CN115717843A - 一种结合相变材料的环路热管式飞行器设备舱散热装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种结合相变材料的环路热管式飞行器设备舱散热装置，所述装置包括蒸发器1、冷凝器2、相变材料3、储液罐4、储气罐5、液体泵6、温度传感器7、液体管线8、蒸汽管线9、轴流风扇10、空气旁通阀门11、液体旁通阀门12、止回阀13、控制器14、翅片15，其中：蒸发器1吸收设备产生的热量，冷凝器2散出热量，相变材料3吸收设备短时高功耗运行时产生的热冲击能量；控制器14与液体泵6、温度传感器7、轴流风扇10、空气旁通阀门11、液体旁通阀门12相连接；蒸发器1和相变材料3构成散热基座，通过蒸发器上表面的吸热面吸收设备产生的热量；冷凝器2和翅片15构成蒙皮散热器，将热量散给进入蒙皮散热器的冲压空气。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器设备舱散热领域，尤其涉及一种结合相变材料的环路热管式飞行器设备舱散热装置。
背景技术
飞行器中某些特殊电子设备的短时高功耗运行往往会引起温度的急剧升高，进而可能导致设备失效，发生安全事故，这对设备温控系统提出了更严苛的要求。飞行器电子设备散热技术主要包括强制风冷、传统液冷、热管冷却、微通道冷却、相变材料蓄热等。随着飞行器电子设备运行工况复杂度的不断提高，单一的冷却技术越来越难以满足多工况运行的要求，复合冷却技术逐渐成为研究热点。此外，现有空-空蒙皮散热器和空-液蒙皮散热器的散热效率较低、占用空间较大，需消耗大量的冲压空气，飞行器气动阻力与代偿损失都较大。
发明内容
环路热管作为一种高效的传热元件，具有极强的热输运能力；同时相变材料可以吸收大量热量并维持温度相对恒定，应用到电子设备散热领域可以较好地缓解电子设备的短时热冲击。本申请提供一种结合相变材料的环路热管式飞行器设备舱散热装置，能够有效抑制设备及散热基座温度急剧上升。
技术方案：一种结合相变材料的环路热管式飞行器设备舱散热装置，所述装置包括蒸发器1、冷凝器2、相变材料3、储液罐4、储气罐5、液体泵6、温度传感器7、液体管线8、蒸汽管线9、轴流风扇10、空气旁通阀门11、液体旁通阀门12、止回阀13、控制器14、翅片15，其中：
蒸发器1吸收设备产生的热量，冷凝器2散出热量，相变材料3吸收设备短时高功耗运行时产生的热冲击能量；控制器14与液体泵6、温度传感器7、轴流风扇10、空气旁通阀门11、液体旁通阀门12相连接；蒸发器1和相变材料3构成散热基座，通过蒸发器1上表面的吸热面吸收设备产生的热量；冷凝器2和翅片15构成蒙皮散热器，冷凝器2中的高温蒸汽与进入蒙皮散热器的冲压空气进行热交换并冷却为液体，翅片15强化散热效果；蒙皮散热器旁设置旁通空气通道，当冲压空气量不足时，打开轴流风扇10与旁通空气阀门11，抽吸足量的空气进入蒙皮散热器；液体泵6旁设置旁通液体通道，旁通液体通道上设置有液体旁通阀门12，液体泵6开启时旁通阀门12关闭，液体泵6关停时旁通阀门12开启，以保证系统在不同工况下的散热效果；控制器14利用温度传感器7监测冲压空气温度和设备温度，并控制液体泵6、轴流风扇10的启停以及空气旁通阀门11、液体旁通阀门12的开闭。
具体的，蒸发器1嵌入相变材料3壳体中，蒸发器1上表面与电子设备接触部位填充导热硅脂以增强两者间的导热能力，蒸发器1其余表面设置翅片15以增强蒸发器1与相变材料3的换热能力；蒸发器1内部从左至右依次为液体腔16、毛细芯17、蒸汽腔18，毛细芯中设液体通道19。
具体的，冷凝器2设置在蒙皮上下表面之间，通过翅片15相连接，翅片15之间形成冲压空气通道。
