流密度的20％～40％，且需要控制发热面平衡温度时，可以选择模式(2)，通过气泵调节喷雾腔内的压力，实现散热速率的控制，发热面平衡温度与喷雾腔内的压力呈负相关关系。当发热面热流密度较大，例如达到额定热流密度的40％～90％，且需要控制发热面平衡温度时，可以选择模式(3)，通过PWM控制调节间歇喷雾的周期和喷雾占空比，喷雾占空比与散热能力成正相关关系；当发热面热流密度达到额定热流密度的90％以上时，可以选择模式(4)，根据发热面平衡温度需求，调节喷雾腔内压力。
综上所述，本发明所提供的散热热沉，相比于传统的主动液冷回路、主动液冷相变回路、相变材料储热技术，能够实现更大的传热系数与更高密度的储热量，同时意味着质量与体积代价更低；相比于传统的喷雾冷却技术，能够形成更紧凑的模块化产品，可靠性更高，在较低的质量与体积代价下实现了更高的冷却性能控制灵活性，并能满足长期贮存的特种使用需求。
本发明利用喷雾冷却技术实现了高传热热流与传热系数的高密度储热能力，以新型集成化、模块化结构布局降低了系统的复杂性与总体质量，以表面强化相变技术消弭了气液分离难题，以单气泵耦合气动增压气缸的方案实现了针对动态热源散热的简单有效喷雾性能控制，以关键结构尺寸的协调设计支撑实现了特定散热量、特定传热热流密度、特定温度控制水平的热控目标，因此本发明解决了喷雾冷却技术在仪器舱工程化应用所面临的诸多难题，能够为高速飞行器仪器舱散热提供主动式散热热沉。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (15)
1.一种散热热沉装置，其特征在于：包括储液腔(1)、喷雾腔(2)、储气腔(3)、气泵(5)以及压力传动装置(6)；
储液腔内置隔膜(11)，隔膜(11)的外侧为加压区(12)，内侧为存储冷却工质的储液区(13)；储液腔与喷雾腔之间设置喷出冷却工质的喷嘴(4)；气泵(5)能够将喷雾腔(2)内的气体泵入储气腔(3)；储气腔(3)通过压力传动装置(6)向加压区(12)传递压力；压力传动装置(6)为气动增压活塞气缸，储气腔(3)内的气体作用于气动增压活塞的大端，加压区(12)内的气体作用于气动增压活塞的小端，大端的气体作用面积大于小端的气体作用面积；大端的气体作用面积与小端的气体作用面积的比值与散热量需求呈正相关关系。
2.如权利要求1所述的散热热沉装置，其特征在于，喷雾腔设置一个或多个冷却面，冷却面内表面加工有强化相变的微结构(9)；冷却面外表面与待冷却发热面(7)相贴合。
3.如权利要求2所述的散热热沉装置，其特征在于，冷却面采用薄壁结构(21)，采用导热率大于150W/m/K的材料；散热热沉装置其他部分均选用导热率低于10W/m/K的隔热保温材料。
4.如权利要求2所述的散热热沉装置，其特征在于，还包括电控模块，调整气泵(5)转速，控制喷嘴(4)开闭状态以及调节间歇喷雾时的喷射占空比。
5.如权利要求1所述的散热热沉装置，其特征在于，散热热沉装置整体结构外形为规则几何外形，储液腔(1)位于喷雾腔(2)一侧，气泵(5)设置在喷雾腔(2)与储气腔(3)之间；储液腔(1)与储气腔(3)之间设置压力传动装置(6)。
6.如权利要求5所述的散热热沉装置，其特征在于，外部提供气泵与电控模块的供电电源，腔内冷却工质与气体在出厂前完成充装与密封。
7.根据权利要求1所述的一种散热热沉装置，其特征在于：所述冷却工质为蒸馏水或液态氨。
