基于壓縮制冷的便攜式特種電子設備冷卻系統

祁成武 尹本浩 王延 陳東

（中國電子科技集團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備冷卻系統

祁成武 尹本浩 王延 陳東

（中國電子科技集團公司第二十九研究所 成都 610036）

本文基于壓縮制冷循環研制了一套用于軍用特種電子設備的小型冷卻系統，用于解決便攜式特種電子設備在高溫環境下的散熱問題。通過選用微型高效的制冷部件，實現了微型壓縮制冷和設備的集成。對該系統進行了變工況的性能測試，結果表明：在環境溫度40℃的工況下，冷卻系統供風溫度小于15℃，制冷量不低于300 W，解決了特種電子設備在戶外高溫環境下的使用問題。

電子設備冷卻；制冷量；集成

軍用特種電子設備正朝著小型化和高度集成的方向發展，導致電子設備的散熱問題越來越嚴重。傳統的電子設備冷卻手段主要為風冷散熱和液冷散熱兩種方式。受環境冷卻資源的限制，在戶外高溫環境下能夠提供的冷卻條件仍然比較局限。主動制冷方式可顯著提高換熱溫差，改善特種便攜電子設備的工作環境。蒸發冷卻技術在應對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用前景。受到體積、成本等因素制約，其過往應用受到極大的局限。近年來，隨著微型化壓縮機和微通道換熱器的出現，以壓縮制冷為代表的蒸發冷卻系統體積不斷縮小，與特種電子設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備電子設備冷卻系統研究。

1 壓縮制冷在電子設備冷卻系統中的應用前景

壓縮制冷循環在軍用電子設備冷卻中的應用，最初是以千瓦級大型制冷系統的形式出現的。美國在二十世紀70年代中開始著手發展電子吊艙的壓縮制冷技術計劃，以此擴展載機的飛行包線。例如美國F?16戰機的“藍盾”吊艙在沙漠作戰需求下沖壓空氣溫度過高，通過在尾部裝載獨立的、高能效比的壓縮制冷系統，成功控制吊艙液冷循環溫度在4～29℃范圍內，滿足熱載荷3.3 kW的需求［1］。

2005年以來，隨著微型壓縮機的出現以及微通道換熱器工藝能力的提升，設備級的微環境制冷系統開始出現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機架結構，內嵌壓縮制冷系統，基于Aspen微型壓縮機，在系統重量10 kg代價內實現對電子設備的制冷通風。在環境溫度50℃的高溫下，制冷量可達500 W，供風0～30℃的冷卻空氣，提高了裝備在多種惡劣環境的適應性。2014 年Aspen公司開發的DX微型液冷源［3］，如圖2所示。該方案直接以蒸發器作為冷板，大功率激光器熱負載貼裝在冷板上進行冷卻，整個系統重5.44 kg，能在環境溫度35℃時提供250 W制冷量。

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

圖1 嵌入壓縮制冷系統的戶外電子裝備［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［3］Fig.2 Compression refrigeration system for laser

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

用于電子設備冷卻的微小型壓縮制冷系統，主要存在體積制約和制冷量不高的缺點。Embraco公司的小型制冷系統雖然體積小，但制冷量極低，難以匹配軍用特種便攜式電子設備動輒一百多瓦至數百瓦的散熱功耗。市面上微小型制冷系統大多以獨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備一體化集成。本文提出了一套300 W級的便攜式電子設備壓縮制冷方案，并開展了試制和實驗研究。

2 小型電子設備的壓縮制冷冷卻系統

2.1 系統簡介

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

嵌入式壓縮制冷系統方案如圖4所示，中間部位為電子設備安裝區，電子設備貼裝在散熱冷板上，背部含翅片風道。壓縮制冷系統主要部件布局在電子設備的外圍，呈“U”字型布置。壓縮機安裝在右下部，冷凝器安裝在右側，蒸發器安裝在左側，通過設備安裝區的隔板將系統分為蒸發器區、設備散熱區、冷凝器區。壓縮制冷系統與電子設備箱體一體集成，實現了緊湊的結構。設備左側區域形成設備內的冷卻空氣內循環，設備右側區域形成設備外循環區域，主要通過冷凝風機將設備外環境空氣吸入箱體，與制冷劑R134a換熱后再排出箱體。新風閥為常閉狀態，當外部環境溫度低于10℃時開啟引入新風。該方案的最大特點是構成了內、外隔離的兩個空氣循環，有效隔離了在電子設備區的持續凝露風險，同時避免了持續引入新風帶來的制冷量損耗。

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

2.2 系統設計

制冷系統的理想熱力學循環過程如圖5所示。制冷劑為R134a，在1?2，2?3，3?4，4?1依次經歷等熵壓縮、等溫等壓冷凝、絕熱節流、等溫等壓沸騰過程。

設計的流程為：首先根據常用戶外高溫工作工況，該設備在戶外環境下高溫可達40℃，而供風溫度小于20℃可保證發熱元件工作在安全溫度范圍內，預估熱力學狀態點；選取合適的壓縮機和節流機構；并根據蒸發器制冷量和冷凝器散熱量設計相應的蒸發器和冷凝器；最終計算合適的制冷劑充注量。

