陳恩，江用勝，魏紀(jì)君，王坤，張二新

（合肥通用機(jī)械研究院壓縮機(jī)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031）

0 引言

隨著大型車(chē)載電子設(shè)備技術(shù)發(fā)展和需求，電子設(shè)備中電子器件的熱流密度也相應(yīng)提高。有研究表明，所有的電子元器件都有其工作溫度的上限，任何設(shè)計(jì)精良的電子設(shè)備在長(zhǎng)期超溫及不均勻熱應(yīng)力的情況下都會(huì)發(fā)生故障或失效[1]。有統(tǒng)計(jì)表明，電子器件的溫度每升高10 ℃，其可靠性降低50%[2]。這些數(shù)據(jù)都說(shuō)明了散熱裝置的重要性。

原有的車(chē)載電子設(shè)備大都采用自然冷卻。隨著發(fā)熱密度提高,目前在用的車(chē)載電子設(shè)備發(fā)射器件開(kāi)始采用強(qiáng)迫風(fēng)冷形式，這是因?yàn)橥壤鋮s設(shè)備體積，強(qiáng)迫風(fēng)流的換熱量比自然冷卻大10倍。但隨著車(chē)載電子設(shè)備發(fā)射器件發(fā)熱密度進(jìn)一步提高，特別是重要電子設(shè)備發(fā)射器件的散熱量達(dá)到兆瓦級(jí),熱流密度達(dá) 250 W/cm2[3]。而軍用電子設(shè)備中大量使用的微波功率器件和絕緣柵門(mén)極晶體管（IGBT）模塊等的熱流密度則更高[4]，有研究表明，熱流密度將達(dá) 1,000 W/cm2[5]。采用自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷已無(wú)法滿足其要求。如果用液體冷卻代替空氣冷卻，散熱效率將得到改善[6]。

由于車(chē)載工作環(huán)境的要求，車(chē)載大功率電子設(shè)備液冷系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)成體積小、重量輕、運(yùn)輸簡(jiǎn)單、操作維修方便。

1 主要技術(shù)指標(biāo)和要求

本文選擇某車(chē)載電子設(shè)備液冷系統(tǒng)作為設(shè)計(jì)對(duì)象。該液冷系統(tǒng)用于電子設(shè)備使用過(guò)程熱負(fù)載設(shè)備的液體冷卻，液冷系統(tǒng)為電子設(shè)備發(fā)熱器件提供一定溫度、流量、壓力的循環(huán)冷卻液，通過(guò)熱交換最終將電子設(shè)備各單元的發(fā)熱量排至大氣中，并實(shí)現(xiàn)在低溫工作環(huán)境下自加熱，為電子設(shè)備的電子元器件提供溫度適宜的工作環(huán)境。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1) 冷卻能力不小于1,500 kW；

2) 供液流量不小于 400 m3/h（供液壓力為1.0 MPa）；

3) 供液溫度范圍：20 ℃～30 ℃可設(shè)定；

4) 供液溫度精度：設(shè)定值±2 ℃；

5) 電源：三相 AV 380(1±10%) V、(50±2) Hz；

6) 壓縮機(jī)制冷模式最大耗電量不大于1,100 kW；常規(guī)液冷模式最大耗電量不大于400 kW；

7) 液冷系統(tǒng)設(shè)備（含管路、備件、防凍液、充液裝置和隨機(jī)工具）采用6輛車(chē)運(yùn)輸，使用時(shí)進(jìn)行拼裝。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

2.1 工作模式

液冷系統(tǒng)的設(shè)備分裝6輛車(chē)上，工作時(shí)能夠快速在限制面積的場(chǎng)地進(jìn)行管路和電氣系統(tǒng)聯(lián)接和調(diào)試，滿足發(fā)射元件的工作需求。

根據(jù)技術(shù)要求以及系統(tǒng)使用的環(huán)境特點(diǎn)，將液冷系統(tǒng)分為壓縮機(jī)制冷和常規(guī)冷卻兩種工作模式：當(dāng)環(huán)境溫度大于（T-10）℃時(shí)，液冷系統(tǒng)運(yùn)行壓縮機(jī)制冷模式；當(dāng)環(huán)境溫度不大于（T-10）℃時(shí)，液冷系統(tǒng)運(yùn)行常規(guī)冷卻模式。其中，T是液冷系統(tǒng)供液溫度設(shè)定值。

