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Flüssigkeitskühlsysteme für Flugzeuge

Flüssigkeitsgekühltes Gehäuse

lugzeugingeneure werden heute damit beauftragt, ein Mehr Elektronisches Flugzeug (More Electric Aircraft, MEA) mit größeren Ablaufsteuerungsfähigkeiten bei gleichzeitiger Minimierung des Flugzeugsgewichts und des Energieverbrauchs zu entwickeln. Mittels MEA werden hydraulische und pneumatische Systeme durch elektronische Systeme ersetzt. In Zusammenhang mit hochwertig implementierten Computersystemen erhöht sich der Bedarf an flüssigkeitsgekühlten Systemen bei Düsenflugzeugen, Helikoptern, unbemannten Luftfahrzeugen und bei anderen militärischen und kommerziellen Flugzeugtypen. Indem Luftkühlung durch Flüssigkeitskühlung ersetzt wird, können Ingenieure die thermischen Bedingungen unberücksichtigt lassen, die andernfalls Einschränkungen hinsichtlich der Systemleistung erfordern könnten. Ingenieure können auch das Gewicht und den Energieverbrauch reduzieren und sie können durch die Reduzierung der Betriebstemperatur den Zeitraum zwischen den Geräteausfällen verlängern. Während flüssigkeitsgekühlte Gehäuse und Kühlplatten sehr effektive Kühlung für Hochleistungsmodule und Hochleistungsdichtungskomponenten erlauben, ermöglichen Wärmetauscher die Kühlung von maschinellen und hydraulischen Flüssigkeiten sowie die Entsorgung der Wärme, die von den Gehäusen oder den Kühlungsplatten absorbiert wurden.

Flüssigkeitsgekühlte Gehäuse

Flüssigkeitsgekühlte Gehäuse, auch als Liquid Flow-Through (LFT) für elektronische Geräte bekannt, sind Leiterplatten-Technologien, die der Aufnahme von Wärme dienen. (Siehe Abbildung 1.) Die Geräte bestehen aus Aluminum-Kühlplatten, die sich durch gewellte, in die Seitenwände vakuum-verlötete Aluminiumrippen auszeichnen. Die Wärmeleitung erfolgt von der Platte auf die Seitenwände und auf die Flüssigkeit. Diese Innenrippen schaffen eine zusätzliche Fläche für die Wärmeübertragung und produzieren in der Flüssigkeit Wirbel, die die Leistung verbessert.

Obwohl Kupfer eine bessere Wärmeleitung aufweist, wird gewöhnlich Aluminium bei Flugzeug-Flüssigkeitskühlsystemen auf Grund seines geringeren Gewichts bevorzugt. Aluminium hat etwa 50% der Wärmeleitung von Kupfer, aber nur ungefähr 30% der Dichte. (Siehe Abbildung 2.) Durch die Verwendung von Aluminium kann man das beste Verhältnis zwischen Leistung und Gewicht erhalten.

Abbildung 2: Vergleich der Dichten und Wärmeleitungen für Aluminium und KupferAbbildung 2: Vergleich der Dichten
und Wärmeleitungen für Aluminium und Kupfer

Bei Flüssigkeitssystemen in Flugzeugen spielt auch die Verstärkung der Komponenten und der Systeme der Flüssigkeitskühlanlagen eine große Rolle. Flüssigkeitsgekühlte Gehäuse werden gemäß der Stoß-, Schwingungs- und Beschleunigungsanforderungen der MIL-STD-810F, RTCA/DO-160D oder anderer militärischer Standards/Spezifikationen, die vorgeschrieben werden, konstruiert. Vakuumverlötung  garantiert, dass die Gehäuse nicht undicht sind und die strukturelle Integrität aufweisen, die notwendig ist, um den naturgegebenen Kräften, einschließlich Temperaturen zwischen -40°C und 120°C, standzuhalten.

Die meisten flüssigkeitsgekühlten Gehäuse benutzen als Kühlmittel eine Ethylenglykol-Wassermischung (EGW), Öl, Polyalphaolefin (PAO) oder andere dielektrische Flüssigkeiten wie Fluorinert™. Ethylenglykol ermöglicht Frost- als auch Korrosionsschutz, Wasser alleine kann dies nicht leisten, während dielektrische Flüssigkeiten bei Kontakt mit dem Kühlmittel dazu beitragen sensitive Elektronik zu schützen. Die Verwendung von PAO als ein Kühlmittel ist bei Anwendungen der Luft- und Raumfahrt und des Militärs auf Grund seiner dielektrischen Eigenschaften und seines großen Betriebstemperaturbereichs beliebt.

