國內(nèi)外機(jī)載電子設(shè)備液體冷卻系統(tǒng)分析

　　摘要：隨著機(jī)載電子設(shè)備熱流密度的不斷增加，傳統(tǒng)的自然通風(fēng)或強(qiáng)迫通風(fēng)制冷方式已不適用，機(jī)載電子設(shè)備選用液體冷卻方式已成必然趨勢。通過分析國內(nèi)外機(jī)載電子設(shè)備液冷系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中冷卻液是循環(huán)流動(dòng)的。冷卻液在液體泵的作用下，進(jìn)入電子設(shè)備冷板，帶走電子設(shè)備的熱量，再通過熱交換器進(jìn)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(jìn)行下一次的冷卻循環(huán)。某些機(jī)載電子設(shè)備因安裝位置不適用液冷系統(tǒng)，則采用強(qiáng)迫通風(fēng)為其進(jìn)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(yīng)電子設(shè)備的發(fā)展和未來飛機(jī)的作戰(zhàn)需求，液體冷卻技術(shù)也應(yīng)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(dòng)態(tài)變化的，其代償損失也較小。

　　關(guān)鍵詞：機(jī)載電子設(shè)備;液冷;代償損失;高熱流密度;環(huán)境控制

　　機(jī)載電子設(shè)備多布置在飛機(jī)氣密艙內(nèi)，電子設(shè)備工作時(shí)，~90%的輸入功率轉(zhuǎn)變成熱量。資料顯示，電子設(shè)備溫度超過80℃時(shí)，每增加℃，電子元器件的可靠性下降[12]。飛機(jī)上常使用自然散熱或強(qiáng)迫通風(fēng)方式對(duì)機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行冷卻，強(qiáng)迫通風(fēng)的冷源有：空調(diào)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(duì)機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行冷卻;ERJ145使用沖壓空氣冷卻前電子設(shè)備艙中的機(jī)載電子設(shè)備[3]。

　　隨著機(jī)載電子設(shè)備的發(fā)展趨于模塊化，小型化，大功率，大封裝密度，機(jī)載電子設(shè)備單位體積和表面積上的熱流密度越來越大�？紤]到傳統(tǒng)冷卻方式換熱效率低[4]，對(duì)高熱流密度的機(jī)載電子設(shè)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(jī)載電子設(shè)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(jī)中均得到廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)70年代，國外在艦載固定翼預(yù)警機(jī)2C上應(yīng)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9]。本文通過分析國內(nèi)外典型機(jī)型的液冷系統(tǒng)，為今后設(shè)計(jì)液冷系統(tǒng)提供參考。

　　1國內(nèi)飛機(jī)液冷系統(tǒng)分析

　　1.1系統(tǒng)概述以國內(nèi)某型飛機(jī)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(chǔ)液箱等組成。液冷系統(tǒng)選擇熱學(xué)性能較好的號(hào)冷卻液[1012]。

　　1.2系統(tǒng)原理機(jī)載電子設(shè)備液冷系統(tǒng)的冷卻液儲(chǔ)存在儲(chǔ)液箱中，經(jīng)過氣液分離裝置，除去冷卻液中的氣體，防止對(duì)下游液冷泵的氣蝕。冷卻液被液體泵增壓后通過管路進(jìn)入電加熱器，防止進(jìn)入電子設(shè)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(zhì)，進(jìn)入電子設(shè)備冷板，將電子設(shè)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(shè)置空液熱交換器，對(duì)冷卻液進(jìn)行降溫。通過調(diào)節(jié)溫度控制活門的開度，將冷卻液溫度調(diào)整到設(shè)計(jì)范圍。降溫的冷卻液經(jīng)氣液分離裝置，重新流向液冷泵，進(jìn)行下一個(gè)冷卻循環(huán)。儲(chǔ)液箱除用來儲(chǔ)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(dòng)對(duì)泵產(chǎn)生不利影響。系統(tǒng)設(shè)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(shè)有單向活門。

　　1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

　　1)驅(qū)動(dòng)裝置余度設(shè)計(jì)在液冷系統(tǒng)中設(shè)置三臺(tái)液體泵，其中兩臺(tái)液體泵工作，一臺(tái)備份。

