本发明涉及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，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，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。
飞机正常运行时引入的冲压空气，为喷雾冷却系统提供了天然的冷源；若冲压空气冷量不够，可选择添加辅助冷源。本发明设计了冲压空气与蒸发制冷循环结合的循环水冷却方式，且采用两组相变材料作为中间介质，在喷雾冷却装置不工作时依然可以储存冲压空气和蒸发制冷循环提供的冷量，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。应用本发明使得喷雾冷却介质可循环使用，且充足的冷量保证了喷雾冷却的换热效率。
技术实现要素：
本发明的目的是提供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，将外界冲压空气自然冷源与蒸发制冷循环冷源结合，以两组相变材料作为中间介质，根据机载设备表面温度变化选取相变材料组合方式。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。
系统主要包括水箱(1)、压缩机(2)、蒸发器(3)、第一截止阀(4-1)、第二截止阀(4-2)、第三截止阀(4-3)、第四截止阀(4-4)、第五截止阀(4-5)、膨胀阀(5)、冷凝器(6)、相变材料换热器(7)、冲压空气入口(8)、喷雾室(9)、待冷却表面(10)、喷嘴(11)、流量计(12)、流量调节阀(13)、水泵(14)。
其中，蒸发器(3)具有冷水入口(3-1)、冷水出口(3-2)、制冷剂入口(3-3)、制冷剂出口(3-4)，蒸发器(3)内部为相变材料(3-5)；相变材料换热器(7)具有冷气入口(7-1)、冷气出口(7-2)、冷水入口(7-3)、冷水出口(7-4)，相变材料换热器(7)内部为相变材料(7-5)；冷凝器(6)具有冷气入口、冷气出口、制冷剂入口、制冷剂出口。
水箱(1)的出口与水泵(14)的入口相连，水泵(14)的出口与流量调节阀(13)的入口相连，流量调节阀(13)的出口与第五截止阀(4-5)的入口相连，第五截止阀(4-5)的出口与流量计(12)的入口相连，流量计(12)的出口经喷雾室(9)的入口与喷嘴(11)的入口相连，喷嘴(11)的出口位于待冷却表面(10)的上方，喷雾室(9)的出口分别与第三截止阀(4-3)的入口和第四截止阀(4-4)的入口相连，第四截止阀(4-4)的出口与相变材料换热器(7)的冷水入口(7-3)相连，第三截止阀(4-3)的出口分别与第一截止阀(4-1)的入口和第二截止阀(4-2)的入口相连，相变材料换热器(7)的冷水出口(7-4)分别与第一截止阀(4-1)的入口和第二截止阀(4-2)的入口相连，第二截止阀(4-2)的出口与蒸发器(3)的冷水入口(3-1)相连，第一截止阀(4-1)的出口与水箱(1)的冷水入口相连，蒸发器(3)的冷水出口(3-2)与水箱(1)的冷水入口相连。
冲压空气入口(8)与相变材料换热器(7)的冷气入口(7-1)相连，相变材料换热器(7)的冷气出口(7-2)与冷凝器(6)的冷气入口相连，冷凝器(6)的冷气出口与外界环境相连。
冷凝器(6)的制冷剂出口与膨胀阀(5)的入口相连，膨胀阀(5)的出口与蒸发器(3)的制冷剂入口(3-3)相连，蒸发器(3)的制冷剂出口(3-4)与压缩机(2)的入口相连，压缩机(2)的出口与冷凝器(6)的制冷剂入口相连。
