一种基于气液相变的泵驱主动冷却装置及气液相变冷板的制作方法

1.本发明涉及弹载电子设备温度控制技术领域，具体涉及一种基于气液相变的泵驱主动冷却装置及气液相变冷板。


背景技术：

2.电子器件的工作可靠性对温度十分敏感，据统计，电子设备失效率有55％是由于温度超过电子设备规定壳体温值而引起的并且随着温度的升高，电子设备的失效率会成指数形式增长，当温度循环变化范围超过时，电子设备的失效率可增加到8.1倍。随着电子设备的尺寸体积越来越小，相应的热流密度大大增加，同时，由于弹载电子设备由于自身的条件限制，环境温度恶劣，工作初始温度高，自身发热量大，随着服役时间的增加，散热条件越发恶劣。
3.弹载电子设备的散热装置一般采用风冷散热、液冷散热及固液相变散热。风冷散热实际上就是强制对流散热，液冷散热是利用热传导来进行散热，液冷散热比风冷散热具有更强的散热能力，固液相变散热是利用石蜡等相变材料的相变过程在短时间内吸收大量热量。
4.目前，弹载电子设备多采用液冷散热和固液相变散热，散热冷源通常为蒙皮外的低温空气及相变材料自身贮存的冷源。随着飞行时间的增加，弹载设备热负荷显著提升，储能式散热方式的体积及重量大大增加；当飞行速度提升时，低温空气变为气动加热，外界冷环境失效。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于气液相变的泵驱主动冷却装置及气液相变冷板，采用该气液相变冷板能够在不增加额外体积、重量的情况下，在低速飞行阶段通过液冷方法对弹载电子设备进行散热，在高速飞行阶段利用泡沫金属中储存的液态气液相变制冷剂相变对弹载电子设备进行散热，使弹载电子设备的温度始终维持在要求范围内。
6.本发明采用以下具体技术方案：
7.本发明提供了一种气液相变冷板，该气液相变冷板包括冷板框体、相变冷板、泡沫金属以及气液相变制冷剂；
8.所述冷板框体的内部形成相变腔体，并设置有与所述相变腔体连通的入口和出口；
9.所述气液相变制冷剂能够在液态和气态之间变换；
10.所述相变冷板和所述泡沫金属均容置于所述相变腔体内；所述相变冷板内设置有液冷流道；所述液冷流道的一端与所述入口连通，另一端与所述出口连通；所述泡沫金属用于吸附液态的气液相变制冷剂；
11.所述气液相变冷板具有循环散热模式及相变散热模式；当所述气液相变冷板处于循环散热模式时，通过液态的气液相变制冷剂在所述液冷流道中循环流动进行散热；当所
述气液相变冷板处于相变散热模式时，通过所述泡沫金属中的液态气液相变制冷剂发生相变进行散热。
12.更进一步地，还包括夹设于所述相变冷板和所述泡沫金属之间的隔板；
13.所述隔板设置有多个贯穿其厚度的通孔。
14.更进一步地，所述液冷流道为矩形、圆形、树形或s弯形。
15.更进一步地，所述泡沫金属为泡沫铝；
16.所述冷板框体、所述相变冷板以及所述隔板均采用铝合金作为基体材料；
17.所述冷板框体为长方体形、圆柱体形或者长圆柱体形。
18.更进一步地，所述泡沫铝为10ppi，孔隙率为95％。
19.另外，本发明还提供了一种基于气液相变的泵驱主动冷却装置，该泵驱主动冷却装置包括储液泵阀组件、蒙皮散热器、封闭式液冷循环管路、排气管路、以及上述技术方案中的气液相变冷板；
20.所述封闭式液冷循环管路将所述储液泵阀组件、所述气液相变冷板以及所述蒙皮散热器依次串联连接，用于形成气液相变制冷剂的循环流动通道；
21.所述气液相变冷板的冷板框体接触电子设备，用于吸收电子设备产生的热量；
22.所述储液泵阀组件用于贮存气液相变制冷剂，并驱动气液相变制冷剂沿所述封闭式液冷循环管路内的循环流动通道循环流动；
23.所述蒙皮散热器用于将所述气液相变制冷剂携带的热量向冷背景环境中散发；
24.所述排气管路连接于所述气液相变冷板与所述蒙皮散热器之间的所述封闭式液冷循环管路中，用于将相变后的气液相变制冷剂气体排放至所述封闭式液冷循环管路外部。
25.更进一步地，所述储液泵阀组件包括依次安装于所述封闭式液冷循环管路中的储液瓶、过滤器、潜液泵、以及两位三通阀；
