装备外部冷却方法及在环境试验中的应用概述

魏晶，杨龙，杨安群，李海凤

（贵阳航空电机有限公司，贵阳 550009）

机载电子装备（以下简称装备）环境试验是贯穿装备研制、定型、生产、使用过程中必不可少的一项工作，对装备环境适应性的评价越来越受到人们的重视，在装备研制、生产及使用等各阶段都将环境适应性作为考核项目。装备自然环境试验是装备环境适应性评价的重要方法，是评价装备综合工作性能和预测使用寿命等任务的重要手段，此外还能积累大量环境数据指导同类产品的开发。近年来，越来越多的装备由于使用方要求及自身设计要求，功率在不断变大，易造成装备的损坏及对周围环境的影响，这就对装备本身及系统的散热功能提出了很高要求。由于装备本身会产生大量的热，若要正常使用，则需降低热量对其产品的影响，但装备本身不具备降低热量的功能，这就需使用其他辅助设备或方法使其达到降低热量的要求。辅助冷却的设备和方法有很多，本文就其中的一些方法及在环境试验中的应用进行讨论。

1 装备冷却的基本要素

装备按照其类型及工作的环境不同，需使用的辅助冷却的方法也不同，大致可分为以下2类。

1）自然冷却：主要利用周围环境（包括周围空气和辐射环境）直接消耗电子装备中无用热能的方法。例如由飞机结构或飞机提供散热装置进行传导而冷却装备的方法。

2）强迫冷却：利用飞机提供冷却介质冷却装备的方法，即利用外力迫使冷源流过装备内通路的方法带走其热量。例如冷却系统提供足够压力的气体或液体流过电子设备以实现散热，包括环控通风冷却、液体冷却等方式。

1.1 环控通风冷却基本条件

环控通风冷却就是提供最佳入口温度、足够压力的风量流过装备的某一单元以实现散热的功能。

1）冷却介质的温度应按以下方式确定：规定的冷却介质的最高入口温度；规定的冷却介质的最低入口温度；冷却介质的最佳入口温度。

2）冷却介质需要的流量应同时满足以下条件：关键器件工作不超过最高允许温度；冷却介质入口温度为额定值。

3）冷却介质的湿度。应该使用经过净化、不含游离水的空气冷源。

4）冷却介质的清洁度。应使用经过干燥净化系统洁净后的压缩空气。

对于电子装备通风冷却系统，通用规范要求：

1）装备处于正常通风条件下（图1中曲线A），冷却空气温度为–55~50 ℃，供气流量不高于曲线A的规定时，必须能够正常工作。

2）装备处于应急工作条件下（图1中曲线B），装备应在30 min的工作周期及结束后，在环境温度为95 ℃和曲线B所示的冷却空气流量下能满足规定的性能。

图1 冷却空气流量与温度要求 Fig.1 Cooling air flow and temperature requirements

可以看出，规范中对于机载电子装备通风的冷却空气温度以及通风量都做了明确要求。在环境温度不能够满足特定要求的情况下，可选用室温或可控制的温度条件进行选取。

如某型装备在实际试验及使用过程中需要环控通风或自然冷却，冷却的参数为：

式中：为公斤流量，kg/h；为发热功率，kW；为出口风温，℃；–入口风温，℃。

发热功率在不同输入电压下的满载输出功率不同。取70 ℃，高空（≥9 km）条件下，入口风温为–18 ℃；低空（<9 km）条件下，入口风温为4 ℃。根据要求和限定条件，装备在不同工况下的通风流量情况见表1。

表1 不同工况下的通风流量 Tab.1 Ventilation flow under different operating conditions

在无法保证入口风温的情况下，按实际环境温度计算通风流量；在无法保证通风流量时，通风流量范围控制在20~28 kg/h。

从实例中可看到，装备实际使用可能不仅局限于地面条件下，可能还会处于低空或高空的条件下，在考虑风量时就要考虑高度压力对装备通风量产生的影响。

1.2 环控通风冷却接口

装备在实际试验过程中需要按图2的接口形式将环控通风冷却装备与环控系统通风管路进行连接，可使用螺纹连接、快速压接、软管连接和柔性连接器等接口方式进行连接，保证试验设备正常供风，满足试验要求，实际安装图例见图3。

