冷却系统、飞机和用于冷却飞机电子设备的方法与流程

本发明涉及一种用于冷却飞机电子设备的冷却系统、配备有这种冷却系统的飞机和用于冷却飞机电子设备的方法。

背景技术：

现代飞机由于性能改进而对电力电子功能有着日益增长的需求，并具有由该技术带来的重量减轻的优点。这些电力电子功能，如航空电子设备或机舱管理系统功能，典型地分配给飞机电子设备。结果，现代飞机中布置的电子设备的数量和功率密度在不断增加。

这项技术依赖于适当的冷却系统，以确保飞机电子设备的可靠性能。具体而言，这些冷却系统被配置为提供冷却能量，以确保待冷却的飞机电子设备的温度不超过阈值，温度超过该阈值将导致相应功能的减弱或丧失。已知的冷却系统的例子包括主动式冷却系统，或者是强制空气或液体形式，或者是传导式冷却系统，例如通过散热器。然而，由于电子设备的功率密度越来越大，主动式冷却系统的使用变得更加重要，因为这些冷却系统提供高的冷却能力。

为了确保飞机的可运行性，这些冷却系统通常被采用为具有比飞机绝大部分运行时间所需的冷却能力大的冷却能力。例如，当飞机在地面上运行时，通常对飞机电子设备的冷却具有高的要求。然而，在飞行中，在温度由于海拔的原因而降低的场合，对冷却系统的冷却需求也相应地降低。换言之，出于安全原因，这些冷却系统通常是超大和冗余的。因为这样的冷却系统显著增加了飞机的重量和复杂性，所以它们抵消了这种技术带来的重量减轻的优势。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种用于冷却飞机电子设备的高效的且相对轻量的冷却系统。此外，本发明旨在提供配备这种冷却系统的飞机和用于冷却飞机电子设备的方法。

这些目标通过具有下述特征的用于冷却飞机电子设备的冷却系统、具有下述特征的配备有这种冷却系统的飞机和具有下述特征的用于冷却飞机电子设备的方法得以实现。

一种用于冷却飞机电子设备的冷却系统，包括主冷却装置和附加冷却装置，该主冷却装置和附加冷却装置分别被配置用以提供用于冷却飞机电子设备的冷却能量。

所提出的冷却系统可用于配备有飞机电子设备的任何飞机。飞机电子设备可以是任何用于飞机的电子电路和/或电气或电子部件。该飞机电子设备包括待冷却的多个部件。优选地，飞机电子设备包括多个电源和/或计算机模块，其可安装到机架，即所谓的“模块机架”。飞机电子设备可以包括不同的功能，例如电力电子应用，其可分配给飞机电子设备的多个模块中的至少一个。这些功能包括机舱管理系统功能和/或航空电子功能，如飞行控制，导航，等等。因此，该飞机电子设备可以是机舱管理或航空电子系统。

主冷却装置被配置用以提供用于冷却飞机电子设备的基本冷却能量。主冷却装置可以被提供为使用强制空气或液体作为冷却剂的主动式冷却装置，或者被提供为使用一个或多个散热器的传导式冷却装置。特别地，主冷却装置可被配置用以向飞机电子设备的多个部件中的每一个部件提供冷却能量。换句话说，主冷却装置可被配置用以在飞机电子设备层级上，即在电子设备的机架层级上，为飞机电子设备提供冷却能量。

如上所述，为确保飞机电子设备的可运行性所需要的用于冷却飞机电子设备的冷却能力，通常会根据飞机的工作状态而有所变化。例如，由于在较高海拔温度降低，在飞机地面运行期间飞机电子设备的冷却需求显著高于飞行运行期间。换句话说，在飞机地面运行期间，冷却系统提供的所需的冷却能力要高于飞行运行期间。此外，出于安全原因，冷却系统必须提供备用冷却能力。然而，冷却系统的该备用冷却能力可能仅在冷却系统或者待冷却的飞机电子设备出故障的情况下使用。因此，在正常运行期间，备用冷却能力通常不由冷却系统提供。

