曹仁鳳，晏 濤，周君慧，張興娟，李靜洪

(1. 北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100191；2. 成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 四川 成都 610092)

基于蒙皮換熱器的無(wú)人機(jī)電子設(shè)備冷卻方案分析

曹仁鳳1，晏 濤2，周君慧2，張興娟1，李靜洪2

(1. 北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100191；2. 成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 四川 成都 610092)

針對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用中日益突出的電子設(shè)備發(fā)熱問(wèn)題，提出了一種基于蒙皮換熱器的無(wú)人機(jī)電子設(shè)備冷卻方案。根據(jù)設(shè)計(jì)需求確定了各主要部件的溫度要求及換熱器效率要求，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。文中提出的電子設(shè)備冷卻方案屬液體冷卻方式，電子設(shè)備的發(fā)熱量可以通過(guò)蒙皮換熱器傳遞給艙外沖壓空氣熱沉。通過(guò)合理的等效換熱測(cè)量方法設(shè)計(jì)的地面性能試驗(yàn)考查了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各部分溫度、換熱器的換熱量及系統(tǒng)能效比。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案有效可行，能夠滿足較大發(fā)熱功率的無(wú)人機(jī)電子設(shè)備的冷卻需求，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

電子設(shè)備；冷卻方案；蒙皮換熱器；液冷

引 言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)的使用范圍已逐步拓展至軍事、民用和科研三大領(lǐng)域，性能各異、技術(shù)先進(jìn)的新型機(jī)種不斷涌現(xiàn)[1]。無(wú)人機(jī)功能的日益強(qiáng)大，得益于不斷發(fā)展的人工智能和通信等電子技術(shù)[2]，因而對(duì)電子設(shè)備的需求日益提高。電子設(shè)備的集成化和小型化，直接導(dǎo)致其熱流密度不斷增大。為保障無(wú)人機(jī)電子設(shè)備工作的安全可靠，必須為其提供合適的工作溫度，采取有效的冷卻散熱措施，并進(jìn)行合理的熱分析和熱設(shè)計(jì)。

根據(jù)目前公開(kāi)的文獻(xiàn)報(bào)道，應(yīng)用于無(wú)人機(jī)電子設(shè)備的冷卻方式按載冷介質(zhì)的不同，主要分為空氣冷卻和液體冷卻兩大類(lèi)?？諝饫鋮s方式是通過(guò)將艙外冷空氣流引入電子設(shè)備艙內(nèi)實(shí)現(xiàn)自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流，與電子設(shè)備進(jìn)行熱交換而實(shí)現(xiàn)的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)。在吊艙電子設(shè)備冷卻中常采用逆升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)[3]，但對(duì)于功率大、熱流密度高的電子設(shè)備，空氣冷卻方式并不能滿足其散熱要求[4]。此外，引入機(jī)外沖壓空氣作為冷源增加了飛機(jī)的阻力從而增加了性能代償損失。于是具有更高冷卻效率和穩(wěn)定工作特性的液體冷卻方式[4]越來(lái)越多地被應(yīng)用于無(wú)人機(jī)環(huán)控系統(tǒng)，它通過(guò)將電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量傳遞給載冷劑來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻，主要包括冷板冷卻方式與噴霧冷卻方式。冷板冷卻方式使用的載冷劑通過(guò)換熱器將電子設(shè)備的熱量散失到外界環(huán)境中，噴霧冷卻方式則是利用霧化后的載冷劑相變而產(chǎn)生的汽化潛熱帶走電子設(shè)備的熱量[5]。

本文針對(duì)某型無(wú)人機(jī)搭載的電子設(shè)備，提出了一種簡(jiǎn)單可靠的液體冷卻方案，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。方案中通過(guò)選用蒙皮換熱器，可將機(jī)身熱容量與蒙皮結(jié)合，對(duì)無(wú)人機(jī)的熱隱身和氣動(dòng)性能也有積極作用[6]。該方案使得電子設(shè)備的發(fā)熱量最終由載冷劑通過(guò)蒙皮換熱器傳遞給艙外沖壓空氣。

