基于壓縮制冷的便攜式特種電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)

祁成武 尹本浩 王延 陳東

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所 成都 610036）

基于壓縮制冷的便攜式特種電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)

祁成武 尹本浩 王延 陳東

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所 成都 610036）

本文基于壓縮制冷循環(huán)研制了一套用于軍用特種電子設(shè)備的小型冷卻系統(tǒng)，用于解決便攜式特種電子設(shè)備在高溫環(huán)境下的散熱問題。通過選用微型高效的制冷部件，實(shí)現(xiàn)了微型壓縮制冷和設(shè)備的集成。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了變工況的性能測(cè)試，結(jié)果表明：在環(huán)境溫度40℃的工況下，冷卻系統(tǒng)供風(fēng)溫度小于15℃，制冷量不低于300 W，解決了特種電子設(shè)備在戶外高溫環(huán)境下的使用問題。

電子設(shè)備冷卻；制冷量；集成

軍用特種電子設(shè)備正朝著小型化和高度集成的方向發(fā)展，導(dǎo)致電子設(shè)備的散熱問題越來越嚴(yán)重。傳統(tǒng)的電子設(shè)備冷卻手段主要為風(fēng)冷散熱和液冷散熱兩種方式。受環(huán)境冷卻資源的限制，在戶外高溫環(huán)境下能夠提供的冷卻條件仍然比較局限。主動(dòng)制冷方式可顯著提高換熱溫差，改善特種便攜電子設(shè)備的工作環(huán)境。蒸發(fā)冷卻技術(shù)在應(yīng)對(duì)高熱流密度電子芯片和功率元件的散熱問題上具有極大的潛力和應(yīng)用前景。受到體積、成本等因素制約，其過往應(yīng)用受到極大的局限。近年來，隨著微型化壓縮機(jī)和微通道換熱器的出現(xiàn)，以壓縮制冷為代表的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)體積不斷縮小，與特種電子設(shè)備集成的可能性大大提高。

因此本文開展了基于壓縮制冷的便攜式特種設(shè)備電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)研究。

1 壓縮制冷在電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

壓縮制冷循環(huán)在軍用電子設(shè)備冷卻中的應(yīng)用，最初是以千瓦級(jí)大型制冷系統(tǒng)的形式出現(xiàn)的。美國在二十世紀(jì)70年代中開始著手發(fā)展電子吊艙的壓縮制冷技術(shù)計(jì)劃，以此擴(kuò)展載機(jī)的飛行包線。例如美國F?16戰(zhàn)機(jī)的“藍(lán)盾”吊艙在沙漠作戰(zhàn)需求下沖壓空氣溫度過高，通過在尾部裝載獨(dú)立的、高能效比的壓縮制冷系統(tǒng)，成功控制吊艙液冷循環(huán)溫度在4～29℃范圍內(nèi)，滿足熱載荷3.3 kW的需求［1］。

2005年以來，隨著微型壓縮機(jī)的出現(xiàn)以及微通道換熱器工藝能力的提升，設(shè)備級(jí)的微環(huán)境制冷系統(tǒng)開始出現(xiàn)在戶外特種電子裝備中［2］。圖1為美軍某戶外通信電子裝備，外形為2U機(jī)架結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌壓縮制冷系統(tǒng)，基于Aspen微型壓縮機(jī)，在系統(tǒng)重量10 kg代價(jià)內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備的制冷通風(fēng)。在環(huán)境溫度50℃的高溫下，制冷量可達(dá)500 W，供風(fēng)0～30℃的冷卻空氣，提高了裝備在多種惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。2014 年Aspen公司開發(fā)的DX微型液冷源［3］，如圖2所示。該方案直接以蒸發(fā)器作為冷板，大功率激光器熱負(fù)載貼裝在冷板上進(jìn)行冷卻，整個(gè)系統(tǒng)重5.44 kg，能在環(huán)境溫度35℃時(shí)提供250 W制冷量。

同時(shí)，在民用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，隨著CPU功耗的增加，部分廠家開始嘗試將壓縮制冷系統(tǒng)引入以原有風(fēng)扇式散熱系統(tǒng)或水冷散熱系統(tǒng)，以蒸發(fā)器作為冷板是這類系統(tǒng)中的常見方案。圖3為2014年Embraco公司為IBM公司開發(fā)的筆記本冷卻系統(tǒng)原理樣機(jī)［4］，器件功率為50 W左右時(shí)可使此器件溫度不超過70℃。

圖1 嵌入壓縮制冷系統(tǒng)的戶外電子裝備［2］Fig.1 Outdoor electronic devices embedded compression refrigeration system