制冷工況，初始默認(rèn)設(shè)定值為 25 ℃，可設(shè)定20 ℃～30 ℃；制熱工況，初始默認(rèn)設(shè)定值為10 ℃,可設(shè)定5 ℃～15 ℃。

為了方便管理，液冷系統(tǒng)配置了1臺(tái)中央控制箱，對(duì)整個(gè)液冷系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行管理，并將液冷系統(tǒng)的運(yùn)行、故障等信息傳遞給電子設(shè)備操控臺(tái)。

2.2 系統(tǒng)組成

依據(jù)液冷系統(tǒng)的技術(shù)要求，液冷系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由1個(gè)冷卻液輸送模塊和6個(gè)制冷模塊拼裝而成，其中1個(gè)制冷模塊作為熱備份。冷卻液輸送模塊的主要功能是給循環(huán)冷卻液提供動(dòng)力，使流量、壓力和潔凈度等方面滿足要求的冷卻液在封閉的管路系統(tǒng)中循環(huán)。制冷模塊的主要功能是給循環(huán)冷卻液進(jìn)行散熱。綜合考慮電子設(shè)備發(fā)射器件制冷量要求及水泵向冷卻液散熱等因素，每個(gè)模塊設(shè)計(jì)制冷量為 315 kW，液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)總制冷量為1,575 kW，供液流量為 400 m3/h，供液壓力為1.0 MPa。冷卻液輸送模塊主要包括中央控制箱、6臺(tái)冷卻液循環(huán)泵（5用1備）、儲(chǔ)水柜（帶電加熱器）、過(guò)濾器、膨脹水箱以及不銹鋼管路及管路附件等部件。制冷模塊主要包括壓縮機(jī)、軸流式風(fēng)機(jī)、板式蒸發(fā)器、集成式換熱器、控制箱、液管路電磁閥和制冷配件等部件。液冷系統(tǒng)簡(jiǎn)易系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 液冷系統(tǒng)簡(jiǎn)易系統(tǒng)流程圖

2.3 系統(tǒng)原理

傳感器將檢測(cè)到的環(huán)境溫度送至中央控制器，中央控制器將接收到的環(huán)境溫度信號(hào)與程序設(shè)定值比較后進(jìn)行判斷，按照判斷結(jié)果決定冷卻系統(tǒng)開(kāi)機(jī)的兩種工作模式。

常規(guī)液冷模式下，各制冷模塊的集成式換熱器冷卻液的進(jìn)口電磁閥默認(rèn)為開(kāi)啟狀態(tài)，板式蒸發(fā)器冷卻液進(jìn)口電磁閥默認(rèn)為關(guān)閉狀態(tài)。

壓縮機(jī)制冷液冷模式下，各制冷模塊的集成式換熱器冷卻液的進(jìn)口電磁閥默認(rèn)為關(guān)閉狀態(tài)，板式蒸發(fā)器冷卻液進(jìn)口電磁閥默認(rèn)為開(kāi)啟狀態(tài)。

在常規(guī)液冷模式或壓縮機(jī)制冷模式下，冷卻液循環(huán)過(guò)程如下：依次啟動(dòng)冷卻液輸送模塊中的5臺(tái)循環(huán)泵；冷卻液經(jīng)循環(huán)泵升壓后，通過(guò)不銹鋼管路平均分配至5個(gè)制冷模塊；冷卻液經(jīng)過(guò)制冷模塊充分散熱后，重新匯聚于冷卻液輸送方艙；經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾后輸出方艙，進(jìn)入電子設(shè)備，對(duì)電子設(shè)備的電子器件進(jìn)行冷卻；與電子設(shè)備換熱后的冷卻液回至冷卻液輸送方艙，經(jīng)過(guò)濾器后進(jìn)入儲(chǔ)水柜，再次循環(huán)。

常規(guī)液冷模式下，冷卻液從集成式換熱器流過(guò)，隨后開(kāi)啟各制冷模塊的軸流風(fēng)機(jī)，冷卻液與流經(jīng)集成換熱器的空氣進(jìn)行熱交換，將熱量散出。

