循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)在艦載密閉式電子機(jī)柜中的應(yīng)用與分析

丁東旭， 郭 新， 魏紀(jì)君， 袁廣超， 侯春枝， 江用勝

（1.合肥通用機(jī)械研究院安徽合肥2300 882.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東廣州5108 00）

0 引言

近年來(lái)，艦載電子設(shè)備多采用密閉式電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)，艦載電子設(shè)備的熱流密度不斷增加，電子設(shè)備的主要故障形式為過(guò)熱損壞，因此對(duì)電子設(shè)備的有效散熱是提高產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵，散熱性成為技術(shù)攻克的要點(diǎn)。

早在上世紀(jì)末，徐伯遐[1]已經(jīng)對(duì)海上惡劣的自然環(huán)境對(duì)艦載電子設(shè)備的影響作出了論述，認(rèn)為高溫、高濕是影響艦載電子設(shè)備有效運(yùn)作的主要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，55%的電子設(shè)備失效是由溫度過(guò)高引起的。文獻(xiàn)[2]強(qiáng)迫空氣冷卻的制冷方法，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、使用方便、可靠性高、成本低廉，但是機(jī)柜內(nèi)電路模塊直接暴露在海上惡劣氣候環(huán)境下，受高溫、潮濕、鹽霧、霉菌、灰塵等因素綜合影響，電路的失效率高，使得設(shè)備可靠性也大大降低。所以有效地控制機(jī)柜內(nèi)的溫濕度就成為提高艦載電子裝備抗惡劣環(huán)境能力的重要途徑。

圖1 循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)原理示意圖

圖2 送風(fēng)溫度及濕度對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度

低溫低濕的環(huán)境要求就成了改善問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)，密閉式電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)很好的符合了要求，其循環(huán)風(fēng)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部處理，對(duì)密閉式電子機(jī)柜內(nèi)的元器件進(jìn)行換熱，該換熱方式避免電子元器件直接與大氣進(jìn)行接觸，避免大氣的水份和灰塵進(jìn)入機(jī)柜，同時(shí)能對(duì)機(jī)柜內(nèi)存在的空氣水份進(jìn)行處理，保持機(jī)柜內(nèi)的干燥，減少對(duì)電子設(shè)備的損壞。循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)的研究，能有效解決艦載電子設(shè)備的散熱，同時(shí)整體環(huán)境防護(hù)能力，使其有效地避開(kāi)海上惡劣的環(huán)境、嚴(yán)酷的電子兼容性和機(jī)械環(huán)境的要求，提高艦載電子設(shè)備的可靠性以及穩(wěn)定性。

1 循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)原理

循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)主要由制冷系統(tǒng)（包括：壓縮機(jī)，水冷冷凝器，膨脹閥，蒸發(fā)器，冷凝回?zé)崞鳎┮约把h(huán)風(fēng)系統(tǒng)（包括：高壓風(fēng)機(jī)，空氣過(guò)濾器，擋水板，通風(fēng)管路）組成。循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。

2 循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 空氣品質(zhì)處理技術(shù)

根據(jù)電子設(shè)備風(fēng)溫度約21℃，濕度≤55%的指標(biāo)要求，采用露點(diǎn)控制法對(duì)空氣溫度和濕度進(jìn)行處理，以保證空氣的品質(zhì)。被處理的空氣通過(guò)蒸發(fā)器之后的溫度稱為露點(diǎn)溫度，露點(diǎn)控制法就是使運(yùn)行中控制機(jī)組露點(diǎn)溫度不變，其相對(duì)濕度接近飽和狀態(tài)，達(dá)到95%，送風(fēng)溫度和濕度對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度如圖2所示。

圖3 空氣處理過(guò)程圖

因電子設(shè)備為密閉式電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)，密閉式電子機(jī)柜只有電子元器件的熱耗，無(wú)濕度的增加，在密閉式空間內(nèi)的余熱發(fā)生變化而余濕不變的情況下固定露點(diǎn)，只要調(diào)節(jié)二次加熱器的加熱量就可保證送風(fēng)狀態(tài)不變。保證空調(diào)機(jī)中的露點(diǎn)溫度不變，送風(fēng)狀態(tài)也有了保證。

圖40 kW及18 kW溫度及濕度曲線

采用露點(diǎn)控制法的優(yōu)越性是：無(wú)論室外新風(fēng)狀態(tài)怎樣變化，只要露點(diǎn)不變，調(diào)節(jié)就會(huì)變得行之有效。露點(diǎn)控制法的缺點(diǎn)在于將回風(fēng)溫度處理到露點(diǎn)以下，然后將溫度進(jìn)行升高，達(dá)到送風(fēng)溫度和濕度的要求。

2.2 冷凝回?zé)峒夹g(shù)應(yīng)用

露點(diǎn)控制法，其缺點(diǎn)在于將回風(fēng)溫度處理到露點(diǎn)以下，然后將溫度進(jìn)行升高，達(dá)到送風(fēng)溫度和濕度的要求。對(duì)于需將溫度升高，應(yīng)用了冷凝回?zé)峒夹g(shù)。