圖2 用于激光器的微型壓縮制冷系統(tǒng)［3］Fig.2 Compression refrigeration system for laser

圖3 帶微型壓縮制冷的計(jì)算機(jī)［4］Fig.3 Computer with micro?compression refrigeration

用于電子設(shè)備冷卻的微小型壓縮制冷系統(tǒng)，主要存在體積制約和制冷量不高的缺點(diǎn)。Embraco公司的小型制冷系統(tǒng)雖然體積小，但制冷量極低，難以匹配軍用特種便攜式電子設(shè)備動(dòng)輒一百多瓦至數(shù)百瓦的散熱功耗。市面上微小型制冷系統(tǒng)大多以獨(dú)立存在的冷源形式存在，體積和功耗偏大，難以與單兵便攜式特種電子設(shè)備一體化集成。本文提出了一套300 W級(jí)的便攜式電子設(shè)備壓縮制冷方案，并開展了試制和實(shí)驗(yàn)研究。

2 小型電子設(shè)備的壓縮制冷冷卻系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某便攜式特種電子設(shè)備的散熱需求包括：工作熱耗300 W，供風(fēng)溫度低于20℃，工作環(huán)境為－20～45℃，要保證高溫下設(shè)備工作正常，且制冷設(shè)備重量小于2.5 kg。

嵌入式壓縮制冷系統(tǒng)方案如圖4所示，中間部位為電子設(shè)備安裝區(qū)，電子設(shè)備貼裝在散熱冷板上，背部含翅片風(fēng)道。壓縮制冷系統(tǒng)主要部件布局在電子設(shè)備的外圍，呈“U”字型布置。壓縮機(jī)安裝在右下部，冷凝器安裝在右側(cè)，蒸發(fā)器安裝在左側(cè)，通過設(shè)備安裝區(qū)的隔板將系統(tǒng)分為蒸發(fā)器區(qū)、設(shè)備散熱區(qū)、冷凝器區(qū)。壓縮制冷系統(tǒng)與電子設(shè)備箱體一體集成，實(shí)現(xiàn)了緊湊的結(jié)構(gòu)。設(shè)備左側(cè)區(qū)域形成設(shè)備內(nèi)的冷卻空氣內(nèi)循環(huán)，設(shè)備右側(cè)區(qū)域形成設(shè)備外循環(huán)區(qū)域，主要通過冷凝風(fēng)機(jī)將設(shè)備外環(huán)境空氣吸入箱體，與制冷劑R134a換熱后再排出箱體。新風(fēng)閥為常閉狀態(tài)，當(dāng)外部環(huán)境溫度低于10℃時(shí)開啟引入新風(fēng)。該方案的最大特點(diǎn)是構(gòu)成了內(nèi)、外隔離的兩個(gè)空氣循環(huán)，有效隔離了在電子設(shè)備區(qū)的持續(xù)凝露風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免了持續(xù)引入新風(fēng)帶來的制冷量損耗。

圖4 壓縮制冷一體化集成方案Fig.4 Refrigeration integrated programs

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

制冷系統(tǒng)的理想熱力學(xué)循環(huán)過程如圖5所示。制冷劑為R134a，在1?2，2?3，3?4，4?1依次經(jīng)歷等熵壓縮、等溫等壓冷凝、絕熱節(jié)流、等溫等壓沸騰過程。

設(shè)計(jì)的流程為：首先根據(jù)常用戶外高溫工作工況，該設(shè)備在戶外環(huán)境下高溫可達(dá)40℃，而供風(fēng)溫度小于20℃可保證發(fā)熱元件工作在安全溫度范圍內(nèi)，預(yù)估熱力學(xué)狀態(tài)點(diǎn)；選取合適的壓縮機(jī)和節(jié)流機(jī)構(gòu)；并根據(jù)蒸發(fā)器制冷量和冷凝器散熱量設(shè)計(jì)相應(yīng)的蒸發(fā)器和冷凝器；最終計(jì)算合適的制冷劑充注量。

結(jié)合log p?h圖及高溫工況散熱需求，預(yù)設(shè)各循環(huán)節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)，公式（1）給出了系統(tǒng)可達(dá)到的制冷量。

式中：qeva為蒸發(fā)器制冷量，W；qm為系統(tǒng)中的制冷劑流量，kg／s；h1和h4分別為蒸發(fā)器出入口的制冷劑焓值，J／kg。

圖5 壓縮制冷循環(huán)過程Fig.5 Compression refrigeration cycle

根據(jù)log p?h圖及預(yù)設(shè)的工作點(diǎn)參數(shù)，迭代計(jì)算，開展系統(tǒng)的參數(shù)預(yù)估和器材選取工作。

