王希兵

（中華人民共和國(guó)江蘇漁港監(jiān)督局港監(jiān)處，江蘇南通 226006）

0 引言

所謂液體冷卻系統(tǒng)，就是冷卻液體與發(fā)熱元器件直接或間接接觸進(jìn)行熱交換，熱源將熱量傳給冷卻液體，再由冷卻液體將熱量傳遞出去。液體冷卻系統(tǒng)中泵、熱交換器以及冷卻劑的選擇至關(guān)重要。由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)及質(zhì)量定壓熱容均比空氣大，因此，利用液體冷卻可以很好的降低相關(guān)換熱環(huán)節(jié)的熱阻，提高其冷卻效率。

1 液體冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

1）根據(jù)變頻器設(shè)備的技術(shù)條件，確定冷卻系統(tǒng)的冷卻方式并選擇冷卻液體，然后進(jìn)行傳熱計(jì)算，確定冷卻液體的流量和流速。

冷卻液流量的計(jì)算根據(jù)熱力學(xué)公式

式中：K—不均勻換熱系數(shù)，K=1.1～1.5；c—冷卻液的比熱；m—冷卻液質(zhì)量流量（kg/s）；Δt —循環(huán)冷卻液進(jìn)出口溫差（℃）。

那么所需要的冷卻液質(zhì)量流量為：

考慮到可靠性、安全因素及長(zhǎng)期運(yùn)行冷卻性能逐漸下降等因素，實(shí)際內(nèi)冷液量可略大于計(jì)算值。

單獨(dú)設(shè)備的冷卻液流量可通過(guò)單獨(dú)計(jì)算的設(shè)備熱損耗來(lái)確定。流量、流速與管道通徑的關(guān)系通過(guò)下式表現(xiàn)：

式中：m—冷卻液質(zhì)量流量，t/h；ρ—冷卻液密度，kg/m3；d—管道通徑，mm；v—冷卻液流速。

冷卻系統(tǒng)中的管道主要采用剛性管道和彈性管道，考慮到抗腐蝕能力和使用壽命，剛性管道材質(zhì)一般選用不銹鋼或銅。

彈性管道主要包括不銹鋼波紋管、橡膠軟管等，振動(dòng)設(shè)備之間、通徑25以上的管道可采用不銹鋼波紋管連接，通徑25以下采用橡膠軟管。彈性管道具有安裝靈活、方便拆裝、抗振動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2）選擇二次冷卻方式（熱交換器形式）。根據(jù)水源、損耗功率大小以及氣象資料（環(huán)境溫度等）來(lái)確定熱交換器的形式，當(dāng)換熱容量在20 kW以上，而且水源比較豐富時(shí)，可采用水-水熱交換器，當(dāng)熱交換容量小于20 kW時(shí)，水源較缺（如移動(dòng)設(shè)備），可采用水-風(fēng)熱交換器。

3）分別確定熱流體和冷流體的溫差Δt1和Δt2，選擇Δt時(shí)，既要保證能帶走熱量，又要保證系統(tǒng)啟動(dòng)后盡快達(dá)到工作溫度。出口溫度一般不宜超過(guò)60～70℃，若溫度過(guò)高，則易產(chǎn)生水垢而影響散熱性能。對(duì)于液冷系統(tǒng)，一次熱交換的溫差，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推薦Δt1=7～10℃；二次熱交換的溫差可取為5℃左右；

4）根據(jù)二次冷卻液體的溫差Δt2，由熱平衡方程式確定其流量。

5）確定冷流體在換熱器中的走向，根據(jù)其走向，分別求出在換熱器中的換熱系數(shù)1h和2h。

6）根據(jù)1h、2h及mtΔ確定熱交換器的換熱面積，并對(duì)熱交換器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或選擇符合換熱面積的熱交換器。

換熱面積的確定

式中：Q—換熱量；mtΔ—平均對(duì)數(shù)溫差；K—換熱系數(shù)；ε—水垢附加系數(shù)，軟水—ε=0.6～0.65，硬水—ε=0.8～0.85。

對(duì)數(shù)平均溫度可按下式求得

式中：Δt′—表示內(nèi)循環(huán)水入口溫度與外循環(huán)水出口溫度之差或內(nèi)循環(huán)水出口溫度與外循環(huán)水進(jìn)口溫度之差中的大者， Δt′—表示其中的小者。

7）根據(jù)整個(gè)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置，計(jì)算系統(tǒng)的阻力損失，以便結(jié)合流量選擇泵及電機(jī)功率的大小。

