機(jī)載小型液冷源技術(shù)研究

呂 倩

(西南電子技術(shù)研究所， 四川 成都 610036)

機(jī)載小型液冷源技術(shù)研究

呂 倩

(西南電子技術(shù)研究所， 四川 成都 610036)

文中綜述了機(jī)載小型液冷源的國內(nèi)外發(fā)展情況及工程應(yīng)用前景，針對(duì)3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)即冷卻體制及載機(jī)環(huán)境問題、冷卻單元(Heat Removal Unit, HRU )控制問題和分流問題，運(yùn)用計(jì)算仿真與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的手段，進(jìn)行了針對(duì)性的論述，形成了相應(yīng)的解決思路和方案。在理論探討和實(shí)踐探索的基礎(chǔ)上，提出了機(jī)載小型液冷源在現(xiàn)有商用貨架技術(shù)條件下的實(shí)現(xiàn)方法，并形成了相應(yīng)的研究成果。

冷卻單元；液冷；航空電子設(shè)備

引 言

隨著電子設(shè)備成本在武器系統(tǒng)中所占比例的逐年提高，為了降低成本，生產(chǎn)防務(wù)設(shè)備的世界各大公司均開始采取貨架產(chǎn)品(Components off the Shelves，COTS)的思路進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)，在電子設(shè)備甚至在許多關(guān)鍵任務(wù)的設(shè)備中, 大量使用COTS現(xiàn)貨，即使用大量工業(yè)級(jí)甚至更低等級(jí)的產(chǎn)品。根據(jù)文獻(xiàn)[1], 對(duì)這類設(shè)備或器件進(jìn)行熱管理的目的是將其中的工業(yè)級(jí)元件的殼體溫度控制在85 ℃以下，對(duì)于COTS器件，其殼體溫度應(yīng)該控制在70 ℃以下，一般在給出器件的最大節(jié)溫為150 ℃的前提下，在實(shí)際飛行包線的90% ～ 95%的時(shí)間內(nèi)應(yīng)將節(jié)溫控制在90 ℃以下，同時(shí)要求模塊均溫性良好，以減少熱應(yīng)力。

為了達(dá)到此目的，國內(nèi)外采用不同的手段，有繼續(xù)改進(jìn)風(fēng)冷系統(tǒng)的，有采用高效散熱措施的，當(dāng)然最多的是采用液冷。為了適應(yīng)不同裝機(jī)條件，國外廠商在液冷的實(shí)用化方面以及在提高裝機(jī)的適應(yīng)性和冷卻性能上做了大量工作，涌現(xiàn)出了大量產(chǎn)品。國內(nèi)也一直在機(jī)載小型液冷源領(lǐng)域進(jìn)行不斷的探索。

1 國外冷卻單元(HRU)設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r

在機(jī)箱液冷上，既能解決工業(yè)器件的使用問題又能滿足可靠性指標(biāo)要求的可采用的最有效的措施是多級(jí)循環(huán)液冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心部件為一個(gè)集成的或獨(dú)立的HRU裝置。下面介紹幾個(gè)多級(jí)循環(huán)冷卻及其HRU的例子。

圖 1～圖 4[2]為Parker公司傳導(dǎo)、穿通液冷、噴射冷卻多功能演示機(jī)箱，該機(jī)箱可同時(shí)兼容傳導(dǎo)冷板、穿通液冷冷板和射流冷卻冷板。為了兼容以上3類模塊，該機(jī)箱也采用了二次循環(huán)回路而沒有直接采用機(jī)載環(huán)控系統(tǒng)(Environment Control System, ECS)提供的液體或空氣冷卻。

圖1 Parker多功能機(jī)箱

圖2 Parker演示機(jī)箱泵單元

圖3 Parker演示機(jī)箱的液-液熱交換器

圖4 Parker公司HRU與VITA48液冷機(jī)架及模塊組合方式

Meggitt Defense System公司是另外一家美國HRU制造公司，有各類不同型號(hào)與用途的HRU產(chǎn)品，如圖5～圖7所示。圖5[3]為用于惡劣環(huán)境的液冷源，采用水加乙二醇冷卻，二次換熱為風(fēng)冷，28 V直流電，冷卻液流量約4 L/min，壓力2 × 105Pa(38 ℃)，重量約4 kg，冷卻能力為在223 W外部熱負(fù)荷條件下，冷卻液進(jìn)出口溫差為6 ℃，在400 W外部熱負(fù)荷條件下，冷卻液進(jìn)出口溫差為10 ℃。

