CN111186582A - 设备舱温度和压力的控制系统及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种设备舱温度和压力的控制系统及调控方法，其中，系统包括：制冷剂储罐和喷嘴，分别用于存储和雾化冷却工质，并通过喷雾方式对高热流表面进行定向冷却，使得将制冷剂分布在舱内；温度传感器和压力压差组合传感器，分别用于检测舱内设备的当前温度和舱外环境的当前压力，以得到当前压差；设置于供液管路的供液电磁阀和排气电磁阀；控制执行器，用于根据当前温度和当前压差控制供液电磁阀和排气电磁阀的开启或关闭，以控制舱内设备的表面温度和舱内的环境压力处于预设范围内。该系统具有制冷剂消耗量小、结构简单、控制灵活、容易实现的优点，能够满足飞行器动态环境变化过程中，设备舱内温度和压力的控制需求。

Description

设备舱温度和压力的控制系统及调控方法

技术领域

本发明涉及临近空间/空间飞行器设备舱热管理技术领域，特别涉及一种设备舱温度和压力的控制系统及调控方法。

背景技术

临近空间/空间超声速和高超声速飞行器在很大程度上代表了一个国家的军事实力，一直是世界各军事强国争相发展的技术。飞行器设备舱的冷却是发展临近空间/空间超声速和高超声速飞行器技术急需解决的问题之一。飞行器携带的电子设备其温度一旦超过许用温度，电子设备的性能将受到严重影响，甚至破坏。此外，在气动热作用下舱体外表面形成的高温、高热流的边界条件同样对舱内的电子设备形成较强的加热作用。为了保证飞行器的安全飞行，必须采取及时有效的冷却方式将设备舱内聚集的热量快速的排散掉，维持舱内电子设备的工作温度在合理的范围内。

飞行器所处的特殊环境和飞行器自身结构的要求都对设备舱内电子器件的温度调控提出了巨大挑战，主要包括：

(1)当飞行器所处环境为高空环境时(如临近空间环境)，环境压力比较低(临近空间环境压力<5500Pa)，空气稀薄，气体对流冷却能力差；

(2)设备舱的空间有限，舱内电子设备的空间分布密度往往比较高，且电子设备的形状、大小和热功率高低排布等具有较大的随机性，实现每个设备都具有良好的冷却效果具有较大的挑战性；

(3)冷却方式的选择不仅要简单易实现，还要特别要求冷却系统具有体积小、重量轻的特点；

(4)当引入相变冷却工质时，要满足舱体及设备的“维形”要求。

因此，在制定设备舱控温控压技术方案时需要兼顾的限制因素比较多，即要实现设备的冷却，又要考虑轻量化和舱体结构的承受能力。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种设备舱温度和压力的控制系统，该系统具有制冷剂消耗量小、结构简单、控制灵活、容易实现的优点，能够满足飞行器动态环境变化过程中，设备舱内温度和压力的控制需求。

本发明的另一个目的在于提出一种设备舱温度和压力的调控方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种设备舱温度和压力的控制系统，包括：制冷剂储罐和喷嘴，分别用于存储和雾化冷却工质，并通过喷雾方式对高热流表面进行定向冷却，使得将制冷剂分布在舱内；温度传感器和压力压差组合传感器，分别用于检测舱内设备的当前温度和舱外环境的当前压力，以得到当前压差；设置于供液管路的供液电磁阀和排气电磁阀；控制执行器，用于根据所述当前温度和所述当前压差控制所述供液电磁阀和排气电磁阀的开启或关闭，以控制舱内设备的表面温度和舱内的环境压力处于预设范围内。

本发明实施例的设备舱温度和压力的控制系统，利用制冷工质的喷雾冷却实现舱内设备的冷却，利用舱外的低压环境并通过向外排气的方式对舱内环境进行压力调节，具有制冷剂消耗量小、结构简单、控制灵活、容易实现的优点，能够满足飞行器动态环境变化过程中，设备舱内温度和压力的控制需求。

