一种基于低压闪蒸喷雾技术的飞行器热管理一体化系统

1.本发明属于飞行器热管理领域，特别是涉及一种基于低压闪蒸喷雾技术的飞行器热管理一体化系统。


背景技术：

2.随着飞行器对电子设备技术的要求不断提高，机载雷达、激光二极管阵、电驱动制动器和卫星电子设备等呈现出小型化、模块化和高集成度的发展趋势，这使得散热状况变得更为严峻，散热面积的缩小导致发热元件热流密度骤增，甚至达到200w/cm2以上，原本空气冷却即可满足的散热问题，此时则需要散热能力更强的冷却措施，例如喷雾冷却、微通道散热技术等；此外，飞行器上携带额外的热沉虽然可以满足设备的冷却需求，但是随之而来的质量惩罚缺却是不可忽略的，所以如何在现有的燃油热沉的基础上，最大程度的整合系统的热流流向已经成为重中之重；
3.在现有的飞行器中，喷雾冷却已经应用于热管理系统中，但是随着热流密度的增加，传统的喷雾冷却技术也面临着挑战，而低压闪蒸喷雾冷却系统具有更低的蒸发温度，一旦雾化的冷却剂离开喷嘴，冷却剂的状态即为过热状态，在此状态下会发生闪蒸或沸腾，并伴随着液滴质量的快速破裂，这有助于液滴的后续破碎，这称为二次破碎过程，这主要是由过热液滴内部迅速产生巨大气泡的过程引起的；传统的非闪蒸/沸腾喷雾液滴也具有二次破碎过程，而这归因于由高速液滴与周围空气之间的相对运动引起的；低压闪蒸喷雾冷却系统的二次破碎过程更为剧烈，换热能力更强，所以低压喷雾冷却技术在飞行器中高热流密度元件的热管理方式中更加具有优势；
4.此外，飞行器的热沉除燃油和外界空气之外，许多飞行器会携带一些热沉进入飞行器中，例如水、液氮、干冰等，虽然可以在一定程度上解决飞行器热沉不足的问题，但是会带来严重的质量惩罚，因此设计一种不利用额外热沉并能够配合低压闪蒸喷雾冷却系统来完成换热的热管理系统已经成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在提出一种基于低压闪蒸喷雾技术的飞行器热管理一体化系统,以解决飞行器中利用低压闪蒸喷雾对高热流密度元件进行冷却降温需要额外热沉的问题。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于低压闪蒸喷雾原理的飞行器热管理一体化系统，包括低压闪蒸喷雾冷却系统、压缩式制冷系统和燃油环路系统，低压闪蒸喷雾冷却系统与压缩式制冷系统相连，压缩式制冷系统与燃油环路系统相连，所述压缩式制冷系统用于将低压闪蒸喷雾冷却系统内高热流密度元件的热量传递给燃油环路系统；
7.所述低压闪蒸喷雾冷却系统包括蒸发器、冷却剂罐、高压泵、文丘里管、喷嘴和低压喷雾腔，所述冷却剂罐的出口端与引流管一端连通，引流管另一端连接有喷嘴，引流管上
设有高压泵，喷嘴伸入到低压喷雾腔内，低压喷雾腔的出口端与文丘里管背压区的吸附腔入口相连通，高压泵与喷嘴之间的引流管上设有支流管路，支流管路与文丘里管上的高压流体进口相连通，通过高压流体进口进入到文丘里管的液体对背压区的吸附腔入口处形成吸引力使低压喷雾腔内形成低压，所述文丘里管的出口与蒸发器热端进口连通，蒸发器的热端出口与冷却剂罐的回流口连通。
8.更进一步的，所述的支流管路上设有流量调节阀。
9.更进一步的，所述的流量调节阀的开度在0-1之间。
10.更进一步的，所述文丘里管内设有与高压流体进口连通的喷管，喷管的进口端截面积大于出口端。
11.更进一步的，所述压缩式制冷系统包括压缩机、节流阀和冷凝器，所述压缩机的出口端与冷凝器热端进口连通，冷凝器的热端出口经过节流阀与蒸发器的冷端入口连通，蒸发器的冷端出口与压缩机进口端连通。
