特種車載液冷裝置特性分析

張國(guó)華，侯春枝，鐘根仔，江用勝

（1-空軍駐合肥地區(qū)軍事代表室，安徽合肥 237011；2-合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031）

特種車載液冷裝置特性分析

張國(guó)華*1，侯春枝2，鐘根仔2，江用勝2

（1-空軍駐合肥地區(qū)軍事代表室，安徽合肥 237011；2-合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031）

本文依據(jù)特種車載液冷裝置的使用特點(diǎn)，重點(diǎn)論述特種車載液冷裝置工作流程、參數(shù)及負(fù)荷特性、環(huán)境適應(yīng)性、控制及結(jié)構(gòu)模式以及研制過程難點(diǎn)等。本文為特種車載液冷裝置設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供參考。

車載液冷裝置；環(huán)境適應(yīng)性；研制過程

0 引言

目前車載特種電子設(shè)備越來(lái)越高集成化、功率大型化及緊湊化。通過自然對(duì)流散熱無(wú)法滿足散熱要求，因此目前大型車載特種電子設(shè)備越來(lái)越多配置專用的特種車載液冷裝置[1]。特種車載液冷裝置（以下簡(jiǎn)稱“液冷裝置”）與舒適性制冷設(shè)備由于服務(wù)的對(duì)象不同，工作方式也不一樣。舒適性制冷設(shè)備工作方式是高溫時(shí)制冷，低溫時(shí)制熱；而液冷裝置在高溫或低溫時(shí)都要制冷[2]。由于服務(wù)對(duì)象的特殊性，液冷裝置不僅要進(jìn)行常規(guī)的試驗(yàn)檢驗(yàn)，還必須要進(jìn)行一系列的型式試驗(yàn)的考核。本文依據(jù)液冷裝置的使用特點(diǎn)，重點(diǎn)論述了特種液冷裝置工作流程、參數(shù)及負(fù)荷特性、環(huán)境適應(yīng)性、控制及結(jié)構(gòu)模式以及研制過程難點(diǎn)等方面。

1 工作流程及組成

液冷裝置的工作模式有常規(guī)空氣-水換熱以及壓縮機(jī)制冷兩種工作模式。當(dāng)環(huán)境溫度低于≤5 ℃時(shí)，液冷裝置按液冷模式運(yùn)行。液冷模式時(shí)，電子設(shè)備產(chǎn)生的熱負(fù)荷全部由空氣-水換熱器承擔(dān)。當(dāng)環(huán)境溫度＞5 ℃時(shí)，液冷裝置按制冷模式運(yùn)行。制冷模式時(shí)，電子設(shè)備產(chǎn)生的熱負(fù)荷全部由壓縮機(jī)制冷承擔(dān)。兩種工作模式的基本原理都是將熱量通過環(huán)境空氣直接或間接的散發(fā)出去。液冷裝置的工作原理如圖1所示。

液冷裝置一般分為室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)和電氣控制組合三大部分。室內(nèi)機(jī)主要包括：循環(huán)水泵、儲(chǔ)水箱、電加熱器、膨脹水箱、冷卻液電磁閥、系統(tǒng)管路和管路附件以及溫度、流量等參數(shù)檢測(cè)元件等；室外機(jī)主要包括：壓縮機(jī)、集成式換熱器、軸流式風(fēng)機(jī)、板式蒸發(fā)器、儲(chǔ)液器以及制冷配件和制冷系統(tǒng)管路等；電氣控制組合主要包括控制箱、控制面板、顯示屏、供電和控制電纜等。

圖1 液冷裝置原理圖

2 參數(shù)特性

依據(jù)服務(wù)對(duì)象的散熱特性，液冷裝置特性參數(shù)主要包括冷卻液流量、供液壓力和供液溫度。

2.1 冷卻液流量和供液壓力參數(shù)特性

液冷裝置冷卻液流量和供液壓力的影響因素有循環(huán)水泵參數(shù)以及系統(tǒng)總的阻力損失。當(dāng)循環(huán)水泵型號(hào)選定后，其參數(shù)不會(huì)發(fā)生變化。因此液冷裝置的冷卻液流量和供液壓力取決于系統(tǒng)總的阻力損失。液冷裝置總的阻力損失與冷卻液的黏度有關(guān)。冷卻液的黏度越大，液冷裝置總的阻力損失越大，供液壓力相應(yīng)要增大，冷卻液流量相應(yīng)要減小，反之亦然。

