本發(fā)明涉及一種機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷綜合熱管理系統(tǒng)及其方法與應(yīng)用，屬機(jī)載設(shè)備冷卻領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

針對高功率的電子元件，傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)已不能滿足冷卻要求。基于相變換熱冷卻的噴霧冷卻技術(shù)具有高熱流密度的冷卻能力，可以滿足激光冷卻、高熱流電子設(shè)備冷卻等大功率電子元器件的冷卻要求。而一定體積的相變材料冷卻能力是有限的，當(dāng)固態(tài)材料完全液化后需要額外的冷量使其冷凝成固態(tài)，以實(shí)現(xiàn)相變換熱器的蓄冷；為了綜合、高效地利用機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)，保證其在為座艙提供冷量的同時，合理、適時地對相變換熱器進(jìn)行蓄冷，在滿足系統(tǒng)熱負(fù)荷的基礎(chǔ)上，機(jī)載蒸發(fā)制冷循環(huán)系統(tǒng)的綜合熱管理的技術(shù)研究與工程運(yùn)用勢在必行。

作為機(jī)載設(shè)備，不僅滿足冷卻性能需求，還應(yīng)考慮自重問題，飛機(jī)的升力有限，飛機(jī)自身結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)自重越輕，帶來的潛在經(jīng)濟(jì)效益越大，對于戰(zhàn)斗機(jī)而言更為重要。同時蒸發(fā)制冷循環(huán)的制冷能力備受關(guān)注且在現(xiàn)役飛機(jī)中廣泛使用。尤其是隨著多電、全電飛機(jī)概念的提出，現(xiàn)代化飛行器逐漸向能源綜合管理一體化的方向發(fā)展，因此作為機(jī)載設(shè)備，向集成化、一體化發(fā)展是必然的趨勢。綜合以上發(fā)展趨勢，本發(fā)明給出一種經(jīng)濟(jì)性好、集成度高的機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷綜合熱管理系統(tǒng)及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一套冷卻效率高、集成度高的機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷綜合熱管理系統(tǒng)及其方法與應(yīng)用。

該機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷綜合熱管理系統(tǒng)的其特征在于：包括蒸發(fā)制冷循環(huán)子系統(tǒng)、高熱流發(fā)熱元件噴霧冷卻循環(huán)子系統(tǒng)；還包括連接上述兩個子系統(tǒng)且內(nèi)填充相變介質(zhì)的相變換熱器以及進(jìn)行綜合熱管理的模糊PID控制系統(tǒng)；其中蒸發(fā)制冷循環(huán)子系統(tǒng)包括：冷凝器、蒸發(fā)器、第一膨脹閥、第二膨脹閥、壓縮機(jī)、三通閥和第一緩沖罐；其中三通閥的第一口連接冷凝器的熱邊出口，三通閥的第二口連接第一膨脹閥的入口，三通閥的第三口連接第二膨脹閥的入口，第一膨脹閥的出口與蒸發(fā)器冷側(cè)入口相連，蒸發(fā)器的熱邊與載冷劑管路相連，載冷劑的冷量用于制冷空間制冷；第二膨脹閥的出口與相變換熱器第二邊入口相連，相變換熱器第二邊出口、蒸發(fā)器冷側(cè)出口并聯(lián)于第一緩沖罐后再接到壓縮機(jī)入口，壓縮機(jī)出口連接冷凝器熱邊入口；其中高熱流發(fā)熱元件噴霧冷卻循環(huán)子系統(tǒng)包括：第二緩沖罐，循環(huán)泵，過濾器，流量調(diào)節(jié)閥，噴霧腔，旁通閥；其中噴霧腔出口分成兩路，一路與旁通閥第一端相連，另一路經(jīng)過第二緩沖罐后與相變換熱器第一邊入口相連，相變換熱器第一邊出口經(jīng)過循環(huán)泵后與旁通閥第二端并聯(lián)，并聯(lián)后再依次經(jīng)過過濾器、流量調(diào)節(jié)閥后與噴霧腔入口相連；噴霧腔用于位于其腔內(nèi)的發(fā)熱原件的冷卻；其中模糊PID控制系統(tǒng)包括用于控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和三通閥開度的模糊PID控制器，還包括散布于相變換熱器內(nèi)多個測溫點(diǎn)的溫度傳感器。

以上所述的機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷綜合熱管理系統(tǒng)的熱管理方法，其特征在于包括以下過程：初始運(yùn)行狀態(tài)時,三通閥的第一口、第二口打開，第三口關(guān)閉，蒸發(fā)循環(huán)制冷子系統(tǒng)只為第一空間提供穩(wěn)定冷量；當(dāng)高熱流發(fā)熱元件噴霧冷卻循環(huán)子系統(tǒng)中發(fā)熱元件產(chǎn)生大量熱量時，噴霧腔內(nèi)冷卻液噴到發(fā)熱元件上吸收熱量，吸收熱量的高溫冷卻液在相變換熱器與相變材料換熱后，繼續(xù)回到噴霧腔，其中旁通閥用于調(diào)節(jié)進(jìn)入噴霧腔的流量；利用相變換熱器中散布的溫度傳感器，當(dāng)測得大部分測點(diǎn)溫度超過相變換熱器中相變材料的凝固點(diǎn)時，相變材料幾乎全部液化，相變換熱器制冷能力不足，此時模糊PDI控制器提高壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時控制三通閥的第三口開啟，并根據(jù)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提高的比例控制三通閥的第二口、第三口的開度比，以達(dá)到在保證通過蒸發(fā)器的制冷劑流量不變，即保證送入第一制冷空間冷量恒定的情況下，對相變換熱器提供額外冷量的目的，有效防止相變材料冷量不足引起系統(tǒng)的失效；當(dāng)大部分測點(diǎn)溫度下降到低于相變換熱器中相變材料的凝固點(diǎn)時，相變材料已大部分冷凝為固態(tài)，模糊PID控制器（控制三通閥（3）的第三口關(guān)閉，同時降低壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，回到蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)初始運(yùn)行狀態(tài)；由于熱慣性，利用固體相變材料剩余冷量為其余液態(tài)部分相變材料蓄冷，節(jié)約蒸發(fā)制冷的冷量，節(jié)約能源。