Die Normierungsorganisation VMEbus International Trade Association (VITA) entwickelt ein standardisiertes VITA 48.3 Ruggedized Enhanced Design Implementation (REDI), ein offener Standard für serienmäßig produzierte und kommerziell vertriebene flüssigkeitsgekühlte Gehäuse (liquid-cooled commercial off-the-shelf, COTS). Diese Standards werden die Höhen der Sekundär-Seitenkomponenten, die Abstände zwischen den Karten, das Abmaß für Modulabdeckungen oder Kühlplatten auf jeder Seite usw. spezifizieren. Flüssigkeitsgekühlte Gehäuse ermöglichen mit minimalen Störungseinflüssen auf die Standfläche und ohne Bedarf, die Gehäuse bei jeder technologischen Erneuerung ersetzen zu müssen, eine verbesserte Verbindung zwischen Ablationskühlung und Flüssigkeitskühlung.

Kühlplatten

  Vakuumverlötete Kühlplatten Abbildung 3: Vakuumverlötete Kühlplatten
für Flugzeuge

Kühlplatten sind die Grundlage für flüssigkeitsgekühlte Gehäuse und werden für zeitgesteuerte Kühlung von Radarrechnern, elektronische Gondelmaßnahmen, externe Kontrollsysteme usw. benutzt.
Kühlplattentechnologien umfassen Röhrenkühlplatten, Flachrohrkühlplatten
und Kühlplatten mit Leistungskühlrippen.
Vakuumgelötete Kühlplatten mit Leistungskühlrippen sind die in Flugzeugen am meisten verwendete Kühlplattentechnologie. (Siehe Abbildung 3.) Die Kühlplatten mit Leistungskühlrippen bestehen aus zwei Platten, die metallurgisch über eine innere Kühlrippe verbundenen und meistens vakuumgelötet sind.

Vakuum-verlötete Aluminiumkühlplatten weisen eine große Design-Flexibilität auf und sind ideal für integrierte Kühlungssysteme von Flugzeugen. Kühlplatten ermöglichen direkte Kontaktkühlung für verschiedene von hoher Verdunstleistung betroffene Komponenten, die innerhalb eines sehr engen Raumes in Form und Höhe variieren. Sie können ultradünn hergestellt werden und ohne Einfluss auf die Flugtauglichkeit können sie maschinell bearbeitet und gebohrt und/oder gewindegebohrt werden. Es gibt verschiedenartige Lamellen, die dazu benutzt werden können, die Passage der Kühlplattenflüssigkeit den thermischen Anwendungsbedingungen genaustens anzupassen. Kühlplatten und flüssigkeitsgekühlte Gehäuse werden mit Naben zur Befestigung hergestellt und beidseitige Montage ist eine Option für Kühlplatten. Die Kühlplattenflüssigkeit wird gewöhnlich durch einen Wärmetauscher gekühlt.

Wärmetauscher
 Platten-Lamellen-WärmetauscherAbbildung 4: Platten-Lamellen-Wärmetauscher
 

Lamellenwärmetauscher und Flachrohrwärmetauscher sind zwei Arten von Wärmetauschern, die häufig in Flugzeugen vorzufinden sind. Wärmetauscher werden dazu benutzt, sekundäre Energiesysteme, Hydraulik, Getriebe usw. zu kühlen. Sie werden unter Berücksichtigung von Hochleistungsanwendungen mit Flüssigkeiten, die geringe Wärmeübertragung wie Öl und Ethylenglykol-Lösungen erlauben, gebaut. Aluminium-Lamellenwärmetauscher bestehen aus lamellierten Passagen, die durch flache Platten getrennt sind und die eine besondere interne Konfiguration aufweisen, um die Wärmeübetragung zu maximieren. (Siehe Abbildungen 4 & 5.) Sie weisen das beste Verhältnis zwischen Leistung und Gewicht auf und können für Lufttausch-, Luft/Flüssigkeitstausch- oder Wassertausch-Kühlung verwendet werden. Aluminium-Flachrohrwärmetauscher zeichnen sich durch verschiedene Flachrohre aus, die aus mehreren Kanälen mit erweiterter Oberfläche in jedem Rohr bestehen. Lamellen sind zwischen den Flachrohren vakuum-verlötet und bilden die Passage für die zweite Flüssigkeit. Diese Flachrohre sind eine preiswertere Alternative gegenüber dem Lamellendesign. Beide Arten von Wärmetauschern sind aus Gründen der Verstärkung vakuum-verlötet.

