裝備外部冷卻方法及在環(huán)境試驗(yàn)中的應(yīng)用概述

魏晶，楊龍，楊安群，李海鳳

（貴陽航空電機(jī)有限公司，貴陽 550009）

機(jī)載電子裝備（以下簡(jiǎn)稱裝備）環(huán)境試驗(yàn)是貫穿裝備研制、定型、生產(chǎn)、使用過程中必不可少的一項(xiàng)工作，對(duì)裝備環(huán)境適應(yīng)性的評(píng)價(jià)越來越受到人們的重視，在裝備研制、生產(chǎn)及使用等各階段都將環(huán)境適應(yīng)性作為考核項(xiàng)目。裝備自然環(huán)境試驗(yàn)是裝備環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)的重要方法，是評(píng)價(jià)裝備綜合工作性能和預(yù)測(cè)使用壽命等任務(wù)的重要手段，此外還能積累大量環(huán)境數(shù)據(jù)指導(dǎo)同類產(chǎn)品的開發(fā)。近年來，越來越多的裝備由于使用方要求及自身設(shè)計(jì)要求，功率在不斷變大，易造成裝備的損壞及對(duì)周圍環(huán)境的影響，這就對(duì)裝備本身及系統(tǒng)的散熱功能提出了很高要求。由于裝備本身會(huì)產(chǎn)生大量的熱，若要正常使用，則需降低熱量對(duì)其產(chǎn)品的影響，但裝備本身不具備降低熱量的功能，這就需使用其他輔助設(shè)備或方法使其達(dá)到降低熱量的要求。輔助冷卻的設(shè)備和方法有很多，本文就其中的一些方法及在環(huán)境試驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行討論。

1 裝備冷卻的基本要素

裝備按照其類型及工作的環(huán)境不同，需使用的輔助冷卻的方法也不同，大致可分為以下2類。

1）自然冷卻：主要利用周圍環(huán)境（包括周圍空氣和輻射環(huán)境）直接消耗電子裝備中無用熱能的方法。例如由飛機(jī)結(jié)構(gòu)或飛機(jī)提供散熱裝置進(jìn)行傳導(dǎo)而冷卻裝備的方法。

2）強(qiáng)迫冷卻：利用飛機(jī)提供冷卻介質(zhì)冷卻裝備的方法，即利用外力迫使冷源流過裝備內(nèi)通路的方法帶走其熱量。例如冷卻系統(tǒng)提供足夠壓力的氣體或液體流過電子設(shè)備以實(shí)現(xiàn)散熱，包括環(huán)控通風(fēng)冷卻、液體冷卻等方式。

1.1 環(huán)控通風(fēng)冷卻基本條件

環(huán)控通風(fēng)冷卻就是提供最佳入口溫度、足夠壓力的風(fēng)量流過裝備的某一單元以實(shí)現(xiàn)散熱的功能。

1）冷卻介質(zhì)的溫度應(yīng)按以下方式確定：規(guī)定的冷卻介質(zhì)的最高入口溫度；規(guī)定的冷卻介質(zhì)的最低入口溫度；冷卻介質(zhì)的最佳入口溫度。

2）冷卻介質(zhì)需要的流量應(yīng)同時(shí)滿足以下條件：關(guān)鍵器件工作不超過最高允許溫度；冷卻介質(zhì)入口溫度為額定值。

3）冷卻介質(zhì)的濕度。應(yīng)該使用經(jīng)過凈化、不含游離水的空氣冷源。

4）冷卻介質(zhì)的清潔度。應(yīng)使用經(jīng)過干燥凈化系統(tǒng)潔凈后的壓縮空氣。

對(duì)于電子裝備通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，通用規(guī)范要求：

1）裝備處于正常通風(fēng)條件下（圖1中曲線A），冷卻空氣溫度為–55~50 ℃，供氣流量不高于曲線A的規(guī)定時(shí)，必須能夠正常工作。

2）裝備處于應(yīng)急工作條件下（圖1中曲線B），裝備應(yīng)在30 min的工作周期及結(jié)束后，在環(huán)境溫度為95 ℃和曲線B所示的冷卻空氣流量下能滿足規(guī)定的性能。

