基于蒙皮换热器的无人机电子设备冷却方案分析

曹仁凤，晏 涛，周君慧，张兴娟，李静洪

(1. 北京航空航天大学航空科学与工程学院， 北京 100191；2. 成都飞机工业(集团)有限责任公司， 四川 成都 610092)

基于蒙皮换热器的无人机电子设备冷却方案分析

曹仁凤1，晏 涛2，周君慧2，张兴娟1，李静洪2

(1. 北京航空航天大学航空科学与工程学院， 北京 100191；2. 成都飞机工业(集团)有限责任公司， 四川 成都 610092)

针对无人机应用中日益突出的电子设备发热问题，提出了一种基于蒙皮换热器的无人机电子设备冷却方案。根据设计需求确定了各主要部件的温度要求及换热器效率要求，并对系统进行了试验验证。文中提出的电子设备冷却方案属液体冷却方式，电子设备的发热量可以通过蒙皮换热器传递给舱外冲压空气热沉。通过合理的等效换热测量方法设计的地面性能试验考查了系统运行时各部分温度、换热器的换热量及系统能效比。试验结果表明，该方案有效可行，能够满足较大发热功率的无人机电子设备的冷却需求，具有广泛的应用价值。

电子设备；冷却方案；蒙皮换热器；液冷

引 言

近年来，无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)的使用范围已逐步拓展至军事、民用和科研三大领域，性能各异、技术先进的新型机种不断涌现[1]。无人机功能的日益强大，得益于不断发展的人工智能和通信等电子技术[2]，因而对电子设备的需求日益提高。电子设备的集成化和小型化，直接导致其热流密度不断增大。为保障无人机电子设备工作的安全可靠，必须为其提供合适的工作温度，采取有效的冷却散热措施，并进行合理的热分析和热设计。

根据目前公开的文献报道，应用于无人机电子设备的冷却方式按载冷介质的不同，主要分为空气冷却和液体冷却两大类。空气冷却方式是通过将舱外冷空气流引入电子设备舱内实现自然对流或强制对流，与电子设备进行热交换而实现的，具有结构简单、使用方便、成本低的优点。在吊舱电子设备冷却中常采用逆升压式空气循环制冷系统[3]，但对于功率大、热流密度高的电子设备，空气冷却方式并不能满足其散热要求[4]。此外，引入机外冲压空气作为冷源增加了飞机的阻力从而增加了性能代偿损失。于是具有更高冷却效率和稳定工作特性的液体冷却方式[4]越来越多地被应用于无人机环控系统，它通过将电子设备产生的热量传递给载冷剂来实现冷却，主要包括冷板冷却方式与喷雾冷却方式。冷板冷却方式使用的载冷剂通过换热器将电子设备的热量散失到外界环境中，喷雾冷却方式则是利用雾化后的载冷剂相变而产生的汽化潜热带走电子设备的热量[5]。

本文针对某型无人机搭载的电子设备，提出了一种简单可靠的液体冷却方案，并对系统进行了试验验证。方案中通过选用蒙皮换热器，可将机身热容量与蒙皮结合，对无人机的热隐身和气动性能也有积极作用[6]。该方案使得电子设备的发热量最终由载冷剂通过蒙皮换热器传递给舱外冲压空气。

1 方案原理

该无人机电子设备冷却方案的基本原理如图1所示。系统由液冷泵、冷板、蒙皮换热器、管路及载冷剂组成。系统运行时，载冷剂FC-770由液冷泵输出到安装电子设备的冷板中，经加热的载冷剂通过蒙皮换热器冷却降温后回到液冷泵入口完成一个液冷循环回路。

图1 冷却方案原理图

方案使用的蒙皮换热器属气-液换热器，采用板翅式换热结构，直接安装在机头部位，通过飞机前飞时的外掠流带走电子设备的热量。换热器的外形如图2所示，其外表面积为0.7 m2，详细设计过程可见文献[7]。

图2 蒙皮换热器外形图

2 方案分析

2.1 设计需求

冷却方案设计指标见表1。

表1 冷却方案设计指标

2.2 理论计算

根据以上设计指标，可确定系统各主要部位的温度要求，包括蒙皮换热器热边入口温度T1、热边出口温度T2，冷板入口温度T5。由设计指标可知T3=26 ℃，G1=14 L/min，T6≤53℃。忽略管路温降，近似认为T1=T6。

蒙皮换热器热侧换热量为

Qsk=ρG1Cp(T1-T2)

(1)

