特种车载液冷装置特性分析

张国华，侯春枝，钟根仔，江用胜

（1-空军驻合肥地区军事代表室，安徽合肥 237011；2-合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031）

特种车载液冷装置特性分析

张国华*1，侯春枝2，钟根仔2，江用胜2

（1-空军驻合肥地区军事代表室，安徽合肥 237011；2-合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031）

本文依据特种车载液冷装置的使用特点，重点论述特种车载液冷装置工作流程、参数及负荷特性、环境适应性、控制及结构模式以及研制过程难点等。本文为特种车载液冷装置设计和试验提供参考。

车载液冷装置；环境适应性；研制过程

0 引言

目前车载特种电子设备越来越高集成化、功率大型化及紧凑化。通过自然对流散热无法满足散热要求，因此目前大型车载特种电子设备越来越多配置专用的特种车载液冷装置[1]。特种车载液冷装置（以下简称“液冷装置”）与舒适性制冷设备由于服务的对象不同，工作方式也不一样。舒适性制冷设备工作方式是高温时制冷，低温时制热；而液冷装置在高温或低温时都要制冷[2]。由于服务对象的特殊性，液冷装置不仅要进行常规的试验检验，还必须要进行一系列的型式试验的考核。本文依据液冷装置的使用特点，重点论述了特种液冷装置工作流程、参数及负荷特性、环境适应性、控制及结构模式以及研制过程难点等方面。

1 工作流程及组成

液冷装置的工作模式有常规空气-水换热以及压缩机制冷两种工作模式。当环境温度低于≤5 ℃时，液冷装置按液冷模式运行。液冷模式时，电子设备产生的热负荷全部由空气-水换热器承担。当环境温度＞5 ℃时，液冷装置按制冷模式运行。制冷模式时，电子设备产生的热负荷全部由压缩机制冷承担。两种工作模式的基本原理都是将热量通过环境空气直接或间接的散发出去。液冷装置的工作原理如图1所示。

液冷装置一般分为室内机、室外机和电气控制组合三大部分。室内机主要包括：循环水泵、储水箱、电加热器、膨胀水箱、冷却液电磁阀、系统管路和管路附件以及温度、流量等参数检测元件等；室外机主要包括：压缩机、集成式换热器、轴流式风机、板式蒸发器、储液器以及制冷配件和制冷系统管路等；电气控制组合主要包括控制箱、控制面板、显示屏、供电和控制电缆等。

图1 液冷装置原理图

2 参数特性

依据服务对象的散热特性，液冷装置特性参数主要包括冷却液流量、供液压力和供液温度。

2.1 冷却液流量和供液压力参数特性

液冷装置冷却液流量和供液压力的影响因素有循环水泵参数以及系统总的阻力损失。当循环水泵型号选定后，其参数不会发生变化。因此液冷装置的冷却液流量和供液压力取决于系统总的阻力损失。液冷装置总的阻力损失与冷却液的黏度有关。冷却液的黏度越大，液冷装置总的阻力损失越大，供液压力相应要增大，冷却液流量相应要减小，反之亦然。

由于液冷装置的环境温度为-40 ℃～+50 ℃，环境温度范围与常用空调装置相比较宽。为了适应低温环境，液冷装置使用的冷却液一般为冰点低于-45 ℃乙二醇水溶液。冰点为-45 ℃乙二醇水溶液的浓度达到了56%。56%乙二醇水溶液的黏度比水的黏度大，而且随着温度的下降，其黏度变大。图2所示是水和56%乙二醇水溶液的黏度随温度变化的曲线图[1]。从图2中可以看出，随着液冷装置供液温度的降低，冷却液的黏度增大。因此随着液冷装置供液温度的降低，供液压力在增大，冷却液流量在减小，反之亦然。

液冷装置冷却液流量及供液压力随供液温度的变化特性，对服务对象可能产生的影响主要有两个方面：散热和承压。

图2 水与乙二醇水溶液随温度变化曲线图

对服务对象换热影响因素主要有冷却液流量、换热温差以及向周围环境的自然散热。不利因素体现为：在低温情况下，冷却液流量降低，这对服务对象散热是不利的。

有利因素体现为：1）在低温情况下，供液温度比设定值低得多，这就意味着服务对象可实现的换热温差比常规工况的换热温差大，这对服务对象散热是有利的；2）低温情况下由于换热温差大，服务对象向周围环境的自然散热比常规工况散热量高。

