CN113587527B - 一种双流体回路雷达阵面冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种双流体回路雷达阵面冷却系统，属于雷达探测中的先进热管理技术领域，解决大阵面雷达装备高效散热问题，通过设计第一、第二、第三冷却回路，将大阵面、高功率密度雷达系统的热控与天线阵面有效融合，冷却介质在冷却回路中分别呈单相和两相状态，系统启动后，第三冷却回路中的冷媒介质均匀分配到天线阵面负载冷板中雷达各子阵、分机、模块负载中，冷媒介质进入天线阵面负载冷板后，天线阵面负载冷板温度高，冷媒介质此时的状态为液相和气相共存的两相状态，有利于对天线阵面负载冷板冷却，此时第一、第二冷却回路将第三冷却回路中冷却介质热量进行热交换散热，阵面设备负载冷却具有近似均温冷却能力，且冷却系统有效降低管径、冷板厚度尺寸。

Description

一种双流体回路雷达阵面冷却系统

技术领域

本发明属于雷达探测中的先进热管理技术领域，涉及一种双流体回路雷达阵面冷却系统。

背景技术

雷达装备热管理系统设计一般可供选择的冷却方式主要有风冷、液冷等两种形式。在热流密度不大的场合，风冷以其结构简单、设备量少、可靠性高等优点得到了十分广泛的应用，但风冷效率较低，无法满足高热流密度设备冷却的需求。与风冷冷却方式相比，液冷方式具有更高的冷却效率，可以使得组件结构更为紧凑，具有更高的集成度优势，可以使设备获得更低、更适宜的实际运行温度，从而使设备具有更高的工作可靠性，延长使用寿命。同时液冷冷却方式还克服了风冷将外界潮气、沙尘、盐雾等有害物质带入设备内部的弊端，使设备具有更好的环境适应性。

综合考虑雷达的环境适应性、冷却需求以及风冷、液冷的冷却能力、可靠性等多方面因素，目前，雷达电子装备主要采用单相液冷散热方式，但随着电子技术的发展以及雷达功能需求的发展，雷达功耗和功率密度、装备集成密度急剧增加，但重量、空间尺寸却进一步减小，单相液冷散热方式热瓶颈问题日益显现，主要体现在：①在高集成、高功耗模块冷却方面：有限空间无法有效解决高功耗、高热流密度模块冷却技术难题，同时无法解决高功耗模块大流量设计时冷却流道的设计问题；②大阵面、大热耗系统集成方面：有限空间无法解决软管转弯半径需求以及主管网大流量输运与装备骨架有效集成技术问题。

考虑到两相流冷却系统采用相变吸热原理获取高效传热效率，可有效降低系统质量流量、管路直径、泵功率等巨大优势，热管及其衍生产品在电子设备热管理技术领域有巨大优势。

目前，热管及其衍生产品在驱动力、冷却能力和传热距离上，都受到一定的限制，航空航天电子设备热管理先后发展了毛细泵热管(CPL)和环路热管(LHP)以及可变热岛热管，该方案在处理简单回路和小负荷、小热流密度冷却方面，具有重量轻、传热冷却效率高等优点，但由于毛细芯提供的循环动力有限，难以满足大阵面、分散热源、高功率、高热流密度、轻量化集成阵面的冷却技术难题。

为解决毛细芯毛细驱动力的限制问题，各国空间科学研究人员开始了机械泵驱两相冷却系统的研究，公开日期为2008年4月的文献《航天机械泵驱两相流冷却环路循环特性的研究》(刘杰，上海交通大学)对小功率(热耗约为1kW)热源的工作点参数、启动特性、过热不稳定性等内容进行了深入的研究，但系统热耗小、与装备集成特征不明显，无法有效解决雷达装备的有效热管理技术问题。

