[發(fā)明專利]一種使用相變材料冷卻噴霧介質(zhì)和使用微通道換熱器防止失效的機(jī)載噴霧冷卻系統(tǒng)

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201810280693.2
• 申請日: 2018-03-27
• 公開（公告）號: CN108362025A
• 公開（公告）日: 2018-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王瑜;陳瑋瑋;劉志成;邱蘭蘭;袁曉磊
• 申請（專利權(quán)）人: 南京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: F25B9/04
• 分類號: F25B9/04;F28D5/02;F28D20/02;F28F27/02;B64D13/06
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一種使用相變材料冷卻噴霧介質(zhì)和使用微通道換熱器防止失效的機(jī)載噴霧冷卻系統(tǒng)，屬于機(jī)載設(shè)備冷卻領(lǐng)域。本發(fā)明可解決機(jī)載激光武器和大功率電子設(shè)備高熱流密度表面的持續(xù)散熱問題。主要部件包括冷卻介質(zhì)儲罐、循環(huán)泵、相變材料儲罐、過濾器、噴霧室、第一噴嘴、第二噴嘴、微通道換熱器、待冷卻表面、發(fā)動機(jī)引氣端口、渦流管制冷箱以及機(jī)翼防冰端口。本發(fā)明使用多根渦流管組合建立制冷箱，引入外界空氣通過渦流管為相變材料提供冷源，以相變材料冷卻噴霧介質(zhì)，為防止噴霧冷卻失效而應(yīng)用微通道換熱器覆蓋冷卻表面，系統(tǒng)運(yùn)行安全，具有良好的可持續(xù)性，滿足機(jī)載復(fù)雜環(huán)境下的冷卻需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種使用相變材料冷卻噴霧介質(zhì)和使用微通道換熱器防止失效的機(jī)載噴霧冷卻系統(tǒng)，屬于機(jī)載設(shè)備冷卻領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著飛行器機(jī)動性能、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。定向能武器作為下一代戰(zhàn)機(jī)的標(biāo)配，是亟需攻克的關(guān)鍵技術(shù)壁壘之一。2013年，美國國防高級研究計(jì)劃局授權(quán)洛克希德馬丁公司將一個(gè)原型激光防御武器安裝至驗(yàn)證機(jī)上。2015年9月，美國空軍宣布將在AC-130武裝運(yùn)輸機(jī)上加裝激光武器。此類武器發(fā)射后在表面產(chǎn)生極高的熱流密度，其數(shù)量級可達(dá)到數(shù)千W/cm²。此外，軍用電子設(shè)備的熱流密度也達(dá)到數(shù)百W/cm²。如果不采取有效措施降低電子設(shè)備表面溫度，輕則大大降低其工作效率，重則燒毀器件，影響飛行安全。因此，如何高效安全地解決機(jī)載設(shè)備的快速散熱問題具有重要意義。常規(guī)的風(fēng)冷和水冷方式換熱能力已達(dá)到極限，無法滿足日益提高的電子設(shè)備和激光器的散熱需求。

噴霧冷卻是將冷卻介質(zhì)通過霧化分解為無數(shù)的離散型小液滴，噴淋到加熱表面上通過單相換熱和兩相換熱帶走熱量的一種新型冷卻方式，其優(yōu)點(diǎn)在于：較小的表面溫差；沒有沸騰滯后性；良好的換熱性能；冷卻表面溫度均勻。噴霧冷卻技術(shù)在機(jī)載設(shè)備冷卻領(lǐng)域具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。

然而，噴霧冷卻應(yīng)用至機(jī)載領(lǐng)域時(shí)面臨著傳熱失效和冷源選取的問題。當(dāng)機(jī)載器件的加熱量出現(xiàn)波動，冷卻表面熱流密度大于噴霧冷卻臨界熱流密度時(shí)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)急劇降低，溫度急劇升高，從而影響機(jī)載設(shè)備的安全性。專利201710429948.2提出了一種微通道表面式噴霧冷卻強(qiáng)化換熱裝置，主要特點(diǎn)是表面覆蓋多孔導(dǎo)熱材料和微槽道，考慮在噴霧冷卻的同時(shí)將部分介質(zhì)吸入槽道內(nèi)完成微槽道與熱沉表面的換熱。此種方法增強(qiáng)了噴霧冷卻換熱能力，但噴霧冷卻失效后表面被氣膜覆蓋，不存在液態(tài)冷卻介質(zhì)，即使吸入微槽道內(nèi)，氣態(tài)冷卻介質(zhì)的換熱能力也很差，故仍然無法抑制噴霧冷卻失效后的表面溫升。

關(guān)于機(jī)載冷源選取也已有部分方案被提出，如專利201510072716.7提出了一種基于空氣膨脹制冷的機(jī)載發(fā)熱元件的冷卻系統(tǒng)，主要特點(diǎn)是使用渦輪作為制冷器件和動力源，該方案投入使用時(shí)必須首先使用渦輪蓄冷方可進(jìn)行噴霧冷卻，蓄冷時(shí)間長，蓄冷過程耗能較大；結(jié)構(gòu)復(fù)雜且設(shè)備空間較大，無法滿足機(jī)載設(shè)備快速冷卻的要求。專利201510074027.X提出了一種基于蒸發(fā)制冷的機(jī)載發(fā)熱元件的冷卻系統(tǒng)及方法，主要特點(diǎn)為使用蒸發(fā)制冷循環(huán)為系統(tǒng)提供間接冷源，蒸發(fā)制冷循環(huán)主要作用于一個(gè)蓄冷器上，冷源不直接與噴霧系統(tǒng)相連，削弱了冷卻介質(zhì)的冷卻效果；加入蒸發(fā)制冷循環(huán)后體積和能耗均非常大，且此發(fā)明并未給蒸發(fā)制冷循環(huán)配備冷源，若投入實(shí)際使用體積會更大，無法適用機(jī)載空間的要求。

本發(fā)明以發(fā)動機(jī)引氣作為氣源，使用多根渦流管并聯(lián)，以渦流管流出的冷氣冷卻相變材料，為噴霧冷卻系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的冷源；使用相變材料冷卻冷卻介質(zhì)，系統(tǒng)簡單可靠；渦流管流出的熱氣可直接用來對機(jī)翼進(jìn)行防冰和除冰，節(jié)約了防冰系統(tǒng)的能源，并提高了飛機(jī)飛行的安全性。此外，在待冷卻表面鋪設(shè)微通道換熱器，將部分液態(tài)冷卻介質(zhì)通入微通道換熱器，不僅可以提升換熱性能，且當(dāng)加熱量突然增大導(dǎo)致噴霧冷卻臨界失效時(shí)，仍然可以通過微通道換熱器控制表面溫度，確保器件不被燒毀。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種使用相變材料冷卻噴霧介質(zhì)和使用微通道換熱器防止失效的機(jī)載噴霧冷卻系統(tǒng)。