主冷却装置被配置用以提供用于冷却飞机电子设备的基本冷却能量。术语“基本冷却能”是指飞机的绝大部分运行时间或运行状态下所需的用于冷却飞机电子设备的基本量的冷却能量。换句话说，主冷却装置可被配置用以提供基本的冷却能力，该基本冷却能力满足飞机电子设备的基本的冷却能量需求。飞机电子设备的基本的冷却能量需求在飞机的绝大部分运行时间或运行状态下可保持不变。例如，主冷却装置的基本冷却能力可为冷却系统所能提供的最大冷却能力的80％。可替代地，主冷却装置的基本冷却能力可以高于或低于冷却系统所能提供的最大冷却能力的80％。

相应地，附加冷却装置被配置用以提供用于冷却飞机电子设备的附加冷却能量。术语“附加冷却能”指的是一定数量的冷却能量，其对主冷却装置提供的基本冷却能量提供补充。例如，附加冷却装置的冷却能力可相当于冷却系统的备用冷却能力。结果，通过提供附加冷却装置，所提出的冷却系统允许使用冷却能力降低的主冷却装置，从而降低其重量和成本。

具体而言，附加冷却装置可被配置用以在峰值冷却需求的情况下提供附加冷却能力，峰值冷却需求即为待冷却的飞机电子设备的超过基本冷却需求的冷却需求。例如，待冷却的飞机电子设备的这种峰值冷却需求在飞机地面运行期间可能会出现。

可替代地或附加地，附加冷却装置可被配置用以在冷却系统和/或飞机电子设备处于故障状态的情况下提供用于冷却飞机电子设备的附加冷却能量。特别地，如果主冷却装置不能正常工作而使得由主冷却装置提供的用于冷却飞机电子设备的冷却能量的供应不再能够被保障，冷却系统的这种故障状态可能会出现。另一方面，如果飞机电子设备的多个部件中的一个部件的热积聚相对于其正常运行而言过度增加，待冷却的飞机电子设备的故障状态可能会产生。因此，附加冷却装置可被配置用以在冷却系统和/或飞机电子设备处于故障状态的情况下至少在有限的时间内替代和/或支持该主冷却装置。

以这种方式，所提出的冷却系统可以提供应急冷却功能，在主冷却装置和/或待冷却的飞机电子设备出故障的情况下，该应急冷却功能确保至少暂时地维持待冷却的飞机电子设备的可运行性。

附加冷却装置包括冷却剂供应系统和冷却剂分配系统。冷却剂供应系统被配置用以向待冷却的飞机电子设备供应压缩冷却剂。附加冷却装置的冷却剂分配系统被配置用以选择性地将冷却剂供应系统供应的压缩冷却剂引导到飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件。通过这种方式，所提供的冷却系统允许在飞机电子设备的部件层级上选择性地引导附加冷却能量。换句话说，在飞机电子设备多个部件中仅有一个部件有附加冷却需求的情况下，冷却剂分配系统避免将压缩冷却剂以及因此附加冷却能量供应到飞机电子设备的多个部件中的所有部件。因此，通过选择性地将压缩冷却剂引导到飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件，冷却系统确保高效和有效地提供冷却能量。

优选地，冷却剂供应系统供应的压缩冷却剂包括惰性气体，特别是二氧化碳和/或氮气。通过使用惰性气体作为冷却剂供应系统供应的冷却剂，附加冷却装置可以进一步提供灭火或抑火功能。因此，附加冷却装置可被配置用以将压缩冷却剂供应到飞机电子设备中，以扑灭或抑制飞机电子设备中的火情。因此，附加冷却装置也可充当灭火或抑火系统。

