机载小型液冷源技术研究

吕 倩

(西南电子技术研究所， 四川 成都 610036)

机载小型液冷源技术研究

吕 倩

(西南电子技术研究所， 四川 成都 610036)

文中综述了机载小型液冷源的国内外发展情况及工程应用前景，针对3个关键技术即冷却体制及载机环境问题、冷却单元(Heat Removal Unit, HRU )控制问题和分流问题，运用计算仿真与试验测试相结合的手段，进行了针对性的论述，形成了相应的解决思路和方案。在理论探讨和实践探索的基础上，提出了机载小型液冷源在现有商用货架技术条件下的实现方法，并形成了相应的研究成果。

冷却单元；液冷；航空电子设备

引 言

随着电子设备成本在武器系统中所占比例的逐年提高，为了降低成本，生产防务设备的世界各大公司均开始采取货架产品(Components off the Shelves，COTS)的思路进行产品研发，在电子设备甚至在许多关键任务的设备中, 大量使用COTS现货，即使用大量工业级甚至更低等级的产品。根据文献[1], 对这类设备或器件进行热管理的目的是将其中的工业级元件的壳体温度控制在85 ℃以下，对于COTS器件，其壳体温度应该控制在70 ℃以下，一般在给出器件的最大节温为150 ℃的前提下，在实际飞行包线的90% ～ 95%的时间内应将节温控制在90 ℃以下，同时要求模块均温性良好，以减少热应力。

为了达到此目的，国内外采用不同的手段，有继续改进风冷系统的，有采用高效散热措施的，当然最多的是采用液冷。为了适应不同装机条件，国外厂商在液冷的实用化方面以及在提高装机的适应性和冷却性能上做了大量工作，涌现出了大量产品。国内也一直在机载小型液冷源领域进行不断的探索。

1 国外冷却单元(HRU)设备发展状况

在机箱液冷上，既能解决工业器件的使用问题又能满足可靠性指标要求的可采用的最有效的措施是多级循环液冷系统。该系统的核心部件为一个集成的或独立的HRU装置。下面介绍几个多级循环冷却及其HRU的例子。

图 1～图 4[2]为Parker公司传导、穿通液冷、喷射冷却多功能演示机箱，该机箱可同时兼容传导冷板、穿通液冷冷板和射流冷却冷板。为了兼容以上3类模块，该机箱也采用了二次循环回路而没有直接采用机载环控系统(Environment Control System, ECS)提供的液体或空气冷却。

图1 Parker多功能机箱

图2 Parker演示机箱泵单元

图3 Parker演示机箱的液-液热交换器

图4 Parker公司HRU与VITA48液冷机架及模块组合方式

Meggitt Defense System公司是另外一家美国HRU制造公司，有各类不同型号与用途的HRU产品，如图5～图7所示。图5[3]为用于恶劣环境的液冷源，采用水加乙二醇冷却，二次换热为风冷，28 V直流电，冷却液流量约4 L/min，压力2 × 105Pa(38 ℃)，重量约4 kg，冷却能力为在223 W外部热负荷条件下，冷却液进出口温差为6 ℃，在400 W外部热负荷条件下，冷却液进出口温差为10 ℃。

图5 Meggitt Defense System公司的HRU产品1

图6[4]所示的HRU用于直升机热成像系统热管理，全铝铸造，水加乙二醇冷却，二次换热为风冷，28 V直流电，冷却液流量约4 L/min，压力2 × 105Pa，重量约6 kg，冷却能力为在400 W外部热负荷条件下，冷却液进出口温差为10 ℃。

图6 Meggitt Defense System公司的HRU产品2

图7[5]所示的HRU是用于机载环境的设备，提供1 kW的精密制冷能力，微处理器温控，直流齿轮泵，变速冷却风扇，无刷直流变速旋转压缩机，标准ATR尺寸，重量约15 kg。

图7 Meggitt Defense System公司的HRU产品3

图8[6]是EA- 6B电子设备改型中使用的AFT供电电源机箱，为Spray Cool公司的产品。该机箱采用了液体喷射冷却系统，在飞行中利用机上ECS提供的环控风，由一气液热交换器将喷射冷却回路的热量带出。在地面维护无ECS时，使用一个带有风扇的气液热交换器完成相同功能。它之所以采用二次循环的配置方式，主要是考虑到喷射冷却系统对冷却液的特定要求和产生喷射射流所需要的高泵压。

图8 EA-6B延寿计划中AFT电源喷射冷却机箱

2 关键技术及解决方法

结合目前机载小型液冷源利用COTS技术的研制，在研制过程中主要需解决3个问题，即机载条件冷却体制、HRU控制问题、小型液冷源的内部分支流问题。

2.1 冷却体制及载机环境问题

设计机载电子设备热管理系统，首先需要对目前典型战机的环控系统(ECS)/ 热管理系统(Thermal Management System，TMS)的组成、结构及特点有所了解。F-22的ECS/TMS通过控制程序控制冲压空气与燃油的使用。低速飞行时充分利用冲压空气, 高速飞行时利用燃油, 从而使环境控制系统在整个飞行包线内具有良好的性能。