图2 设备通风路径 Fig.2 Schematic diagram of the ventilation path of the equipment

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

螺纹连接方式：螺纹连接方式用于安装在操作空间较大的情况，装备安装架或端面伸出外螺纹接管嘴。此连接方式要求装备自身的通风接口或安装支架带有螺纹接口，使用范围受限。

快速压接方式：快速压接方式适用于操作空间受限的情况。装备支架端面伸出一段短管，环控通风端为一个槽型法兰盘，内部使用密封用的海绵橡胶板，装备接口管与环控法兰盘内密封板的压接尺寸≥1.5 mm。此连接方式由于受装备伸出短管与通风端法兰盘的尺寸限制，无法保证通风过程中的风量不会泄漏，存在风量不足的风险。

软管连接方式：软管连接方式适用于带减震或者轻微运动的装备，也可适用于安装位置误差较大的装备。环控通风使用软管具有空间补偿的作用。装备端面伸出一段短管，与环控系统连接，连接好后，使用卡箍卡紧。软管连接可以保证装备的运动范围不受限制，但仅限于轻微的运动。当运动幅度较大时，卡箍连接的部位可能会发生断裂或脱落。

柔性连接器：柔性连接器用于有一定的操作空间，需要安装误差补偿的电子装备。此连接方式安装的误差较大。

从图3中可看到，具体的不同接口方式具有各自的优势和局限性。在实际的设计过程中，可依据实际应用场合进行选择。应全面考虑装备自身的结构、特性及使用效果的问题，实验室试验大多选用软管连接方式。

1.3 装备液体冷却要求

1）正常供液。液冷系统的供液流量≤2.5 L/min、供液压力≤1.6 MPa（绝压）条件下：供液温度在–40~35 ℃时，液冷装备须正常工作；供液温度在35~ 50 ℃以及短时（10 min）60 ℃时，液冷装备应能正常工作。

2）冷却液。使用液冷装备的冷却液可采用改进后的某号航空冷却液。

3）结构要求。使用液冷的装备在设计时需要采用冷板或散热器，以防止内部器件与冷却液的直接接触。

4）接口要求。使用液冷的装备在与环控系统液冷管路连接时，管路的接口形式应采用自密封式的连接方式；对于维护时不需要拆卸冷板的装备，应采用螺纹连接方式。液冷装备的进、出液端口需有明显的标识以及防差错设计，见图4。

图4 设备液冷安装示意图 Fig.4 Schematic diagram of the installation of liquid cooling of the equipment

5）泄漏量。液冷装备不允许泄漏。

综上所述，使用液体冷却的装备，在设计初期就须考虑防止液体与内部器件直接接触的有效方法，以免造成内部器件的损坏。装备还须有一个完整的液体回路，保证冷却液流过装备后能够达到冷却的效果。

2 装备冷却的方法应用

2.1 装备实际冷却方式实例

1）带通风管的装备。装备自身设计包含通风腔体，使用过程中，通过环控通风系统给装备内部施加一定风量，使装备内部的热量能够通过隔热腔体散发出来，降低装备的温度，见图5。图5中包含通过安装支架连接伸出口的短管与通风设备连接的方式、装备自身进风口采用螺纹连接的方式，以实现环控通风冷却的功能。这与装备在机上实际的安装位置以及所提供的通风设备有关。实验室若只有软管连接方法，那么螺纹连接的装备就需要专门制作一个工装用于连接产品和通风设备，以起到冷却的效果。

图5 装备内部通风腔体 Fig.5 Equipped with an internal ventilation chamber

2）使用液体冷却的装备。部分装备在使用过程中需要通过冷却液或航空液压油进行冷却，以达到装备降温的要求，见图6。从图6中可以看到，使用液体冷却的装备本身就需要有液体进、出口设置，以实现液体的循环过程。通过外部装置，调节液体流进装备的流量压力，以实现冷却的功能。此种冷却方式，对冷却液的清洁度有很高的要求，使用的费用较高，因此使用的范围也受到限制。

图6 使用冷却液的装备 Fig.6 Equipment with coolant

3）其他的冷却方式。部分装备在地面工作时，采用通风冷却的方法以达到降温效果，但在高空条件下，由于密封要求，则需要采用液氮对装备进行降温。还有部分装备本身带有通风接口，但在地面工作时，由于发热量不大，自身的安装结构及内部的小型风扇就可以达到降温的效果，产生的热量不需要对其额外通风降温。但在机上使用时，由于安装空间小、周围散热量差等问题，自身已无法实现降温冷却的功能，就需要使用特定的通风系统，利用装备自带的通风接口给设备送风，以达到降温的效果，见图7。