目前关于上述因素对服务对象散热综合影响的理论分析处于起步阶段。在项目试验和运行过程中发现，如果在常温工况满足散热要求，在低温情况下也可以满足散热要求。

在服务对象的承压方面，随着供液温度的降低，液冷装置的供液压力越来越大，因此服务对象的承压也越来越大。受到循环水泵扬程的限制，服务对象的承压不会无限增大，最大承压不会超过循环水泵的最大供液压力。因此，在服务对象的耐压设计方面，不能以液冷装置在常温工况下的供液压力为依据，必须要以液冷装置在低温情况下的最大供液压力为依据进行设计。

2.2 供液温度控制

在液冷装置的供液温度控制方面主要考虑以下几个因素[3-4]：

1）环境温度较高时防止电子元器件表面凝露；

2）尽可能为电子元器件提供舒适的温度；

3）考虑液冷装置工作的稳定性。

目前液冷装置的供液温度控制方法主要有以下三种。

1）依据环境温度划分设置一个或两个供液温度设定值。这种方法对液冷装置工作的稳定性最有利，但在电子元器件防凝露以及尽可能为电子元器件提供舒适的温度两者之间不能兼顾。

2）依据环境温度T1和固定温度差值Δt，将供液温度设定值T2按以下公式进行设定：

式中：

T1——环境温度，取整数，℃；

T2——供液温度设定值，℃；

Δt——固定温度差值，℃。

这种分步控制法有效兼顾了以上三个因素，是比较常用的稳定的控制方法。

3）供液温度设定为湿球温度。在服务对象外面安装温湿度传感器，实时探测环境空气的温湿度，由控制程序实时计算出空气的湿球温度，并将实时的湿球温度设定为供液温度。这种方法能有效地防止电子元器件表面凝露，给电子元气件提供舒适的温度，但是设备运行稳定性降低。

3 负荷适应性

液冷装置热负荷主要由服务对象工作特性以及外界环境决定。服务对象的发热特性由其工作特性决定。在全寿命周期内，服务对象工作模式一般分为维修调试模式、演练模式、部分功率模式以及全功率模式等，每个模式的发热量不同。外界环境因素主要包括环境温度和太阳辐射。因此液冷装置的热负荷是变化的，而且变化范围比较大。液冷装置要适应这种变化，必须具有灵活的能量调节能力[5]。液冷装置的能量调节方式主要由所采用的压缩机形式决定。活塞式压缩机采用调节工作气缸数进行能量调节；涡旋压缩机采用多机并联分别启停的控制方式进行能量调节。若服务对象发热量比较大，还可通过把液冷装置分成若干个模块的方式，根据热负荷大小控制模块工作个数。

4 环境适应性

液冷装置由于其特殊的使用场合，必须适应一系列的特殊环境。液冷装置特殊的环境主要包括温湿度环境、振动环境、低气压环境、电磁兼容试验、腐蚀环境、沙尘环境、风及太阳辐射环境等。为验证液冷装置在所处的各种环境条件下都能够正常工作，液冷装置要进行各种环境适用性试验。依据GJB 150《军用装备实验室环境试验方法》[6]，液冷装置要进行高温工作试验、高温贮存试验、低温工作试验、低温贮存试验、湿热试验、淋雨试验、振动试验、公路运输试验、低气压试验、电磁兼容试验、霉菌试验、盐雾试验、砂尘试验、风试验和太阳辐射试验等。液冷装置要有效适应试验环境，必须要在液冷装置设计上进行统筹考虑[7-8]。

在零部件选型和材料选择方面，选择适应工作温度范围的零部件，材料则选用不锈钢材料，不锈钢材质为316、316lL等。

在结构上，应充分考虑减振抗振，重要部件应采取安装减振器等措施；在振动部件的接口处设置绕性软接，减小振动传递；各部件、管路等应采取措施充分固定，保证抗振性能。

在工艺设计上，液冷装置必须进行三防设计，如设备的表面防护采用耐腐蚀的涂料及热喷涂金属、与外界的接口处采用密封胶密封等措施。

5 控制模式及特点

控制模式方面，液冷装置依据正常工作、调试检修及应急等工作模式，相对应地采取自动、手动和强制等控制模式。在自动模式下，液冷装置可以一键启停，设备安装既定的控制程序进行自动运行[9]。在手动模式下，可对液冷装置的各部件进行单独启停，方便调试和检修。当液冷装置的主控制器失效时，可以通过强制模式对设备的各部件进行启停。