26.所述储液瓶用于贮存液态气液相变制冷剂；
27.所述潜液泵用于驱动气液相变制冷剂沿所述封闭式液冷循环管路流动，并依据电子设备的发热情况调整流量；
28.所述过滤器用于对液态气液相变制冷剂进行过滤；
29.所述两位三通阀与所述排气管路连通，用于实现气液相变制冷剂在所述封闭式液冷循环管路与所述排气管路之间的切换；当所述气液相变冷板处于相变散热模式时，所述两位三通阀将所述封闭式液冷循环管路与所述排气管路连通进行排气。
30.更进一步地，所述潜液泵、所述过滤器、以及所述两位三通阀均安装于所述储液瓶中。
31.更进一步地，还包括控制器；
32.所述控制器与所述潜液泵和所述两位三通阀之间信号连接，用于控制所述潜液泵的流量以及所述两位三通阀的流向。
33.更进一步地，所述储液瓶以钛合金材料为基底，并与电子设备一体化成型；
34.所述蒙皮散热器为内部具有散热流道的飞机蒙皮结构，用于实现与冷背景空气的热量交换；
35.所述散热流道连接于所述封闭式液冷循环管路中。
36.有益效果：
37.1、本发明的气液相变冷板在冷板框体内部的相变腔体内设置有相变冷板和泡沫金属，相变冷板内设置有液冷流道，泡沫金属吸附有液态的气液相变制冷剂；在低速飞行阶段，气液相变冷板处于循环散热模式，通过液态的气液相变制冷剂在液冷流道中循环流动进行散热；在高速飞行阶段，气液相变冷板处于相变散热模式，通过泡沫金属中的液态气液相变制冷剂发生相变气化进行散热；部分液态的气液相变制冷剂由泡沫金属吸附在气液相变冷板内，由于泡沫金属具有复杂的三维结构，多孔介质比表面大，单位体积的散热表面为相同尺寸翅片的几十倍，具有良好的导热性能，因此增加了热源与气液相变冷板之间的换热效果，使得贮存的气液相变制冷剂可以充分的吸收电子设备等热源的热量进而相变散热。因此，采用该气液相变冷板能够在不增加额外体积、重量的情况下，在低速飞行阶段通过液冷方法对弹载电子设备进行散热，在高速飞行阶段利用泡沫金属中储存的液态气液相变制冷剂相变对弹载电子设备进行散热，使弹载电子设备的温度始终维持在要求范围内。
38.2、本发明的气液相变冷板在冷板框体内设置有夹设于相变冷板和泡沫金属之间的隔板，并且隔板设置有多个贯穿其厚度的通孔，在气液相变冷板处于相变散热模式时，隔板对气液相变制冷剂进行过滤，使气化的气液相变制冷剂通过隔板的通孔进入冷板框体的出口排出气液相变冷板，从而将热量带走，提高了气液相变冷板的散热效率。
39.3、本发明的气液相变冷板和基于气液相变的泵驱主动冷却装置，根据弹载电子设备的使用特点和环境特性，采用了泵驱主动液冷技术和气液相变技术的复合制冷技术，将被动的气液相变冷却和主动的液冷散热冷却结合为一体，充分利用气液相变制冷剂汽化潜热作为冷量，通过蒙皮散热器利用空间冷环境作为散热源；当低速飞行时，采用液冷散热冷却技术，启动储液泵阀组件驱动气液相变制冷剂循环散热，将电子设备的热量通过气液相变制冷剂运输至蒙皮散热器，蒙皮散热器可以有效利用飞行环境中的冷环境资源，可连续长时间工作，同时，由于潜液泵具有调节流量的能力，可以满足电子设备在不同环境剖面下的散热需求，从而满足长时间、发热量大的热源散热需求。当高速飞行时，采用气液相变散热，利用气液相变冷板中贮存的液体气液相变制冷剂相变为气态进而吸收热量，将电子设备的温度控制在要求范围内，满足短时间高速飞行条件下电子设备的散热需求。在满足弹载电子设备散热需求的前提下，减轻了散热系统的重量。
附图说明
40.图1为本发明气液相变冷板的爆炸结构示意图；
41.图2为本发明泵驱主动冷却装置的原理结构示意图；
42.图3为本发明储液泵阀组件的爆炸结构示意图；
43.图4为本发明蒙皮散热器的结构示意图；
44.图5为本发明泵驱主动冷却装置的安装结构示意图。
45.其中，1-气液相变冷板，2-封闭式液冷循环管路，3-蒙皮散热器，4-储液泵阀组件，5-排气管路，6-电子设备，7-控制器，11-底框，12-盖板，13-相变冷板，14-泡沫金属，15-相变腔体，16-液冷流道，17-隔板，31-散热流道，32-进口，33-出口，41-储液瓶，42-过滤器，43-潜液泵，44-两位三通阀
