一种使用相变材料冷却喷雾介质和使用微通道换热器防止失效的机载喷雾冷却系统的制作方法

本实用新型涉及一种使用相变材料冷却喷雾介质和使用微通道换热器防止失效的机载喷雾冷却系统，属于机载设备冷却领域。

背景技术：

随着飞行器机动性能、隐身性能、防御性能要求的不断提高，高功率激光技术、电子元器件高度集成与微型化等技术得以迅速发展。定向能武器作为下一代战机的标配，是亟需攻克的关键技术壁垒之一。2013年，美国国防高级研究计划局授权洛克希德马丁公司将一个原型激光防御武器安装至验证机上。2015年9月，美国空军宣布将在AC-130武装运输机上加装激光武器。此类武器发射后在表面产生极高的热流密度，其数量级可达到数千W/cm²。此外，军用电子设备的热流密度也达到数百W/cm²。如果不采取有效措施降低电子设备表面温度，轻则大大降低其工作效率，重则烧毁器件，影响飞行安全。因此，如何高效安全地解决机载设备的快速散热问题具有重要意义。常规的风冷和水冷方式换热能力已达到极限，无法满足日益提高的电子设备和激光器的散热需求。

喷雾冷却是将冷却介质通过雾化分解为无数的离散型小液滴，喷淋到加热表面上通过单相换热和两相换热带走热量的一种新型冷却方式，其优点在于：较小的表面温差；没有沸腾滞后性；良好的换热性能；冷却表面温度均匀。喷雾冷却技术在机载设备冷却领域具有很强的应用前景。

然而，喷雾冷却应用至机载领域时面临着传热失效和冷源选取的问题。当机载器件的加热量出现波动，冷却表面热流密度大于喷雾冷却临界热流密度时，表面传热系数急剧降低，温度急剧升高，从而影响机载设备的安全性。专利201710429948.2提出了一种微通道表面式喷雾冷却强化换热装置，主要特点是表面覆盖多孔导热材料和微槽道，考虑在喷雾冷却的同时将部分介质吸入槽道内完成微槽道与热沉表面的换热。此种方法增强了喷雾冷却换热能力，但喷雾冷却失效后表面被气膜覆盖，不存在液态冷却介质，即使吸入微槽道内，气态冷却介质的换热能力也很差，故仍然无法抑制喷雾冷却失效后的表面温升。

关于机载冷源选取也已有部分方案被提出，如专利201510072716.7提出了一种基于空气膨胀制冷的机载发热元件的冷却系统，主要特点是使用涡轮作为制冷器件和动力源，该方案投入使用时必须首先使用涡轮蓄冷方可进行喷雾冷却，蓄冷时间长，蓄冷过程耗能较大；结构复杂且设备空间较大，无法满足机载设备快速冷却的要求。专利201510074027.X提出了一种基于蒸发制冷的机载发热元件的冷却系统及方法，主要特点为使用蒸发制冷循环为系统提供间接冷源，蒸发制冷循环主要作用于一个蓄冷器上，冷源不直接与喷雾系统相连，削弱了冷却介质的冷却效果；加入蒸发制冷循环后体积和能耗均非常大，且此发明并未给蒸发制冷循环配备冷源，若投入实际使用体积会更大，无法适用机载空间的要求。

本实用新型以发动机引气作为气源，使用多根涡流管并联，以涡流管流出的冷气冷却相变材料，为喷雾冷却系统提供了稳定的冷源；使用相变材料冷却冷却介质，系统简单可靠；涡流管流出的热气可直接用来对机翼进行防冰和除冰，节约了防冰系统的能源，并提高了飞机飞行的安全性。此外，在待冷却表面铺设微通道换热器，将部分液态冷却介质通入微通道换热器，不仅可以提升换热性能，且当加热量突然增大导致喷雾冷却临界失效时，仍然可以通过微通道换热器控制表面温度，确保器件不被烧毁。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种使用相变材料冷却喷雾介质和使用微通道换热器防止失效的机载喷雾冷却系统。

