[发明专利]一种使用引射器创造负压环境的机载喷雾冷却系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用引射器创造负压环境的机载喷雾冷却系统，属于机载高热流密度设备冷却领域。

背景技术

随着飞行器机动性能、隐身性能、防御性能要求的不断提高，机载电子元器件向高功率化、高度集成与微型化方面发展迅速。新一代军用电子设备的热流密度高达107W/cm²，最高端的处理器热输出量超过250W/cm²。如果不采取有效措施降低电子设备表面温度，轻则大大降低其工作效率，重则烧毁电子器件，影响飞行安全。因此，如何高效安全地解决机载设备的快速散热问题具有重要的研究意义。常规的风冷和水冷方式换热能力已达到极限，无法满足日益提高的电子设备的散热需求。

喷雾冷却是将冷却介质通过雾化分解为无数的离散型小液滴，喷淋到加热表面上通过单相换热和两相换热带走热量的一种新型冷却方式，其优点在于：较小的表面温差；没有沸腾滞后性；良好的换热性能；可实现均匀的冷却壁面温度；工质需求量小。喷雾冷却技术在机载设备冷却领域具有很强的应用前景。由于机载空间有限，喷雾冷却技术若要应用在机载领域，必须提升单位体积冷却介质的换热量。

已有部分专利提出了喷雾冷却在机载领域的应用方法，如专利ZL201510072716.7提出了一种基于空气膨胀制冷的机载发热元件的冷却系统，主要特点是使用涡轮作为制冷器件和动力源，该方案投入使用时必须首先使用涡轮蓄冷方可进行喷雾冷却，蓄冷时间长，无法随时投入使用；结构复杂且设备空间大，在军用飞机上安装困难。专利ZL201510074027.X提出了一种基于蒸发制冷的机载发热元件的冷却系统及方法，主要特点为使用蒸发制冷循环为系统提供间接冷源，加入蒸发制冷循环后体积和能耗均非常大，且此发明并未给蒸发制冷循环配备冷源，若投入实际使用体积会更大，无法适用机载空间的要求。

喷雾冷却的冷却介质质量流量可按公式(1)计算

式中，Q为表面发热量(即需带走热量)，kW；m为制冷剂质量流量，kg/s；c_p为制冷剂定压比热，kJ/(kg·k)；h_fg为制冷剂汽化潜热，kJ/kg；η为喷雾冷却效率；t_w为热沉表面温度，℃；t_in为喷嘴后的饱和制冷剂温度，℃。

相对于制冷剂类冷却介质，水的汽化潜热更大，约为2300kJ/kg，而制冷剂中最大的NH3汽化潜热为1371kJ/kg。水的比热容4.2kJ/(kg·k)，氨的比热容为2.16kJ/(kg·k)。在相同表面加热量下若能利用水的汽化潜热则机载系统冷却介质的用量最小，可大大减轻飞机的起飞负荷。然而，水的沸点较高(常压下100℃)，而电子设备的普遍冷却要求为低于80℃，此时若能降低喷雾腔内环境压力，则水的沸点随之降低并与表面的冷却温度要求相匹配，汽化潜热即可利用，可大大提高系统经济性和持续性。本专利使用闭式系统，且使用外界高空冷源冷却喷雾冷却换热完成后的水，使得水可循环使用，减轻了系统负重。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用引射器创造负压环境的机载喷雾冷却系统，从而充分利用水的汽化潜热，提升喷雾冷却效率。

该系统主要由水箱(1)、水泵(2)、流量调节阀(3)、截止阀(4)、流量计(5)、喷嘴(6)、待冷却表面(7)、喷雾室(8)、压力表(9)、发动机尾气引气口(10)、引射器喷嘴段(11)、引射器混合段(12)、排气口(13)、热管换热箱(14)、外界环境端口(15)组成。

其中喷雾室(8)具有两个入口和两个出口，第一入口为冷却介质入口，第一出口为冷却介质出口；第二入口为引射气流入口，第二出口为引射气流出口。

热管换热箱(14)具有一个入口、一个出口和一个端口，入口为冷却介质入口，第一出口为冷却介质出口，第一端口为外界环境空气接触端口。

水箱(1)的出口与水泵(2)的入口相连，水泵(2)的出口与流量调节阀(3)的入口相连，流量调节阀(3)的出口与截止阀(4)的入口相连，截止阀(4)的出口与流量计(5)的入口相连，流量计(5)的出口经喷雾室(8)的第一入口与喷嘴(6)的入口相连，喷嘴(6)的出口位于待冷却表面(7)的上方。

喷雾室(8)的第一出口与热管换热箱(14)的第一入口相连，热管换热箱(14)的第一出口与水箱(1)的入口相连。热管换热箱(14)的第一端口与外界环境端口(15)相连。