1 方案原理

該無(wú)人機(jī)電子設(shè)備冷卻方案的基本原理如圖1所示。系統(tǒng)由液冷泵、冷板、蒙皮換熱器、管路及載冷劑組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，載冷劑FC-770由液冷泵輸出到安裝電子設(shè)備的冷板中，經(jīng)加熱的載冷劑通過(guò)蒙皮換熱器冷卻降溫后回到液冷泵入口完成一個(gè)液冷循環(huán)回路。

圖1 冷卻方案原理圖

方案使用的蒙皮換熱器屬氣-液換熱器，采用板翅式換熱結(jié)構(gòu)，直接安裝在機(jī)頭部位，通過(guò)飛機(jī)前飛時(shí)的外掠流帶走電子設(shè)備的熱量。換熱器的外形如圖2所示，其外表面積為0.7 m2，詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程可見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

圖2 蒙皮換熱器外形圖

2 方案分析

2.1 設(shè)計(jì)需求

冷卻方案設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 冷卻方案設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.2 理論計(jì)算

根據(jù)以上設(shè)計(jì)指標(biāo)，可確定系統(tǒng)各主要部位的溫度要求，包括蒙皮換熱器熱邊入口溫度T1、熱邊出口溫度T2，冷板入口溫度T5。由設(shè)計(jì)指標(biāo)可知T3=26 ℃，G1=14 L/min，T6≤53℃。忽略管路溫降，近似認(rèn)為T(mén)1=T6。

蒙皮換熱器熱側(cè)換熱量為

Qsk=ρG1Cp(T1-T2)

(1)

式中：ρ為載冷劑FC-770的密度，1 727 kg/m3；Cp為載冷劑FC-770的定壓比熱，1 077.75 J/(kg·K)。

由設(shè)計(jì)指標(biāo)Qsk≥1 400 W、T1=T6≤53 ℃及式(1)可得，T1-T2≥3.22 ℃，則T2≤49.78 ℃。

忽略電子設(shè)備與外環(huán)境間的換熱，電子設(shè)備發(fā)熱量為

Qe=ρG1Cp(T6-T5)

(2)

由設(shè)計(jì)指標(biāo)Qe=1 400 W、T6≤53 ℃及式(2)可得，T5≤49.78 ℃。

蒙皮換熱器換熱效率為

(3)

由T1=T6≤53 ℃、T1-T2≥3.22 ℃及式(3)可得，蒙皮換熱器效率η≥11.93%。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)課題組提出的蒙皮換熱器等效換熱測(cè)量方法，該方案驗(yàn)證試驗(yàn)原理圖如圖3所示。

圖3 液冷方案試驗(yàn)原理圖

沖壓空氣模擬支路由高壓氣源、閥門(mén)、流量計(jì)、渦輪、蒙皮換熱器及其外側(cè)通道和溫度傳感器等組成。試驗(yàn)時(shí)，采用高壓氣源模擬沖壓空氣。閥門(mén)1可調(diào)節(jié)沖壓空氣流量，閥門(mén)2可調(diào)節(jié)渦輪出口反壓，以便獲得試驗(yàn)所需的蒙皮換熱器空氣側(cè)入口溫度T3，由流量計(jì)G2測(cè)得沖壓空氣流量。

在蒙皮換熱器熱邊回路中，載冷劑FC-770由液冷泵輸送至冷板，經(jīng)模擬熱源加熱后進(jìn)入蒙皮換熱器，再經(jīng)沖壓空氣冷卻后回到液冷泵?；芈分休d冷劑的流量由流量計(jì)G1測(cè)量，4個(gè)溫度計(jì)分別記錄蒙皮換熱器熱邊進(jìn)出口溫度T1、T2和冷板進(jìn)出口溫度T5、T6。電子設(shè)備發(fā)熱功率以實(shí)際加入到系統(tǒng)內(nèi)的熱量為準(zhǔn)，通過(guò)式(2)計(jì)算獲得。為保證試驗(yàn)效果，試驗(yàn)時(shí)所有管件均采取保溫措施，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在系統(tǒng)達(dá)到熱平衡后采集。