该系统主要由冷却介质储罐(1)、第一截止阀(2)、循环泵(3)、第二截止阀(4)、相变材料储罐(5)、过滤器(6)、第三截止阀(7)、第一流量调节阀(8)、第一流量计(9)、第二流量调节阀(10)、第二流量计(11)、喷雾室(12)、第一喷嘴(13)、第二喷嘴(14)、微通道换热器(15)、冷却介质流道(16)、待冷却表面(17)、第四截止阀(18)、发动机引气端口(19)、第五截止阀(20)、涡流管制冷箱(21)、第六截止阀(22)、机翼防冰端口(23) 组成。

使用相变材料冷却喷雾介质和使用微通道换热器防止失效的机载喷雾冷却系统由表面冷却系统和涡流管供冷系统组成。

上述表面冷却系统由冷却介质储罐(1)、第一截止阀(2)、循环泵(3)、第二截止阀(4)、相变材料储罐(5)、过滤器(6)、第三截止阀(7)、第一流量调节阀(8)、第一流量计(9)、第二流量调节阀(10)、第二流量计(11)、喷雾室(12)、第一喷嘴(13)、第二喷嘴(14)、微通道换热器(15)、冷却介质流道(16)、待冷却表面(17)、第四截止阀(18)组成；

相变材料储罐(5)具有两个入口和两个出口，第一入口为冷却介质入口，第一出口为冷却介质出口，第二入口为冷气入口，第二出口为冷气出口；

第三截止阀(7)具有一个入口和两个出口，第一流量计(9)具有一个入口和两个出口，第二流量计(11)具有一个入口和两个出口，第四截止阀(18)具有三个入口和一个出口；

其中冷却介质储罐(1)的出口与第一截止阀(2)的入口相连，第一截止阀(2)的出口与循环泵(3)的入口和第四截止阀(18)的出口相连，循环泵(3)的出口与第二截止阀(4) 的入口相连，第二截止阀(4)的出口与相变材料储罐(5)的第一入口相连，相变材料储罐 (5)的第一出口与过滤器(6)的入口相连，过滤器(6)的出口与第三截止阀(7)的入口相连，第三截止阀(7)的第一出口与第一流量调节阀(8)的入口相连，第一流量调节阀(8) 的出口与第一流量计(9)的入口相连，第一流量计(9)的第一出口与第一喷嘴(13)的入口相连，第一流量计(9)的第二出口与第二喷嘴(14)的入口相连；

第三截止阀(7)的第二出口与第二流量调节阀(10)的入口相连，第二流量调节阀(10) 的出口与第二流量计(11)的入口相连，第二流量计(11)的第一出口和第二出口均与冷却介质流道(16)的入口相连，冷却介质流道(16)的出口与第四截止阀(18)的第一入口和第二入口相连；

第一喷嘴(13)和第二喷嘴(14)的出口喷射雾化后的冷却介质至微通道换热器(15) 的表面，微通道换热器(15)安装在待冷却表面(17)上方紧贴待冷却表面(17)，冷却介质流道(16)为微通道换热器(15)的组成部分；

第一喷嘴(13)、第二喷嘴(14)、微通道换热器(15)和待冷却表面(17)均位于喷雾室(12)内，喷雾室(12)的出口与第四截止阀(18)的第三入口相连，第四截止阀(18) 的出口与循环泵(3)的入口相连；

上述涡流管供冷系统由相变材料储罐(5)、发动机引气端口(19)、第五截止阀(20)、涡流管制冷箱(21)、第六截止阀(22)、机翼防冰端口(23)组成；

涡流管制冷箱(21)有一个入口与两个出口，入口为发动机引气入口，第一出口为冷气出口，第二出口为热气出口；

发动机引气端口(19)与第五截止阀(20)的入口相连，第五截止阀(20)的出口与涡流管制冷箱(21)的入口相连，涡流管制冷箱(21)的第一出口与相变材料储罐(5)的第二入口相连，涡流管制冷箱(21)的第二出口与机翼防冰端口(23)相连，相变材料储罐(5) 的第二出口与第六截止阀(22)的入口相连，第六截止阀(22)的出口与机翼防冰端口(23) 相连。

