CN116056427A - 一种基于发汗冷却原理的红外伪装散热装置 - Google Patents

Abstract

无论是厂房式的发电系统还是野外作战分布式发电站，都会产生废热，产生易被侦测的红外信号。目前的红外伪装技术仍存在许多问题，比如，伪装涂料存在颜料分子降解造成伪装失效的问题。本发明公开了一种基于发汗冷却原理的红外伪装散热装置。该红外伪装散热装置为一种柔性的复合多层结构，可以附着在军事建筑或设施外表面，或被加工成各种植物单体或植物群的形状。发汗冷却结构由外部防护层、发汗层、注液层、内部防护层等结构构成，当待伪装面温度高于环境温度4℃时，注液层中的冷却液会渗透至发汗层，并通过发汗冷却的方式带走高温待伪装面的热量，从而降低防护面的红外辐射能力。

Description

一种基于发汗冷却原理的红外伪装散热装置

技术领域

本发明涉及一种基于发汗冷却原理的红外伪装散热装置，属于红外伪装技术应用领域。

背景技术

能源供给是战争中最基础的一环，保障能源系统的安全就是保障军队的作战力。不管是传统利用化石燃料的发电系统还是先进的核能发电系统或是其他分布式发电方式，都会产生废热。由于能源系统需要将废热排出，需要安装冷却管道及各种散热器。

对于大型的有厂房式的发电系统，发电系统一部分废热可以通过修建的厂房建筑排出，大部分通过发电系统的冷却管道及散热器排出。根据热力学定律，散热器温度必须高于环境温度才能进行散热，且散热温差越大，散热效率越高。由于地理条件限制，能源系统整体(包括散热器)无法隐藏于山洞、地下或水下。通常情况下，为提高散热效率，散热系统往往是无遮盖或简易遮盖地暴露在大气环境中，使得各发电系统建筑相对于普通建筑，有明显的红外高温标记及外形结构，易被红外技术探测到而成为被打击目标。此外，敌军可以通过发电厂的工作时段、工作时长、工作强度(散热装置与背景温差)来推算发电厂的性质是民用还是军用，发电厂的发电规模，进而推算我方的补给情况及战斗规模。如不进行伪装，不仅会使能源站易受到打击，还容易暴露过多作战信息，使我方陷入被动。

对于适用于野外的分布式发电方式，如柴油发电车、燃料电池发电车，其发电系统与散热设备集合在一起，工作时温度明显高于环境温度，产生易被侦测的红外信号。如不进行伪装，进行夜战或游击的小股部队的战斗力将被大大削弱，从而使得我方受到限制。

如果为了降低被侦测风险而主动减少与环境的温差，势必会降低散热效率，这可能会对发电系统造成损坏。并且环境温度受四季、昼夜的影响变化幅度较大，主动控制散热系统随环境变化难度大，系统损坏的风险增加。

伪装涂料是目前红外伪装的重点之一。红外伪装材料具有隔断目标的红外辐射能力，同时在大气窗口波段内，具有低的红外发射率和红外镜面反射率。现有技术中，伪装涂料面临酸雨、紫外线照射时，涂料中大部分树脂分子键断裂，树脂降解而损失强度。同时，伴随着伪装涂料颜料分子的降解，其伪装性能会降低甚至失去原有的伪装效果。且由于战场的不确定性，发电站或分布式电源的工况不一定是恒定的，散热温度会动态变化，因此，针对某一温度区间的伪装涂料在变工况下性能会降低。且发电站或分布式电源的散热需求是客观存在的，因此，通过涂料手段并不能解决。所以通过红外伪装涂料来使发电站或分布式电源达到红外伪装的效果还存在许多问题。

发汗冷却是20世纪40年代被提出的一种针对高温壁面的热防护方法。冷却剂通过多孔壁面对流换热后渗出与高温主流掺混,并增厚固体壁面上高温主流边界层,从而削弱高温主流导入固体壁面的热量。固体壁面常用层板材料、烧结颗粒多孔和烧结丝网多孔制成，近年来陶瓷基复合材料因其天然的孔隙结构和优异的耐高温性能，也成为发汗冷却技术中的重要多孔材料。当冷却剂在多孔壁面内吸热发生相变，称为相变发汗冷却。相变发汗冷却由于液态冷却剂良好的对流换热能力以及相变潜热带来的热沉，大大提升了冷却能力、且冷却剂消耗量少。