選定Aspen 19?24?1101型微型壓縮機(jī)，工作容積為1.9 mL，可通過0～5 V直流繼電控制其轉(zhuǎn)速范圍為2 200～6 500 r／min。根據(jù)容積式壓縮機(jī)制冷劑流量計(jì)算公式（2）對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行校核。

式中：v為壓縮機(jī)排氣量，m3；n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min；ρg為制冷劑在壓縮機(jī)吸氣口的密度，kg／m3；ηv為壓縮機(jī)容積效率。

基于系統(tǒng)體積、重量以及制冷量的限制，選取了平行流式換熱器作為蒸發(fā)器和冷凝器的結(jié)構(gòu)型式。平行流式換熱器具有比傳統(tǒng)的套片管式銅換熱器更小的體積、更高的換熱系數(shù)更輕的重量，更適應(yīng)于微小型制冷系統(tǒng)。對(duì)于冷凝器和蒸發(fā)器，分別采用三流程叉流換熱形式和兩流程叉流換熱形式。設(shè)計(jì)換熱器時(shí)采用對(duì)數(shù)平均溫差法進(jìn)行數(shù)值迭代的方式設(shè)計(jì)具體的幾何形式，制冷系統(tǒng)主要部件見圖6。

圖6 制冷系統(tǒng)部件Fig.6 Compression refrigeration system components

節(jié)流裝置選用毛細(xì)管型式。采用經(jīng)驗(yàn)公式（3）對(duì)制冷劑充注量進(jìn)行了預(yù)估。系統(tǒng)集成時(shí)選取不同長(zhǎng)度和不同充注量進(jìn)行最優(yōu)匹配。

式中：m為系統(tǒng)中的制冷劑充注量，kg；ρ1為蒸發(fā)溫度和冷凝溫度平均值下的飽和制冷劑密度，kg／m3；vp、ve、vc分別為系統(tǒng)管路、蒸發(fā)器、冷凝器的內(nèi)空體積，m3。

2.3系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

試制和集成完的壓縮制冷系統(tǒng)如圖7所示，測(cè)試中，以六個(gè)發(fā)熱器件模擬熱負(fù)載貼覆在散熱冷板上。整個(gè)系統(tǒng)在蒸發(fā)器進(jìn)出風(fēng)口、冷凝器進(jìn)出風(fēng)口布置有K型溫度傳感器，在壓縮機(jī)的進(jìn)排氣口連接有雙表閥測(cè)量高低壓溫度和壓力。鑒于系統(tǒng)中風(fēng)道緊湊空間狹小，無法用焓差法測(cè)得制冷量，采用穩(wěn)態(tài)熱平衡法進(jìn)行制冷量的考核實(shí)驗(yàn)。

圖7 壓縮制冷系統(tǒng)實(shí)物（揭開后蓋）Fig.7 Physical compression refrigeration system

圖8 不同制冷劑充注量下的制冷性能Fig.8 Cooling performance with different refrigerant charge quantity

性能測(cè)試前，在保持出風(fēng)溫度20℃，毛細(xì)管內(nèi)徑1.2 mm前提下，對(duì)不同制冷劑充注量和毛細(xì)管長(zhǎng)度進(jìn)行了最大制冷量影響對(duì)比實(shí)驗(yàn)，確定了系統(tǒng)最優(yōu)充注量和毛細(xì)管尺寸，最終結(jié)果如圖8所示。

由圖8中可知，制冷量隨制冷劑充注量的變化存在極大值，且隨毛細(xì)管長(zhǎng)度增加，最大值對(duì)應(yīng)的充注量增加，在最大值對(duì)應(yīng)充注量附近，增加或減少制冷劑量都會(huì)導(dǎo)致制冷量的減少。這是因?yàn)橹评鋭┎蛔銜r(shí)，蒸發(fā)器中制冷劑過多的以氣態(tài)存在，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)的降低；而過多的制冷劑又導(dǎo)致蒸發(fā)壓力的提高及外界環(huán)境的溫差的減小，制冷量也降低。所以在系統(tǒng)試制后，必須通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)找到最優(yōu)的制冷劑充注量。圖7所示的系統(tǒng)最終確定的最優(yōu)充注量為80 g，毛細(xì)管長(zhǎng)度為1.1 m。

表1所示為不同環(huán)境溫度和不同負(fù)載熱耗下的便攜式壓縮制冷系統(tǒng)性能。從表1可以看出，系統(tǒng)在典型高溫工況下，熱負(fù)載300 W、環(huán)境溫度40℃時(shí)，出風(fēng)溫度為15℃，滿足小于20℃的出風(fēng)要求。詳細(xì)分析如圖9～圖11所示。

