基于空气膨胀制冷的机载发热元件的冷却系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于空气膨胀制冷的机载发热元件的冷却系统及方法，属机载设备冷却领域。
【背景技术】
[0002]随着飞行器机动性能、隐身性能、防御性能要求地不断提高，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并逐渐成功运用到材料化学、天文探测等多个领域；同时高功率二极管激光器的研制成功又加大了高功率固体激光器在航空航天军事领域的应用，并在美国各项激光武器的研制项目中被广泛使用。随之而来的问题是，在高功率情况下，固体激光器在工作中产生的大量无用热会降低激光光束的质量输出功率，由此带来设备发热功率不断升高，热流密度可达数百W/cm2甚至数千W/cm2，这种情况下会损毁激光介质，因此高功率固体激光器的发热问题成为制约进一步提高其输出功率的瓶颈，如何高效、可靠地解决激光器与电子设备高热流密度的快速散热问题具有重要意义。
[0003]针对高功率的电子元件，传统的冷却技术已不能满足冷却要求。基于相变换热冷却的喷雾冷却技术具有高热流密度的冷却能力，冷却温度均匀、换热系数高，可以满足激光冷却、高热流电子设备冷却等大功率电子元器件的冷却要求。为解决军事战机的高热流密度冷却问题，战机机载喷雾冷却系统的技术研宄与工程运用势在必行。
[0004]作为机载设备，不仅满足冷却性能需求，还应考虑自重问题，飞机的升力有限，飞机自身结构和系统自重越轻，带来的潜在经济效益越大，对于战斗机而言更为重要。飞机的冷源有限，除飞机自身热容、燃油、消耗性冷却剂外，只有冲压空气作为冷源，如果用冲压空气直接与喷雾冷却介质换热，相应的换热器体积庞大、重量大，经济性差，且严重降低战斗机性能。考虑到机载激光武器发射时间短、热流密度高，但是发射间隔较长，利用这个特点，本发明给出一种冷却效率高且体积小重量轻的冷却系统。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一套冷却效率高、质量轻体积小、经济性高的机载高热流发热元件冷却循环系统。
[0006]本系统包括高热流发热元件喷雾冷却循环子系统和空气膨胀制冷循环子系统；还包括连接上述两个子系统且内填充相变介质的蓄冷器。其中高热流发热元件喷雾冷却循环子系统包括:缓冲罐，循环泵，过滤器，流量调节阀喷雾腔，旁通阀；喷雾腔内包含冷却喷嘴及发热元件；喷雾腔出口分成两路，一路与旁通阀第一端相连，另一路与蓄冷器第一边入口相连，蓄冷器第一边出口依次经过缓冲罐、循环泵后与旁通阀第二端并联，并联后再依次经过过滤器、流量调节阀后与冷却喷嘴相连。其中空气膨胀制冷循环子系统包括:初级换热器，次级换热器，水分离器，涡轮，风扇；发动机引气入口依次经过初级换热器热边、次级换热器热边、水分离器、涡轮与蓄冷器第二边入口相连；蓄冷器第二边出口与次级换热器冷边入口相连，冲压空气与初级换热器冷边入口相连，次级换热器冷边出口与初级换热器冷边出口同时受到到风扇的旋转抽吸。
[0007]以上所述的基于空气膨胀制冷的机载发热元件的冷却系统的冷却方法，其特征在于:喷雾冷却循环子系统中喷雾腔出口的高温载冷剂进入蓄冷器与固态相变材料换热，吸收相变材料的冷量变成低温载冷剂并由循环泵加压后送入冷却喷嘴，冷却喷嘴将其雾化成微小直径的颗粒强制喷到发热元件的表面，吸收发热元件的热量，该系统实现对发热元件的快速冷却，此过程中蓄冷器内填充的固态相变材料因吸收高温载冷剂的热量而液化；空气膨胀制冷循环子系统中从发动机引气的冲压空气经过初级换热器及次级换热器预冷后进入涡轮膨胀降温，从涡轮出口的低温空气进入蓄冷器与液态相变材料换热，吸收相变材料的热量使其冷凝成固态。
[0008]在实际应用中，激光武器发射时间短、发热量大、发射的时间间隔长，而喷雾冷却具有换热迅速、热流密度高的特点，正好满足激光武器的换热需求。喷雾冷却循环系统中载冷剂经喷嘴喷射至发热元件表面吸收热量后，迅速与蓄冷器中的相变材料进行换热，利用相变材料的液化潜热，将高温载冷剂快速冷却，实现蓄冷器的放冷过程，由于相变材料相变潜热大，虽然激光武器发热功率大，但是其工作时间较短，相变材料使用量较少；当喷雾冷却过程结束后，利用涡轮出口的低温空气使得相变材料重新回到固态，实现蓄冷器的蓄冷过程，由于激光武器发射的时间间隔长，空气与相变材料换热器的功率大大减少，从而实现减少换热器体积的目的。通过利用相变材料的蓄冷原理及喷雾冷却系统工作间隔的特点，中间蓄冷器大大减小了系统体积及自重，满足机载设备需求。
【附图说明】
[0009]图1为基于空气膨胀制冷的机载发热元件的冷却系统；
[0010]图1中的标号名称:1引气口，2初级换热器，3冲压空气口，4次级换热器，5水分离器，6涡轮，7蓄冷器，8缓冲罐，9循环泵，10过滤器，11流量调节阀，12冷却喷嘴，13发热元件，14喷雾腔，15旁通阀，16风扇。
【具体实施方式】
[0011]如图1所示，本发明所述的一种基于空气膨胀制冷的机载发热元件的冷却系统，包括引气口 I，初级换热器2，冲压空气口 3，次级换热器4，水分离器5，涡轮6，蓄冷器7，缓冲罐8，循环泵9，过滤器10，流量调节阀11，冷却喷嘴12，发热元件13，喷雾腔14，旁通阀15，风扇16。
[0012]喷雾冷却过程具体实施过程如下:低温载冷剂通过循环泵9增压后送入冷却喷嘴12，雾化成为微米级的液滴，并且强制喷射到发热元件13的表面带走大量热量。在无沸腾喷雾冷却中，换热机理以强制对流和液膜蒸发为主，而进入相变喷雾冷却中，核态沸腾和二次成核则发挥着更为明显的作用。喷雾冷却能在低温表面温度下带走大量热量，且具有良好的换热性能、均匀的冷却壁面温度、较小的工质需求等优点。换热后的高温载冷剂通过蓄冷器7与固态相变材料换热，利用相变材料的液化潜热，实现蓄冷器的放冷过程。冷却后的低温载冷剂经循环泵送入喷嘴进行循环。其中缓冲器8是为了防止载冷剂流量的变化对高热流发热元件喷雾冷却循环系统造成冲击，旁通阀15为了防止