車載特種冷卻裝置設計要點探討

馬紅星，鐘根仔

（1.海裝駐合肥地區(qū)軍事代表室，合肥 230088，2.合肥通用機械研究院研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

車載特種冷卻裝置主要應用于車載雷達天線陣面中電子設備的冷卻，需要全年制冷，具有使用環(huán)境溫度寬、適應車載運輸振動等特點。目前市場上風冷機房冷卻機組的在功能方面與車載特種冷卻裝置類似，但風冷機房冷卻機組無法替代車載特種冷卻裝置，主要原因如下：

（1）風冷機房冷卻機組其只適用于靜止狀態(tài)下使用，無法適用在車載狀態(tài)下使用；

（2）風冷機房冷卻機組無法適用車載雷達高低溫、濕熱等苛刻的環(huán)境要求；

（3）在低溫環(huán)境下運行時，風冷機房冷卻機組容易出現(xiàn)啟動困難、低壓保護、系統(tǒng)壓差保護和壓縮機回油不良等現(xiàn)象［1］。

因此必須依據(jù)車載雷達天線陣面冷卻的特殊要求，對車載特種冷卻裝置進行特殊設計。相關工程技術人員對車載特種冷卻裝置相關技術進行了研究［2-11］。本文以某型車載雷達天線陣面冷卻用車載特種冷卻裝置為例，對車載特種冷卻裝置（以下簡稱“冷卻裝置”）設計相關要點進行分析和探討。

1 使用環(huán)境條件及其分析

冷卻裝置的主要設計環(huán)境條件如下：

（1）高溫時工作條件為環(huán)境溫度50 ℃，承受條件為65 ℃；

（2）低溫時工作條件為環(huán)境溫度-40 ℃，承受條件為-45 ℃；

（3）濕熱時工作條件溫度為35 ℃，相對濕度93%；承受條件為溫度40 ℃，相對濕度93%；

（4）淋雨時工作條件為瞬時降雨速率0.8 mm/min，承受條件為降雨速率為2.5 mm/min；

（5）針對風速要求，工作條件為最大穩(wěn)定風速20 m/s，承受條件為最大穩(wěn)定風速30 m/s。

從上述可知，冷卻裝置具有使用環(huán)境溫度范圍寬、要適應濕熱、淋雨以及風速指標高等特點。

1.1 高低溫指標對冷卻裝置的影響

高低溫環(huán)境對冷卻裝置的功能和性能影響較大，是冷卻裝置原理流程設計、性能計算以及零部件選型設計的主要指標。在原理流程上，既要保證冷卻裝置能夠適應高低溫環(huán)境，而且還要充分利用低溫環(huán)境。由于在低溫環(huán)境下壓縮機啟動工作所需的配置和程序比較復雜，原理流程要規(guī)避在低溫環(huán)境下壓縮機啟動工作，利用低溫環(huán)境直接散熱。在性能計算方面，主要考慮高溫方面冷凝器、蒸發(fā)器和壓縮機工況等設計方面，冷卻裝置的設計工況不能超過壓縮機運行的工況。零部件選型設計方面，主要考慮零部件或元器件的高低溫適應特性。冷卻裝置是否滿足在高低溫環(huán)境條件下的使用要求，要通過高低溫工作試驗和高低溫貯存試驗進行試驗驗證。

1.2 濕熱指標對冷卻裝置的影響

冷卻裝置濕熱指標主要是考察冷卻裝置在高溫高濕下的可靠性。濕熱主要有以下幾方面影響。

（1）濕熱環(huán)境容易使設備表面產(chǎn)生凝露。冷卻裝置主要是為服務對象提供冷卻液，高溫高濕環(huán)境易導致冷水管系、冷板等表面凝露。為了避免凝露，冷卻裝置需要對環(huán)境的溫濕度或露點溫度進行檢測，通過程序控制冷卻裝置的供液溫度大于露點溫度。

（2）濕熱會影響設備的機械特性。濕氣侵入材料表面，使材料表面產(chǎn)生腫脹、變形等，導致活動部件活動阻力增加甚至卡死。

（3）在電氣性能方面，高溫潮濕會導致電子元器件觸點接觸不良、電氣短路以及絕緣性能降低等。

冷卻裝置元器件等零部件選型設計是否滿足在濕熱環(huán)境條件下的使用要求，需通過濕熱試驗進行試驗驗證。

1.3 淋雨和風速指標對冷卻裝置的影響

淋雨和風速對冷卻裝置的室外側部分設備產(chǎn)生影響。室外側用電設備的防護等級較高，防止因雨水進入接線柱導致短路現(xiàn)象。室外側的各零部件、設備底部、凹槽等部位應設置排水孔，防止雨水積聚導致材料腐蝕等不良現(xiàn)象。由于冷卻裝置是依靠環(huán)境空氣將熱量散出，風機排風與自然風產(chǎn)生對沖，風機的風量會減小，影響設備的散熱能力。因此冷卻裝置在進出風面設計時應考慮避免風機排風與自然風產(chǎn)生對沖。

