本發(fā)明涉及一種使用噴霧冷卻和吸附式制冷的機(jī)載高熱流密度設(shè)備熱管理系統(tǒng)，屬于機(jī)載設(shè)備冷卻領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

飛機(jī)上安裝有多種電子設(shè)備，隨著科技的進(jìn)步，電子設(shè)備越來(lái)越向微型化和集成化發(fā)展，其散熱問(wèn)題也顯得更加重要。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，重則燒毀電子器件。此外，激光器在航空領(lǐng)域即將得到廣泛應(yīng)用，如激光武器、激光探測(cè)系統(tǒng)等。激光器發(fā)射后必須對(duì)表面進(jìn)行冷卻，降低熱量耗散，以便持續(xù)使用。常規(guī)的風(fēng)冷和水冷方式換熱能力已達(dá)到極限，無(wú)法滿足日益提高的電子設(shè)備和激光器的散熱需求。而機(jī)載空間存在著空間小、可利用能量有限的特殊條件，找到適合機(jī)載高熱流密度設(shè)備散熱的合適方法是推動(dòng)機(jī)載電子設(shè)備和激光器技術(shù)進(jìn)步和實(shí)用化的關(guān)鍵。

噴霧冷卻是將冷卻介質(zhì)通過(guò)霧化分解為無(wú)數(shù)的離散型小液滴，噴淋到加熱表面上通過(guò)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(méi)有沸騰滯后性；良好的換熱性能；可實(shí)現(xiàn)均勻的冷卻壁面溫度；工質(zhì)需求量小。噴霧冷卻技術(shù)在上述機(jī)載高熱流密度設(shè)備冷卻領(lǐng)域具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。

近年來(lái)，研究者已提出一些噴霧冷卻的實(shí)際應(yīng)用方案，如專利zl201110446869.5提出的一種基于微重力環(huán)境的噴霧冷卻回路裝置，但該系統(tǒng)流量較小，只能適用于微電子設(shè)備，且毛細(xì)芯管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜易堵塞，影響系統(tǒng)性能。專利zl201410350139.9提出的一種獨(dú)立式兩相流噴霧冷卻系統(tǒng)及其噴霧冷卻方法，但該方法使用高壓二氧化碳作為動(dòng)力源，對(duì)二氧化碳的消耗過(guò)大，且噴射后的二氧化碳無(wú)法回收，機(jī)載條件空間有限，且一旦出現(xiàn)泄漏，對(duì)飛行員生命安全威脅巨大。專利zl201510072716.7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(dòng)力源，該方案中冷源完全由渦輪提供，增加了飛機(jī)原有渦輪制冷系統(tǒng)的負(fù)荷，對(duì)于飛機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行不利。

考慮到存儲(chǔ)方便和使用安全性，水是機(jī)載高熱流密度設(shè)備冷卻較好的介質(zhì)，且水流量易于控制，能針對(duì)不同的發(fā)熱工況靈活調(diào)節(jié)。電子設(shè)備表面控制標(biāo)準(zhǔn)一般為80℃，當(dāng)使用噴霧冷卻系統(tǒng)控制電子設(shè)備表面溫度后，排出的水溫度仍然很高，其余熱可以充分利用。因此在機(jī)載高熱流密度設(shè)備熱管理系統(tǒng)中引入吸附式制冷裝置，充分利用余熱降低噴霧冷卻之前的水溫，可以達(dá)到提升噴霧冷卻效果和節(jié)約水流量的目的。此外，引入熱管箱利用外部冷源完成吸附式制冷的制冷劑重新吸附過(guò)程，以達(dá)到熱管理系統(tǒng)多次間歇式循環(huán)使用的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種使用噴霧冷卻和吸附式制冷的機(jī)載高熱流密度設(shè)備熱管理系統(tǒng)。

一種使用噴霧冷卻和吸附式制冷的機(jī)載高熱流密度設(shè)備熱管理系統(tǒng)由噴霧冷卻系統(tǒng)和吸附式制冷系統(tǒng)組成；

上述噴霧冷卻系統(tǒng)由儲(chǔ)水箱(1)、第一水泵(2)、蒸發(fā)器(3)、流量調(diào)節(jié)閥(4)、第一截止閥(5)、流量計(jì)(6)、噴霧室(7)、噴嘴(8)、待冷卻表面(9)、熱回收器(10)、第二水泵(17)組成。