由于液冷裝置的環(huán)境溫度為-40 ℃～+50 ℃，環(huán)境溫度范圍與常用空調(diào)裝置相比較寬。為了適應(yīng)低溫環(huán)境，液冷裝置使用的冷卻液一般為冰點(diǎn)低于-45 ℃乙二醇水溶液。冰點(diǎn)為-45 ℃乙二醇水溶液的濃度達(dá)到了56%。56%乙二醇水溶液的黏度比水的黏度大，而且隨著溫度的下降，其黏度變大。圖2所示是水和56%乙二醇水溶液的黏度隨溫度變化的曲線圖[1]。從圖2中可以看出，隨著液冷裝置供液溫度的降低，冷卻液的黏度增大。因此隨著液冷裝置供液溫度的降低，供液壓力在增大，冷卻液流量在減小，反之亦然。

液冷裝置冷卻液流量及供液壓力隨供液溫度的變化特性，對(duì)服務(wù)對(duì)象可能產(chǎn)生的影響主要有兩個(gè)方面：散熱和承壓。

圖2 水與乙二醇水溶液隨溫度變化曲線圖

對(duì)服務(wù)對(duì)象換熱影響因素主要有冷卻液流量、換熱溫差以及向周圍環(huán)境的自然散熱。不利因素體現(xiàn)為：在低溫情況下，冷卻液流量降低，這對(duì)服務(wù)對(duì)象散熱是不利的。

有利因素體現(xiàn)為：1）在低溫情況下，供液溫度比設(shè)定值低得多，這就意味著服務(wù)對(duì)象可實(shí)現(xiàn)的換熱溫差比常規(guī)工況的換熱溫差大，這對(duì)服務(wù)對(duì)象散熱是有利的；2）低溫情況下由于換熱溫差大，服務(wù)對(duì)象向周圍環(huán)境的自然散熱比常規(guī)工況散熱量高。

目前關(guān)于上述因素對(duì)服務(wù)對(duì)象散熱綜合影響的理論分析處于起步階段。在項(xiàng)目試驗(yàn)和運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，如果在常溫工況滿足散熱要求，在低溫情況下也可以滿足散熱要求。

在服務(wù)對(duì)象的承壓方面，隨著供液溫度的降低，液冷裝置的供液壓力越來(lái)越大，因此服務(wù)對(duì)象的承壓也越來(lái)越大。受到循環(huán)水泵揚(yáng)程的限制，服務(wù)對(duì)象的承壓不會(huì)無(wú)限增大，最大承壓不會(huì)超過循環(huán)水泵的最大供液壓力。因此，在服務(wù)對(duì)象的耐壓設(shè)計(jì)方面，不能以液冷裝置在常溫工況下的供液壓力為依據(jù)，必須要以液冷裝置在低溫情況下的最大供液壓力為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 供液溫度控制

在液冷裝置的供液溫度控制方面主要考慮以下幾個(gè)因素[3-4]：

1）環(huán)境溫度較高時(shí)防止電子元器件表面凝露；

2）盡可能為電子元器件提供舒適的溫度；

3）考慮液冷裝置工作的穩(wěn)定性。

目前液冷裝置的供液溫度控制方法主要有以下三種。

1）依據(jù)環(huán)境溫度劃分設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)供液溫度設(shè)定值。這種方法對(duì)液冷裝置工作的穩(wěn)定性最有利，但在電子元器件防凝露以及盡可能為電子元器件提供舒適的溫度兩者之間不能兼顧。

2）依據(jù)環(huán)境溫度T1和固定溫度差值Δt，將供液溫度設(shè)定值T2按以下公式進(jìn)行設(shè)定：

式中：

T1——環(huán)境溫度，取整數(shù)，℃；

T2——供液溫度設(shè)定值，℃；

Δt——固定溫度差值，℃。

這種分步控制法有效兼顧了以上三個(gè)因素，是比較常用的穩(wěn)定的控制方法。

3）供液溫度設(shè)定為濕球溫度。在服務(wù)對(duì)象外面安裝溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)探測(cè)環(huán)境空氣的溫濕度，由控制程序?qū)崟r(shí)計(jì)算出空氣的濕球溫度，并將實(shí)時(shí)的濕球溫度設(shè)定為供液溫度。這種方法能有效地防止電子元器件表面凝露，給電子元?dú)饧峁┦孢m的溫度，但是設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性降低。