一种使用相变材料冷却喷雾介质和使用微通道换热器防止失效的机载喷雾冷却系统，其特征在于包括以下过程：

系统运行时，通过发动机引气端口(14)从外界环境中引入空气，经过涡流管制冷箱(21) 得到冷气和热气。冷气流入相变材料储罐(5)吸收相变材料中的热量后经第六截止阀(22) 流入机翼防冰端口(23)，热气直接流入机翼防冰端口(23)，为机翼提供热量，防止机翼结冰；

循环泵(3)启动，冷却介质储罐(1)中的冷却介质经第一截止阀(2)、循环泵(3)、第二截止阀(4)后流入相变材料储罐(5)中，相变材料储罐(5)中的相变材料吸收热量，降低冷却介质的温度；相变材料储罐(5)中流出的液态冷却介质经过滤器(6)过滤杂质，流经第三截止阀(7)后分为两路；

第一路液态冷却介质经第一流量调节阀(8)调节流量后，经第一流量计(9)分别流入第一喷嘴(13)和第二喷嘴(14)雾化，雾化后的冷却介质喷射至微通道换热器(15)上，通过微通道换热器(15)传递冷量完成对待冷却表面(17)的冷却过程；此后冷却介质经第四截止阀(18)流入循环泵(3)继续循环；

第二路液态冷却介质流入第二流量调节阀(10)调节流量后，经第二流量计(11)流入冷却介质流道(16)，在冷却介质流道(16)内将冷量通过微通道换热器(15)传递完成对待冷却表面(17)的冷却过程；此后冷却介质经第四截止阀(18)流入循环泵(3)继续循环；

系统停止时，关闭第二截止阀(4)，打开第一截止阀(2)、第三截止阀(7)和第四截止阀(18)，使用循环泵(3)将管道内的冷却介质抽入冷却介质储罐(1)中存放。

将第一喷嘴(13)、第二喷嘴(14)、微通道换热器(15)和待冷却表面(17)封闭在喷雾室(12)中，使得喷雾换热和微通道内换热完成后的冷却介质能够沿第四截止阀(18)流入循环泵(3)，达到节约冷却介质和节能的效果。

微通道换热器(15)内包含多个冷却介质流道(16)，根据待冷却表面(17)的面积确定冷却介质流道(16)的具体数目。

当待冷却表面(17)的加热量大于喷雾冷却额定冷却量时，待冷却表面(17)温度急剧升高，第一喷嘴(13)和第二喷嘴(14)喷出的冷却介质直接在微通道换热器(15)的表面汽化，此时冷却介质流道(16)内仍然流动液态冷却介质，通过微通道换热器(15)抑制待冷却表面(17)的温度提升速率。

涡流管制冷箱(21)中包含多根涡流管，涡流管数目根据飞机实际需求冷量设计。

所述的冷却介质储罐(1)中可存储但不仅限于水、醇类溶液和制冷剂类介质。

所述的相变材料储罐(5)中可存储但不仅限于石蜡、盐类和聚合物。

附图说明

附图1为本专利的原理图。

附图1中的标号名称：1.冷却介质储罐、2.第一截止阀、3.循环泵、4.第二截止阀、 5.相变材料储罐、6.过滤器、7.第三截止阀、8.第一流量调节阀、9.第一流量计、10.第二流量调节阀、11.第二流量计、12.喷雾室、13.第一喷嘴、14.第二喷嘴、15.微通道换热器、16.冷却介质流道、17.待冷却表面、18.第四截止阀、19.发动机引气端口、20. 第五截止阀、21.涡流管制冷箱、22.第六截止阀、23.机翼防冰端口。

