專利名稱:按具體情況通過單相或兩相冷卻對飛行器中的電子設備進行冷卻的制作方法
技術領域:
本發明涉及在正常操作期間借助于處于單相的冷卻劑并且在故障情況下借助于 可以同時具有氣相和液相的冷卻劑對飛行器中的電子設備進行冷卻。
背景技術:
在現有技術的飛行器的情況下,電子設備借助于空氣進行冷卻。如果飛行器處于 地面上,為了冷卻電子設備從機艙提取空氣,再將空氣返回到機艙。這需要風扇,而風扇會 招致大量噪聲負荷。進一步地,帶到機艙中的余熱會導致對機艙的不期望的加熱。在現有技術的冷卻設備的情況下,飛行期間空氣在電子設備與飛行器外殼熱交換 器之間流通。由于空氣僅能夠帶走相對少量的熱,因此需要大量的空氣、大的熱交換器表面 和大截面的風道。結果,增大了冷卻設備和電子設備的重量和空間需求。這會在飛行器的 安裝期間導致問題。向電子設備供應空氣和從電子設備移除空氣均需要相應的風扇。風扇 具有相對較高的電力消耗,這導致在地面上和在飛行期間的煤油消耗增大。進一步地,風扇 會引起振動和噪聲。在風扇之一損壞的情況下,電子設備必須被關閉,因為操作溫度過高的 情況下存在發生故障的風險。由于在電子設備被關閉時某些功能不再可用,因此飛行器的 安全性被削弱。JP 2001-010595提出了通過使用三個級聯的冷卻回路對電子設備進行冷卻。在第 一冷卻回路中,冷卻劑流過飛行器外殼熱交換器和第二冷卻回路的冷凝器。第二冷卻回路 通過壓縮、冷凝和蒸發來致冷。第二冷卻回路的蒸發器冷卻第三冷卻回路的熱交換器,該熱 交換器冷卻電子設備。這三個冷卻回路都借助于相應的泵設備而具有強制對流。在保證強 制對流的三個泵設備之一發生故障的情況下,電子設備不能再進行操作,因而飛行器的安 全性被削弱。
發明內容
本發明的目的是提供一種對飛行器中的電子設備的更可靠冷卻。在根據本發明的用于冷卻飛行器中的電子設備的方法中,冷卻劑在冷卻劑回路中 流通。電子設備借助于冷卻劑冷卻,并且在飛行器外殼熱交換器中,冷卻劑吸收的熱量散發 到外部環境中。冷卻劑在冷卻電子設備期間至少部分蒸發,并在飛行器外殼熱交換器中冷 凝。冷卻劑通過自然對流在冷卻劑回路中流通。本發明的優點在于不需要泵設備來保證強 制對流。這提高了飛行器的可靠性和安全性。進一步地,減小了飛行器的質量,這降低了煤 油消耗。進一步地,不需要冷藏機器或通風器,或大截面的風井。結果,減小了用于電子設 備的冷卻設備的質量和空間需求,并且簡化了飛行器的整合。在正常操作期間,冷卻劑可以永遠處于液相,并且通過強制對流在冷卻劑回路中 流通。在發生故障期間,冷卻劑在冷卻電子設備期間至少部分蒸發,并在飛行器外殼熱交換 器中冷凝,如先前所述。在發生故障的情況下,冷卻劑通過自然對流在冷卻劑回路中流通。4該故障可能是例如用于保證強制對流的泵設備發生故障。該故障還可以是對冷卻能力的需求增加。這種情況下,也可以額外提供強制對流。本實施例的優點在于,可以通過強制對流來控制冷卻能力,從而控制電子設備的 溫度。例如,可以以使電子設備周圍的空氣永遠處于露點以上的溫度和電子設備的溫度低 于故障溫度的方式來控制強制對流。即使在強制對應損壞的情況下,也可以保證電子設備 的冷卻。因此,在強制對應損壞的情況下,電子設備可以繼續操作,從而提高飛行器的安全 性。在正常操作期間,冷卻劑處于單相即液相。在發生故障的情況下,冷卻劑具有兩相 行為。冷卻劑可以在發生故障的情況下同時擁有液相和氣相。