2 原理和組成

冷卻裝置原理流程如圖1所示。為了規(guī)避在低溫環(huán)境下壓縮機啟動工作，充分利用低溫環(huán)境直接散熱，冷卻裝置具有液冷和制冷2種工作模式。

圖1 冷卻裝置原理流程

當環(huán)境溫度≤T1時，壓縮機不工作，冷卻裝置采用空氣與冷卻液直接換熱的方式散熱，簡稱液冷模式。在液冷模式下，若冷卻液溫度≤T2，則先對系統(tǒng)進行預熱。預熱方式為：先開啟冷卻液循環(huán)泵，再投入儲水箱中的電加熱器，對循環(huán)冷卻液進行預熱，當循環(huán)冷卻液溫度上升至T3，停止預熱。當環(huán)境溫度＞T1時，壓縮機工作，水冷裝置采用壓縮機制冷系統(tǒng)進行散熱，簡稱制冷模式。一般情況下，T1≥ 5 ℃、T2≤ -10 ℃、T3≥ 0 ℃，并且T1，T2，T2的數(shù)值可根據(jù)實際情況設定。

冷卻裝置主要由室內(nèi)機和室外機兩部分組成。室內(nèi)機主要包括：循環(huán)水泵、儲水箱、膨脹水箱、冷卻液電磁閥、過濾器以及系統(tǒng)管路和管路附件等。室外機主要包括：壓縮機、翅片式換熱器、軸流式風機、板式蒸發(fā)器、儲液器以及制冷配件與制冷系統(tǒng)管路。

3 設計要點分析

冷卻裝置的設計要從全時域全區(qū)域和全壽命的兩個方面綜合考慮。全時域全區(qū)域方面，要充分考慮冷卻裝置適用不同區(qū)域的各種環(huán)境，即冷卻裝置要能承受上述環(huán)境指標考核。全壽命方面，冷卻裝置在設計時應充分考慮設備安裝、使用、維護等階段的方便性，盡可能降低各階段對人力物力等使用要求。

3.1 零部件匹配分析

在上述環(huán)境條件下要保證冷卻裝置穩(wěn)定運行和供液溫度、供液壓力、供液流量等參數(shù)穩(wěn)定，則應重視零部件匹配。零部件的匹配方式主要取決于冷卻裝置的技術體制、控制方式以及在特殊使用場合下充分考慮設備的安裝空間結構。冷卻裝置的主要的零部件匹配包括壓縮機、風機以及蒸發(fā)器等匹配設計。

3.1.1 壓縮機匹配分析

壓縮機匹配主要從壓縮機形式、設計工況和制冷量、體積重量和噪聲等方面綜合考慮。冷卻裝置主要優(yōu)先選用渦旋式壓縮機或活塞式壓縮機。兩型壓縮機的特點對比見表1。綜合以上比較，冷卻裝置選用渦旋壓縮機更優(yōu)。由于冷卻裝置的供液溫度一般都在20 ℃以上，因此在保證設計工況在壓縮機的運行工況范圍內(nèi)的前提下，制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度設計較高為宜，這樣可以提高壓縮機COP，減小冷卻裝置的用電需求。

表1 兩型壓縮機特點對比

3.1.2 風機匹配分析

冷卻裝置的風機匹配不僅要考慮總風量和靜壓，還需重點考慮如何控制風機風量。冷卻裝置風機匹配方式一般有2種：（1）采用多臺定速風機，利用風機啟停方式實現(xiàn)風量調(diào)節(jié)；（2）采用無級調(diào)節(jié)風機，通過無極調(diào)節(jié)風機的轉速實現(xiàn)風量無極調(diào)節(jié)。2種風機匹配方式對冷卻裝置的影響對比見表2。

表2 2種風機匹配方式對冷卻裝置的影響對比

因此，冷卻裝置一般優(yōu)先選用無極調(diào)節(jié)風機。但是由于結構空間小等原因，冷卻裝置需要匹配大風量大靜壓型風機，該型風機目前國內(nèi)無法生產(chǎn)，只能依靠國外進口。

