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(yīng)用于車載雷達天線陣面中電子設(shè)備的冷卻，需要全年制冷，具有使用環(huán)境溫度寬、適應(yīng)車載運輸振動等特點。目前市場上風(fēng)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(fēng)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(fēng)冷機房冷卻機組其只適用于靜止?fàn)顟B(tài)下使用，無法適用在車載狀態(tài)下使用；

（2）風(fēng)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(fēng)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(shè)計。相關(guān)工程技術(shù)人員對車載特種冷卻裝置相關(guān)技術(shù)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(shè)計相關(guān)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(shè)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(fēng)速要求，工作條件為最大穩(wěn)定風(fēng)速20 m/s，承受條件為最大穩(wěn)定風(fēng)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(yīng)濕熱、淋雨以及風(fēng)速指標(biāo)高等特點。

1.1 高低溫指標(biāo)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(shè)計、性能計算以及零部件選型設(shè)計的主要指標(biāo)。在原理流程上，既要保證冷卻裝置能夠適應(yīng)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(fù)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(shè)計方面，冷卻裝置的設(shè)計工況不能超過壓縮機運行的工況。零部件選型設(shè)計方面，主要考慮零部件或元器件的高低溫適應(yīng)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(biāo)對冷卻裝置的影響

冷卻裝置濕熱指標(biāo)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(shè)備表面產(chǎn)生凝露。冷卻裝置主要是為服務(wù)對象提供冷卻液，高溫高濕環(huán)境易導(dǎo)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(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(fēng)速指標(biāo)對冷卻裝置的影響

淋雨和風(fēng)速對冷卻裝置的室外側(cè)部分設(shè)備產(chǎn)生影響。室外側(cè)用電設(shè)備的防護等級較高，防止因雨水進入接線柱導(dǎo)致短路現(xiàn)象。室外側(cè)的各零部件、設(shè)備底部、凹槽等部位應(yīng)設(shè)置排水孔，防止雨水積聚導(dǎo)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(fēng)機排風(fēng)與自然風(fēng)產(chǎn)生對沖，風(fēng)機的風(fēng)量會減小，影響設(shè)備的散熱能力。因此冷卻裝置在進出風(fēng)面設(shè)計時應(yīng)考慮避免風(fēng)機排風(fēng)與自然風(fēng)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(dāng)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(yù)熱。預(yù)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(yù)熱，當(dāng)循環(huán)冷卻液溫度上升至T3，停止預(yù)熱。當(dāng)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(shè)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(fēng)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(shè)計要點分析

冷卻裝置的設(shè)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(biāo)考核。全壽命方面，冷卻裝置在設(shè)計時應(yīng)充分考慮設(shè)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(yīng)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(shù)體制、控制方式以及在特殊使用場合下充分考慮設(shè)備的安裝空間結(jié)構(gòu)。冷卻裝置的主要的零部件匹配包括壓縮機、風(fēng)機以及蒸發(fā)器等匹配設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(fēng)機匹配分析

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

表2 2種風(fēng)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(fēng)機。但是由于結(jié)構(gòu)空間小等原因，冷卻裝置需要匹配大風(fēng)量大靜壓型風(fēng)機，該型風(fēng)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(jié)構(gòu)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(cè)具有大溫差大流量的特點。該類型的板式換熱器在選型設(shè)計時，不僅要關(guān)注蒸發(fā)器在設(shè)計工況下的換熱能力，同時也要關(guān)注蒸發(fā)器的冷卻液側(cè)阻力。由于換熱溫差和冷卻液側(cè)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(cè)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(cè)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(shè)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(yù)制件散件安裝，因此冷卻裝置必須要開展適裝性設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備整合成整體，在研制階段可以發(fā)現(xiàn)冷卻裝置在設(shè)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(zhuǎn)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(yù)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(shè)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(shè)備的適裝性。

（2）由于管路零部件、管道與管道的接口之間設(shè)置適量伸縮調(diào)整的繞性接管，既可以消除適當(dāng)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(cè)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(yīng)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(rèn)。室外機側(cè)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(yīng)可能出現(xiàn)的尺寸偏差。另外，室外機側(cè)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(shè)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(fù)雜，設(shè)備量較大，特別是重要設(shè)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(shè)備對溫度控制進度要求、設(shè)備布置空間、耗電功率等因數(shù)影響。一般情況下電子設(shè)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(yīng)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(fēng)機可以無極調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(shè)計

冷卻裝置向電子設(shè)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(shè)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(rèn)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(shù)措施如下：

（1）冷卻裝置設(shè)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(shè)置默認(rèn)值T，并將供液溫度設(shè)置默認(rèn)值T與空氣的露點溫度Tg進行實時比較：當(dāng)空氣的露點溫度Tg＜供液溫度默認(rèn)值T時，冷卻裝置的實際供液溫度運行值以T值運行；當(dāng)空氣的露點溫度Tg≥供液溫度默認(rèn)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(shù)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(yīng)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(dāng)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(shè)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(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至無法工作。為了防止當(dāng)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(dāng)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(shè)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(shè)備工作穩(wěn)定等優(yōu)點。因此，通過合理優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)、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(shè)備的耗電量，提高設(shè)備可靠性。

4.3 國產(chǎn)化

冷卻裝置目前所使用的風(fēng)機、控制器等重要部件都使用進口件。面對當(dāng)前復(fù)雜國際環(huán)境，重要零部件可能面臨斷供風(fēng)險。應(yīng)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(jié)語

冷卻裝置具有使用場合特殊，結(jié)構(gòu)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(shè)計、供液溫度控制以及模式切換方式等方面進行了詳細(xì)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(jié)，提出來一些改進建議。