发明内容

本发明的目的在于如何设计一种双流体回路雷达阵面冷却系统，以解决大阵面、分散热源、高功率、高热流密度、轻量化集成阵面的雷达装备高效散热的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种双流体回路雷达阵面冷却系统，包括：第一冷却回路、第二冷却回路、第三冷却回路、电动比例三通阀(4)、板式换热器(5)；第一冷却回路的输出端与电动比例三通阀(4)的输入端连接，电动比例三通阀(4)的第一输出端通过密封管路与板式换热器(5)的第一输入端连接，板式换热器(5)的第一输出端通过密封管路与第一冷却回路的输入端连接；第二冷却回路的输入端通过密封管路与电动比例三通阀(4)的第二输出端连接，第二冷却回路的输出端连接在第一冷却回路的输入端与板式换热器(5)的第一输出端之间；第三冷却回路的输入端通过密封管路与板式换热器(5)的第二输出端连接，第三冷却回路的输出端通过密封管路与板式换热器(5)的第二输入端连接。

本发明通过设计第一冷却回路、第二冷却回路、第三冷却回路，将大阵面、高功率密度雷达系统的热控与天线阵面有效融合，冷却介质在冷却回路中分别呈单相和两相状态，系统启动后，第三冷却回路中的冷媒介质均匀分配到天线阵面负载冷板中的雷达各子阵、分机、模块负载中，冷媒介质进入天线阵面负载冷板后，由于天线阵面负载冷板温度高，冷媒介质此时的状态为液相和气相共存的两相状态，更有利于对天线阵面负载冷板的冷却，此时第一冷却回路、第二冷却回路将第三冷却回路中的冷却介质的热量进行热交换散热，阵面设备负载冷却具有近似均温的冷却能力，且冷却系统有效降低管径、冷板厚度尺寸。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的第一冷却回路包括：地面冷源(1)、方位水铰链(2)、第一俯仰水铰链(3)、第二俯仰水铰链(6)；地面冷源(1)的冷流体输出端通过密封管路与方位水铰链(2)的冷流体输入端连接，方位水铰链(2)的冷流体输出端通过密封管路与第一俯仰水铰链(3)的输入端连接，第一俯仰水铰链(3)的输出端通过密封管路与电动比例三通阀(4)的输入端连接，电动比例三通阀(4)的第一输出端通过密封管路与板式换热器(5)的第一输入端连接，板式换热器(5)的第一输出端通过密封管路与第二俯仰水铰链(6)的输入端连接，第二俯仰水铰链(6)的输出端通过密封管路与方位水铰链(2)的热流体输入端连接，方位水铰链(2)的热流体输出端通过密封管路与地面冷源(1)的热流体输入端连接。

作为本发明技术方案的进一步改进，第二冷却回路包括：储液器(7)，所述的储液器(7)包括：冷却盘管(71)、法兰电加热管(72)、加液阀门(73)、保温壳体(74)、出液阀门(75)；冷却盘管(71)设置在保温壳体(74)的内部，冷却盘管(71)的输入端和输出端分别延伸至保温壳体(74)的外部，法兰电加热管(72)的加热管部分安装在保温壳体(74)内部并延伸至冷却盘管(71)的内部，法兰部分密封安装在保温壳体(74)的侧壁上，加液阀门(73)安装在保温壳体(74)的侧面上部的加液管道中；出液阀门(75)安装在保温壳体(74)的底部的出液管道中；电动比例三通阀(4)的第二输出端通过密封管路与冷却盘管(71)的输入端连接，冷却盘管(71)的输出端通过密封管路连接在板式换热器(5)的第一输出端与第二俯仰水铰链(6)之间。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的第三冷却回路包括：供液泵(8)、流量传感器(9)、回热器(10)、分配器(11)、汇集器(12)、预热器(13)；板式换热器(5)的第二输出端通过密封管路与供液泵(8)的输入端连接，供液泵(8)的输出端通过密封管路与流量传感器(9)的输入端连接，流量传感器(9)的输出端通过密封管路与回热器(10)的第一输入端连接，回热器(10)的第一输出端通过密封管路与预热器(13)的输入端连接，预热器(13)的输出端通过密封管路与分配器(11)的输入端连接，分配器(11)的输出端通过密封管路与天线阵面负载冷板的输入端连接，天线阵面负载冷板的输出端通过密封管路与汇集器(12)的输入端连接，汇集器(12)输出端通过密封管路与回热器(10)的第二输入端连接，回热器(10)的第二输出端通过密封管路与板式换热器(5)的第二输入端连接；供液泵(8)的输入端与板式换热器(5)的第二输出端之间连接出一条管路与出液阀门(75)密封连接。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的雷达阵面冷却系统的启动方法为：首先通过第二冷却回路中的储液器(7)上的法兰电加热管(72)加热，使系统温度升高，再启动第三冷却回路中的供液泵(8)，当第三冷却回路启动正常后，再启动第一冷却回路，所有冷却回路均正常启动完毕，天线阵面负载才可开机。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的雷达阵面冷却系统的关闭方法为：先关闭天线阵面负载、再关闭第三冷却回路和第一冷却回路、第二冷却回路。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的冷却盘管(71)为双向反螺旋结构。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的供液泵(8)选取屏蔽泵。