如果所述飛行器外殼熱交換器中的溫度超出第一閾值,則冷卻劑可以至少部分地 以旁路繞過所述飛行器外殼熱交換器。冷卻劑可以按具體情況在由其它冷卻系統冷卻的附 加熱交換器中進行冷卻。這在飛行器位于地面上和/或外部溫度相對高時是必要的。這種 情況下,飛行器外殼熱交換器不能對冷卻劑進行冷卻。其它冷卻系統可以是液體冷卻系統, 或者是通過壓縮、冷凝和蒸發進行冷卻的冷卻系統。第一閾值可以以這種方式選擇冷卻劑 在進入電子設備時具有可以保證電子設備的溫度安全地低于損壞溫度的溫度。第一閾值也 可以對應于從冷卻熱交換器出來的冷卻劑的實際溫度。如果飛行器外殼熱交換器的溫度低 于從冷卻熱交換器出來的冷卻劑的實際溫度,則冷卻劑流過飛行器外殼熱交換器,并且至 少部分地被冷卻。如果飛行器外殼熱交換器的溫度高于從冷卻熱交換器出來的冷卻劑的實 際溫度,則冷卻劑不會流過飛行器外殼熱交換器,因此不會在飛行器外殼熱交換器中被加 熱。在所有情況下,如果所述飛行器外殼熱交換器中的溫度和/或冷卻劑的溫度落到 對應的第二閾值之下,則冷卻劑可以至少部分地以旁路繞過所述飛行器外殼熱交換器。如 果飛行器處于高海拔,則外部溫度可以得到極低的值。由于冷卻劑至少部分地以旁路繞過 飛行器外殼熱交換器,因此可以保證電子設備周圍的溫度總是高于露點。結果,防止水在電 子設備中和/或上冷凝,這提高了電子設備的可靠性和壽命。因此,第二閾值可以被選擇為 使得電子設備周圍的空氣的溫度總是高于露點。本發明還涉及一種飛行器冷卻設備,包括適于借助于冷卻劑冷卻電子設備的冷卻 熱交換器和適于使冷卻劑冷卻的飛行器外殼熱交換器,其中所述冷卻熱交換器和所述飛行 器外殼熱交換器被布置在閉合冷卻劑回路中。冷卻劑在冷卻電子設備期間在冷卻熱交換器 中至少部分蒸發,并在飛行器外殼熱交換器中冷凝。冷卻劑通過自然對流在冷卻劑回路中 流通。可以使用例如冷卻劑(ialden,即由蘇威蘇萊克斯(Solvay Solexis)分銷的全氟醚軸 承潤滑脂,作為冷卻劑。進一步地,也可以使用丙烯乙二醇溶劑,也稱為縮寫PGW,作為冷卻 劑。該冷卻設備通過自然對流操作,因此不需要泵設備,從而得到緊湊并且自動防故障的飛 行器冷卻設備。為了保證自然對流,冷卻熱交換器與飛行器外殼熱交換器之間的管道可以 被設置為具有較大直徑的尺寸。由于冷卻劑可以同時以氣相態和液相態存在,因此冷卻劑 充當兩相冷卻劑。飛行器冷卻設備可以具有泵設備,泵設備在正常操作期間使冷卻劑在冷卻劑回路 中流通。飛行器冷卻設備可以適于在正常操作期間使得液體冷卻劑永遠處于液相,并且由 于泵而通過強制對流在冷卻劑回路中流通。在發生故障的情況下,冷卻劑在冷卻電子設備期間在冷卻熱交換器中至少部分地蒸發,并在飛行器外殼熱交換器中冷凝。在發生故障的 情況下,冷卻劑通過自然對流在冷卻劑回路中流通。如先前所述,在該實施例的情況下,尤 其容易保證電子設備周圍的空氣溫度永遠高于露點,從而提高了電子設備的可靠性和壽 命,因此提高了飛行器的安全性和可靠性。飛行器冷卻設備可以進一步具有飛行器外殼熱交換器旁路閥,其于在飛行器外殼 熱交換器中的溫度超出第一閾值的情況下使冷卻劑至少部分以旁路繞過所述飛行器外殼 熱交換器。飛行器冷卻設備可以具有附加熱交換器,其由附加冷卻系統按具體情況冷卻,其 中所述附加熱交換器適于使得冷卻劑回路的冷卻劑在所述附加熱交換器被所述附加冷卻 系統冷卻的情況下在所述附加熱交換器中冷卻。如先前所述,例如在飛行器位于地面上時, 外部溫度可以具有高值。