圖1 冷卻空氣流量與溫度要求 Fig.1 Cooling air flow and temperature requirements

可以看出，規(guī)范中對(duì)于機(jī)載電子裝備通風(fēng)的冷卻空氣溫度以及通風(fēng)量都做了明確要求。在環(huán)境溫度不能夠滿足特定要求的情況下，可選用室溫或可控制的溫度條件進(jìn)行選取。

如某型裝備在實(shí)際試驗(yàn)及使用過程中需要環(huán)控通風(fēng)或自然冷卻，冷卻的參數(shù)為：

式中：為公斤流量，kg/h；為發(fā)熱功率，kW；為出口風(fēng)溫，℃；–入口風(fēng)溫，℃。

發(fā)熱功率在不同輸入電壓下的滿載輸出功率不同。取70 ℃，高空（≥9 km）條件下，入口風(fēng)溫為–18 ℃；低空（<9 km）條件下，入口風(fēng)溫為4 ℃。根據(jù)要求和限定條件，裝備在不同工況下的通風(fēng)流量情況見表1。

表1 不同工況下的通風(fēng)流量 Tab.1 Ventilation flow under different operating conditions

在無法保證入口風(fēng)溫的情況下，按實(shí)際環(huán)境溫度計(jì)算通風(fēng)流量；在無法保證通風(fēng)流量時(shí)，通風(fēng)流量范圍控制在20~28 kg/h。

從實(shí)例中可看到，裝備實(shí)際使用可能不僅局限于地面條件下，可能還會(huì)處于低空或高空的條件下，在考慮風(fēng)量時(shí)就要考慮高度壓力對(duì)裝備通風(fēng)量產(chǎn)生的影響。

1.2 環(huán)控通風(fēng)冷卻接口

裝備在實(shí)際試驗(yàn)過程中需要按圖2的接口形式將環(huán)控通風(fēng)冷卻裝備與環(huán)控系統(tǒng)通風(fēng)管路進(jìn)行連接，可使用螺紋連接、快速壓接、軟管連接和柔性連接器等接口方式進(jìn)行連接，保證試驗(yàn)設(shè)備正常供風(fēng)，滿足試驗(yàn)要求，實(shí)際安裝圖例見圖3。

圖2 設(shè)備通風(fēng)路徑 Fig.2 Schematic diagram of the ventilation path of the equipment

圖3 連接方式 Fig.3 Schematic diagram of connection: a) threaded connection; b) quick crimping; c) hose connection;d) flexible connection

螺紋連接方式：螺紋連接方式用于安裝在操作空間較大的情況，裝備安裝架或端面伸出外螺紋接管嘴。此連接方式要求裝備自身的通風(fēng)接口或安裝支架帶有螺紋接口，使用范圍受限。

快速壓接方式：快速壓接方式適用于操作空間受限的情況。裝備支架端面伸出一段短管，環(huán)控通風(fēng)端為一個(gè)槽型法蘭盤，內(nèi)部使用密封用的海綿橡膠板，裝備接口管與環(huán)控法蘭盤內(nèi)密封板的壓接尺寸≥1.5 mm。此連接方式由于受裝備伸出短管與通風(fēng)端法蘭盤的尺寸限制，無法保證通風(fēng)過程中的風(fēng)量不會(huì)泄漏，存在風(fēng)量不足的風(fēng)險(xiǎn)。

軟管連接方式：軟管連接方式適用于帶減震或者輕微運(yùn)動(dòng)的裝備，也可適用于安裝位置誤差較大的裝備。環(huán)控通風(fēng)使用軟管具有空間補(bǔ)償?shù)淖饔?。裝備端面伸出一段短管，與環(huán)控系統(tǒng)連接，連接好后，使用卡箍卡緊。軟管連接可以保證裝備的運(yùn)動(dòng)范圍不受限制，但僅限于輕微的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)幅度較大時(shí)，卡箍連接的部位可能會(huì)發(fā)生斷裂或脫落。