冷却剂供应系统可包括用于提供待供应到飞机电子设备的冷却剂冷的却剂源。冷却剂源可包括适于存储压缩冷却剂的容器。冷却剂供应控制装置可连接到冷却剂源，并配置用以控制压缩冷却剂从冷却剂源到冷却剂分配系统的供应。

冷却剂供应控制装置可包括压缩机，该压缩机被配置用来压缩冷却剂源提供的冷却剂。

冷却剂源可以包括用于存储压缩冷却剂的加压存储罐。可替代地或附加地，冷却剂供应控制装置可包括冷却剂供应控制阀。

具体地，冷却剂分配系统可包括多个冷却剂分配管路，该多个冷却剂分配管路被连接到冷却剂供应系统，特别是冷却剂供应控制装置。该多个冷却剂分配管路可被配置用以选择性地将冷却剂供应系统供应的冷却剂引导到飞机电子设备的多个部件。冷却剂分配系统可以这种方式提供：即多个冷却剂分配管路中的每一个冷却剂分配管路被分配到飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件。因此，多个冷却剂分配管路中的每一个冷却剂分配管路可以被配置用以选择性地将冷却剂供应系统供应的压缩冷却剂引导到飞机电子设备的多个部件中的一个或多个部件。例如，飞机电子设备的多个部件中的两个或多个部件可以相互靠近设置，使得冷却剂分配管路中的一个冷却剂分配管路被配置用以将压缩冷却剂引导到该两个或多个部件。

在进一步的发展中，冷却剂分配系统可以包括多个冷却剂分配控制阀。多个冷却剂分配控制阀中的每一个可以被设置在多个冷却剂分配管路中的一个中，并且配置用以控制通过冷却剂分配管路的压缩冷却剂的流动。这样，压缩冷却剂通过多个冷却剂分配管路中的每一个冷却剂分配管路的流动都可被控制以确保冷却剂供应系统供应的压缩冷却剂被选择性地引导到飞机电子设备的多个部件的至少一个部件。

飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件可以包括局部热点区域。局部热点区域是指电子设备的部件的经受增加的热积聚的部分，尤其是与该部件的其他部分相比。因此，为进一步提高所提供的冷却系统的效能和效力，多个冷却剂分配管路中的至少一个冷却剂分配管路可以被配置用以选择性地将冷却剂供应系统供应的冷却剂引导到飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件的局部热点区域。局部热点区域可以指提供在飞机电子设备的部件中的一元件的位置。该元件可以是热敏元件。例如，该元件可以被提供为电源开关装置(powerswitchingdevice)或晶体管的形式。因此，通过选择性地将压缩冷却剂引导到部件的局部热点区域，冷却剂分配系统在飞机电子设备的多个部件的元件层级上提供用于冷却飞机电子设备的冷却能量。

在进一步的发展中，冷却剂分配管路中的至少一个冷却剂分配管路可以包括布置在冷却剂分配管路的下游端的喷嘴。术语“下游”是指冷却剂流动通过冷却剂分配管路的流动方向。优选地，至少一个冷却剂分配管路的喷嘴和/或下游端被布置在飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件的附近。该喷嘴可被配置用以选择性地将从冷却剂分配管路排出的压缩冷却剂引导到飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件，特别是其局部热点区域。例如，喷嘴可以被提供为喷雾嘴的形式，该喷雾嘴被配置为沿待冷却的飞机电子设备多个部件中的至少一个部件的至少一部分均匀地喷射冷却剂。可替代地，喷嘴可被设计成选择性地将冷却剂排放到待冷却的飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件的局部热点区域。

在从冷却剂分配管路的下游端或者布置在其下游端的喷嘴排放出压缩冷却剂时，引导到飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件的冷却剂膨胀至较低的压力，从而温度降低。以这种方式，在待冷却的飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件和排放在待冷却的飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件附近的冷却剂之间的温度梯度增加。这起到提升由附加冷却装置提供的冷却功能的作用。