在這種情況下,飛行器外殼熱交換器可能不再能將冷卻劑冷卻到 使電子設備的溫度總是低于損壞溫度的程度。這種情況下,冷卻劑被由附加冷卻系統冷卻 的附加熱交換器進行部分冷卻或完全冷卻。附加冷卻系統可以是例如所謂冷總線的液體冷 卻系統,或者具有壓縮、冷凝和蒸發的循環。第一閾值可以被選擇使得,保證冷卻劑在進入 冷卻熱交換器時具有可以保證電子設備的溫度總是低于損壞溫度的溫度。如果飛行器外殼 熱交換器的溫度高于從冷卻熱交換器出來的冷卻劑的溫度,則飛行器外殼熱交換器旁路閥 也可以打開。飛行器外殼熱交換器旁路閥可以被實現為,在所有情況下,在飛行器外殼熱交換 器的溫度和/或冷卻劑的溫度降對應的第二閾值之下的情況下,使冷卻劑至少部分以旁路 繞過飛行器外殼熱交換器。因此可以保證電子設備周圍的溫度總是高于露點,從而提高了 電子設備的可靠性和壽命,因而提高了飛行器的安全性。所以,第二閾值可以被選擇為使得 電子設備周圍的空氣具有高于露點的溫度。可以理解,作為具有兩個閾值的飛行器外殼熱 交換器旁路閥的替代,可以提供兩個各自響應一個閾值的飛行器外殼熱交換器旁路閥。飛行器冷卻設備可以具有泵設備旁路閥,其適于在所述泵設備發生故障的情況下 使冷卻劑以旁路繞過所述泵設備。泵設備旁路閥可以并聯連接至泵設備。泵設備旁路閥可 以具有彈簧,其在預設壓力差下打開所述閥。冷卻劑適于在發生故障的情況下以比電子設備周圍的空氣的露點高的溫度在冷 卻熱交換器中蒸發。飛行器冷卻設備可以適于在發生故障的情況下使得電子設備由于冷卻 劑在冷卻熱交換器中的蒸發而具有低于電子設備的損壞溫度的溫度。泵設備可以在冷卻劑流動方向上布置在飛行器外殼熱交換器之后、附加熱交換器 之前。冷卻熱交換器在冷卻劑流動方向上位于附加熱交換器之后。可以存在用于補償冷卻 劑的熱膨脹和/或在泄漏的情況下補充冷卻劑的貯液器。本發明還涉及冗余飛行器電子冷卻系統,其具有多個先前所述的飛行器冷卻設 備,其中所述多個飛行器冷卻設備適于冷卻同一電子設備。結果,特別地實現了電子設備的 自動防故障冷卻,從而進一步提高了飛行器的安全性。
現在參考附圖來解釋本發明,附圖是根據本發明的飛行器冷卻設備的示意圖。具體實施例方式飛行器11具有電子設備2。電子設備2可以例如與多個電子設備2 —起位于開關 設備(SWtichgear)機艙(未示出)中。開關設備2熱耦接至冷卻熱交換器3。這種熱耦 接可以借助于氣體、液體或機械連接來實現。冷卻熱交換器3連接至供應管道10,供應管 道10向冷卻熱交換器3供應液體冷卻劑。所供應的冷卻劑由于之前描述的熱耦接而使電 子設備2冷卻。在正常操作期間,冷卻劑作為液體冷卻劑進入輸出管道1,并且作為液體冷 卻劑被供應給飛行器外殼熱交換器7。冷卻劑在飛行器外殼熱交換器7中受到冷卻,其中 熱量從中移除,并且輸出到飛行器的環境中,因此。從飛行器外殼熱交換器7出來的冷卻劑 進入泵設備4,泵設備4將冷卻劑經由附加熱交換器7和供應管道10送回冷卻熱交換器3。 冷卻劑由此穿過閉合回路。在正常操作期間,即如果泵設備4運行,則冷卻劑永遠處于閉合流通環路中。冷卻 劑剛進入冷卻熱交換器時的溫度可以通過設置泵功率來容易地特別設置,因此電子設備的 溫度也可以通過設置泵功率來容易地特別設置。電子設備2的溫度優選地具有使圍繞電子 設備2的空氣的溫度一直高于露點的值。進一步地,電子設備2的溫度必須低于損壞溫度。如先前所提及的,在冷卻回路中存在附加熱交換器6。