另外，根据本发明上述实施例的设备舱温度和压力的控制系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述喷嘴设置于所述供液管路上，且所述喷嘴的数量和设置位置根据舱内热源信息确定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述设置位置还根据设备的体积和发热功率确定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制执行器具体用于当舱内设备的表面温度高于控温上限值时，发出开启所述供液电磁阀指令，以使得储罐内的制冷剂通过所述供液管路和所述喷嘴对舱内设备进行喷雾冷却，而当舱内设备的表面温度低于控温下限值时，发出关闭所述供液电磁阀指令，以停止舱内喷雾冷却。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制执行器具体用于当舱内环境压力高于舱外环境压力并达到控压上限值时，发出开启所述排气电子阀的指令，使得舱内气体外流，舱内压力下降，而当所述舱内环境压力达到控压下限值时，发出关闭所述排气电子阀的指令，所述舱内气体停止外流，所述舱内压力回升。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种设备舱温度和压力的调控方法，包括以下步骤：检测舱内设备的当前温度和舱外环境的当前压力，以得到当前压差；根据所述当前温度和所述当前压差控制供液电磁阀和排气电磁阀的开启或关闭，以控制舱内设备的表面温度和舱内的环境压力处于预设范围内，其中，所述供液电磁阀设置于供液管路。

本发明实施例的设备舱温度和压力的调控方法，利用制冷工质的喷雾冷却实现舱内设备的冷却，利用舱外的低压环境并通过向外排气的方式对舱内环境进行压力调节，具有制冷剂消耗量小、结构简单、控制灵活、容易实现的优点，能够满足飞行器动态环境变化过程中，设备舱内温度和压力的控制需求。

另外，根据本发明上述实施例的设备舱温度和压力的调控方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据所述当前温度控制供液电磁阀开启或关闭，以控制舱内设备的表面温度处于预设范围内，进一步包括：当舱内设备的表面温度高于控温上限值时，发出开启所述供液电磁阀指令，以使得制冷剂储罐内的制冷剂通过所述供液管路和喷嘴对舱内设备进行喷雾冷却，其中，所述制冷剂储罐和所述喷嘴，分别用于存储和雾化冷却工质，并通过喷雾方式对高热流表面进行定向冷却，使得将制冷剂分布在舱内；当舱内设备的表面温度低于控温下限值时，发出关闭所述供液电磁阀指令，以停止舱内喷雾冷却。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述喷嘴设置于所述供液管路上，且所述喷嘴的数量和设置位置根据舱内热源信息确定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述设置位置还根据设备的体积和发热功率确定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据所述当前压差控制排气电磁阀的开启或关闭，以控制舱内的环境压力处于预设范围内，进一步包括：当舱内环境压力高于舱外环境压力并达到控压上限值时，发出开启所述排气电子阀的指令，使得舱内气体外流，舱内压力下降；当所述舱内环境压力达到控压下限值时，发出关闭所述排气电子阀的指令，所述舱内气体停止外流，所述舱内压力回升。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的设备舱温度和压力的控制系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的舱内温度和压力的控制流程图；

图3为根据本发明实施例的调节过程中舱内温度和压力的变化过程示意图；

图4为根据本发明实施例的设备舱温度和压力的调控方法的流程图。

附图标记说明：

制冷剂储罐1、供液电磁阀2、设备舱3、供液管路4、喷嘴5、舱内设备6、温度传感器和压力压差组合传感器8、控制执行器9和排气电磁阀10。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的设备舱温度和压力的控制系统及调控方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的设备舱温度和压力的控制系统。

图1是本发明一个实施例的设备舱温度和压力的控制系统的结构示意图。

如图1所示，该设备舱温度和压力的控制系统包括：制冷剂储罐1、供液电磁阀2、设备舱3、供液管路4、喷嘴5、舱内设备6、温度传感器和压力压差组合传感器8、控制执行器9和排气电磁阀10。

其中，制冷剂储罐1和喷嘴5，分别用于存储和雾化冷却工质，并通过喷雾方式对高热流表面进行定向冷却，使得将制冷剂分布在舱内；温度传感器和压力压差组合传感器8，分别用于检测舱内设备6的当前温度和舱外环境的当前压力，以得到当前压差；设置于供液管路4的供液电磁阀2和排气电磁阀10；控制执行器9用于根据当前温度和当前压差控制供液电磁阀2和排气电磁阀10的开启或关闭，以控制舱内设备6的表面温度和舱内的环境压力处于预设范围内。本发明实施例的系统具有制冷剂消耗量小、结构简单、控制灵活、容易实现的优点，能够满足飞行器动态环境变化过程中，设备舱内温度和压力的控制需求。

可以理解的是，制冷剂储罐和喷嘴分别用来存储和雾化冷却工质，通过喷雾的方式实现对高热流表面的定向冷却，并使得制冷剂在舱内充分均匀的分布。控制执行器实时接收温度传感器、压力压差组合传感器反馈的数据信号，并根据该数据信号发出供液电磁阀和排气电磁阀开启或关闭的指令，实现舱内设备的表面温度和舱内的环境压力控制在合理的范围内。