具体的，蒸发器1、冷凝器2、储液罐4、储气罐5、液体泵6、液体管线8、蒸汽管线9、液体旁通阀门12、止回阀13组成环路热管，所述环路热管内的工质包括水、FC-72、乙醇、丙酮、R123、R141b。
具体的，相变材料3包括有机相变材料、无机相变材料、有机-无机复合相变材料。
具体的，正常工况下的工作过程为：关闭液体泵6，打开液体旁通阀门12，依靠蒸发器1内毛细芯17的毛细力以及蒸发器1和冷凝器2中工质的密度差驱动环路运行；液体管线8中的液态工质首先进入蒸发器1吸收热量后蒸发为汽态，各支路蒸发器产生的蒸汽汇集到储气罐5，蒸汽在密度差的作用下通过蒸汽管线9进入冷凝器2，与冲压空气进行热交换并冷却为液体，通过止回阀13后进入储液罐4，然后通过液体旁路阀门12，再次进入蒸发器1完成循环，液体泵6始终处于关闭状态。
具体的，当飞行器在低空、低马赫数飞行或舱外环境温度较高时，飞行器本身产生的冲压头不能提供足量的冲压空气或设备与舱外环境温差较小，工作过程为：打开空气旁通阀门11，利用轴流风扇10驱动足量的冲压空气与冷凝器2进行热交换，同时关闭液体旁通阀门12，打开液体泵6，驱动环路内工质流动，防止出现倒灌或烧干现象。
具体的，当设备突然高功耗运行时，产生的热量剧增，环路热管短时间内可能无法散出多余的热量，工作过程为：电子设备温度升高，使得蒸发器1周围的相变材料3达到熔点温度，相变材料3发生相变，吸收大量热量并且维持温度相对稳定，有效抑制设备及散热基座温度的急剧升高；待电子设备正常工况运行或者停止运行之后，再由环路热管将热量散出。
综上所述，本申请提供一种结合相变材料的环路热管式飞行器设备舱散热装置，散热基座吸收电子设备散热量，并在蒙皮散热器中利用冲压空气进行冷却降温。当飞行器在低空、低马赫数飞行或舱外环境温度较高时，可打开旁通空气通道抽吸冲压空气；当设备高功耗运行导致散热量剧增、温度升高时，相变材料会发生相变吸收并储存热量，有效抑制设备及散热基座温度急剧上升。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步描述说明：
图1为本申请提供的一种结合相变材料的环路热管式飞行器设备舱散热装置的系统图；
图2为本申请提供的一种散热基座的示意图；
图3为本申请提供的一种蒙皮散热器结构的示意图。
其中：1—蒸发器、2—冷凝器、3—相变材料、4—储液罐、5—储气罐、6—液体泵、7—温度传感器、8—液体管线、9—蒸汽管线、10—轴流风扇、11—空气旁通阀门、12—液体旁通阀门、13—止回阀、14—控制器、15—翅片、16—液体腔、17—毛细芯、18—蒸汽腔、19—液体通道。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种设备舱复合散热基座与蒙皮散热器相结合的散热装置，该装置包括蒸发器1、冷凝器2、相变材料3、储液罐4、储气罐5、液体泵6、温度传感器7、液体管线8、蒸汽管线9、轴流风扇10、空气旁通阀门11、液体旁通阀门12、止回阀13、控制器14、翅片15，其中：
如图1所示，蒸发器1吸收设备产生的热量，冷凝器2散出热量，相变材料3吸收设备短时高功耗运行时产生的热冲击能量；控制器14与液体泵6、温度传感器7、轴流风扇10、空气旁通阀门11、液体旁通阀门12相连接。蒸发器1和相变材料3构成散热基座，通过蒸发器上表面的吸热面吸收设备产生的热量。冷凝器2和翅片15构成蒙皮散热器，冷凝器中的高温蒸汽与进入蒙皮散热器的冲压空气进行热交换并冷却为液体，翅片15强化散热效果。蒙皮散热器旁设置旁通空气通道，当冲压空气量不足时，打开轴流风扇10与旁通空气阀门11，抽吸足量的空气进入蒙皮散热器。液体泵6旁设置旁通液体通道，旁通液体通道上设置有液体旁通阀门12，液体泵6开启时旁通阀门12关闭，液体泵6关停时旁通阀门12开启，以保证系统在不同工况下的散热效果。控制器14利用温度传感器7监测冲压空气温度和设备温度，并控制液体泵6、轴流风扇10的启停以及空气旁通阀门11、液体旁通阀门12的开闭。
