CN109041551A - 一种使用模块化相变材料换热器储能和使用冲压空气及燃油作为冷源的机载喷雾冷却*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用模块化相变材料换热器储能和使用冲压空气及燃油作为冷源的机载喷雾冷却***，属于机载高热流密度设备冷却领域。本发明主要解决机载冷源无法直接使用时的雷达芯片和激光武器等高热流密度表面的持续散热问题。本发明使用喷雾冷却方式冷却高热量密度表面，使用冲压空气作为主要冷源，使用机载燃油作为辅助冷源，根据飞机飞行时可否使用冲压空气选择冷源组合方式；以相变材料作为中间储能介质，且使用模块化相变材料换热器，确保每个换热器模块循环储能和放能。较之于以往的机载喷雾冷却***，本***实现了模块化相变材料换热器的交替取热释放冷量，可以长时间提供低温冷却水供喷雾冷却***使用，满足机载复杂环境下的冷却需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用模块化相变材料换热器储能和使用冲压空气及燃油作为冷源的机载喷雾冷却***，属于机载高热流密度电子设备冷却领域。
背景技术
随着机载雷达技术的飞速发展，功放芯片已从硅芯片、GaAs芯片发展到了第3代半导体GaN芯片。美国海军和空军的若干项目显示，在研的GaN芯片热流密度已达500W/cm2，未来芯片的热流密度将超过1000W/cm2。同时随着对军用飞机机动性能、隐身性能、防御性能要求的不断提高，高功率激光技术、电子元器件高度集成与微型化等技术得以迅速发展。激光武器在发射瞬间几秒内会产生兆瓦级的热量，导致其表面产生数百甚至数千W/cm2的热流密度。如果不采取有效措施降低雷达芯片和激光武器表面温度，轻则大大降低其工作效率，重则烧毁电子器件，影响飞行安全。
因此，如何高效安全地解决雷达芯片及机载设备的快速散热问题具有重要的研究意义。常规的风冷和水冷方式换热能力已达到极限，无法满足日益提高的电子设备的散热需求。喷雾冷却是将冷却介质通过雾化分解为无数的离散型小液滴，喷淋到加热表面上通过单相换热和两相换热带走热量的一种新型冷却方式。如能解决冷源和持续运行的问题，喷雾冷却技术在机载设备冷却领域具有很强的应用前景。
已有部分专利提出了喷雾冷却在机载领域的应用方法，如专利201611007244.8提出了一种机载蒸发循环制冷综合热管理***及其方法与应用，主要特点是使用蒸发制冷循环同时完成舱内制冷和发热元件的喷雾冷却，该方案的主要特点是使用蒸发制冷循环为喷雾介质提供冷量，然而机载空间有限，蒸发制冷循环制冷量受到限制，加之还需满足舱内制冷需求，应用至喷雾冷却***的冷量必然不足，无法完成激光武器等高热量密度表面的冷却工作；专利 ZL201721063995.1提出了一种机载涡轮间歇蓄冷式激光武器喷雾冷却***，主要特点是使用涡轮作为制冷器件和动力源，该方案中冷源完全由涡轮提供，增加了飞机原有涡轮制冷***的负荷，对于飞机的长期稳定运行不利。
飞机在高空正常飞行时可引入冲压空气，为喷雾冷却***提供了天然的冷源；若处于紧急情况无法使用冲压空气时，可选择添加辅助冷源。本专利使用机载燃油作为辅助冷源，且采用相变材料作为中间介质，在喷雾冷却装置不工作时依然可以储存冲压空气和机载燃油提供的冷量，在待冷却表面需冷却时，一部分模块内的相变材料释放冷量给喷雾介质，同时另一部分模块内的相变材料从外界吸收冷量，待释放冷量模块内的相变材料完全液化后立即切换至已吸收冷量的模块，模块化相变材料换热器的交替取热释放冷量保证了***运行的持续性。应用本专利冷却机载激光武器或雷达可确保喷雾冷却介质循环使用，且辅助冷源的添加提升了***冗余度，充足的冷量保证了喷雾冷却的换热效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用模块化相变材料换热器储能和使用冲压空气及燃油作为冷源的机载喷雾冷却***，确定外界冲压空气为主要冷源，使用机载燃油作为辅助冷源，以模块化的相变材料换热器为中间蓄冷和释放冷量装置。本发明有助于推动相变储能及高效换热技术在机载设备冷却领域的应用。
