集成冷卻系統(tǒng)設(shè)計

魏紅軍

(遼寧遼無一電子有限公司， 遼寧 遼陽 111010)

集成冷卻系統(tǒng)設(shè)計

魏紅軍

(遼寧遼無一電子有限公司， 遼寧 遼陽 111010)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，為了充分利用設(shè)備空間、減少系統(tǒng)耗電，對設(shè)備艙的冷卻系統(tǒng)進行了研究。通過對風(fēng)冷源及液冷源的集成布局及控制優(yōu)化，確定了集成冷卻系統(tǒng)的方案。介紹了集成冷卻系統(tǒng)的工作原理，結(jié)合產(chǎn)品的特點進行優(yōu)化，設(shè)計出了符合產(chǎn)品要求的冷卻系統(tǒng)。

集成冷卻系統(tǒng)；設(shè)備艙；優(yōu)化設(shè)計

引 言

軍事電子設(shè)備通常工作在溫度非常高的熱環(huán)境中，較嚴(yán)酷熱環(huán)境對大多數(shù)電子設(shè)備的正常工作產(chǎn)生嚴(yán)重影響，導(dǎo)致電子元器件的失效，進而導(dǎo)致整個設(shè)備的失效[1]。隨著電子元器件的小型化、微小型化，集成電路的高集成化和微組裝等，對電子設(shè)備的熱設(shè)計要求也越來越高。

雷達系統(tǒng)的設(shè)備艙主要裝載發(fā)射設(shè)備、接收設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、電源等，由于艙內(nèi)設(shè)備有耗散熱量，為了滿足設(shè)備的使用要求，需要對設(shè)備及艙內(nèi)環(huán)境進行溫度調(diào)節(jié)。由于該系統(tǒng)的空間布局及耗電的限制，不能利用體積較大及耗電過大的設(shè)備，所以采用一種將風(fēng)冷源與液冷源集成安裝，集中控制的集成冷卻系統(tǒng)。

1 設(shè)計要求

1.1 環(huán)境適應(yīng)性

集成冷卻系統(tǒng)在下列條件下應(yīng)能正常工作：

1)使用環(huán)境溫度在-40 ℃～50 ℃之間，相對濕度為95±3%(30 ℃時)；

2)在海拔高度4 500 m以下露天工作；

3)可以在一定角度和周期的振動、沖擊等情況下穩(wěn)定工作。

1.2 性能要求

集成冷卻系統(tǒng)主要提供兩路冷卻介質(zhì)，分別對設(shè)備及艙內(nèi)環(huán)境進行溫度調(diào)節(jié)。

1)冷卻能力≥5 kW；

2)冷卻方式：液冷+風(fēng)冷；

3)供液流量≥1.5 m3/h，供液壓力≥0.4 MPa，供液溫度≤57 ℃；

4)風(fēng)量為350 m3/h，風(fēng)壓≥150 Pa；

5)設(shè)備使用溫度≤65 ℃，艙內(nèi)環(huán)境溫度≤35 ℃；

6)最大耗電功率≤2.5 kW(380 V)。

2 方案設(shè)計及設(shè)備組成

設(shè)備艙工作在露天環(huán)境，使用環(huán)境比較惡劣。設(shè)備艙外部主要受高低溫、濕熱、低氣壓、太陽輻射、沙塵等影響，內(nèi)部主要由發(fā)熱設(shè)備產(chǎn)生的大量熱量使艙內(nèi)溫度升高，影響設(shè)備的正常工作。為了保證設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備的正常工作，需采用冷卻系統(tǒng)對艙內(nèi)環(huán)境及設(shè)備進行冷卻。

電子設(shè)備冷卻方式選擇的依據(jù)主要是電子元器件、電子設(shè)備的發(fā)熱密度(即單位面積耗散功率)，其次是元器件的工作狀態(tài)，設(shè)備的復(fù)雜性、空間、功耗，環(huán)境條件及經(jīng)濟性。綜合考慮各方面因素，使電子設(shè)備既能滿足熱設(shè)計要求，又能達到電氣性能指標(biāo)，且所用代價最小，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠。常用冷卻技術(shù)的單位面積最大功耗見表1[2]。