如果飛行器11在地面上,則 外部溫度會高到使飛行器外殼熱交換器7無法從冷卻劑移除任何熱量,也不能移除充足的 熱量。這種情況下,冷卻劑在附加熱交換器6中部分或完全冷卻,并且至少部分無法流過飛 行器外殼熱交換器7。附加熱交換器6可以借助于例如所謂冷總線(cold bus)的液體冷 卻系統或者借助于具有壓縮、冷凝和蒸發循環的冷卻系統來冷卻。如果外部空氣的溫度和 /或從飛行器外殼熱交換器7出來之后的冷卻劑的溫度高于閾值,則附加冷卻劑供應12發 揮作用。因此,在地面上也可以保證電子設備2的冷卻。在外部溫度低的情況下,例如在飛 行期間,在飛行器外殼熱交換器7中實現冷卻劑的冷卻。這種情況下,可以省略附加冷卻劑 供應12到附加熱交換器。也可以提供與附加熱交換器6并聯的旁路閥(未示出),如果外 部空氣的溫度和/或從飛行器外殼熱交換器7出來之后的冷卻劑的溫度低于保證在冷卻回 路中流通的冷卻劑使電子設備2充分冷卻的閾值,則旁路閥打開。如果飛行器外殼熱交換 器7不能將冷卻劑冷卻到預定的設定點值,則冷卻劑可以既流過飛行器外殼熱交換器7還 流過附加熱交換器6。進一步地,冷卻回路包括用于補償冷卻劑的體積變化和/或在泄漏的情況下補充 冷卻劑的貯液器9。在所示的實施例中,貯液器9在冷卻劑流動方向上位于飛行器外殼熱交 換器7之后、附加熱交換器6之前。然而,貯液器9也可以在冷卻劑流動方向上位于飛行器 外殼熱交換器6之后、冷卻熱交換器3之前。在所示的實施例中,泵設備4在冷卻劑流動方向上位于飛行器外殼熱交換器7與 附加熱交換器6之間。泵設備也可以位于附加熱交換器6與冷卻熱交換器3之間。至少一 個飛行器外殼熱交換器旁路閥8與飛行器外殼熱交換器7并聯連接。如果外部溫度高到使 冷卻劑不能再被飛行器外殼熱交換器7冷卻,則飛行器外殼熱交換器旁路閥8打開。這防 止了冷卻劑被飛行器外殼熱交換器7加熱。冷卻劑在飛行器外殼熱交換器7中被加熱是不 期望的,原因在于這種情況下,附加熱交換器6必須向附加冷卻系統釋放更多的熱量,從而 增大了煤油消耗。如果在外部溫度值下降到使冷卻劑被冷卻到電子設備2周圍的空氣低于露點的程度的值之下,則飛行器外殼熱交換器旁路閥8可以打開。這種情況下,冷卻劑的一部分流 過飛行器外殼熱交換器7,另一部分流過飛行器外殼熱交換器旁路閥8。通過控制飛行器外 殼熱交換器旁路閥8的打開或通過調節飛行器外殼熱交換器旁路閥8,可以控制給與電子 設備2熱耦接的冷卻熱交換器3供應的冷卻劑的溫度。在所示的實施例中,在超出第一閥值時,例如如果外部溫度太高,則飛行器外殼熱 交換器旁路閥8可以完全打開,并且在下降到第二閾值之下時,例如如果外部溫度太低,則 飛行器外殼熱交換器旁路閥8至少部分打開或被調節。然而,還可以提供兩個飛行器外殼 熱交換器旁路閥,各自響應一閾值。這種設計被認為是等同的。如先前所提及的,在正常操作期間,例如如果泵設備4運行,則冷卻劑永遠處于液 相。泵設備4僅作為用于液體冷卻劑的泵而操作。泵設備4不會作為壓縮機操作,并且在 正常期間,例如如果泵設備4運行并且有充足的冷卻功率,則不會發生冷凝和蒸發。在泵設備4損壞的情況下,冷卻熱交換器3中的冷卻劑的溫度升高。結果,冷卻熱 交換器中的冷卻劑會蒸發。蒸發過程一方面在飛行器外殼熱交換器7和泵設備4的方向上 產生正壓,另一方面在供應管道10和附加熱交換器6的方向上產生負壓。結果,泵設備4 中出現壓力差。這一壓力差使泵設備旁路閥5被打開。泵設備旁路閥5優選僅具有機械組 件,從而提高其可靠性。