3.1.3 蒸發(fā)器匹配分析

冷卻裝置結構空間小，蒸發(fā)器盡可能選用體積小重量輕的換熱器形式。目前板式換熱器換熱效率高，體積小重量輕，而且成熟可靠，適合作為冷卻裝置的蒸發(fā)器。由于冷卻裝置使用于特殊場合，蒸發(fā)器冷卻液側具有大溫差大流量的特點。該類型的板式換熱器在選型設計時，不僅要關注蒸發(fā)器在設計工況下的換熱能力，同時也要關注蒸發(fā)器的冷卻液側阻力。由于換熱溫差和冷卻液側流量都較大，單從換熱能力的角度計算，蒸發(fā)器的所需換熱面積可能比較小，但是此時冷卻液側阻力比較大。因此冷卻裝置蒸發(fā)器的選型計算要平衡換熱能力和冷卻液側阻力2個參數(shù)，為冷卻裝置優(yōu)化匹配創(chuàng)造條件。

3.2 設備適裝性分析

冷卻裝置由于使用場合特殊，室外機可以整體安裝，室外機由于安裝空間的局限性，屬于預制件散件安裝，因此冷卻裝置必須要開展適裝性設計。以下從整機、室內(nèi)機和室外機3個方面分析冷卻裝置的適裝性設計。

3.2.1 整機適裝性分析

對于冷卻裝置整機而言，制作模擬工裝，在模擬工裝內(nèi)進行整機模擬安裝，以保證整機的適裝性。制作整機模擬工裝有以下幾個優(yōu)點：

（1）冷卻裝置安裝方式特殊，設備的安裝接口多，模擬工裝可以保證接口尺寸的精度；

（2）模擬工裝把分體散件安裝設備整合成整體，在研制階段可以發(fā)現(xiàn)冷卻裝置在設計上、維修操作性等方面的不足之處；

（3）模擬工裝為冷卻裝置的模擬聯(lián)調(diào)測試、檢驗以及轉運等提供便利。

3.2.2 室內(nèi)機適裝性分析

室內(nèi)機安裝屬于預制件散件安裝，室內(nèi)機與艙體之間和室內(nèi)機零部件、管道之間的接口較多。通過以下措施，可以較少接口，保證室內(nèi)機的適裝性。

（1）在室內(nèi)機與艙體接口之間設置過度件，把大部分的外部接口變成內(nèi)部接口。內(nèi)部接口可以在整機模擬工裝上進行驗證，從而保證設備的適裝性。

（2）由于管路零部件、管道與管道的接口之間設置適量伸縮調(diào)整的繞性接管，既可以消除適當部位的剛性連接，還可以彌補接口之間尺寸上的偏差。

3.2.3 室外機適裝性分析

室外機屬于整體安裝，主要通過底部和側面接口進行固定。室外機的適裝性主要是要保證接口的加工精度。室外機框架是用不銹鋼鈑金件拼焊而成，而不銹鋼鈑金件焊接變形量比較大，因此室外機底座接口應在底座焊接成型后進行加工，框架焊接成型后在整機模擬工裝上進行試安裝確認。室外機側面一般采用過度件進行安裝固定。過度件采用腰型安裝孔等方式，去適應可能出現(xiàn)的尺寸偏差。另外，室外機側面靠墻式安裝，采用頂部吊裝方式室外機容易到達安裝位置。若條件許可，室外機優(yōu)先采用頂部吊裝方式。

3.3 供液溫度設計分析

3.3.1 供液溫度控制分析

冷卻裝置的供液溫度控制方式一般有恒溫式和波動式2種控制方式。2種控制方式的優(yōu)缺點如下：

（1）恒溫式控制方式能夠保持供液溫度恒定或微小波動，而波動式控制方式的供液溫度波動較大，溫度波動范圍可能到達±3 ℃；

（2）恒溫式控制方式系統(tǒng)流程復雜，設備量較大，特別是重要設備需要熱備份的情況下；

（3）恒溫式控制方式所需總耗電量增加；

（4）恒溫式控制方式的冷卻裝置運行過程相對穩(wěn)定，對電網(wǎng)沖擊較小。

冷卻裝置供液溫度具體采取何種控制方式主要取決于電子設備對溫度控制進度要求、設備布置空間、耗電功率等因數(shù)影響。一般情況下電子設備對溫度控制精度要求不高，而冷卻裝置布置空間小、允許的耗電功率較少。

依據(jù)以上分析，冷卻裝置具體采取何種供液溫度控制方式，應進行綜合考慮，選取適合實際需求的控制方式。以上述冷卻裝置為例，在低溫模式下，利用風機可以無極調(diào)節(jié)轉速的方式，冷卻裝置供液溫度采取恒溫的控制方式；在高溫模式下，利用壓縮機啟停方式，控制供液溫度在一定范圍內(nèi)波動［7］。