***主要包括流量计(1)、第一截止阀(2-1)、第二截止阀(2-2)、第三截止阀(2-3)、第四截止阀(2-4)、第五截止阀(2-5)、第六截止阀(2-6)、第七截止阀(2-7)、流量调节阀(3)、第一水泵(4-1)、第二水泵(4-2)、第一喷嘴(5-1)、第二喷嘴(5-2)、第三喷嘴(5-3)、第四喷嘴(5-4)、第五喷嘴(5-5)、待冷却表面(6)、喷雾室(7)、相变材料换热器(8)、第一换热器(9-1)、第二换热器(9-2)、第三换热器(9-3)、油量调节阀(10)、油箱(11)、热管(12)、冲压空气入口(13)、水箱(15)；
其中，相变材料换热器(8)包括第一相变材料换热模块(8-1)、第二相变材料换热模块 (8-2)、第三相变材料换热模块(8-3)、第四相变材料换热模块(8-4)、第五相变材料换热模块(8-5)、第六相变材料换热模块(8-6)，相变材料换热模块具有制冷剂入口、制冷剂出口、冷水入口、冷水出口；
相变材料换热器(8)具有第一制冷剂入口(14-1)、第二制冷剂入口(14-2)、制冷剂出口(14-3)、第一冷水入口(14-5)、第二冷水入口(14-6)、冷水出口(14-4)；第一换热器(9-1) 具有制冷剂入口、制冷剂出口、油入口、油出口；第二换热器(9-2)具有制冷剂入口、制冷剂出口、热管接口；第三换热器(9-3)具有冷气入口、冷气出口、热管接口；油箱(11)具有油入口、油出口；
水箱(15)的出口与第一水泵(4-1)的入口相连，第一水泵(4-1)的出口与流量调节阀 (3)的入口相连，流量调节阀(3)的出口与第一截止阀(2-1)的入口相连，第一截止阀(2-1) 的出口与流量计(1)的入口相连，流量计(1)的出口经喷雾室(7)的入口与第一喷嘴(5-1) 的入口、第二喷嘴(5-2)的入口、第三喷嘴(5-3)的入口、第四喷嘴(5-4)的入口、第五喷嘴(5-5)的入口相连，第一喷嘴(5-1)的出口、第二喷嘴(5-2)的出口、第三喷嘴(5-3) 的出口、第四喷嘴(5-4)的出口、第五喷嘴(5-5)的出口位于待冷却表面(6)的左侧方，喷雾室(7)的出口分别与第六截止阀(2-6)的入口和第七截止阀(2-7)的入口相连，第六截止阀(2-6)的出口与相变材料换热器(8)的第一冷水入口(14-5)相连，相变材料换热器(8)的第一冷水入口(14-5)与第一相变材料换热模块(8-1)的冷水入口、第三相变材料换热模块(8-3)的冷水入口、第五相变材料换热模块(8-5)的冷水入口相连，第七截止阀(2-7)的出口与相变材料换热器(8)的第二冷水入口(14-6)相连，相变材料换热器(8) 的第二冷水入口(14-6)与第二相变材料换热模块(8-2)的冷水入口、第四相变材料换热模块(8-4)的冷水入口、第六相变材料换热模块(8-6)的冷水入口相连，第一相变材料换热模块(8-1)的冷水出口、第二相变材料换热模块(8-2)的冷水出口、第三相变材料换热模块(8-3)的冷水出口、第四相变材料换热模块(8-4)的冷水出口、第五相变材料换热模块 (8-5)的冷水出口、第六相变材料换热模块(8-6)的冷水出口与相变材料换热器(8)的冷水出口(14-4)相连，相变材料换热器(8)的冷水出口(14-4)与水箱(15)的入口相连；
第二截止阀(2-2)的出口与相变材料换热器(8)的第二制冷剂入口(14-2)相连，相变材料换热器(8)的第二制冷剂入口(14-2)与第二相变材料换热模块(8-2)的制冷剂入口、第四相变材料换热模块(8-4)的制冷剂入口、第六相变材料换热模块(8-6)的制冷剂入口相连，第三截止阀(2-3)的出口与相变材料换热器(8)的第一制冷剂入口(14-1)相连，相变材料换热器(8)的第一制冷剂入口(14-1)与第一相变材料换热模块(8-1)的制冷剂入口、第三相变材料换热模块(8-3)的制冷剂入口、第五相变材料换热模块(8-5)的制冷剂入口相连，第一相变材料换热模块(8-1)的制冷剂出口、第二相变材料换热模块(8-2) 的制冷剂出口、第三相变材料换热模块(8-3)的制冷剂出口、第四相变材料换热模块(8-4) 的制冷剂出口、第五相变材料换热模块(8-5)的制冷剂出口、第六相变材料换热模块(8-6) 的制冷剂出口与相变材料换热器(8)的制冷剂出口(14-3)相连，相变材料换热器(8)的制冷剂出口(14-3)分别与第五截止阀(2-5)的入口和第四截止阀(2-4)的入口相连，第五截止阀(2-5)的出口与第一换热器(9-1)的制冷剂入口相连，第四截止阀(2-4)的出口与第二换热器(9-2)的制冷剂入口相连，第一换热器(9-1)的制冷剂出口分别与第二截止阀 (2-2)的入口和第三截止阀(2-3)的入口相连，第二换热器(9-2)的制冷剂出口分别与第二截止阀(2-2)的入口和第三截止阀(2-3)的入口相连，
第一换热器(9-1)的油出口与第二水泵(4-2)的入口相连，第二水泵(4-2)的出口与油箱(11)的油入口相连，油箱(11)的油出口与油量调节阀(10)的入口相连，油量调节阀(10)的出口与第一换热器(9-1)的油入口相连；
第二换热器(9-2)的热管接口与第三换热器(9-3)的热管接口通过热管(12)相连；