　　2)冷卻液循環(huán)流動(dòng)冷卻液經(jīng)液冷泵驅(qū)動(dòng)流入電子設(shè)備冷板，帶走電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，自身溫度升高。系統(tǒng)下游設(shè)有空液熱交換器，對(duì)冷卻液進(jìn)行降溫，并重新流回液冷泵處，進(jìn)行下一個(gè)冷卻循環(huán)。

　　3)系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)中設(shè)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(shè)計(jì)范圍內(nèi)，進(jìn)而保證系統(tǒng)的正常使用。國內(nèi)其他機(jī)型的應(yīng)用預(yù)警機(jī)集指揮控制、通信導(dǎo)航、電子對(duì)抗等功能于一身[13]，對(duì)機(jī)載雷達(dá)進(jìn)行冷卻十分重要。隨著雷達(dá)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(fēng)冷卻方式為雷達(dá)裝置降溫，當(dāng)飛機(jī)飛行速度較低時(shí)，很難為雷達(dá)提供足夠的沖壓空氣。國內(nèi)某機(jī)型采用液冷技術(shù)，解決大功率雷達(dá)的冷卻散熱問題。該機(jī)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(qū)動(dòng)冷卻液從蓄冷器流入冷板，吸收雷達(dá)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(shí)現(xiàn)冷卻液的循環(huán)流動(dòng)。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(jī)有大功率電子設(shè)備，為解決其散熱問題，采用液冷方式進(jìn)行冷卻，系統(tǒng)工作原理圖如圖所示。儲(chǔ)液箱中的冷卻液在液體泵的加壓作用下流經(jīng)溫度調(diào)節(jié)活門，進(jìn)入熱交換器后與外界空氣進(jìn)行換熱，冷卻液流經(jīng)過濾器進(jìn)入電子設(shè)備冷板，與電子設(shè)備進(jìn)行熱交換，將熱量帶走，隨后冷卻液經(jīng)壓力、流量傳感器，進(jìn)入儲(chǔ)液箱，完成一個(gè)工作循環(huán)[18]。從溫度調(diào)節(jié)活門處引出的一條旁路，用來調(diào)節(jié)管路中冷卻液的溫度。系統(tǒng)中設(shè)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(shè)計(jì)范圍內(nèi)，并將信息反饋至控制裝置。

　　2國外飛機(jī)液冷系統(tǒng)分析

　　2.1系統(tǒng)概述

　　國外某超音速巡航飛機(jī)具有低空高亞音速和高空倍音速性能，突防能力強(qiáng)，生存力高，載彈量大，機(jī)身裝有大量電子設(shè)備[1920]，熱載荷可高達(dá)170.，且隨著技術(shù)發(fā)展及功能擴(kuò)升，機(jī)載電子設(shè)備的熱載荷也在不斷增加。為滿足電子設(shè)備的散熱要求，且考慮到電子設(shè)備的安裝位置，該飛機(jī)使用液體冷卻和強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻相結(jié)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(jī)的電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)由四個(gè)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(jī)前電子設(shè)備艙、左側(cè)中央電子設(shè)備艙、機(jī)翼電子設(shè)備艙等設(shè)備艙中的電子設(shè)備使用液冷散熱。在液體冷卻回路中，電子設(shè)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(duì)應(yīng)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(fēng)冷將熱能傳遞至空氣中。