为了实现能源系统及散热器的红外隐身，能源系统特别是散热器与环境温差需小于3℃。由于环境温度不断变化，需要实时调整散热器温度，难度较大，且散热温差小导致散热器体积较大。为此，借鉴植物的蒸腾作用，提出伪装技术。散热系统伪装为植物单体或植物群，简化散热系统调控的同时，可以提高散热温差。这种红外伪装技术，使在红外探测过程中，或者探测不到，或者探测结果为植物群。

综上，本专利将应用于高温冷却中的发汗冷却技术改良后应用于常温区，构建了基于发汗冷却结构的红外伪装散热装置。将发汗冷却结构加工成各种植物单体或植物群的形状，从而将高温待伪装面与植物表面温度或环境的背景温度控制在容许温差范围内。从而实现在红外标记上不易察觉被伪装面，在图像轮廓上与植物也相差不大。且可以通过改变冷却液流量及种类以模拟植物在当时环境中的吐水与蒸腾现象，以此来提高伪装的成功率，大大减小了发电系统或者分布式电源被侦测出的风险。本发明的红外伪装散热装置具有结构简单，造价低廉的有点，且适用于全天候、变工况条件。

发明内容

本发明设计了应用于常温区的发汗冷却结构，提出了基于发汗冷却原理的红外伪装散热装置。该红外伪装散热装置为一种柔性的复合多层结构，可以附着在军事建筑或设施外表面，或被加工成各种植物单体或植物群的形状。当待伪装面温度升高需要散热时，将配制的低沸点冷却液注入红外伪装散热装置，低沸点冷却液在蒸发层吸热相变蒸发，模拟植物在当下环境中的吐水与蒸腾现象，最终将待伪装面上的热量释放到环境中去。此外，这种红外伪装散热装置，能够使伪装在红外探测过程中，要么探测不到，要么探测结果为植物单体或植物群，从而达到红外伪装的目的。

本发明装置是通过下述技术方案实现的：

一种基于发汗冷却原理的红外伪装散热装置，该红外伪装散热装置由发汗冷却结构构成，可以被加工成用于模仿植物轮廓的形状，或作为覆盖材料铺设在军事高温建筑的外表面，其主要结构包括：外部防护层(2)，发汗层(3)，注液层(4)，内部防护层(5)以及高温待伪装面(6)。其中，发汗层(3)包括靠近外部防护层(2)的蒸发层(32)和靠近注液层(4)的蓄水层(31)这两部分。内部防护层(5)包括靠近高温待伪装面(6)的绝热层(52)和覆盖在绝热层(52)外的防潮层(51)，绝热层(52)用于初步隔绝高温待伪装面(6)的热量，从而减小红外辐射泄漏；防潮层(51)用于隔绝注液层(4)和高温待伪装面(6)，从而防止注液层(4)中的冷却剂腐蚀或锈蚀高温待伪装面(6)。绝热层(52)材料可以选用各类低导热系数发泡材料。

防潮层(51)为各类防水耐腐蚀材料，并能隔绝高温待伪装面(6)及其以下部分。

注液层(4)中的冷却液由注液泵输入，冷却液经渗透孔(41)扩散至发汗层。

注液层(4)中冷却液可以是水，或根据不同散热需求配制的改性溶液，比如，丙二醇改性溶液、乙醇溶液、乙醚溶液等。

发汗层(3)包括蒸发层(32)和蓄水层(31)；蓄水层(31)用于吸收注液层(4)中冷却液；注液层(4)中的冷却液在蒸发层(32)中蒸发吸热，从而进一步减小红外辐射。

蒸发层(32)为多孔结构，可以是金属颗粒烧结结构，陶瓷基复合材料等。

蓄水层(31)为纤维结构，可以是铝硅酸盐纤维。

蓄水层(31)与注液层(4)建有密集排列的渗透孔(41)，以便于冷却液均匀渗透到蓄水层(31)中，此外，渗透孔(41)能抑制冷却液在蓄水层中的横向移动，从而缓解发汗冷却过程中的气堵问题。