冲压空气入口(13)与第三换热器(9-3)的冷气入口相连，第三换热器(9-3)的冷气出口与外界环境相连。
本发明公开的一种使用模块化相变材料换热器储能和使用冲压空气及燃油作为冷源的机载喷雾冷却***，运行时包括以下过程：
冲压空气换热过程：外界低温冲压空气经冲压空气入口(13)进入第三换热器(9-3)中，在第三换热器(9-3)中将冷量传递至热管(12)，冲压空气经第三换热器(9-3)后温度升高变成热空气，热空气流入外界环境；
机载燃油换热过程：油箱(11)内低温燃油经油量调节阀(10)进入第一换热器(9-1) 中，在第一换热器(9-1)中与制冷剂换热，低温燃油经第一换热器(9-1)后温度升高变成高温燃油，高温燃油流入油箱(11)完成循环；
制冷剂循环过程：当飞行状态允许正常使用冲压空气时，关闭第五截止阀(2-5)，开启第四截止阀(2-4)，制冷剂在第二换热器(9-2)中与热管(12)传递的冷量换热，换热完成后制冷剂经第二换热器(9-2)进入相变材料换热器(8)中，在相变材料换热器(8)中与相变材料换热，换热完成后制冷剂进入第二换热器(9-2)完成循环；当飞行状态不允许正常使用冲压空气时，关闭第四截止阀(2-4)，开启第五截止阀(2-5)，制冷剂在第一换热器(9-1)中与机载燃油换热，换热完成后经第一换热器(9-1)进入相变材料换热器(8)中，在相变材料换热器(8)中与相变材料换热，换热完成后制冷剂进入第一换热器(9-1)完成循环；
喷雾冷却及相变材料蓄冷过程：***运行时，当待冷却表面(6)需要散热，且第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块(8-5)内相变材料蓄冷完成变成固态后，开启第一水泵(4-1)、流量调节阀(3)、第一截止阀(2-1)、第六截止阀(2-6)、第二截止阀(2-2)，关闭第三截止阀(2-3)、第七截止阀(2-7)，冷水经相变材料换热器(8)的冷水出口(14-4)、第一水泵(4-1)、流量调节阀(3)、第一截止阀(2-1) 和流量计(1)后流入第一喷嘴(5-1)、第二喷嘴(5-2)、第三喷嘴(5-3)、第四喷嘴(5-4)、第五喷嘴(5-5)，在第一喷嘴(5-1)、第二喷嘴(5-2)、第三喷嘴(5-3)、第四喷嘴(5-4)、第五喷嘴(5-5)中雾化后喷射至待冷却表面(6)，降低待冷却表面(6)的温度，换热完成后的热水经喷雾室(7)出口、第六截止阀(2-6)出口流入第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块(8-5)中，在第一相变材料换热模块 (8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块(8-5)中与相变材料换热降温变成冷水完成循环，第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)和第五相变材料换热模块(8-5)内的相变材料变为液态；同时制冷剂经第二截止阀(2-2)出口流入第二相变材料换热模块(8-2)、第四相变材料换热模块(8-4)、第六相变材料换热模块(8-6) 中，在第二相变材料换热模块(8-2)、第四相变材料换热模块(8-4)、第六相变材料换热模块(8-6)中与相变材料换热，第二相变材料换热模块(8-2)、第四相变材料换热模块(8-4)、第六相变材料换热模块(8-6)内相变材料蓄冷变成固态；
***运行时，当待冷却表面(6)需要散热，且第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块(8-5)内相变材料尚未变为固态，第二相变材料换热模块(8-2)、第四相变材料换热模块(8-4)和第六相变材料换热模块(8-6)内相变材料蓄冷完成，开启第一水泵(4-1)、流量调节阀(3)、第一截止阀(2-1)、第三截止阀(2-3)、第七截止阀(2-7)，关闭第六截止阀(2-6)、第二截止阀(2-2)，冷水经相变材料换热器(8)的冷水出口(14-4)、第一水泵(4-1)、流量调节阀(3)、第一截止阀(2-1)和流量计(1) 后流入第一喷嘴(5-1)、第二喷嘴(5-2)、第三喷嘴(5-3)、第四喷嘴(5-4)、第五喷嘴(5-5)，在第一喷嘴(5-1)、第二喷嘴(5-2)、第三喷嘴(5-3)、第四喷嘴(5-4)、第五喷嘴(5-5) 中雾化后喷射至待冷却表面(6)，降低待冷却表面(6)的温度，换热完成后的热水经喷雾室 (7)出口、第七截止阀(2-7)出口流入第二相变材料换热模块(8-2)、第四相变材料换热模块(8-4)、第六相变材料换热模块(8-6)中，在第二相变材料换热模块(8-2)、第四相变材料换热模块(8-4)、第六相变材料换热模块(8-6)中与相变材料换热降温变成冷水完成循环，第二相变材料换热模块(8-2)、第四相变材料换热模块(8-4)和第六相变材料换热模块 (8-6)内的相变材料变为液态；同时制冷剂经第三截止阀(2-3)出口流入第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块(8-5)中，在第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块(8-5)中与相变材料换热，第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块(8-5)内相变材料蓄冷变成固态；
当第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块 (8-5)内相变材料完全变为固态后，再一次开启第一水泵(4-1)、流量调节阀(3)、第一截止阀(2-1)、第六截止阀(2-6)、第二截止阀(2-2)，关闭第三截止阀(2-3)、第七截止阀(2-7)，重复完成待冷却表面(6)的散热。
所述第一喷嘴(5-1)、第二喷嘴(5-2)、第三喷嘴(5-3)、第四喷嘴(5-4)、第五喷嘴(5-5) 同时向待冷却表面(6)喷射雾化后的冷却水。
第一喷嘴(5-1)、第二喷嘴(5-2)、第三喷嘴(5-3)、第四喷嘴(5-4)、第五喷嘴(5-5)和待冷却表面(6)均封闭安装在喷雾室(7)中。
相变材料换热器(8)使用模块化设计，相变材料换热模块数目为双数，根据散热需求增加或减少相变材料换热模块的数量。
相变材料换热器(8)中的不同换热模块可同时实现蓄冷和释放冷量功能，当相变材料换热模块(8-1)、相变材料换热模块(8-3)、相变材料换热模块(8-5)向喷雾介质释放冷量时，相变材料换热模块(8-2)、相变材料换热模块(8-4)、相变材料换热模块(8-6)从冲压空气或机载燃油蓄冷；当相变材料换热模块(8-2)、相变材料换热模块(8-4)、相变材料换热模块(8-6)向喷雾介质释放冷量时，相变材料换热模块(8-1)、相变材料换热模块(8-3)、相变材料换热模块(8-5)从冲压空气或机载燃油蓄冷。
制冷剂为R22、R134a或R407C。
相变材料换热器(8)内相变材料释放冷量后状态为液态，蓄冷后状态为固态。
附图说明
附图1为本发明的原理图；
附图1中的标号名称：1.流量计、2-1.第一截止阀、2-2.第二截止阀、2-3.第三截止阀、2-4. 第四截止阀、2-5.第五截止阀、2-6.第六截止阀、2-7.第七截止阀、3.流量调节阀、4-1.第一水泵、4-2.第二水泵、5-1.第一喷嘴、5-2.第二喷嘴、5-3.第三喷嘴、5-4.第四喷嘴、5-5.第五喷嘴、 6.待冷却表面、7.喷雾室、8.相变材料换热器、9-1.第一换热器、9-2.第二换热器、9-3.第三换热器、10.油量调节阀、11.油箱、12.热管、13.冲压空气入口、15.水箱。
附图2为相变材料换热器(8)的结构示意图；
附图2中的标号名称：2-2.第二截止阀、2-3.第三截止阀、2-6.第六截止阀、2-7.第七截止阀、14-1.第一制冷剂入口、14-2.第二制冷剂入口、14-3.制冷剂出口、14-4.冷水出口、14-5. 第一冷水入口、14-6.第二冷水入口、8-1.第一相变材料换热模块、8-2.第二相变材料换热模块、 8-3.第三相变材料换热模块、8-4.第四相变材料换热模块、8-5.第五相变材料换热模块、8-6. 第六相变材料换热模块。
具体实施方式
如图1所示，一种使用模块化相变材料换热器储能和使用冲压空气及燃油作为冷源的机载喷雾冷却***主要包括流量计1、第一截止阀2-1、第二截止阀2-2、第三截止阀2-3、第四截止阀2-4、第五截止阀2-5、第六截止阀2-6、第七截止阀2-7、流量调节阀3、第一水泵4-1、第二水泵4-2、第一喷嘴5-1、第二喷嘴5-2、第三喷嘴5-3、第四喷嘴5-4、第五喷嘴5-5、待冷却表面6、喷雾室7、相变材料换热器8、第一相变材料换热模块8-1、第二相变材料换热模块8-2、第三相变材料换热模块8-3、第四相变材料换热模块8-4、第五相变材料换热模块 8-5、第六相变材料换热模块8-6、第一换热器9-1、第二换热器9-2、第三换热器9-3、油量调节阀10、油箱11、热管12、冲压空气入口13、第一制冷剂入口14-1、第二制冷剂入口14-2、制冷剂出口14-3、冷水出口14-4、第一冷水入口14-5、第二冷水入口14-6、水箱15。
