國內(nèi)外機載電子設備液體冷卻系統(tǒng)分析

　　摘要：隨著機載電子設備熱流密度的不斷增加，傳統(tǒng)的自然通風或強迫通風制冷方式已不適用，機載電子設備選用液體冷卻方式已成必然趨勢。通過分析國內(nèi)外機載電子設備液冷系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中冷卻液是循環(huán)流動的。冷卻液在液體泵的作用下，進入電子設備冷板，帶走電子設備的熱量，再通過熱交換器進行降溫處理，熱量傳遞到空氣或燃油中，降溫后的冷卻液流向液體泵，進行下一次的冷卻循環(huán)。某些機載電子設備因安裝位置不適用液冷系統(tǒng)，則采用強迫通風為其進行冷卻，但熱量最終經(jīng)過空氣還是傳遞至液冷系統(tǒng)中。為適應電子設備的發(fā)展和未來飛機的作戰(zhàn)需求，液體冷卻技術也應不斷發(fā)展。液冷系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢一定是有區(qū)域故障隔離能力，且冷卻液的流量是隨著熱載荷而動態(tài)變化的，其代償損失也較小。

　　關鍵詞：機載電子設備;液冷;代償損失;高熱流密度;環(huán)境控制

　　機載電子設備多布置在飛機氣密艙內(nèi)，電子設備工作時，~90%的輸入功率轉變成熱量。資料顯示，電子設備溫度超過80℃時，每增加℃，電子元器件的可靠性下降[12]。飛機上常使用自然散熱或強迫通風方式對機載電子設備進行冷卻，強迫通風的冷源有：空調供氣、座艙排氣、座艙空氣和沖壓空氣等，如波音47使用座艙排氣對機載電子設備進行冷卻;ERJ145使用沖壓空氣冷卻前電子設備艙中的機載電子設備[3]。

　　隨著機載電子設備的發(fā)展趨于模塊化，小型化，大功率，大封裝密度，機載電子設備單位體積和表面積上的熱流密度越來越大。考慮到傳統(tǒng)冷卻方式換熱效率低[4]，對高熱流密度的機載電子設備來說，該方式已無法滿足散熱要求。液冷系統(tǒng)換熱效率較高，工作性能較穩(wěn)定，用于機載電子設備冷卻已成必然[58]。液體冷卻系統(tǒng)發(fā)展迅速，在電子吊艙及電子戰(zhàn)飛機中均得到廣泛應用。上世紀70年代，國外在艦載固定翼預警機2C上應用小型的液體冷卻系統(tǒng)，并于80年代形成液體冷卻系統(tǒng)的相關標準[9]。本文通過分析國內(nèi)外典型機型的液冷系統(tǒng)，為今后設計液冷系統(tǒng)提供參考。

　　1國內(nèi)飛機液冷系統(tǒng)分析

　　1.1系統(tǒng)概述以國內(nèi)某型飛機為例。液體冷卻系統(tǒng)由液體泵、過濾器、溫度控制活門、空液熱交換器、氣液分離器、控制與顯示裝置、儲液箱等組成。液冷系統(tǒng)選擇熱學性能較好的號冷卻液[1012]。

　　1.2系統(tǒng)原理機載電子設備液冷系統(tǒng)的冷卻液儲存在儲液箱中，經(jīng)過氣液分離裝置，除去冷卻液中的氣體，防止對下游液冷泵的氣蝕。冷卻液被液體泵增壓后通過管路進入電加熱器，防止進入電子設備冷板的冷卻液溫度過低。冷卻液經(jīng)過濾器濾掉其中的雜質，進入電子設備冷板，將電子設備產(chǎn)生的熱量帶走，冷卻液溫度升高。

　　為保證冷卻液的循環(huán)使用，在液冷系統(tǒng)下游設置空液熱交換器，對冷卻液進行降溫。通過調節(jié)溫度控制活門的開度，將冷卻液溫度調整到設計范圍。降溫的冷卻液經(jīng)氣液分離裝置，重新流向液冷泵，進行下一個冷卻循環(huán)。儲液箱除用來儲存冷卻液，還可以維持系統(tǒng)管路內(nèi)冷卻液壓力的穩(wěn)定，防止因壓力波動對泵產(chǎn)生不利影響。系統(tǒng)設有溫度傳感器來測量管路內(nèi)冷卻液的溫度，并通過控制與顯示裝置控制系統(tǒng)參數(shù)。為防止冷卻液倒流，管路中還設有單向活門。

　　1.3系統(tǒng)設計特點

　　1)驅動裝置余度設計在液冷系統(tǒng)中設置三臺液體泵，其中兩臺液體泵工作，一臺備份。

　　2)冷卻液循環(huán)流動冷卻液經(jīng)液冷泵驅動流入電子設備冷板，帶走電子設備產(chǎn)生的熱量，自身溫度升高。系統(tǒng)下游設有空液熱交換器，對冷卻液進行降溫，并重新流回液冷泵處，進行下一個冷卻循環(huán)。