作为本发明技术方案的进一步改进，第一冷却回路、第二冷却回路的冷却介质为乙二醇水溶液。

作为本发明技术方案的进一步改进，第三冷却回路的冷却介质选用氟利昂介质，如R134a、R22或R1234yf等，或选用氟碳电介质，如FC-72、FC-3284等。

本发明的优点在于：

(1)本发明的冷却系统通过设计第一冷却回路、第二冷却回路、第三冷却回路，将大阵面、高功率密度雷达系统的热控与天线阵面有效融合，冷却介质在冷却回路中分别呈单相和两相状态，系统启动后，第三冷却回路中的冷媒介质均匀分配到天线阵面负载冷板中的雷达各子阵、分机、模块负载中，冷媒介质进入天线阵面负载冷板后，由于天线阵面负载冷板温度高，冷媒介质此时的状态为液相和气相共存的两相状态，更有利于对天线阵面负载冷板的冷却，此时第一冷却回路、第二冷却回路将第三冷却回路中的冷却介质的热量进行热交换散热，阵面设备负载冷却具有近似均温的冷却能力，且冷却系统有效降低管径、冷板厚度尺寸；

(2)系统启动时，在供液泵(8)启动前通过加热储液器(7)来提高系统压力，进而对系统中的气体进行液化，避免了两相流体对供液泵(8)的“气蚀”损害；

(3)供液泵(8)选取屏蔽泵，防止了冷却介质的渗漏；

(4)阵面冷却支路采用非电介质冷却液，减少因传统冷却介质渗漏导致的短路、烧毁等危害。

附图说明

图1是本发明实施例的双流体回路雷达阵面冷却系统的结构图；

图2是本发明实施例的储液器的结构图；

图3是本发明实施例的天线阵面负载冷板的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

实施例一

如图1所示，一种双流体回路雷达阵面冷却系统，包括：地面冷源1、方位水铰链2、第一俯仰水铰链3、电动比例三通阀4、板式换热器5、第二俯仰水铰链6、储液器7、供液泵8、流量传感器9、回热器10、分配器11、汇集器12、预热器13。

如图2所示，储液器7的功能是储存两相流体回路闭式系统的冷却介质，同时实现系统启动控制和工作点参数控制，储液器7包括：冷却盘管71、法兰电加热管72、加液阀门73、保温壳体74、出液阀门75；冷却盘管71设置在保温壳体74的内部，冷却盘管71为双向反螺旋结构，采用双向反螺旋结构可以增加冷却盘管71与冷媒介质的接触面积，冷却盘管71的输入端和输出端分别延伸至保温壳体74的外部，法兰电加热管72的加热管部分安装在保温壳体74内部并延伸至冷却盘管71的内部，法兰部分密封安装在保温壳体74的侧壁上，加液阀门73安装在保温壳体74的侧面上部的加液管道中，用于控制向保温壳体74内部补充冷媒介质；出液阀门75安装在保温壳体74的底部的出液管道中，用于控制保温壳体74内部冷媒介质的输出。