2.4 結(jié)果及分析

方案驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。在電子設(shè)備發(fā)熱功率為1 404.9 W的情況下，蒙皮換熱器換熱量達(dá)到1 412.3 W，大于指標(biāo)要求的1 400 W?？梢哉J(rèn)為蒙皮換熱器的換熱性能達(dá)到了該電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明此冷卻方案有效可行。

表2 冷卻方案試驗(yàn)結(jié)果

方案中的蒙皮換熱器為設(shè)計(jì)關(guān)鍵所在，載冷劑通過(guò)蒙皮換熱器與外界大氣換熱，系統(tǒng)冷源實(shí)為艙外沖壓空氣。蒙皮換熱器不僅實(shí)現(xiàn)了有效換熱，還避免了由機(jī)身開(kāi)口或發(fā)動(dòng)機(jī)引氣造成的飛機(jī)性能代償損失。

試驗(yàn)同時(shí)也考查了液冷泵的性能。監(jiān)測(cè)液冷泵的輸入電壓U、輸入電流I，可得到液冷泵的輸入功率。則定義液冷系統(tǒng)的COP(能效比)值為

(4)

忽略管路溫降，液冷泵入口溫度近似為T(mén)2，出口溫度近似為T(mén)5。忽略液冷泵與外環(huán)境間的換熱，其本身的發(fā)熱量為

Qlc=ρG1Cp(T5-T2)

(5)

液冷泵的有效功率為

Pe=ρgHG1

(6)

式中：g為重力加速度，9.8 m/s2；H為液冷泵的揚(yáng)程，42 m；則液冷泵的效率為

(7)

該液冷系統(tǒng)的COP值及液冷泵的性能如表3所示。

表3 系統(tǒng)COP值及液冷泵性能表

結(jié)果表明，液冷泵的效率及系統(tǒng)的能效比是比較可觀的。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的無(wú)人機(jī)電子設(shè)備冷卻方案可滿足電子設(shè)備的冷卻要求。根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行包線可確定系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)需求，并進(jìn)一步確定系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)指標(biāo)，指導(dǎo)部件設(shè)計(jì)。該方案原理簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)增大蒙皮換熱器換熱面積或增加其他換熱器可滿足更大發(fā)熱功率電子設(shè)備的使用需求。雖然在國(guó)內(nèi)蒙皮換熱器的使用還受制于加工工藝可靠性等因素[6]，但因其高效性及對(duì)飛機(jī)整體性能的好處，該電子設(shè)備冷卻方案將會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。本文的研究成果可為無(wú)人機(jī)電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)提供理論參考和技術(shù)儲(chǔ)備，也可推廣應(yīng)用于其他機(jī)型的相關(guān)研究中。

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曹仁鳳(1992-)，女，碩士，主要研究方向?yàn)槿藱C(jī)與環(huán)境工程。

Analysis of Electronic Equipment Cooling Scheme Based on Skin Heat Exchanger for Unmanned Aerial Vehicles

CAO Ren-feng1，YAN Tao2，ZHOU Jun-hui2，ZHANG Xing-juan1，LI Jing-hong2

(1.SchoolofAeronauticScienceandEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100191,China；2.ChengduAircraftIndustry(Group)Co.,Ltd.,Chengdu610092,China)

Considering the increase of heat load from electronic equipment on unmanned aerial vehicle (UAV), a cooling scheme based on skin heat exchanger is proposed. Temperature of key components and efficiency of the skin heat exchanger are determined according to design requirements. Furthermore, test verification is carried out. The scheme belongs to liquid cooling, and the heat load from electronic equipment can be dissipated to the heat sink of ram air through skin heat exchanger. The ground experiment based on equivalent heat transfer measurement tests the temperatures of various parts of the running system. In addition, heat transfer of the heat exchanger and COP of the system are calculated. Results indicate that the scheme is feasible and effective, which means it can meet the cooling demand of electronic equipment with high power on UAV and has wide application value.

electronic equipment; cooling scheme; skin heat exchanger; liquid cooling

2015-03-30

V279;TK124

A

1008-5300(2015)06-0015-04