[发明专利]一种飞机周期性大功率密度热载荷的喷雾冷却系统

说明书

本发明涉及一种飞机周期性大功率密度热载荷的喷雾冷却系统和方法，包括喷雾冷却子系统和末端冷却回路子系统。喷雾冷却子系统通过喷雾工质雾化喷洒在热源表面，利用引射器将吸热后的工质抽吸到相变换热器，将热源端的热量高效地转移到整个相变材料内部。末端冷却回路子系统对相变材料换热器中的冷却工质进行持续冷却，通过初级换热器预冷，之后根据所需散热负荷的大小，控制燃油换热器和冲压空气换热器的切换，实现系统与外界的散热。本发明将飞机航电设备产生的周期性大功率密度的热量吸收，将峰值发热功率散发的热量暂时储存起来，起到关键的缓冲作用，使喷雾冷却系统以较小的体积达到了理想的散热效果，节省了成本，提高了可靠性。

技术领域

本发明属于电子温控领域，特别涉及一种飞机周期性大功率密度热载荷的喷雾冷却系统。

背景技术

随着飞机航电功能的不断增强，其载有的电子设备数量越来越多，设备的功率也越来越大，而一旦设备工作产生的热量不能得到及时的排散，设备工作的温度降急剧增加，使其工作性能大为降低。随着对飞行任务要求的提高，出现了一系列具有高热流密度、短时间间歇工作的大功率组件，比如机载雷达、激光武器和机动飞行控制系统等。这类系统的短时间峰值功率大大超过了平均发热量，峰值发热功率下运行时由于散热量不足而导致电子设备等温度上升过高超过其正常的安全工作温度，使得其热可靠性显著降低并会降低电子产品的效率，稳定性和寿命，甚至引起失效，起火和爆炸。小型化、多功能化以及集成化使得电子产品的“热障”问题日益凸显。因此，有效的热管理技术对于电子产品的设计至关重要。

喷雾冷却是指液体工质在压力驱动下，通过雾化喷嘴或者雾化装置强制雾化成为微米级的液滴后被强制喷射到冷却介质表面实现冷却的过程。喷雾冷却具有换热性能强、换热温差小以及冷却介质需求量低等特点，其可实现针对某较小面积而有较高散热要求的高效散热。喷雾冷却技术分为：

(1)单工质喷雾冷却。该技术通过液体泵使液体产生压力后，通过单工质喷嘴喷射出液体；

(2)双工质喷雾冷却。该技术借助于高压压缩空气，采用空气雾化喷嘴，气液汇合后由喷嘴喷射成雾状射流。

发明内容

通常情况下，雾化工质吸收热量后需要冷却循环将其恢复初始状态，然而，若热载荷呈1MW-1KW周期性变化，每种状态维持数秒时，常规情况下需针对最高热载荷工况设计较高冷却能力的冷却回路，会导致冷却回路体积过大，成本过高，可靠性降低。

相变材料散热是一种被广泛应用的被动式热管理技术。所谓相变材料散热，是指利用相变材料在相变时吸收潜热而自身温度不变或变化较小的特性，来吸收电子元器件散发的热量并保证电子器件温度不会过高的散热技术。它具有无功耗，无噪音和无震动，维护费用低，结构紧凑等优势。传统的用于电子产品散热的相变材料主要包括石蜡、熔融盐和其他有机物。这些相变材料普遍存在的缺陷是其热导率低，一般在1W/m/K以下，导致热量不能被高效的传递和吸收，因而近些年涌现出新型相变材料如低熔点金属，其热导率是传统相变材料的几十倍，且单位体积的相变潜热值高。

但面对极端热流密度情况时，新型相变材料仍达不到满意效果。比如，当需要散走的热量达到兆瓦级别时，由于相变材料导热系数的限制，必然会在内部形成较大的温度梯度，此时相变材料远离热源的部位实际上并未发挥吸热作用，散热效果并不好。

总之，上述散热方法在性能上满足某方面需求时，又会带来其他方面的问题，以上所述的喷雾冷却装置和相变材料散热就面临着各自的局限性。现有领域中较为缺乏多能力的散热技术。

根据本发明的一个方面，提供了一种飞机周期性大功率密度热载荷的喷雾冷却系统，其特征在于包括：

涡轮、第一至第四三通流量阀、第一引射器、第二引射器、喷雾装置、相变材料换热器、温度传感器、气液分离器、初级换热器、第一至第五切换阀门、驱动泵、燃油换热器、冲压空气换热器、储液器、过滤器、控制单元，

其中，