如图2所示，蒸发器1嵌入相变材料3壳体中，蒸发器1上表面与电子设备接触部位填充导热硅脂以增强两者间的导热能力，蒸发器1其余表面设置翅片15以增强蒸发器1与相变材料3的换热能力。蒸发器1内部从左至右依次为液体腔16、毛细芯17、蒸汽腔18，毛细芯中设液体通道19。
如图3所示，冷凝器2设置在蒙皮上下表面之间，通过翅片15相连接，翅片15之间形成冲压空气通道。
需要说明的是，可灵活布置蒸发器1位置，设置多个串联或者并联蒸发器支路，蒸发器1产生的蒸汽先汇集到储气罐5，在密度差的作用下再通过蒸汽管线9进入冷凝器2进行冷却。可灵活布置冷凝器2位置，利用蒸发器1内毛细芯17产生的毛细力以及蒸发器1和冷凝器2中工质的密度差驱动回路运行，不受高度差的限制，故可利用较大的蒙皮面积进行散热。
具体的，蒸发器1、冷凝器2、储液罐4、储气罐5、液体泵6、液体管线8、蒸汽管线9、液体旁通阀门12、止回阀13组成环路热管，所述环路热管内的工质包括水、FC-72、乙醇、丙酮、R123、R141b。
具体的，相变材料3包括有机相变材料(如石蜡、脂肪酸、醇等)、无机相变材料(如水合盐、单质盐)、有机-无机复合相变材料。
具体的，正常工况下的工作过程为：关闭液体泵6，打开液体旁通阀门12，依靠蒸发器1内毛细芯17的毛细力以及蒸发器1和冷凝器2中工质的密度差驱动环路运行；液体管线8中的液态工质首先进入蒸发器1吸收热量后蒸发为汽态，各支路蒸发器产生的蒸汽汇集到储气罐5，蒸汽在密度差的作用下通过蒸汽管线9进入冷凝器2，与冲压空气进行热交换并冷却为液体，通过止回阀13后进入储液罐4，然后通过液体旁路阀门12，再次进入蒸发器1完成循环，液体泵6始终处于关闭状态。
具体的，当飞行器在低空、低马赫数飞行或舱外环境温度较高时，飞行器本身产生的冲压头不能提供足量的冲压空气或设备与舱外环境温差较小，工作过程为：打开空气旁通阀门11，利用轴流风扇10驱动足量的冲压空气与冷凝器2进行热交换，同时关闭液体旁通阀门12，打开液体泵6，驱动环路内工质流动，防止出现倒灌或烧干现象。
具体的，当设备突然高功耗运行时，产生的热量剧增，环路热管短时间内可能无法散出多余的热量，工作过程为：电子设备温度升高，使得蒸发器1周围的相变材料3达到熔点温度，相变材料3发生相变，吸收大量热量并且维持温度相对稳定，有效抑制设备及散热基座温度的急剧升高；待电子设备正常工况运行或者停止运行之后，再由环路热管将热量散出。
实施例二
飞行器的电子设备温度一般控制在60℃以下，对于散热量为20kW的设备舱，环路热管蒸发器热流密度约为100W/cm2，冷凝器热流密度约为5kW/m2，热管蒸发器面积需200cm2，冷凝器面积需4m2即可满足要求，而相同工况下所需风冷散热器面积约为30m2。相变材料选用相变温度为60℃的石蜡，融化潜热为176kJ/kg。控制器将蒸发器与冷凝器的温差控制在20℃以上。
在正常工况下，进入蒸发器1的液态工质温度控制在5～25℃之间，液态工质通过液体管线8进入蒸发器1中的液体腔16，在液体通道19内被毛细芯17吸收，蒸发器1上表面的吸热面吸收设备产生的热量，毛细芯17中的液态工质吸热变为气态，进入蒸汽腔18，各个蒸发器支路所产生的蒸汽进入储气罐5，在密度差的作用下通过蒸汽管线9进入冷凝器2，与蒙皮散热器中的冲压空气进行热交换再次被冷却为液态，进入液体管线8，通过止回阀13后进入储液罐4，然后通过液体旁通阀门12，再次进入蒸发器1完成循环，液体泵6始终处于关闭状态，整个过程无需外加动力。