表1 常用冷卻技術(shù)的單位面積最大功耗

根據(jù)設(shè)備艙及設(shè)備的熱耗密度分析，設(shè)備艙內(nèi)環(huán)境應(yīng)采用強迫風(fēng)冷進行冷卻，設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備需要采用液體冷卻。由于受設(shè)備安裝空間及冷卻設(shè)備功耗的限制，擬采用風(fēng)冷源與液冷源集成安裝的集成冷卻系統(tǒng)。

風(fēng)冷源主要由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、風(fēng)機、膨脹閥和電控箱組成，液冷源主要由換熱器、風(fēng)機、水箱、電加熱、水泵、電控箱和各類傳感器組成。集成冷卻系統(tǒng)設(shè)備布局如圖1所示。

圖1 集成冷卻系統(tǒng)設(shè)備布局

3 工作原理

3.1 風(fēng)冷源工作原理

風(fēng)冷源主要為壓縮制冷，主要利用制冷劑氟里昂(R22)在低壓下汽化吸熱的特性，通過風(fēng)機將冷卻的空氣送入設(shè)備艙中，降低設(shè)備艙內(nèi)溫度。

制冷系統(tǒng)中壓縮機將低壓制冷劑氣體吸入，壓縮為高溫高壓氣體后送入管帶式冷凝器，高溫高壓的制冷劑氣體在管帶式冷凝器中與設(shè)備艙外空氣進行熱交換后冷凝為低溫低壓液體，經(jīng)膨脹閥節(jié)流后進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收設(shè)備艙內(nèi)空氣的熱量后汽化為低溫低壓氣體，重新進入壓縮機，完成一次制冷循環(huán)。風(fēng)冷源系統(tǒng)流程示意圖見圖2。

圖2 風(fēng)冷源系統(tǒng)流程示意圖

3.2 液冷源工作原理

供液泵工作使低溫冷卻液流經(jīng)負(fù)載，通過熱交換將熱量帶走形成高溫冷卻液，通過常規(guī)換熱器在冷卻風(fēng)機的強制換熱作用下，將熱量排出到大氣中，低溫冷卻液回到水箱。液冷源系統(tǒng)流程示意圖見圖3。

圖3 液冷源系統(tǒng)流程示意圖

4 主要設(shè)備選型

4.1 供液泵

系統(tǒng)沿程水頭損失：

Pm=i×L=38 140 Pa

式中：i為單位長度沿程水頭損失，Pa/m，查表在流量1.5 m3/h、水速2.36 m/s的情況下，i=7 628 Pa/m；L為管路長度，取5 m。

局部阻力損失見表2，總計Pj=146 250 Pa。

表2 局部阻力損失

則系統(tǒng)沿程總阻力損失：

Pk=Pm+Pj=184 390 Pa≈0.2 MPa

設(shè)備總阻力損失：

P總=P+Pk=0.6 MPa

所以泵所需揚程為60 m。

選用佩德羅的PQ100型臥式不銹鋼供液泵，流量為1.5 m3/h，揚程為65 m，功率為1.1 kW，能夠滿足系統(tǒng)要求。

4.2 流量傳感器

主管路上安裝流量傳感器，流量傳感器選用渦輪式流量傳感器(低溫系列，測量精度為±0.5%)，滿足流量為0～4 m3/h的系統(tǒng)配置要求；流量傳感器的葉輪及管體均為雙相不銹鋼材質(zhì)，從而保證流量傳感器的可靠性。

4.3 壓力傳感器

液冷源設(shè)備內(nèi)循環(huán)供液壓力檢測采用P499壓力傳感器，傳感器將采集的0.4～20 mA信號傳送到PLC，可通過PLC對壓力報警上下限進行設(shè)定。

壓力傳感器主要參數(shù)如下：

1)輸出信號：0.4～20 mA；

2)主體材料：316L不銹鋼；

3)測量范圍：0～30 bar。

4.4 溫度傳感器

供液管路上安裝溫度傳感器，溫度傳感器選用標(biāo)準(zhǔn)PT100一體化溫度傳感器(量程為-100℃～100℃，控制精度為±0.1℃)，滿足系統(tǒng)存儲溫度-40 ℃～65 ℃的配置要求。溫度傳感器輸出信號為4～20 mA信號，該信號具有測溫準(zhǔn)確，應(yīng)用范圍廣，互換性、一致性、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。

