国内外机载电子设备液体冷却系统分析

　　摘要：随着机载电子设备热流密度的不断增加，传统的自然通风或强迫通风制冷方式已不适用，机载电子设备选用液体冷却方式已成必然趋势。通过分析国内外机载电子设备液冷系统，发现系统中冷却液是循环流动的。冷却液在液体泵的作用下，进入电子设备冷板，带走电子设备的热量，再通过热交换器进行降温处理，热量传递到空气或燃油中，降温后的冷却液流向液体泵，进行下一次的冷却循环。某些机载电子设备因安装位置不适用液冷系统，则采用强迫通风为其进行冷却，但热量最终经过空气还是传递至液冷系统中。为适应电子设备的发展和未来飞机的作战需求，液体冷却技术也应不断发展。液冷系统未来的发展趋势一定是有区域故障隔离能力，且冷却液的流量是随着热载荷而动态变化的，其代偿损失也较小。

　　关键词：机载电子设备;液冷;代偿损失;高热流密度;环境控制

　　机载电子设备多布置在飞机气密舱内，电子设备工作时，~90%的输入功率转变成热量。资料显示，电子设备温度超过80℃时，每增加℃，电子元器件的可靠性下降[12]。飞机上常使用自然散热或强迫通风方式对机载电子设备进行冷却，强迫通风的冷源有：空调供气、座舱排气、座舱空气和冲压空气等，如波音47使用座舱排气对机载电子设备进行冷却;ERJ145使用冲压空气冷却前电子设备舱中的机载电子设备[3]。

　　随着机载电子设备的发展趋于模块化，小型化，大功率，大封装密度，机载电子设备单位体积和表面积上的热流密度越来越大。考虑到传统冷却方式换热效率低[4]，对高热流密度的机载电子设备来说，该方式已无法满足散热要求。液冷系统换热效率较高，工作性能较稳定，用于机载电子设备冷却已成必然[58]。液体冷却系统发展迅速，在电子吊舱及电子战飞机中均得到广泛应用。上世纪70年代，国外在舰载固定翼预警机2C上应用小型的液体冷却系统，并于80年代形成液体冷却系统的相关标准[9]。本文通过分析国内外典型机型的液冷系统，为今后设计液冷系统提供参考。

　　1国内飞机液冷系统分析

　　1.1系统概述以国内某型飞机为例。液体冷却系统由液体泵、过滤器、温度控制活门、空液热交换器、气液分离器、控制与显示装置、储液箱等组成。液冷系统选择热学性能较好的号冷却液[1012]。

　　1.2系统原理机载电子设备液冷系统的冷却液储存在储液箱中，经过气液分离装置，除去冷却液中的气体，防止对下游液冷泵的气蚀。冷却液被液体泵增压后通过管路进入电加热器，防止进入电子设备冷板的冷却液温度过低。冷却液经过滤器滤掉其中的杂质，进入电子设备冷板，将电子设备产生的热量带走，冷却液温度升高。

　　为保证冷却液的循环使用，在液冷系统下游设置空液热交换器，对冷却液进行降温。通过调节温度控制活门的开度，将冷却液温度调整到设计范围。降温的冷却液经气液分离装置，重新流向液冷泵，进行下一个冷却循环。储液箱除用来储存冷却液，还可以维持系统管路内冷却液压力的稳定，防止因压力波动对泵产生不利影响。系统设有温度传感器来测量管路内冷却液的温度，并通过控制与显示装置控制系统参数。为防止冷却液倒流，管路中还设有单向活门。

　　1.3系统设计特点

　　1)驱动装置余度设计在液冷系统中设置三台液体泵，其中两台液体泵工作，一台备份。

　　2)冷却液循环流动冷却液经液冷泵驱动流入电子设备冷板，带走电子设备产生的热量，自身温度升高。系统下游设有空液热交换器，对冷却液进行降温，并重新流回液冷泵处，进行下一个冷却循环。

　　3)系统温度控制系统中设有温度传感器、电加温器、温度控制活门，通过控制装置保证管路内冷却液的温度维持在设计范围内，进而保证系统的正常使用。国内其他机型的应用预警机集指挥控制、通信导航、电子对抗等功能于一身[13]，对机载雷达进行冷却十分重要。随着雷达的不断发展，单位面积上的高热流密度也在不断增加[1417]。