柔性連接器：柔性連接器用于有一定的操作空間，需要安裝誤差補(bǔ)償?shù)碾娮友b備。此連接方式安裝的誤差較大。

從圖3中可看到，具體的不同接口方式具有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，可依據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行選擇。應(yīng)全面考慮裝備自身的結(jié)構(gòu)、特性及使用效果的問題，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)大多選用軟管連接方式。

1.3 裝備液體冷卻要求

1）正常供液。液冷系統(tǒng)的供液流量≤2.5 L/min、供液壓力≤1.6 MPa（絕壓）條件下：供液溫度在–40~35 ℃時(shí)，液冷裝備須正常工作；供液溫度在35~ 50 ℃以及短時(shí)（10 min）60 ℃時(shí)，液冷裝備應(yīng)能正常工作。

2）冷卻液。使用液冷裝備的冷卻液可采用改進(jìn)后的某號(hào)航空冷卻液。

3）結(jié)構(gòu)要求。使用液冷的裝備在設(shè)計(jì)時(shí)需要采用冷板或散熱器，以防止內(nèi)部器件與冷卻液的直接接觸。

4）接口要求。使用液冷的裝備在與環(huán)控系統(tǒng)液冷管路連接時(shí)，管路的接口形式應(yīng)采用自密封式的連接方式；對(duì)于維護(hù)時(shí)不需要拆卸冷板的裝備，應(yīng)采用螺紋連接方式。液冷裝備的進(jìn)、出液端口需有明顯的標(biāo)識(shí)以及防差錯(cuò)設(shè)計(jì)，見圖4。

圖4 設(shè)備液冷安裝示意圖 Fig.4 Schematic diagram of the installation of liquid cooling of the equipment

5）泄漏量。液冷裝備不允許泄漏。

綜上所述，使用液體冷卻的裝備，在設(shè)計(jì)初期就須考慮防止液體與內(nèi)部器件直接接觸的有效方法，以免造成內(nèi)部器件的損壞。裝備還須有一個(gè)完整的液體回路，保證冷卻液流過裝備后能夠達(dá)到冷卻的效果。

2 裝備冷卻的方法應(yīng)用

2.1 裝備實(shí)際冷卻方式實(shí)例

1）帶通風(fēng)管的裝備。裝備自身設(shè)計(jì)包含通風(fēng)腔體，使用過程中，通過環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)給裝備內(nèi)部施加一定風(fēng)量，使裝備內(nèi)部的熱量能夠通過隔熱腔體散發(fā)出來，降低裝備的溫度，見圖5。圖5中包含通過安裝支架連接伸出口的短管與通風(fēng)設(shè)備連接的方式、裝備自身進(jìn)風(fēng)口采用螺紋連接的方式，以實(shí)現(xiàn)環(huán)控通風(fēng)冷卻的功能。這與裝備在機(jī)上實(shí)際的安裝位置以及所提供的通風(fēng)設(shè)備有關(guān)。實(shí)驗(yàn)室若只有軟管連接方法，那么螺紋連接的裝備就需要專門制作一個(gè)工裝用于連接產(chǎn)品和通風(fēng)設(shè)備，以起到冷卻的效果。

圖5 裝備內(nèi)部通風(fēng)腔體 Fig.5 Equipped with an internal ventilation chamber

2）使用液體冷卻的裝備。部分裝備在使用過程中需要通過冷卻液或航空液壓油進(jìn)行冷卻，以達(dá)到裝備降溫的要求，見圖6。從圖6中可以看到，使用液體冷卻的裝備本身就需要有液體進(jìn)、出口設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)液體的循環(huán)過程。通過外部裝置，調(diào)節(jié)液體流進(jìn)裝備的流量壓力，以實(shí)現(xiàn)冷卻的功能。此種冷卻方式，對(duì)冷卻液的清潔度有很高的要求，使用的費(fèi)用較高，因此使用的范圍也受到限制。