系統(tǒng)壓力損失（也稱壓降）包括兩部分：

a）沿程壓力損失，它是由流體流經(jīng)管道壁面時(shí)與壁面之間的摩擦引起，也稱為靜壓損失，沿程壓力損失可由下式計(jì)算。

式中：pΔ—沿程壓力損失；f—沿程阻力系數(shù)；l—管道長(zhǎng)度；ρ—密度；v—流速；d—管道直徑。

b）局部壓力損失，它是由流體進(jìn)、出口以及流經(jīng)彎頭、截面突變、濾網(wǎng)等處引起的，也稱為動(dòng)壓損失，當(dāng)流體的速度和方向發(fā)生變化時(shí)所引起的局部壓力損失由下式計(jì)算。

式中：pΔ—局部壓力損失之和；ζΣ—局部阻力損失系數(shù)之和；ρ—密度；v—流速。

一般設(shè)備供水壓力過(guò)低會(huì)使內(nèi)循環(huán)水無(wú)法克服管道流阻，導(dǎo)致內(nèi)循環(huán)水流量過(guò)低，內(nèi)循環(huán)水壓力過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致軟管接頭松脫或爆管事故，一般內(nèi)循環(huán)水出口壓力為0.25～0.4 MPa。

泵是用來(lái)輸送冷卻液體并使其在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)的一個(gè)動(dòng)力裝置。在選擇液體冷卻用泵時(shí)，應(yīng)注意以下方面：

a）冷卻劑的物理、化學(xué)特性，如密度、黏度、溫度、懸浮的固體、磨料、熱穩(wěn)定性能及對(duì)泵結(jié)構(gòu)材料的腐蝕和溶解作用。

b）流體在泵的入口狀態(tài)，即是否注滿入口、是否充滿氣泡、是否自動(dòng)注水等。

c）泵的特性，如流量、壓差、進(jìn)出口壓力、管道損失、換熱器和占空系數(shù)等。

d）泵的電氣和機(jī)械特性，如電動(dòng)機(jī)電壓、頻率、噪聲和環(huán)境條件（灰塵、潮濕、煙霧）等。

考慮到安全問(wèn)題，一般選擇兩臺(tái)水泵并聯(lián)為內(nèi)循環(huán)水提供動(dòng)力，假定內(nèi)循環(huán)水總流量為Q，那么兩臺(tái)水泵的額定流量應(yīng)略大于Q/2，兩臺(tái)同樣的水泵并聯(lián)工作，如果忽略管路接頭損失，并聯(lián)水泵的揚(yáng)程與單臺(tái)水泵的揚(yáng)程相同，流量小于兩臺(tái)水泵流量之和，即：

8）水冷散熱板及水冷設(shè)備的的設(shè)計(jì)要求

a）一般采用鋁材或銅材作為水冷散熱板的材料；

b）水冷散熱板與功率器件的安裝表面應(yīng)光潔、平整?？杉訉?dǎo)熱膏、導(dǎo)熱脂或?qū)嵯鹉z片等；

c）水冷散熱板與安裝表面之間不應(yīng)出現(xiàn)跳火、擊穿等跡象，其電絕緣性、耐熱性和耐濕性應(yīng)按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)；

d）水冷散熱板應(yīng)按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，其熱阻值不應(yīng)超過(guò)需用偏差范圍。

水冷散熱板的設(shè)計(jì)要求應(yīng)至少包括以下參數(shù)：散熱功率；冷卻液流量及溫度；元器件安裝面熱阻；散熱板內(nèi)部管道流阻；表面粗糙度及平面度；散熱板耐壓；材質(zhì)。

其他水冷設(shè)備均應(yīng)提供冷卻液流量，流阻曲線等參數(shù)。在額定流量下，單個(gè)部件流阻不得大于0.3 bar，變頻器系統(tǒng)流阻不得大于0.7 bar。

9）管路和閥的選用。為了輸送和控制冷卻劑的循環(huán)，在液體冷卻系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置必要的管路和閥門(mén)。應(yīng)盡可能減少管路中閥的數(shù)量，并考慮使用操作及維修的方便。

機(jī)載設(shè)備的液冷系統(tǒng)應(yīng)采用高強(qiáng)度的薄壁管道與接頭，以減少其尺寸和質(zhì)量；對(duì)于船用及地面的液冷系統(tǒng)，因?qū)|(zhì)量的要求不高，則可考慮選擇大型、價(jià)廉的輸送管道。

10）液冷系統(tǒng)的監(jiān)控與防護(hù)。在液冷系統(tǒng)中，對(duì)冷卻劑運(yùn)行過(guò)程的幾個(gè)主要參數(shù)，如溫度、流量和壓力，必須實(shí)行監(jiān)視與控制，當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作時(shí)，這些運(yùn)行參數(shù)應(yīng)能及時(shí)、準(zhǔn)確的顯示在集中控制室里。一旦某個(gè)參數(shù)出現(xiàn)異常，應(yīng)能迅速的發(fā)出警告信號(hào)，排除故障，同時(shí)對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行防腐蝕處理。

當(dāng)熱負(fù)載或工作環(huán)境條件改變時(shí)，應(yīng)對(duì)冷卻系統(tǒng)中的冷卻劑的流量進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)，減少熱循環(huán)對(duì)可靠性不利的影響。