具体实施方式
46.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
47.实施例一
48.如图1所示，本实施例提供了一种气液相变冷板131，该气液相变冷板131包括冷板框体、相变冷板13、泡沫金属14以及气液相变制冷剂；
49.冷板框体的内部形成相变腔体15，并设置有与相变腔体15连通的入口和出口；如图1所示，冷板框体可以由相对设置的底框11和盖板12通过固定连接构成，在底框11和盖板12之间形成相变腔体15，与相变腔体15连通的入口和出口可以设置于底框11的一侧；入口和出口用于气液相变制冷剂的进出；
50.气液相变制冷剂能够在液态和气态之间变换；气液相变制冷剂在平时处于液态，当温度达到沸点时则从液态相变至气态，通过从液态吸热变成气态实现散热；气液相变制冷剂可以使用电子清洗液、水、酒精等气化潜热较大的液体；
51.相变冷板13和泡沫金属14均容置于相变腔体15内；相变冷板13内设置有液冷流道16；液冷流道16的一端与入口连通，另一端与出口连通；泡沫金属14用于吸附液态的气液相变制冷剂；液冷流道16可以为矩形、圆形、树形或s弯形；
52.气液相变冷板131具有循环散热模式及相变散热模式；当气液相变冷板131处于循环散热模式时，通过液态的气液相变制冷剂在液冷流道16中循环流动进行散热；当气液相变冷板131处于相变散热模式时，通过泡沫金属14中的液态气液相变制冷剂发生相变进行散热。上述气液相变冷板131在冷板框体内部的相变腔体15内设置有相变冷板13和泡沫金属14，相变冷板13内设置有液冷流道16，泡沫金属14吸附有液态的气液相变制冷剂；在低速飞行阶段，气液相变冷板131处于循环散热模式，通过液态的气液相变制冷剂在液冷流道16中循环流动进行散热；在高速飞行阶段，气液相变冷板131处于相变散热模式，通过泡沫金属14中的液态气液相变制冷剂发生相变气化进行散热；部分液态的气液相变制冷剂由泡沫金属14吸附在气液相变冷板131内，由于泡沫金属14具有复杂的三维结构，多孔介质比表面大，单位体积的散热表面为相同尺寸翅片的几十倍，具有良好的导热性能，因此增加了热源与气液相变冷板131之间的换热效果，使得贮存的气液相变制冷剂可以充分的吸收电子设备6等热源的热量进而相变散热。因此，采用该气液相变冷板131能够在不增加额外体积、重量的情况下，在低速飞行阶段通过液冷方法对弹载电子设备6进行散热，在高速飞行阶段利用泡沫金属14中储存的液态气液相变制冷剂相变对弹载电子设备6进行散热，使弹载电子设备6的温度始终维持在要求范围内。
53.如图1所示，上述气液相变冷板131还包括夹设于相变冷板13和泡沫金属14之间的隔板17；隔板17设置有多个贯穿其厚度的通孔；
54.采用的泡沫金属14可以为泡沫铝；泡沫铝为10ppi，孔隙率为95％；冷板框体、相变冷板13以及隔板17均采用铝合金作为基体材料；冷板框体为长方体形、圆柱体形或者长圆柱体形。
55.上述气液相变冷板131在冷板框体内设置有夹设于相变冷板13和泡沫金属14之间的隔板17，并且隔板17设置有多个贯穿其厚度的通孔，在气液相变冷板131处于相变散热模式时，隔板17对气液相变制冷剂进行过滤，使气化的气液相变制冷剂通过隔板17的通孔进入冷板框体的出口排出气液相变冷板131，从而将热量带走，提高了气液相变冷板131的散
热效率。
56.实施例二
57.本实施例还提供了一种基于气液相变的泵驱主动冷却装置，如图2和图5所示，该泵驱主动冷却装置包括储液泵阀组件4、蒙皮散热器3、封闭式液冷循环管路2、排气管路5、以及上述实施例一中的气液相变冷板131；如图1所示，气液相变冷板131包括冷板框体、相变冷板13、泡沫金属14以及气液相变制冷剂；
