Система жидкостного охлаждения аппаратуры

Система жидкостного охлаждения аппаратуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области конструирования систем охлаждения, а именно к системам для охлаждения радиоэлектронной аппаратуры, в частности, установленной на летательных аппаратах.

Предшествующий уровень техники

Известны различные системы для охлаждения тепловыделяющей аппаратуры (например, по А.С. №666305, по А.С. №675715). В качестве ближайшего аналога предложена система жидкостного охлаждения оборудования самолета по патенту №2207968, содержащая насос и теплообменник, включенные в замкнутый циркуляционный контур охлаждающей жидкости, в системе установлен расширительный бачок для обеспечения бескавитационной работы насоса, система содержит датчик расхода охлаждающей жидкости и датчик ее температуры, предназначенные для информирования об обеспеченности надежного охлаждения.

Раскрытие изобретения

Изобретение решает задачу оптимального охлаждения аппаратуры с помощью охлаждающей жидкости, циркулирующей в замкнутом контуре, с обеспечением заданного температурного режима работы блоков аппаратуры в случае недостаточного хладоресурса охлаждающей среды, используемой для сброса тепла, а также при наличии блоков аппаратуры, имеющих разные параметры по тепловой мощности или по температурному уровню охлаждения. Поставленная задача решается за счет дополнительного отвода тепла от жидкости к другой охлаждающей среде, обладающей необходимыми характеристиками.

Система жидкостного охлаждения блоков аппаратуры содержит жидкостную магистраль, образующую замкнутый контур для циркуляции охлаждающей жидкости через блоки аппаратуры с целью их охлаждения. Блоки аппаратуры включены в замкнутый контур параллельно или последовательно. Циркуляцию жидкости обеспечивает насос, включенный между сливным и напорным трубопроводами магистрали замкнутого контура. Для отвода тепла от охлаждающей жидкости система содержит средство передачи тепла в виде, например, топливожидкостного теплообменника, включенного своей полостью охлаждающей жидкости в магистраль замкнутого контура и передающего тепло к бортовому топливу. Для дополнительного отвода тепла от охлаждающей жидкости система содержит средство передачи тепла в виде, например, воздухожидкостного теплообменника, в полости холодного теплоносителя которого циркулирует холодный воздух. Полость охлаждающей жидкости воздухожидкостного теплообменника включена в ответвление магистрали замкнутого контура. Вход полости холодного теплоносителя топливожидкостного теплообменника подключен к источнику охлаждающей среды - потоку топлива, циркулирующего через топливный бак самолета. Вход полости холодного теплоносителя воздухожидкостного теплообменника подключен к источнику другой охлаждающей среды - потоку холодного воздуха, поступающего от бортовой системы кондиционирования воздуха.

При работе насоса происходит циркуляция охлаждающей жидкости в замкнутом контуре через блоки аппаратуры и топливожидкостный теплообменник, а также через ответвление замкнутого контура и включенный в ответвление воздухожидкостный теплообменник. За счет прокачки охлаждающей жидкости через блоки аппаратуры происходит отвод тепла от их нагретых частей и поддержание теплового режима аппаратуры на заданном температурном уровне. Часть тепла от нагретой жидкости передается топливу, циркулирующему через полость холодного теплоносителя топливожидкостного теплообменника и топливный бак самолета. Другая часть тепла передается воздуху, поступающему от системы кондиционирования в полость холодного теплоносителя воздухожидкостного теплообменника, что уменьшает тепловую нагрузку на топливожидкостный теплообменник и предотвращает перегрев топлива в топливном баке. Расположение воздухожидкостного теплообменника в ответвлении магистрали замкнутого контура позволяет использовать перепад давления жидкости, существующий между ее отдельными участками, для обеспечения необходимого расхода жидкости.

Входной трубопровод ответвления может быть подключен к напорному трубопроводу магистрали замкнутого контура, а выходной трубопровод ответвления при этом подключен к сливному трубопроводу магистрали замкнутого контура. Тем самым в ответвлении между его входным и выходным трубопроводами обеспечивается максимальный перепад давления жидкости, имеющийся в замкнутом контуре, что позволяет уменьшить массогабаритные характеристики воздухожидкостного теплообменника.

В ответвление замкнутого контура может быть включен один или несколько блоков аппаратуры для их охлаждения. Для обеспечения более низкой температуры блоков аппаратуры они могут быть включены в ответвление за теплообменником. Для более эффективной передачи тепла в воздухожидкостном теплообменнике блоки аппаратуры могут быть включены в ответвление перед теплообменником.