12.更进一步的，所述燃油环路系统包括油箱、换热管道和油泵，油箱的出口端经油泵与冷凝器的冷端入口连通，通过油泵将油箱中的燃油引流到冷凝器内进行换热后从冷凝器冷端出口输出。
13.更进一步的，所述燃油环路系统内还设有微通道散热器，所述微通道散热器设置在油箱与油泵之间，所述油箱的出口端与微通道散热器进口端连通，微通道散热器的出口端与泵的进口端连通。
14.更进一步的，所述高热流密度元件设置在低压喷雾腔内，所述微通道散热器用于低热流密度元件的降温。
15.更进一步的，所述喷嘴材质为不锈钢，喷嘴的喷雾角度为120
°
，喷嘴至高热流密度元件发热表面的距离为10mm。
16.更进一步的，所述冷却剂罐中的冷却剂为水或制冷剂。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.1、通过高压泵将冷却剂罐内的冷却剂分成两股，一股引流到喷嘴处形成喷雾对高热流密度元件进行降温，另一股进入到文丘里管内形成高压液体对文丘里管的背压处形成吸引作用从而帮助低压喷雾腔内形成低压，利用低压闪蒸的效果进行换热，达到更好的换热效果；
19.2、通过压缩式制冷系统将换热后的混合液体导出，冷却剂回流到冷却剂罐内进行循环使用；
20.3、通过压缩式制冷系统将热量最终传递给油路中的燃油，从而达到将热量最终传递走的效果；
21.4、燃油从油箱内被引出的过程经过微通道散热器可以快速带走低热流密度元件的热量，然后进入冷凝器中带走制冷剂的热量，形成热沉的梯度利用，提高了燃油热沉的利用率。
附图说明
22.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
23.图1为本发明所述的一种基于低压闪蒸喷雾技术的飞行器热管理一体化系统的结构示意图；
24.图2为本发明所述的文丘里管的结构示意图。
25.低压闪蒸喷雾冷却系统a；压缩式制冷系统b；燃油环路系统c；压缩机1；蒸发器2；节流阀3；冷凝器4；冷却剂罐5；高压泵6；文丘里管7；流量调节阀8；喷嘴9；油箱10；微通道散热器11；油泵12；高压流体进口13；喷管14；吸附腔入口15；出口16；低压喷雾腔17。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
27.参见附图说明本实施方式，一种基于低压闪蒸喷雾技术的飞行器热管理一体化系统，包括低压闪蒸喷雾冷却系统a、压缩式制冷系统b和燃油环路系统c，低压闪蒸喷雾冷却系统a与压缩式制冷系统b相连，压缩式制冷系统b与燃油环路系统c相连，所述压缩式制冷系统b用于将低压闪蒸喷雾冷却系统a内高热流密度元件的热量传递给燃油环路系统c；
28.所述低压闪蒸喷雾冷却系统a包括蒸发器2、冷却剂罐5、高压泵6、文丘里管7、喷嘴9和低压喷雾腔17，所述冷却剂罐5的出口端与引流管一端连通，引流管另一端连接有喷嘴9，引流管上设有高压泵6，喷嘴9伸入到低压喷雾腔17内，低压喷雾腔17的出口端与文丘里管7背压区的吸附腔入口15相连通，高压泵6与喷嘴9之间的引流管上设有支流管路，支流管路与文丘里管7上的高压流体进口13相连通，通过高压流体进口13进入到文丘里管7的液体对背压区的吸附腔入口15处形成吸引力使低压喷雾腔17内形成低压，所述文丘里管7的出口16与蒸发器2热端进口连通，蒸发器2的热端出口与冷却剂罐5的回流口连通。
29.在本实施例中，所述的支流管路上设有流量调节阀8，流量调节阀8的开度在0-1之间调节，可以改变通过文丘里管7内制冷剂液体流量的大小，而调节喷雾腔内的真空度。