　　若采用通风冷却方式为雷达装置降温，当飞机飞行速度较低时，很难为雷达提供足够的冲压空气。国内某机型采用液冷技术，解决大功率雷达的冷却散热问题。该机液冷系统由液体泵、蓄液器、冷板、热交换器以及活门组成。液体泵驱动冷却液从蓄冷器流入冷板，吸收雷达装置产生的热量，而液体自身的温度升高。冷却液从冷板流出后，经热交换器的降温处理，重新流入蓄液器，实现冷却液的循环流动。控温旁路防止从热交换器流出的冷却液温度过低。

　　国内某直升机有大功率电子设备，为解决其散热问题，采用液冷方式进行冷却，系统工作原理图如图所示。储液箱中的冷却液在液体泵的加压作用下流经温度调节活门，进入热交换器后与外界空气进行换热，冷却液流经过滤器进入电子设备冷板，与电子设备进行热交换，将热量带走，随后冷却液经压力、流量传感器，进入储液箱，完成一个工作循环[18]。从温度调节活门处引出的一条旁路，用来调节管路中冷却液的温度。系统中设有传感器，监测管路内冷却液的温度、压力、流量是否在设计范围内，并将信息反馈至控制装置。

　　2国外飞机液冷系统分析

　　2.1系统概述

　　国外某超音速巡航飞机具有低空高亚音速和高空倍音速性能，突防能力强，生存力高，载弹量大，机身装有大量电子设备[1920]，热载荷可高达170.，且随着技术发展及功能扩升，机载电子设备的热载荷也在不断增加。为满足电子设备的散热要求，且考虑到电子设备的安装位置，该飞机使用液体冷却和强迫通风冷却相结合的方式，系统原理图见图。液冷系统使用稳定性较好的AO冷却液。

　　2.2系统原理

　　该机的电子设备冷却系统由四个主循环回路组成，分别是液体冷却回路、燃油冷却回路、空气冷却回路、中间冷却回路。该机前电子设备舱、左侧中央电子设备舱、机翼电子设备舱等设备舱中的电子设备使用液冷散热。在液体冷却回路中，电子设备产生的热量由冷板传递给冷却液，冷却液在泵的作用下依次流过中间冷却回路、燃油冷却回路、两套升压式空气制冷系统的热交换器，利用对应系统的热交换器将冷却液的热量传递出去。传递至中间冷却回路的热量通过热交换器，将热量传递至燃油冷却回路。燃油冷却回路中的热量通过风冷将热能传递至空气中。

　　武器电子设备是利用一套升压式空气循环冷却系统进行冷却的。由气源系统来的预调空气经初级空气液体换热器、次级空气液体换热器，对空气进行降温处理，空气的热量传递至中间冷却回路的冷却液中。降温后的空气经水分离器出去空气中的水分，冷却武器电子设备。在前电子设备舱、左中央电子设备舱、右中央电子设备舱等设备舱中有一些电子设备的安装位置不易使用液体冷却，其采用强迫通风方式进行散热。空气的温度控制在29.4～37.8℃。电子设备架内设有安全活门，以便应急情况下进行冲压空气冷却。电子设备的热量传递至空气中，然后由热交换器将热量传递给空气冷却回路的冷却液中。借助冷却液流动，最终将热量传递至燃油冷却回路的燃油以及两套升压式空气制冷系统的空气中。

　　2.3系统设计特点冷却液循环流动同其它机载电子设备液冷系统一样，冷却液是在管路中循环使用的，通过合理布置热交换器来不断调节冷却液的温度。液冷与风冷的结合该机载电子设备冷却系统同时使用液冷与风冷两种冷却方式，以液冷系统管路为干线，风冷系统管路为支线。对电子设备舱中集中安置且热载荷大的电子设备直接使用液冷冷却，对于零散布置或热载荷小的电子设备采用强迫通风进行散热。空气循环小回路将电子设备热载荷传给干线管路内的冷却液，然后经燃油冷却回路和升压式空气循环制冷系统将热量传递出去。)燃油热沉该机载电子设备冷却系统，尝试将燃油作为主要热沉。通过合理设计燃油冷却回路，将冷却液的热量传递到燃油中，然后在自身回路的热交换器作用下将热量传给空气。热量的传输路径为：电子设备—冷却液—燃油—空气。