其中蒸發(fā)器(3)具有兩個(gè)入口和兩個(gè)出口。第一入口為水入口，第一出口為水出口；第二入口為制冷劑入口，第二出口為制冷劑出口。

熱回收器(10)具有一個(gè)入口和兩個(gè)出口，入口為噴霧冷卻吸收熱量后的水入口，第一出口為水出口，第二出口為熱量出口。

儲(chǔ)水箱(1)的出口與第一水泵(2)的入口相連，第一水泵(2)的出口與蒸發(fā)器(3)的第一入口相連，蒸發(fā)器(3)的第一出口與流量調(diào)節(jié)閥(4)的入口相連，流量調(diào)節(jié)閥(4)的出口與第一截止閥(5)的入口相連，第一截止閥(5)的出口與流量計(jì)(6)的入口相連，流量計(jì)(6)的出口與噴嘴(8)的入口相連。噴嘴(8)的出口噴射出的水射向待冷卻表面(9)，噴嘴(8)和待冷卻表面(9)封裝于噴霧室(7)中。噴霧室(7)的出口與熱回收器(10)的入口相連，熱回收器(10)的第一出口與第二水泵(17)的入口相連，第二水泵(17)的出口與儲(chǔ)水箱(1)的入口相連。

上述吸附式制冷系統(tǒng)由熱回收器(10)、吸附床(11)、陣列熱管箱(12)、外界環(huán)境接口(13)、冷凝器(14)、節(jié)流閥(15)、第二截止閥(16)組成。

吸附床(11)具有三個(gè)端口，第一端為加熱端口，第二端為冷卻端口，第三端為制冷劑流動(dòng)端口。

冷凝器(14)具有兩個(gè)入口和一個(gè)出口，第一入口為制冷劑入口，第二入口為制冷劑返回入口，出口為制冷劑出口。

熱回收器(10)的第二出口與吸附床(11)的第一端相連，吸附床(11)的第三端與冷凝器(14)的第一入口相連，冷凝器(14)的出口與節(jié)流閥(15)的入口相連，節(jié)流閥(15)的出口與蒸發(fā)器(3)的第二入口相連；蒸發(fā)器(3)的第二出口與第二截止閥(16)的入口相連，第二截止閥(16)的出口與冷凝器(14)的第二入口相連。吸附床(11)的第二端與陣列熱管箱(12)的入口相連，陣列熱管箱(12)的出口與外界環(huán)境接口(13)相連。

一種使用噴霧冷卻和吸附式制冷的機(jī)載高熱流密度設(shè)備熱管理系統(tǒng)，其特征在于包括以下過(guò)程：

噴霧冷卻過(guò)程：打開第一截止閥(5)，啟動(dòng)第一水泵(2)和第二水泵(17)，通過(guò)第一水泵(2)的作用將水從儲(chǔ)水箱(1)中抽出，流經(jīng)蒸發(fā)器(3)降低溫度后依次流入流量調(diào)節(jié)閥(4)和第一截止閥(5)，通過(guò)第一截止閥(5)后的水經(jīng)過(guò)流量計(jì)(6)后流入噴嘴(8)，在噴嘴(8)中霧化后向待冷卻表面(9)噴射。與待冷卻表面(9)充分換熱后的水流入熱回收器(10)。熱回收器(10)吸收水中的熱量，放熱后的水經(jīng)過(guò)第二水泵(17)驅(qū)動(dòng)流入儲(chǔ)水箱(1)中，完成噴霧冷卻過(guò)程。