30.在本实施例中，所述文丘里管7内设有与高压流体进口13连通的喷管14，喷管14的进口端截面积大于出口端，从而能够为流体进行加速。
31.在本实施例中，所述压缩式制冷系统b包括压缩机1、节流阀3和冷凝器4，所述压缩机1的出口端与冷凝器4热端进口连通，冷凝器4的热端出口经过节流阀3与蒸发器2的冷端入口连通，蒸发器2的冷端出口与压缩机1进口端连通。
32.在本实施例中，所述燃油环路系统c包括油箱10、换热管道和油泵12，油箱10的出口端经油泵12与冷凝器4的冷端入口连通，通过油泵12将油箱10中的燃油引流到冷凝器4内进行换热后从冷凝器4冷端出口输出。
33.在本实施例中，所述燃油环路系统c内还设有微通道散热器11，所述微通道散热器11用于低热流密度元件的降温，所述微通道散热器11设置在油箱10与油泵12之间，所述油箱10的出口端与微通道散热器11进口端连通，微通道散热器11的出口端与泵12的进口端连通。
34.在本实施例中，所述喷嘴9材质为不锈钢，喷嘴9的喷雾角度为120
°
，喷嘴至高热流密度元件发热表面的距离为10mm，提升降温效果。
35.在本实施例中，所述冷却剂罐5中的冷却剂为水或制冷剂。
36.使用时，通过高压泵6抽取冷却剂罐5内流体同时为喷嘴9进行喷雾时提供动力，流体分为两部分，一部分经过喷嘴9向低压喷雾腔内进行喷雾，喷嘴9喷射出的液滴与发热表面的温差增大，强化换热效果，对高热流密度元件进行降温，制冷剂液滴蒸发之后形成蒸气，另一部分流体经流量调节阀8进入到文丘里管7内，液体从高压流体进口13进入文丘里管7内后由于喷管14的截面积逐渐收窄，会对流体起到加速的作用，根据伯努利原理，吸附腔的进口存在一个真空区，从而通过位于真空区的吸附腔入口15对低压喷雾腔制造低压环境，帮助换热后的喷雾蒸汽进行回收，混流到文丘里管7内的液体中，然后一同输入到蒸发器2内与压缩式制冷系统b进行换热，换热后回流到冷却剂罐5内；
37.压缩式制冷系统b的换热过程为制冷剂首先在蒸发器2中吸收蒸发器2内由文丘里管7流动过来的流体的热量进行蒸发，蒸发后进入压缩机1，经过加压成为高温高压气体，在进入冷凝器4与燃油换热，燃油是通过油泵12将油箱10内的油液抽取出来，油液经过微通道散热器11时带走低热流密度元件的热量，然后进入到冷凝器4中与制冷剂进行换热，保证燃油热沉的梯级利用，制冷剂放出热量，成为高压液体，之后进入节流阀3减压，最后再次进入蒸发器2中，吸收喷雾冷却系统中冷却剂的热量，完成循环，压缩式制冷循环在本专利起到的作用是连接低压闪蒸喷雾冷却系统与燃油环路，实现逆向传热的功能，由于压缩式制冷系统b的存在，燃油作为低热流密度元件冷却的热沉进入冷凝器4的温度可在50℃以上，微通道散热器11的通道宽度为100μm左右，材质为红铜。
38.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

技术特征：
1.一种基于低压闪蒸喷雾原理的飞行器热管理一体化系统，其特征在于：包括低压闪蒸喷雾冷却系统、压缩式制冷系统和燃油环路系统，低压闪蒸喷雾冷却系统与压缩式制冷系统相连，压缩式制冷系统与燃油环路系统相连，所述压缩式制冷系统用于将低压闪蒸喷雾冷却系统内高热流密度元件的热量传递给燃油环路系统；所述低压闪蒸喷雾冷却系统包括蒸发器(2)、冷却剂罐(5)、高压泵(6)、文丘里管(7)、喷嘴(9)和低压喷雾腔(17)，所述冷却剂罐(5)的出口端与引流管一端连通，引流管另一端连接有喷嘴(9)，引流管上设有高压泵(6)，喷嘴(9)伸入到低压喷雾腔(17)内，低压喷雾腔(17)的出口端与文丘里管(7)背压区的吸附腔入口(15)相连通，高压泵(6)与喷嘴(9)之间的引流管上设有支流管路，支流管路与文丘里管(7)上的高压流体进口(13)相连通，通过高压流体进口(13)进入到文丘里管(7)的液体对背压区的吸附腔入口(15)处形成吸引力使低压喷雾腔(17)内形成低压，所述文丘里管(7)的出口(16)与蒸发器(2)热端进口连通，蒸发器(2)的热端出口与冷却剂罐(5)的回流口连通。