在显示指示方面，一般液冷装置配有显示屏，显示设备的运行参数、各部件运行状态指示、故障名称等。

另外，液冷装置控制系统必须要考虑设备的可测试性。液冷装置的故障通过控制系统可以进行准确的定位和显示。

6 结构特性

液冷装置的结构分为室内机和室外机，大型液冷装置一般会采用独立整体的方式。无论是分体式还是整体式，结构设计时必须考虑设备的可维修性，考虑每个零部件都能方便地安装和拆卸。同时，考虑到液冷装置为车载设备，结构设计时考虑车载环境因素如运输振动等。设备要有足够的强度，要采取合理减振抗振措施[10]。

7 研制过程难点分析

1）生产批量少

电子设备发展比较快，设备的更新换代周期短，因此特种电子设备不会大批量建造。因此液冷装置不会像普通空调那样做到批量生产，而且又是非标产品，制造质量控制比较难。

2）试验较多

液冷装置在研制期间不仅要进行各种性能测试等例行试验，还要进行各型式试验，如高低温试验、振动试验等，而且试验条件比较苛刻。在设备定型后进入小批量生产阶段，也要进行批次抽检型式试验。

3）研制周期较长

由于电子系统和设备有上述特殊问题，因此无论是国内还是国外，研制周期都很长。以舰载雷达为例，美国的AN/SPY-1舰用相控阵雷达研制14年，而专用液冷装置作为特种电子设备的配套产品，其研制周期可想而知。

4）所需经费大

由于环境复杂、使用要求高、技术难度大、研制周期长、生产批量少，加之对材料的防腐等要求较高，因此研制液冷装置所需的经费比普通的空调机组要贵得多[11]。

8 结束语

目前，液冷装置应用越来越广泛，深入了解和研究液冷装置各种特性显得非常重要。本文主要从以下几方面进行论述：

1）液冷装置的流程特点和主要参数特性；

2）分析液冷装置热负荷和环境因素的复杂性，强调了液冷装置负荷和环境的适应性；

3）对液冷装置在控制、结构以及研制过程难点等方面进行了表述。

从以上方面论述，说明特种车载液冷装置产品在设计、制造和试验过程中的特殊性，为今后特种车载液冷装置同类产品的设计、制造和试验等方面提供参考。

[1]胡继孙,陈恩,侯春枝,等.车载雷达液体冷却系统设计[J].流体机械,2006,34(8): 80-83.

[2]WILSON,李秀梅.电子系统的液冷装置[J].计算机工程与科学,1986,37(4): 96-104.

[3]郑贤德.制冷原理与装置[M].北京: 机械工业出版社,2003.

[4]吴业正.制冷原理与设备[M].西安: 西安交通大学出版社,2002.

[5]尉迟斌.实用制冷与空调工程手册[M].北京: 机械工业出版社,2001.

[6]GJB 150 军用装备实验室环境试验方法[S].

[7]袁广超,陈恩,郭建,等.船用冷却设备的环境适应性研究[J].流体机械,2013,37(11): 81-84.

[8]干练,刘永,侯春枝.电子机柜专用空调机特殊要求的研究[J].制冷,2009,28(2): 40-42.

[9]丁东旭,袁广超,郭建,等.循环式液体冷却系统设计原理、元器件选型与模拟试验[J].流体机械,2012,40(6): 83-85.

[10]张亚峰.车载电子设备的抗振设计[J].电子机械工程,2003,28(2): 6-8.

[11]钟根仔.电子设备环境控制系统设计[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

*张国华（1968-），男，高工。研究方向：雷达总体、特种机电设备质量监督。联系地址：安徽六安市经开区纬一路，邮编：237011。联系电话：0564-3395868。E-mail：zhl736@gmail.com。