Насос, топливожидкостный теплообменник и блоки аппаратуры могут быть включены в замкнутый контур в данной последовательности по направлению движения жидкости, что обеспечивает наиболее низкую температуру блоков аппаратуры, включенных в замкнутый контур. При этом входной трубопровод ответвления может быть подключен к участку магистрали замкнутого контура между топливожидкостным теплообменником и блоками аппаратуры, а выходной трубопровод ответвления подключен при этом к сливному трубопроводу магистрали замкнутого контура. Входной трубопровод ответвления может быть также подключен к напорному трубопроводу магистрали замкнутого контура, а выходной трубопровод ответвления при этом подключен к участку магистрали замкнутого контура между топливожидкостным теплообменником и блоками аппаратуры. Тем самым обеспечивается наиболее низкая температура блоков аппаратуры, включенных в ответвление.

Насос, блоки аппаратуры и топливожидкостный теплообменник могут быть включены в замкнутый контур также и в данной последовательности по направлению движения жидкости, что обеспечивает пониженное давление жидкости в полости топливожидкостного теплообменника. При этом входной трубопровод ответвления может быть подключен к участку магистрали замкнутого контура между блоками аппаратуры и топливожидкостным теплообменником, а выходной трубопровод ответвления подключен при этом к сливному трубопроводу магистрали замкнутого контура, благодаря чему обеспечивается пониженное давление охлаждающей жидкости в блоке охлаждаемой аппаратуры и воздухожидкостном теплообменнике, включенным в ответвление. Кроме того, входной трубопровод ответвления может быть подключен к напорному трубопроводу магистрали замкнутого контура, в то время как выходной трубопровод ответвления подключен к участку магистрали замкнутого контура между блоками аппаратуры и топливожидкостным теплообменником. Тем самым в топливожидкостном теплообменнике может быть обеспечен отвод тепла от охлаждающей жидкости, нагретой в ответвлении до более высокой температуры, чем в блоках аппаратуры, включенных в замкнутый контур.

Система может быть снабжена насосом, включенным в ответвление для создания дополнительного напора жидкости с целью обеспечения ее необходимого расхода. Для отвода выделяемого насосом тепла от жидкости через воздухожидкостный теплообменник второй насос может быть включен в ответвление перед воздухожидкостным теплообменником. Насос может быть включен за воздухожидкостным теплообменником для исключения действия давления, создаваемого насосом на теплообменник.

Система может быть снабжена трехходовым краном переключения потока жидкости, имеющим один входной и два выходных патрубка. Кран может быть включен своим входным и одним из выходных патрубков в выходной трубопровод ответвления, сообщая его с магистралью замкнутого контура. При этом для образования замкнутого контура циркуляции охлаждающей жидкости через насос, воздухожидкостный теплообменник и блоки аппаратуры внутри ответвления в другом положении крана второй выходной патрубок крана сообщен трубопроводом с входным трубопроводом ответвления. Тем самым при изменении положения крана обеспечивается соединение выходного трубопровода ответвления с его входным трубопроводом и перекрытие сообщения выходного трубопровода ответвления с магистралью замкнутого контура. Трехходовой кран может иметь два входных и один выходной патрубок для его включения одним из входных патрубков и выходным патрубком во входной трубопровод ответвления и для сообщения входного трубопровода с магистралью замкнутого контура. При этом для образования замкнутого контура циркуляции охлаждающей жидкости через насос, воздухожидкостный теплообменник и блоки аппаратуры внутри ответвления в другом положении крана второй патрубок крана сообщен трубопроводом с выходным трубопроводом ответвления. Тем самым при изменении положения крана обеспечивается соединение выходного трубопровода ответвления с его входным трубопроводом и перекрытие сообщения входного трубопровода ответвления с магистралью замкнутого контура. Образование замкнутого контура в ответвлении при переключении крана позволяет обеспечить пониженный температурный уровень охлаждения блоков аппаратуры внутри ответвления.

Система может быть снабжена средствами контроля расхода и температуры охлаждающей жидкости, установленными в магистрали ответвления.

Перечень фигур чертежей.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображены:

Фигура 1 - схема первой модификации патентуемой системы.

Фигура 2 - схема второй модификации патентуемой системы.

Варианты осуществления изобретения

Система жидкостного охлаждения блоков аппаратуры самолета содержит насос 1, включенный в магистраль замкнутого контура между ее сливным 2 и напорным 3 трубопроводами. Насос предназначен для создания в замкнутом контуре циркуляции охлаждающей жидкости, воспринимающей тепло, выделяемое блоками 4 аппаратуры. Для отвода тепла от охлаждающей жидкости в замкнутый контур включен топливожидкостный теплообменник 5 (фигура 1) или 6 (фигура 2) своей полостью 7 (фигура 1) или 8 (фигура 2). Вход 9 (фигура 1) или 10 (фигура 2) полости холодного теплоносителя топливожидкостного теплообменника подключен к источнику охлаждающей среды - потоку топлива, циркулирующего через топливный бак самолета.