3 負(fù)荷適應(yīng)性

液冷裝置熱負(fù)荷主要由服務(wù)對(duì)象工作特性以及外界環(huán)境決定。服務(wù)對(duì)象的發(fā)熱特性由其工作特性決定。在全壽命周期內(nèi)，服務(wù)對(duì)象工作模式一般分為維修調(diào)試模式、演練模式、部分功率模式以及全功率模式等，每個(gè)模式的發(fā)熱量不同。外界環(huán)境因素主要包括環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射。因此液冷裝置的熱負(fù)荷是變化的，而且變化范圍比較大。液冷裝置要適應(yīng)這種變化，必須具有靈活的能量調(diào)節(jié)能力[5]。液冷裝置的能量調(diào)節(jié)方式主要由所采用的壓縮機(jī)形式?jīng)Q定?；钊綁嚎s機(jī)采用調(diào)節(jié)工作氣缸數(shù)進(jìn)行能量調(diào)節(jié)；渦旋壓縮機(jī)采用多機(jī)并聯(lián)分別啟停的控制方式進(jìn)行能量調(diào)節(jié)。若服務(wù)對(duì)象發(fā)熱量比較大，還可通過把液冷裝置分成若干個(gè)模塊的方式，根據(jù)熱負(fù)荷大小控制模塊工作個(gè)數(shù)。

4 環(huán)境適應(yīng)性

液冷裝置由于其特殊的使用場(chǎng)合，必須適應(yīng)一系列的特殊環(huán)境。液冷裝置特殊的環(huán)境主要包括溫濕度環(huán)境、振動(dòng)環(huán)境、低氣壓環(huán)境、電磁兼容試驗(yàn)、腐蝕環(huán)境、沙塵環(huán)境、風(fēng)及太陽(yáng)輻射環(huán)境等。為驗(yàn)證液冷裝置在所處的各種環(huán)境條件下都能夠正常工作，液冷裝置要進(jìn)行各種環(huán)境適用性試驗(yàn)。依據(jù)GJB 150《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》[6]，液冷裝置要進(jìn)行高溫工作試驗(yàn)、高溫貯存試驗(yàn)、低溫工作試驗(yàn)、低溫貯存試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、淋雨試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、公路運(yùn)輸試驗(yàn)、低氣壓試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、霉菌試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、砂塵試驗(yàn)、風(fēng)試驗(yàn)和太陽(yáng)輻射試驗(yàn)等。液冷裝置要有效適應(yīng)試驗(yàn)環(huán)境，必須要在液冷裝置設(shè)計(jì)上進(jìn)行統(tǒng)籌考慮[7-8]。

在零部件選型和材料選擇方面，選擇適應(yīng)工作溫度范圍的零部件，材料則選用不銹鋼材料，不銹鋼材質(zhì)為316、316lL等。

在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)充分考慮減振抗振，重要部件應(yīng)采取安裝減振器等措施；在振動(dòng)部件的接口處設(shè)置繞性軟接，減小振動(dòng)傳遞；各部件、管路等應(yīng)采取措施充分固定，保證抗振性能。

在工藝設(shè)計(jì)上，液冷裝置必須進(jìn)行三防設(shè)計(jì)，如設(shè)備的表面防護(hù)采用耐腐蝕的涂料及熱噴涂金屬、與外界的接口處采用密封膠密封等措施。

5 控制模式及特點(diǎn)

控制模式方面，液冷裝置依據(jù)正常工作、調(diào)試檢修及應(yīng)急等工作模式，相對(duì)應(yīng)地采取自動(dòng)、手動(dòng)和強(qiáng)制等控制模式。在自動(dòng)模式下，液冷裝置可以一鍵啟停，設(shè)備安裝既定的控制程序進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行[9]。在手動(dòng)模式下，可對(duì)液冷裝置的各部件進(jìn)行單獨(dú)啟停，方便調(diào)試和檢修。當(dāng)液冷裝置的主控制器失效時(shí)，可以通過強(qiáng)制模式對(duì)設(shè)備的各部件進(jìn)行啟停。