58.封闭式液冷循环管路2将储液泵阀组件4、气液相变冷板131以及蒙皮散热器3依次串联连接，用于形成气液相变制冷剂的循环流动通道；
59.气液相变冷板131的冷板框体接触电子设备6，用于吸收电子设备6产生的热量；
60.储液泵阀组件4用于贮存气液相变制冷剂，并驱动气液相变制冷剂沿封闭式液冷循环管路2内的循环流动通道循环流动；
61.蒙皮散热器3用于将气液相变制冷剂携带的热量向冷背景环境中散发；
62.排气管路5连接于气液相变冷板131与蒙皮散热器3之间的封闭式液冷循环管路2中，用于将相变后的气液相变制冷剂气体排放至封闭式液冷循环管路2外部，如：飞机舱外。
63.当电子设备6处于高速飞行阶段工作时，电子设备6产生的热量传递至气液相变冷板131，热量通过泡沫金属14均匀传递给相变材料，气液相变制冷剂吸收热量并发生相变，由液态转变为气态，最后经由排气管路5逸出；在此过程中，气液相变制冷剂首先利用自身显热吸收一部分热量温度升高，随后到达汽化温度，在液态向气态转变的过程中，吸收大量热量。
64.如图3所示，上述储液泵阀组件4包括依次安装于封闭式液冷循环管路2中的储液瓶41、过滤器42、潜液泵43、以及两位三通阀44；潜液泵43、过滤器42、以及两位三通阀44均安装于储液瓶41中；储液瓶41用于贮存液态气液相变制冷剂；潜液泵43用于驱动气液相变制冷剂沿封闭式液冷循环管路2流动，并依据电子设备6的发热情况调整流量；过滤器42用于对液态气液相变制冷剂进行过滤；两位三通阀44与排气管路5连通，用于实现气液相变制冷剂在封闭式液冷循环管路2与排气管路5之间的切换；当气液相变冷板131处于相变散热模式时，两位三通阀44将封闭式液冷循环管路2与排气管路5连通进行排气。储液瓶41以钛合金材料为基底，并可以与电子设备6一体化成型。
65.一种具体的实施方式中，上述泵驱主动冷却装置还包括控制器7；控制器7与潜液泵43和两位三通阀44之间信号连接，用于控制潜液泵43的流量以及两位三通阀44的流向。泵驱主动冷却装置使用控制器7控制储液泵阀组件4，依据弹载cpu采集的芯片温度，调整潜液泵43的开断、依靠调节供电电流调节潜液泵43流量，并依据弹载cpu指令控制两位三通阀44流向，在封闭循环管理和相变排气管路5间切换。
66.如图4所示，蒙皮散热器3为内部具有散热流道31的飞机蒙皮结构，用于实现与冷背景空气的热量交换；散热流道31通过进口32和出口33连接于封闭式液冷循环管路2中。
67.上述气液相变冷板131和基于气液相变的泵驱主动冷却装置，根据弹载电子设备6的使用特点和环境特性，采用了泵驱主动液冷技术和气液相变技术的复合制冷技术，将被动的气液相变冷却和主动的液冷散热冷却结合为一体，充分利用气液相变制冷剂汽化潜热作为冷量，通过蒙皮散热器3利用空间冷环境作为散热源；当低速飞行时，采用液冷散热冷却技术，启动储液泵阀组件4驱动气液相变制冷剂循环散热，将电子设备6的热量通过气液
相变制冷剂运输至蒙皮散热器3，蒙皮散热器3可以有效利用飞行环境中的冷环境资源，可连续长时间工作，同时，由于潜液泵43具有调节流量的能力，可以满足电子设备6在不同环境剖面下的散热需求，从而满足长时间、发热量大的热源散热需求。当高速飞行时，采用气液相变散热，利用气液相变冷板131中贮存的液体气液相变制冷剂相变为气态进而吸收热量，将电子设备6的温度控制在要求范围内，满足短时间高速飞行条件下电子设备6的散热需求。在满足弹载电子设备6散热需求的前提下，减轻了散热系统的重量。
