CN116592675A - 一种紧凑型无人机外置空液换热器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型无人机外置空液换热器及其制造方法，属于空液换热器技术领域。其包括风罩和位于风罩内的换热器内芯；换热器内芯由从上至下交替层叠的风侧冷板和液侧冷板组成；风侧冷板包括风侧底板和风侧翅片；风侧翅片位于风侧冷板的上表面；液侧冷板包括液侧底板；液侧底板上表面设有回流区域、进流区域和出流区域；进流区域设有分流翅片和左翅片，回流区域上设有回流翅片，出流区域设有汇流翅片和右翅片；其中，左翅片、回流翅片和右翅片上均设有相互平行的流道，且左翅片、回流翅片和右翅片上的流道一一对应并连通。本发明具有体积小、结构紧凑、换热效率高、易于加工、废品率低、空气动力学特性好等优点。

Description

一种紧凑型无人机外置空液换热器及其制造方法

技术领域

本发明属于空液换热器技术领域，具体涉及一种紧凑型无人机外置空液换热器及其制造方法。

背景技术

随着无人机内部电子设备集成度和运算性能的不断提升，带来不断升高的散热量和热流密度，传统的风冷散热体制已经无法满足***热控要求，采用冲压空气直接冷却的环控供液体制应用越来越广泛。空液换热器作环控供液***中实现空气和冷却液进行热交换的关键设备，其作用是利用冷却液风带走冷却液中的热量，将冷却液的温度降低，低温冷却液对电子设备进行散热。能够高效的利用冲压空气压头，体积小，结构紧凑，换热效率高，可靠性高，加工工艺简便是对空液换热器的设计和制造的新要求。

常见的空液换热器一般放置在无人机内部，通过引起风道和排气风道对其进行引流，这样做的弊端是空气压头损失较大，造成空液换热器效率不高，尺寸及重量难以降低，且空液换热器内部结构复杂，造成加工时焊接成功率低，采用多次焊接工艺容易引起可靠性的隐患，在机载振动环境较为剧烈条件下更容易出现焊缝开裂等问题。

无人机外置空液散热器由于缺少风道，流线型和空气动力学特性较差，压头损失也较大，使用时实际效果不佳。

空液换热器设计时一般按照最严酷环境(高温条件下)进行设计和校核，当无人机飞行在对换热较为有利的条件下(低温环境中)时，常见的空液换热器由于结构形式已经确定，导致供液温度相对较低，容易引起凝露等问题，这时如果需要调节供液温度，则需要改变进入换热器的冷却液流量或采取压缩制冷的工作体制，大大增加***的复杂度，这对于要求结构紧凑，体积小、重量轻的无人机平台是难以接受的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于避免上述背景技术中的不足之处而提供的一种紧凑型无人机空液换热器，具有体积小、结构紧凑、换热效率高、易于加工、废品率低、最大换热能力高、易于调整换热性能和冷却液出口温度，空气动力学特性好等优点。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种紧凑型无人机外置空液换热器，包括风罩和位于风罩内的换热器内芯；所述换热器内芯由从上至下交替层叠的风侧冷板和液侧冷板组成；

其中，所述风侧冷板包括风侧底板和风侧翅片；所述风侧翅片位于风侧冷板的上表面；

其中，所述液侧冷板包括液侧底板；所述液侧底板上表面设有回流区域、进流区域和出流区域；所述进流区域设有分流翅片和左翅片，回流区域上设有回流翅片，出流区域设有汇流翅片和右翅片；其中，左翅片、回流翅片和右翅片上均设有相互平行的流道，且左翅片、回流翅片和右翅片上的流道一一对应并连通；