冷却系统还可包括控制单元，该控制单元被配置为响应至少一个控制参数以运行附加冷却装置。具体来说，控制参数可以从诸如温度传感器装置之类的传感器装置传送到控制单元。该控制参数可指示峰值冷却需求和/或冷却系统和/或待冷却的飞机电子设备的故障状态。控制单元可被配置为响应控制参数以控制冷却剂供应系统，特别是冷却剂供应控制装置，和/或控制冷却剂分配系统，特别是多个冷却剂分配控制阀。具体来说，控制单元可控制冷却剂供应系统，特别是冷却剂供应控制装置，和/或控制冷却剂分配系统，特别是多个冷却剂分配控制阀，使得当控制参数指示峰值冷却需求和/或冷却系统和/或待冷却的飞机电子设备的故障状态时，冷却剂供应系统通过冷却剂分配系统将压缩冷却剂供应到飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件，特别是通过多个冷却剂分配管路中的至少一个冷却剂分配管路。

在进一步的发展中，控制参数可以指示飞机电子设备的温度，和/或飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件的温度，特别是飞机电子设备的多个部件中至少一个部件的至少一个局部热点区域的温度。相应地，控制单元可被配置为响应控制参数来控制冷却剂供应系统，特别是冷却剂供应控制装置，使得当控制参数超过阈值时，冷却剂供应系统通过冷却剂分配系统，特别是通过多个冷却剂分配管路中的至少一个冷却剂分配管路，将压缩冷却剂供应到飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件。阈值可以是预先设定的阈值，该预先设定的阈值是指指示需要为飞机电子设备和/或飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件提供由冷却系统的附加冷却装置提供的附加冷却能量的温度。

可替代地或附加地，控制单元可被配置为响应控制参数以控制冷却剂分配系统，特别是多个冷却剂分配控制阀中的至少一个冷却剂分配控制阀，使得当控制参数超过阈值时，冷却剂分配系统选择性地将冷却剂供应系统供应的压缩冷却剂引导到飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件，特别是通过冷却剂分配管路中的至少一个冷却剂分配管路。

一种飞机，被配备有上述用于冷却飞机电子设备的冷却系统。

一种用于冷却飞机电子设备的方法，包括通过主冷却装置提供用于冷却飞机电子设备的基本冷却能量的步骤。该方法还包括通过附加冷却装置提供用于冷却飞机电子设备的附加冷却能量的步骤。在附加冷却装置运行期间，冷却剂供应系统将压缩冷却剂供应到待冷却的飞机电子设备，并且冷却剂分配系统选择性地将冷却剂供应系统供应的压缩冷却剂引导到飞机电子设备的多个部件中的至少一个部件。

附图说明

现在将参照所附示意图来更详细地说明本发明的优选实施例，其中

图1示出用于冷却安装在飞机中的飞机电子设备的冷却系统的第一实施例，

图2示出待冷却的飞机电子设备的热负荷曲线图，

图3示出图1的冷却系统的放大细节，

图4示出用于冷却飞机电子设备的冷却系统的第二实施例，

图5示出图4的冷却系统的放大细节。

具体实施方式

图1示出用于冷却安装在飞机中的飞机电子设备12的冷却系统10的示意图。冷却系统10包括主冷却装置14和附加冷却装置16。待冷却的飞机电子设备12包括布置在飞机电子设备12的外壳20中的多个部件18。

主冷却装置14被配置用以提供用于冷却飞机电子设备12，特别是飞机电子设备12的多个部件18的基本冷却能量。具体地，主冷却装置14被提供为强制空气冷却装置的形式，其具有用于将冷空气供应进入飞机电子设备12的外壳20中的供应管路22和用于从飞机电子设备12的外壳20中排出空气的排出管路24。因此，通过供应管路22供应到飞机电子设备12的外壳20中的冷空气流动通过飞机电子设备12的外壳20，特别是流经飞机电子设备12的多个部件22的表面，然后经由排出管路20从外壳20中排出。这样，在流动通过飞机电子设备12并流经多个部件18的表面时，通过供应管路18供应到飞机电子设备12的外壳20中的冷空气冷却飞机电子设备12，从而提供基本冷却能量。

