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

背景技術(shù)：

飛機上安裝有多種電子設(shè)備，隨著科技的進步，電子設(shè)備越來越向微型化和集成化發(fā)展，其散熱問題也顯得更加重要。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、激光探測系統(tǒng)等。激光器發(fā)射后必須對表面進行冷卻，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，無法滿足日益提高的電子設(shè)備和激光器的散熱需求。而機載空間存在著空間小、可利用能量有限的特殊條件，找到適合機載高熱流密度設(shè)備散熱的合適方法是推動機載電子設(shè)備和激光器技術(shù)進步和實用化的關(guān)鍵。

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)點在于：較小的表面溫差；沒有沸騰滯后性；良好的換熱性能；可實現(xiàn)均勻的冷卻壁面溫度；工質(zhì)需求量小。噴霧冷卻技術(shù)在上述機載高熱流密度設(shè)備冷卻領(lǐng)域具有很強的應(yīng)用前景。

近年來，研究者已提出一些噴霧冷卻的實際應(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力源，對二氧化碳的消耗過大，且噴射后的二氧化碳無法回收，機載條件空間有限，且一旦出現(xiàn)泄漏，對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載發(fā)熱元件的冷卻系統(tǒng)，主要特點是使用渦輪作為制冷器件和動力源，該方案中冷源完全由渦輪提供，增加了飛機原有渦輪制冷系統(tǒng)的負(fù)荷，對于飛機的長期穩(wěn)定運行不利。

考慮到存儲方便和使用安全性，水是機載高熱流密度設(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(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)具有兩個入口和兩個出口。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)具有一個入口和兩個出口，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(6)的入口相連，流量計(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端口。

冷凝器(14)具有兩個入口和一個出口，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程：

噴霧冷卻過程：打開第一截止閥(5)，啟動第一水泵(2)和第二水泵(17)，通過第一水泵(2)的作用將水從儲水箱(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)，通過第一截止閥(5)后的水經(jīng)過流量計(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)過第二水泵(17)驅(qū)動流入儲水箱(1)中，完成噴霧冷卻過程。

吸附式制冷過程：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)后進入蒸發(fā)器(3)。此時關(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)。飛機高空飛行時外界環(huán)境溫度很低，通過陣列熱管箱(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。此時吸附劑對制冷劑起吸附作用，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，完成吸附式制冷過程。

熱管理系統(tǒng)運行時，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)同時進行，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(6)用于記錄噴霧冷卻水流量。

所述的待冷卻表面(9)為飛機上高熱流密度設(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)平時關(guān)閉，當(dāng)吸附式制冷系統(tǒng)需完成吸附過程時開啟。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明的原理圖。

附圖1中的標(biāo)號名稱：1.儲水箱、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、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)號名稱：12.陣列熱管箱、18.熱管。

具體實施方式

如圖1所示，一種使用噴霧冷卻和吸附式制冷的機載高熱流密度設(shè)備熱管理系統(tǒng)主要包括儲水箱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6用于記錄噴霧冷卻水流量。

所述的待冷卻表面9為飛機上高熱流密度設(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平時關(guān)閉，當(dāng)吸附式制冷系統(tǒng)需完成吸附過程時開啟。

飛機起飛前，儲水箱1內(nèi)存有一定量的水，吸附床11內(nèi)有吸附劑和制冷劑。飛機起飛后系統(tǒng)開始運行，系統(tǒng)運行時，包括以下過程：

噴霧冷卻過程：當(dāng)待冷卻表面9溫度大于80℃時，打開第一截止閥5，啟動第一水泵2和第二水泵17，通過第一水泵2的作用將水從儲水箱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，通過第一截止閥5后的水經(jīng)過流量計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)過第二水泵17驅(qū)動流入儲水箱1中，完成噴霧冷卻過程。

吸附式制冷過程：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后進入蒸發(fā)器3。此時關(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。飛機高空飛行時外界環(huán)境溫度很低，通過陣列熱管箱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。此時吸附劑對制冷劑起吸附作用，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，完成吸附式制冷過程。

熱管理系統(tǒng)運行時，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)同時進行，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)下次運行時使用。