結合log p?h圖及高溫工況散熱需求，預設各循環節點的工作參數，公式（1）給出了系統可達到的制冷量。

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

圖5 壓縮制冷循環過程Fig.5 Compression refrigeration cycle

根據log p?h圖及預設的工作點參數，迭代計算，開展系統的參數預估和器材選取工作。

選定Aspen 19?24?1101型微型壓縮機，工作容積為1.9 mL，可通過0～5 V直流繼電控制其轉速范圍為2 200～6 500 r／min。根據容積式壓縮機制冷劑流量計算公式（2）對壓縮機進行校核。

式中：v為壓縮機排氣量，m3；n為壓縮機轉速，r／min；ρg為制冷劑在壓縮機吸氣口的密度，kg／m3；ηv為壓縮機容積效率。

基于系統體積、重量以及制冷量的限制，選取了平行流式換熱器作為蒸發器和冷凝器的結構型式。平行流式換熱器具有比傳統的套片管式銅換熱器更小的體積、更高的換熱系數更輕的重量，更適應于微小型制冷系統。對于冷凝器和蒸發器，分別采用三流程叉流換熱形式和兩流程叉流換熱形式。設計換熱器時采用對數平均溫差法進行數值迭代的方式設計具體的幾何形式，制冷系統主要部件見圖6。

圖6 制冷系統部件Fig.6 Compression refrigeration system components

節流裝置選用毛細管型式。采用經驗公式（3）對制冷劑充注量進行了預估。系統集成時選取不同長度和不同充注量進行最優匹配。

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

2.3系統實驗測試

試制和集成完的壓縮制冷系統如圖7所示，測試中，以六個發熱器件模擬熱負載貼覆在散熱冷板上。整個系統在蒸發器進出風口、冷凝器進出風口布置有K型溫度傳感器，在壓縮機的進排氣口連接有雙表閥測量高低壓溫度和壓力。鑒于系統中風道緊湊空間狹小，無法用焓差法測得制冷量，采用穩態熱平衡法進行制冷量的考核實驗。

圖7 壓縮制冷系統實物（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

性能測試前，在保持出風溫度20℃，毛細管內徑1.2 mm前提下，對不同制冷劑充注量和毛細管長度進行了最大制冷量影響對比實驗，確定了系統最優充注量和毛細管尺寸，最終結果如圖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，且隨毛細管長度增加，最大值對應的充注量增加，在最大值對應充注量附近，增加或減少制冷劑量都會導致制冷量的減少。這是因為制冷劑不足時，蒸發器中制冷劑過多的以氣態存在，導致換熱系數的降低；而過多的制冷劑又導致蒸發壓力的提高及外界環境的溫差的減小，制冷量也降低。所以在系統試制后，必須通過反復實驗找到最優的制冷劑充注量。圖7所示的系統最終確定的最優充注量為80 g，毛細管長度為1.1 m。

表1所示為不同環境溫度和不同負載熱耗下的便攜式壓縮制冷系統性能。從表1可以看出，系統在典型高溫工況下，熱負載300 W、環境溫度40℃時，出風溫度為15℃，滿足小于20℃的出風要求。詳細分析如圖9～圖11所示。

表1 制冷性能測試數據（節選）Tab.1 Performance test data

圖9 出風溫度隨環境溫度變化情況Fig.9 Intake air temperature changes with ambient air temperature

圖9所示為不同環境溫度下出風溫度變化情況。從圖中可以看出隨著環境溫度和熱耗的增加，出風溫度呈正比例增加趨勢。這是因為環境溫度升高使冷凝壓力升高，對于采取毛細管的壓縮制冷系統，調節能力有一定限制，蒸發溫度和壓力隨之提高，蒸發器出風溫度相應得到提高。冷凝壓力和溫度的變化見圖10。

圖11所示為制冷系統COP隨外界溫度變化情況。可以看出，COP隨著環境溫度的升高呈降低趨勢。這主要是由于環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COP隨出風溫度的變化情況。從表中可以看出，系統COP隨著出風溫度的增加呈上升趨勢。這主要是由于出風溫度的提高，伴隨著蒸發器和冷凝器的溫差降低，壓縮機壓比降低，因此COP提高。由于系統集成度較高，導致風道損失稍大，蒸發器和冷凝器換熱未達到最優狀態，系統的COP始終在2.2以下，在戶外高溫使用環境下，為降低功耗、提高設備的續航能力，應在滿足設備散熱要求的前提下，盡量提高出風溫度，從而提高便攜式電子設備的續航能力。