飞机起飞前，根据飞机续航时间和设备需冷却时间得出喷雾冷却***运行时间，根据运行时间加入适量相变材料换热模块。此时第一截止阀2-1、第二截止阀2-2、第三截止阀2-3、第四截止阀2-4、第五截止阀2-5、第六截止阀2-6、第七截止阀2-7、流量调节阀3均处于关闭状态。
飞机起飞后，冲压空气入口13吸入冲压空气，冲压空气将热量传递至热管12；关闭第五截止阀2-5，开启第四截止阀2-4，制冷剂在第二换热器9-2中与热管12换热，换热完成后经第二换热器9-2进入相变材料换热器8中，在相变材料换热器8中与相变材料换热，换热完成后制冷剂进入第二换热器9-2完成循环；当冲压空气无法正常使用时，关闭第四截止阀2-4，开启第五截止阀2-5，制冷剂在第一换热器9-1中与机载燃油换热，换热完成后经第一换热器 9-1进入相变材料换热器8中，在相变材料换热器8中与相变材料换热，换热完成后制冷剂进入第一换热器9-1完成循环；
飞机起飞后，当需要对电子设备或其他表面进行冷却，且第一相变材料换热模块8-1、第三相变材料换热模块8-3、第五相变材料换热模块8-5内相变材料蓄冷过程完成，相变材料变为固态后，开启水泵4-1、流量调节阀3、第一截止阀2-1、第六截止阀2-6、第二截止阀2-2，关闭第三截止阀2-3、第七截止阀2-7，冷水经相变材料换热器8的冷水出口14-4、水泵4-1、流量调节阀3、第一截止阀2-1和流量计1后流入第一喷嘴5-1、第二喷嘴5-2、第三喷嘴5-3、第四喷嘴5-4、第五喷嘴5-5，在第一喷嘴5-1、第二喷嘴5-2、第三喷嘴5-3、第四喷嘴5-4、第五喷嘴5-5中雾化后喷射至待冷却表面6，降低待冷却表面6的温度，换热完成后的热水经喷雾室7出口、第六截止阀2-6出口流入第一相变材料换热模块8-1、第三相变材料换热模块 8-3、第五相变材料换热模块8-5中，在第一相变材料换热模块8-1、第三相变材料换热模块 8-3、第五相变材料换热模块8-5中与相变材料换热降温变成冷水完成循环，此时第一相变材料换热模块8-1、第三相变材料换热模块8-3、第五相变材料换热模块8-5中的相变材料释放冷量完毕，变为液态；
同时制冷剂经第二截止阀2-2出口流入第二相变材料换热模块8-2、第四相变材料换热模块8-4、第六相变材料换热模块8-6中，在第二相变材料换热模块8-2、第四相变材料换热模块8-4、第六相变材料换热模块8-6中与相变材料换热，第二相变材料换热模块8-2、第四相变材料换热模块8-4、第六相变材料换热模块8-6内相变材料蓄冷变成固态；
***运行时，当需要对电子设备或其他表面进行冷却，且第一相变材料换热模块8-1、第三相变材料换热模块8-3、第五相变材料换热模块8-5内相变材料经过换热已完全变为液态，第二相变材料换热模块8-2、第四相变材料换热模块8-4、第六相变材料换热模块8-6内相变材料蓄冷完成变为固态后，开启水泵4-1、流量调节阀3、第一截止阀2-1、第三截止阀2-3、第七截止阀2-7，关闭第六截止阀2-6、第二截止阀2-2，冷水经相变材料换热器8的冷水出口14-4、水泵4-1、流量调节阀3、第一截止阀2-1和流量计1后流入第一喷嘴5-1、第二喷嘴5-2、第三喷嘴5-3、第四喷嘴5-4、第五喷嘴5-5，在第一喷嘴5-1、第二喷嘴5-2、第三喷嘴5-3、第四喷嘴5-4、第五喷嘴5-5中雾化后喷射至待冷却表面6，降低待冷却表面6的温度，换热完成后的热水经喷雾室7出口、第七截止阀2-7出口流入第二相变材料换热模块8-2、第四相变材料换热模块8-4、第六相变材料换热模块8-6中，在第二相变材料换热模块8-2、第四相变材料换热模块8-4、第六相变材料换热模块8-6中与相变材料换热降温变成冷水完成循环，第二相变材料换热模块8-2、第四相变材料换热模块84、第六相变材料换热模块8-6 内相变材料再次变为液态；
同时制冷剂经第三截止阀2-3出口流入第一相变材料换热模块8-1、第三相变材料换热模块8-3、第五相变材料换热模块8-5中，在第一相变材料换热模块8-1、第三相变材料换热模块8-3、第五相变材料换热模块8-5中与相变材料换热，第一相变材料换热模块8-1、第三相变材料换热模块8-3、第五相变材料换热模块8-5内相变材料蓄冷变成固态；
当第一相变材料换热模块8-1、第三相变材料换热模块8-3、第五相变材料换热模块8-5 内相变材料完全变为固态后，再一次开启第一水泵4-1、流量调节阀3、第一截止阀2-1、第六截止阀2-6、第二截止阀2-2，关闭第三截止阀2-3、第七截止阀2-7，重复完成待冷却表面 6的散热。
