[发明专利]应用多冷源复合相变材料换热器和引射器的机载多喷嘴喷雾冷却系统及方法

说明书

本发明公开了一种应用多冷源复合相变材料换热器和引射器的机载多喷嘴喷雾冷却系统及方法，属于机载高热流密度设备冷却领域。本发明主要解决机载冷源无法直接使用时的雷达芯片和激光武器等高热流密度表面的持续散热问题。本发明使用喷雾冷却方式冷却高热量密度表面，使用冲压空气作为主要冷源，使用涡流制冷箱作为辅助冷源，使用机载燃油作为应急冷源，在待冷却表面需冷却时，根据其温度变化确定两组冷源的组合方式。以三组相变材料作为中间储能介质对应三种冷源。使用发动机尾气和热空气作为引射气源，在喷雾室内创造低压环境，使冷却水发生沸腾换热，强化喷雾室内换热。该系统运行安全稳定冗余度高，满足机载复杂环境下的冷却需求。

技术领域

本发明涉及一种应用多冷源复合相变材料换热器和引射器的机载多喷嘴喷雾冷却系统及方法，属于机载高热流密度电子设备冷却领域。

背景技术

随着机载雷达技术的飞速发展，功放芯片已从硅芯片、GaAs芯片发展到了第3代半导体GaN芯片。美国海军和空军的若干项目显示，在研的GaN芯片热流密度已达500W/cm²，未来芯片的热流密度将超过1000W/cm²。同时随着对军用飞机机动性能、隐身性能、防御性能要求的不断提高，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。激光武器在发射瞬间几秒内会产生兆瓦级的热量，导致其表面产生数百甚至数千W/cm²的热流密度。如果不采取有效措施降低雷达芯片和激光武器表面温度，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雷达芯片及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。喷雾冷却技术在机载设备冷却领域具有很强的应用前景。

已有部分专利提出了喷雾冷却在机载领域的应用方法，专利ZL201721063995.1提出了一种机载涡轮间歇蓄冷式激光武器喷雾冷却系统，主要特点是使用涡轮作为制冷器件和动力源，该方案中冷源完全由涡轮提供，增加了飞机原有涡轮制冷系统的负荷，对于飞机的长期稳定运行不利。专利ZL201821217918.1提出了一种使用冲压空气和蒸发制冷循环冷却循环水的机载喷雾冷却系统，主要特点是，使用冲压空气作为主要冷源，使用蒸发制冷循环作为辅助冷源，该方案的主要特点是使用蒸发制冷循环为喷雾介质提供冷量，然而机载空间有限，蒸发制冷循环制冷量受到限制，同时使用冲压空气作为主要冷源，当不能使用冲压空气时，没有应急冷源。

飞机在高空正常飞行时可引入冲压空气，为喷雾冷却系统提供了天然的冷源；若处于紧急情况无法使用冲压空气时，可选择添加应急冷源机载燃油。本专利共有三排喷嘴，正常工作时根据散热需求分别开启一排或两排喷嘴，当两排喷嘴发生故障时可开启另一排紧急喷嘴。本专利采用复合相变材料作为中间介质，在喷雾冷却装置不工作时相变材料可以储存冲压空气和涡流制冷箱提供的冷量，在待冷却表面需冷却时，根据其温度变化确定两组冷源的组合方式。应用本专利使得喷雾冷却介质可循环使用，且应急冷源的添加提升了系统冗余度，充足的冷量保证了喷雾冷却的换热效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用多冷源复合相变材料换热器和引射器的机载多喷嘴喷雾冷却系统，确定外界冲压空气和涡流制冷箱流出的冷空气为主要冷源，使用机载燃油作为应急冷源，以复合相变材料换热器为中间蓄冷和释放冷量装置，使用引射器降低喷雾室压强，冷却水发生沸腾换热强化换热。本发明有助于推动相变储能及高效换热技术在机载设备冷却领域的应用。