储液器7实现系统启动控制：系统启动时，由于系统长时间贮存，管路内部工质处于两相状态，为了防止两相流体对供液泵8的“气蚀”损害，在启动供液泵8之前必须确保供液泵8的入口处为纯液态，因此在供液泵8启动前通过加热储液器7来提高系统压力，进而对系统中的气体进行液化。

系统工作点参数控制：通过控制冷媒介质流量和法兰电加热管72的加热功率，实现对储液器7内部温度进行管控，从而实现对天线阵面负载冷板的蒸发温度控制。

单相流体回路：

地面冷源1的冷流体输出端通过密封管路与方位水铰链2的冷流体输入端连接，方位水铰链2的冷流体输出端通过密封管路与第一俯仰水铰链3的输入端连接，第一俯仰水铰链3的输出端通过密封管路与电动比例三通阀4的输入端连接，电动比例三通阀4的第一输出端通过密封管路与板式换热器5的第一输入端连接，板式换热器5的第一输出端通过密封管路与第二俯仰水铰链6的输入端连接，第二俯仰水铰链6的输出端通过密封管路与方位水铰链2的热流体输入端连接，方位水铰链2的热流体输出端通过密封管路与地面冷源1的热流体输入端连接。

电动比例三通阀4的第二输出端通过密封管路与冷却盘管71的输入端连接，冷却盘管71的输出端通过密封管路连接在板式换热器5与第二俯仰水铰链6之间。

单相流体回路的冷却介质为乙二醇水溶液，冰点低于-60℃，地面冷源1输出的冷却的乙二醇水溶液经过方位水铰链2进入第一俯仰水铰链3，冷却的乙二醇水溶液再经过板式换热器5进行热量交换后输出加热的乙二醇水溶液，加热的乙二醇水溶液依次经过第二俯仰水铰链6、方位水铰链2回到地面冷源1完成散热。

两相流体回路：

板式换热器5的第二输出端通过密封管路与供液泵8的输入端连接，供液泵8的输出端通过密封管路与流量传感器9的输入端连接，流量传感器9的输出端通过密封管路与回热器10的第一输入端连接，回热器10的第一输出端通过密封管路与预热器13的输入端连接，预热器13的输出端通过密封管路与分配器11的输入端连接，分配器11的输出端通过密封管路与天线阵面负载冷板的输入端连接，天线阵面负载冷板的输出端通过密封管路与汇集器12的输入端连接，汇集器12输出端通过密封管路与回热器10的第二输入端连接，回热器10的第二输出端通过密封管路与板式换热器5的第二输入端连接；

供液泵8的输入端与板式换热器5的第二输出端之间连接出一条管路与出液阀门75密封连接，为防止介质渗漏，供液泵8选取屏蔽泵。

两相流体回路推荐使用的介质为R134a、R22、R1234yf等冷媒介质，将冷媒介质通过加液阀门73充入保温壳体74中，启动供液泵8将保温壳体74中的冷媒介质抽出，此时温度低的冷媒介质为液相，液相的冷媒介质经过流量传感器9进入回热器10的第一输入端进入回热器10，再从回热器10的第一输出端输入到预热器13中，经过预热器13预热后，再通过分配器11将两相流体回路的冷媒介质均匀分配到天线阵面负载冷板中的雷达各子阵、分机、模块负载中，冷媒介质进入阵面设备负载时，两相流介质处于饱和状态；冷媒介质进入天线阵面负载冷板后，由于天线阵面负载冷板温度高，冷媒介质此时的状态为液相和气相共存的两相状态，更有利于对天线阵面负载冷板的冷却，冷却后，汇集器12将雷达各子阵、分机、模块中流出的两相状态的冷媒介质汇集，汇集器12输出的两相状态的冷媒介质经过回热器10的第二输入端进入回热器10，再经过回热器10的第二输出端输运到板式换热器5中进行冷却。

利用回热器10的第二输入端输入的温度高的两相状态的冷媒介质给回热器10的第一输入端输入的温度低的液相冷媒介质预加热，将液相的冷媒介质加热到饱和流动沸腾状态后，从而削弱冷媒介质过冷度对天线阵面负载冷板散热的影响。