该使用使用模块化相变材料换热器储能和使用冲压空气及燃油作为冷源的机载喷雾冷却***，使用水作为冷却介质，对激光武器和电子设备表面无腐蚀和污染；使用外界冲压空气作为主要冷源，使用机载燃油作为辅助冷源。机载燃油的引用使得冲压空气不能正常利用时，保证了喷雾冷却***的冗余度和可靠性。相变材料的引入使得***在喷雾冷却无需工作时仍然可以积蓄冷量至相变材料中，便于随时开启喷雾冷却装置。一部分模块内的相变材料释放冷量给喷雾介质时，同时另一部分模块内的相变材料从外界吸收冷量，待释放冷量模块内的相变材料完全液化后立即将已吸收完毕冷量的模块于喷雾介质接触，相变材料换热器的模块化设计和交替取热释放冷量保证了机载喷雾冷却***在机载设备持续工作条件下的持续稳定运行。
Claims (8)
1.一种使用模块化相变材料换热器储能和使用冲压空气及燃油作为冷源的机载喷雾冷却***，其特征在于包括流量计(1)、第一截止阀(2-1)、第二截止阀(2-2)、第三截止阀(2-3)、第四截止阀(2-4)、第五截止阀(2-5)、第六截止阀(2-6)、第七截止阀(2-7)、流量调节阀(3)、第一水泵(4-1)、第二水泵(4-2)、第一喷嘴(5-1)、第二喷嘴(5-2)、第三喷嘴(5-3)、第四喷嘴(5-4)、第五喷嘴(5-5)、待冷却表面(6)、喷雾室(7)、相变材料换热器(8)、第一换热器(9-1)、第二换热器(9-2)、第三换热器(9-3)、油量调节阀(10)、油箱(11)、热管(12)、冲压空气入口(13)、水箱(15)；
其中，相变材料换热器(8)包括第一相变材料换热模块(8-1)、第二相变材料换热模块(8-2)、第三相变材料换热模块(8-3)、第四相变材料换热模块(8-4)、第五相变材料换热模块(8-5)、第六相变材料换热模块(8-6)，相变材料换热模块具有制冷剂入口、制冷剂出口、冷水入口、冷水出口；
相变材料换热器(8)具有第一制冷剂入口(14-1)、第二制冷剂入口(14-2)、制冷剂出口(14-3)、第一冷水入口(14-5)、第二冷水入口(14-6)、冷水出口(14-4)；第一换热器(9-1)具有制冷剂入口、制冷剂出口、油入口、油出口；第二换热器(9-2)具有制冷剂入口、制冷剂出口、热管接口；第三换热器(9-3)具有冷气入口、冷气出口、热管接口；油箱(11)具有油入口、油出口；
水箱(15)的出口与第一水泵(4-1)的入口相连，第一水泵(4-1)的出口与流量调节阀(3)的入口相连，流量调节阀(3)的出口与第一截止阀(2-1)的入口相连，第一截止阀(2-1)的出口与流量计(1)的入口相连，流量计(1)的出口经喷雾室(7)的入口与第一喷嘴(5-1)的入口、第二喷嘴(5-2)的入口、第三喷嘴(5-3)的入口、第四喷嘴(5-4)的入口、第五喷嘴(5-5)的入口相连，第一喷嘴(5-1)的出口、第二喷嘴(5-2)的出口、第三喷嘴(5-3)的出口、第四喷嘴(5-4)的出口、第五喷嘴(5-5)的出口位于待冷却表面(6)的左侧方，喷雾室(7)的出口分别与第六截止阀(2-6)的入口和第七截止阀(2-7)的入口相连，第六截止阀(2-6)的出口与相变材料换热器(8)的第一冷水入口(14-5)相连，相变材料换热器(8)的第一冷水入口(14-5)与第一相变材料换热模块(8-1)的冷水入口、第三相变材料换热模块(8-3)的冷水入口、第五相变材料换热模块(8-5)的冷水入口相连，第七截止阀(2-7)的出口与相变材料换热器(8)的第二冷水入口(14-6)相连，相变材料换热器(8)的第二冷水入口(14-6)与第二相变材料换热模块(8-2)的冷水入口、第四相变材料换热模块(8-4)的冷水入口、第六相变材料换热模块(8-6)的冷水入口相连，第一相变材料换热模块(8-1)的冷水出口、第二相变材料换热模块(8-2)的冷水出口、第三相变材料换热模块(8-3)的冷水出口、第四相变材料换热模块(8-4)的冷水出口、第五相变材料换热模块(8-5)的冷水出口、第六相变材料换热模块(8-6)的冷水出口与相变材料换热器(8)的冷水出口(14-4)相连，相变材料换热器(8)的冷水出口(14-4)与水箱(15)的入口相连；