所述左翅片的进流端和右翅片的出流端分别与分流翅片和汇流翅片的流道连接；进液口位于分流翅片流道的另一端，出液口位于汇流翅片流道的另一端。

进一步的，所述风侧底板上表面设有三个并列的风侧区域，相邻的区域之间通过分隔条隔开；风侧翅片固设于对应的区域内。

进一步的，所述回流翅片为等腰三角形结构，回流翅片上的流道平行于等腰三角形的底边。

进一步的，所述风冷底板的其中一相邻的两角位置处均设有贯孔，分别用于液侧冷板的进液和出液。

进一步的，所述风侧翅片的风道和左、右翅片的流道相互垂直。

进一步的，所述风罩为前后开口的通腔结构，包括底板和围板，围板固设于底板上；所述底板上还设有两个液体接口。

进一步的，所述围板包括上盖板、左侧板和右侧板；左侧板和右侧板为上窄下宽的梯形面。

进一步的，所述液侧冷板包括偶数层液侧冷板和奇数层液侧冷板；相邻的偶数层液侧冷板和奇数层液侧冷板通过风侧冷板隔开；所述偶数层液侧冷板和奇数层液侧冷板内的液体流向相反。

进一步的，所述偶数层液侧冷板和奇数层液侧冷板在两者之间的风侧冷板上上投影呈180°旋转对称；所述偶数层液侧冷板的进液口和奇数层液侧冷板的进液口通过电动三通阀连接，电动三通阀的另一端口为总进液口。

进一步的，所述偶数层液侧冷板的出液口和奇数层液侧冷板的出液口与第二电动三通阀连接，第二电动三通阀的另一端为总出液口；所述第二电动三通阀的总出液口位置处安装有温度传感器。

一种紧凑型无人机外置空液换热器的制造方法，用于制造如上述的一种凑型无人机外置空液换热器，包括以下步骤：

步骤1，通过铝合金薄板一体折弯成型加工出风罩的左侧板、右侧板和上盖板；

步骤2，铣削工艺加工出风罩的底板、风侧底板和液侧底板；

步骤3，将薄金属片冲压形成平直翅片；

步骤4，将平直翅片加工成风侧翅片、分流翅片、左翅片、回流翅片、汇流翅片和右翅片；

步骤5，将风侧冷板和液侧冷板依次叠加组成成换热器芯体并在各部件结合面放置好钎料，通过不锈钢夹具固定，放置在真空钎焊炉中进行焊接。

本发明的有益效果在于：

1)本发明为放置在无人机外部的空液换热器，通过风罩与换热器芯体的结合，形成进风风道和排气风道，具备良好的空气动力学特性，相比放置在无人机机内的散热器能够引流更大流量的空气，从而在相同体积下实现更高的换热量。

2)本发明换热器芯体和风罩分开加工，最后通过螺接的方式形成一个整体，换热器芯体一次性整体焊接，简化工艺流程，避免了多次焊接重复加热引起的焊接失效风险。

3)本发明风侧翅片采用单流程，通风路径短且直，降低了风阻，提高了换热器通风量，进一步提高换热器的换热性能；液侧翅片通过翅片的裁剪和组合形成双流程流道结构形式，减缓了液体流通速度，使其充分与空气侧进行热交换并降低液体温度，根据需要还可以布置为4流程或其他结构形式；各液侧冷板为并联结构，降低了冷却液液侧流动的阻力。

4)本发明的换热器在冷却液入口处连接电动三通阀，用于调节和控制进入奇数层液侧冷板和偶数层液侧冷板的冷却液流量，从而调整换热器的换热量和冷却液出口温度，当需要提高换热量和降低冷却液温度时，进入奇数层液侧冷板和偶数层液侧冷板的冷却液流量相等，此时***液侧冷板处于全部并联状态，***流阻最小，流量最大，且全部风侧冷板及液冷冷板均参与换热，而且由于奇数层液侧冷板和偶数层液侧冷板在风侧冷板两侧对称分布，而奇数层液侧冷板和偶数层液侧冷板内部冷却液流动方向相反，进一步加剧了换热能力，提高了换热器的换热性能。当电子设备需要温度较高冷却液进行保温时，电动三通阀可关闭一路进液口，将全部流量进入奇数层液侧冷板或则偶数层液侧冷板，这样***阻力最大，流量最小，且只有部分风侧冷板参与换热，换热量最小,l冷却液的温度相对较高。