　　武器電子設(shè)備是利用一套升壓式空氣循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻的。由氣源系統(tǒng)來的預(yù)調(diào)空氣經(jīng)初級(jí)空氣液體換熱器、次級(jí)空氣液體換熱器，對(duì)空氣進(jìn)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(shè)備。在前電子設(shè)備艙、左中央電子設(shè)備艙、右中央電子設(shè)備艙等設(shè)備艙中有一些電子設(shè)備的安裝位置不易使用液體冷卻，其采用強(qiáng)迫通風(fēng)方式進(jìn)行散熱。空氣的溫度控制在29.4～37.8℃。電子設(shè)備架內(nèi)設(shè)有安全活門，以便應(yīng)急情況下進(jìn)行沖壓空氣冷卻。電子設(shè)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(dòng)，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(shè)計(jì)特點(diǎn)冷卻液循環(huán)流動(dòng)同其它機(jī)載電子設(shè)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(diào)節(jié)冷卻液的溫度。液冷與風(fēng)冷的結(jié)合該機(jī)載電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)同時(shí)使用液冷與風(fēng)冷兩種冷卻方式，以液冷系統(tǒng)管路為干線，風(fēng)冷系統(tǒng)管路為支線。對(duì)電子設(shè)備艙中集中安置且熱載荷大的電子設(shè)備直接使用液冷冷卻，對(duì)于零散布置或熱載荷小的電子設(shè)備采用強(qiáng)迫通風(fēng)進(jìn)行散熱�？諝庋�環(huán)小回路將電子設(shè)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(jī)載電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)，嘗試將燃油作為主要熱沉。通過合理設(shè)計(jì)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(shè)備—冷卻液—燃油—空氣。

　　3液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)展望

　　3.1液冷設(shè)備分布對(duì)于高熱流密度的電子設(shè)備來說，傳統(tǒng)的自然散熱與強(qiáng)迫通風(fēng)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(jī)載電子設(shè)備的安裝位置分布較廣，呈全機(jī)分散分布，為使用液冷系統(tǒng)需要對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行艙室劃分[21]，便于集中散熱。同時(shí)也減少冷卻管路的長度，進(jìn)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(dòng)力源驅(qū)動(dòng)冷卻液循環(huán)流動(dòng)，冷卻液沿著管路通往各電子設(shè)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(shù)成熟度較高，但缺點(diǎn)是沒有區(qū)域故障隔離能力，當(dāng)某區(qū)域發(fā)生故障，將會(huì)使整個(gè)液冷系統(tǒng)無法工作。為解決該問題，可結(jié)合電子設(shè)備的艙室劃分，在每個(gè)艙室內(nèi)設(shè)有液冷小循環(huán)，在飛機(jī)上設(shè)有液冷大循環(huán)，兩個(gè)液冷循環(huán)通過關(guān)斷活門連接。艙室小循環(huán)中的熱量傳遞至飛機(jī)級(jí)的大循環(huán)中，最后排至空氣或燃油中。當(dāng)某艙室小循環(huán)發(fā)生故障，可關(guān)閉該小循環(huán)處的關(guān)斷活門，而不會(huì)影響其他艙室的小循環(huán)，即實(shí)現(xiàn)區(qū)域故障隔離。

　　3.2變流量系統(tǒng)液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)化裝置或設(shè)備，冷卻液流量的變化由泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速或臺(tái)數(shù)來決定，因此流過電子設(shè)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(shè)備的最大熱負(fù)荷設(shè)計(jì)的，實(shí)際上電子設(shè)備以最大熱負(fù)荷工作運(yùn)行的時(shí)間通常很短。定流量系統(tǒng)絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)供液量是大于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所需的實(shí)際流量，從而導(dǎo)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(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使液冷系統(tǒng)中冷卻液的流量能隨著熱負(fù)荷的變化而變化，降低液體泵電能的消耗，達(dá)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(duì)飛機(jī)的意義重大。復(fù)合材料具有質(zhì)輕高強(qiáng)、良好的抗疲勞性及減震性等優(yōu)點(diǎn)[2728]。在設(shè)計(jì)液冷管路時(shí)，可采用復(fù)合材料，減少液冷管路的重量，減少系統(tǒng)的代償損失。

　　結(jié)束語

　　隨著機(jī)載電子設(shè)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(shè)備的使用壽命和可靠性，機(jī)載電子設(shè)備冷卻方式從最初的自然散熱發(fā)展到強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，再到液體冷卻。另外，未來飛機(jī)可能需要執(zhí)行長航時(shí)的任務(wù)，液冷系統(tǒng)需滿足長時(shí)間為高熱流密度電子設(shè)備進(jìn)行冷卻散熱的工作需求，保證電子設(shè)備的正常高效工作，確保飛行安全。為適應(yīng)電子設(shè)備的發(fā)展和未來飛機(jī)的作戰(zhàn)需求，液體冷卻技術(shù)也應(yīng)不斷發(fā)展。

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　　作者：白茹，李定坤，郭曼利

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