换句话说，主冷却装置14被配置用以提供用于冷却飞机电子设备12的基本的冷却能力。该基本的冷却能力满足飞机电子设备12的基本冷却需求，在飞机绝大部分运行时间或运行状态下，该基本冷却需求保持稳定。

附加冷却装置16被配置用以提供用于冷却飞机电子设备12，特别是飞机电子设备12的多个部件18的附加冷却能量。具体地，附加冷却装置16被配置用以提供附加冷却能力，该附加冷却能力可代替和/或补充主冷却装置14的基本冷却能力。

附加冷却装置16的冷却剂供应系统26被配置用以向待冷却的飞机电子设备12供应压缩冷却剂。优选地，冷却剂供应系统26供应的冷却剂包括惰性气体，特别是二氧化碳和/或氮气。冷却剂供应系统26包括用于存储压缩冷却剂的加压存储罐形式的冷却剂源28。冷却剂供应控制装置30被连接到冷却剂源28，并且被配置用来控制压缩冷却剂从冷却剂源28到附加冷却装置16的冷却剂分配系统32的供应。在本实施例中，冷却剂供应控制装置30包括冷却剂供应控制阀。可替代地或附加地，冷却剂供应控制装置30可以包括压缩机，该压缩机被配置用来压缩冷却剂源28提供的冷却剂。

冷却剂分配系统32被配置用以选择性地将冷却剂供应系统26供应的压缩冷却剂引导到飞机电子设备12的多个部件18。具体地说，冷却剂分配系统32包括多个冷却剂分配管路34，每个冷却剂分配管路通过冷却剂供应管路36连接到冷却剂供应系统26的冷却剂供应控制装置30。多个冷却剂分配管路34被配置用以将压缩冷却剂排入到飞机电子设备12的外壳20中，并且分别选择性地将压缩冷却剂引导到飞机电子设备12的多个部件18中的一个。换句话说，多个冷却剂分配管路34中的每一个分别被分配给飞机电子设备12的多个部件18中的一个，以便选择性地将压缩冷却剂引导到该部件18。

当通过多个冷却剂分配管路34从冷却剂分配系统32排出压缩冷却剂时，冷却剂膨胀至较低的压力，从而降低其温度。具体说，压缩冷却剂从多个冷却剂分配管路34排出，使得膨胀的和变冷的冷却剂被引导到飞机电子设备12的多个部件18，以便流经部件18的表面，从而提供用于冷却飞机电子设备12的附加冷却能量。在流经飞机电子设备12的多个部件18的表面之后，冷却剂随后经由排放管路24从飞机电子设备12的外壳20中排出。

冷却系统10进一步包括控制单元38，该控制单元38被连接到冷却剂供应控制装置30，并被配置为响应至少一个控制参数来运行附加冷却装置16。该控制参数通过传感器装置40传送到控制单元38。具体地，传感器装置40是温度传感器装置，其被连接到飞机电子设备12的多个部件18中的每一个部件，并且被配置为接收飞机电子设备12的多个部件18中的每一个部件的温度。因此，控制参数指示飞机电子设备12的多个部件18中的每一个部件的温度。

更具体地，控制单元38被配置为响应控制参数来控制冷却剂供应控制装置30，使得当控制参数超过阈值时，冷却剂供应系统26通过冷却剂分配系统32的多个冷却剂分配管路34将压缩冷却剂供应到飞机电子设备12的多个部件18。