壓縮機(jī)制冷模式下，冷卻液從各制冷模塊的制冷系統(tǒng)的板式蒸發(fā)器流過(guò)，隨后開(kāi)啟各制冷模塊的制冷系統(tǒng)，冷卻液與低溫低壓的制冷劑在板式蒸發(fā)器中進(jìn)行熱交換，將熱量通過(guò)制冷循環(huán)中的集成換熱器散出。單個(gè)制冷模塊制冷系統(tǒng)工作過(guò)程如下：經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后的高溫高壓過(guò)熱制冷劑氣體進(jìn)入集成式換熱器，與流經(jīng)集成式換熱器表面的空氣進(jìn)行換熱；制冷劑氣體冷凝成過(guò)冷液體，吸熱后的空氣從頂部排出，過(guò)冷制冷劑液體經(jīng)熱力膨脹閥節(jié)流后，變成低溫低壓的汽液混合物，進(jìn)入板式蒸發(fā)器蒸發(fā)，同時(shí)吸收冷卻液的熱量，從板式蒸發(fā)器出來(lái)的過(guò)熱制冷劑蒸汽被壓縮機(jī)吸入后又被壓縮送至集成式換熱器，如此循環(huán)。

開(kāi)機(jī)后，無(wú)論液冷系統(tǒng)處于常規(guī)液冷模式還是壓縮機(jī)制冷模式，若檢測(cè)到冷卻液供液溫度低于0 ℃時(shí)，液冷系統(tǒng)首先進(jìn)入預(yù)熱模式：即循環(huán)泵開(kāi)啟以后，開(kāi)啟儲(chǔ)水柜中的電加熱器，對(duì)冷卻液進(jìn)行預(yù)熱。當(dāng)冷卻液的溫度升至5 ℃時(shí)，關(guān)閉電加熱器，預(yù)熱模式終止，進(jìn)入正常工作模式。

2.4 設(shè)備布置

液冷系統(tǒng)的布置充分考慮設(shè)備的操作維修空間、設(shè)備之間的管線布置、維修搬運(yùn)工具的通過(guò)性以及設(shè)備擺放整齊等方面。冷卻液輸送模塊放置于設(shè)備中間，制冷模塊放置于冷卻液輸送模塊的兩側(cè)，各3臺(tái)。制冷模塊的橫向間距為2.5 m，制冷模塊與冷卻液輸送模塊的間距為 3.0 m，設(shè)備占地面積約為18 m×18 m。設(shè)備之間采用管路和電纜進(jìn)行連接，液冷系統(tǒng)與電子設(shè)備的供回液管路和冷卻系統(tǒng)之間的管路互不交叉，管線清晰。液冷系統(tǒng)設(shè)備布置見(jiàn)圖2。

圖2 設(shè)備布置圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 液冷液輸送模塊設(shè)計(jì)

冷卻液輸送模塊主要包括方艙、中央控制箱、6臺(tái)冷卻液循環(huán)泵（5用1備）、儲(chǔ)水柜、電加熱器、過(guò)濾器、流量計(jì)、膨脹水箱和不銹鋼管路及管路附件等部件。模塊的結(jié)構(gòu)布置主要綜合考慮各部件的可達(dá)性、維修性以及方便運(yùn)輸、起吊、安裝等方面。

依據(jù)模塊組成以及各部件、管路的具體外形尺寸和數(shù)量，將冷卻液輸送模塊設(shè)計(jì)成外形尺寸為8,000 mm（長(zhǎng)）×2,500 mm（寬）×2,600 mm（高）的方艙形式。方艙設(shè)有一對(duì)供給電子設(shè)備進(jìn)、出液的接口及一對(duì)供給制冷模塊進(jìn)、出液的接口，接口均為DN250，接口形式為法蘭連接。冷卻液輸送模塊結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖3。每個(gè)部件都考慮維修空間以及操作使用方便。方艙的運(yùn)輸以及吊裝接口采用標(biāo)準(zhǔn)方艙接口。

3.2 制冷模塊設(shè)計(jì)

液冷系統(tǒng)共包括6個(gè)制冷模塊，制冷模塊的主要功能是將熱量散發(fā)到空氣當(dāng)中。制冷模塊包括的主要設(shè)備有模塊方艙、壓縮機(jī)、軸流式風(fēng)機(jī)、集成式換熱器、板式蒸發(fā)器、控制箱、電纜及電纜接插件和冷卻液管路及管路附件等部件。