 LamellenwärmetauscherAbbildung 5: Lamellen-Ölkühler-Wärmeaustauscher
für Helikopter-Anwendungen

Wärmetauscher werden oft zur Kühlung von hydraulischem Öl, Maschinenöl und EGW mit RAM-Air mittels eines RAM-Air-Ansaugsystems oder eines Lüfters verwendet. RAM-Air kann auch durch eine Ethylenglykol-Lösung oder durch einen PAO-Kühlkörper ersetzt werden. Zum Beispiel werden PAO manchmal als Zwischenkühlsysteme verwendet, um durch die Kühlung von gasförmigem Stickstoff (GN2) inerter Treibstofftanks die Brandgefahr zu reduzieren. Eine Möglichkeit, die es Ingenieuren erlaubt Raum zu sparen und Gewicht zu minimalisieren, besteht darin, die Flüssigkeiten, die gegenwärtig vom Flugzeug verwendet werden, durch den flüssigen Kühlkreislauf zu führen. Zum Beispiel kann Kraftstoff zur Ölkühlung als Kühlkörper verwendet werden, weil Kraftstoff leicht zur Verfügung steht und somit sich der Bedarf einer zusätzlichen Flüssigkeit an Bord aufhebt. Eine andere Möglichkeit, um Raum zu sparen, besteht darin, einen Wärmetauscher mit verschiedenen Kühkreisläufen zu entwickeln, um gleichzeitig mehrere Flüssigkeiten zu kühlen. Zum Beispiel kann ein 4-Wege-Wärmetauscher dazu verwendet werden, um simultan Luft, Öl und EGW via RAM-Air oder Lüfter zu kühlen.

Abbildung 6: Vergleich der Luftdichte in verschiedenen HöhenAbbildung 6: Vergleich der Luftdichte
in verschiedenen Höhen

Obwohl die Temperatur stets bei Flüssigkeitskühkung zu beachten ist, müssen bei der Benutzung von Wärmetauscher in großer Höhe zusätzlich Luftdichte und Luftdruck berücksichtigt werden.Der Lüfter des Wärmetauschers muss sorgfältig ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass er hinsichtlich der Umgebungsluftdichte ausreichend Luftströmung erzeugt. In großen Höhen ist die Luftdichte signifikant niedriger. (Siehe Abbildung 6.) Es wird für die Entfernung der gleichen Wärmemenge mehr Luftströmung benötigt, weil die gleiche Luftmenge weniger Luftmoleküle für die Wärmeaufnahme besitzt. Zum Beispiel in Meereshöhe und bei Standardtemperatur und Standarddruck der Umgebung (70°F und 14,696 psia) beträgt die Trockenluftdichte 0,075 lb/ft3 oder 1,19 kg/m3. Bei einer Höhe von 25.000 Fuß beträgt die Dichte nur 0,549 kg/m3 – weniger als die Hälfte der Luftdichte in Meereshöhe. Um die Luftströmungsmenge in größeren Höhen zu erhöhen, dürfte sowohl eine höhere volumetrische Luftdurchflussmenge als auch ein größerer Lüfter erforderlich sein. (Siehe ComairRotrons Anwendungshinweis, „Solving High Altitude Cooling Problems”.) Es sollte auch hevorgehoben werden, dass sowohl der Zusatz von Wasserdampf als auch höhere Temperaturen die Luftdichte reduzieren. Die Auswirkungen der Luftfeuchtigkeit auf die Dichte ist jedoch geringer als die Auswirkungen größerer Höhen. Hinzu kommt, dass die Luft in größeren Höhen im allgemeinen signifikant kälter ist als in der Höhe des Meerespiegels. Im Fall von RAM-Air ermöglicht die kalte Luft eine bessere Wärmeübertragung und trägt dazu bei, die durch niedrige Luftdichte erzeugten Betriebsauswirkungen aufzuheben.

Flüssigkeitskühlung kann signifikant bessere Leistung erbringen als ausschließlich Luftkühlung, sie dürfte auch weniger laut als Luftkühlung sein und sie kann ohne Einfluss der Höhe operieren. Ingenieure können die Systemleistung optimieren, indem sie von Luftkühlung auf Flüssigkeitskühlung wechseln. Sie können auch Gewicht und Energieverbrauch reduzieren, weil kein Bedarf für große Lüfter oder für raumgreifende Komponenten besteht. Flüssigkeitsgekühlte Gehäuse, Kühlplatten und Wärmetauscher erlauben eine umfassende Wärmekontrolle für die Kühlung von Flüssigkeiten und elektronischen Anlagen bei Flugzeugen.