换句话说，控制单元38被配置用以监控指示飞机电子设备12的多个部件18中的每一个部件的温度的控制参数。因此，当控制参数超过阈值时，即当飞机电子设备12的多个部件18中的一个部件的温度超过阈值时，控制单元38确定为附加冷却需求。例如，该附加冷却需求可能指示峰值冷却需求，和/或冷却系统10和/或待冷却的飞机电子设备12的故障状态。优选地，如果控制单元38显示附加冷却需求，主冷却装置14和附加冷却装置16都提供冷却能量以冷却飞机电子设备12。

图2示出飞机电子设备12、特别是飞机电子设备12的多个部件18中的一个部件的热负荷曲线图。具体来说，该图例示飞机电子设备12的多个部件18中的一个部件的随时间变化的温度，其中图中的横坐标表示时间，纵坐标表示由传感器装置40传送的指示该一个部件的温度的控制参数。此外，控制参数的阈值用水平虚线表示。图2中，图中一个区域带有阴影，在该区域中指示温度的控制参数超过阈值。此阴影区域表示冷却系统10的附加冷却需求。因此，对于阴影区域的时间段δt，控制单元38控制冷却剂供应控制装置30，使得冷却剂供应系统26通过多个冷却剂分配管路34将压缩冷却剂供应到飞机电子设备12的多个部件18。然而，此后，当控制参数再次低于阈值时，控制单元38控制冷却剂供应控制装置30，以切断对飞机电子设备12的多个部件18的压缩冷却剂的供应。

图3示出图1中冷却系统10的多个冷却剂分配管路34之一的下游端42的放大细节。如图3所示，冷却剂分配管路34包括喷嘴44，该喷嘴44布置在冷却剂分配管路34的下游端42，并被配置用以选择性地将从冷却剂分配管路34排出的压缩冷却剂引导到飞机电子设备12的多个部件18中的一个部件。具体地，图3中示出的飞机电子设备12的部件18包括电源开关装置46和晶体管48，其中晶体管48包括局部热点区域50。喷嘴44被提供为喷雾嘴的形式，其被布置在待冷却的飞机电子设备12的部件18附近，并被配置用以将冷却剂均匀喷射到部件18的表面部分，该部件18包含带有热点区域50的晶体管48。

图4示出用于冷却飞机设备12的冷却系统10的进一步的实施例。在该实施例中，相比于图1所示的冷却系统10，冷却剂分配系统32包括多个冷却剂分配控制阀52，每个冷却剂分配控制阀52被设置在多个冷却剂分配管路34中的一个冷却剂分配管路中，并被配置用以控制通过冷却剂分配管路34的压缩冷却剂的流动。此外，飞机电子设备12的多个部件18中的每一个包含局部热点区域50，其中多个冷却剂分配管路34被配置用以分别选择性地将冷却剂供应系统26供应的冷却剂引导到飞机电子设备12的多个部件18的多个局部热点区域50。

相应地，控制单元38被配置为响应于控制参数来控制冷却剂分配系统32，特别是多个冷却剂分配控制阀52中的至少一个冷却剂分配控制阀，使得当控制参数，即飞机电子设备12的多个部件18中的至少一个部件的温度或者其多个热点区域50的温度，超过阈值时，冷却剂分配系统32通过多个冷却剂分配管路34中的至少一个冷却剂分配管路，选择性地将冷却剂供应系统26供应的压缩冷却剂引导到飞机电子设备12的多个部件18中的至少一个部件中。例如，如果控制参数指示飞机电子设备12的多个部件18中的一个部件的温度超过阈值，则控制单元38控制多个冷却剂分配控制阀52，以使由冷却剂供应系统26供应的压缩冷却剂被选择性地引导到飞机电子设备12中温度超过阈值的部件18。

图5示出图4的冷却系统10的多个冷却剂分配管路34中的一个冷却剂分配管路的下游端42的放大细节。与图3中示出的实施例相比，本实施例的喷嘴44被配置用以将冷却剂供应系统供应的冷却剂选择性地排放到飞机电子设备12的部件18的局部热点区域50。