3.3.2 供液溫度防凝露設計

冷卻裝置向電子設備提供冷冷卻液，供液管路、元器件冷板等表面因溫度較低，在高溫高濕環(huán)境下，可能會出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。凝露對于電子設備會產(chǎn)生重大危害，因此冷卻裝置的供液溫度必須采取防凝露措施，防止供液管路、元器件冷板等表面凝露。冷卻裝置采用供液溫度默認值和供液溫度值隨露點溫度動態(tài)調(diào)整的方法，可以有效防止凝露。具體的技術措施如下：

（1）冷卻裝置設置露點溫度傳感器，實時檢測空氣的露點溫度Tg；

（2）供液溫度設置默認值T，并將供液溫度設置默認值T與空氣的露點溫度Tg進行實時比較：當空氣的露點溫度Tg＜供液溫度默認值T時，冷卻裝置的實際供液溫度運行值以T值運行；當空氣的露點溫度Tg≥供液溫度默認值T時，冷卻裝置的實際供液溫度運行值隨露點溫度動態(tài)調(diào)整至露點溫度以上值。

通過以上技術措施，在實際運行環(huán)境條件下，冷卻裝置的供液溫度實際運行值大于空氣的露點溫度值，從而可以避免供液管路、元器件冷板等表面出現(xiàn)凝露。冷卻裝置在實際運行過程中，供液溫度運行值會出現(xiàn)偏差、震蕩等現(xiàn)象，應盡量避免供液溫度運行值下限低于空氣的露點溫度。

3.4 模式切換方式分析

為了充分利用低溫環(huán)境，冷卻裝置具有液冷和制冷2種工作模式。2種模式以環(huán)境溫度為切換點。依據(jù)上述對2種模式定義，當環(huán)境溫度在T1值左右波動時，會出現(xiàn)2種工作模式頻繁切換現(xiàn)象。由于2種工作模式設備工作方式和冷卻液管路流程不同，工作模式頻繁切換會導致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至無法工作。為了防止當環(huán)境溫度處于T1值左右波動時出現(xiàn)模式頻繁切換現(xiàn)象，冷卻裝置采取以下控制措施：

（1）開機前檢測環(huán)境溫度值，以此環(huán)境溫度值判定冷卻裝置的開機后的運行模式；

（2）如果開機后，冷卻裝置運行液冷模式，運行過程中，無論環(huán)境溫度如何變化，只要供液溫度能夠滿足要求，冷卻裝置仍然運行液冷模式；只有當供液溫度超過某個值時，冷卻裝置由液冷模式切換至制冷模式。

（3）冷卻裝置由液冷模式切換至制冷模式后，模式不再進行切換，直至下一次重新開機。

通過以上控制措施，冷卻裝置可以有效規(guī)避工作模式之間頻繁切換問題。

4 改進建議

4.1 供液溫度恒溫控制

冷卻裝置在制冷模式下供液溫度的控制方式屬于波動式控制方式，設備工作穩(wěn)定性欠佳而且造成對車載電網(wǎng)頻繁沖擊。在保持原有流程和耗電功率大致不變的條件下，利用冷凝熱、調(diào)整蒸發(fā)器的冷卻液流量等綜合措施，實現(xiàn)制冷模式下的恒溫控制。

4.2 模式切換的環(huán)境溫度點提高

液冷模式與制冷模式相比，具有參與運行的零部件較少，耗電功率小，供液溫度恒溫控制，可靠性高，設備工作穩(wěn)定等優(yōu)點。因此，通過合理優(yōu)化空間結構、強化換熱等措施，盡可能提高模式切換的環(huán)境溫度點，可以較小設備的耗電量，提高設備可靠性。

4.3 國產(chǎn)化

冷卻裝置目前所使用的風機、控制器等重要部件都使用進口件。面對當前復雜國際環(huán)境，重要零部件可能面臨斷供風險。應盡快對該部分進口件進行國產(chǎn)化研制或國產(chǎn)化替代。

5 結語

冷卻裝置具有使用場合特殊，結構空間小，使用環(huán)境苛刻等特點。以某型號冷卻裝置為例，本文對冷卻裝置的使用環(huán)境要求進行了介紹；對使用環(huán)境要求對冷卻裝置的影響進行分析；介紹了其系統(tǒng)原理流程和組成；在零部件匹配、適裝性設計、供液溫度控制以及模式切換方式等方面進行了詳細分析并提出問題解決方案。通過對冷卻裝置多方面的分析和總結，提出來一些改進建議。