圖5 Meggitt Defense System公司的HRU產(chǎn)品1

圖6[4]所示的HRU用于直升機(jī)熱成像系統(tǒng)熱管理，全鋁鑄造，水加乙二醇冷卻，二次換熱為風(fēng)冷，28 V直流電，冷卻液流量約4 L/min，壓力2 × 105Pa，重量約6 kg，冷卻能力為在400 W外部熱負(fù)荷條件下，冷卻液進(jìn)出口溫差為10 ℃。

圖6 Meggitt Defense System公司的HRU產(chǎn)品2

圖7[5]所示的HRU是用于機(jī)載環(huán)境的設(shè)備，提供1 kW的精密制冷能力，微處理器溫控，直流齒輪泵，變速冷卻風(fēng)扇，無刷直流變速旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)ATR尺寸，重量約15 kg。

圖7 Meggitt Defense System公司的HRU產(chǎn)品3

圖8[6]是EA- 6B電子設(shè)備改型中使用的AFT供電電源機(jī)箱，為Spray Cool公司的產(chǎn)品。該機(jī)箱采用了液體噴射冷卻系統(tǒng)，在飛行中利用機(jī)上ECS提供的環(huán)控風(fēng)，由一氣液熱交換器將噴射冷卻回路的熱量帶出。在地面維護(hù)無ECS時(shí)，使用一個(gè)帶有風(fēng)扇的氣液熱交換器完成相同功能。它之所以采用二次循環(huán)的配置方式，主要是考慮到噴射冷卻系統(tǒng)對(duì)冷卻液的特定要求和產(chǎn)生噴射射流所需要的高泵壓。

圖8 EA-6B延壽計(jì)劃中AFT電源噴射冷卻機(jī)箱

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方法

結(jié)合目前機(jī)載小型液冷源利用COTS技術(shù)的研制，在研制過程中主要需解決3個(gè)問題，即機(jī)載條件冷卻體制、HRU控制問題、小型液冷源的內(nèi)部分支流問題。

2.1 冷卻體制及載機(jī)環(huán)境問題

設(shè)計(jì)機(jī)載電子設(shè)備熱管理系統(tǒng)，首先需要對(duì)目前典型戰(zhàn)機(jī)的環(huán)控系統(tǒng)(ECS)/ 熱管理系統(tǒng)(Thermal Management System，TMS)的組成、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)有所了解。F-22的ECS/TMS通過控制程序控制沖壓空氣與燃油的使用。低速飛行時(shí)充分利用沖壓空氣, 高速飛行時(shí)利用燃油, 從而使環(huán)境控制系統(tǒng)在整個(gè)飛行包線內(nèi)具有良好的性能。

F-22的ECS/TMS(如圖9所示)有2個(gè)分離的冷卻循環(huán)，稱為前向循環(huán)和后向循環(huán)。它們各由1臺(tái)獨(dú)立的直流270 V軸流泵驅(qū)動(dòng)。前向冷卻循環(huán)主要冷卻航空電子設(shè)備和APG-77機(jī)載雷達(dá)，后向循環(huán)主要對(duì)F119發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助機(jī)械設(shè)備以及其他熱負(fù)載進(jìn)行冷卻。它們通過1個(gè)蒸汽循環(huán)系統(tǒng)相連，發(fā)動(dòng)機(jī)引氣通過主熱交換器由沖壓空氣冷卻到空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，然后通過熱交換器與前向冷卻循環(huán)相連。

圖9 F-22的ECS體制

對(duì)于機(jī)載航電設(shè)備，新型ECS/TMS系統(tǒng)顯然可以提供比較良好的冷卻環(huán)境。如果戰(zhàn)機(jī)采用F-22的ECS/TMS體制，在前向冷卻循環(huán)中可能使用的冷卻劑是PAO。對(duì)于處于該冷卻循環(huán)中的航空電子設(shè)備冷卻來說，可能面臨如下2個(gè)問題：

