CN105786045B - 高能系统的外置式环绕型温度控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高能系统的外置式环绕型温度控制装置及方法。其中装置包括至少两个换热器，流体管路，传感器，热控组件和数据采集控制装置；至少两个换热器中的换热流道相互连通构成换热结构；换热结构包括一个流体进口和一个流体出口，且换热结构的内表面的形状与待测高能系统外侧形状相适配，可拆卸的环绕围设在待测高能系统的外侧；传感器设置在待测高能系统与换热器之间；流体管路的一端连通流体进口，另一端连通流体出口；热控组件设置在靠近流体出口一端的流体管路上；数据采集控制装置与传感器和热控组件电连接，用于采集传感器测量的温度并根据温度控制热控组件。其拆装快捷、控温高效、可冷却和加热、适合连续复杂曲面的待测高能系统。

Description

高能系统的外置式环绕型温度控制装置及方法

技术领域

本发明涉及高能系统领域，特别是涉及一种高能系统的外置式环绕型温度控制装置及方法。

背景技术

传统的军工武器(如火炮、舰炮等)在朝着提高威力和增加射速的方向发展，由此带来的是更高的发射强度和对火炮身管更多的热作用，火炮身管在发射过程中的热作用将会对火炮的持续射击能力、两次持续射击时间间隔以及高射速条件下身管内膛的磨损等产生不利的影响。随着高新技术的发展，产生了新兴的高能定向能武器系统(如激光武器、微波武器和粒子束武器等)和高能动能武器系统(如电磁炮、群射火箭等)，这些高能系统的发生器需要超高的能量输入，同时产生的热量也远超于传统武器系统，和传统武器一样，热影响同样会对武器系统产生不利的影响。

在民用领域(科技、医学、工业、通信等领域)，大功率的激光设备(如激光切割、激光焊接)和大功率高转速的动力设备(如超导电机)的应用也越来越广泛，但这些高能系统的散热冷却的效果不理想，目前常用的被动式风冷散热片冷却，液冷散热冷却等方式的散热效果无法满足高能系统的散热要求。传统的平板式换热器已在集成电路、制冷方面得到大规模应用，但仍缺少适合连续复杂曲面的换热器。