8.根据权利要求2所述的一种散热热沉装置，其特征在于：所述强化相变的微结构(9)包括毫米级尺度的凹凸结构阵列，且凹凸结构阵列表面上附有微米级尺度的粗糙微结构。
9.根据权利要求8所述的一种散热热沉装置，其特征在于：凹凸结构阵列采用沟槽、圆柱凸台阵列、圆柱凹坑阵列、梯形凸台阵列或凹坑阵列；粗糙微结构采用凸起或孔隙。
10.根据权利要求4所述的一种散热热沉装置，其特征在于：电控模块能够控制实现四种散热工作模式：工作模式1，向喷雾腔内喷入一定量冷却工质后，关闭喷嘴，关闭气泵，喷雾腔内冷却工质在表面强化相变微结构的作用下，以池沸腾的机制实现对发热面的冷却吸热；工作模式2，向喷雾腔内喷入一定量冷却工质后，关闭喷嘴，开启气泵降低腔内压力、降低腔内工质相变温度，使喷雾腔内工质在表面强化相变微结构、高过热度的综合作用下以池沸腾的机制实现对发热面的冷却吸热；工作模式3，开启喷嘴间隙式喷雾，同时开启气泵维持喷雾腔内压力，实现针对发热面的喷雾冷却机制；工作模式4，开启喷嘴无间隙喷雾，同时开启气泵维持喷雾腔内压力，实现针对发热面的最高热流密度的喷雾冷却。
11.根据权利要求10所述的一种散热热沉装置，其特征在于：当发热面热流密度小于第一阈值，且不需要控制发热面平衡温度时，电控模块选择工作模式1；当发热面热流密度小于第二阈值，且需要控制发热面平衡温度时，电控模块选择工作模式2；当发热面热流密度大于等于第二阈值且小于第三阈值，且需要控制发热面平衡温度时，选择工作模式3；当需要发热面热流密度大于等于第三阈值时，选择工作模式4。
12.根据权利要求11所述的一种散热热沉装置，其特征在于：第一阈值为发热面额定热流密度的20％～30％，第二阈值为发热面额定热流密度的20％～40％；第三阈值为发热面额定热流密度的40％～90％。
13.根据权利要求1所述的一种散热热沉装置，其特征在于：隔膜(11)下端密封固定在储液腔(1)与喷雾腔(2)之间的隔板上，能够分隔内部的冷却工质与外部气体，并在外部气体的作用下发生变形，挤压内部冷却工质。
14.一种利用权利要求2所述的散热热沉装置进行散热控制的方法，其特征在于，包括：
当发热面热流密度小于第一阈值，且不需要控制发热面平衡温度时，向喷雾腔内喷入一定量冷却工质后，关闭喷嘴，关闭气泵，喷雾腔内冷却工质在表面强化相变微结构的作用下，以池沸腾的机制实现对发热面的冷却吸热；
当发热面热流密度小于第二阈值，且需要控制发热面平衡温度时，向喷雾腔内喷入一定量冷却工质后，关闭喷嘴，开启气泵降低腔内压力、降低腔内工质相变温度，使喷雾腔内工质在表面强化相变微结构、高过热度的综合作用下以池沸腾的机制实现对发热面的冷却吸热；
当发热面热流密度大于等于第二阈值且小于第三阈值，且需要控制发热面平衡温度时，开启喷嘴间隙式喷雾，同时开启气泵维持喷雾腔内压力，实现针对发热面的喷雾冷却机制；
当需要发热面热流密度大于等于第三阈值时，开启喷嘴无间隙喷雾，同时开启气泵维持喷雾腔内压力，实现针对发热面的最高热流密度的喷雾冷却。
15.一种利用权利要求14所述的散热热沉装置进行散热控制的方法，其特征在于，第一阈值为发热面额定热流密度的20％～30％，第二阈值为发热面额定热流密度的20％～40％；第三阈值为发热面额定热流密度的40％～90％。
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