基于歧管式微通道和相变材料双潜热热沉的热管理系统

本发明涉及飞行器综合热管理，具体涉及一种基于歧管式微通道和相变材料双潜热热沉的热管理系统。

背景技术：

1、未来的航空航天技术涉及释放高脉冲废热的热负载，如战术和作战飞机上的高功率微波和激光武器等，这些负载会在短脉冲中释放非常高的废热。以激光武器为例，激光武器功率一般在105～106w，研究表明，激光武器将电能转为激光的效率仅为10％～15％，运行时间一般为几秒到几十秒，激光武器工作时，会在短脉冲内产生大量的热量，热峰值比低端值高许多倍。对于脉冲式高功率负载，热的问题表现极为突出，热管理技术成为实现脉冲式高功率负载所需突破的核心问题之一。一个关键的设计问题是需要快速散热，以避免过大的热通量对于飞行器的热冲击。

2、从现有资料来看，在众多脉冲式高功率负载热管理系统结构方案中，包含储热子系统是其共同特点，考虑到脉冲式高功率负载具有不连续工作的特点，因此可以采用储热装置以减小瞬时热载荷对系统造成的热冲击。

3、对于传统的采用相变材料的储热系统的热管理系统来说，存在的不足主要体现在以下2个方面：(1)大多数可用的相变材料的传热是通过热传导进行的，并且热扩散系数较低。散热器不能迅速吸收热源的热量，将导致热源材料温度迅速上升，最终停止工作。(2)对于实时散热的热管理系统设计，比如只采用喷雾冷却等气液两相沸腾换热技术进行实时散热，虽然可以实现快速吸热，但由于大量的热量需要散出，会导致冷凝器过大，限制了其在飞机平台上的应用。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种基于歧管式微通道和相变材料双潜热热沉的热管理系统，解决了现有技术中热管理系统热源散热速度低的问题。

2、本发明提供了一种基于歧管式微通道和相变材料双潜热热沉的热管理系统，包括歧管式微通道热沉、相变储热装置、燃油换热器、油箱系统、热负载和燃油主泵；

3、所述歧管式微通道热沉的出口与相变储热装置的热流体入口连接，相变储热装置的热流体出口与歧管式微通道热沉的入口连接，形成两相回路；

4、所述相变储热装置的冷流体出口与燃油换热器热流体入口连接，燃油换热器的热流体出口与所述相变储热装置的冷流体入口连接，形成液冷循环回路；

5、所述油箱系统包括中心供油箱和输油箱，所述中心供油箱分别与输油箱和所述燃油换热器冷流体入口连接，所述燃油换热器冷流体出口分别与热负载和输油箱连接，热负载与燃油主泵连接。

6、优选地，系统还包括与燃油主泵连接的燃烧室，所述燃烧室包括：主燃烧室和加力燃烧室；

7、所述热负载包括：环控系统热负载、机电系统热负载和液压系统热负载；

8、所述两相回路内的换热工质为氨，所述液冷循环回路内的换热工质为燃油或空气。

9、优选地，所述歧管式微通道热沉包括基板，所述基板与热源接触，所述基板设有圆形通孔入口、圆形通孔出口、多条平行微通道以及分流结构；

10、所述分流结构覆盖在所述多条平行微通道上，且具有s型结构，经由所述s型结构阻隔，形成与圆形通孔入口连接的多条平行的歧管通道和与圆形通孔出口连接的多条平行的歧管通道。

11、优选地，所述多条平行微通道为45条平行微通道；所述与圆形通孔入口连接的多条平行的歧管通道数量为9条；所述与圆形通孔出口连接的多条平行的歧管通道数量为10条；所述歧管式微通道热沉的几何参数包括：出入口直径d1＝5mm，微通道高度lc＝150μm，微通道宽度wc＝300μm，微通道翅片宽度wf＝300μm，歧管层长度ldiv＝350μm。

