集成冷却系统设计

魏红军

(辽宁辽无一电子有限公司， 辽宁 辽阳 111010)

集成冷却系统设计

魏红军

(辽宁辽无一电子有限公司， 辽宁 辽阳 111010)

根据系统设计要求，为了充分利用设备空间、减少系统耗电，对设备舱的冷却系统进行了研究。通过对风冷源及液冷源的集成布局及控制优化，确定了集成冷却系统的方案。介绍了集成冷却系统的工作原理，结合产品的特点进行优化，设计出了符合产品要求的冷却系统。

集成冷却系统；设备舱；优化设计

引 言

军事电子设备通常工作在温度非常高的热环境中，较严酷热环境对大多数电子设备的正常工作产生严重影响，导致电子元器件的失效，进而导致整个设备的失效[1]。随着电子元器件的小型化、微小型化，集成电路的高集成化和微组装等，对电子设备的热设计要求也越来越高。

雷达系统的设备舱主要装载发射设备、接收设备、监控设备、电源等，由于舱内设备有耗散热量，为了满足设备的使用要求，需要对设备及舱内环境进行温度调节。由于该系统的空间布局及耗电的限制，不能利用体积较大及耗电过大的设备，所以采用一种将风冷源与液冷源集成安装，集中控制的集成冷却系统。

1 设计要求

1.1 环境适应性

集成冷却系统在下列条件下应能正常工作：

1)使用环境温度在-40 ℃～50 ℃之间，相对湿度为95±3%(30 ℃时)；

2)在海拔高度4 500 m以下露天工作；

3)可以在一定角度和周期的振动、冲击等情况下稳定工作。

1.2 性能要求

集成冷却系统主要提供两路冷却介质，分别对设备及舱内环境进行温度调节。

1)冷却能力≥5 kW；

2)冷却方式：液冷+风冷；

3)供液流量≥1.5 m3/h，供液压力≥0.4 MPa，供液温度≤57 ℃；

4)风量为350 m3/h，风压≥150 Pa；

5)设备使用温度≤65 ℃，舱内环境温度≤35 ℃；

6)最大耗电功率≤2.5 kW(380 V)。

2 方案设计及设备组成

设备舱工作在露天环境，使用环境比较恶劣。设备舱外部主要受高低温、湿热、低气压、太阳辐射、沙尘等影响，内部主要由发热设备产生的大量热量使舱内温度升高，影响设备的正常工作。为了保证设备舱内设备的正常工作，需采用冷却系统对舱内环境及设备进行冷却。

电子设备冷却方式选择的依据主要是电子元器件、电子设备的发热密度(即单位面积耗散功率)，其次是元器件的工作状态，设备的复杂性、空间、功耗，环境条件及经济性。综合考虑各方面因素，使电子设备既能满足热设计要求，又能达到电气性能指标，且所用代价最小，结构紧凑，工作可靠。常用冷却技术的单位面积最大功耗见表1[2]。

表1 常用冷却技术的单位面积最大功耗

根据设备舱及设备的热耗密度分析，设备舱内环境应采用强迫风冷进行冷却，设备舱内设备需要采用液体冷却。由于受设备安装空间及冷却设备功耗的限制，拟采用风冷源与液冷源集成安装的集成冷却系统。

风冷源主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、风机、膨胀阀和电控箱组成，液冷源主要由换热器、风机、水箱、电加热、水泵、电控箱和各类传感器组成。集成冷却系统设备布局如图1所示。

图1 集成冷却系统设备布局

3 工作原理

3.1 风冷源工作原理

风冷源主要为压缩制冷，主要利用制冷剂氟里昂(R22)在低压下汽化吸热的特性，通过风机将冷却的空气送入设备舱中，降低设备舱内温度。

制冷系统中压缩机将低压制冷剂气体吸入，压缩为高温高压气体后送入管带式冷凝器，高温高压的制冷剂气体在管带式冷凝器中与设备舱外空气进行热交换后冷凝为低温低压液体，经膨胀阀节流后进入蒸发器，在蒸发器中吸收设备舱内空气的热量后汽化为低温低压气体，重新进入压缩机，完成一次制冷循环。风冷源系统流程示意图见图2。

图2 风冷源系统流程示意图

3.2 液冷源工作原理

供液泵工作使低温冷却液流经负载，通过热交换将热量带走形成高温冷却液，通过常规换热器在冷却风机的强制换热作用下，将热量排出到大气中，低温冷却液回到水箱。液冷源系统流程示意图见图3。