当舱外环境空气温度较高或飞行器低空、低马赫数飞行时，冲压空气量不足，造成设备与冲压空气温差小于20℃，则打开空气旁通阀门11，利用轴流风扇10抽吸舱外空气，对环路热管内工质进行冷却降温，同时关闭液体旁通阀门12，打开体液体泵6，驱动环路热管运行，避免出现倒灌或烧干现象。
当设备功耗突然增大时，散热量每升高1％，可导致舱内温度每分钟升高约1.8℃，而若采用相变熔点温度为60℃的石蜡吸收设备突增散热量，当石蜡质量为10kg时，完全融化后可吸收约2031kJ的热量，维持设备舱温度在170分钟内不超温。
技术效果：
基于所述方案，本发明所述的散热装置具有传热效率高、散热效果好、便于安装、适用于多种复杂工况运行等有益效果，具体如下：
1、本发明的飞行器设备舱散热装置是一种复合冷却装置，可缓解传统的液体冷却、强制风冷等单一冷却方式易受到传热极限制约的问题，更好地保障设备温度稳定。环路热管传热速率快、无需外加动力，具有极强的热输运能力；同时相变材料质量轻、吸热量大、热稳定性好，在相变过程中温度相对恒定，可以吸收电子设备产生的过载热量，极大地缓解短时热应力和热冲击，可以较好地满足电子设备的温控需求。
2、环路热管具有体积小、抗重力性能好、安装角度和位置灵活性高等特点，可以在复杂狭小的飞行器设备舱内灵活布置多个串联或并联蒸发器支路进行吸热。环路热管冷凝器与翅片相连构成蒙皮散热器，相比与常规的空-空蒙皮散热器和空-液蒙皮散热器散热效率更高，所需冲压空气量更少，减少了飞机的气动阻力与代偿损失。
3、在正常工况下，散热系统的运行无需任何动力，在蒸发器内毛细芯产生的毛细力以及蒸发器和冷凝器中工质的密度差作用下驱动环路运行，节省了系统运行能耗。在恶劣的工作环境下，可以打开轴流风扇和液体泵，强化冷凝散热效果并保证环路工质正常流动，同时利用相变材料吸收设备产生的热冲击能量，满足多种复杂工况下的散热需求。
Claims (8)
1.一种结合相变材料的环路热管式飞行器设备舱散热装置，其特征在于，所述装置包括蒸发器(1)、冷凝器(2)、相变材料(3)、储液罐(4)、储气罐(5)、液体泵(6)、温度传感器(7)、液体管线(8)、蒸汽管线(9)、轴流风扇(10)、空气旁通阀门(11)、液体旁通阀门(12)、止回阀(13)、控制器(14)、翅片(15)，其中：
蒸发器(1)吸收设备产生的热量，冷凝器(2)散出热量，相变材料(3)吸收设备短时高功耗运行时产生的热冲击能量；控制器(14)与液体泵(6)、温度传感器(7)、轴流风扇(10)、空气旁通阀门(11)、液体旁通阀门(12)相连接；蒸发器(1)和相变材料(3)构成散热基座，通过蒸发器上表面的吸热面吸收设备产生的热量；冷凝器(2)和翅片(15)构成蒙皮散热器，冷凝器(2)中的高温蒸汽与进入蒙皮散热器的冲压空气进行热交换并冷却为液体，翅片(15)强化散热效果；蒙皮散热器旁设置旁通空气通道，当冲压空气量不足时，打开轴流风扇(10)与旁通空气阀门(11)，抽吸足量的空气进入蒙皮散热器；液体泵(6)旁设置旁通液体通道，旁通液体通道上设置有液体旁通阀门(12)，液体泵(6)开启时旁通阀门(12)关闭，液体泵(6)关停时旁通阀门(12)开启，以保证系统在不同工况下的散热效果；控制器(14)利用温度传感器(7)监测冲压空气温度和设备温度，并控制液体泵(6)、轴流风扇(10)的启停以及空气旁通阀门(11)、液体旁通阀门(12)的开闭。
2.根据权利要求1所述的环路热管式飞行器设备舱散热装置，其特征在于，蒸发器(1)嵌入相变材料(3)壳体中，蒸发器(1)上表面与电子设备接触部位填充导热硅脂以增强两者间的导热能力，蒸发器(1)其余表面设置翅片(15)以增强蒸发器(1)与相变材料(3)的换热能力；蒸发器(1)内部从左至右依次为液体腔(16)、毛细芯(17)、蒸汽腔(18)，毛细芯中设液体通道(19)。
3.根据权利要求1所述的环路热管式飞行器设备舱散热装置，其特征在于，冷凝器(2)设置在蒙皮上下表面之间，通过翅片(15)相连接，翅片(15)之间形成冲压空气通道。
