CN115727702A - 一种负压控制的相变换热系统 - Google Patents

Abstract

本申请属于机载环控及热管理技术领域，特别涉及一种负压控制的相变换热系统。包括相变蒸发单元1、换热单元2、防冻加热单元3、应急泄压阀4、真空发生器5、气源调节阀6、排放单元7、测量单元以及控制单元8。本申请的负压控制的相变换热系统，能够在高热源持续工作、不断变化的情况下，进行稳定的调节控制。本申请利用相变工作介质的高潜热为设备提供较大热容能力，并通过控制饱和压力间接控制蒸发温度，在任务系统设备以高功率模式、状态快速切换的情况下，提供适应能力强、温度环境稳定的工作条件。

Description

一种负压控制的相变换热系统

技术领域

本申请属于机载环控及热管理技术领域，特别涉及一种负压控制的相变换热系统。

背景技术

在装备领域，装备的用电和散热功率呈几何级数增长，大功率高热流密度散热与资源不足的矛盾愈发突出，已经成为制约装备发展的瓶颈。特别是航空装备提出超视距发现和攻击的距离明显增加，任务系统设备高功率散热与机载热沉之间出现了严重不匹配的问题。

针对高功率热源散热问题，减少机载系统、设备散热对热沉提出的需求，特别适用于航空领域高热流密度大功率设备散热持续增加，且过于依赖燃油、冲压空气等传统换热无法解决的情况，实现低功耗、无危害的精准设备控温，有重大意义。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种负压控制的相变换热系统，以解决现有技术存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

一种负压控制的相变换热系统，包括：

相变蒸发单元，所述相变蒸发单元的内部容纳有相变工作介质，所述相变蒸发单元具有蒸发单元应急泄压口、蒸发单元排气口、蒸发单元排水口以及蒸发单元加注口；

换热单元，所述换热单元设置在所述相变蒸发单元内部，所述换热单元具有换热单元进口以及换热单元出口，所述换热单元进口与散热设备出口A连接，所述换热单元出口与散热设备进口B连接；

防冻加热单元，所述防冻加热单元设置在所述相变蒸发单元内部；

应急泄压阀，所述应急泄压阀具有泄压进气口以及泄压出气口，所述泄压进气口与所述蒸发单元应急泄压口连接；

真空发生器，所述真空发生器具有真空发生器工质进气口、真空发生器气源进口以及真空发生器出口，所述真空发生器工质进气口与所述蒸发单元排气口连接；

气源调节阀，所述气源调节阀具有气源调节阀出口以及气源调节阀进口，所述气源调节阀出口与所述真空发生器气源进口连接；

排放单元，所述排放单元与所述蒸发单元排水口连接；

测量单元，所述测量单元设置在所述相变蒸发单元内部；

控制单元，用于根据接收的所述测量单元信号，控制所述防冻加热单元以及所述气源调节阀。

在本申请的至少一个实施例中，所述测量单元包括压力传感器、温度传感器以及液位计。

在本申请的至少一个实施例中，所述控制单元还用于将接收的低液位信号发送至机载系统上位机。

在本申请的至少一个实施例中，所述负压控制的相变换热系统在环境压力低状态工作模式下：

散热设备出口A的热工作介质流入换热单元的换热单元进口，经过换热单元与相变蒸发单元换热后，由换热单元出口流入散热设备进口B，吸热后的相变工作介质达到蒸发温度后产生蒸气，经过相变蒸发单元的蒸发单元排气口进入真空发生器工质进气口，此时相变蒸发单元内部真空度较高，真空发生器气源进口未接通进气，蒸气直接由真空发生器出口流入环境大气中。

在本申请的至少一个实施例中，所述负压控制的相变换热系统在环境压力高状态工作模式下：

控制单元接收的压力传感器测试值高于预设的压力阈值，控制气源调节阀接通，高压气源流入气源调节阀进口，由气源调节阀出口流出进入真空发生器气源进口，真空发生器工作，相变蒸发单元内部压力降低，散热设备出口A热工作介质流入换热单元进口，经过换热单元与相变蒸发单元换热后，由换热单元出口流入散热设备进口B，吸热后的相变工作介质达到蒸发温度后产生蒸气，经过相变蒸发单元的蒸发单元排气口进入真空发生器工质进气口，在真空发生器内部与真空发生器气源进口流入的气体混合后，由真空发生器出口流入环境大气中。