圖6 使用冷卻液的裝備 Fig.6 Equipment with coolant

3）其他的冷卻方式。部分裝備在地面工作時(shí)，采用通風(fēng)冷卻的方法以達(dá)到降溫效果，但在高空條件下，由于密封要求，則需要采用液氮對(duì)裝備進(jìn)行降溫。還有部分裝備本身帶有通風(fēng)接口，但在地面工作時(shí)，由于發(fā)熱量不大，自身的安裝結(jié)構(gòu)及內(nèi)部的小型風(fēng)扇就可以達(dá)到降溫的效果，產(chǎn)生的熱量不需要對(duì)其額外通風(fēng)降溫。但在機(jī)上使用時(shí)，由于安裝空間小、周圍散熱量差等問題，自身已無法實(shí)現(xiàn)降溫冷卻的功能，就需要使用特定的通風(fēng)系統(tǒng)，利用裝備自帶的通風(fēng)接口給設(shè)備送風(fēng)，以達(dá)到降溫的效果，見圖7。

圖7 帶通風(fēng)口的裝備 Fig.7 Equipment with vents

2.2 常見的裝備冷卻方式及可能遇到的問題

1）通風(fēng)濕度的影響。裝備采用環(huán)控通風(fēng)冷卻方式時(shí)，需要嚴(yán)格控制通風(fēng)的空氣濕度。某型裝備在機(jī)上安裝時(shí)，由于未對(duì)通風(fēng)的濕度進(jìn)行控制，流過裝備通風(fēng)管路的空氣濕度較高，導(dǎo)致通風(fēng)管路內(nèi)部積水，從而造成裝備內(nèi)部元器件損壞。

2）通風(fēng)設(shè)備空氣流向的影響。裝備在試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)箱本身內(nèi)部空氣需要循環(huán)，流出裝備的空氣可能會(huì)使試驗(yàn)箱內(nèi)的循環(huán)系統(tǒng)紊亂，影響試驗(yàn)箱內(nèi)部溫度場(chǎng)的穩(wěn)定性，造成過試驗(yàn)或欠試驗(yàn)。

3）冷卻液的影響。裝備采用液冷的冷卻方式時(shí)，需要控制流入液體的清潔度，及裝備的密封性。裝備液冷使用的冷卻液清潔度不符合要求，會(huì)導(dǎo)致裝備內(nèi)部腔體的腐蝕和損壞。裝備的密封性不好也會(huì)使冷卻液直接與內(nèi)部器件接觸，造成器件的損壞。

2.3 常見的冷卻設(shè)備

1）風(fēng)冷設(shè)備。裝備通過風(fēng)冷設(shè)備進(jìn)行散熱降溫， 對(duì)流入裝備的空氣溫度、流量、濕度等都有嚴(yán)格的要求，這就對(duì)實(shí)現(xiàn)環(huán)控通風(fēng)的設(shè)備提出了更高的要求。目前國內(nèi)具備環(huán)控通風(fēng)試驗(yàn)設(shè)備的單位只有幾家：中國航空綜合技術(shù)研究所、中國電子科技集團(tuán)第十研究所、工業(yè)和信息化部電子第五研究所和貴陽航空電機(jī)有限公司。除貴陽航空電機(jī)有限公司使用的環(huán)控通風(fēng)設(shè)備是由北京衛(wèi)星研究所設(shè)計(jì)制作的環(huán)控通風(fēng)設(shè)備以外，其余幾家所使用的都是有各單位自主設(shè)計(jì)制作的環(huán)控通風(fēng)設(shè)備，設(shè)備的溫度、流量控制單元均有所不同。

2）液冷設(shè)備。使用液體冷卻的設(shè)備需要保證冷卻液符合標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)備的密封性完好，因此可由裝備承制單位自主設(shè)計(jì)制作。

