[發明專利]基于空氣膨脹制冷的機載發熱元件的冷卻系統及方法

在審

• 申請號: 201510072716.7
• 申請日: 2015-02-11
• 公開（公告）號: CN104684360A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發明（設計）人: 蔣彥龍;周年勇;孫程斌;王合旭;任哲釩
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H05K7/20
• 分類號: H05K7/20
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明涉及一種基于空氣膨脹制冷的機載發熱元件的冷卻系統及方法，屬機載設備冷卻領域。

背景技術

隨著飛行器機動性能、隱身性能、防御性能要求地不斷提高，高功率激光技術、電子元器件高度集成與微型化等技術得以迅速發展并逐漸成功運用到材料化學、天文探測等多個領域；同時高功率二極管激光器的研制成功又加大了高功率固體激光器在航空航天軍事領域的應用，并在美國各項激光武器的研制項目中被廣泛使用。隨之而來的問題是，在高功率情況下，固體激光器在工作中產生的大量無用熱會降低激光光束的質量輸出功率，由此帶來設備發熱功率不斷升高，熱流密度可達數百W/cm2甚至數千W/cm2，這種情況下會損毀激光介質，因此高功率固體激光器的發熱問題成為制約進一步提高其輸出功率的瓶頸，如何高效、可靠地解決激光器與電子設備高熱流密度的快速散熱問題具有重要意義。

針對高功率的電子元件，傳統的冷卻技術已不能滿足冷卻要求。基于相變換熱冷卻的噴霧冷卻技術具有高熱流密度的冷卻能力，冷卻溫度均勻、換熱系數高，可以滿足激光冷卻、高熱流電子設備冷卻等大功率電子元器件的冷卻要求。為解決軍事戰機的高熱流密度冷卻問題，戰機機載噴霧冷卻系統的技術研究與工程運用勢在必行。

作為機載設備，不僅滿足冷卻性能需求，還應考慮自重問題，飛機的升力有限，飛機自身結構和系統自重越輕，帶來的潛在經濟效益越大，對于戰斗機而言更為重要。飛機的冷源有限，除飛機自身熱容、燃油、消耗性冷卻劑外，只有沖壓空氣作為冷源，如果用沖壓空氣直接與噴霧冷卻介質換熱，相應的換熱器體積龐大、重量大，經濟性差，且嚴重降低戰斗機性能。考慮到機載激光武器發射時間短、熱流密度高，但是發射間隔較長，利用這個特點，本發明給出一種冷卻效率高且體積小重量輕的冷卻系統。

發明內容

本發明的目的是提供一套冷卻效率高、質量輕體積小、經濟性高的機載高熱流發熱元件冷卻循環系統。

本系統包括高熱流發熱元件噴霧冷卻循環子系統和空氣膨脹制冷循環子系統；還包括連接上述兩個子系統且內填充相變介質的蓄冷器。其中高熱流發熱元件噴霧冷卻循環子系統包括：緩沖罐，循環泵，過濾器，流量調節閥噴霧腔，旁通閥；噴霧腔內包含冷卻噴嘴及發熱元件；噴霧腔出口分成兩路，一路與旁通閥第一端相連，另一路與蓄冷器第一邊入口相連，蓄冷器第一邊出口依次經過緩沖罐、循環泵后與旁通閥第二端并聯，并聯后再依次經過過濾器、流量調節閥后與冷卻噴嘴相連。其中空氣膨脹制冷循環子系統包括：初級換熱器,次級換熱器，水分離器，渦輪，風扇；發動機引氣入口依次經過初級換熱器熱邊、次級換熱器熱邊、水分離器、渦輪與蓄冷器第二邊入口相連；蓄冷器第二邊出口與次級換熱器冷邊入口相連，沖壓空氣與初級換熱器冷邊入口相連，次級換熱器冷邊出口與初級換熱器冷邊出口同時受到到風扇的旋轉抽吸。

以上所述的基于空氣膨脹制冷的機載發熱元件的冷卻系統的冷卻方法，其特征在于：噴霧冷卻循環子系統中噴霧腔出口的高溫載冷劑進入蓄冷器與固態相變材料換熱，吸收相變材料的冷量變成低溫載冷劑并由循環泵加壓后送入冷卻噴嘴，冷卻噴嘴將其霧化成微小直徑的顆粒強制噴到發熱元件的表面，吸收發熱元件的熱量，該系統實現對發熱元件的快速冷卻，此過程中蓄冷器內填充的固態相變材料因吸收高溫載冷劑的熱量而液化；空氣膨脹制冷循環子系統中從發動機引氣的沖壓空氣經過初級換熱器及次級換熱器預冷后進入渦輪膨脹降溫，從渦輪出口的低溫空氣進入蓄冷器與液態相變材料換熱，吸收相變材料的熱量使其冷凝成固態。

在實際應用中，激光武器發射時間短、發熱量大、發射的時間間隔長，而噴霧冷卻具有換熱迅速、熱流密度高的特點，正好滿足激光武器的換熱需求。噴霧冷卻循環系統中載冷劑經噴嘴噴射至發熱元件表面吸收熱量后，迅速與蓄冷器中的相變材料進行換熱，利用相變材料的液化潛熱，將高溫載冷劑快速冷卻，實現蓄冷器的放冷過程，由于相變材料相變潛熱大，雖然激光武器發熱功率大，但是其工作時間較短，相變材料使用量較少；當噴霧冷卻過程結束后，利用渦輪出口的低溫空氣使得相變材料重新回到固態，實現蓄冷器的蓄冷過程，由于激光武器發射的時間間隔長，空氣與相變材料換熱器的功率大大減少，從而實現減少換熱器體積的目的。通過利用相變材料的蓄冷原理及噴霧冷卻系統工作間隔的特點,中間蓄冷器大大減小了系統體積及自重,滿足機載設備需求。

附圖說明

圖1為基于空氣膨脹制冷的機載發熱元件的冷卻系統；