在本申请的至少一个实施例中，所述负压控制的相变换热系统在应急安全泄压工作模式下：

当排气通路堵塞或真空发生器故障无法排气，相变蒸发单元内部的压力上升，超过应急泄压阀的限制压力时，蒸气由相变蒸发单元的蒸发单元应急泄压口进入泄压进气口，经过泄压出气口流入环境大气中。

在本申请的至少一个实施例中，所述负压控制的相变换热系统在防结冰状态工作模式下：

当相变蒸发单元内部的温度低于凝固点，控制单元接收的温度传感器测试值低于预设的温度阈值，控制防冻加热单元起动，对相变工作介质加温，消除结冰，当控制单元接收的温度传感器测试值高于凝固点2℃以上时，控制防冻加热单元停止工作。

在本申请的至少一个实施例中，所述负压控制的相变换热系统在排放状态工作模式下：

当系统工作停止，需要排放相变蒸发单元内部的剩余相变工作介质时，打开排放单元，剩余相变工作介质从相变蒸发单元的蒸发单元排水口流出，经过排放单元排向系统排液口C。

在本申请的至少一个实施例中，所述负压控制的相变换热系统在液位告警状态工作模式下：

当控制单元接收的液位计测试值低于液位阈值时，将低液位信号发送至机载系统上位机，机载系统上位机控制散热设备断电，散热设备出口A的热工作介质不再流入换热单元。

在本申请的至少一个实施例中，所述负压控制的相变换热系统在加注状态工作模式下：

在系统开始工作前，需要向相变蒸发单元内部加注相变工作介质时，将地面加注设备与蒸发单元加注口连接，向相变蒸发单元内部加注相变工作介质，直至液面达到预定液位值为止。

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的负压控制的相变换热系统，适用高功率散热设备的冷却，特别对航空领域机载高热耗设备的散热和温度控制，作用尤其明显，能够根据高功率设备的散热需求，实现工质相变换热，具有温度控制稳定、可靠性高、拓展性强等优点；本系统为综合化整体单元，可以根据换热需求调整系统配置，并且可以根据温度控制的区间要求调整相变工质类型。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的负压控制的相变换热系统整体示意图；

图2是本申请一个实施方式的环境压力低状态工作模式示意图；

图3是本申请一个实施方式的环境压力高状态工作模式示意图；

图4是本申请一个实施方式的应急安全泄压工作模式示意图；

图5是本申请一个实施方式的防结冰状态工作模式示意图；

图6是本申请一个实施方式的排放状态工作模式示意图；

图7是本申请一个实施方式的液位告警状态工作模式示意图；

图8是本申请一个实施方式的加注状态工作模式示意图。

其中：

1-相变蒸发单元；101-蒸发单元应急泄压口；102-蒸发单元排气口；103-蒸发单元排水口；104-蒸发单元加注口；2-换热单元；201-换热单元进口；202-换热单元出口；3-防冻加热单元；4-应急泄压阀；401-泄压进气口；402-泄压出气口；5-真空发生器；501-真空发生器工质进气口；502-真空发生器气源进口；503-真空发生器出口；6-气源调节阀；601-气源调节阀出口；602-气源调节阀进口；7-排放单元；701-排液进口；702-排液出口；8-控制单元；9-压力传感器；10-温度传感器；11-液位计。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，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。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图8对本申请做进一步详细说明。

本申请提供了一种负压控制的相变换热系统，包括相变蒸发单元1、换热单元2、防冻加热单元3、应急泄压阀4、真空发生器5、气源调节阀6、排放单元7、测量单元以及控制单元8。

具体的，如图1所示，相变蒸发单元1的内部容纳有相变工作介质，相变蒸发单元1具有四个接口，蒸发单元应急泄压口101、蒸发单元排气口102、蒸发单元排水口103以及蒸发单元加注口104；相变蒸发单元1可以用于存放相变工作介质，并与换热单元2之间进行热交换，通过相变吸热对换热单元2内部的工作介质降温，蒸发单元应急泄压口101用于故障状态内部超压时泄压，蒸发单元排气口102用于正常工作状态下排出相变后的蒸气，蒸发单元排水口103用于不工作状态下排放掉内部残余水，蒸发单元加注口104用于向相变蒸发单元1加注相变工作介质。