該系統(tǒng)通過壓縮機(jī)的變頻，達(dá)到使用一套蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)同時為第一空間和機(jī)載高熱流發(fā)熱元件提供冷量的目的，使系統(tǒng)一體化、集成化，綜合管理蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的冷量，合理匹配制冷空間熱負(fù)荷及機(jī)載高熱流元件的熱負(fù)荷，大大減小系統(tǒng)重量，滿足機(jī)載設(shè)備要求。

以上所訴的機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷綜合熱管理系統(tǒng)的特征還在于：監(jiān)控相變換熱器中各測溫點(diǎn)的溫度，控制各個測點(diǎn)不超過一定溫度閾值，以避免相變換熱器出現(xiàn)因部分熱流密度過大導(dǎo)致?lián)Q熱器失效的情況。

該系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛，其中第一空間具體可以包括飛行器座艙或者貨倉等，高熱流發(fā)熱元件可以指激光武器的發(fā)熱塊等。

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)激光武器啟動，相變換熱器的相變材料與噴霧冷卻循環(huán)系統(tǒng)中的高溫流體換熱，導(dǎo)致相變材料液化，模糊PID控制器通過對測點(diǎn)溫度變化的監(jiān)測，適時、合理地調(diào)整蒸發(fā)循環(huán)制冷子系統(tǒng)中的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和三通閥開度，實(shí)現(xiàn)滿足座艙冷量的同時，為相變換熱器重新蓄冷，以待激光武器的下一次啟動。通過模糊PID控制，準(zhǔn)確的切換三通閥使蒸發(fā)循環(huán)子系統(tǒng)和高熱流發(fā)熱元件冷卻循環(huán)系統(tǒng)集成化、一體化，并通過PID控制，改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和三通閥開度能動態(tài)的匹配系統(tǒng)熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合熱管理。應(yīng)用模糊控制系統(tǒng)，適時冷卻相變換熱器，可以節(jié)約蒸發(fā)制冷循環(huán)系統(tǒng)的冷量，節(jié)約能源。

附圖說明

圖1為一種機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷綜合熱管理系統(tǒng)；

圖1中的標(biāo)號名稱：1壓縮機(jī)，2冷凝器,3三通閥，4第一膨脹閥，5第二膨脹閥，6蒸發(fā)器，7相變換熱器，8第一緩沖罐，9溫度測點(diǎn)，10模糊PID控制器，11第二緩沖罐，12旁通閥，13循環(huán)泵，14過濾器，15流量調(diào)節(jié)閥，16噴霧腔。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明所述的一種機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷綜合熱管理系統(tǒng)，系統(tǒng)包括1壓縮機(jī)，2冷凝器,3三通閥，4第一膨脹閥，5第二膨脹閥，6蒸發(fā)器，7相變換熱器，8第一緩沖罐，9溫度測點(diǎn)組，10模糊PID控制器，11第二緩沖罐，12旁通閥，13循環(huán)泵，14過濾器，15流量調(diào)節(jié)閥，16噴霧腔。

上述一種機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷綜合熱管理系統(tǒng)用于綜合管理機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的冷量，合理匹配制冷空間熱負(fù)荷及機(jī)載高熱流元件的熱負(fù)荷。

實(shí)際過程中，綜合熱管理具體實(shí)施過程如下：初始運(yùn)行狀態(tài)時，蒸發(fā)循環(huán)制冷子系統(tǒng)只為座艙提供穩(wěn)定冷量，激光武器發(fā)射后，高熱流發(fā)熱元件冷卻子系統(tǒng)中冷卻液吸收熱量，冷卻激光武器；換熱后的高溫冷卻液與相變換熱器7中固態(tài)相變材料換熱，相變材料吸熱液化，當(dāng)分布的溫度測點(diǎn)組9測得大部分溫度超過相變材料凝固點(diǎn)，由于熱慣性，模糊PID控制器10便控制提前提高壓縮機(jī)1轉(zhuǎn)速，并開啟三通閥3的出口三，并按壓縮機(jī)1轉(zhuǎn)速提高的比例控制三通閥3出口二、三的開度值，在保證通過蒸發(fā)器6的制冷劑流量不變，即保證座艙冷量的條件下，同時為相變換熱器7蓄冷，有效防止相變材料冷量不足引起系統(tǒng)的失效。同時，利用測溫組9對相變換熱器7多個溫度測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，控制各個測點(diǎn)不超過一定溫度閾值，可以避免相變換熱器7出現(xiàn)因部分熱流密度過大導(dǎo)致?lián)Q熱器失效的情況。

當(dāng)測溫組9大部分測點(diǎn)的溫度低于相變材料凝固點(diǎn)時，模糊PID控制器10控制三通閥3的出口三關(guān)閉，降低壓縮機(jī)1轉(zhuǎn)速，并調(diào)節(jié)三通閥出口二的開度，回到初始運(yùn)行狀態(tài)。由于熱慣性，利用固體剩余冷量可以為其余液態(tài)部分相變材料蓄冷，節(jié)約蒸發(fā)制冷循環(huán)系統(tǒng)的冷量，節(jié)約能源，降低飛機(jī)代償損失。