　　3)系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)中設有溫度傳感器、電加溫器、溫度控制活門，通過控制裝置保證管路內(nèi)冷卻液的溫度維持在設計范圍內(nèi)，進而保證系統(tǒng)的正常使用。國內(nèi)其他機型的應用預警機集指揮控制、通信導航、電子對抗等功能于一身[13]，對機載雷達進行冷卻十分重要。隨著雷達的不斷發(fā)展，單位面積上的高熱流密度也在不斷增加[1417]。

　　若采用通風冷卻方式為雷達裝置降溫，當飛機飛行速度較低時，很難為雷達提供足夠的沖壓空氣。國內(nèi)某機型采用液冷技術，解決大功率雷達的冷卻散熱問題。該機液冷系統(tǒng)由液體泵、蓄液器、冷板、熱交換器以及活門組成。液體泵驅動冷卻液從蓄冷器流入冷板，吸收雷達裝置產(chǎn)生的熱量，而液體自身的溫度升高。冷卻液從冷板流出后，經(jīng)熱交換器的降溫處理，重新流入蓄液器，實現(xiàn)冷卻液的循環(huán)流動。控溫旁路防止從熱交換器流出的冷卻液溫度過低。

　　國內(nèi)某直升機有大功率電子設備，為解決其散熱問題，采用液冷方式進行冷卻，系統(tǒng)工作原理圖如圖所示。儲液箱中的冷卻液在液體泵的加壓作用下流經(jīng)溫度調節(jié)活門，進入熱交換器后與外界空氣進行換熱，冷卻液流經(jīng)過濾器進入電子設備冷板，與電子設備進行熱交換，將熱量帶走，隨后冷卻液經(jīng)壓力、流量傳感器，進入儲液箱，完成一個工作循環(huán)[18]。從溫度調節(jié)活門處引出的一條旁路，用來調節(jié)管路中冷卻液的溫度。系統(tǒng)中設有傳感器，監(jiān)測管路內(nèi)冷卻液的溫度、壓力、流量是否在設計范圍內(nèi)，并將信息反饋至控制裝置。

　　2國外飛機液冷系統(tǒng)分析

　　2.1系統(tǒng)概述

　　國外某超音速巡航飛機具有低空高亞音速和高空倍音速性能，突防能力強，生存力高，載彈量大，機身裝有大量電子設備[1920]，熱載荷可高達170.，且隨著技術發(fā)展及功能擴升，機載電子設備的熱載荷也在不斷增加。為滿足電子設備的散熱要求，且考慮到電子設備的安裝位置，該飛機使用液體冷卻和強迫通風冷卻相結合的方式，系統(tǒng)原理圖見圖。液冷系統(tǒng)使用穩(wěn)定性較好的AO冷卻液。

　　2.2系統(tǒng)原理

　　該機的電子設備冷卻系統(tǒng)由四個主循環(huán)回路組成，分別是液體冷卻回路、燃油冷卻回路、空氣冷卻回路、中間冷卻回路。該機前電子設備艙、左側中央電子設備艙、機翼電子設備艙等設備艙中的電子設備使用液冷散熱。在液體冷卻回路中，電子設備產(chǎn)生的熱量由冷板傳遞給冷卻液，冷卻液在泵的作用下依次流過中間冷卻回路、燃油冷卻回路、兩套升壓式空氣制冷系統(tǒng)的熱交換器，利用對應系統(tǒng)的熱交換器將冷卻液的熱量傳遞出去。傳遞至中間冷卻回路的熱量通過熱交換器，將熱量傳遞至燃油冷卻回路。燃油冷卻回路中的熱量通過風冷將熱能傳遞至空氣中。

　　武器電子設備是利用一套升壓式空氣循環(huán)冷卻系統(tǒng)進行冷卻的。由氣源系統(tǒng)來的預調空氣經(jīng)初級空氣液體換熱器、次級空氣液體換熱器，對空氣進行降溫處理，空氣的熱量傳遞至中間冷卻回路的冷卻液中。降溫后的空氣經(jīng)水分離器出去空氣中的水分，冷卻武器電子設備。在前電子設備艙、左中央電子設備艙、右中央電子設備艙等設備艙中有一些電子設備的安裝位置不易使用液體冷卻，其采用強迫通風方式進行散熱。空氣的溫度控制在29.4～37.8℃。電子設備架內(nèi)設有安全活門，以便應急情況下進行沖壓空氣冷卻。電子設備的熱量傳遞至空氣中，然后由熱交換器將熱量傳遞給空氣冷卻回路的冷卻液中。借助冷卻液流動，最終將熱量傳遞至燃油冷卻回路的燃油以及兩套升壓式空氣制冷系統(tǒng)的空氣中。