换热单元2设置在相变蒸发单元1内部，换热单元2具有换热单元进口201以及换热单元出口202，换热单元进口201通过管路与散热设备出口A连接，换热单元出口202通过管路与散热设备进口B连接；换热单元2用于将散热设备发生的热量传输，并实现与相变蒸发单元1内部的相变工作介质换热。

防冻加热单元3设置在相变蒸发单元1内部，用于对相变蒸发单元1内部的相变工作介质加温，防止过低温度条件下工质冻结。

应急泄压阀4具有泄压进气口401以及泄压出气口402，泄压进气口401与蒸发单元应急泄压口11连接。应急泄压阀4用于相变蒸发单元1过压保护，超压时打开排气泄压。

真空发生器5具有真空发生器工质进气口501、真空发生器气源进口502以及真空发生器出口503，真空发生器工质进气口501与蒸发单元排气口102连接；真空发生器5用于对相变蒸发单元1内部产生负压，降低相变工作介质的饱和温度。

气源调节阀6具有气源调节阀出口601以及气源调节阀进口602，气源调节阀出口601与真空发生器气源进口502连接；气源调节阀6用于调节真空发生器气源进口502的压力和流量。

排放单元7具有排液进口701和排液出口702，排液进口701与蒸发单元排水口103连接，用于排除相变蒸发单元1内部的残余相变工质。

测量单元设置在相变蒸发单元1内部，用于相变蒸发单元1内部的参数进行测量，控制单元8用于系统的控制和状态监测，能够根据接收的测量单元信号，控制防冻加热单元3以及气源调节阀6。

在本申请的优选实施方式中，测量单元包括压力传感器9、温度传感器10以及液位计11。控制单元8监测状态包括相变蒸发单元1内部的温度、压力和液位，控制单元8能够根据控制要求调节相变蒸发单元1内部的真空度，在达到冻结温度前起动防冻加热单元3。具体的，压力传感器9用于测量相变蒸发单元1内部的压力，为控制单元8提供状态信息，根据状态起动调节气源调节阀6通断，为相变蒸发单元1内部产生需要的真空条件；温度传感器10用于测量相变蒸发单元1内部的温度，为防冻加热单元3的工作停止提供通断信号；液位计11用于测量相变蒸发单元1内部的工质容量，控制单元8还用于在接收到低液位信号时，向机载系统上位机传输告警信号。

本申请的负压控制的相变换热系统，如图1所示，在高空状态，环境压力较低，饱和温度满足散热设备进口B最高温度状态，由散热设备出口A传入的热量通过换热单元2与相变工作介质换热，相变工作介质吸热蒸发由相变蒸发单元1排入真空发生器5，在不增加真空度的情况下，由真空发生器5排到大气环境中。当低空或中空状态，环境压力偏高或不满足饱和温度控制要求时，由A口传入的热量通过换热单元2与相变工作介质换热，相变工作介质吸热蒸发由相变蒸发单元1排入真空发生器5，控制单元8根据绝对压力传感器的信息控制真空发生器5动力气源通路上的气源调节阀6接通，增加相变蒸发单元1内部的真空度，将蒸气通过真空发生器5排到大气环境中。当排气管路堵塞或系统异常导致相变蒸发单元1内部压力超过环境压力时，机械式应急泄压阀4打开，释放压力，避免系统超压损坏。当相变蒸发单元1内部温度低于凝固点，为防止相变工作介质冻结导致系统失效或损坏，控制单元8在接收到温度传感器10的低温信号后，控制防冻加热单元3工作，为相变工作介质加温。相变蒸发单元1内部液位通过液位计11传送到控制单元8，接收液位信号，当液位低于下限值时上传低液位信息。系统地面停放不工作时，可打开排放单元7通路，将相变蒸发单元1内部的剩余工作介质排出。

本申请的负压控制的相变换热系统，根据使用场景，工作模式有以下几种：

如图2所示，在环境压力低状态工作模式下：

散热设备出口A的热工作介质流入换热单元2的换热单元进口201，经过换热单元2与相变蒸发单元1换热后，由换热单元出口202流入散热设备进口B，吸热后的相变工作介质达到蒸发温度后产生蒸气，经过相变蒸发单元1的蒸发单元排气口102进入真空发生器工质进气口501，此时相变蒸发单元1内部真空度较高，真空发生器气源进口502未接通进气，蒸气直接由真空发生器出口503流入环境大气中。