在圖3過(guò)程L-O，該過(guò)程需進(jìn)行加熱處理，為此，我們采用冷凝回?zé)峒夹g(shù)。空調(diào)機(jī)在制冷時(shí)，經(jīng)制冷壓縮機(jī)壓縮后的高溫制冷工質(zhì)通過(guò)冷凝器和冷卻水將熱量排放到室外，這種熱量稱為制冷設(shè)備的廢熱，并會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成熱污染。由于廢熱包括從室內(nèi)（“低溫?zé)嵩础保С龅臒崃亢椭评錂C(jī)消耗外界能量做功產(chǎn)生的熱量，因此廢熱量比制冷量更大。若將此廢熱回收利用，不僅可以減少環(huán)境污染，還可以達(dá)到節(jié)能的目的。冷凝回?zé)峒夹g(shù)利用壓縮機(jī)排出的高溫高壓的制冷劑蒸汽，在L-O過(guò)程中，對(duì)處理空氣溫度進(jìn)行加熱，并對(duì)排除的蒸汽量進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到送風(fēng)溫度和濕度的要求，并達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2.3 針對(duì)海水環(huán)境適應(yīng)性好

循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)，其海水冷凝器采用海水直流冷卻方式，其冷卻效率高，系統(tǒng)運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，但是存在海水對(duì)金屬材料的腐蝕較大等問(wèn)題。殼管式冷凝器在國(guó)內(nèi)外運(yùn)用的比較成熟，其特點(diǎn)就在于采用耐海水腐蝕的換熱管，換熱管為白銅管，白銅在海水中具有較高的耐蝕性，由于銅具有高的正電位，銅不能置換氫，因此在空氣、水溶液、非氧化性酸、有機(jī)酸和非氧化性有機(jī)化合物介質(zhì)中均有良好的耐蝕性，特別是在流動(dòng)的淡水和海水中具有優(yōu)良的耐蝕性能，在海洋條件下，海洋生物不能附著。端蓋采用鑄鋁青銅材料，在海水環(huán)境中應(yīng)用也比較廣泛。

圖50 kW及18 kW風(fēng)壓及風(fēng)量曲線

圖60 kW及18 kW三通閥開(kāi)度及回?zé)衢y開(kāi)度

在其他防腐措施上，應(yīng)用了犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法?，F(xiàn)在船舶上主要采用鋅陽(yáng)極，對(duì)此可以在端蓋上安裝鋅棒進(jìn)行對(duì)殼管式冷凝器的進(jìn)一步保護(hù)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 技術(shù)指標(biāo)要求

某艦用電子設(shè)備應(yīng)用環(huán)境為-10～55℃，某電子設(shè)備（密閉式電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)）負(fù)荷為15 kW，電子設(shè)備需要供風(fēng)量為5500 m3/h，風(fēng)阻為1200 Pa，要求供風(fēng)溫度為21±3℃，供風(fēng)濕度小于55%。三通閥開(kāi)度5%～100%，回?zé)衢y開(kāi)度0%～100%。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

在循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)總裝完成后，對(duì)循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在外部設(shè)置0 kW以及18 kW的模擬負(fù)荷，對(duì)送風(fēng)溫度和送風(fēng)相對(duì)濕度進(jìn)行記錄并進(jìn)行比較。對(duì)比如圖4所示；對(duì)送風(fēng)風(fēng)壓及風(fēng)量進(jìn)行記錄并對(duì)比，對(duì)比如圖5所示；對(duì)三通閥開(kāi)度和回?zé)衢y開(kāi)度進(jìn)行記錄并對(duì)比，對(duì)比如圖6所示。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)在模擬負(fù)荷變化時(shí)，送風(fēng)溫度和濕度能滿足指標(biāo)要求，滿足使用要求；在負(fù)荷變化時(shí)，回?zé)衢y能在正常閥位工作，達(dá)到節(jié)能的目的。圖4、圖5和圖6充分證明了循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)應(yīng)用的合理性、可靠性和穩(wěn)定性，完全滿足電子機(jī)柜負(fù)荷的變化。

4 結(jié)語(yǔ)

密閉機(jī)柜為艦用電子設(shè)備所提供的良好工作環(huán)境，降低了對(duì)元器件應(yīng)用等級(jí)的要求，有利于工業(yè)級(jí)民品元器件或非加固計(jì)算機(jī)在軍事電子裝備中的廣泛采用。循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)在密閉式電子機(jī)柜上的應(yīng)用，解決了密閉式電子機(jī)柜的散熱問(wèn)題，并提供高品質(zhì)送風(fēng)的保證，在使用過(guò)程中，有效節(jié)能措施的應(yīng)用，對(duì)密閉式電子機(jī)柜的應(yīng)用推廣有著重要深遠(yuǎn)的意義。

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