本发明提供的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，运行时包括以下过程：
冲压空气换热过程：外界低温冲压空气经冲压空气入口(8)进入相变材料换热器(7)中，在相变材料换热器(7)中与相变材料(7-5)换热，冲压空气经相变材料换热器(7)后温度升高，进入冷凝器(6)中，在冷凝器(6)中与制冷剂换热，温度再度升高变成热空气，热空气流入外界环境，相变材料(7-5)变为固态储存冷量。
制冷剂循环过程：制冷剂经压缩机(2)进入冷凝器(6)中，在冷凝器(6)中与冲压空气换热，制冷剂经冷凝器(6)、膨胀阀(5)进入蒸发器(3)，在蒸发器(3)中与相变材料(3-5)换热，换热完成后制冷剂进入压缩机(2)完成循环，相变材料(3-5)变为固态储存冷量。
喷雾冷却过程：水箱(1)中储存定量的水，系统运行时，当待冷却表面(10)温度大于80℃，需要大量散热时，开启水泵(14)、第二截止阀(4-2)、第四截止阀(4-4)和第五截止阀(4-5)，关闭第一截止阀(4-1)、第三截止阀(4-3)，水箱(1)中冷水经水泵(14)、流量调节阀(13)、第五截止阀(4-5)和流量计(12)后流入喷嘴(11)，在喷嘴(11)中雾化后喷射至待冷却表面(10)，降低待冷却表面(10)的温度，换热完成后的热水经喷雾室(9)的出口流入相变材料换热器(7)中，在相变材料换热器(7)中与相变材料(7-5)换热降温，冷却水经第二截止阀(4-2)流入蒸发器(3)中，在蒸发器(3)中与相变材料(3-5)换热再次降温，降温后的冷却水流入水箱(1)完成循环。
当待冷却表面(10)温度小于80℃，需要正常散热时，开启水泵(14)、第一截止阀(4-1)、第四截止阀(4-4)和第五截止阀(4-5)，关闭第二截止阀(4-2)、第三截止阀(4-3)，水箱(1)中冷水经水泵(14)、流量调节阀(13)、第五截止阀(4-5)和流量计(12)后流入喷嘴(11)，在喷嘴(11)中雾化后喷射至待冷却表面(10)，降低待冷却表面(10)的温度，换热完成后的热水经第四截止阀(4-4)流入相变材料换热器(7)中，在相变材料换热器(7)中与相变材料(7-5)换热降温变成冷却水，冷却水经第一截止阀(4-1)流入水箱(1)完成循环。
相变材料蓄冷过程：喷雾冷却不进行时，关闭第四截止阀(4-4)，相变材料(7-5)与冲压空气换热后变为低温固态，相变材料(7-5)蓄冷；关闭第二截止阀(4-2)，相变材料(3-5)与制冷剂换热后变为低温固态，相变材料(3-5)蓄冷。
喷嘴(11)和待冷却表面(10)均封闭安装在喷雾室(9)中。
相变材料(3-5)和相变材料(7-5)为有机-无机复合相变蓄冷材料。
冷凝器(6)为板式换热器。
制冷剂为r22、r134a或r407c。
相变材料(3-5)和相变材料(7-5)初始状态是液态，蓄冷后是固态。
附图说明
附图1为本发明的原理图；
附图1中的标号名称：1.水箱、2.压缩机、3.蒸发器、4-1.第一截止阀、4-2.第二截止阀、4-3.第三截止阀、4-4.第四截止阀、4-5.第五截止阀、5.膨胀阀、6.冷凝器、7.相变材料换热器、8.冲压空气入口、9.喷雾室、10.待冷却表面、11.喷嘴、22.流量计、13.流量调节阀、14.水泵；
附图2为蒸发器(3)的结构示意图；
附图2中的标号名称：3.蒸发器、3-1.冷水入口、3-2.冷水出口、3-3.制冷剂入口、3-4.制冷剂出口、3-5.相变材料；
附图3为相变材料换热器(7)的结构示意图；
附图3中的标号名称：7.相变材料换热器、7-1.冷气入口、7-2.冷气出口、7-3.冷水入口、7-4.冷水出口、7-5.相变材料。