如图3所示，在环境压力高状态工作模式下：

控制单元8接收的压力传感器9测试值高于预设的压力阈值，控制气源调节阀6接通，高压气源流入气源调节阀进口602，由气源调节阀出口601流出进入真空发生器气源进口502，真空发生器5工作，相变蒸发单元1内部压力降低，散热设备出口A热工作介质流入换热单元进口201，经过换热单元2与相变蒸发单元1换热后，由换热单元出口202流入散热设备进口B，吸热后的相变工作介质达到蒸发温度后产生蒸气，经过相变蒸发单元1的蒸发单元排气口102进入真空发生器工质进气口501，在真空发生器5内部与真空发生器气源进口502流入的气体混合后，由真空发生器出口503流入环境大气中。

如图4所示，在应急安全泄压工作模式下：

当排气通路堵塞或真空发生器5故障无法排气，相变蒸发单元1内部的压力上升，超过应急泄压阀4的限制压力时，蒸气由相变蒸发单元1的蒸发单元应急泄压口101进入泄压进气口401，经过泄压出气口402流入环境大气中。

如图5所示，在防结冰状态工作模式下：

当相变蒸发单元1内部的温度低于凝固点，控制单元8接收的温度传感器10测试值低于预设的温度阈值，控制防冻加热单元3起动，对相变工作介质加温，消除结冰，当控制单元8接收的温度传感器10测试值高于凝固点2℃以上时，控制防冻加热单元3停止工作。

如图6所示，在排放状态工作模式下：

当系统工作停止，需要排放相变蒸发单元1内部的剩余相变工作介质时，打开排放单元7，剩余相变工作介质从相变蒸发单元1的蒸发单元排水口103流出，经过排放单元7的排液进口701和排液出口702排向系统排液口C。

如图7所示，在液位告警状态工作模式下：

当控制单元8接收的液位计11测试值低于液位阈值时，将低液位信号发送至机载系统上位机，机载系统上位机控制散热设备断电，散热设备出口A的热工作介质不再流入换热单元2。

如图8所示，在加注状态工作模式下：

在系统开始工作前，需要向相变蒸发单元1内部加注相变工作介质时，将地面加注设备与蒸发单元加注口104连接，向相变蒸发单元1内部加注相变工作介质，直至液面达到预定液位值为止。

本申请的负压控制的相变换热系统，能够在高热源持续工作、不断变化的情况下，进行稳定的调节控制。本申请利用相变工作介质的高潜热为设备提供较大热容能力，并通过控制饱和压力间接控制蒸发温度，在任务系统设备以高功率模式、状态快速切换的情况下，提供适应能力强、温度环境稳定的工作条件。

本申请的负压控制的相变换热系统，与传统设备冷却系统相比，具有适应热容量大、散热热沉自实现、低机载能耗、拓展性强等优点；本系统为综合化整体单元，可以根据机载设备模块化设计，以单元模块的形式适应不同高功率设备的散热需求。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种负压控制的相变换热系统，其特征在于，包括：

相变蒸发单元(1)，所述相变蒸发单元(1)的内部容纳有相变工作介质，所述相变蒸发单元(1)具有蒸发单元应急泄压口(101)、蒸发单元排气口(102)、蒸发单元排水口(103)以及蒸发单元加注口(104)；

换热单元(2)，所述换热单元(2)设置在所述相变蒸发单元(1)内部，所述换热单元(2)具有换热单元进口(201)以及换热单元出口(202)，所述换热单元进口(201)与散热设备出口A连接，所述换热单元出口(202)与散热设备进口B连接；

防冻加热单元(3)，所述防冻加热单元(3)设置在所述相变蒸发单元(1)内部；

应急泄压阀(4)，所述应急泄压阀(4)具有泄压进气口(401)以及泄压出气口(402)，所述泄压进气口(401)与所述蒸发单元应急泄压口(11)连接；

真空发生器(5)，所述真空发生器(5)具有真空发生器工质进气口(501)、真空发生器气源进口(502)以及真空发生器出口(503)，所述真空发生器工质进气口(501)与所述蒸发单元排气口(102)连接；

气源调节阀(6)，所述气源调节阀(6)具有气源调节阀出口(601)以及气源调节阀进口(602)，所述气源调节阀出口(601)与所述真空发生器气源进口(502)连接；