外部防护层(2)为隔水透气膜。

将发汗冷却伪装结构加工成植物时，植物树干部分中心由内而外分别为注液层(4)、发汗层(3)、外部防护层(2)。

调节冷却液流量及种类，以模拟植物在当时环境下的吐水与蒸腾现象。

有益效果：

本发明提出的伪装方法，对比已有技术，能够

1.对伪装面进行降温，减小红外辐射。

2.伪装成植物形态，可以进行温度控制并模仿被伪装物的生理过程，植物蒸腾。

4.在红外成像上具有植物单体或植物群的外形及红外特征，达到伪装的效果。

5.本伪装方法使用的散热器表面利用了潜热散热量大的特征，提高了散热密度，减小了散热体积，降低了暴露风险。

6.发汗冷却结构包括防护层，发汗层，注液层，绝热层和绝热层，提高了伪装的可控性、稳定性、耐久性。

附图说明

图1为本发明发汗冷却红外伪装结构细节图。

图2为本发明发汗冷却红外伪装结构的发汗层结构。

图3为本发明发汗冷却红外伪装结构的注液层结构。

图4为本发明发汗冷却红外伪装结构在固定电厂中的伪装应用：覆盖建筑表面、伪装植物。

符号说明：

1-环境、2-外部防护层、3-发汗层、31-蓄水层、32-蒸发层、4-注液层、41-渗透孔、5-内部防护层、51-防潮层、52-绝热层、6-待伪装面、7-自然树木、8-发汗冷却红外伪装结构、9-伪装树木、10-冷却管道、11-散热器或分布式电源。

具体实施方式

本发明涉及一种基于发汗冷却原理的红外伪装散热装置，用于降低被防护目标的红外温度显示。其主要结构包括：外部防护层(2)，发汗层(3)，注液层(4)，内部防护层(5)以及高温待伪装面(6)。

其中，发汗层(3)包括靠近外部防护层(2)的蒸发层(32)和靠近注液层(4)的蓄水层(31)这两部分。内部防护层(5)包括靠近高温待伪装面(6)的绝热层(52)和覆盖在绝热层(52)外的防潮层(51)，绝热层(52)用于初步隔绝高温待伪装面(6)的热量，从而减小红外辐射泄漏；防潮层(51)用于隔绝注液层(4)和高温待伪装面(6)，从而防止注液层(4)中的冷却剂腐蚀或锈蚀高温待伪装面(6)。可根据红外伪装需求，控制注液层(4)中冷却液的种类和流量。蓄水层(31)覆盖在注液层(4)外表面，用以吸收冷却液；蒸发层(32)覆盖在蓄水层(31)外表面，因此冷却液可在蒸发层(32)相变吸热；外部防护层(2)覆盖在蒸发层(32)外，用以保护发汗层(3)结构。采用绝热层(52)包裹高温待伪装面(6)并通过发汗冷却的方法带走高温待伪装面(6)上的热量，最终可以降低散热系统的红外辐射能力。

对于需要红外隐身的高温军用物体，本发明采用被动绝热加主动散热的方式进行红外屏蔽。下面结合具体实施案例对本发明进行介绍。

具体实施方案：

某能源发电厂，有厂房、冷却管线以及散热装置，发电所产生的废热大部分通过冷却管道(10)输送至散热器(11)进行冷却，少部分废热经由发电系统自身通过厂房向环境散热。当发电系统工作时，冷却管道(10)及散热装置(11)会排放出大量热，在红外侦测上有明显区别于环境温度的图像，少部分热量通过厂房排出，其红外成像与普通建筑也有明显差别。敌军通过红外成像对比可较容易的发现此处是我方的能源系统。使用本发明提出的发汗冷却红外伪装结构(8)覆盖在厂房外表面，同时将该发汗冷却红外伪装结构加工成模拟，覆盖在冷却管道(10)及散热器(11)外部，如图4所示,可以有效降低各热表面与环境(1)之间的温差，从而实现红外伪装。