另外，在严寒地区，恶劣的气候条件通常导致高能系统的零件材料的机械物理性能受到影响，因此需要通过加热使高能系统尽快地处于最佳工作状态的温度范围内。

发明内容

针对传统技术的问题，本发明提供了一种拆装快捷、控温高效、可冷却和加热、适合连续复杂曲面的高能系统的外置式环绕型温度控制装置及方法。

为达到发明目的，本发明提供一种高能系统的外置式环绕型温度控制装置，包括至少两个换热器，流体管路，传感器，热控组件和数据采集控制装置；

所述至少两个换热器中的换热流道相互连通构成换热结构；

所述换热结构包括一个流体进口和一个流体出口，且所述换热结构的内表面的形状与待测高能系统外侧形状相适配，所述换热结构可拆卸的环绕围设在所述待测高能系统的外侧；

所述传感器设置在所述待测高能系统与所述换热器之间；

所述流体管路的一端连通所述换热结构的流体进口，另一端连通所述换热结构的流体出口；

所述热控组件设置在靠近流体出口一端的所述流体管路上；

所述数据采集控制装置与所述传感器和所述热控组件电连接，用于采集所述传感器测量的温度并根据所述温度控制所述热控组件。

作为一种可实施例，所述换热结构包括左半环换热器和右半环换热器；

所述左半环换热器和所述右半环换热器铰链连接。

作为一种可实施例，所述换热流道为当量直径为1～1000μm的微通道结构。

作为一种可实施例，所述换热流道为当量直径为1～2mm的通道结构。

作为一种可实施例，所述换热流道包括流体输入槽道，通道和流体输出槽道；

所述流体输入槽道和所述流体输出槽道通过所述通道连通。

作为一种可实施例，所述通道包括流向流道和交叉流道；

所述流向流道和所述交叉流道十字交叉设置。

作为一种可实施例，还包括流量控制组件；

所述流量控制组件设置在所述流体进口和所述热控组件之间的所述流体管路上，且与所述数据采集控制装置电连接。

作为一种可实施例，还包括流体储罐；

所述流体储罐与所述流体管路连接，且设置在所述热控组件和所述流量控制组件之间。

作为一种可实施例，还包括包覆于所述换热器、所述热控组件、所述流体储罐和所述流体管路的外表面的隔热组件。

作为一种可实施例，所述换热器外表面上设置有风冷散热翅片。

作为一种可实施例，还包括设置在所述待测高能系统和所述换热器之间的导热介质。

作为一种可实施例，换热流体为液氮，所述热控组件上设置有将所述液氮吸热膨胀后的气体排空的排空结构。

本发明还提供一种高能系统的外置式环绕型温度控制方法，采用包括流量控制组件的温度控制装置，包括以下步骤：

所述传感器测量所述待测高能系统的温度；

所述数据采集控制装置采集所述传感器测量的温度并判断所述温度与预设温度的大小；

若所述温度大于所述预设温度，则判定需要对所述待测高能系统进行散热冷却；

若所述温度小于所述预设温度，则判定需要对所述待测高能系统进行加热；

若所述温度等于所述预设温度，则判定不执行加热和冷却散热的操作；

所述数据采集控制装置根据判断结果控制所述热控组件对所述流体管路中的所述换热流体进行冷却或者加热；

所述流量控制组件控制所述换热流体的通断和流量大小；

所述换热器与所述待测高能系统进行热交换。

作为一种可实施例，所述数据采集控制装置采用PID控温算法。

本发明的有益效果包括：

本发明的高能系统的外置式环绕型温度控制装置及方法，其中装置的至少两个换热器中的换热流道相互连通构成换热结构，其内表面形状与待测高能系统外侧形状相适配，且可拆卸的环绕围设在待测高能系统外侧，克服缺少适合连续复杂曲面的换热器的缺陷，其拆装方便快捷，且不破坏待测高能系统的原有结构和形状。数据采集控制装置根据传感器测量的待测高能系统的温度控制热控组件对换热流体进行加热或者冷却，控温高效，使待测高能系统控制在合理的范围内。

附图说明

图1为本发明的高能系统的外置式环绕型温度控制装置的一实施例的结构示意图；

图2为本发明的高能系统的外置式环绕型温度控制装置一实施例中的换热器的横向剖视图；

图3为本发明的高能系统的外置式环绕型温度控制装置一实施例中的换热流道的纵向展开图；

图4为本发明的高能系统的外置式环绕型温度控制装置另一实施例中的换热流道的纵向展开图；

图5为本发明的高能系统的外置式环绕型温度控制方法的一实施例的流程示意图。

附图标记说明：

1待测高能系统，2换热器，3流体管路，4传感器，5热控组件，6数据采集控制装置，7流量控制组件，8流体储罐，9导热介质，10隔热组件，11流体进口，12流体出口，201左半环换热器，202右半环换热器，203换热流道，204风冷散热翅片，205流体输入槽道，206通道，207流体输出槽道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明高能系统的外置式环绕型温度控制装置及方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明实施例提供一种高能系统的外置式环绕型温度控制装置，用于对待测高能系统1的温度进行控制，包括至少两个换热器2，流体管路3，传感器4，热控组件5和数据采集控制装置6。至少两个换热器2中的换热流道相互连通构成换热结构，换热结构包括一个流体进口11和一个流体出口12，且换热结构的内表面的形状与待测高能系统外侧形状相适配，换热结构可拆卸的环绕围设在待测高能系统的外侧。流体管路3的一端连通换热结构的流体进口11，另一端连通换热结构的流体出口12。传感器4设置在待测高能系统1与换热器2之间。热控组件5设置在靠近流体出口12一端的流体管路3上，用于加热或冷却换热流体。数据采集控制装置6设置在换热器2的外部并与传感器4和热控组件5电连接，用于采集传感器4测量的温度并根据温度控制热控组件5。