　　3液冷系统设计展望

　　3.1液冷设备分布对于高热流密度的电子设备来说，传统的自然散热与强迫通风制冷方式已不满足需求，采用液体冷却已是必然趋势。目前机载电子设备的安装位置分布较广，呈全机分散分布，为使用液冷系统需要对电子设备进行舱室划分[21]，便于集中散热。同时也减少冷却管路的长度，进而降低系统的代偿损失[22]。故障隔离能力液冷系统中，液体泵作为动力源驱动冷却液循环流动，冷却液沿着管路通往各电子设备，将其热量带走，最终通过热交换器将热量带到空气燃油中。

　　此方式技术成熟度较高，但缺点是没有区域故障隔离能力，当某区域发生故障，将会使整个液冷系统无法工作。为解决该问题，可结合电子设备的舱室划分，在每个舱室内设有液冷小循环，在飞机上设有液冷大循环，两个液冷循环通过关断活门连接。舱室小循环中的热量传递至飞机级的大循环中，最后排至空气或燃油中。当某舱室小循环发生故障，可关闭该小循环处的关断活门，而不会影响其他舱室的小循环，即实现区域故障隔离。

　　3.2变流量系统液冷系统的设计参数有：压力、温度和流量[2324]。目前液冷系统中冷却液的流量是固定的，即没有任何控制液体流量的自动化装置或设备，冷却液流量的变化由泵的运行转速或台数来决定，因此流过电子设备的冷却液流量也不变。液冷系统的流量基本是按系统中电子设备的最大热负荷设计的，实际上电子设备以最大热负荷工作运行的时间通常很短。定流量系统绝大多数时间内供液量是大于系统运行时所需的实际流量，从而导致泵的无效能耗和系统代偿损失增大。故需在定流量液冷系统的基础上进行改进，使液冷系统中冷却液的流量能随着热负荷的变化而变化，降低液体泵电能的消耗，达到节能目的[2526]。

　　3.3管路材料管路是液冷系统的重要组成部分，管路减重对飞机的意义重大。复合材料具有质轻高强、良好的抗疲劳性及减震性等优点[2728]。在设计液冷管路时，可采用复合材料，减少液冷管路的重量，减少系统的代偿损失。

　　结束语

　　随着机载电子设备的不断发展，其单位体积和表面积上的热流密度越来越大。为保证电子设备的使用寿命和可靠性，机载电子设备冷却方式从最初的自然散热发展到强迫通风冷却，再到液体冷却。另外，未来飞机可能需要执行长航时的任务，液冷系统需满足长时间为高热流密度电子设备进行冷却散热的工作需求，保证电子设备的正常高效工作，确保飞行安全。为适应电子设备的发展和未来飞机的作战需求，液体冷却技术也应不断发展。

　　参考文献：

　　[1]陈恩电子设备热设计研究J].制冷2009,10(28):5358.ChenEn.ResearchonThermalDesignofElectronicEquipment[J].Refrigeration2009,10(28):5358

　　[2]周海峰邱颖霞鞠金山等电子设备液冷技术研究进展[J].电子机械工程,2016,324):710+15.ZhouHaifeng,QiuYingxia,JuJinshan,etal.ResearchProgressofLiquidCoolingTechnologyforElectronicEquipment[J].ElectronicMechanicalEngineering,2016,324):710+15.

　　[3]党晓民，马兰，马庆林民用飞机环境控制系统手册M]北京北京航空航天大学出版社019.DangXiaomin,MaLan,MaQinglin.ManualofCivilAircraftEnvironmentalControlSystemM].Beijing:BeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsPress,20119.

　　[4]杨世铭，陶文铨传热学：第版M].北京高等教育出版社006.YangShiming,TaoWenquan.Heattransfer:4theditionM].Beijing:HigherEducationPress,2006.

　　作者：白茹，李定坤，郭曼利

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