附图2为喷嘴、微通道换热器和待冷却表面的侧视图。

附图2中的标号名称：13.第一喷嘴、15.微通道换热器、16.冷却介质流道、17.待冷却表面。

附图3为涡流管制冷箱(21)的结构图。

附图3中的标号名称：24.引气入口、25.冷气出口、26.热气出口。

具体实施方式

如图1所示，一种使用相变材料冷却喷雾介质和使用微通道换热器防止失效的机载喷雾冷却系统主要包括冷却介质储罐1、第一截止阀2、循环泵3、第二截止阀4、相变材料储罐 5、过滤器6、第三截止阀7、第一流量调节阀8、第一流量计9、第二流量调节阀10、第二流量计11、喷雾室12、第一喷嘴13、第二喷嘴14、微通道换热器15、冷却介质流道16、待冷却表面17、第四截止阀18、发动机引气端口19、第五截止阀20、涡流管制冷箱21、第六截止阀22、机翼防冰端口23。

微通道换热器15内包含多个冷却介质流道16，根据待冷却表面17的面积确定冷却介质流道16的具体数目。

将第一喷嘴13、第二喷嘴14、微通道换热器15和待冷却表面17封闭在喷雾室12中，使得喷雾换热和微通道内换热完成后的冷却介质能够沿第四截止阀18流入循环泵3，达到节约冷却介质和节能的效果。

如图3所示，涡流管制冷箱21包括引气入口24、冷气出口25和热气出口26。

涡流管制冷箱21中的涡流管数目根据飞机储存相变材料所需的冷量确定。

系统运行时，通过发动机引气端口14从外界环境中引入空气，经过涡流管制冷箱21得到冷气和热气。冷气流入相变材料储罐5吸收相变材料中的热量后经第六截止阀22流入机翼防冰端口23，热气直接流入机翼防冰端口23，为机翼提供热量，防止机翼结冰；

循环泵3启动，冷却介质储罐1中的冷却介质经第一截止阀2、循环泵3、第二截止阀4 后流入相变材料储罐5中，相变材料储罐5中的相变材料吸收热量，降低冷却介质的温度；此时相变材料储罐5中的相变材料逐渐由固态向液态转化；相变材料储罐5中流出的液态冷却介质经过滤器6过滤杂质，流经第三截止阀7后分为两路；

第一路液态冷却介质经第一流量调节阀8调节流量后，经第一流量计9分别流入第一喷嘴13和第二喷嘴14雾化，雾化后的冷却介质喷射至微通道换热器15上，通过微通道换热器 15传递冷量完成对待冷却表面17的冷却过程；此后冷却介质经第四截止阀18流入循环泵3 继续循环；

第二路液态冷却介质流入第二流量调节阀10调节流量后，经第二流量计11流入冷却介质流道16，在冷却介质流道16内将冷量通过微通道换热器15传递完成对待冷却表面17的冷却过程；此后冷却介质经第四截止阀18流入循环泵3继续循环；

当待冷却表面17的加热量出现波动，突然大于喷雾冷却额定冷却量时，待冷却表面17 温度急剧升高，第一喷嘴13和第二喷嘴14喷出的冷却介质直接在微通道换热器15的表面汽化，此时冷却介质流道16内仍然流动液态冷却介质，通过微通道换热器15抑制待冷却表面 17的温度提升速率，直至加热量恢复正常。

系统停止时，关闭第二截止阀4，打开第一截止阀2、第三截止阀7和第四截止阀18，使用循环泵3将管道内的冷却介质抽入冷却介质储罐1中存放。同时从发动机引气端口19引气至涡流管制冷箱21中，使用涡流管制冷箱21中流出的冷气冷却相变材料，使得相变材料由液态变为固态。

当设备再次需要冷却时，再次打开循环泵3，打开第二截止阀4，再次使用冷却介质储罐 1中的介质进行喷雾冷却。

该使用相变材料冷却喷雾介质和使用微通道换热器防止失效的机载喷雾冷却系统性能可靠，有效防止了加热量波动时出现表面温度过高烧毁器件的发生；且通过不断向涡流管制冷箱引气，可持续为冷却介质和相变材料供冷，冷却介质和相变材料均可循环使用，保证了系统的持续安全运行。