本发明的高能系统的外置式环绕型温度控制装置，高能系统包括高动能武器系统，高热能武器系统，高能量激光发生器和大功率超导电机，其可以为圆柱体、圆环体、球体、正方体、长方体等规则或者不规则的几何体，具有连续的多个几何曲面。换热结构内表面的形状与待测高能系统1的形状相适配，环绕围设在待测高能系统1的多个几何曲面外侧，用于与待测高能系统1进行热交换，克服传统技术中缺少适合连续复杂曲面的换热器2的缺陷。换热结构由多个换热器2构成，其内表面与待测高能系统1的外侧形状相适配，多个换热器2的形状结构可以相同，也可以不同，多个换热器2的连接方式包括但不限于焊接、连接片连接和铰链连接。当然，也可以由换热器2一体成型为与待测高能系统1相适配的换热结构。同时，换热结构可拆卸的外置在待测高能系统1上，拆装方便快捷，且不破坏待测高能系统1的原有结构和形状。数据采集控制装置6设置在待测高能系统1的外部，根据传感器4测量的待测高能系统1的温度控制热控组件5对流体管路3中的换热流体进行加热或者冷却，控温高效且能对不同环境中的待测高能系统1进行加热和冷却。

值得说明的是，换热结构的流体进口11处设置有进口接头，流体出口12处设置有出口接头，便于与流体管路3连接。传感器4至少为一个，传感器4除了能够测量温度信号外，还可测量压力、流量等信号，但确保其能测量温度信号。较佳地，传感器4设置在待测高能系统1和换热器2之间，用于测量待测高能系统1的温度。传感器4还可设置在换热器2、流体储罐8、热控组件5和流体管路3之中的一个或多个部件上。热控组件5用于对换热流体进行加热或制冷，当其用作加热功能时，可采用加热片、热泵等加热换热流体，当其用作制冷散热功能时，可采用风扇散热器、压缩机等冷却换热流体。

作为一种可实施方式，参见图2，换热结构包括左半环换热器201和右半环换热器202，左半环换热器201和右半环换热器202铰链连接。换热器2中设置有换热流道203，换热流道203为当量直径为1～1000μm的微通道结构或者为当量直径为1～2mm的通道结构。

换热结构由两个换热器(左半环换热器201和右半环换热器202)构成，其能与圆柱体、圆环体的待测高能系统1紧密配合，也适合其他形状的待测高能系统1，铰链连接，左半环换热器201和右半环换热器202能够相对转动，安装方便。其中左半环换热器201和右半环换热器202的材料可以采用导热性能较好的金属紫铜。换热流道203的流向截面形状包括但不限于正方形、长方形、圆形和三角形。换热流道203为当量直径为微米级的微通道结构，结构紧凑、轻巧、换热高效。当然，换热流道203也可以为当量直径为毫米级的非微通道结构，其当量直径为1～1000mm。较佳地，在其中一个实施例中，换热流道203为当量直径为1～2mm的通道结构，其具备与微通道结构相同的有益效果，结构紧凑、轻巧、换热高效。

作为一种可实施方式，参见图3、图4，换热流道203包括流体输入槽道205，通道206和流体输出槽道207，流体输入槽道205和流体输出槽道207通过通道206连通。

换热流体流入流体输入槽道205，在通道206中沿换热器2曲面轴向/曲面纵向“一字形”直线/曲线贯通后汇集入流体输出槽道207，或者在通道206内沿换热器2曲面轴向/曲面纵向“Z字形”折流后汇入流体输出槽道207。参见图3，通道206优选为“一字形”直线贯通，便于加工。

作为一种可实施方式，参见图4，通道206包括流向流道和交叉流道，流向流道和所述交叉流道十字交叉设置，使换热流体在换热流道203流动时阻力均匀。值得说明的是，流向流道和交叉流道可以设置为任意角度的交叉，优选为直角交叉(十字交叉)，且交叉流道和流向流道可以设置为直线，也可以设置为曲线，优选为直线，便于加工。