依據(jù)技術(shù)要求以及各部件、管路的具體外形尺寸和數(shù)量，將制冷模塊設(shè)計(jì)成外形尺寸為4,000 mm（長(zhǎng)）×2,500 mm（寬）×2,600 mm（高）的標(biāo)準(zhǔn)方艙形式，制冷模塊結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖 4。方艙設(shè)有一對(duì)冷卻液管路進(jìn)、出接口，接口均為DN150，接口形式為法蘭連接。

圖3 冷卻液輸送模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置圖

圖4 制冷模塊結(jié)構(gòu)圖

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 控制設(shè)備組成

控制系統(tǒng)的控制對(duì)象包括6個(gè)制冷模塊和1個(gè)冷卻液輸送模塊。

依據(jù)控制對(duì)象特征，將控制設(shè)備按如下方式進(jìn)行配置：每個(gè)模塊設(shè)置1臺(tái)專(zhuān)用控制箱進(jìn)行控制；整個(gè)液冷系統(tǒng)設(shè)置1臺(tái)中央控制箱進(jìn)行集中控制；中央控制箱上帶有觸摸屏，能夠?qū)鋮s設(shè)備的各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行集中顯示，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行操控。中央控制箱置于冷卻液輸送模塊內(nèi)部，周?chē)粲凶銐虻牟僮骺臻g。

3.3.2 配電方式

液冷系統(tǒng)配電總功率為1,100 kW。液冷系統(tǒng)電源功率分布為制冷模塊約為 150 kW，冷卻液輸送模塊為1,100 kW（包括電加熱功率）。依據(jù)電源功率分布，每個(gè)制冷模塊電源采用一根電纜輸送，冷卻液輸送模塊電源分為5根電纜輸送，具體配電見(jiàn)圖5。

3.3.3 中控冗余設(shè)計(jì)

液冷系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用雙中控冗余設(shè)計(jì)。當(dāng)中控1運(yùn)行時(shí)，冗余中控2從不接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，與下面的7臺(tái)模塊不進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。中控1與中控2通過(guò)獨(dú)立的串行口連接。中控1工作時(shí)，定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給中控 2，通訊內(nèi)容為所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)背景包；該數(shù)據(jù)包中有一固定標(biāo)志位，中控2定時(shí)將其置為一個(gè)數(shù)據(jù)，中控1將于固定時(shí)間清除這個(gè)位。當(dāng)中控2檢測(cè)該標(biāo)志位很久無(wú)動(dòng)作時(shí)，說(shuō)明中控1出現(xiàn)問(wèn)題。中控2給中控1發(fā)送權(quán)力標(biāo)記，同時(shí)輸出一個(gè)硬件IO-1信號(hào)給中控1，中控2等待中控1的回送權(quán)力標(biāo)記和硬件IO-2檢測(cè)回傳信號(hào)。當(dāng)邏輯判斷和硬件IO握手成功后，實(shí)現(xiàn)主控2控制液冷系統(tǒng)。雙中控冗余示意圖見(jiàn)圖6[6]。

圖5 液冷系統(tǒng)配電圖

圖6 中控冗余示意圖

3.3.4 控制模式和功能

整個(gè)液冷系統(tǒng)具有遙控和本控兩種工作模式。在遙控模式下，在電子設(shè)備顯控臺(tái)可對(duì)液冷系統(tǒng)實(shí)行一鍵啟停。在本控模式下，6個(gè)制冷模塊專(zhuān)用控制箱及中央控制箱都具有手動(dòng)、自動(dòng)和強(qiáng)制三種控制功能。

制冷模塊手動(dòng)模式功能：壓縮機(jī)制冷/常規(guī)液冷模式選擇，壓縮機(jī)/風(fēng)機(jī)啟停選擇。制冷模塊自動(dòng)模式功能：具有自動(dòng)按鈕，在本控下各模塊實(shí)行一鍵啟停。制冷模塊強(qiáng)制模式功能：風(fēng)機(jī)強(qiáng)制啟停、電磁閥強(qiáng)制啟停。

冷卻液輸送模塊專(zhuān)用控制箱上的所有操作按鈕和指示燈設(shè)置于中央控制箱。中央控制箱手動(dòng)模式功能：1～6#制冷模塊啟停，1～6#循環(huán)泵啟停、電加熱啟停選擇。中央控制箱自動(dòng)模式功能：具有自動(dòng)按鈕，實(shí)行液冷系統(tǒng)一鍵啟停。中央控制箱強(qiáng)制模式功能：1～6#循環(huán)泵強(qiáng)制啟停、旁通電磁閥強(qiáng)制啟停。