在顯示指示方面，一般液冷裝置配有顯示屏，顯示設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、各部件運(yùn)行狀態(tài)指示、故障名稱等。

另外，液冷裝置控制系統(tǒng)必須要考慮設(shè)備的可測(cè)試性。液冷裝置的故障通過控制系統(tǒng)可以進(jìn)行準(zhǔn)確的定位和顯示。

6 結(jié)構(gòu)特性

液冷裝置的結(jié)構(gòu)分為室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)，大型液冷裝置一般會(huì)采用獨(dú)立整體的方式。無(wú)論是分體式還是整體式，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮設(shè)備的可維修性，考慮每個(gè)零部件都能方便地安裝和拆卸。同時(shí)，考慮到液冷裝置為車載設(shè)備，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮車載環(huán)境因素如運(yùn)輸振動(dòng)等。設(shè)備要有足夠的強(qiáng)度，要采取合理減振抗振措施[10]。

7 研制過程難點(diǎn)分析

1）生產(chǎn)批量少

電子設(shè)備發(fā)展比較快，設(shè)備的更新?lián)Q代周期短，因此特種電子設(shè)備不會(huì)大批量建造。因此液冷裝置不會(huì)像普通空調(diào)那樣做到批量生產(chǎn)，而且又是非標(biāo)產(chǎn)品，制造質(zhì)量控制比較難。

2）試驗(yàn)較多

液冷裝置在研制期間不僅要進(jìn)行各種性能測(cè)試等例行試驗(yàn)，還要進(jìn)行各型式試驗(yàn)，如高低溫試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)等，而且試驗(yàn)條件比較苛刻。在設(shè)備定型后進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段，也要進(jìn)行批次抽檢型式試驗(yàn)。

3）研制周期較長(zhǎng)

由于電子系統(tǒng)和設(shè)備有上述特殊問題，因此無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，研制周期都很長(zhǎng)。以艦載雷達(dá)為例，美國(guó)的AN/SPY-1艦用相控陣?yán)走_(dá)研制14年，而專用液冷裝置作為特種電子設(shè)備的配套產(chǎn)品，其研制周期可想而知。

4）所需經(jīng)費(fèi)大

由于環(huán)境復(fù)雜、使用要求高、技術(shù)難度大、研制周期長(zhǎng)、生產(chǎn)批量少，加之對(duì)材料的防腐等要求較高，因此研制液冷裝置所需的經(jīng)費(fèi)比普通的空調(diào)機(jī)組要貴得多[11]。

8 結(jié)束語(yǔ)

目前，液冷裝置應(yīng)用越來(lái)越廣泛，深入了解和研究液冷裝置各種特性顯得非常重要。本文主要從以下幾方面進(jìn)行論述：

1）液冷裝置的流程特點(diǎn)和主要參數(shù)特性；

2）分析液冷裝置熱負(fù)荷和環(huán)境因素的復(fù)雜性，強(qiáng)調(diào)了液冷裝置負(fù)荷和環(huán)境的適應(yīng)性；

3）對(duì)液冷裝置在控制、結(jié)構(gòu)以及研制過程難點(diǎn)等方面進(jìn)行了表述。

從以上方面論述，說(shuō)明特種車載液冷裝置產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)過程中的特殊性，為今后特種車載液冷裝置同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)等方面提供參考。

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Characteristics Analysis of Special Vehicle Liquid-cooled Device

ZHANG Guo-hua*1,HOU Chun-zhi2,ZHONG Gen-zai2,JIANG Yong-sheng2
(1-PLA Air Force Military Representative Office in Hefei,Anhui 237011,China;2-Hefei General Machinery Research Institute,Hefei,Anhui 230031,China)

According to the use characteristics of special vehicle liquid-cooled device,its working process,parameter and load characteristics,environmental adaptability,control and structural mode,and the difficulties of development process,etc were discussed emphatically.It would provide a reference for the design and test of special vehicle liquid-cooled device.

Vehicle liquid-cooled device;Environmental adaptability;Development process

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.206

*張國(guó)華（1968-），男，高工。研究方向：雷達(dá)總體、特種機(jī)電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督。聯(lián)系地址：安徽六安市經(jīng)開區(qū)緯一路，郵編：237011。聯(lián)系電話：0564-3395868。E-mail：zhl736@gmail.com。