表1 制冷性能測(cè)試數(shù)據(jù)（節(jié)選）Tab.1 Performance test data

圖9 出風(fēng)溫度隨環(huán)境溫度變化情況Fig.9 Intake air temperature changes with ambient air temperature

圖9所示為不同環(huán)境溫度下出風(fēng)溫度變化情況。從圖中可以看出隨著環(huán)境溫度和熱耗的增加，出風(fēng)溫度呈正比例增加趨勢(shì)。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度升高使冷凝壓力升高，對(duì)于采取毛細(xì)管的壓縮制冷系統(tǒng)，調(diào)節(jié)能力有一定限制，蒸發(fā)溫度和壓力隨之提高，蒸發(fā)器出風(fēng)溫度相應(yīng)得到提高。冷凝壓力和溫度的變化見圖10。

圖11所示為制冷系統(tǒng)COP隨外界溫度變化情況?？梢钥闯觯珻OP隨著環(huán)境溫度的升高呈降低趨勢(shì)。這主要是由于環(huán)境溫度的提高間接提高了冷凝溫度，從而冷凝器排熱和壓縮機(jī)耗功增大，在制冷量不變的情況下，COP降低。

圖10 冷凝壓力和溫度隨環(huán)境溫度變化情況Fig.10 Condensing pressure and temperature changes with the ambient temperature

表2所示為制冷系統(tǒng)COP隨出風(fēng)溫度的變化情況。從表中可以看出，系統(tǒng)COP隨著出風(fēng)溫度的增加呈上升趨勢(shì)。這主要是由于出風(fēng)溫度的提高，伴隨著蒸發(fā)器和冷凝器的溫差降低，壓縮機(jī)壓比降低，因此COP提高。由于系統(tǒng)集成度較高，導(dǎo)致風(fēng)道損失稍大，蒸發(fā)器和冷凝器換熱未達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，系統(tǒng)的COP始終在2.2以下，在戶外高溫使用環(huán)境下，為降低功耗、提高設(shè)備的續(xù)航能力，應(yīng)在滿足設(shè)備散熱要求的前提下，盡量提高出風(fēng)溫度，從而提高便攜式電子設(shè)備的續(xù)航能力。

圖11 COP值在不同環(huán)境溫度下變化情況Fig.11 COP value changes at different ambient temperatures

表2 COP隨出風(fēng)溫度變化情況（節(jié)選）Tab.2 COP changes with the intake air temperature

3 結(jié)論

開展了與便攜式特種電子設(shè)備一體集成的微型壓縮制冷系統(tǒng)方案研究，并模擬了特種設(shè)備常見戶外溫濕度工況，在環(huán)境溫度20～40℃、相對(duì)濕度70%戶外條件下，試制實(shí)驗(yàn)得出了以下結(jié)論：

1）系統(tǒng)在毛細(xì)管內(nèi)徑1.2 mm，管長(zhǎng)1.1 m，制冷劑充注量80 g時(shí)，達(dá)到了最大制冷量。

2）該壓縮制冷系統(tǒng)制冷量不低于300 W，出風(fēng)溫度不高于20℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

3）在300 W的高熱負(fù)載下系統(tǒng)COP不低于1.3，在185 W中低檔熱負(fù)載下，系統(tǒng)COP不低于0.89。該系統(tǒng)的制冷效率與出風(fēng)溫度的控制密切相關(guān)，在使用運(yùn)行中出風(fēng)溫度控制不宜設(shè)置的過低。

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A Portable Cooling System Based on Compression Refrigeration

Qi Chengwu Yin Benhao Wang Yan Chen Dong
（The 29th Research Institute of CETC，Chengdu，610036，China）

A portable cooling system for military electronic is developed to solve cooling problems under high temperature circumstance by integrating the micro efficient refrigeration components.The experimental results show that the refrigeration system has a cooling capacity of 300 W under the ambient temperature of 40℃ ，the intake air temperature is cooled to 15℃.It effectively solves the cooling demand of the military portable devices under high temperature circumstance.

electronic cooling；refrigerating capacity；integration

TB61＋5；TB657；TB69

A

0253－4339（2017）01－0095－06

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.01.095

2016年5月4日

祁成武，男，工程師，中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，13558812832，E?mail：qcw198＠163.com。研究方向：電子設(shè)備冷卻技術(shù)。

About the corresponding author

Qi Chengwu，male，engineer，The 29th Research Institute of CETC，＋86 13558812832，E?mail：qcw198＠163.com.Re?search fields：electronic equipment cooling technology.