1)由于在穿通冷板中使用了微通道等壓降較高的手段，循環(huán)中的泵壓不夠，流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；

2)由于PAO的冷卻性能不如普通的水或水-乙二醇混合溶液的冷卻性能好，在對(duì)某些特定的高熱流密度組件進(jìn)行散熱時(shí)，采用PAO可能不能滿足要求。例如，冷卻模塊可能采用具有能夠形成氣液兩相流的介質(zhì)。

研究表明，可通過外加增壓泵的方法對(duì)航電設(shè)備機(jī)箱或模塊的第一回路進(jìn)行散熱，而第二回路將ECS/TMS的前向回路的PAO作為冷卻介質(zhì)。

2.2 HRU控制問題

HRU在平臺(tái)上應(yīng)當(dāng)具有與航電系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的能力，航電系統(tǒng)可對(duì)其進(jìn)行控制與顯示。同時(shí)在HRU內(nèi)部需要采集HRU循環(huán)體系內(nèi)部的溫度、壓力、流量數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)的變化作出反應(yīng)，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)連鎖保護(hù)等功能。要實(shí)現(xiàn)這些功能還要控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度、重量和可靠性。由于采用了齒輪泵，流量測(cè)量可以通過測(cè)量齒輪泵的轉(zhuǎn)速直接獲得; 壓力通過微型壓力傳感器測(cè)量，然后采用AD620進(jìn)行信號(hào)放大，輸出0～5 V信號(hào)；溫度則通過單片熱電偶信號(hào)放大集成電路AD594直接采集，輸出0～5 V的信號(hào)。所有這些信號(hào)由ARM單片機(jī)處理。

2.3 分流問題

小型液冷源的原理樣機(jī)如圖10所示，將一個(gè)液冷機(jī)箱和內(nèi)循環(huán)冷源結(jié)合在一起，通過外部提供冷卻介質(zhì)循環(huán)來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)箱內(nèi)循環(huán)的冷卻。如果外部無法提供液冷循環(huán)，可通過附加氣液交換器附件來實(shí)現(xiàn)對(duì)外循環(huán)的冷卻。

圖10 小型液冷源內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖11 液-液熱交換器及CFD計(jì)算結(jié)果

在微型液-液交換器上采用了自行設(shè)計(jì)的板式換熱器，根據(jù)分支流理論對(duì)其中的通道進(jìn)行了初始設(shè)計(jì)計(jì)算，利用CFD軟件模擬了壓強(qiáng)分布、流速分布、溫度分布等重要參數(shù)，液-液交換器及CFD計(jì)算結(jié)果如圖11所示。理論解與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果誤差較小，能夠滿足工程需要，很好地解決了液冷源內(nèi)部流道的分流問題。

3 結(jié)束語

未來綜合化航空電子設(shè)備將實(shí)現(xiàn)多功能結(jié)構(gòu)(MFS)的高度集成，小型液冷源在未來高熱流密度熱管理系統(tǒng)中處于十分重要的位置。高效單相液冷、氣液兩相流冷卻、噴射冷卻對(duì)循環(huán)冷卻系統(tǒng)都有特殊要求，而小型液冷源正是滿足特殊要求的必要設(shè)備。本文僅對(duì)機(jī)載小型液冷源研究中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，利用現(xiàn)有商用貨架產(chǎn)品開展了機(jī)載小型液冷源的研制工作。

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呂 倩(1975-)，女，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)工作。

Study on a Small Airborne Liquid Cooling System

LV Qian

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology，Chengdu610036,China)

The development both at home and abroad and the application prospect of a small airborne liquid cooling system are introduced in this paper. Three key technologies，namely cooling scheme, airborne environment and heat removal unit (HRU) control & manifold are discussed by digital simulation and test. A corresponding solution is achieved based on on-shelf-goods.

heat removal unit (HRU); liquid cooling; avionic system

2013-11-20

TK414.2

A

1008-5300(2014)02-0009-03