图3 液冷源系统流程示意图

4 主要设备选型

4.1 供液泵

系统沿程水头损失：

Pm=i×L=38 140 Pa

式中：i为单位长度沿程水头损失，Pa/m，查表在流量1.5 m3/h、水速2.36 m/s的情况下，i=7 628 Pa/m；L为管路长度，取5 m。

局部阻力损失见表2，总计Pj=146 250 Pa。

表2 局部阻力损失

则系统沿程总阻力损失：

Pk=Pm+Pj=184 390 Pa≈0.2 MPa

设备总阻力损失：

P总=P+Pk=0.6 MPa

所以泵所需扬程为60 m。

选用佩德罗的PQ100型卧式不锈钢供液泵，流量为1.5 m3/h，扬程为65 m，功率为1.1 kW，能够满足系统要求。

4.2 流量传感器

主管路上安装流量传感器，流量传感器选用涡轮式流量传感器(低温系列，测量精度为±0.5%)，满足流量为0～4 m3/h的系统配置要求；流量传感器的叶轮及管体均为双相不锈钢材质，从而保证流量传感器的可靠性。

4.3 压力传感器

液冷源设备内循环供液压力检测采用P499压力传感器，传感器将采集的0.4～20 mA信号传送到PLC，可通过PLC对压力报警上下限进行设定。

压力传感器主要参数如下：

1)输出信号：0.4～20 mA；

2)主体材料：316L不锈钢；

3)测量范围：0～30 bar。

4.4 温度传感器

供液管路上安装温度传感器，温度传感器选用标准PT100一体化温度传感器(量程为-100℃～100℃，控制精度为±0.1℃)，满足系统存储温度-40 ℃～65 ℃的配置要求。温度传感器输出信号为4～20 mA信号，该信号具有测温准确，应用范围广，互换性、一致性、稳定性好的优点。

4.5 压缩机

根据设计要求，压缩机选用SD134CV，其功耗为0.4 kW，电流为1.1 A。

5 电气设计

5.1 控制与保护

机组电气控制以电路板为核心，实现环境温度、供液温度、供液压力、供液流量等数据的采集以及供液泵、冷风机、压缩机等执行设备的工作状态监控和操控。电控面板上装有电路板，能实时显示环境温度、供液温度、供液流量、供液压力等。

提供电源异常保护、压缩机过载保护、风机过载保护、水泵过载保护、供液压力越限报警、供液流量越限报警、供液温度越限报警、液位低报警等。

5.2 电气控制

电气控制采用电路板控制，通过数码管查询环境温度、供液温度、供液流量、供液压力等测量参数；通过面板指示灯监控各执行设备的运行状态；通过面板按钮操控机组工作；通过数码管显示故障代码，判断机组存在何种故障。

机组控制模式分为手动和自动。手动模式下，按下各执行设备所对应的操作按键即可控制相应设备运行；自动模式下，确保设定温度和切换温度正确的情况下，按下“开/关”按键，机组按照给定条件有步骤地控制冷风机、压缩机的启停。

5.3 控制逻辑

系统通电，通过温度传感器判断水箱温度。若水箱温度低于0 ℃，电加热工作，否则电加热不工作。水箱温度满足0 ℃以上，供液泵工作。

供液泵运行，同时比较环境温度与设定温度，若环境温度大于设定温度，机组进入压缩制冷模式；反之，则进入常规换热模式。

6 结束语

在当前冷却系统的设计中，如何综合运用冷却系统的功能、冷却系统的可用性与维修性、冷却系统的经济性等一些基本设计原则来研制有效的冷却方案，是设计师面临的主要问题。该方案主要根据具体的设计要求，综合风冷及液冷的优势，合理地将空调机及液冷机集成在一起，即满足了系统性能指标的要求，又合理地利用了现有空间。实际应用证明，该冷却方案合理可行。

[1] 薛晨辉. 大功率密封机箱的热设计[J]. 电子机械工程, 2005, 21(6): 4-7, 24.

[2] 王建石. 电子设备结构设计标准手册[M]. 北京: 中国标准出版社, 2001.

[3] 平丽浩, 黄普庆, 张润逵. 雷达结构与工艺[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007.

[4] 平丽浩, 钱吉裕, 徐德好. 电子装备热控新技术综述(上)[J]. 电子机械工程, 2008, 24(1): 1-10.

[5] 张旭. 超级计算机热设计[J]. 电子机械工程, 2003, 19(2): 9-14, 17.

魏红军(1973-)，男，工程师，主要从事雷达结构总体设计工作。

Design for Integrated Cooling System

WEI Hong-jun

(LiaoningLiaowuyiElectronicCo.,Ltd.,Liaoyang111010,China)

Based on the system design requirements, in order to make full use of cabinet space and reduce system power consumption, the cooling system of the equipment cabinet is studied in this article. Through the integration layout of air cooling source and liquid cooling source and control optimization, the scheme of the integrated cooling system is determined. The working principle of the integrated cooling system is introduced. Considering the characteristics of the product system, optimization is carried out to realize the cooling system satisfying the products requirements.

integrated cooling system; equipment cabinet; optimization design

2014-02-14

TK124；TK414.2

A

1008-5300(2014)04-0012-03