预热器13的主要功能是防止过冷液体进入天线阵面负载，使两相流介质液体处于饱和状态；预热器13与回热器10的功能基本相同，实际操作时需要额外提供能量使冷却介质处于两相状态。

板式换热器5的第一输入端与板式换热器5的第二输入端输入的液体介质只进行热量交换，不发生液体介质交换。回热器10的第一输入端与回热器10的第二输入端输入的液体介质只进行热量交换，不发生液体介质交换。冷却盘管71的输入端输入的液体介质与保温壳体74内的冷媒介质只进行热量交换，不发生液体介质交换。

两相流体回路位于天线阵面下部区域或阵面转台上，其上部区域为天线阵面有效探测孔径。若雷达系统只采用基于两相流体回路的冷却方式，则系统的终端热沉为风机盘管换热器，也即将上述两相流体回路的板式换热器5换成风机盘管热沉，两相冷却介质吸收了电子设备载荷的热量，通过风机盘管将热量传递给大气环境。采用该方案主要的不足为：①系统负载冷板冷却介质的相变温度均高于环境温度，且工作点参数不可调、不可控，而且随环境温度的变化而变化；②风机盘管组件尺寸较大，难以与天线阵面集成设计；③因为系统工作点参数的不可调、不可控，系统因环境状态的变化导致冷却介质的不稳定波动也就越大，可能恶化系统散热性能，同时产生压力振动，损坏系统。

如图3所示，天线阵面负载冷板采用一体化子阵冷板结构形式，子阵冷板前端为天线单元，后端集成收发、延时放大、功分合成等单元。各子阵单元供、回液接口与供液分配器和回液汇集器通过管道焊接而成，可避免其他密封连接带来的管路两相流体渗漏问题。同时，采用该子阵结构形式，可实现天线阵面阵列扩充和快速可重构设计。通过大阵面、高功率密度雷达系统热控与天线阵面的有效融合设计，有效降低管径、冷板厚度尺寸；阵面设备负载冷却近似均温的冷却能力；阵面冷却支路采用非电介质冷却液，减少因传统冷却介质渗漏导致的短路、烧毁等危害；阵面管路与组件冷板采用全焊接连接结构，降低了两相冷却系统的渗漏风险。

系统启动：当系统需要启动时，首先通过储液器7上的法兰电加热管72加热，约使温度较启动前温度升高约5℃，启动两相流体回路中的供液泵8，当两相流体回路启动正常后，再启动单相流体回路，如果两个流体回路均启动完毕，则天线阵面负载才可开机。

系统关闭：先关闭天线阵面负载、再关闭两相流体回路和单相流体回路。

本实施例的两相流冷却的巨大优势以及雷达天线阵面的特点，单相流体回路为单相流冷却系统，为传统雷达地面冷源；两相流体回路为两相流冷却系统，置于雷达阵面或天线转台上，实现电子设备负载冷却。两个冷却系统通过与阵面集成的板式换热器实现热量交换，最终实现将电子设备负载热量带入大气环境。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种双流体回路雷达阵面冷却系统，其特征在于，包括：第一冷却回路、第二冷却回路、第三冷却回路、电动比例三通阀(4)、板式换热器(5)；第一冷却回路的输出端与电动比例三通阀(4)的输入端连接，电动比例三通阀(4)的第一输出端通过密封管路与板式换热器(5)的第一输入端连接，板式换热器(5)的第一输出端通过密封管路与第一冷却回路的输入端连接；第二冷却回路的输入端通过密封管路与电动比例三通阀(4)的第二输出端连接，第二冷却回路的输出端连接在第一冷却回路的输入端与板式换热器(5)的第一输出端之间；第三冷却回路的输入端通过密封管路与板式换热器(5)的第二输出端连接，第三冷却回路的输出端通过密封管路与板式换热器(5)的第二输入端连接；