5)本发明的换热器出口处连接三通阀，三通阀出口安装温度传感器，根据三通阀上温度传感器的数据与冷却液控制目标温度的偏差调节电动三通阀的开度，直至满足冷却液温度控制目标的要求，实现供液温度的调节和控制功能。

6)本发明的风侧冷板和液侧冷板使用同一种结构形式的翅片，有利于降低成本，提高标准化，翅片与底板之间接合面较大且均匀，焊接成型后整体强度和刚度较好，也降低了焊接难度，有利于提高焊接成功了；

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的另一视角下结构示意图；

图3是图1的正面结构示意图；

图4是图1的侧面结构示意图；

图5是图1的***图；

图6是本发明实施例换热器芯体组成示意图；

图7是本发明实施例换热器使用方法的连接示意图；

图8是本发明实施例中风侧冷板的结构示意图；

图9是图8的***结构示意图；

图10是本发明实施例中奇数层液侧冷板的结构示意图；

图11是本发明实施例中奇数层液侧冷板的内部冷却液流动方向示意图；

图12是本发明实施例中偶数层液侧冷板的结构示意图；

图13是本发明实施例中偶数层液侧冷板的内部冷却液流动方向示意图；

图14是图12的***结构示意图；

图15是翅片的结构示意图。

图中：风罩1，换热器芯体2，上盖板11，底板12，左侧板13，右侧板14，奇数层液侧冷板进液口1211，奇数层液侧冷板出液口1221，偶数层液侧冷板进液口1212，偶数层液侧冷板出液口1222。

风侧冷板21，风侧底板211，风侧右翅片212，风侧中翅片213，风侧左翅片214。

液侧冷板22，液侧底板221，液侧分流翅片222，液侧左翅片223，回流翅片224，液侧右翅片225，液侧汇流翅片226，液侧冷板进液口2211，液侧冷板出液口2221。

翅片200。

具体实施方式

下面结合附图和实例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本文所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种紧凑型无人机外置空液换热器，包括风罩和位于风罩内的换热器内芯；所述换热器内芯由从上至下交替层叠的风侧冷板和液侧冷板组成；

其中，所述风侧冷板包括风侧底板和风侧翅片；所述风侧翅片位于风侧冷板的上表面；

其中，所述液侧冷板包括液侧底板；所述液侧底板上表面设有回流区域、进流区域和出流区域；所述进流区域设有分流翅片和左翅片，回流区域上设有回流翅片，出流区域设有汇流翅片和右翅片；其中，左翅片、回流翅片和右翅片上均设有相互平行的流道，且左翅片、回流翅片和右翅片上的流道一一对应并连通；

所述左翅片的进流端和右翅片的出流端分别与分流翅片和汇流翅片的流道连接；进液口位于分流翅片流道的另一端，出液口位于汇流翅片流道的另一端。

进一步的，所述风侧底板上表面设有三个并列的风侧区域，相邻的区域之间通过分隔条隔开；风侧翅片固设于对应的区域内。

进一步的，所述回流翅片为等腰三角形结构，回流翅片上的流道平行于等腰三角形的底边。

进一步的，所述风侧翅片的风道和左、右翅片的流道相互垂直。

进一步的，所述风罩为前后开口的通腔结构，包括底板和围板，围板固设于底板上；所述底板上还设有两个液体接口。

进一步的所述围板包括上盖板、左侧板和右侧板；左侧板和右侧板为上窄下宽的梯形面。

进一步的，所述液侧冷板包括偶数层液侧冷板和奇数层液侧冷板；相邻的偶数层液侧冷板和奇数层液侧冷板通过风侧冷板隔开；所述偶数层液侧冷板和奇数层液侧冷板内的液体流向相反。

进一步的，所述偶数层液侧冷板和奇数层液侧冷板在两者之间的风侧冷板上上投影呈180°旋转对称；所述偶数层液侧冷板的进液口和奇数层液侧冷板的进液口通过电动三通阀连接，电动三通阀的另一端口为总进液口。