優選地,可以通過彈簧來設置泵設備旁路閥的釋放壓力。在泵設備運行的情況下,如果冷卻劑例如由于冷卻負荷增加而在冷卻熱交換器3 中蒸發,則該實施例還能使冷卻劑流過泵設備旁路閥8,而繞過泵設備7。在這種操作情況 下,至少一個飛行器外殼熱交換器旁路閥8也可以如先前所述的那樣操作。在泵設備4發生故障的情況下,冷卻劑在冷卻熱交換器3中蒸發,并且在飛行器外 殼熱交換器7中冷凝。為此,權宜之計是將輸出管道1被設置為具有較大的截面,以便從冷 卻熱交換器3向飛行器外殼熱交換器7傳送充足的氣體冷卻劑。在泵設備4損壞的情況下,冷卻劑通過自然對流流過冷卻回路。結果,可以保證飛 行期間對電子設備的冷卻,使得后者可以繼續操作,從而提高了飛行器的可靠性和安全性。可以提供基本相同結構的兩個或更多個飛行器冷卻設備,用于冷卻同一電子設 備。從而建立了額外的冗余,這進一步提高了飛行器的可靠性和安全性。根據本發明的飛行器冷卻設備的優點在于液體冷卻劑的使用減少了所需的安裝 空間。進一步地,不像現有技術那樣需要冷藏機器。與具有氣體冷卻劑的冷卻系統相比,根 據本發明的飛行器冷卻設備不需要風扇和大截面的風道。因此,可以減少冷卻系統的質量 和耗電量,這簡化了飛行器中的安裝,并降低了煤油需求。進一步地,液體冷卻劑的優點在 于,電子設備中的溫度差與傳統的氣體冷卻劑相比得到了降低。可以理解,為了提高冷卻系統的可靠性,可以提供響應同一溫度閾值的多個飛行 器外殼熱交換器旁路閥7。還可以提供多個泵設備旁路閥5,從而提高飛行器冷卻設備的可 靠性。還可以例如通過并聯連接兩個基本相同部件,將先前描述的各個部件設計為冗余方式。
權利要求
1.一種用于冷卻飛行器(11)中的電子設備⑵的方法,包括以下步驟-使冷卻劑在冷卻回路中流通,-借助于所述冷卻劑冷卻所述電子設備(2),以及-在飛行器外殼熱交換器(7)中散發被所述冷卻劑吸收的熱量,其特征在于,所述冷卻劑在冷卻所述電子設備( 期間至少部分蒸發,在所述飛行器 外殼熱交換器(7)中冷凝,并且通過自然對流在所述冷卻劑回路中流通。
2.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,在正常操作期間,所述冷卻劑永遠處于液相,且通過強制對流在所述冷卻 劑回路中流通,并且在失靈情況下和/或在冷卻需求增加的情況下,所述冷卻劑在冷卻所 述電子設備( 期間至少部分蒸發,在所述飛行器外殼熱交換器(7)中冷凝,并且通過自然 對流在所述冷卻劑回路中流通。
3.根據權利要求1或2所述的方法,其特征在于,在所述飛行器外殼熱交換器(7)中的溫度超出第一閾值的情況下,所述 冷卻劑至少部分以旁路繞過所述飛行器外殼熱交換器(7)。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法,其特征在于,所述冷卻劑按具體情況在由附加冷卻系統冷卻的附加熱交換器(6)中冷卻。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法,其特征在于,在所述飛行器外殼熱交換器(7)中的溫度和/或所述冷卻劑的溫度下降 到第二閾值之下的情況下,所述冷卻劑至少部分以旁路繞過所述飛行器外殼熱交換器(7)。