2.根据权利要求1所述的一种基于低压闪蒸喷雾原理的飞行器热管理一体化系统，其特征在于：所述的支流管路上设有流量调节阀(8)。3.根据权利要求2所述的一种基于低压闪蒸喷雾原理的飞行器热管理一体化系统，其特征在于：所述的流量调节阀(8)的开度在0-1之间。4.根据权利要求1所述的一种基于低压闪蒸喷雾原理的飞行器热管理一体化系统，其特征在于：所述文丘里管(7)内设有与高压流体进口(13)连通的喷管(14)，喷管(14)的进口端截面积大于出口端。5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于低压闪蒸喷雾原理的飞行器热管理一体化系统，其特征在于：所述压缩式制冷系统包括压缩机(1)、节流阀(3)和冷凝器(4)，所述压缩机(1)的出口端与冷凝器(4)热端进口连通，冷凝器(4)的热端出口经过节流阀(3)与蒸发器(2)的冷端入口连通，蒸发器(2)的冷端出口与压缩机(1)进口端连通。6.根据权利要求5所述的一种基于低压闪蒸喷雾原理的飞行器热管理一体化系统，其特征在于：所述燃油环路系统包括油箱(10)、换热管道和油泵(12)，油箱(10)的出口端经油泵(12)与冷凝器(4)的冷端入口连通，通过油泵(12)将油箱(10)中的燃油引流到冷凝器(4)内进行换热后从冷凝器(4)冷端出口输出。7.根据权利要求6所述的一种基于低压闪蒸喷雾原理的飞行器热管理一体化系统，其特征在于：所述燃油环路系统内还设有微通道散热器(11)，所述微通道散热器(11)设置在油箱(10)与油泵(12)之间，所述油箱(10)的出口端与微通道散热器(11)进口端连通，微通道散热器(11)的出口端与泵(12)的进口端连通。8.根据权利要求7所述的一种基于低压闪蒸喷雾原理的飞行器热管理一体化系统，其特征在于：所述高热流密度元件设置在低压喷雾腔(17)内，所述微通道散热器(11)用于低热流密度元件的降温。9.根据权利要求1所述的一种基于低压闪蒸喷雾原理的飞行器热管理一体化系统，其特征在于：所述喷嘴(9)材质为不锈钢，喷嘴(9)的喷雾角度为120
°
，喷嘴至高热流密度元件发热表面的距离为10mm。10.根据权利要求1所述的一种基于低压闪蒸喷雾原理的飞行器热管理一体化系统，其特征在于：所述冷却剂罐(5)中的冷却剂为水或制冷剂。

技术总结
本发明提出了一种基于低压闪蒸喷雾技术的飞行器热管理一体化系统，属于飞行器热管理领域。解决了飞行器中利用低压闪蒸喷雾对高热流密度元件进行冷却降温需要额外热沉的问题。它包括低压闪蒸喷雾冷却系统、压缩式制冷系统和燃油环路系统，低压闪蒸喷雾冷却系统与压缩式制冷系统相连，压缩式制冷系统与燃油环路系统相连，所述压缩式制冷系统用于将低压闪蒸喷雾冷却系统内高热流密度元件的热量传递给燃油环路系统。它能够利用燃油作为热沉进行梯度利用将高、低热流密度元件的热量带走，减少了质量惩罚。质量惩罚。质量惩罚。


技术研发人员：刘泽宽 秦江 徐静 程昆林 卢鑫
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2022.03.23
技术公布日：2023/10/8