在其中一个实施例中，由左半环换热器201和右半环换热器202通过连接件和固定螺钉装配成的换热结构对待测高能系统(超导电动机)进行冷却散热。待测高能系统光滑段外壳的外径为100mm，长度为200mm。换热器由导热性能较好的金属紫铜制作而成，其内径为100mm，外径为120mm，长度为200mm。换热流道203为微通道结构，其流体输入槽道205和流体输出槽道207的宽、深、长分别为8mm、1mm、326mm，其通道206的流向截面形状为长方形，通道206的宽、深、长分别为500μm、1000μm、180mm。左半环换热器201和右半环换热器202的外表面上设置有风冷散热翅片204，风冷散热翅片204的宽、深、长分别为1mm、6mm、200mm。换热流体采用去离子冷却水。在换热结构对待测高能系统进行冷却散热时，其套设在待测高能系统1外侧。换热器2和待测高能系统1之间涂抹耐高温的导温硅脂，以使环形的换热器和待测高能系统1接触良好。传感器测量待测高能系统1的温度，数据采集控制装置6采集温度，根据预设的控温算法，控制热控组件5冷却换热流体，同时数据采集控制装置6控制流量控制组件7驱动换热流体流动和控制换热流体流量，换热器2通过冷却的去离子水与待测高能系统1进行热交换，使待测高能系统1的温度控制在合适的范围内。

作为一种可实施方式，还包括流量控制组件7，流量控制组件7设置在流体进口11和热控组件5之间的流体管路3上，且与数据采集控制装置6电连接。其在数据采集控制装置6的控制下驱动换热流体流动和控制换热流体的流量，加快传感器4测量的温度趋向于预设温度。

作为一种可实施方式，还包括流体储罐8，流体储罐8与流体管路3连接，且设置在热控组件5和流量控制组件7之间，用于储存换热流体。换热流体从换热器2的流体出口12流出后，经热控组件5加热或冷却，流入流体储罐8储存，流量控制组件7驱动换热流体流动和控制换热流体流量。

作为一种可实施方式，还包括包覆于换热器2、热控组件5、流体储罐8和流体管路3的外表面的隔热组件10，用于降低换热器2、热控组件5、流体储罐8和流体管路3与空间环境的热耦合，同时减少热控组件5向空间环境漏热。

需要说明的是，隔热组件10在换热器2用作加热功能时才设置，在换热器2用作冷却散热功能时不设置。

作为一种可实施方式，换热器2外表面上设置有风冷散热翅片204，用于通过与外界空气的对流换热，达到增大换热器2的散热能力的效果。

需要说明的是，风冷散热翅片204在换热器2用作冷却散热功能时才设置，在换热器2用作加热功能时不设置。

作为一种可实施方式，还包括设置在待测高能系统1和换热器2之间的导热介质9(如耐高温的导热硅脂)，用于增大待测高能系统1和换热器2之间的接触面积，从而增加两者之间的热传导。

作为一种可实施方式，换热流体为液氮，热控组件5上设置有将液氮吸热膨胀后的气体排空的排空结构。

换热器2用作制冷散热功能时，换热流体可以为冷却液体(如去离子冷却水)、冷空气和液氮等，换热器2用作加热功能时，换热流体可以为热水、热空气等。液氮吸热时体积会迅速膨胀，数据采集控制装置6控制热控组件5上的排空结构将膨胀后的气体排出，避免液氮膨胀时损坏装置。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种温度控制方法，由于此方法解决问题的原理与前述一种温度控制装置相似，因此该方法的实施可以参见前述装置的实施，重复之处不再赘述。

本发明实施例提供的高能系统的外置式环绕型温度控制方法，参见图5，包括以下步骤：

步骤100：传感器4测量待测高能系统1的温度。

步骤200：数据采集控制装置6采集传感器4测量的温度并判断温度与预设温度的大小；若温度大于预设温度，则判定需要对待测高能系统1进行散热冷却；若温度小于预设温度，则判定需要对待测高能系统1进行加热；若温度等于预设温度，则判定不执行加热和冷却散热的操作。

步骤300：数据采集控制装置6根据判断结果控制热控组件5对流体管路3中的换热流体进行冷却或者加热。

步骤400：流量控制组件7控制换热流体的通断和流量大小。

步骤500：换热器2与待测高能系统1进行热交换。

本发明的高能系统的外置式环绕型温度控制方法，可对不同环境中待测高能系统1进行冷却或加热，使待测高能系统1的温度控制在合理范围内，实现高效控温。同时，换热结构能够适配连续复杂曲面的待测高能系统1，在不破坏待测高能系统1原有结构和形状的基础上，拆装方便快捷。