　　2.3系統(tǒng)設計特點冷卻液循環(huán)流動同其它機載電子設備液冷系統(tǒng)一樣，冷卻液是在管路中循環(huán)使用的，通過合理布置熱交換器來不斷調節(jié)冷卻液的溫度。液冷與風冷的結合該機載電子設備冷卻系統(tǒng)同時使用液冷與風冷兩種冷卻方式，以液冷系統(tǒng)管路為干線，風冷系統(tǒng)管路為支線。對電子設備艙中集中安置且熱載荷大的電子設備直接使用液冷冷卻，對于零散布置或熱載荷小的電子設備采用強迫通風進行散熱。空氣循環(huán)小回路將電子設備熱載荷傳給干線管路內(nèi)的冷卻液，然后經(jīng)燃油冷卻回路和升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)將熱量傳遞出去。)燃油熱沉該機載電子設備冷卻系統(tǒng)，嘗試將燃油作為主要熱沉。通過合理設計燃油冷卻回路，將冷卻液的熱量傳遞到燃油中，然后在自身回路的熱交換器作用下將熱量傳給空氣。熱量的傳輸路徑為：電子設備—冷卻液—燃油—空氣。

　　3液冷系統(tǒng)設計展望

　　3.1液冷設備分布對于高熱流密度的電子設備來說，傳統(tǒng)的自然散熱與強迫通風制冷方式已不滿足需求，采用液體冷卻已是必然趨勢。目前機載電子設備的安裝位置分布較廣，呈全機分散分布，為使用液冷系統(tǒng)需要對電子設備進行艙室劃分[21]，便于集中散熱。同時也減少冷卻管路的長度，進而降低系統(tǒng)的代償損失[22]。故障隔離能力液冷系統(tǒng)中，液體泵作為動力源驅動冷卻液循環(huán)流動，冷卻液沿著管路通往各電子設備，將其熱量帶走，最終通過熱交換器將熱量帶到空氣燃油中。

　　此方式技術成熟度較高，但缺點是沒有區(qū)域故障隔離能力，當某區(qū)域發(fā)生故障，將會使整個液冷系統(tǒng)無法工作。為解決該問題，可結合電子設備的艙室劃分，在每個艙室內(nèi)設有液冷小循環(huán)，在飛機上設有液冷大循環(huán)，兩個液冷循環(huán)通過關斷活門連接。艙室小循環(huán)中的熱量傳遞至飛機級的大循環(huán)中，最后排至空氣或燃油中。當某艙室小循環(huán)發(fā)生故障，可關閉該小循環(huán)處的關斷活門，而不會影響其他艙室的小循環(huán)，即實現(xiàn)區(qū)域故障隔離。

　　3.2變流量系統(tǒng)液冷系統(tǒng)的設計參數(shù)有：壓力、溫度和流量[2324]。目前液冷系統(tǒng)中冷卻液的流量是固定的，即沒有任何控制液體流量的自動化裝置或設備，冷卻液流量的變化由泵的運行轉速或臺數(shù)來決定，因此流過電子設備的冷卻液流量也不變。液冷系統(tǒng)的流量基本是按系統(tǒng)中電子設備的最大熱負荷設計的，實際上電子設備以最大熱負荷工作運行的時間通常很短。定流量系統(tǒng)絕大多數(shù)時間內(nèi)供液量是大于系統(tǒng)運行時所需的實際流量，從而導致泵的無效能耗和系統(tǒng)代償損失增大。故需在定流量液冷系統(tǒng)的基礎上進行改進，使液冷系統(tǒng)中冷卻液的流量能隨著熱負荷的變化而變化，降低液體泵電能的消耗，達到節(jié)能目的[2526]。

　　3.3管路材料管路是液冷系統(tǒng)的重要組成部分，管路減重對飛機的意義重大。復合材料具有質輕高強、良好的抗疲勞性及減震性等優(yōu)點[2728]。在設計液冷管路時，可采用復合材料，減少液冷管路的重量，減少系統(tǒng)的代償損失。

　　結束語

　　隨著機載電子設備的不斷發(fā)展，其單位體積和表面積上的熱流密度越來越大。為保證電子設備的使用壽命和可靠性，機載電子設備冷卻方式從最初的自然散熱發(fā)展到強迫通風冷卻，再到液體冷卻。另外，未來飛機可能需要執(zhí)行長航時的任務，液冷系統(tǒng)需滿足長時間為高熱流密度電子設備進行冷卻散熱的工作需求，保證電子設備的正常高效工作，確保飛行安全。為適應電子設備的發(fā)展和未來飛機的作戰(zhàn)需求，液體冷卻技術也應不斷發(fā)展。

　　參考文獻：

　　[1]陳恩電子設備熱設計研究J].制冷2009,10(28):5358.ChenEn.ResearchonThermalDesignofElectronicEquipment[J].Refrigeration2009,10(28):5358

　　[2]周海峰邱穎霞鞠金山等電子設備液冷技術研究進展[J].電子機械工程,2016,324):710+15.ZhouHaifeng,QiuYingxia,JuJinshan,etal.ResearchProgressofLiquidCoolingTechnologyforElectronicEquipment[J].ElectronicMechanicalEngineering,2016,324):710+15.

　　[3]黨曉民，馬蘭，馬慶林民用飛機環(huán)境控制系統(tǒng)手冊M]北京北京航空航天大學出版社019.DangXiaomin,MaLan,MaQinglin.ManualofCivilAircraftEnvironmentalControlSystemM].Beijing:BeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsPress,20119.

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　　作者：白茹，李定坤，郭曼利

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