3 裝備冷卻對(duì)環(huán)境試驗(yàn)的影響及實(shí)例

使用環(huán)控通風(fēng)進(jìn)行冷卻的裝備，在進(jìn)行溫度環(huán)境試驗(yàn)的過程中，空氣從裝備的一側(cè)流入，從另外一側(cè)流出，流出的空氣散流到試驗(yàn)箱內(nèi)。由于試驗(yàn)箱內(nèi)部本身具有空氣循環(huán)，因此流入箱內(nèi)的冷卻空氣可能會(huì)影響箱內(nèi)空氣的穩(wěn)定性和均勻性。這就要求裝備在進(jìn)行溫度環(huán)境試驗(yàn)的過程中，裝備冷卻空氣的流向須與試驗(yàn)箱的回風(fēng)方向一致，且試驗(yàn)箱須具備較大的功率，以保證箱內(nèi)溫度場(chǎng)的穩(wěn)定性，確保流入的冷卻空氣不會(huì)影響整個(gè)試驗(yàn)的完整性和真實(shí)性。同樣，在高空條件下對(duì)設(shè)備內(nèi)部穩(wěn)定性控制的要求就更大。有些裝備在高空條件下則使用液氮，通過密封的管路以達(dá)到降溫要求。

某型產(chǎn)品在進(jìn)行溫度–濕度–高度試驗(yàn)的過程中，產(chǎn)品要求在溫度–濕度–高度條件下進(jìn)行通風(fēng)。實(shí)際試驗(yàn)過程中，產(chǎn)品處于正常工作狀態(tài)，但試驗(yàn)設(shè)備卻在試驗(yàn)過程中通風(fēng)中斷，而操作員并未發(fā)現(xiàn)此問題的發(fā)生，產(chǎn)品處于無通風(fēng)冷卻的狀態(tài)下工作，導(dǎo)致產(chǎn)品熱量不斷增加，造成產(chǎn)品內(nèi)部變壓器等多個(gè)器件損壞。因此，在進(jìn)行試驗(yàn)的過程中，環(huán)控通風(fēng)設(shè)備須在嚴(yán)格的監(jiān)控下使用，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，導(dǎo)致通風(fēng)量減少甚至停滯，會(huì)產(chǎn)生不可挽回的后果。由于裝備自身的大小、結(jié)構(gòu)、排風(fēng)方式不同，對(duì)所處的試驗(yàn)箱也有不同要求。建議裝備體積不要超過試驗(yàn)箱容積的1/3，居中擺放，裝備的出風(fēng)方向同試驗(yàn)箱的回風(fēng)方向一致。

不同的冷卻方式對(duì)于力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)的影響較小，在試驗(yàn)環(huán)境允許的條件下，主要在試驗(yàn)過程中保證接入裝備的管路不影響力學(xué)試驗(yàn)的真實(shí)性，不會(huì)增加裝備試驗(yàn)的負(fù)擔(dān)，影響裝備試驗(yàn)的結(jié)果。

某型電機(jī)產(chǎn)品在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的過程中，需要進(jìn)行性能測(cè)試，而在試驗(yàn)過程中，由于產(chǎn)品接入冷卻液的管路較長，未做好管路的固定，使得產(chǎn)品在振動(dòng)過程中，管路的擺動(dòng)加劇了對(duì)產(chǎn)品的不利影響，造成產(chǎn)品接口損壞，產(chǎn)生裂紋。因此，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)過程中，對(duì)接入裝備的管路必須固定，且保證同裝備的運(yùn)動(dòng)方向一致，減小運(yùn)動(dòng)過程對(duì)裝備產(chǎn)生的影響。使用環(huán)控通風(fēng)冷卻的裝備，建議采用軟管連接，并在軟管的連接處及管路中做好固定。

4 結(jié)語

通過以上內(nèi)容可以得知，不同的裝備由于空間、發(fā)熱量、結(jié)構(gòu)等因素，會(huì)選擇不同的冷卻方式及接口方式。在實(shí)際使用及試驗(yàn)過程中，需要試驗(yàn)人員合理選擇冷卻方式及試驗(yàn)設(shè)備，并對(duì)試驗(yàn)過程中的冷卻設(shè)備做好防護(hù)要求，保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，以達(dá)到裝備穩(wěn)定工作的要求。