具体实施方式
如图1所示，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包括水箱1、压缩机2、蒸发器3、冷水入口3-1、冷水出口3-2、制冷剂入口3-3、制冷剂出口3-4、相变材料3-5、第一截止阀4-1、第二截止阀4-2、第三截止阀4-3、第四截止阀4-4、第五截止阀4-5、膨胀阀5、冷凝器6、相变材料换热器7、冷气入口7-1、冷气出口7-2、冷水入口7-3、冷水出口7-4、相变材料7-5、冲压空气入口8、喷雾室9、待冷却表面10、喷嘴11、流量计12、流量调节阀13、水泵14。
飞机起飞前，根据飞机续航时间和设备需冷却时间得出喷雾冷却系统运行时间，根据运行时间在水箱1中充注定量的水。此时流量调节阀13、第一截止阀4-1、第二截止阀4-2、第三截止阀4-3、第四截止阀4-4、第五截止阀4-5均处于关闭状态。
飞机起飞后，冲压空气入口8吸入冲压空气，相变材料7-5与冲压空气换热后变为低温固态，相变材料7-5蓄冷；打开压缩机2和膨胀阀5，相变材料3-5与制冷剂换热后变为低温固态，相变材料3-5蓄冷。
飞机起飞后，当需要对电子设备或其他表面进行冷却，当待冷却表面10温度大于80℃，需要大量散热时，开启水泵14、第二截止阀4-2、第四截止阀4-4和第五截止阀4-5，关闭第一截止阀4-1、第三截止阀4-3，水箱1中冷水经水泵14、流量调节阀13、第五截止阀4-5和流量计12后流入喷嘴11，在喷嘴11中雾化后喷射至待冷却表面10，降低待冷却表面10的温度，换热完成后的热水经喷雾室9的出口流入相变材料换热器7中，在相变材料换热器7中与相变材料7-5换热降温，冷却水经第二截止阀4-2流入蒸发器3中，在蒸发器3中与相变材料3-5换热再次降温，降温后的冷却水流入水箱1完成循环；当待冷却表面11温度小于80℃，需要正常散热时，开启水泵14、第一截止阀4-1、第四截止阀4-4和第五截止阀4-5，关闭第二截止阀4-2、第三截止阀4-3，水箱1中冷水经水泵14、流量调节阀13、第五截止阀4-5和流量计12后流入喷嘴11，在喷嘴11中雾化后喷射至待冷却表面10，降低待冷却表面10的温度，换热完成后的热水经第四截止阀4-4流入相变材料换热器7中，在相变材料换热器7中与相变材料7-5换热降温变成冷却水，冷却水经第一截止阀4-1流入水箱1完成循环。
外界低温冲压空气经冲压空气入口8进入相变材料换热器7中，在相变材料换热器7中与相变材料7-5换热，冲压空气经相变材料换热器7后温度升高，进入冷凝器6中，在冷凝器6中与制冷剂换热，温度再度升高变成热空气，热空气流入外界环境。
制冷剂经压缩机2进入冷凝器6中，在冷凝器6中与冲压空气换热，制冷剂经冷凝器6、膨胀阀5进入蒸发器3，在蒸发器3中与相变材料3-5换热，换热完成后制冷剂进入压缩机2完成循环。
当相变材料需要蓄冷时，关闭第四截止阀4-4，已吸热的相变材料7-5与冲压空气换热后变为低温固态，相变材料7-5蓄冷；关闭第二截止阀4-2，已吸热的相变材料3-5与制冷剂换热后变为低温固态，相变材料3-5蓄冷。
该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，使用水作为冷却介质，对芯片和电子设备表面无腐蚀和污染；使用外界冲压空气作为主要冷源，使用蒸发制冷循环作为辅助冷源，两种冷源分别对应两个相变材料换热器，针对不同的表面温度搭配使用，有效控制了水温，保证了喷雾冷却的换热性能。相变材料的引入使得系统在喷雾冷却无需工作时仍然可以积蓄冷量至相变材料3-5和相变材料7-5中，便于随时开启喷雾冷却装置。