一种气液和液固耦合相变储能散热装置的制作方法

本发明涉及飞行器环境控制技术领域，涉及流动沸腾、熔化/凝固和强化换热等问题，尤其涉及一种气液和液固耦合相变储能散热装置。

背景技术：

随着机载高能设备热流密度的不断攀升，亟需采用高效的散热技术以确保其稳定运行。虽然传统的风冷和液冷作为主动散热技术已被广泛应用，但仍无法满足脉动热流条件下瞬时热流超大的高能设备的散热需求。

相变储能技术作为一种新型被动散热技术，利用相变材料（pcm）的熔化反应吸收大量潜热，将热量暂时存储起来，起到能量缓冲的作用，再通过其他散热方式散发到环境中。该技术具有储能密度高、温度恒定以及易控制等优点。蒸发循环制冷技术利用制冷液的流动沸腾吸收大量潜热，性能系数（cop）则远高于风冷和液冷等单相散热技术。

耦合上述两种散热技术，先利用相变储能技术存储高能设备的脉动热流，再通过蒸发循环制冷技术将热量散走，可有效解决机载高能设备的散热问题。目前相关报道还很少，因而很有必要对此加以研究。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对当前机载高能设备瞬时超大热流难以有效去除的问题，提出一种气液和液固耦合相变储能散热装置。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种气液和液固耦合相变储能散热装置，包含相变储能热沉模块和蒸发制冷循环模块；

所述相变储能热沉模块包含n个相变储能热沉单元，所述n为大于等于1的整数；

所述相变储能热沉单元包含壳体、相变材料、压力传感器、第一热电阻和第二热电阻；

所述壳体为采用导热材料制成空心密闭柱体，其下端面和需要进行散热的热源直接接触，且下端面的外壁上设有用于测量热源表面温度的热电偶；

所述相变材料设置在壳体内的腔体内、和所述腔体的上壁面之间留有空气层；

所述压力传感器、第一热电阻、第二热电阻分别设置在所述空气层、相变材料的上部、相变材料的下部，分别用于测得空气层的压力、相变材料上部的温度、相变材料下部的温度；

所述蒸发制冷循环模块包含换热器、第一至第四阀门、压缩机、冷凝器、节流阀、分流器和若干和所述相变储能热沉单元一一对应的蒸发单元；

所述分流器包含一个入口、以及若干个和所述蒸发单元一一对应的出口；

所述蒸发单元包含流量计和蒸发器；

所述蒸发器设置在蒸发单元对应的相变储能热沉单元相变材料中，一端和所述流量计的一端管道相连、另一端和所述第二阀门的一端管道相连；所述流量计的另一端和蒸发单元对应的分流器出口管道相连；

所述第二阀门的另一端分别和压缩机的入口、第四阀门的一端管道相连；

所述压缩机的出口、冷凝器、节流阀的入口依次管道相连；

所述第四阀门的另一端、换热器、第三阀门的一端依次管道相连；

所述节流阀的出口分别和所述第三阀门的另一端、第一阀门的一端管道相连；所述第一阀门的另一端和所述分流器的入口管道相连。

作为本发明一种气液和液固耦合相变储能散热装置进一步的优化方案，所述相变储能热沉单元还包含红外热成像仪，所述红外热成像仪设置在壳体外，用于结合第一热电偶、第二热电偶判断壳体内相变材料熔化或凝固时的固液相界面。

作为本发明一种气液和液固耦合相变储能散热装置进一步的优化方案，所述壳体由铝材焊接而成。

作为本发明一种气液和液固耦合相变储能散热装置进一步的优化方案，所述蒸发器采用一个螺旋翅片铜管或者若干通过管道依次相连的螺旋翅片铜管。

作为本发明一种气液和液固耦合相变储能散热装置进一步的优化方案，所述n=2。

作为本发明一种气液和液固耦合相变储能散热装置进一步的优化方案，所述相变材料内均衡混合有高熔点高导热系数物质，以形成换热系数更高的复合相变材料，所述高熔点高导热系数物质采用金属纳米颗粒、泡沫金属、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的任意一种。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明既能在极短时间内快速吸收高能设备的热量，又能在间歇时间内恢复初始状态，能够有效去除机载高能设备瞬时超大热流，具有结构简单、安全可靠、散热效率高等优点。