式中：ρ为载冷剂FC-770的密度，1 727 kg/m3；Cp为载冷剂FC-770的定压比热，1 077.75 J/(kg·K)。

由设计指标Qsk≥1 400 W、T1=T6≤53 ℃及式(1)可得，T1-T2≥3.22 ℃，则T2≤49.78 ℃。

忽略电子设备与外环境间的换热，电子设备发热量为

Qe=ρG1Cp(T6-T5)

(2)

由设计指标Qe=1 400 W、T6≤53 ℃及式(2)可得，T5≤49.78 ℃。

蒙皮换热器换热效率为

(3)

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

2.3 验证试验

根据课题组提出的蒙皮换热器等效换热测量方法，该方案验证试验原理图如图3所示。

图3 液冷方案试验原理图

冲压空气模拟支路由高压气源、阀门、流量计、涡轮、蒙皮换热器及其外侧通道和温度传感器等组成。试验时，采用高压气源模拟冲压空气。阀门1可调节冲压空气流量，阀门2可调节涡轮出口反压，以便获得试验所需的蒙皮换热器空气侧入口温度T3，由流量计G2测得冲压空气流量。

在蒙皮换热器热边回路中，载冷剂FC-770由液冷泵输送至冷板，经模拟热源加热后进入蒙皮换热器，再经冲压空气冷却后回到液冷泵。回路中载冷剂的流量由流量计G1测量，4个温度计分别记录蒙皮换热器热边进出口温度T1、T2和冷板进出口温度T5、T6。电子设备发热功率以实际加入到系统内的热量为准，通过式(2)计算获得。为保证试验效果，试验时所有管件均采取保温措施，试验数据均在系统达到热平衡后采集。

2.4 结果及分析

方案验证试验结果如表2所示。在电子设备发热功率为1 404.9 W的情况下，蒙皮换热器换热量达到1 412.3 W，大于指标要求的1 400 W。可以认为蒙皮换热器的换热性能达到了该电子设备冷却系统的设计要求，说明此冷却方案有效可行。

表2 冷却方案试验结果

方案中的蒙皮换热器为设计关键所在，载冷剂通过蒙皮换热器与外界大气换热，系统冷源实为舱外冲压空气。蒙皮换热器不仅实现了有效换热，还避免了由机身开口或发动机引气造成的飞机性能代偿损失。

试验同时也考查了液冷泵的性能。监测液冷泵的输入电压U、输入电流I，可得到液冷泵的输入功率。则定义液冷系统的COP(能效比)值为

(4)

忽略管路温降，液冷泵入口温度近似为T2，出口温度近似为T5。忽略液冷泵与外环境间的换热，其本身的发热量为

Qlc=ρG1Cp(T5-T2)

(5)

液冷泵的有效功率为

Pe=ρgHG1

(6)

式中：g为重力加速度，9.8 m/s2；H为液冷泵的扬程，42 m；则液冷泵的效率为

(7)

该液冷系统的COP值及液冷泵的性能如表3所示。

表3 系统COP值及液冷泵性能表

结果表明，液冷泵的效率及系统的能效比是比较可观的。

3 结束语

本文提出的无人机电子设备冷却方案可满足电子设备的冷却要求。根据无人机飞行包线可确定系统的基本设计需求，并进一步确定系统各部分的设计指标，指导部件设计。该方案原理简单、易实现，具有广泛的应用价值。实际应用中通过增大蒙皮换热器换热面积或增加其他换热器可满足更大发热功率电子设备的使用需求。虽然在国内蒙皮换热器的使用还受制于加工工艺可靠性等因素[6]，但因其高效性及对飞机整体性能的好处，该电子设备冷却方案将会得到越来越多的应用。本文的研究成果可为无人机电子设备热设计提供理论参考和技术储备，也可推广应用于其他机型的相关研究中。

[1] 龙威林. 无人机的发展与应用[J]. 产业与科技论坛, 2014, 13(8): 68-69.

[2] 冯琦, 周德云. 军用无人机发展趋势[J]. 电光与控制, 2003, 10(1): 9-13.

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[5] 张娅妮, 陈菲尔, 田沣. 机载电子设备冷却散热技术的发展[J]. 航空计算技术, 2012, 42(4): 113-116.

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[7] 徐鹏刚. 机载蒙皮换热器性能研究[D]. 北京: 北京航空航天大学, 2015.

[8] 杨世铭, 陶文铨. 传热学[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[9] 寿荣中, 何慧姗. 飞行器环境控制[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2004.

曹仁凤(1992-)，女，硕士，主要研究方向为人机与环境工程。

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