第二截止阀(2-2)的出口与相变材料换热器(8)的第二制冷剂入口(14-2)相连，相变材料换热器(8)的第二制冷剂入口(14-2)与第二相变材料换热模块(8-2)的制冷剂入口、第四相变材料换热模块(8-4)的制冷剂入口、第六相变材料换热模块(8-6)的制冷剂入口相连，第三截止阀(2-3)的出口与相变材料换热器(8)的第一制冷剂入口(14-1)相连，相变材料换热器(8)的第一制冷剂入口(14-1)与第一相变材料换热模块(8-1)的制冷剂入口、第三相变材料换热模块(8-3)的制冷剂入口、第五相变材料换热模块(8-5)的制冷剂入口相连，第一相变材料换热模块(8-1)的制冷剂出口、第二相变材料换热模块(8-2)的制冷剂出口、第三相变材料换热模块(8-3)的制冷剂出口、第四相变材料换热模块(8-4)的制冷剂出口、第五相变材料换热模块(8-5)的制冷剂出口、第六相变材料换热模块(8-6)的制冷剂出口与相变材料换热器(8)的制冷剂出口(14-3)相连，相变材料换热器(8)的制冷剂出口(14-3)分别与第五截止阀(2-5)的入口和第四截止阀(2-4)的入口相连，第五截止阀(2-5)的出口与第一换热器(9-1)的制冷剂入口相连，第四截止阀(2-4)的出口与第二换热器(9-2)的制冷剂入口相连，第一换热器(9-1)的制冷剂出口分别与第二截止阀(2-2)的入口和第三截止阀(2-3)的入口相连，第二换热器(9-2)的制冷剂出口分别与第二截止阀(2-2)的入口和第三截止阀(2-3)的入口相连；
第一换热器(9-1)的油出口与第二水泵(4-2)的入口相连，第二水泵(4-2)的出口与油箱(11)的油入口相连，油箱(11)的油出口与油量调节阀(10)的入口相连，油量调节阀(10)的出口与第一换热器(9-1)的油入口相连；
第二换热器(9-2)的热管接口与第三换热器(9-3)的热管接口通过热管(12)相连；
冲压空气入口(13)与第三换热器(9-3)的冷气入口相连，第三换热器(9-3)的冷气出口与外界环境相连。
2.根据权利要求1所述的一种使用模块化相变材料换热器储能和使用冲压空气及燃油作为冷源的机载喷雾冷却***，其特征在于包括以下过程：
冲压空气换热过程：外界低温冲压空气经冲压空气入口(13)进入第三换热器(9-3)中，在第三换热器(9-3)中将冷量传递至热管(12)，冲压空气经第三换热器(9-3)后温度升高变成热空气，热空气流入外界环境；
机载燃油换热过程：油箱(11)内低温燃油经油量调节阀(10)进入第一换热器(9-1)中，在第一换热器(9-1)中与制冷剂换热，低温燃油经第一换热器(9-1)后温度升高变成高温燃油，高温燃油流入油箱(11)完成循环；
制冷剂循环过程：当飞行状态允许正常使用冲压空气时，关闭第五截止阀(2-5)，开启第四截止阀(2-4)，制冷剂在第二换热器(9-2)中与热管(12)传递的冷量换热，换热完成后制冷剂经第二换热器(9-2)进入相变材料换热器(8)中，在相变材料换热器(8)中与相变材料换热，换热完成后制冷剂进入第二换热器(9-2)完成循环；当飞行状态不允许正常使用冲压空气时，关闭第四截止阀(2-4)，开启第五截止阀(2-5)，制冷剂在第一换热器(9-1)中与机载燃油换热，换热完成后经第一换热器(9-1)进入相变材料换热器(8)中，在相变材料换热器(8)中与相变材料换热，换热完成后制冷剂进入第一换热器(9-1)完成循环；
喷雾冷却及相变材料蓄冷过程：***运行时，当待冷却表面(6)需要散热，且第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块(8-5)内相变材料蓄冷完成变成固态后，开启第一水泵(4-1)、流量调节阀(3)、第一截止阀(2-1)、第六截止阀(2-6)、第二截止阀(2-2)，关闭第三截止阀(2-3)、第七截止阀(2-7)，冷水经相变材料换热器(8)的冷水出口(14-4)、第一水泵(4-1)、流量调节阀(3)、第一截止阀(2-1)和流量计(1)后流入第一喷嘴(5-1)、第二喷嘴(5-2)、第三喷嘴(5-3)、第四喷嘴(5-4)、第五喷嘴(5-5)，在第一喷嘴(5-1)、第二喷嘴(5-2)、第三喷嘴(5-3)、第四喷嘴(5-4)、第五喷嘴(5-5)中雾化后喷射至待冷却表面(6)，降低待冷却表面(6)的温度，换热完成后的热水经喷雾室(7)出口、第六截止阀(2-6)出口流入第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块(8-5)中，在第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块(8-5)中与相变材料换热降温变成冷水完成循环，第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)和第五相变材料换热模块(8-5)内的相变材料变为液态；同时制冷剂经第二截止阀(2-2)出口流入第二相变材料换热模块(8-2)、第四相变材料换热模块(8-4)、第六相变材料换热模块(8-6)中，在第二相变材料换热模块(8-2)、第四相变材料换热模块(8-4)、第六相变材料换热模块(8-6)中与相变材料换热，第二相变材料换热模块(8-2)、第四相变材料换热模块(8-4)、第六相变材料换热模块(8-6)内相变材料蓄冷变成固态；