68.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种气液相变冷板，其特征在于，包括冷板框体、相变冷板、泡沫金属以及气液相变制冷剂；所述冷板框体的内部形成相变腔体，并设置有与所述相变腔体连通的入口和出口；所述气液相变制冷剂能够在液态和气态之间变换；所述相变冷板和所述泡沫金属均容置于所述相变腔体内；所述相变冷板内设置有液冷流道；所述液冷流道的一端与所述入口连通，另一端与所述出口连通；所述泡沫金属用于吸附液态的气液相变制冷剂；所述气液相变冷板具有循环散热模式及相变散热模式；当所述气液相变冷板处于循环散热模式时，通过液态的气液相变制冷剂在所述液冷流道中循环流动进行散热；当所述气液相变冷板处于相变散热模式时，通过所述泡沫金属中的液态的气液相变制冷剂发生相变进行散热。2.如权利要求1所述的气液相变冷板，其特征在于，还包括夹设于所述相变冷板和所述泡沫金属之间的隔板；所述隔板设置有多个贯穿其厚度的通孔。3.如权利要求2所述的气液相变冷板，其特征在于，所述液冷流道为矩形、圆形、树形或s弯形。4.如权利要求3所述的气液相变冷板，其特征在于，所述泡沫金属为泡沫铝；所述冷板框体、所述相变冷板以及所述隔板均采用铝合金作为基体材料；所述冷板框体为长方体形、圆柱体形或者长圆柱体形。5.如权利要求4所述的气液相变冷板，其特征在于，所述泡沫铝为10ppi，孔隙率为95％。6.一种基于气液相变的泵驱主动冷却装置，其特征在于，包括储液泵阀组件、蒙皮散热器、封闭式液冷循环管路、排气管路、以及如权利要求1-5任一项所述的气液相变冷板；所述封闭式液冷循环管路将所述储液泵阀组件、所述气液相变冷板以及所述蒙皮散热器依次串联连接，用于形成气液相变制冷剂的循环流动通道；所述气液相变冷板的冷板框体接触电子设备，用于吸收电子设备产生的热量；所述储液泵阀组件用于贮存气液相变制冷剂，并驱动气液相变制冷剂沿所述封闭式液冷循环管路内的循环流动通道循环流动；所述蒙皮散热器用于将所述气液相变制冷剂携带的热量向冷背景环境中散发；所述排气管路连接于所述气液相变冷板与所述蒙皮散热器之间的所述封闭式液冷循环管路中，用于将相变后的气液相变制冷剂气体排放至所述封闭式液冷循环管路外部。7.如权利要求6所述的泵驱主动冷却装置，其特征在于，所述储液泵阀组件包括依次安装于所述封闭式液冷循环管路中的储液瓶、过滤器、潜液泵、以及两位三通阀；所述储液瓶用于贮存液态气液相变制冷剂；所述潜液泵用于驱动气液相变制冷剂沿所述封闭式液冷循环管路流动，并依据电子设备的发热情况调整流量；所述过滤器用于对液态气液相变制冷剂进行过滤；所述两位三通阀与所述排气管路连通，用于实现气液相变制冷剂在所述封闭式液冷循环管路与所述排气管路之间的切换；当所述气液相变冷板处于相变散热模式时，所述两位
三通阀将所述封闭式液冷循环管路与所述排气管路连通进行排气。8.如权利要求7所述的泵驱主动冷却装置，其特征在于，所述潜液泵、所述过滤器、以及所述两位三通阀均安装于所述储液瓶中。9.如权利要求8所述的泵驱主动冷却装置，其特征在于，还包括控制器；所述控制器与所述潜液泵和所述两位三通阀之间信号连接，用于控制所述潜液泵的流量以及所述两位三通阀的流向。10.如权利要求6-9任一项所述的泵驱主动冷却装置，其特征在于，所述储液瓶以钛合金材料为基底，并与电子设备一体化成型；所述蒙皮散热器为内部具有散热流道的飞机蒙皮结构，用于实现与冷背景空气的热量交换；所述散热流道连接于所述封闭式液冷循环管路中。

技术总结
本发明公开了一种基于气液相变的泵驱主动冷却装置及气液相变冷板，该气液相变冷板在冷板框体内安装有相变冷板和泡沫金属，冷板框体设置有与相变腔体连通的入口和出口；气液相变制冷剂能够在液态和气态之间变换；相变冷板内设置有液冷流道；泡沫金属用于吸附液态的气液相变制冷剂；气液相变冷板具有循环散热模式及相变散热模式；当气液相变冷板处于循环散热模式时，通过液态的气液相变制冷剂在液冷流道中循环流动进行散热；当气液相变冷板处于相变散热模式时，通过泡沫金属中的液态气液相变制冷剂发生相变进行散热。上述气液相变冷板能够在不增加额外体积、重量的情况下，通过液冷和气液相变使弹载电子设备的温度始终维持在要求范围内。求范围内。求范围内。


技术研发人员：杨祺 陈正刚 王雪松 张文瑞 柳明明 刘轶鑫 张文台 马聪 雷小光 曹璐璐 薛文国 刘佳
受保护的技术使用者：兰州空间技术物理研究所
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/7/21