6.一種飛行器冷卻設備,包括-冷卻熱交換器(3),適于借助于冷卻劑冷卻電子設備O),和-飛行器外殼熱交換器(7),適于對所述冷卻劑進行冷卻,其中所述冷卻熱交換器(3) 和所述飛行器外殼熱交換器(7)被布置在閉合的冷卻劑回路中,其特征在于,所述飛行器冷卻設備適于并且所述冷卻劑被選擇為使得所述冷卻劑在冷 卻所述電子設備( 期間,至少部分在所述冷卻熱交換器C3)中蒸發,在所述飛行器外殼熱 交換器(7)中冷凝,并且通過自然對流在所述冷卻劑回路中流通。
7.根據權利要求6所述的飛行器冷卻設備,其特征在于泵設備G),所述泵設備(4)在正常操作期間使冷卻劑在所述冷卻劑回路 中流通,其中所述飛行器冷卻設備適于并且冷卻劑被選擇為,使得在正常操作期間,液體冷 卻劑永遠處于液相,且由于泵設備(4)而通過強制對流在所述冷卻劑回路中流通,并且在 發生故障的情況下和/或在冷卻需求增加的情況下,所述冷卻劑在冷卻所述電子設備⑵ 期間,至少部分在所述冷卻熱交換器中蒸發,在所述飛行器外殼熱交換器(7)中冷凝,并且 通過自然對流在所述冷卻劑回路中流通。
8.根據權利要求6或7所述的飛行器冷卻設備,其特征在于至少一個飛行器外殼熱交換器旁路閥(8),所述飛行器外殼熱交換器旁路 閥(8)適于在所述飛行器外殼熱交換器(7)中的溫度超出第一閾值的情況下,使所述冷卻 劑至少部分地以旁路繞過所述飛行器外殼熱交換器。
9.根據權利要求6至8中任一項所述的飛行器冷卻設備,其特征在于附加熱交換器(6),所述附加熱交換器(6)按具體情況由附加冷卻系統冷 卻,其中所述附加熱交換器(6)適于使得在所述附加熱交換器(6)被所述附加冷卻系統冷 卻的情況下,所述冷卻劑回路的冷卻劑在所述附加熱交換器(6)中冷卻。
10.根據權利要求6至9中任一項所述的飛行器冷卻設備,其特征在于,所述至少一個飛行器外殼熱交換器旁路閥(8)適于在所述飛行器外殼熱 交換器(7)中的溫度和/或所述冷卻劑的溫度下降到第二閾值之下的情況下,使所述冷卻 劑至少部分地以旁路繞過所述飛行器外殼熱交換器(7)。
11.根據權利要求6至10中任一項所述的飛行器冷卻設備,其特征在于泵設備旁路閥(5),所述泵設備旁路閥( 適于在所述泵設備(4)發生故障 的情況下使所述冷卻劑以旁路繞過所述泵設備(4)。
12.根據權利要求6至11中任一項所述的飛行器冷卻設備,其特征在于,所述冷卻劑適于在發生故障的情況下以比所述電子設備(2)周圍的空氣 的露點高的溫度在所述冷卻熱交換器(3)中蒸發。
13.根據權利要求6至12中任一項所述的飛行器冷卻設備,其特征在于,所述飛行器冷卻設備適于使得在發生故障的情況下低于電子設備O)的 損壞溫度的溫度由于所述冷卻劑在所述冷卻熱交換器中的蒸發而在所述電子設備中占主 導地位。
14.一種冗余飛行器電子冷卻系統,其特征在于多個根據權利要求6至14中任一項所述的飛行器冷卻設備,其中所述多個 飛行器冷卻設備適于冷卻同一電子設備O)。
全文摘要
提出一種用于冷卻飛行器(11)中的電子設備的方法,包括以下步驟使冷卻劑在冷卻回路中流通,借助于冷卻劑冷卻電子設備(2),以及在飛行器外殼熱交換器(7)中散發冷卻劑吸收的熱量。冷卻劑在冷卻電子設備(2)期間至少部分蒸發,并在飛行器外殼熱交換器(7)中冷凝。冷卻劑通過自然對流在冷卻劑回路中流通。
文檔編號H05K7/20GK102047776SQ200980119985
公開日2011年5月4日 申請日期2009年5月13日 優先權日2008年5月30日
發明者塞巴斯蒂安·勒林, 諾列加 威爾遜·維·卡薩斯, 馬西亞斯·賴斯 申請人:空中客車作業有限公司