所述的第一冷却回路包括：地面冷源(1)、方位水铰链(2)、第一俯仰水铰链(3)、第二俯仰水铰链(6)；地面冷源(1)的冷流体输出端通过密封管路与方位水铰链(2)的冷流体输入端连接，方位水铰链(2)的冷流体输出端通过密封管路与第一俯仰水铰链(3)的输入端连接，第一俯仰水铰链(3)的输出端通过密封管路与电动比例三通阀(4)的输入端连接，电动比例三通阀(4)的第一输出端通过密封管路与板式换热器(5)的第一输入端连接，板式换热器(5)的第一输出端通过密封管路与第二俯仰水铰链(6)的输入端连接，第二俯仰水铰链(6)的输出端通过密封管路与方位水铰链(2)的热流体输入端连接，方位水铰链(2)的热流体输出端通过密封管路与地面冷源(1)的热流体输入端连接；

第二冷却回路包括：储液器(7)，所述的储液器(7)包括：冷却盘管(71)、法兰电加热管(72)、加液阀门(73)、保温壳体(74)、出液阀门(75)；冷却盘管(71)设置在保温壳体(74)的内部，冷却盘管(71)的输入端和输出端分别延伸至保温壳体(74)的外部，法兰电加热管(72)的加热管部分安装在保温壳体(74)内部并延伸至冷却盘管(71)的内部，法兰部分密封安装在保温壳体(74)的侧壁上，加液阀门(73)安装在保温壳体(74)的侧面上部的加液管道中；出液阀门(75)安装在保温壳体(74)的底部的出液管道中；电动比例三通阀(4)的第二输出端通过密封管路与冷却盘管(71)的输入端连接，冷却盘管(71)的输出端通过密封管路连接在板式换热器(5)的第一输出端与第二俯仰水铰链(6)之间；

所述的第三冷却回路包括：供液泵(8)、流量传感器(9)、回热器(10)、分配器(11)、汇集器(12)、预热器(13)；板式换热器(5)的第二输出端通过密封管路与供液泵(8)的输入端连接，供液泵(8)的输出端通过密封管路与流量传感器(9)的输入端连接，流量传感器(9)的输出端通过密封管路与回热器(10)的第一输入端连接，回热器(10)的第一输出端通过密封管路与预热器(13)的输入端连接，预热器(13)的输出端通过密封管路与分配器(11)的输入端连接，分配器(11)的输出端通过密封管路与天线阵面负载冷板的输入端连接，天线阵面负载冷板的输出端通过密封管路与汇集器(12)的输入端连接，汇集器(12)输出端通过密封管路与回热器(10)的第二输入端连接，回热器(10)的第二输出端通过密封管路与板式换热器(5)的第二输入端连接；供液泵(8)的输入端与板式换热器(5)的第二输出端之间连接出一条管路与出液阀门(75)密封连接。

2.根据权利要求1所述的一种双流体回路雷达阵面冷却系统，其特征在于，所述的雷达阵面冷却系统的启动方法为：首先通过第二冷却回路中的储液器(7)上的法兰电加热管(72)加热，使系统温度升高，再启动第三冷却回路中的供液泵(8)，当第三冷却回路启动正常后，再启动第一冷却回路，所有冷却回路均正常启动完毕，天线阵面负载才可开机。

3.根据权利要求1所述的一种双流体回路雷达阵面冷却系统，其特征在于，所述的雷达阵面冷却系统的关闭方法为：先关闭天线阵面负载、再关闭第三冷却回路和第一冷却回路、第二冷却回路。

4.根据权利要求1所述的一种双流体回路雷达阵面冷却系统，其特征在于，所述的冷却盘管(71)为双向反螺旋结构。

5.根据权利要求1所述的一种双流体回路雷达阵面冷却系统，其特征在于，所述的供液泵(8)选取屏蔽泵。

6.根据权利要求1所述的一种双流体回路雷达阵面冷却系统，其特征在于，第一冷却回路、第二冷却回路的冷却介质为乙二醇水溶液。

7.根据权利要求1所述的一种双流体回路雷达阵面冷却系统，其特征在于，第三冷却回路的冷却介质选用R134a、R22或R1234yf或选用氟碳电介质。

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