F-22的ECS/TMS(如图9所示)有2个分离的冷却循环，称为前向循环和后向循环。它们各由1台独立的直流270 V轴流泵驱动。前向冷却循环主要冷却航空电子设备和APG-77机载雷达，后向循环主要对F119发动机和辅助机械设备以及其他热负载进行冷却。它们通过1个蒸汽循环系统相连，发动机引气通过主热交换器由冲压空气冷却到空气循环制冷系统，然后通过热交换器与前向冷却循环相连。

图9 F-22的ECS体制

对于机载航电设备，新型ECS/TMS系统显然可以提供比较良好的冷却环境。如果战机采用F-22的ECS/TMS体制，在前向冷却循环中可能使用的冷却剂是PAO。对于处于该冷却循环中的航空电子设备冷却来说，可能面临如下2个问题：

1)由于在穿通冷板中使用了微通道等压降较高的手段，循环中的泵压不够，流量达不到设计要求；

2)由于PAO的冷却性能不如普通的水或水-乙二醇混合溶液的冷却性能好，在对某些特定的高热流密度组件进行散热时，采用PAO可能不能满足要求。例如，冷却模块可能采用具有能够形成气液两相流的介质。

研究表明，可通过外加增压泵的方法对航电设备机箱或模块的第一回路进行散热，而第二回路将ECS/TMS的前向回路的PAO作为冷却介质。

2.2 HRU控制问题

HRU在平台上应当具有与航电系统进行数据交换的能力，航电系统可对其进行控制与显示。同时在HRU内部需要采集HRU循环体系内部的温度、压力、流量数据，并对这些数据的变化作出反应，与执行机构联系，实现连锁保护等功能。要实现这些功能还要控制系统的复杂程度、重量和可靠性。由于采用了齿轮泵，流量测量可以通过测量齿轮泵的转速直接获得; 压力通过微型压力传感器测量，然后采用AD620进行信号放大，输出0～5 V信号；温度则通过单片热电偶信号放大集成电路AD594直接采集，输出0～5 V的信号。所有这些信号由ARM单片机处理。

2.3 分流问题

小型液冷源的原理样机如图10所示，将一个液冷机箱和内循环冷源结合在一起，通过外部提供冷却介质循环来实现对机箱内循环的冷却。如果外部无法提供液冷循环，可通过附加气液交换器附件来实现对外循环的冷却。

图10 小型液冷源内部结构

图11 液-液热交换器及CFD计算结果

在微型液-液交换器上采用了自行设计的板式换热器，根据分支流理论对其中的通道进行了初始设计计算，利用CFD软件模拟了压强分布、流速分布、温度分布等重要参数，液-液交换器及CFD计算结果如图11所示。理论解与试验测试结果误差较小，能够满足工程需要，很好地解决了液冷源内部流道的分流问题。

3 结束语

未来综合化航空电子设备将实现多功能结构(MFS)的高度集成，小型液冷源在未来高热流密度热管理系统中处于十分重要的位置。高效单相液冷、气液两相流冷却、喷射冷却对循环冷却系统都有特殊要求，而小型液冷源正是满足特殊要求的必要设备。本文仅对机载小型液冷源研究中的几个关键技术难点进行了技术攻关，利用现有商用货架产品开展了机载小型液冷源的研制工作。

[1] WOODRUFF R. EA-6B Spray cool technology insertion [EB/OL]. (2003-24-25) [2013-11-20]. http: // www. powershow.com.

[2] EASON M, LUTTER N R, SMITH T C. Specification reform of avionics thermal design criteria: an F-15 case study[C] // The 31st International Conference on Environmental Systems. Orlando, Florida: SAE，2001.

[3] LETLOW J T. Development of an integrated environmental control system[C]// The 28th International Conference on Environmental Systems. Danvers, Massachusetts: SAE，1998.

[4] GHANEKAR M. Vapor cycle system for the F-22 raptor[C]// The 30th International Conference on Environmental Systems. Toulouse, France: SAE，2000.

[5] BAIRD D, FERENTINOS J. Application of MIL-C-87252 in F-22 liquid cooling system[C]// The 28th International Conference on Environmental Systems. Danvers, Massachusetts：SAE，1998.

[6] LUI C, QUAN M, WONG R. Recirculating regenerative environmental control system[C]// The 34th International Conference on Environmental Systems (ICES). Orlando, Florida: SAE，2004.

吕 倩(1975-)，女，高级工程师，主要从事电子设备热设计工作。

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