下面将结合图1对设备舱温度和压力的控制系统进行详细阐述。

1、制冷剂储罐1用来存储喷雾冷却工质，该工质可以是液氮和氟利昂(如r134a)。

2、喷嘴5用来雾化制冷剂，实现制冷剂在舱内充分均匀的分布，并集中对高热流表面进行定向喷雾冷却。喷嘴安装在供液管路上，利用管路内的供液压力实现制冷剂的喷雾。其中，喷嘴可根据舱内热源的大小、分布灵活设置喷嘴的数量和位置。

3、设备舱包括设备舱体3和内部设备6，是本发明实施例中需要冷却控温的对象。其中，设备舱体3的作用主要为支撑和隔离外界环境的作用，由于舱体壁面较薄且要承受一定的气动热载荷，因此，需要对舱内环境进行压力和温度的调控。舱内设备6的冷却是本发明实施例需要重点要解决的问题，由于舱内设备的大小和分布都是不均匀的，因此，实际操作中，可根据设备的体积和发热功率调整喷嘴5的布置和冷量供给。

4、供液管路4主要用来输送制冷剂，供液管路4布置在舱内，通过辐射和对流换热的作用对舱内设备6也起到了冷却的作用。

5、温度传感器用来采集舱内环境和设备表面的温度数据，并将采集到的温度数据反馈给控制执行器9。

6、压力压差组合传感器用来采集舱内、舱外环境压力数据，并将采集到的压力压差数据反馈给控制执行器9。

7、控制执行器9接收温度传感器和压力压差组合传感器8反馈的数据信号，并对数据信号进行计算处理，然后根据计算处理结果向供液电磁阀2和排气电磁阀10发出指令，调控供液电磁阀2和排气电磁阀10的开启和关闭，实现舱内温度和压力维持在合理水平。

下面将结合图2对飞行器设备舱内温度和压力的调控流程进行进一步阐述，具体如下：

(1)温度传感器检测舱内设备的表面温度，当舱内设备的表面温度高于控温上限值时，控制执行器发出开启供液电磁阀指令，储罐内的制冷剂通过供液管路和喷嘴对舱内设备进行喷雾冷却。

(2)当舱内设备的表面温度低于控温下限值时，控制执行器发出关闭供液电磁阀指令，停止舱内喷雾冷却，完成一次温度调控。

(3)压力压差组合传感器检测舱内舱外的环境压力，当舱内环境压力高于舱外环境压力并达到设定的控压上限值时，控制执行器发出开启排气电子阀指令，舱内气体外流，舱内压力下降。

(4)当舱内环境压力达到设定的控压下限值时，控制执行器发出关闭排气电子阀指令，舱内气体停止外流，舱内压力回升，完成一次压力调控。

进一步地，下面将通过具体示例对设备舱温度和压力的控制系统进行进一步阐述。

本发明实施例模拟临近空间环境飞行器设备舱的R134a气液相变喷雾冷却控温控压过程，具体的计算条件如下：

其中，有效容积是指舱内气体填充的有效空间体积。图3呈现的是舱内环境温度和压力、设备温度的计算结果曲线。图3上部分的图中的实线表示舱内设备表面温度，虚线表示舱内的环境温度，图3下部分的图中实线表示舱内压力。从图中可以看出，当电子器件表面温度高于60℃时，开启喷嘴进行喷射冷却，而当其温度低于12℃时，关闭制冷剂喷嘴。当舱内压力高于30kPa时，开启舱体调压阀门进行排气降压，而当舱内压力低于10kPa时，关闭调压阀门。

综上，本发明实施例提出的设备舱温度和压力的控制系统，利用制冷工质的喷雾冷却实现舱内设备的冷却，利用舱外的低压环境并通过向外排气的方式对舱内环境进行压力调节，具有制冷剂消耗量小、结构简单、控制灵活、容易实现的优点，能够满足飞行器动态环境变化过程中，设备舱内温度和压力的控制需求。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的设备舱温度和压力的调控方法。

图4是本发明一个实施例的设备舱温度和压力的调控方法的流程图。

如图4所示，该设备舱温度和压力的调控方法包括以下步骤：

在步骤S401中，检测舱内设备的当前温度和舱外环境的当前压力，以得到当前压差；

在步骤S402中，根据当前温度和当前压差控制供液电磁阀和排气电磁阀的开启或关闭，以控制舱内设备的表面温度和舱内的环境压力处于预设范围内，其中，供液电磁阀设置于供液管路。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据当前温度控制供液电磁阀开启或关闭，以控制舱内设备的表面温度处于预设范围内，进一步包括：当舱内设备的表面温度高于控温上限值时，发出开启供液电磁阀指令，以使得制冷剂储罐内的制冷剂通过供液管路和喷嘴对舱内设备进行喷雾冷却，其中，制冷剂储罐和喷嘴，分别用于存储和雾化冷却工质，并通过喷雾方式对高热流表面进行定向冷却，使得将制冷剂分布在舱内；当舱内设备的表面温度低于控温下限值时，发出关闭供液电磁阀指令，以停止舱内喷雾冷却。