12、优选地，所述两相回路内的换热工质，经过所述与入口连接的多条平行的歧管通道进入微通道，在沿微通道流动一段距离后，经过与出口连接的多条平行的歧管通道到达出口。

13、优选地，所述相变储热装置的热流体的出入口由多个在平面内多次弯折的管路连接，分别形成多个热流体层；所述相变储热装置的冷流体的出入口由多个在平面内多次弯折的管路连接，分别形成多个冷流体层；所述多个热流体层和多个冷流体层互相交叠，所述多个热流体层和多个冷流体层之间设有相变材料。

14、优选地，所述多个热流体层的数量为4层，多个冷流体层的数量为3层，所述相变储热装置设有8层相变材料；

15、所述相变储热装置的几何参数包括：出入口直径d2＝10mm，相变材料层厚度lp＝1mm，热流体层厚度wa＝5mm，冷流体层层厚度ww＝5mm，相变储热装置长度l＝300mm，相变储热装置宽度lk＝300mm，相变储热装置高度lh＝67mm。

16、优选地，所述相变材料为石蜡-石墨复合相变材料；热负载脉冲峰值时期，热流体将热量传递给相变材料，相变材料融化储热，热负载脉冲谷值时期，相变材料凝固放热，将热量传递给冷流体。

17、优选地，所述中心供油箱从输油箱接收燃料，保持中心供油箱总是满油状态，燃油由中心供油箱泵出，所述燃油作为热沉依次吸收来自所述燃油换热器、所述热负载的热量，一部分燃油经过燃油换热器冷却后，回到所述输油箱，另外一部分燃油在燃烧室中燃烧。

18、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

19、(1)本发明面向给定的脉冲式高功率热负载，通过双潜热热沉综合热管理系统设计，能够实现对于高脉冲热负载的“热缓冲”的效果，具有工程实用价值和理论意义。

20、(2)本发明融合了微通道快速吸热和相变材料储热的特点，可以实现快速散热能力。利用了气液相变相较于固体相变材料换热系数更大，吸热速度更快，有利于迅速吸收热源热量的特点，并且使用相变材料作为最终热沉，利用相变材料高潜热的特点，使整个系统结构更紧凑。

21、(3)本发明的双潜热热沉综合热管理系统，基于歧管式微通道和相变储热装置，降低了中央供油箱平均燃油温度，延迟了峰值温度到来时间，充分发挥了气液相变的快速吸热特性和相变材料的储热特性。

技术特征：

1.一种基于歧管式微通道和相变材料双潜热热沉的热管理系统，其特征在于，包括歧管式微通道热沉、相变储热装置、燃油换热器、油箱系统、热负载和燃油主泵；

2.根据权利要求1所述的基于歧管式微通道和相变材料双潜热热沉的热管理系统，其特征在于，还包括与燃油主泵连接的燃烧室，所述燃烧室包括：主燃烧室和加力燃烧室；

3.根据权利要求2所述的基于歧管式微通道和相变材料双潜热热沉的热管理系统，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的基于歧管式微通道和相变材料双潜热热沉的热管理系统，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的基于歧管式微通道和相变材料双潜热热沉的热管理系统，其特征在于：

6.根据权利要求3所述的基于歧管式微通道和相变材料双潜热热沉的热管理系统，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的基于歧管式微通道和相变材料双潜热热沉的热管理系统，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的基于歧管式微通道和相变材料双潜热热沉的热管理系统，其特征在于：

9.根据权利要求6所述的基于歧管式微通道和相变材料双潜热热沉的热管理系统，其特征在于：

技术总结本发明涉及飞行器综合热管理技术领域，具体涉及一种基于歧管式微通道和相变材料双潜热热沉的热管理系统，包括：微通道热沉、相变储热装置，所述微通道热沉与相变储热装置通过管路形成两相回路；燃油换热器，所述相变储热装置与燃油换热器通过管路形成液冷循环回路；油箱系统、热负载、燃油主泵，油箱系统包括中心供油箱、输油箱，中心供油箱分别与输油箱和燃油换热器冷流体入口连接，燃油换热器冷流体出口分别与热负载、输油箱连接，热负载与燃油主泵连接；本发明能够实现对于高脉冲热负载的热缓冲效果。技术研发人员：郭京辉,朱嘉乐,李思佳,林贵平受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9