图7 带通风口的装备 Fig.7 Equipment with vents

2.2 常见的装备冷却方式及可能遇到的问题

1）通风湿度的影响。装备采用环控通风冷却方式时，需要严格控制通风的空气湿度。某型装备在机上安装时，由于未对通风的湿度进行控制，流过装备通风管路的空气湿度较高，导致通风管路内部积水，从而造成装备内部元器件损坏。

2）通风设备空气流向的影响。装备在试验箱内进行环境试验时，由于试验箱本身内部空气需要循环，流出装备的空气可能会使试验箱内的循环系统紊乱，影响试验箱内部温度场的稳定性，造成过试验或欠试验。

3）冷却液的影响。装备采用液冷的冷却方式时，需要控制流入液体的清洁度，及装备的密封性。装备液冷使用的冷却液清洁度不符合要求，会导致装备内部腔体的腐蚀和损坏。装备的密封性不好也会使冷却液直接与内部器件接触，造成器件的损坏。

2.3 常见的冷却设备

1）风冷设备。装备通过风冷设备进行散热降温， 对流入装备的空气温度、流量、湿度等都有严格的要求，这就对实现环控通风的设备提出了更高的要求。目前国内具备环控通风试验设备的单位只有几家：中国航空综合技术研究所、中国电子科技集团第十研究所、工业和信息化部电子第五研究所和贵阳航空电机有限公司。除贵阳航空电机有限公司使用的环控通风设备是由北京卫星研究所设计制作的环控通风设备以外，其余几家所使用的都是有各单位自主设计制作的环控通风设备，设备的温度、流量控制单元均有所不同。

2）液冷设备。使用液体冷却的设备需要保证冷却液符合标准要求，设备的密封性完好，因此可由装备承制单位自主设计制作。

3 装备冷却对环境试验的影响及实例

使用环控通风进行冷却的装备，在进行温度环境试验的过程中，空气从装备的一侧流入，从另外一侧流出，流出的空气散流到试验箱内。由于试验箱内部本身具有空气循环，因此流入箱内的冷却空气可能会影响箱内空气的稳定性和均匀性。这就要求装备在进行温度环境试验的过程中，装备冷却空气的流向须与试验箱的回风方向一致，且试验箱须具备较大的功率，以保证箱内温度场的稳定性，确保流入的冷却空气不会影响整个试验的完整性和真实性。同样，在高空条件下对设备内部稳定性控制的要求就更大。有些装备在高空条件下则使用液氮，通过密封的管路以达到降温要求。

某型产品在进行温度–湿度–高度试验的过程中，产品要求在温度–湿度–高度条件下进行通风。实际试验过程中，产品处于正常工作状态，但试验设备却在试验过程中通风中断，而操作员并未发现此问题的发生，产品处于无通风冷却的状态下工作，导致产品热量不断增加，造成产品内部变压器等多个器件损坏。因此，在进行试验的过程中，环控通风设备须在严格的监控下使用，一旦设备出现故障，导致通风量减少甚至停滞，会产生不可挽回的后果。由于装备自身的大小、结构、排风方式不同，对所处的试验箱也有不同要求。建议装备体积不要超过试验箱容积的1/3，居中摆放，装备的出风方向同试验箱的回风方向一致。

不同的冷却方式对于力学环境试验的影响较小，在试验环境允许的条件下，主要在试验过程中保证接入装备的管路不影响力学试验的真实性，不会增加装备试验的负担，影响装备试验的结果。

某型电机产品在进行振动试验的过程中，需要进行性能测试，而在试验过程中，由于产品接入冷却液的管路较长，未做好管路的固定，使得产品在振动过程中，管路的摆动加剧了对产品的不利影响，造成产品接口损坏，产生裂纹。因此，在实验室进行力学试验过程中，对接入装备的管路必须固定，且保证同装备的运动方向一致，减小运动过程对装备产生的影响。使用环控通风冷却的装备，建议采用软管连接，并在软管的连接处及管路中做好固定。

4 结语

通过以上内容可以得知，不同的装备由于空间、发热量、结构等因素，会选择不同的冷却方式及接口方式。在实际使用及试验过程中，需要试验人员合理选择冷却方式及试验设备，并对试验过程中的冷却设备做好防护要求，保证试验的准确性和真实性，以达到装备稳定工作的要求。