特種車載液冷裝置特性分析

張國華，侯春枝，鐘根仔，江用勝

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

特種車載液冷裝置特性分析

張國華*1，侯春枝2，鐘根仔2，江用勝2

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

本文依據特種車載液冷裝置的使用特點，重點論述特種車載液冷裝置工作流程、參數及負荷特性、環境適應性、控制及結構模式以及研制過程難點等。本文為特種車載液冷裝置設計和試驗提供參考。

車載液冷裝置；環境適應性；研制過程

0 引言

目前車載特種電子設備越來越高集成化、功率大型化及緊湊化。通過自然對流散熱無法滿足散熱要求，因此目前大型車載特種電子設備越來越多配置專用的特種車載液冷裝置[1]。特種車載液冷裝置（以下簡稱“液冷裝置”）與舒適性制冷設備由于服務的對象不同，工作方式也不一樣。舒適性制冷設備工作方式是高溫時制冷，低溫時制熱；而液冷裝置在高溫或低溫時都要制冷[2]。由于服務對象的特殊性，液冷裝置不僅要進行常規的試驗檢驗，還必須要進行一系列的型式試驗的考核。本文依據液冷裝置的使用特點，重點論述了特種液冷裝置工作流程、參數及負荷特性、環境適應性、控制及結構模式以及研制過程難點等方面。

1 工作流程及組成

液冷裝置的工作模式有常規空氣-水換熱以及壓縮機制冷兩種工作模式。當環境溫度低于≤5 ℃時，液冷裝置按液冷模式運行。液冷模式時，電子設備產生的熱負荷全部由空氣-水換熱器承擔。當環境溫度＞5 ℃時，液冷裝置按制冷模式運行。制冷模式時，電子設備產生的熱負荷全部由壓縮機制冷承擔。兩種工作模式的基本原理都是將熱量通過環境空氣直接或間接的散發出去。液冷裝置的工作原理如圖1所示。

液冷裝置一般分為室內機、室外機和電氣控制組合三大部分。室內機主要包括：循環水泵、儲水箱、電加熱器、膨脹水箱、冷卻液電磁閥、系統管路和管路附件以及溫度、流量等參數檢測元件等；室外機主要包括：壓縮機、集成式換熱器、軸流式風機、板式蒸發器、儲液器以及制冷配件和制冷系統管路等；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 參數特性

依據服務對象的散熱特性，液冷裝置特性參數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特性

液冷裝置冷卻液流量和供液壓力的影響因素有循環水泵參數以及系統總的阻力損失。當循環水泵型號選定后，其參數不會發生變化。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。冷卻液的黏度越大，液冷裝置總的阻力損失越大，供液壓力相應要增大，冷卻液流量相應要減小，反之亦然。

由于液冷裝置的環境溫度為-40 ℃～+50 ℃，環境溫度范圍與常用空調裝置相比較寬。為了適應低溫環境，液冷裝置使用的冷卻液一般為冰點低于-45 ℃乙二醇水溶液。冰點為-45 ℃乙二醇水溶液的濃度達到了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，對服務對象可能產生的影響主要有兩個方面：散熱和承壓。

圖2 水與乙二醇水溶液隨溫度變化曲線圖

對服務對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境的自然散熱。不利因素體現為：在低溫情況下，冷卻液流量降低，這對服務對象散熱是不利的。

有利因素體現為：1）在低溫情況下，供液溫度比設定值低得多，這就意味著服務對象可實現的換熱溫差比常規工況的換熱溫差大，這對服務對象散熱是有利的；2）低溫情況下由于換熱溫差大，服務對象向周圍環境的自然散熱比常規工況散熱量高。

目前關于上述因素對服務對象散熱綜合影響的理論分析處于起步階段。在項目試驗和運行過程中發現，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。

在服務對象的承壓方面，隨著供液溫度的降低，液冷裝置的供液壓力越來越大，因此服務對象的承壓也越來越大。受到循環水泵揚程的限制，服務對象的承壓不會無限增大，最大承壓不會超過循環水泵的最大供液壓力。因此，在服務對象的耐壓設計方面，不能以液冷裝置在常溫工況下的供液壓力為依據，必須要以液冷裝置在低溫情況下的最大供液壓力為依據進行設計。

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因素[3-4]：

1）環境溫度較高時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）依據環境溫度劃分設置一個或兩個供液溫度設定值。這種方法對液冷裝置工作的穩定性最有利，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）依據環境溫度T1和固定溫度差值Δt，將供液溫度設定值T2按以下公式進行設定：

式中：

T1——環境溫度，取整數，℃；

T2——供液溫度設定值，℃；

Δt——固定溫度差值，℃。

這種分步控制法有效兼顧了以上三個因素，是比較常用的穩定的控制方法。

3）供液溫度設定為濕球溫度。在服務對象外面安裝溫濕度傳感器，實時探測環境空氣的溫濕度，由控制程序實時計算出空氣的濕球溫度，并將實時的濕球溫度設定為供液溫度。這種方法能有效地防止電子元器件表面凝露，給電子元氣件提供舒適的溫度，但是設備運行穩定性降低。

3 負荷適應性

液冷裝置熱負荷主要由服務對象工作特性以及外界環境決定。服務對象的發熱特性由其工作特性決定。在全壽命周期內，服務對象工作模式一般分為維修調試模式、演練模式、部分功率模式以及全功率模式等，每個模式的發熱量不同。外界環境因素主要包括環境溫度和太陽輻射。因此液冷裝置的熱負荷是變化的，而且變化范圍比較大。液冷裝置要適應這種變化，必須具有靈活的能量調節能力[5]。液冷裝置的能量調節方式主要由所采用的壓縮機形式決定。活塞式壓縮機采用調節工作氣缸數進行能量調節；渦旋壓縮機采用多機并聯分別啟停的控制方式進行能量調節。若服務對象發熱量比較大，還可通過把液冷裝置分成若干個模塊的方式，根據熱負荷大小控制模塊工作個數。