吸附式制冷過(guò)程：吸附床(11)中存在吸附劑以及被吸附劑吸附的制冷劑。關(guān)閉第二截止閥(16)，打開節(jié)流閥(15)。熱回收器(10)吸收水中的熱量后，將熱量傳遞至吸附床(11)中，吸附床(11)中的吸附劑受熱后將制冷劑釋放，制冷劑流經(jīng)冷凝器(14)和節(jié)流閥(15)后進(jìn)入蒸發(fā)器(3)。此時(shí)關(guān)閉節(jié)流閥(15)，打開第二截止閥(16)，打開外界環(huán)境接口(13)。飛機(jī)高空飛行時(shí)外界環(huán)境溫度很低，通過(guò)陣列熱管箱(12)將吸附床(11)中存在的熱量導(dǎo)入外界環(huán)境中，吸附床(11)中的吸附劑溫度降低。此時(shí)吸附劑對(duì)制冷劑起吸附作用，蒸發(fā)器(3)中的制冷劑蒸發(fā)，得到冷量。此時(shí)流經(jīng)蒸發(fā)器(3)的水的溫度得到降低。制冷劑流經(jīng)蒸發(fā)器(3)、第二截止閥(16)、冷凝器(14)后流入吸附床(11)，被吸附床(11)中的吸附劑吸附，完成吸附式制冷過(guò)程。

熱管理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先開啟噴霧冷卻系統(tǒng)，即打開第一截止閥(5)、第一水泵(2)和第二水泵(17)，此時(shí)待冷卻表面(9)的溫度得到控制，熱回收器(10)吸收熱量并傳送至吸附床(11)上，使得制冷劑脫附并流入蒸發(fā)器(3)。此時(shí)關(guān)閉節(jié)流閥(15)，打開第二截止閥(16)、打開外界環(huán)境接口(13)，吸附式制冷系統(tǒng)和噴霧冷卻系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行，可回收利用噴霧冷卻系統(tǒng)帶走的熱量，達(dá)到未流入噴嘴(8)的水降溫的效果。

所述的陣列熱管箱(12)中放置多根熱管(18)，熱管(18)的熱端與吸附床(11)的第二端相連，熱管(18)的冷端與外界環(huán)境接口(13)相連。

所述的吸附床(11)中可使用沸石、活性炭或化學(xué)吸附劑吸附制冷劑。

所述的吸附床(11)中吸附的制冷劑可為水或氨。

所述的流量調(diào)節(jié)閥(4)用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)噴霧冷卻的水流量；所述的流量計(jì)(6)用于記錄噴霧冷卻水流量。

所述的待冷卻表面(9)為飛機(jī)上高熱流密度設(shè)備的表面，為確保水不泄漏，將待冷卻表面(9)和噴嘴(8)封裝在噴霧室(7)中。

所述的外界環(huán)境接口(13)平時(shí)關(guān)閉，當(dāng)吸附式制冷系統(tǒng)需完成吸附過(guò)程時(shí)開啟。

附圖說(shuō)明

附圖1為本發(fā)明的原理圖。

附圖1中的標(biāo)號(hào)名稱：1.儲(chǔ)水箱、2.第一水泵、3.蒸發(fā)器、4.流量調(diào)節(jié)閥、5.第一截止閥、6.流量計(jì)、7.噴霧室、8.噴嘴、9.待冷卻表面、10.熱回收器、11.吸附床、12.陣列熱管箱、13.外界環(huán)境接口、14.冷凝器、15.節(jié)流閥、16.第二截止閥、17.第二水泵。

附圖2為陣列熱管箱示意圖，圖2中的標(biāo)號(hào)名稱：12.陣列熱管箱、18.熱管。

附圖3為陣列熱管箱俯視圖，圖3中的標(biāo)號(hào)名稱：12.陣列熱管箱、18.熱管。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種使用噴霧冷卻和吸附式制冷的機(jī)載高熱流密度設(shè)備熱管理系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)水箱1、第一水泵2、蒸發(fā)器3、流量調(diào)節(jié)閥4、第一截止閥5、流量計(jì)6、噴霧室7、噴嘴8、待冷卻表面9、熱回收器10、吸附床11、陣列熱管箱12、外界環(huán)境接口13、冷凝器14、節(jié)流閥15、第二截止閥16、第二水泵17。

所述的陣列熱管箱12中放置多根熱管18，熱管18的數(shù)目由吸附床11所需的散熱量決定，熱管18的熱端與吸附床11的第二端相連，熱管18的冷端與外界環(huán)境接口13相連。