4.根据权利要求1所述的环路热管式飞行器设备舱散热装置，其特征在于，蒸发器(1)、冷凝器(2)、储液罐(4)、储气罐(5)、液体泵(6)、液体管线(8)、蒸汽管线(9)、液体旁通阀门(12)、止回阀(13)组成环路热管，所述环路热管内的工质包括水、FC-72、乙醇、丙酮、R123、R141b。
5.根据权利要求1所述的环路热管式飞行器设备舱散热装置，其特征在于，相变材料(3)包括有机相变材料、无机相变材料、有机-无机复合相变材料。
6.根据权利要求1所述的环路热管式飞行器设备舱散热装置，其特征在于，正常工况下的工作过程为：
关闭液体泵(6)，打开液体旁通阀门(12)，依靠蒸发器(1)内毛细芯(17)的毛细力以及蒸发器(1)和冷凝器(2)中工质的密度差驱动环路运行；液体管线(8)中的液态工质首先进入蒸发器(1)吸收热量后蒸发为汽态，各支路蒸发器产生的蒸汽汇集到储气罐(5)，蒸汽在密度差的作用下通过蒸汽管线(9)进入冷凝器(2)，与冲压空气进行热交换并冷却为液体，通过止回阀(13)后进入储液罐(4)，然后通过液体旁路阀门(12)，再次进入蒸发器(1)完成循环，液体泵(6)始终处于关闭状态。
7.根据权利要求1所述的环路热管式飞行器设备舱散热装置，其特征在于，当飞行器在低空、低马赫数飞行或舱外环境温度较高时，飞行器本身产生的冲压头不能提供足量的冲压空气或设备与舱外环境温差较小，工作过程为：
打开空气旁通阀门(11)，利用轴流风扇(10)驱动足量的冲压空气与冷凝器(2)进行热交换，同时关闭液体旁通阀门(12)，打开液体泵(6)，驱动环路内工质流动，防止出现倒灌或烧干现象。
8.根据权利要求1所述的环路热管式飞行器设备舱散热装置，其特征在于，当设备突然高功耗运行时，产生的热量剧增，环路热管短时间内可能无法散出多余的热量，工作过程为：
电子设备温度升高，使得蒸发器(1)周围的相变材料(3)达到熔点温度，相变材料(3)发生相变，吸收大量热量并且维持温度相对稳定，有效抑制设备及散热基座温度的急剧升高；待电子设备正常工况运行或者停止运行之后，再由环路热管将热量散出。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211439900.7A CN115717843A (zh) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | 一种结合相变材料的环路热管式飞行器设备舱散热装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117042420A (zh) * | 2023-10-09 | 2023-11-10 | 北京航空航天大学 | 一种带有糖醇类pcm储能单元的电子设备散热系统及方法 |
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2022
- 2022-11-17 CN CN202211439900.7A patent/CN115717843A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117042420A (zh) * | 2023-10-09 | 2023-11-10 | 北京航空航天大学 | 一种带有糖醇类pcm储能单元的电子设备散热系统及方法 |
| CN117042420B (zh) * | 2023-10-09 | 2023-12-22 | 北京航空航天大学 | 一种带有糖醇类pcm储能单元的电子设备散热系统及方法 |
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