4 環境適應性

液冷裝置由于其特殊的使用場合，必須適應一系列的特殊環境。液冷裝置特殊的環境主要包括溫濕度環境、振動環境、低氣壓環境、電磁兼容試驗、腐蝕環境、沙塵環境、風及太陽輻射環境等。為驗證液冷裝置在所處的各種環境條件下都能夠正常工作，液冷裝置要進行各種環境適用性試驗。依據GJB 150《軍用裝備實驗室環境試驗方法》[6]，液冷裝置要進行高溫工作試驗、高溫貯存試驗、低溫工作試驗、低溫貯存試驗、濕熱試驗、淋雨試驗、振動試驗、公路運輸試驗、低氣壓試驗、電磁兼容試驗、霉菌試驗、鹽霧試驗、砂塵試驗、風試驗和太陽輻射試驗等。液冷裝置要有效適應試驗環境，必須要在液冷裝置設計上進行統籌考慮[7-8]。

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

在結構上，應充分考慮減振抗振，重要部件應采取安裝減振器等措施；在振動部件的接口處設置繞性軟接，減小振動傳遞；各部件、管路等應采取措施充分固定，保證抗振性能。

在工藝設計上，液冷裝置必須進行三防設計，如設備的表面防護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

控制模式方面，液冷裝置依據正常工作、調試檢修及應急等工作模式，相對應地采取自動、手動和強制等控制模式。在自動模式下，液冷裝置可以一鍵啟停，設備安裝既定的控制程序進行自動運行[9]。在手動模式下，可對液冷裝置的各部件進行單獨啟停，方便調試和檢修。當液冷裝置的主控制器失效時，可以通過強制模式對設備的各部件進行啟停。

在顯示指示方面，一般液冷裝置配有顯示屏，顯示設備的運行參數、各部件運行狀態指示、故障名稱等。

另外，液冷裝置控制系統必須要考慮設備的可測試性。液冷裝置的故障通過控制系統可以進行準確的定位和顯示。

6 結構特性

液冷裝置的結構分為室內機和室外機，大型液冷裝置一般會采用獨立整體的方式。無論是分體式還是整體式，結構設計時必須考慮設備的可維修性，考慮每個零部件都能方便地安裝和拆卸。同時，考慮到液冷裝置為車載設備，結構設計時考慮車載環境因素如運輸振動等。設備要有足夠的強度，要采取合理減振抗振措施[10]。

7 研制過程難點分析

1）生產批量少

電子設備發展比較快，設備的更新換代周期短，因此特種電子設備不會大批量建造。因此液冷裝置不會像普通空調那樣做到批量生產，而且又是非標產品，制造質量控制比較難。

2）試驗較多

液冷裝置在研制期間不僅要進行各種性能測試等例行試驗，還要進行各型式試驗，如高低溫試驗、振動試驗等，而且試驗條件比較苛刻。在設備定型后進入小批量生產階段，也要進行批次抽檢型式試驗。

3）研制周期較長

由于電子系統和設備有上述特殊問題，因此無論是國內還是國外，研制周期都很長。以艦載雷達為例，美國的AN/SPY-1艦用相控陣雷達研制14年，而專用液冷裝置作為特種電子設備的配套產品，其研制周期可想而知。

4）所需經費大

由于環境復雜、使用要求高、技術難度大、研制周期長、生產批量少，加之對材料的防腐等要求較高，因此研制液冷裝置所需的經費比普通的空調機組要貴得多[11]。

8 結束語

目前，液冷裝置應用越來越廣泛，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行論述：

1）液冷裝置的流程特點和主要參數特性；

2）分析液冷裝置熱負荷和環境因素的復雜性，強調了液冷裝置負荷和環境的適應性；

3）對液冷裝置在控制、結構以及研制過程難點等方面進行了表述。

從以上方面論述，說明特種車載液冷裝置產品在設計、制造和試驗過程中的特殊性，為今后特種車載液冷裝置同類產品的設計、制造和試驗等方面提供參考。

[1]胡繼孫,陳恩,侯春枝,等.車載雷達液體冷卻系統設計[J].流體機械,2006,34(8): 80-83.

[2]WILSON,李秀梅.電子系統的液冷裝置[J].計算機工程與科學,1986,37(4): 96-104.

[3]鄭賢德.制冷原理與裝置[M].北京: 機械工業出版社,2003.

[4]吳業正.制冷原理與設備[M].西安: 西安交通大學出版社,2002.

[5]尉遲斌.實用制冷與空調工程手冊[M].北京: 機械工業出版社,2001.

[6]GJB 150 軍用裝備實驗室環境試驗方法[S].

[7]袁廣超,陳恩,郭建,等.船用冷卻設備的環境適應性研究[J].流體機械,2013,37(11): 81-84.

[8]干練,劉永,侯春枝.電子機柜專用空調機特殊要求的研究[J].制冷,2009,28(2): 40-42.

[9]丁東旭,袁廣超,郭建,等.循環式液體冷卻系統設計原理、元器件選型與模擬試驗[J].流體機械,2012,40(6): 83-85.

[10]張亞峰.車載電子設備的抗振設計[J].電子機械工程,2003,28(2): 6-8.

[11]鐘根仔.電子設備環境控制系統設計[J].制冷,2008,28(3): 23-26.

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

*張國華（1968-），男，高工。研究方向：雷達總體、特種機電設備質量監督。聯系地址：安徽六安市經開區緯一路，郵編：237011。聯系電話：0564-3395868。E-mail：zhl736@gmail.com。