其工作原理可具体描述为：若环境温度25℃，发电厂普通载荷工况时厂房内部温度35℃，冷却管道(10)40℃，散热器(11)45℃，军事设施高负荷工作时，上述温度仍会不断上升，导致内部防护层(5)无法完全隔绝热量，若无干预措施，厂房及冷却管道(10)及散热器(11)温度会大幅高于环境温度。为了避免厂房及冷却管道(10)及散热器(11)温度升高，此时向注液层(4)泵入配制好的沸点为29℃冷却液。此时，冷却液通过注液层(4)上方的渗透孔(41)均匀的渗透入由硅酸盐纤维组成的蓄水层(31)。蓄水层(31)纤维直径为1至16μm，水在填充亲水纤维之间的微孔中流动。而注液层(4)为腔体，流动压降相对于蓄水层(31)极低，因此冷却液能快速充满整个注液层(4)，并通过密集排布的渗透孔(41)渗透到蓄水层(31)中，使得蓄水层(31)中冷却液能均匀分布，从而保证了外部防护层(2)处的温度均匀性。通过蓄水层(31)后，冷却液在蒸发层(32)蒸发。蒸发层(32)由金属颗粒烧结而成，颗粒平均直径约为500μm，孔隙率约为35％。其形成的大比表面积增强了冷却液与基体的换热效率。由于所配制的冷却液沸点为29℃，并且待伪装面传导出的热量使得蒸发层(32)温度高于冷却液沸腾温度，大比表面积的蒸发层(32)有利于换热，使得冷却液在蒸发层能快速的进行相变换热，从而保持其外表面温度在29℃左右。因此，在红外成像上，此建筑与环境温差在4℃左右，不易被敌方察觉。蒸发的气体通过隔水透气的外部防护层(2)排入大气。由于蒸发层(32)拥有许多微孔结构，隔水透气的外部防护层(2)能在不影响散热的情况下保护蒸发层(32)，避免蒸发层(32)受到灰层堵塞或者酸雨侵蚀。

特别的，当电厂低负荷运转时，可以减少冷却液的注入或只对厂房的伪装结构通入冷却液来减少冷却液的损耗降低成本。

特别的，当电厂由极低负荷转到高负荷区时，其温度逐渐由低于冷却液沸点到高于冷却液沸点，本冷却结构自动进入到工作状态，在极低负荷或待机状态冷却液的损耗较低。

特别的，对于春夏秋冬，阴晴昼夜，不同环境时，通过改变冷却液流量及种类来模拟植物在当时环境中的吐水与蒸腾现象，以此提高伪装的成功率。

例如在夏季的正午时分，建筑的阳面与阴面的温度有明显的不同，不加以伪装，建筑整体都为高温区，易暴露目标。若不进行冷却液流量或种类的调节，在使用发汗冷却伪装结构的建筑上阴阳面的温差小于普通建筑的温差，也会暴露目标。此时增大阴面的流量，减小阳面的流量，使被伪装的建筑阴阳面温差与普通建筑相同。上述组成部件间的连接关系

虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于发汗冷却原理的红外伪装散热装置，其特征在于，红外伪装散热装置由如下部分构成：外部防护层(2)，发汗层(3)，注液层(4)，内部防护层(5)，其中所述发汗层(3)由蓄水层(31)和蒸发层(32)两部分构成，内部防护层(5)由防潮层(51)和绝热层(52)两部分构成，各部分连接关系为，绝热层(52)覆盖在待伪装面(6)上部，绝热层(52)外侧为防潮层(51)，防潮层(51)外侧为注液层(4)，注液层(4)外侧为用以吸收冷却液的蓄水层(31)，蓄水层(31)外侧为蒸发层(32)，蒸发层(32)外侧为外部防护层(2)。

2.根据权利要求1所述的一种基于发汗冷却原理的红外伪装散热装置，其特征在于发汗冷却结构可以被加工为伪装植物(I)，伪装植物(I)可模拟自然植物的吐水与蒸腾现象。

3.根据权利要求1-2所述的一种基于发汗冷却原理的红外伪装散热装置，其特征在于将特定沸点的冷却液泵入注液层(4)，冷却液可经渗透孔(41)均匀扩散至蓄水层(31)中，当待伪装面(6)温度明显高于环境(1)温度时，冷却液在蒸发层(32)中蒸发吸热，通过这种发汗冷却的方法可以最终带走高温待伪装面(6)的热量，维持红外伪装散热装置的温度恒定。

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