[發(fā)明專利]機(jī)載間歇高熱流密度的冷卻相變換熱器及其換熱方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610086732.6
• 申請(qǐng)日: 2016-02-15
• 公開（公告）號(hào): CN105737651A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 施紅;裴后舉;高志剛;崔永龍;侯圣文;蔣彥龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇科技大學(xué)
• 主分類號(hào): F28D15/02
• 分類號(hào): F28D15/02
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 徐瑩

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種換熱器，具體涉及一種冷卻相變換熱器及其換熱方法。

背景技術(shù)

隨著飛行器機(jī)動(dòng)性能、隱身性能、防御性能要求的不斷提高，高功率激光技術(shù)、電子元器件高度集成與微型化等技術(shù)得以迅速發(fā)展并逐漸成功運(yùn)用到材料化學(xué)、天文探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。近年來，世界各國為了獲得航空及航天領(lǐng)域的跨時(shí)代優(yōu)勢(shì)，積極開展了下一代戰(zhàn)機(jī)的研究工作。定向能武器為下一代戰(zhàn)機(jī)的標(biāo)配，是亟需攻克的關(guān)鍵技術(shù)堡壘之一。定向能武器的工作為間歇式作戰(zhàn)方式，發(fā)射瞬間幾秒內(nèi)產(chǎn)生兆瓦級(jí)的熱量，導(dǎo)致其表面產(chǎn)生極大的熱載荷和極高的熱流密度(熱流密度可達(dá)數(shù)百W/cm²甚至數(shù)千W/cm²)。如此高的熱流密度會(huì)降低激光光束的質(zhì)量輸出功率，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱功率不斷升高，損毀激光介質(zhì)。因此如何高效、可靠地解決機(jī)載定向能武器的快速散熱成為提高其輸出功率的瓶頸，對(duì)于提升我國下一代戰(zhàn)機(jī)的作戰(zhàn)能力具有重要的研究意義。

傳統(tǒng)的散熱方式無法解決高熱流密度的有效散熱。目前噴霧冷卻是高熱流密度電子設(shè)備冷卻領(lǐng)域較有前途的冷卻方式，然而盡管國外的相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)噴霧冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了一定程度的研究，但是關(guān)于定向能武器的綜合熱管理系統(tǒng)研究較少，尤其是噴霧系統(tǒng)終端液體的冷卻是個(gè)關(guān)鍵問題。飛機(jī)上傳統(tǒng)的最終冷源是沖壓空氣及燃油，若按照最大功率設(shè)計(jì)換熱器則換熱器的體積相對(duì)較大、質(zhì)量較重，因此一種針對(duì)噴霧冷卻系統(tǒng)終端液體的結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小的換熱器設(shè)計(jì)迫在眉睫。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小且吸熱能力強(qiáng)的相變蓄熱換熱器。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種機(jī)載間歇高熱流密度的冷卻相變換熱器，包括上下設(shè)置在殼體內(nèi)并由隔板隔開的第一換熱器和第二換熱器，填充有相變材料的所述第一換熱器中設(shè)有上下往復(fù)延伸的蛇形盤管，所述蛇形盤管的兩端為熱流體進(jìn)口及熱流體出口，設(shè)有冷流體進(jìn)口及冷流體出口的所述第二換熱器中設(shè)置穿過隔板豎直向上延伸至第一換熱器的熱管群。

所述第一換熱器中設(shè)有翅片群，所述蛇形盤管和熱管群穿過翅片群，故熱流體通道來回穿越在相變材料中，并通過翅片群增強(qiáng)換熱，增加了相變材料的吸熱功率，同時(shí)翅片群起到了熱橋的作用將盤管和熱管群相連。

所述相變材料可以為有機(jī)物、無機(jī)物或復(fù)合物，優(yōu)選的，所述相變材料為石蠟，選用石蠟好處為：一方面，相變潛熱高，幾乎沒有過冷現(xiàn)象，熔化時(shí)蒸汽壓力低，化學(xué)穩(wěn)定性較好，自成核，沒有相分離和腐蝕性等；另一方面一般目前定向能武器采用的冷卻方案是水噴霧冷卻，其出口的熱水溫度為50℃左右，因此相變材料的溫度必須低于該熱流體的溫度；最后為了實(shí)現(xiàn)閉式循環(huán)，相變材料必須由冷源最后進(jìn)行冷卻，因此由于冷源一般是沖壓空氣和燃油，因此所選擇的相變材料溫度不能太低。

所述第二換熱器中的熱管群上設(shè)有翅片用以增強(qiáng)與冷源的換熱。

所述第二換熱器的冷源為空氣、燃油或渦輪冷卻空氣中的一種或幾種，取決于間歇熱載荷的熱流密度及相變材料的相變溫度：當(dāng)定向能武器高熱功率表面經(jīng)過某種冷卻方案后的熱流體溫度相對(duì)較高，則可以將燃油作為一個(gè)熱沉，帶走一部分熱量；當(dāng)熱流體的溫度相對(duì)較低即燃油和熱流體的溫差較小，則采用燃油作為熱沉其性價(jià)比不高，可以將沖壓空氣作為熱沉；當(dāng)熱流體的溫度更低時(shí)可以采用渦輪冷卻空氣。進(jìn)一步，當(dāng)采用以上的某一種不能滿足能量平衡時(shí)，在滿足條件的情況下可以采用多種冷源相結(jié)合的方式。

一種機(jī)載間歇高熱流密度的冷卻相變換熱器的換熱方法，當(dāng)機(jī)載高熱流密度電子設(shè)備或表面工作時(shí)，通過相變換熱或?qū)α鲹Q熱將熱量傳遞到熱流體中，熱流體通過熱流體進(jìn)口進(jìn)入第一換熱器的蛇形盤管，在流經(jīng)蛇形盤管的過程中將熱量傳遞到相變材料中，最后當(dāng)機(jī)載高熱流密度電子設(shè)備或表面處于非工作狀態(tài)時(shí)，通過第二換熱器中的熱管群將第一換熱器中的熱量迅速傳遞給流入第二換熱器中的冷源。

第一換熱器中的翅片群充當(dāng)熱橋?qū)⑸咝伪P管的部分熱量直接傳遞給熱管群。

有益效果：1、本發(fā)明換熱器具有很強(qiáng)的吸熱能力，能在短時(shí)間內(nèi)吸收大量的熱量進(jìn)行存儲(chǔ)，尤其適用于定向能武器這樣間歇式工作的高熱功率表面的散熱系統(tǒng)；

2、由于本發(fā)明換熱器利用定向能武器間歇作戰(zhàn)的特點(diǎn)，將定向能武器高熱功率表面的熱量在作戰(zhàn)期間通過相變材料進(jìn)行了能量存儲(chǔ)，然后當(dāng)高熱功率表面處于非作戰(zhàn)狀態(tài)時(shí)，將相變材料吸收的熱量慢慢進(jìn)行散熱，因此其設(shè)計(jì)是按照機(jī)載間歇熱載荷的平均功率來設(shè)計(jì)的，因此相對(duì)于直接采用沖壓空氣作為冷源按照最大功率來設(shè)計(jì)的換熱器來說，結(jié)構(gòu)小、重量輕。

附圖說明