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

表2 COP隨出風溫度變化情況（節選）Tab.2 COP changes with the intake air temperature

3 結論

開展了與便攜式特種電子設備一體集成的微型壓縮制冷系統方案研究，并模擬了特種設備常見戶外溫濕度工況，在環境溫度20～40℃、相對濕度70%戶外條件下，試制實驗得出了以下結論：

1）系統在毛細管內徑1.2 mm，管長1.1 m，制冷劑充注量80 g時，達到了最大制冷量。

2）該壓縮制冷系統制冷量不低于300 W，出風溫度不高于20℃，滿足設計要求。

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

［1］ 牟笑迎，吳玉庭，馬重芳.蒸氣壓縮制冷在高熱流電子器

件冷卻中的應用［J］.制冷與空調（北京），2009，9（5）：5?9.（MU Xiaoying，WU Yuting，MA Chongfang.Applica?tion of vapor compression refrigeration to high heat flux mi?croelectronics cooling［J］.Refrigeration and Air?condi? tioning，2009，9（5）：5?9.）

［2］ Deming G，Wysk R，Leek P.2U rack mountable vapor compression cooling system for high power electronics［J］. Electronics Cooling，2008，10（5）：5?7.

［3］ Peeples J.Vapor compression cooling for high performance applications，electronics cooling［J］.2001，3（7），9?14.

［4］ Burnett J.Advances in vapor compression electronics cool?ing［J］.Electronics Cooling，2014，16（5），21?26.

［5］ Mongia R，Masahiro K，Distefano E.Small scale refrigera?tion system for electronics cooling within a notebook com?puter［C］／／The 10th Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronics Systems. San Diego，CA，2006：571?578.

［6］ 韓寶琦，李樹林.制冷空調原理及應用［M］.北京：機械工業出版社，2002：182?183.（HAN Baoqi，LI Shulin. Principle and application of refrigeration and air?condition?ing［M］.Beijing：China Machine Press，2002：182?183.）

［7］ 閆彪，公茂瓊，吳劍峰.微型壓縮機驅動的微型混合工質J?T制冷器實驗研究［J］.制冷學報，2013，34（4）：14?17. （YAN Biao，GONG Maoqiong，WU Jianfeng.Experimen?tal investigation on a miniature mixed refrigeratant J?T re?frigerator driven by a mini?compressor［J］.Journal of Re?frigeration，2013，34（4）：14?17.）

［8］ 劉迎文，黃競，李常春，等.空間機械制冷機的工程化研究現狀［J］.制冷學報，2006，27（1）：1?8.（LIU Ying?wen，HUANG Jing，LI Changchun，et al.Review of engi?neering research on mechanical cryocooler for space appli?cation［J］.Journal of Refrigeration，2006，27（1）：1?8.）

［9］ 陳變蕊，侯予.板翅式蒸發器液冷系統的實驗研究［J］.制冷學報，2008，29（2）：8?13.（CHEN Bianrui，HOU Yu. Experimental study on refrigerating system with plate?fin e?vaporator［J］.Journal of Refrigeration，2008，29（2）：8?13.）

［10］王東芳，吳玉庭.微型制冷系統性能試驗研究［J］.工程熱物理學報，2011，32（5）：1?4.（WANG Dongfang，WU Yuting.Experimental study on miniature?refrigeration sys?tem［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2011，32 （5）：1?4.）

［11］范思權.G?M微型制冷機壓機的改裝試驗和設計［J］.東南大學學報，1997，27（6）：128?132.（FAN Siquan.Re?formation and test of the compression system for a G?M re?frigerator［J］.Journal of Southeast University，1997，27 （6）：128?132.）

［12］邵世婷.微型制冷系統模擬與微通道冷凝器實驗研究［D］.上海：上海交通大學，2008.（SHAO Shiting.Nu?merrical simulation of micro?refrigeration system and exper?iment about micro?channel condenser［D］.Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2008.）［13］張行周，鐘曉暉.單兵空調系統研究［J］.兵工學報，2007，28（6）：749?752.（ZHANG Xingzhou，ZHONG Xi?aohui.Study of soldier′s air?conditioning systems［J］.Acta Armamentarii，2007，28（6）：749?752.）

［14］張東鳳.熱工測量及儀表［M］.北京：中國電力出版社，2007：34?69.（ZHANG Dongfeng.Thermal measurement and meter［M］.Beijing：China Electric Power Press，2007：34?69.）

［15］徐琳.小型制冷裝置毛細管特性研究［D］.杭州：浙江大學，2006.（XU Lin.Study on capillary characteristics of small refrigeration unit［J］.Hangzhou：Zhejiang Universi?ty，2006.）

［16］楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006：36?44.（YANG Shiming，TAO Wenquan.Heat transfer［M］.4th ed.Beijing：Higher Education Press，2006：36?44.）

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，中國電子科技集團公司第二十九研究所，13558812832，E?mail：qcw198＠163.com。研究方向：電子設備冷卻技術。

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.