排放单元(7)，所述排放单元(7)与所述蒸发单元排水口(103)连接；

测量单元，所述测量单元设置在所述相变蒸发单元(1)内部；

控制单元(8)，用于根据接收的所述测量单元信号，控制所述防冻加热单元(3)以及所述气源调节阀(6)。

2.根据权利要求1所述的负压控制的相变换热系统，其特征在于，所述测量单元包括压力传感器(9)、温度传感器(10)以及液位计(11)。

3.根据权利要求2所述的负压控制的相变换热系统，其特征在于，所述控制单元(8)还用于将接收的低液位信号发送至机载系统上位机。

4.根据权利要求3所述的负压控制的相变换热系统，其特征在于，所述负压控制的相变换热系统在环境压力低状态工作模式下：

散热设备出口A的热工作介质流入换热单元(2)的换热单元进口(201)，经过换热单元(2)与相变蒸发单元(1)换热后，由换热单元出口(202)流入散热设备进口B，吸热后的相变工作介质达到蒸发温度后产生蒸气，经过相变蒸发单元(1)的蒸发单元排气口(102)进入真空发生器工质进气口(501)，此时相变蒸发单元(1)内部真空度较高，真空发生器气源进口(502)未接通进气，蒸气直接由真空发生器出口(503)流入环境大气中。

5.根据权利要求4所述的负压控制的相变换热系统，其特征在于，所述负压控制的相变换热系统在环境压力高状态工作模式下：

控制单元(8)接收的压力传感器(9)测试值高于预设的压力阈值，控制气源调节阀(6)接通，高压气源流入气源调节阀进口(602)，由气源调节阀出口(601)流出进入真空发生器气源进口(502)，真空发生器(5)工作，相变蒸发单元(1)内部压力降低，散热设备出口A热工作介质流入换热单元进口(201)，经过换热单元(2)与相变蒸发单元(1)换热后，由换热单元出口(202)流入散热设备进口B，吸热后的相变工作介质达到蒸发温度后产生蒸气，经过相变蒸发单元(1)的蒸发单元排气口(102)进入真空发生器工质进气口(501)，在真空发生器(5)内部与真空发生器气源进口(502)流入的气体混合后，由真空发生器出口(503)流入环境大气中。

6.根据权利要求5所述的负压控制的相变换热系统，其特征在于，所述负压控制的相变换热系统在应急安全泄压工作模式下：

当排气通路堵塞或真空发生器(5)故障无法排气，相变蒸发单元(1)内部的压力上升，超过应急泄压阀(4)的限制压力时，蒸气由相变蒸发单元(1)的蒸发单元应急泄压口(101)进入泄压进气口(401)，经过泄压出气口(402)流入环境大气中。

7.根据权利要求6所述的负压控制的相变换热系统，其特征在于，所述负压控制的相变换热系统在防结冰状态工作模式下：

当相变蒸发单元(1)内部的温度低于凝固点，控制单元(8)接收的温度传感器(10)测试值低于预设的温度阈值，控制防冻加热单元(3)起动，对相变工作介质加温，消除结冰，当控制单元(8)接收的温度传感器(10)测试值高于凝固点2℃以上时，控制防冻加热单元(3)停止工作。

8.根据权利要求7所述的负压控制的相变换热系统，其特征在于，所述负压控制的相变换热系统在排放状态工作模式下：

当系统工作停止，需要排放相变蒸发单元(1)内部的剩余相变工作介质时，打开排放单元(7)，剩余相变工作介质从相变蒸发单元(1)的蒸发单元排水口(103)流出，经过排放单元(7)排向系统排液口C。

9.根据权利要求8所述的负压控制的相变换热系统，其特征在于，所述负压控制的相变换热系统在液位告警状态工作模式下：

当控制单元(8)接收的液位计(11)测试值低于液位阈值时，将低液位信号发送至机载系统上位机，机载系统上位机控制散热设备断电，散热设备出口A的热工作介质不再流入换热单元(2)。

10.根据权利要求9所述的负压控制的相变换热系统，其特征在于，所述负压控制的相变换热系统在加注状态工作模式下：

在系统开始工作前，需要向相变蒸发单元(1)内部加注相变工作介质时，将地面加注设备与蒸发单元加注口(104)连接，向相变蒸发单元(1)内部加注相变工作介质，直至液面达到预定液位值为止。

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