3.3.5 軟件設(shè)計(jì)

1）控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，所有單元控制軟件對(duì)外提供控制參數(shù)接口，接口圖見(jiàn)圖 7。設(shè)計(jì)思路為在線修改控制程序[7]。

圖7 控制軟件對(duì)外接口圖

2）組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

采用內(nèi)置3D引擎組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)監(jiān)控臺(tái)軟件。將整個(gè)液冷系統(tǒng) 3D模型導(dǎo)入監(jiān)控臺(tái),對(duì)液冷系統(tǒng)完成能耗管理、設(shè)備故障診斷等。采用三維可視化技術(shù)進(jìn)行工程管理，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型動(dòng)畫(huà)技術(shù)[8]。

3.3.6 能量調(diào)節(jié)與控制

依據(jù)液冷系統(tǒng)節(jié)能、降噪以及簡(jiǎn)單穩(wěn)定可靠為原則，并按照液冷系統(tǒng)的供液溫度控制在±2 ℃范圍內(nèi)的需求進(jìn)行系統(tǒng)能量調(diào)節(jié)和控制。控制方式按照工作模式分為常規(guī)液冷模式控制方式和壓縮機(jī)制冷模式控制方式。

在常規(guī)液冷模式下，壓縮機(jī)不工作，冷卻液與空氣在液冷換熱器中直接進(jìn)行熱交換?？刂七^(guò)程如下：供液溫度傳感器將檢測(cè)到的實(shí)時(shí)供液溫度信號(hào)送入中央控制器PLC；中央控制器PLC將供液溫度信號(hào)與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，并將比較的結(jié)果以（0～10）V信號(hào)的方式傳輸給風(fēng)機(jī)；風(fēng)機(jī)檢測(cè)到信號(hào)后立即調(diào)節(jié)到相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，把供液溫度控制在設(shè)定值范圍內(nèi)[9-10]。

在壓縮機(jī)制冷模式下，分初始開(kāi)機(jī)模式和運(yùn)行模式。液冷系統(tǒng)初始開(kāi)機(jī)時(shí)，制冷模塊啟停個(gè)數(shù)由不同環(huán)境溫度下的制冷量決定。當(dāng)環(huán)境溫度在 10 ℃～40 ℃，只依次開(kāi)啟4個(gè)制冷模塊。如果其中制冷模塊出現(xiàn)故障或 4個(gè)制冷模塊不能滿足供液溫度要求時(shí)，依次根據(jù)需要開(kāi)啟第5、第6個(gè)制冷模塊。當(dāng)環(huán)境溫度在40 ℃～50 ℃，依次開(kāi)啟5個(gè)制冷模塊。如果其中制冷模塊出現(xiàn)故障或5個(gè)制冷模塊不能滿足供液溫度要求時(shí)，依次根據(jù)需要開(kāi)啟第6個(gè)制冷模塊。

液冷系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行模式，供液溫度傳感器自動(dòng)檢測(cè)供液溫度，當(dāng)檢測(cè)到供液溫度小于（T+2）℃時(shí)，制冷模塊處于待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到供液溫度不小于（T+2）℃時(shí)，依次開(kāi)啟制冷模塊，制冷模塊開(kāi)啟臺(tái)數(shù)由環(huán)境溫度決定，初始開(kāi)啟載荷為25%；當(dāng)壓縮機(jī)以 25%載荷開(kāi)啟后，依據(jù)供液溫度設(shè)定值，控制器采用PID控制方式，對(duì)運(yùn)行的制冷模塊進(jìn)行同步調(diào)節(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

液冷系統(tǒng)是電子設(shè)備最重要的保障系統(tǒng)之一，隨著電子設(shè)備特別是新一代軍用電子裝備性能的不斷提高，熱設(shè)計(jì)面臨的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻。該液冷系統(tǒng)根據(jù)車(chē)載電子設(shè)備發(fā)射器件需求確定的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行總體方案分析和設(shè)計(jì)，液冷系統(tǒng)在設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)和總體布置方面可以給同等制冷量的液冷系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)參考；在抗低溫電氣控制、中控冗余和熱備份方面設(shè)計(jì)滿足環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求，可推廣用于國(guó)防電子裝備的液冷系統(tǒng)，取代昂貴的進(jìn)口產(chǎn)品。

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