作为一种可实施方式，数据采集控制装置6采用精度高的PID(比例(proportion)、积分(integration)、微分(differentiation))控温算法，达到高效控温的效果。当然，其也可采用神经网络算法。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种高能系统的外置式环绕型温度控制装置，其特征在于，所述高能系统包括高动能武器系统、高热能武器系统、高能量激光发射器和大功率超导电机，具有连续复杂曲面，所述温度控制装置包括至少两个换热器，流体管路，传感器，热控组件和数据采集控制装置；

所述至少两个换热器中的换热流道相互连通构成换热结构，所述换热流道为当量直径为微米到毫米级的通道结构，所述换热流道包括流体输入槽道，通道和流体输出槽道，所述流体输入槽道和所述流体输出槽道通过所述通道连通；

所述换热结构包括一个流体进口和一个流体出口，且所述换热结构的内表面的形状与待测高能系统外侧形状相适配，所述换热结构可拆卸的环绕围设在所述待测高能系统的外侧；

所述传感器设置在所述待测高能系统与所述换热器之间；

所述流体管路的一端连通所述换热结构的流体进口，另一端连通所述换热结构的流体出口；

所述热控组件设置在靠近流体出口一端的所述流体管路上；

所述数据采集控制装置与所述传感器和所述热控组件电连接，用于采集所述传感器测量的温度并根据所述温度控制所述热控组件。

2.根据权利要求1所述的高能系统的外置式环绕型温度控制装置，其特征在于，所述换热结构包括左半环换热器和右半环换热器；

所述左半环换热器和所述右半环换热器铰链连接。

3.根据权利要求2所述的高能系统的外置式环绕型温度控制装置，其特征在于，所述换热流道为当量直径为1～1000μm的微通道结构。

4.根据权利要求2所述的高能系统的外置式环绕型温度控制装置，其特征在于，所述换热流道为当量直径为1～2mm的通道结构。

5.根据权利要求1所述的高能系统的外置式环绕型温度控制装置，其特征在于，所述通道包括流向流道和交叉流道；

所述流向流道和所述交叉流道十字交叉设置。

6.根据权利要求1所述的高能系统的外置式环绕型温度控制装置，其特征在于，还包括流量控制组件；

所述流量控制组件设置在所述流体进口和所述热控组件之间的所述流体管路上，且与所述数据采集控制装置电连接。

7.根据权利要求6所述的高能系统的外置式环绕型温度控制装置，其特征在于，还包括流体储罐；

所述流体储罐与所述流体管路连接，且设置在所述热控组件和所述流量控制组件之间。

8.根据权利要求7所述的高能系统的外置式环绕型温度控制装置，其特征在于，还包括包覆于所述换热器、所述热控组件、所述流体储罐和所述流体管路的外表面的隔热组件。

9.根据权利要求1所述的高能系统的外置式环绕型温度控制装置，其特征在于，所述换热器外表面上设置有风冷散热翅片。

10.根据权利要求1所述的高能系统的外置式环绕型温度控制装置，其特征在于，还包括设置在所述待测高能系统和所述换热器之间的导热介质。

11.根据权利要求1所述的高能系统的外置式环绕型温度控制装置，其特征在于，换热流体为液氮，所述热控组件上设置有将所述液氮吸热膨胀后的气体排空的排空结构。

12.一种高能系统的外置式环绕型温度控制方法，其特征在于，采用权利要求6至8任一项所述的温度控制装置，包括以下步骤：

所述传感器测量所述待测高能系统的温度；

所述数据采集控制装置采集所述传感器测量的温度并判断所述温度与预设温度的大小；

若所述温度大于所述预设温度，则判定需要对所述待测高能系统进行散热冷却；

若所述温度小于所述预设温度，则判定需要对所述待测高能系统进行加热；

若所述温度等于所述预设温度，则判定不执行加热和冷却散热的操作；

所述数据采集控制装置根据判断结果控制所述热控组件对所述流体管路中的换热流体进行冷却或者加热；

所述流量控制组件控制所述换热流体的通断和流量大小；

所述换热器与所述待测高能系统进行热交换。

13.根据权利要求12所述的高能系统的外置式环绕型温度控制方法，其特征在于，所述数据采集控制装置采用PID控温算法。