4.5 壓縮機

根據(jù)設(shè)計要求，壓縮機選用SD134CV，其功耗為0.4 kW，電流為1.1 A。

5 電氣設(shè)計

5.1 控制與保護

機組電氣控制以電路板為核心，實現(xiàn)環(huán)境溫度、供液溫度、供液壓力、供液流量等數(shù)據(jù)的采集以及供液泵、冷風(fēng)機、壓縮機等執(zhí)行設(shè)備的工作狀態(tài)監(jiān)控和操控。電控面板上裝有電路板，能實時顯示環(huán)境溫度、供液溫度、供液流量、供液壓力等。

提供電源異常保護、壓縮機過載保護、風(fēng)機過載保護、水泵過載保護、供液壓力越限報警、供液流量越限報警、供液溫度越限報警、液位低報警等。

5.2 電氣控制

電氣控制采用電路板控制，通過數(shù)碼管查詢環(huán)境溫度、供液溫度、供液流量、供液壓力等測量參數(shù)；通過面板指示燈監(jiān)控各執(zhí)行設(shè)備的運行狀態(tài)；通過面板按鈕操控機組工作；通過數(shù)碼管顯示故障代碼，判斷機組存在何種故障。

機組控制模式分為手動和自動。手動模式下，按下各執(zhí)行設(shè)備所對應(yīng)的操作按鍵即可控制相應(yīng)設(shè)備運行；自動模式下，確保設(shè)定溫度和切換溫度正確的情況下，按下“開/關(guān)”按鍵，機組按照給定條件有步驟地控制冷風(fēng)機、壓縮機的啟停。

5.3 控制邏輯

系統(tǒng)通電，通過溫度傳感器判斷水箱溫度。若水箱溫度低于0 ℃，電加熱工作，否則電加熱不工作。水箱溫度滿足0 ℃以上，供液泵工作。

供液泵運行，同時比較環(huán)境溫度與設(shè)定溫度，若環(huán)境溫度大于設(shè)定溫度，機組進入壓縮制冷模式；反之，則進入常規(guī)換熱模式。

6 結(jié)束語

在當(dāng)前冷卻系統(tǒng)的設(shè)計中，如何綜合運用冷卻系統(tǒng)的功能、冷卻系統(tǒng)的可用性與維修性、冷卻系統(tǒng)的經(jīng)濟性等一些基本設(shè)計原則來研制有效的冷卻方案，是設(shè)計師面臨的主要問題。該方案主要根據(jù)具體的設(shè)計要求，綜合風(fēng)冷及液冷的優(yōu)勢，合理地將空調(diào)機及液冷機集成在一起，即滿足了系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，又合理地利用了現(xiàn)有空間。實際應(yīng)用證明，該冷卻方案合理可行。

[1] 薛晨輝. 大功率密封機箱的熱設(shè)計[J]. 電子機械工程, 2005, 21(6): 4-7, 24.

[2] 王建石. 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)手冊[M]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2001.

[3] 平麗浩, 黃普慶, 張潤逵. 雷達結(jié)構(gòu)與工藝[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[4] 平麗浩, 錢吉裕, 徐德好. 電子裝備熱控新技術(shù)綜述(上)[J]. 電子機械工程, 2008, 24(1): 1-10.

[5] 張旭. 超級計算機熱設(shè)計[J]. 電子機械工程, 2003, 19(2): 9-14, 17.

魏紅軍(1973-)，男，工程師，主要從事雷達結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作。

Design for Integrated Cooling System

WEI Hong-jun

(LiaoningLiaowuyiElectronicCo.,Ltd.,Liaoyang111010,China)

Based on the system design requirements, in order to make full use of cabinet space and reduce system power consumption, the cooling system of the equipment cabinet is studied in this article. Through the integration layout of air cooling source and liquid cooling source and control optimization, the scheme of the integrated cooling system is determined. The working principle of the integrated cooling system is introduced. Considering the characteristics of the product system, optimization is carried out to realize the cooling system satisfying the products requirements.

integrated cooling system; equipment cabinet; optimization design

2014-02-14

TK124；TK414.2

A

1008-5300(2014)04-0012-03