Замкнутый контур содержит ответвление, подключенное своим входным трубопроводом 11 (фигура 1) или 12 (фигура 2) и выходным трубопроводом 13 (фигура 1) или 14 (фигура 2) к напорному 3 и сливному 2 трубопроводам магистрали замкнутого контура. Замкнутый контур содержит ответвление, подключенное своим входным трубопроводом 15 (фигура 1) или 16 (фигура 2) к напорному трубопроводу 3 магистрали замкнутого контура, а выходным трубопроводом 17 (фигура 1) или 18 (фигура 2) - к участку магистрали замкнутого контура между топливожидкостным теплообменником и блоками аппаратуры. Замкнутый контур содержит также ответвление, подключенное своим входным трубопроводом 19 (фигура 1) или 20 (фигура 2) к участку магистрали замкнутого контура между топливожидкостным теплообменником и блоками аппаратуры, а выходным трубопроводом 21 (фигура 1) или 22 (фигура 2) - к сливному трубопроводу 2 магистрали замкнутого контура. Для дополнительного отвода тепла от охлаждающей жидкости в ответвления включены воздухожидкостные теплообменники 23, 24 и 25 (фигура 1) или 26, 27 и 28 (фигура 2) своими полостями 29, 30 и 31 (фигура 1) или 32, 33 и 34 (фигура 2).

Входы полостей 35, 36, или 37 (фигура 1), или 38, 39, или 40 (фигура 2). Входы полостей 35, 36, или 37 (фигура 1), или 38, 39, или 40 (фигура 2) холодного теплоносителя воздухожидкостных теплообменников подключены к источнику охлаждающей среды - потоку холодного воздуха, поступающего от бортовой системы кондиционирования воздуха. В ответвления включены блоки 41 и 42 (фигура 1) и 43, 44 и 45 (фигура 2) охлаждающей аппаратуры. В ответвления включены насосы 46 (фигура 1), и 47, и 48 (фигура 2) для создания дополнительного напора охлаждающей жидкости. Для переключения потока охлаждающей жидкости ответвления снабжены трехходовым краном 49 (фигура 1), или 50, или 51 (фигура 2). Трехходовой кран включен своим входным патрубком 52 (фигура 1), или 53, или 54 (фигура 2) и выходным патрубком 55 (фигура 1), или 56, или 57 (фигура 2) в выходной трубопровод соответствующего ответвления. Для сообщения входного и выходного трубопроводов ответвлений при переключении трехходового крана ответвления снабжены трубопроводами 58 (фигура 1), 59 и 60 (фигура 2), соединяющими выходной патрубок 61 (фигура 1), или 62, или 63 (фигура 2) трехходового крана с входным трубопроводом соответствующего ответвления. Для компенсации теплового расширения жидкости, отделения воздуха из ее объема и обеспечения бескавитационной работы насоса 1 предназначены воздухоотделитель 64, включенный в сливной трубопровод магистрали замкнутого контура, расширительный бак 65 и трубопровод подвода сжатого воздуха 66. Система снабжена средствами контроля расхода в виде сужающих устройств 67, 68 и 69 и сигнализаторов перепада давления 70, 71 и 72 и средствами контроля температуры в виде сигнализаторов температуры 73, 74 и 75 охлаждающей жидкости с целью информирования об отклонениях параметров охлаждения аппаратуры от нормы.

При работе насоса 1 происходит циркуляция охлаждающей жидкости в замкнутом контуре через блоки аппаратуры 4 и топливожидкостный теплообменник 5 (фигура 1) или 6 (фигура 2), а также через ответвления замкнутого контура и включенные в ответвления воздухожидкостные теплообменники 23, 24 и 25 (фигура 1) и 26, 27 и 28 (фигура 2). За счет прокачки охлаждающей жидкости через блоки аппаратуры 4, а также блоки 41 и 42 (фигура 1) или 43, 44 и 45 (фигура 2) аппаратуры, включенные в ответвления, происходит отвод тепла от их нагретых частей и поддержание теплового режима аппаратуры на заданном температурном уровне. Насос 46 (фигура 1) или 47 и 48 (фигура 2) создает дополнительный напор жидкости в магистралях ответвлений замкнутого контура. Часть тепла, выделяемого аппаратурой и насосами, передается от нагретой жидкости при ее прохождении через полости 7 (фигура 1) или 8 (фигура 2) топливожидкостных теплообменников 5 (фигура 1) или 6 (фигура 2) к топливу, поступающему на вход 9 (фигура 1) или 10 (фигура 2) теплообменников и циркулирующему через топливный бак самолета. Другая часть тепла, выделяемого аппаратурой и насосами, передается от нагретой жидкости при ее прохождении через полости 29, 30 и 31 (фигура 1) или 32, 33 и 34 (фигура 2) воздухожидкостных теплообменников 23, 24 и 25 (фигура 1) или 26, 27 и 28 (фигура 2) к воздуху, поступающему от системы кондиционирования на входы 35, 36 и 37 (фигура 1) или 38, 39 и 40 (фигура 2) теплообменников.