根據(jù)元器件或組件對(duì)溫度敏感的程度進(jìn)行冷卻劑流量的調(diào)節(jié)。對(duì)于敞開(kāi)的系統(tǒng)或?qū)岱浅Ｃ舾械慕M件，其工作溫度應(yīng)控制在固定的范圍內(nèi)，有時(shí)需要配備冷卻劑的加熱裝置。

控制方式可分為：間斷式、旁通式和連續(xù)式。通過(guò)溫度傳感器產(chǎn)生的信號(hào)，控制冷卻系統(tǒng)中的閥門(mén)或類似裝置，實(shí)現(xiàn)流量（溫度）的控制。通過(guò)溫度傳感器提供的信號(hào)，使繼電器通斷來(lái)控制泵或電磁閥，達(dá)到控制的目的。

2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

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1）冷卻液的選擇

衡量某種液體是否適宜做冷卻液的兩個(gè)主要因素是腐蝕性和熱特性。電子設(shè)備用冷卻劑特性主要有以下五個(gè)方面：

a）冷卻液的熱特性。包括導(dǎo)熱系數(shù)、質(zhì)量定壓熱容、密度、黏度、膨脹系數(shù)和表面張力等。

b）物理特性。使用冷卻液的方便性和安全性、包括適當(dāng)?shù)姆悬c(diǎn)和冰點(diǎn)。

c）電氣特性。包括介電強(qiáng)度、體積電阻率、介電常數(shù)和損耗因素等。

d）相容性。與元器件的相容性要好，不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，熱穩(wěn)定性要好，不易揮發(fā)。

e）經(jīng)濟(jì)性。成本要低。

一般情況下，水是最好的冷卻劑，具有良好的物理特性和經(jīng)濟(jì)性，在特殊要求的環(huán)境下，可使用某些有機(jī)物的水溶液作為冷卻劑。

2）流速的選擇

冷卻液流速的選擇是衡量一個(gè)液體冷卻系統(tǒng)是否滿足要求的重要因素，流速過(guò)低，冷卻效果可能達(dá)不到系統(tǒng)要求；流速過(guò)快，需要配置功率更大的泵，造成浪費(fèi)，并帶來(lái)新的損耗，影響其經(jīng)濟(jì)性。

圖1為水冷散熱板模型，水冷板表面安裝四個(gè)功率模塊，每個(gè)功率模塊發(fā)熱量為1.04 kW，冷卻水進(jìn)口溫度為38℃，冷卻水進(jìn)口流速1.7 m/s條件下水冷板溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖所示。

改變冷卻水流速，得到仿真結(jié)果如表1所示。從仿真結(jié)果看，流速為1.7 m/s時(shí)，冷卻效果較好，繼續(xù)增加冷卻水流速，冷卻效果提升不明顯。因此冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，從整體性能角度考慮，冷卻液流速取1.7 m/s最合適。

3）氣水分離技術(shù)

冷卻水中可能溶解部分氣體，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中遇熱形成氣泡。使器件冷卻不均，可能出現(xiàn)故障。為除去系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的氣泡，需要在管路中安裝氣水分離器，氣水分離器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，氣水分離器串接在水泵吸入端的管路中，氣水分離器進(jìn)水口與出水口成 90°角，且出水口豎直向下。當(dāng)水流由進(jìn)水口（A處），進(jìn)入氣水分離器，由于氣水分離器的腔體比管路大，冷卻水進(jìn)入氣水分離器后，壓力產(chǎn)生突變，使水中的氣泡與水分離，氣泡穿過(guò)傾斜的孔板上浮，聚積在氣水分離器的上部(C處)，待氣體聚積至設(shè)定壓力后排氣閥自動(dòng)開(kāi)啟排空，而經(jīng)過(guò)除氣后的冷卻水聚積在氣水分離器的下部（B處），由出水口（D處）流出。

使用氣水分離器前冷卻水中存在大量的氣泡，如圖3（a）所示。設(shè)置氣水分離器冷卻系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，從透明管道中可以看到，冷卻水中無(wú)大量可見(jiàn)氣泡。如圖3（b）所示。

3 結(jié)論

液體冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循一定的流程和方法，對(duì)冷卻系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行整體的壓力、流量、流速進(jìn)行分析，選擇合適的冷卻液、管路、水泵和其他部件。綜合考慮各方面的因素，使其既能滿足熱設(shè)計(jì)的要求，又能達(dá)到電氣性能指標(biāo)，所用的代價(jià)最小、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠。

[1]趙惇殳. 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì). 電子工業(yè)出版社， 2009.

[2]馬義偉，劉紀(jì)福，錢(qián)輝廣. 空氣冷卻器[M]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1982.

[3]錢(qián)頌文. 換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社,2002.