所述的吸附床11中可使用沸石、活性炭或化學(xué)吸附劑吸附制冷劑。

所述的吸附床11中吸附的制冷劑可為水或氨。

所述的流量調(diào)節(jié)閥4用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)噴霧冷卻的水流量；所述的流量計(jì)6用于記錄噴霧冷卻水流量。

所述的待冷卻表面9為飛機(jī)上高熱流密度設(shè)備的表面，為確保水不泄漏，將待冷卻表面9和噴嘴8封裝在噴霧室7中。

所述的外界環(huán)境接口13平時(shí)關(guān)閉，當(dāng)吸附式制冷系統(tǒng)需完成吸附過(guò)程時(shí)開啟。

飛機(jī)起飛前，儲(chǔ)水箱1內(nèi)存有一定量的水，吸附床11內(nèi)有吸附劑和制冷劑。飛機(jī)起飛后系統(tǒng)開始運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，包括以下過(guò)程：

噴霧冷卻過(guò)程：當(dāng)待冷卻表面9溫度大于80℃時(shí)，打開第一截止閥5，啟動(dòng)第一水泵2和第二水泵17，通過(guò)第一水泵2的作用將水從儲(chǔ)水箱1中抽出，流經(jīng)蒸發(fā)器3降低溫度后依次流入流量調(diào)節(jié)閥4和第一截止閥5，通過(guò)第一截止閥5后的水經(jīng)過(guò)流量計(jì)6后流入噴嘴8，在噴嘴8中霧化后向待冷卻表面9噴射。待冷卻表面9的溫度控制在80℃以下。與待冷卻表面9充分換熱后的水流入熱回收器10。熱回收器10吸收水中的熱量，放熱后的水經(jīng)過(guò)第二水泵17驅(qū)動(dòng)流入儲(chǔ)水箱1中，完成噴霧冷卻過(guò)程。

吸附式制冷過(guò)程：吸附床11中存在吸附劑以及被吸附劑吸附的制冷劑。關(guān)閉第二截止閥16，打開節(jié)流閥15。熱回收器10吸收水中的熱量后，將熱量傳遞至吸附床11中，吸附床11中的吸附劑受熱后將制冷劑釋放，制冷劑流經(jīng)冷凝器14和節(jié)流閥15后進(jìn)入蒸發(fā)器3。此時(shí)關(guān)閉節(jié)流閥15，打開第二截止閥16，打開外界環(huán)境接口13。飛機(jī)高空飛行時(shí)外界環(huán)境溫度很低，通過(guò)陣列熱管箱12將吸附床11中存在的熱量導(dǎo)入外界環(huán)境中，吸附床11中的吸附劑溫度降低。此時(shí)吸附劑對(duì)制冷劑起吸附作用，蒸發(fā)器3中的制冷劑蒸發(fā)，得到冷量。此時(shí)流經(jīng)蒸發(fā)器3的水的溫度得到降低。制冷劑流經(jīng)蒸發(fā)器3、第二截止閥16、冷凝器14后流入吸附床11，被吸附床11中的吸附劑吸附，完成吸附式制冷過(guò)程。

熱管理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先開啟噴霧冷卻系統(tǒng)，即打開第一截止閥5、第一水泵2和第二水泵17，此時(shí)待冷卻表面9的溫度得到控制，熱回收器10吸收熱量并傳送至吸附床11上，使得制冷劑脫附并流入蒸發(fā)器3。此時(shí)關(guān)閉節(jié)流閥15，打開第二截止閥16、打開外界環(huán)境接口13，吸附式制冷系統(tǒng)和噴霧冷卻系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行，可回收利用噴霧冷卻系統(tǒng)帶走的熱量，達(dá)到為噴嘴8之前的水降溫的效果，從而更好的控制表面溫度，提升噴霧冷卻性能。

噴霧冷卻系統(tǒng)關(guān)閉后，通過(guò)第二水泵17將所有水吸入水箱1內(nèi)，關(guān)閉外界環(huán)境接口13，隔絕外部冷源與吸附床11，此時(shí)制冷劑均吸附在吸附床11中的吸附劑上，以備系統(tǒng)下次運(yùn)行時(shí)使用。