进一步的，所述偶数层液侧冷板的出液口和奇数层液侧冷板的出液口与第二电动三通阀连接，第二电动三通阀的另一端为总出液口；所述第二电动三通阀的总出液口位置处安装有温度传感器。

所述风冷底板的其四角位置处均设有贯孔，分别偶数层液侧冷板和奇数层液侧冷板的进液和出液。

一种紧凑型无人机外置空液换热器的制造方法，用于制造如上述的一种凑型无人机外置空液换热器，包括以下步骤：

步骤1，通过铝合金薄板一体折弯成型加工出风罩的左侧板、右侧板和上盖板；

步骤2，铣削工艺加工出风罩的底板、风侧底板和液侧底板；

步骤3，将薄金属片冲压形成平直翅片；

步骤4，将平直翅片加工成风侧翅片、分流翅片、左翅片、回流翅片、汇流翅片和右翅片；

步骤5，将风侧冷板和液侧冷板依次叠加组成成换热器芯体并在各部件结合面放置好钎料，通过不锈钢夹具固定，放置在真空钎焊炉中进行焊接。

下面为一更具体的实施例：

参照图1至图5、图15，本实施例为风罩与换热器芯体共同组成空液换热器，风罩由左侧板、右侧板、上盖板、底板组成，左侧板、右侧板、上盖板为铝合金薄板折弯一体成型，其与底板为通过固定安装孔进行螺装固定，从侧面看，形成一个下宽上空腔窄的梯形结构，换热器芯体与风罩底板通过螺钉固定在一起。下宽上窄的结构外形有利于载机平台高速飞行时降低风阻，同时风罩和换热器芯体之间组成的前后空腔作为进风风道和排气风道有利于提高换热器进出口空气压差，从而使更多的空气流经散热器芯体，增强换热效率。

换热器芯体由风侧冷板、液侧冷板从上至下依次多层层叠组成，风侧冷板由风侧底板、风侧右翅片、风侧中翅片、风侧左翅片组成。液侧冷板由液侧底板、液侧分流翅片、液侧左翅片、回流翅片、液侧右翅片、液侧汇流翅片组成。

风侧右翅片、风侧中翅片、风侧左翅片、液侧分流翅片、液侧左翅片、回流翅片、液侧右翅片、液侧汇流翅片由翅片200根据需要加工成相应尺寸和形状。

参照图6至图14，换热器在冷却液入口处连接电动三通阀，用于调节和控制进入奇数层液侧冷板和偶数层液侧冷板的冷却液流量，从而调整换热器的换热量和冷却液出口温度，当需要提高换热量和降低冷却液温度时，进入奇数层液侧冷板和偶数层液侧冷板的冷却液流量相等，此时***液侧冷板处于全部并联状态，***流阻最小，流量最大，且全部风侧冷板及液冷冷板均参与换热，而且由于奇数层液侧冷板和偶数层液侧冷板在风侧冷板两侧对称分布，而奇数层液侧冷板和偶数层液侧冷板内部冷却液流动方向相反，进一步加剧了换热能力，提高了换热器的换热性能。当电子设备需要温度较高冷却液进行保温时，电动三通阀可关闭一路进液口，将全部流量进入奇数层液侧冷板或则偶数层液侧冷板，这样***阻力最大，流量最小，且只有部分风侧冷板参与换热，换热量最小,l冷却液的温度相对较高。

换热器出口处连接第二电动三通阀，第二电动三通阀出口安装温度传感器，根据三通阀上温度传感器的数据与冷却液控制目标温度的偏差调节电动三通阀的开度，直至满足冷却液温度控制目标的要求，实现供液温度的调节和控制功能。

其中图14还可以作为图10的***图。

空液换热器的材料为LF21铝合金，加工方法为:

1通过铝合金薄板一体折弯成型的方法加工风罩左侧板、右侧板、上盖板；

2通过铣削工艺加工风罩底板；

3翅片200为平直翅片，采用薄金属片冲压而成，其换热和流体动力学特性与管道流动相似，相对于其它结构形式的翅片来讲，其特点是流动阻力系数比较小；

4将翅片加工成风侧右翅片、风侧中翅片、风侧左翅片、液侧分流翅片、液侧左翅片、回流翅片、液侧右翅片、液侧汇流翅片；

5将风侧冷板和液侧冷板依次叠加组成成换热器芯体并在各部件结合面放置好钎料，通过不锈钢夹具固定，放置在真空钎焊炉中进行焊接。

Claims (10)

1.一种紧凑型无人机外置空液换热器，包括风罩和位于风罩内的换热器内芯；其特征在于，所述换热器内芯由从上至下交替层叠的风侧冷板和液侧冷板组成；

其中，所述风侧冷板包括风侧底板和风侧翅片；所述风侧翅片位于风侧冷板的上表面；

其中，所述液侧冷板包括液侧底板；所述液侧底板上表面设有回流区域、进流区域和出流区域；所述进流区域设有分流翅片和左翅片，回流区域上设有回流翅片，出流区域设有汇流翅片和右翅片；其中，左翅片、回流翅片和右翅片上均设有流道，且左翅片、回流翅片和右翅片上的流道一一对应并连通；

所述左翅片的进流端和右翅片的出流端分别与分流翅片和汇流翅片的流道连接；进液口位于分流翅片流道的另一端，出液口位于汇流翅片流道的另一端。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型无人机外置空液热换器，其特征在于，所述风侧底板上表面设有三个并列的风侧区域，相邻的区域之间通过分隔条隔开；风侧翅片固设于对应的区域内。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型无人机外置空液热换器，其特征在于，所述回流翅片为等腰三角形结构，回流翅片上的流道平行于等腰三角形的底边。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型无人机外置空液换热器，其特征在于，所述风冷底板的其中一相邻的两角位置处均设有贯孔，分别用于液侧冷板的进液和出液。

5.根据权利要求1所述的一种紧凑型无人机外置空液换热器，其特征在于，所述风侧翅片的风道和左、右翅片的流道相互垂直。

6.根据权利要求1所述的一种紧凑型无人机外置空液换热器，其特征在于，所述风罩为前后开口的通腔结构，包括底板和围板，围板固设于底板上；所述底板上还设有两个液体接口；所述围板包括上盖板、左侧板和右侧板；左侧板和右侧板为上窄下宽的梯形面。

7.根据权利要求1所述的一种紧凑型无人机外置空液换热器，其特征在于，所述液侧冷板包括偶数层液侧冷板和奇数层液侧冷板；相邻的偶数层液侧冷板和奇数层液侧冷板通过风侧冷板隔开；所述偶数层液侧冷板和奇数层液侧冷板内的液体流向相反。

8.根据权利要求7所述的一种紧凑型无人机外置空液换热器，其特征在于，所述偶数层液侧冷板和奇数层液侧冷板在两者之间的风侧冷板上上投影呈180°旋转对称；所述偶数层液侧冷板的进液口和奇数层液侧冷板的进液口通过电动三通阀连接，电动三通阀的另一端口为总进液口。

9.根据权利要求8所述的一种紧凑型无人机外置空液换热器，其特征在于，所述偶数层液侧冷板的出液口和奇数层液侧冷板的出液口与第二电动三通阀连接，第二电动三通阀的另一端为总出液口；所述第二电动三通阀的总出液口位置处安装有温度传感器。

10.一种紧凑型无人机外置空液换热器的制造方法，用于制造如权利要求1至9任意一项所述的一种凑型无人机外置空液换热器，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过铝合金薄板一体折弯成型加工出风罩的左侧板、右侧板和上盖板；

步骤2，铣削工艺加工出风罩的底板、风侧底板和液侧底板；

步骤3，将薄金属片冲压形成平直翅片；

步骤4，将平直翅片加工成风侧翅片、分流翅片、左翅片、回流翅片、汇流翅片和右翅片；

步骤5，将风侧冷板和液侧冷板依次叠加组成成换热器芯体并在各部件结合面放置好钎料，通过不锈钢夹具固定，放置在真空钎焊炉中进行焊接。