При изменении положения трехходового крана 49 (фигура 1), или 50, или 51 (фигура 2) происходит переключение потока охлаждающей жидкости в соответствующем ответвлении замкнутого контура. При этом обеспечивается перекрытие сообщения выходного трубопровода 17 (фигура 1), или 18, или 22 (фигура 2) соответствующего ответвления с магистралью замкнутого контура и его соединение с входным трубопроводом 15 (фигура 1), или 16, или 20 (фигура 2) ответвления через трубопровод 58 (фигура 1), или 59, или 60 (фигура 2) с образованием замкнутого контура циркуляции охлаждающей жидкости через насос, воздухожидкостный теплообменник и блок аппаратуры внутри ответвления.

При заправке системы жидкостью и в процессе ее работы воздухоотделитель 64 обеспечивает удаление в расширительный бак 65 воздушных пузырей из объема циркулирующей жидкости, поступающей в сливной трубопровод магистрали замкнутого контура. Изменение объема жидкости, происходящее в результате изменения ее температуры, компенсируется расширительным баком 65. Подвод сжатого воздуха по трубопроводу 66 обеспечивает необходимое давление жидкости в сливном трубопроводе магистрали для предотвращения кавитации жидкости в проточной части насоса 1.

При уменьшении расхода охлаждающей жидкости, циркулирующей в замкнутом контуре или проходящей через блоки аппаратуры 41, 44 или 45, ниже допустимого происходит уменьшение перепада давления на сужающих устройствах соответственно 67, 68 или 69, достаточное для срабатывания сигнализаторов перепада давления 70, 71 или 72. При увеличении температуры охлаждающей жидкости на входе в блоки аппаратуры 4, 41, 42, 44 или 45 выше допустимой происходит срабатывание сигнализаторов температуры 73, 74 или 75.

1. Система жидкостного охлаждения блоков аппаратуры самолета, содержащая замкнутый контур циркуляции охлаждающей жидкости через блоки аппаратуры, насос, включенный в магистраль замкнутого контура между ее сливным и напорным трубопроводами, теплообменник, полость охлаждающей жидкости которого включена в магистраль замкнутого контура, а вход полости холодного теплоносителя подключен к источнику охлаждающей среды, отличающаяся тем, что она снабжена теплообменником, вход полости холодного теплоносителя которого подключен к источнику другой охлаждающей среды, а его полость охлаждающей жидкости включена в ответвление магистрали замкнутого контура, соединенное с участком магистрали своими входным и выходным трубопроводами.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что входной трубопровод ответвления подключен к напорному трубопроводу магистрали замкнутого контура, а выходной трубопровод ответвления подключен к сливному трубопроводу магистрали замкнутого контура.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что в ответвление включен один или несколько блоков аппаратуры.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что насос, теплообменник и блоки аппаратуры включены в замкнутый контур в указанной последовательности по направлению движения жидкости.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что насос, блоки аппаратуры и теплообменник включены в замкнутый контур в указанной последовательности по направлению движения жидкости.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что входной трубопровод ответвления подключен к напорному трубопроводу магистрали замкнутого контура, а выходной трубопровод ответвления подключен к участку магистрали замкнутого контура между теплообменником и блоками аппаратуры.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что входной трубопровод ответвления подключен к участку магистрали замкнутого контура между теплообменником и блоками аппаратуры, а выходной трубопровод ответвления подключен к сливному трубопроводу магистрали замкнутого контура.

8. Система по п.3, отличающаяся тем, что теплообменник включен в ответвление перед блоками аппаратуры или за ними по направлению движения жидкости.

9. Система по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что она снабжена насосом, включенным в ответвление.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что насос включен в ответвление перед теплообменником или за ним по направлению движения жидкости.

11. Система по п.9, отличающаяся тем, что она снабжена трехходовым краном переключения потока жидкости, имеющим один входной и два выходных патрубка и включенным входным и одним из выходных патрубками в выходной трубопровод ответвления, трубопроводом, сообщающим второй выходной патрубок трехходового крана с входным трубопроводом ответвления, причем трехходовой кран в зависимости от своего положения сообщает выходной трубопровод ответвления с магистралью замкнутого контура или с входным трубопроводом ответвления.

12. Система по любому из пп.1-8, 10, 11, отличающаяся тем, что она снабжена средствами контроля расхода и температуры охлаждающей жидкости, установленными в магистрали ответвления.