进一步地，在本发明的一个实施例中，喷嘴设置于供液管路上，且喷嘴的数量和设置位置根据舱内热源信息确定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，设置位置还根据设备的体积和发热功率确定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据当前压差控制排气电磁阀的开启或关闭，以控制舱内的环境压力处于预设范围内，进一步包括：当舱内环境压力高于舱外环境压力并达到控压上限值时，发出开启排气电子阀的指令，使得舱内气体外流，舱内压力下降；当舱内环境压力达到控压下限值时，发出关闭排气电子阀的指令，舱内气体停止外流，舱内压力回升。

需要说明的是，前述对设备舱温度和压力的控制系统实施例的解释说明也适用于该实施例的设备舱温度和压力的调控方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的设备舱温度和压力的调控方法，利用制冷工质的喷雾冷却实现舱内设备的冷却，利用舱外的低压环境并通过向外排气的方式对舱内环境进行压力调节，具有制冷剂消耗量小、结构简单、控制灵活、容易实现的优点，能够满足飞行器动态环境变化过程中，设备舱内温度和压力的控制需求。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种设备舱温度和压力的控制系统，其特征在于，包括：

制冷剂储罐和喷嘴，分别用于存储和雾化冷却工质，并通过喷雾方式对高热流表面进行定向冷却，使得将制冷剂分布在舱内；

温度传感器和压力压差组合传感器，分别用于检测舱内设备的当前温度和舱外环境的当前压力，以得到当前压差；

设置于供液管路的供液电磁阀和排气电磁阀；以及

控制执行器，用于根据所述当前温度和所述当前压差控制所述供液电磁阀和排气电磁阀的开启或关闭，以控制舱内设备的表面温度和舱内的环境压力处于预设范围内。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述喷嘴设置于所述供液管路上，且所述喷嘴的数量和设置位置根据舱内热源信息确定。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述设置位置还根据设备的体积和发热功率确定。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制执行器具体用于当舱内设备的表面温度高于控温上限值时，发出开启所述供液电磁阀指令，以使得储罐内的制冷剂通过所述供液管路和所述喷嘴对舱内设备进行喷雾冷却，而当舱内设备的表面温度低于控温下限值时，发出关闭所述供液电磁阀指令，以停止舱内喷雾冷却。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制执行器具体用于当舱内环境压力高于舱外环境压力并达到控压上限值时，发出开启所述排气电子阀的指令，使得舱内气体外流，舱内压力下降，而当所述舱内环境压力达到控压下限值时，发出关闭所述排气电子阀的指令，所述舱内气体停止外流，所述舱内压力回升。

6.一种设备舱温度和压力的调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

检测舱内设备的当前温度和舱外环境的当前压力，以得到当前压差；

根据所述当前温度和所述当前压差控制供液电磁阀和排气电磁阀的开启或关闭，以控制舱内设备的表面温度和舱内的环境压力处于预设范围内，其中，所述供液电磁阀设置于供液管路。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述当前温度控制供液电磁阀开启或关闭，以控制舱内设备的表面温度处于预设范围内，进一步包括：

当舱内设备的表面温度高于控温上限值时，发出开启所述供液电磁阀指令，以使得制冷剂储罐内的制冷剂通过所述供液管路和喷嘴对舱内设备进行喷雾冷却，其中，所述制冷剂储罐和所述喷嘴，分别用于存储和雾化冷却工质，并通过喷雾方式对高热流表面进行定向冷却，使得将制冷剂分布在舱内；

当舱内设备的表面温度低于控温下限值时，发出关闭所述供液电磁阀指令，以停止舱内喷雾冷却。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述喷嘴设置于所述供液管路上，且所述喷嘴的数量和设置位置根据舱内热源信息确定。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述设置位置还根据设备的体积和发热功率确定。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述当前压差控制排气电磁阀的开启或关闭，以控制舱内的环境压力处于预设范围内，进一步包括：

当舱内环境压力高于舱外环境压力并达到控压上限值时，发出开启所述排气电子阀的指令，使得舱内气体外流，舱内压力下降；

当所述舱内环境压力达到控压下限值时，发出关闭所述排气电子阀的指令，所述舱内气体停止外流，所述舱内压力回升。

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