***运行时，当待冷却表面(6)需要散热，且第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块(8-5)内相变材料尚未变为固态，第二相变材料换热模块(8-2)、第四相变材料换热模块(8-4)和第六相变材料换热模块(8-6)内相变材料蓄冷完成，开启第一水泵(4-1)、流量调节阀(3)、第一截止阀(2-1)、第三截止阀(2-3)、第七截止阀(2-7)，关闭第六截止阀(2-6)、第二截止阀(2-2)，冷水经相变材料换热器(8)的冷水出口(14-4)、第一水泵(4-1)、流量调节阀(3)、第一截止阀(2-1)和流量计(1)后流入第一喷嘴(5-1)、第二喷嘴(5-2)、第三喷嘴(5-3)、第四喷嘴(5-4)、第五喷嘴(5-5)，在第一喷嘴(5-1)、第二喷嘴(5-2)、第三喷嘴(5-3)、第四喷嘴(5-4)、第五喷嘴(5-5)中雾化后喷射至待冷却表面(6)，降低待冷却表面(6)的温度，换热完成后的热水经喷雾室(7)出口、第七截止阀(2-7)出口流入第二相变材料换热模块(8-2)、第四相变材料换热模块(8-4)、第六相变材料换热模块(8-6)中，在第二相变材料换热模块(8-2)、第四相变材料换热模块(8-4)、第六相变材料换热模块(8-6)中与相变材料换热降温变成冷水完成循环，第二相变材料换热模块(8-2)、第四相变材料换热模块(8-4)和第六相变材料换热模块(8-6)内的相变材料变为液态；同时制冷剂经第三截止阀(2-3)出口流入第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块(8-5)中，在第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块(8-5)中与相变材料换热，第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块(8-5)内相变材料蓄冷变成固态；
当第一相变材料换热模块(8-1)、第三相变材料换热模块(8-3)、第五相变材料换热模块(8-5)内相变材料完全变为固态后，再一次开启第一水泵(4-1)、流量调节阀(3)、第一截止阀(2-1)、第六截止阀(2-6)、第二截止阀(2-2)，关闭第三截止阀(2-3)、第七截止阀(2-7)，重复完成待冷却表面(6)的散热。
3.根据权利要求1所述的一种使用模块化相变材料换热器储能和使用冲压空气及燃油作为冷源的机载喷雾冷却***，其特征在于：
所述第一喷嘴(5-1)、第二喷嘴(5-2)、第三喷嘴(5-3)、第四喷嘴(5-4)、第五喷嘴(5-5)同时向待冷却表面(6)喷射雾化后的冷却水。
4.根据权利要求1所述的一种使用模块化相变材料换热器储能和使用冲压空气及燃油作为冷源的机载喷雾冷却***，其特征在于：
所述第一喷嘴(5-1)、第二喷嘴(5-2)、第三喷嘴(5-3)、第四喷嘴(5-4)、第五喷嘴(5-5)和待冷却表面(6)均封闭安装在喷雾室(7)中。
5.根据权利要求1所述的一种使用模块化相变材料换热器储能和使用冲压空气及燃油作为冷源的机载喷雾冷却***，其特征在于：
所述相变材料换热器(8)使用模块化设计，相变材料换热模块数目为双数，根据散热需求增加或减少相变材料换热模块的数量。
6.根据权利要求1所述的一种使用模块化相变材料换热器储能和使用冲压空气及燃油作为冷源的机载喷雾冷却***，其特征在于：
所述相变材料换热器(8)中的不同换热模块可同时实现蓄冷和释放冷量功能，当相变材料换热模块(8-1)、相变材料换热模块(8-3)、相变材料换热模块(8-5)向喷雾介质释放冷量时，相变材料换热模块(8-2)、相变材料换热模块(8-4)、相变材料换热模块(8-6)从冲压空气或机载燃油蓄冷；当相变材料换热模块(8-2)、相变材料换热模块(8-4)、相变材料换热模块(8-6)向喷雾介质释放冷量时，相变材料换热模块(8-1)、相变材料换热模块(8-3)、相变材料换热模块(8-5)从冲压空气或机载燃油蓄冷。
7.根据权利要求1所述的一种使用模块化相变材料换热器储能和使用冲压空气及燃油作为冷源的机载喷雾冷却***，其特征在于：
所述制冷剂为R22、R134a或R407C。
8.根据权利要求1所述的一种使用模块化相变材料换热器储能和使用冲压空气及燃油作为冷源的机载喷雾冷却***，其特征在于：
所述相变材料换热器(8)内相变材料释放冷量后状态为液态，蓄冷后状态为固态。
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