附图说明

图1为一种气液和液固耦合相变储能散热装置示意图；

图2为相变材料熔化/凝固时温度变化示意图；

图3为蒸发器螺旋翅片管局部放大示意图。

图中，1-壳体，2-腔室，3-相变材料，4-空气层，5-压力传感器，6-第一热电阻，7-第二热电阻，8-热电偶，9-热源，10-红外热成像仪，11-压缩机，12-冷凝器，13-节流阀，14-分流器，15-流量计，16-蒸发器，17-换热器，18-第一阀门，19-第二阀门，20-第三阀门，21-第四阀门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明公开了一种气液和液固耦合相变储能散热装置，包含相变储能热沉模块和蒸发制冷循环模块；

所述相变储能热沉模块包含n个相变储能热沉单元，所述n为大于等于1的整数；

所述相变储能热沉单元包含壳体、相变材料、压力传感器、第一热电偶和第二热电偶；

所述壳体为采用导热材料制成空心密闭柱体，其下端面和需要进行散热的热源直接接触，且下端面的外壁上设有用于测量热源表面温度的热电阻；

所述相变材料设置在壳体内的腔体内、和所述腔体的上壁面之间留有空气层；

所述压力传感器、第一热电偶、第二热电偶分别设置在所述空气层、相变材料的上部、相变材料的下部，分别用于测得空气层的压力、相变材料上部的温度、相变材料下部的温度；

所述蒸发制冷循环模块包含换热器、第一至第四阀门、压缩机、冷凝器、节流阀、分流器和若干和所述相变储能热沉单元一一对应的蒸发单元；

所述分流器包含一个入口、以及若干个和所述蒸发单元一一对应的出口；

所述蒸发单元包含流量计和蒸发器；所述蒸发器设置在蒸发单元对应的相变储能热沉单元相变材料中，一端和所述流量计的一端管道相连、另一端和所述第二阀门的一端管道相连；所述流量计的另一端和蒸发单元对应的分流器出口管道相连；

所述第二阀门的另一端分别和压缩机的入口、第四阀门的一端管道相连；

所述压缩机的出口、冷凝器、节流阀的入口依次管道相连；

所述第四阀门的另一端、换热器、第三阀门的一端依次管道相连；

所述节流阀的出口分别和所述第三阀门的另一端、第一阀门的一端管道相连；所述第一阀门的另一端和所述分流器的入口管道相连。

所述相变储能热沉单元还包含红外热成像仪，所述红外热成像仪设置在壳体外，用于结合第一热电偶、第二热电偶判断壳体内相变材料熔化或凝固时的固液相界面。

所述壳体由铝材焊接而成，所述蒸发器采用一个螺旋翅片铜管或者若干通过管道依次相连的螺旋翅片铜管。

图1中为n=2时的示意图，下面以n=2进行举例说明：

固态相变材料在极短时间内吸收热源全部热量熔化成液态，然后埋置在相变材料中的蒸发制冷循环蒸发器内的液态制冷剂在间歇时间内通过流动沸腾吸收液态相变材料中的热量并使之重新凝固成固态。

两个相变储能热沉单元壳体的腔室内均未填满相变材料而留有适量空气层；蒸发器采用螺旋翅片铜管。腔室内相变材料温度由第一热电阻、第二热电阻监测，其熔化/凝固时固液相界面由第一热电阻、第二热电阻结合红外热成像仪判定；腔室内压力则由压力传感器测得，压力不应过高，以免影响结构可靠性。此外，热源表面温度由热电偶点接触测定，判断散热效果。

蒸发制冷循环主要包括压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、换热器，其中蒸发器通路与相变材料耦合，换热器通路亦可构成独立制冷循环。蒸发器通路与换热器通路并联连接，正常工作时只连通蒸发器通路，而性能检测和调整时只连通换热器通路。低压蒸汽通过压缩机变成高压蒸汽，再经冷凝器变成高压液体，再经节流阀变成低压液体，最后通过蒸发器从相变材料中吸收热量变成低压蒸汽或者通过换热器从周围环境吸收热量变成低压蒸汽。此外，蒸发器通路包括两个支路，每个支路的流量依据热源表面温度由分流器控制并由流量计测得，该散热方式尤其适用于热源两侧热流密度分布不均匀的情况。

相变材料熔化温度应属于热源正常工作的温度范围，相变材料可选用换热系数更高的复合相变材料：可以在相变材料中均衡混合高熔点高导热系数物质，以形成换热系数更高的复合相变材料，所述高熔点高导热系数物质采用金属纳米颗粒、泡沫金属、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的任意一种。如图2所示，依据相变材料的温度变化推断熔化/凝固过程，并确定相变材料的熔化时间为tm2-tm1，凝固时间为ts2-ts1，熔化/凝固温度为tpc。

如图3所示，蒸发器采用螺旋翅片铜管，可增强其与相变材料之间的换热。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。